航空伽瑪能譜測量大氣氡的影響研究

摘" 要：該文闡述上測法結合基線數據在航空伽瑪能譜數據處理中大氣氡校正的應用，包含上測法的原理和方法、航空伽瑪能譜數據處理和基線的作用。使用該方法能夠對航空伽瑪能譜數據進行修正，但由于上測法大氣氡校正時引入較大的不確定度，數據條帶仍存在，進一步調平后，大氣氡對航空放射性鈾道數據的影響基本消除，實際應用效果較好。

關鍵詞：航空伽瑪能譜測量；基線；大氣氡校正；上測法；調平

中圖分類號：TL817.2" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）35-0031-04

Abstract： This paper describes the application of the up-measurement method combined with baseline data in atmospheric radon correction in airborne gamma spectrum data processing， including the principles and methods of the up-measurement method， airborne gamma spectrum data processing and the role of baseline. Using this method， the airborne gamma spectrum data can be corrected. However， due to the large uncertainty introduced during the correction of atmospheric radon by the up-measurement method， the data strips still exist. After further leveling， the atmospheric radon on the airborne radioactive uranium channel data. The impact of the data is basically eliminated， and the practical application effect is satisfying.

Keywords： airborne gamma spectroscopy; baseline; atmospheric radon correction; up-measurement method; leveling

航空伽瑪能譜測量[1-2]的影響因素很多，其中大氣氡因其衰變子體214Bi是天然放射性鈾系中最主要的伽瑪輻射體，成為航空伽瑪能譜測量本底中最大的影響因素。大氣氡主要來源于地表土壤和巖石。土壤和巖石中均存在一定的量的天然放射性系列：鈾系、釷系、錒鈾系，這些天然放射性系列中的核素經衰變[3]產生氡及其子體，隨周圍環境因素（溫度、壓力等）改變，引起擴散對流等作用，使得氡及其子體從土壤和巖石的裂隙中遷移至大氣中。大氣氡衰變產生的輻射分量，將嚴重干擾航空伽瑪能譜測量系統各計數窗記錄的數據所反映的陸地放射性[4-5]的真實性，而航空伽瑪能譜測量系統并不能自動消除這種干擾。

國際原子能機構IAEA-323報告[6]中使用上測法來測量大氣氡，即在測量系統中增加上視探測器。這種附屬探測器的測量立體角一般為180°，記錄來自飛機以上半空間的輻射計數率。該方法能夠有效去除大氣氡本底。由于大氣氡及其子體的分布與變化的復雜性，在實際的航空伽瑪能譜測量中，還須增加基線測量來監測大氣氡的重要環節，通過早晚基線數據變化來反映大氣氡的影響及航空伽瑪能譜數據的變化。

鑒于此，筆者在本文中介紹了上測法修正大氣氡的原理、本底扣除方法以及大氣氡修正系數的獲取。將上測法和基線測量數據結合，以江蘇省某金剛石勘查區航空伽瑪能譜測量為實例，研究大氣氡對航空伽瑪能譜測量的影響，并運用到數據處理中，取得了較好的效果。

1" 上測法修正大氣氡的原理

上測法修正大氣氡的詳細步驟如下。

步驟一，確定上下測探測器對大氣氡計數率之間的關系。這需在動態帶水面上進行一系列飛行測量可得。因為水體上測的數據去掉飛機和宇宙射線本底外，只剩下氡計數，此時各窗計數率變化只是空中214Bi的變化。鈾道（下測鈾道）計數率和鉀道、釷道、總道及上測鈾道計數率存在線性關系，如式（1）所示

ur=aUUr+bU

Kr=aKUr+bK

Tr=aTUr+bT

Ir=aIUr+bI，（1）

式中：ur為上測鈾窗中氡的計數率的數值，單位為計數每秒（1/s）；Kr為下測鉀道中氡的計數率的數值，單位為計數每秒（1/s）；Ur為下測鈾道中氡的計數率的數值，單位為計數每秒（1/s）；Tr為下測釷道中氡的計數率的數值，單位為計數每秒（1/s）；Ir為下測總道中氡的計數率的數值，單位為計數每秒（1/s）。aU，aK，aT，aI為（U、K、T、I）校準常數，通過實測可求得，即各道的計數減去飛機本底與宇宙射線本底的計數，擬合可得。

