采用NaI_Tl_谱仪对含铀矿体的直接铀定量方法.docVIP

采用 NaI( Tl) γ 谱仪对含铀矿体 的直接铀定量方法 吴永鹏1，2，3 ，汤 彬2，3 ，程建平1 ，王 哲3 ，梁永顺3 ( 1． 清华大学工程物理系，北京 100084; 2． 东华理工大学，南昌 330013; 3． 核技术应用教育部工程研究中心( 东华理工大学) ，南昌 330013) 摘要:目前，采用 NaI( Tl) 探测器的铀矿 γ 总量测井不能直接获得铀含量，地面 γ 能谱测量可以直 接得到镭组核素含量，在铀 － 镭不平衡的情况下并不能当作铀含量。NaI( Tl) 谱仪不能获得含铀矿体的 精细 γ 谱，其仪器谱也反映不出与铀含量直接相关的特征峰，采用 NaI( Tl) 探测器的 γ 能谱测量是否能 直接获得铀含量，至今尚无研究。采用 CR － 320 型便携式 NaI( Tl) 闪烁谱仪对系列含铀硬岩体模型进 行测量，通过234m Pa 之 1． 001 MeV 特征能量窗，并结合线性回归相对分析法直接计算铀含量，获得了良好 应用效果，含铀 500 ppm 以上相对误差不超过 10． 0% ，对其它主要核素定量误差低于 9． 5% 。 关键词:含铀矿体; 直接铀定量; NaI( Tl) γ 谱仪; 能量窗分析 中图分类号: 文献标识码: 文章编号: 0258-0934( 2011) 12-0001-0 TL 81 A 目前，在铀矿勘探中，地面勘探采用 γ 能 谱测量，测井主要还依靠 γ 总量测量，都普遍 使用 NaI( Tl) 探测器。地面 γ 能谱测量主要是 通过钍系208 T1 之 2． 62 MeV、铀系镭组214 Bi 之 1． 76 MeV 以及40 K 之 1． 46 MeV 等分支比较 大、受测量环境康普顿散射影响较小、分辨较为 明显的自然 γ 中高能特征峰以获得铀系镭组 核素的含量。天然铀矿存在铀 － 镭不平衡情 况，或( 严重) 偏铀、或偏镭［1］。根据镭组核素 的含量，再通过铀 － 镭平衡系数获得铀的含量。 对未知勘探对象，获得铀 － 镭平衡系数一般是 通过矿石取样、化学分析求得。这种方法是一 种间接铀定量方法。 在铀矿勘探中，寻求在天然产状下可现场 应用的直接铀定量方法也一直是业界努力的方 向。采用 γ 测量直接进行铀定量就是采用已 刻度好的仪器通过原位取样直接测量可反映铀 含量的铀系子体 γ 谱成分来实现铀定量。 直接铀定量方法原理 1 铀的天然同位素有234 U、235 U 和238 U，其中 235 U丰度很低( 0． 72% ) 。在相同时间里，锕系 产生的 γ 光子数只占铀系产生 γ 光 子 数 的 2． 85% ; 锕系产生 γ 光子能量只占铀系产生 γ 光子能量的 0． 89% 。因此，对利用自然 γ 的铀 ［2］ 矿勘探，一般不考虑锕系核素 。实际上，对 含铀矿体，通过测量锕系核素 γ 射线能量成份 来推算铀含量很难实现。此外，在钻孔中利用 Ge( Li) 探测器测量235 U 低能 γ 特征能量 0． 185 MeV 结合镭组 Pb － 214 之 0． 242 MeV 或 0． 295 MeV、钍系 0． 239 MeV 和40 K 之 1． 460 MeV，对 铀、镭、钍及钾进行定量已有前人做过研究，并 收稿日期:2011 － 11 － 12 基金项目:国家自然科学基金项目“铀矿能谱型核测 井全 谱解析的核素含量定量解释方法研究 ” ( 。 作者简介:吴永鹏( 1974 － ) ，男，湖北随州人，博士研 究生，从事核技术及应用。通讯作者: 汤彬，教授，博 士生导师。 自然 γ 能谱，受钻孔环境的不利影响非常大， 例如测井套管、泥浆以及测井探管等探头包裹 物对低能 γ 射线的光电吸收效应非常显著; 此 外，γ 仪器谱低能段受钻孔环境康普顿散射非 常严重，这给仪器谱定量分析带来非常大的困 难。如果采用分辨性能一般的闪烁体 γ 谱仪 测量上述低能特征峰则面临更大的困难。因 此，这种直接铀定量的测井技术并没有在铀矿 勘探中得到广泛应用。 238 U 和234 U 同属铀系核素，通过测量铀系 核素的 γ 能谱，也是实现直接铀定量可能的途 径。这需要分析铀系衰变系列可能存在的不平 衡情况和相关核素的 γ 能量成份。 由于 各 种 原 因，铀系衰变系列存 在238 U 与234 U、234 U 与230 Th、230 Th 与226 Ra 的放射性平衡 可能被破坏且平衡难以恢复［4］。在该平衡被 破坏的情况下，不通过测量铀 － 镭平衡系数，而 利用测量234 U 及其子核( 包括镭组核素) γ 射线 能谱成份来直接推算铀含量显然是不行的。在 铀系 衰 变 从 母 核238 U 到234 Th，再 衰 变 为234 Pa ( 234m Pa) 这一过程