电离室、正比计数器和G-M计数器因其探测γ射线效率很低,在测井中应用较少,使用较多的是各种闪烁计数器。
1.γ射线闪烁探测器的工作原理
γ射线入射到晶体上,发生光电效应、康普顿效应和电子对效应。前两种效应产生电子,后一种效应产生电子对,这些次级电子在晶体中运动,把能量消耗于晶体中,使晶体中原子电离、受激发,处于激发态的原子回到基态时,使晶体闪光,即产生荧光。荧光被光倍电增管的光阴极收集并转换成光电子,光电子经光电倍增管的各个打拿极放大,数量倍增,最终在管子的阳极负载电阻上产生电脉冲。电脉冲幅度的大小与γ射线能量成正比。因此,闪烁探测器能测量γ射线能量谱。
2.闪烁探测器的能量分辨率
探测器在形成输出脉冲的过程中,脉冲幅度存在着统计涨落。即使对确定的单能粒子,其脉冲幅度也具有一定的分布。通常把脉冲计数率随脉冲幅度分布的半宽度ΔV1/2与计数率最大值所对应的脉冲幅度之比,定义为脉冲幅度的分辨率。根据入射粒子能量与脉冲幅度成正比关系,能量分辨率表示为η=ΔV1/2/V。
在实验室测量闪烁探测器的γ射线能量谱,一般用标准源137Cs和谱仪,纵坐标为γ射线每道计数率N,横坐标为谱仪的道数,道数正比于需要测的脉冲幅度电压。图1-2-6是用256道谱仪测得的NaI(T1)闪烁晶体137Cs标准源γ射线谱。
A点峰位60道,A点计数率为n,n/2处E、F两点的道数分别为57、63,半宽度道数为6,该闪烁晶体探测器γ射线能量分辨率η=6 / 60=1 / 10=10%。
A点能量0.661MeV称为全能峰,因是光电效应形成的,又称为光电峰;平台状曲线B点康普顿散射效应形成的,它的特征散射光子逃逸后,留下一个能量连续的电子谱。C点能量0.184MeV称为反散射峰。当γ射线射向闪烁体时,总有一部分γ射线没有被闪烁体吸收而穿出。当它与闪烁体后面的物质发生康普顿效应时,反散射光子返回闪烁体,通过光电效应被记录,这就构成反散射峰。
反射回来的光子能量由下式可算出:
令θ=180°、hv0=0.661MeV,则hv=0.184MeV。
D点能量32.2keV是X射线峰,它是由137Ba的Κ层特征X射线贡献的。137Cs的β衰变子体137Ba的0.662MeV激发态,在放出内转换电子后,造成Κ层空位,外层电子跃迁后产生此X射线。
图1-2-7是用256谱仪和碘化钠闪烁体测得的24Na源γ射线能量谱。
A点能量Eγ1=1.38MeV,B点能量Eγ2=2.76MeV。A点是能量为Eγ1的γ射线在晶体中产生的全能峰。B点是能量为Eγ2的γ射线在晶体中产生的全能峰。
D点能量=2.76MeV-0.51MeV=2.51MeV,称为第一逃逸峰。
C点能量=2.76MeV-0.51MeV-0.51MeV=1.74MeV,称为第二逃逸峰。
Eγ2=2.76MeV的γ射线在闪烁体中主要产生电子对效应。这时正负电子对具有的总动能为:
正负电子对的总动能比Eγ2少了一对正负电子的静止能量,这一正负电子对的总动能消耗在晶体中,用于闪烁发光。另外,当正电子动能消耗殆尽时,它就与晶体原子中的电子产生湮没作用,而转化为两只光子e++e- → 2hv,hv=0.51MeV。这两只光子称为湮没光子。这两只光子在晶体中有三种可能的趋向,两只湮没光子的能量全部消耗在晶体中,它们的总能量1.02MeV加上Ee+ + Ee-正负电子对在晶体中闪烁发光的能量,由于累积效应,谱仪记录B点能量,(Ee++Ee-)+1.02MeV=1.74MeV+1.02MeV=2.76MeV = Eγ2,所以B点是2.76MeV的全能峰。两只湮没光子中有一只逃逸出晶体,谱仪记录的能量比全能峰少了0.51MeV这就是D峰,称为第一逃逸峰。两只湮没光子全部逃逸晶体,对应的能量为Ee++Ee-=Eγ2-1.02MeV=1.74MeV,这就是C峰,称为第二逃逸峰。在放射性测井中,经常提到自然γ射线能谱测井,碘化钠闪烁晶体探测器测得40K、238U、232Th的γ射线能量谱如图1-2-8所示。