理論上宇宙射線及飛機本底被完全去掉之后，式（1）中常數bI應為零。但是實際上bI有一個很小的非零剩余值。

步驟二，確定上下測探測器對地面輻射的計數之間關系。上測探測器對地面輻射的計數率ug取決于地面的鈾和釷含量。這和下測探測器的鈾、釷窗對地面輻射也取決于地面鈾和釷的含量一樣。所以，上測探測器地面組分與下測探測器地面組分的關系。將相應飛行高度上探測器各道陸地上空計數率減去水域上空計數率消除大氣氡、飛機本底和宇宙射線對測量的影響，剩余計數率僅來自地面伽瑪輻射成分，如式（2）所示

ug=a1Ug+a2Tg， （2）

式中：ug為地面組分對上測鈾窗的影響的數值，單位為計數每秒（1/s）；Ug為地面組分對下測鈾窗的影響的數值，單位為計數每秒（1/s）；Tg為地面組分對下測釷窗的影響的數值，單位為計數每秒（1/s）；a1、a2為校準常數，通過一組比ug、Ug、Tg計算值，使用最小二乘法就可確定。國內使用的方法是在動態帶陸地部分求出的。

每個窗的計數都由地面輻射和大氣氡衰變兩部分組成（消除了宇宙本底與飛機本底后），如式（3）、式（4）、式（5）所示

式中：u為消除飛機和宇宙射線本底后的上測鈾窗計數率的數值，單位為計數每秒（1/s）；U為消除飛機和宇宙射線本底后的下測鈾窗計數率的數值，單位為計數每秒（1/s）；T為消除飛機和宇宙射線本底后的下測釷窗計數率的數值，單位為計數每秒（1/s）。

將式（1）中第一個方程、式（2）、式（3）代入式（4），得式（6）

u=a1Ug+a2Tg+aUUr+bU。" （6）

將式（4）、式（5）、式（1）中第三個方程代入式（6），得式（7）

Ur=。（7）

將求出的a1、a2及aU代入式（7）即可求出鈾道下測晶體中的氡計數。同樣將式（1）中的另外3個方程代入即可得各計數道氡的計數。

2 實例分析

數據來源于江蘇省徐州某金剛石勘查區，比例尺為1∶50 000的航空伽瑪能譜測量，測線間距為500 m，測線方向145°，平均飛高108.3 m，測量系統為成都理工大學研發的GF-863型航空伽瑪能譜測量系統。為了確保數據質量，在每天測量工作前后，將測量系統進行7 h穩定性檢查，各能譜窗計數率變化范圍在-4.21%～4.80%之間；測量系統的鉀道、鈾道、釷道的道址漂移在±2道以內，滿足EJ/T 1032—2005《航空伽瑪能譜測量規范》的要求。

2.1 數據處理

上測法在航空伽瑪能譜測量數據[7]中的處理流程包括宇宙射線本底與飛機本底校正、大氣氡校正、剝離校正、高度衰減校正和含量換算。飛機本底與宇宙射線本底的測量由海上本底校正區獲得；大氣氡校正系數在動態校準帶上獲得。剝離系數由航空放射性標準模型裝置獲得。

其中上測法大氣氡校正流程如下：

1）對原始能譜數據進行去噪和五點平滑處理，同時去除畸變點；

2）扣除原始數據中的飛機本底和宇宙射線本底；

3）利用式（7）計算出大氣氡對下測鈾窗的貢獻。

由于上測法，上測探測器體積遠比下測探測器小，用較大的不確定度數據去修正較小不確定度的數據，這是航測條帶形成的原因之一[8]。因此，大氣氡校正后的測線數據中仍然存在條帶狀。為了進一步消除由于氡引起的條帶，對數據做進一步的處理，數據進一步處理過程如下：

