核法勘探儀器

基本原理及探測器　探測的基本原理是粒子或射線通過構成探測器的物質時，直接或經次級效應產生的電離、激發效應使其能量轉換為可觀測的物理量信號，用電子線路或特定的設備處理這些信號，以便測定。核法勘探儀器的種類繁多，性能、功能各異，然而它們通常都是由探測器、信號處理、分析、顯示、輸出等部件構成，其中最重要的、決定儀器基本性能的是探測器，常用的有以下幾類。

氣體探測器 　包括電離室、正比計數器、蓋革-彌勒計數器（G- M計數器）等。大多是由圓柱狀陰極和中央絲狀陽極構成，其間為氣體介質，並加有穩定電壓，形成電場。帶電粒子 α、β可直接使氣體電離;X、γ射線通過與陰極等物質的次級效應產生的高能電子使氣體電離，n與所充的三氟化硼(BF3)、氦(3He)、氫(H)等氣體的核反應產生帶電粒子，使氣體電離。電離形成的電子和正離子在電場中漂移。在陽極上產生感應電荷，從而把射線能轉換為平均電流或脈衝信號輸出。

正比計數器電極間電場強度大，電子在其漂移的路徑中可引起次級電離，陽極上感應的電荷量比初始電離電荷量大，形成“氣體放大”現象。對確定的電場強度，其放大倍數基本為定值。輸出的脈衝信號幅度與入射射線的能量成正比。

G-M計數器電極間電場強度更大，次級電離形成雪崩現象，大量正離子產生了空間電荷效應，減弱了電場強度，使陽極上的感應電荷量基本飽和，其輸出脈衝信號幅度大，但與入射射線能量無關。

閃爍探測器 　由閃爍體和光電倍增管構成。可做為閃爍體的已知物質有固體、液體、氣體，以及有機物、無機物等多種多類，其中廣為應用的是無機透明固體碘化鈉（鉈）〔NaI(Tl)〕閃爍體，常用於 γ射線探測器。閃爍體吸收射線後的次級效應產生的電子使閃爍體受激發射光子，光子通過光電倍增管轉換為電子，並倍增約105～108倍，被陽極收集，輸出脈衝信號。其幅度與被吸收的射線能量成正比，單位時間的脈衝計數與入射射線強度相關。

鍺酸鉍（Bi4Ge3O12）閃爍體對 γ射線的吸收能力是NaI(Tl)的2.3倍，高能響應好，可用於高能γ探測器。然而其發光温度係數較大，對野外現場能譜測量不利。硫化鋅（銀）〔ZnS(Ag)〕閃爍體常用於 α粒子探測器。

半導體探測器 　半導體探測器與電離室相似，不同的是半導體中不是空氣介質，而是其P-N結區(耗盡區)或補償區的高電阻率固體介質。常用的有金硅面疊型、硅(鋰)〔Si(Li)〕、鍺(鋰)〔Ge(Li)〕、高純鍺(HpGe)等，後3種對X、γ射線有極好的能量分辨率，是能譜測量的最佳探測器，但需在低温下工作，限制了其在野外現場的應用。化合物半導體碲化鎘(CdTe)、碘化汞(HgI2)在高温下也具有良好的能量分辨率，然而其晶體生長困難，尺寸大小約 2立方厘米。但隨着材料科學的進展仍不失為有前景的一類探測器。

固體徑跡探測器 　α 粒子可使具有很低閾值的硝酸纖維絕緣片產生輻射損傷，損傷面只能在數萬倍電子顯微鏡下觀察到。通常對有輻射損傷的絕緣片進行強酸或強鹼的化學蝕刻，形成直徑約200納米的蝕坑，用數十倍的光學顯微鏡觀測蝕坑數量。這種探測觀測方法常用來測量氡濃度。

儀器　野外地質勘查中常用的儀器有以下幾類。

γ輻射儀 　測量γ射線計數率，經刻度可反映照射量率或當量鈾含量的儀器。早期儀器的探測器為 G-M計數器，目前高靈敏度測量的儀器絕大多數用NaI(Tl)閃爍探測器，閃爍體靈敏體積一般為15～20立方厘米。

γ能譜儀 　測量γ射線能譜的儀器，其探測器通常為靈敏體積約300立方厘米的NaI(Tl)閃爍探測器。其輸出信號經電子學線路處理、分析後給出γ射線能譜，即多道能譜儀，一般為256道。目前廣為應用的是能給出與鉀(40K)、鉍(214Bi)、鈦(208Ti)能量相應的 3個光電峯面積計數率和總計數率的儀器，習慣稱為四道能譜儀。

此類儀器的探測器可經電纜拖曳於水下，在船上對海洋、湖泊底部進行測量，尋找鈾、釷礦牀。也可把整體儀器系統用車載或機載，進行汽車或航空γ能譜測量，用於測定地表的鉀、鈾、釷元素的含量。運載工具速度愈高，所需採用的閃爍體靈敏度愈高，高靈敏度航空γ能譜儀的靈敏體積可達5萬立方厘米。

X射線熒光分析儀 　用放射性核素低能 γ源激發被測物質產生特徵X射線，用於現場或樣品分析的儀器，一般採用正比計數器或Si(Li)、Ge(Li)、HpGe探測器，信號處理電子學線路的功能與γ能譜儀相似，可給出特徵X 射線譜或幾個特徵峯面積計數率。除可用於現場測量外，還可對海洋、湖泊底部進行測量。近來已有在飛船着陸艙中裝置自動測量的X射線熒光分析儀，對空間外星表面進行X熒光測量。

γ-n鈹量儀 　許多元素具有(γ-n)核反應，通常反應閾能較高，鈹(Be)的反應閾能最低，為1.66兆電子伏特，是唯一可用放射性核素γ源引起(γ-n)反應的元素。鈹量儀儀器由γ源和中子探測器及電子學線路構成，用於鈹含量測量。

γ輻射取樣儀 　在坑道或山地工程的壁上或礦體露頭上，不用傳統的刻槽取樣而定量測定放射性元素含量的儀器。與地面γ輻射儀不同的是其探測器有良好的準直器，測量立體角小，能消除周邊和本底輻射的影響。用於圈定鈾、釷礦體界線，確定鈾、釷、鉀含量。

射氣儀 　用於測量土壤中氡(Rn)、釷(Th)射氣的儀器。早期探測系統採用靜電計電離室，目前多用ZnS(Ag)閃爍室構成。通常都有一個可插入土壤中的取樣器，使射氣抽入電離室或閃爍室中，測量α 粒子計數率，經刻度後可給出射氣濃度值。用來尋找鋰、釷礦牀，解決其他地質問題。近來閃爍自動射氣儀在地震預報中廣為應用。

Rn子體測量儀 　α 卡硅探測器、氡管儀、活性炭儀等均屬此類儀器。前兩種是用蒸敷有金屬的滌綸薄膜製成取樣卡片（或用薄膜）埋於地表土壤中，集附Rn子體。取樣卡片或膜取出後在現場置於儀器中，測量子體的輻射計數率。後一種儀器是用活性炭取樣瓶吸附氡氣體，從土壤中取出後緊閉瓶蓋，在室內測量Rn子體的β、γ輻射計數率。

測井儀 　有多種儀器以適應多種測井方法（見鑽孔地球物理勘探）。其共同點是探測器置於探管中，通過電纜放入鑽孔，信號傳輸到地面電子儀器進行測量。γ輻射儀、γ 能譜儀、X射線熒光分析儀都可構成相應的測井系統。這類儀器用於確定岩石中鈾、釷、鉀的含量，圈定礦體或劃分地層等。

基於γ射線與物質相互作用的γ-γ測井儀，其探管中有銫(137Cs)或鎇(241Am)γ源和閃爍探測器，地面電子儀器可測散射γ射線的計數率。用來解決與密度相關的地質問題。

n-γ測井儀和n-n測井儀是利用(n-γ)，(n-n)核反應和中子慢化效應的儀器系統。探管中裝有中子源或中子管和相應的γ或中子探測器。根據方法的需要，地面儀器可測量γ射線計數率、能譜或熱中子通量及裂變中子通量，也可測量中子壽命。這些儀器可用於γ-γ測井、n-γ能譜測井、中子活化測井、緩發或瞬發中子測井、中子壽命測井等方法。