1）通過切割線法進行能譜數據切割線調平修正；

2）根據有效早晚基線、相鄰測線、各個架次各窗口平均計數的統計結果，利用航空物探軟件系統（GeoProbe）進行條帶干擾人工修正；

3）利用加拿大Geosoft公司的OASIS軟件對能譜數據進行微調平去噪；

4）利用航空物探軟件系統（GeoProbe）對背景值進行滑動平均。

經過上述步驟綜合處理后，數據條帶基本消除完畢。

2.2" 基線飛行

基線是指用來監控航空伽瑪能譜測量系統工作狀態和環境輻射穩定程度的一條測試線，基線測量是監控航空伽瑪能譜測量系統工作狀態和監測大氣氡變化的重要環節，也是航空伽瑪能譜測量數據質量評價的重要內容。因此，通過早晚基線測量結果可以監測大氣氡的變化，同時可以評價大氣氡對測量數據的影響。

以江蘇省徐州某金剛石勘查區飛行的26個架次的航空伽瑪能譜測量的早、晚基線測量為例，具體見表1。

根據表2統計的結果顯示，所有架次的早、晚基線總計數率變化均滿足小于20.00%的要求，但是第1、14、18架次早、晚鈾道（U）計數變化率相對其它架次明顯偏高，分別達到13.70%、17.80%、15.00%，相應的早、晚上測鈾道計數變化率分別為16.70%、22.40%、20.00%，對比這3個架次測線數據發現，下測原始鈾窗計數率在測線方向出現較明顯的偏高。出現條帶的測線飛高和峰位漂移均滿足規范要求。因此，這2架次鈾窗的計數受到了大氣中氡濃度的影響。此外，第3、4、15架次的基線數據中僅早、晚上測鈾道計數變化率變化較大，同樣相應架次的測線數據也出現了條帶。早、晚基線測量的總道（TC）、鉀道（K）、釷道（Th）均滿足EJ/T 1032—2005《航空伽瑪能譜測量規范》要求的8.00%、10.00%。

2.3" 結果分析

根據在徐州地區實際采集的數據，結合本文所述的方法，航空伽瑪能譜儀鈾窗計數經大氣氡校正、剝離校正后的成果圖如圖1所示。

對比圖1（a）、圖1（b）和圖1（c）可以發現，航空伽瑪能譜測量系統記錄的原始鈾窗數據由于受大氣氡及其子體的影響，沿測線方向的條帶非常明顯；經過上測法大氣氡校正和剝離校正后，總體上消除了大氣氡干擾所產生的條帶，但是位于勘查區西南區域的測線仍存在明顯的條帶，這也反映出了上測法消除大氣氡影響的局限性；因此，需要對數據進行進一步調平，調平后的結果顯示，剩余測線上的條帶基本完全消除，鈾窗計數局部高值與異常值得到進一步修正，異常區域表現的更加凸顯。與地質構造的吻合度較好，最終的鈾窗計數率能基本上準確反映勘查區的地質特征和地表覆蓋。

3" 結論

大氣氡對U窗計數的影響，最直觀的表現為U窗計數影像圖中測線方向的條帶狀，這也嚴重地影響了伽瑪能譜數據對地質體的反映。基線測量可以用于實時監測大氣氡的變化，對于保證測線數據質量有著重要的作用。上測法消除大氣氡的影響存在一定的局限性，采用本文中將大氣氡校正后的數據進行進一步調平處理后，所獲得的U窗計數率的等值線圖的條帶基本消除，能夠更加準確地反映出勘查區的地質特征與異常信息，從而對勘查區的放射性評價更加精確。

參考文獻：

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