CN108318910A - 基于7Be峰的航空伽玛能谱仪稳谱方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于⁷Be峰的航空伽玛能谱仪稳谱方法。该稳谱方法具体是：在地面以及高度不高于1000m的低高度采用⁴⁰K、²¹⁴Bi或²⁰⁸Tl特征峰进行稳谱；在高度大于1000m的高高度采用⁷Be峰进行稳谱。本发明利用⁷Be峰在飞机本底标定或高高度飞行时进行稳谱，保证了航空伽玛能谱仪在高高度飞行时仪器工作稳定、可靠，从而取得稳定可靠的测量数据，提高生产效率，降低生产成本。对于没有使用⁷Be峰稳峰的仪器，在进行飞机本底标定时，可以通过计算⁷Be峰位，来检查该仪器在高高度、低本底、温度变化大的情况下工作是否正常，确保数据质量和准确性。

Description

基于7Be峰的航空伽玛能谱仪稳谱方法

技术领域

本发明涉及航空地球物理勘查、航空环境监测领域，具体地说是一种基于⁷Be峰的航空伽玛能谱仪稳谱方法。

背景技术

航空伽玛能谱仪是应用于航空伽玛（γ）能谱测量的仪器，我国的航空伽玛能谱测量工作始于1955年，最初主要应用于寻找放射性矿产以及油气田勘查等，后来逐步扩展到地质填图、放射性元素伴生矿勘查领域，20世纪80年代以来，航空伽玛能谱仪开始应用于环境放射性污染调查、核事故应急航空监测等领域。

目前，国内使用的航空伽玛能谱仪主要有加拿大的Radition Solution公司生产的RS 500和Pico Envirotec 公司生产的GRS 16等仪器。在国内，2010年成都理工大学研制出GRS-863航空伽玛能谱仪，2014年核工业航测遥感中心研制出AGRSS-15无源自动稳谱航空伽玛能谱仪。

航空伽玛能谱仪普遍存在谱峰漂移的问题，谱峰漂移的主要原因包括：

（1）环境温度的变化：NaI（Tl）闪烁体探测器和电子学系统都具有一定的温度效应，温度的变化会引起输出信号的变化，导致谱峰漂移。

（2）仪器的不稳定性，包括元器件的疲劳效应、老化现象及电流电压漂移、外界干扰等。

（3）除温度以外，高压电源的不稳定也会引起光电倍增管的增益变化，电子线路的不稳定也可导致能量刻度不稳定。通过稳谱技术可以稳定能量刻度曲线，以克服系统的不稳定性。

为了获得稳定可靠的测量数据，国内外仪器制造厂商普遍采用天然核素（如⁴⁰K、²¹⁴Bi、²⁰⁸Tl）的特征峰（见图1）进行稳峰，保证伽玛能谱的峰位没有漂移。

近些年来，这种方法在低高度测量作业中效果明显，取得了高质量的测量数据，得到业界专家的认可并推广。但是这种方法的一个致命缺点就是随着飞行高度的增加，特别是在飞机本底标定或高高度飞行的过程中（1000m以上），天然核素放射性强度不断减低，以至于不能找到⁴⁰K、²¹⁴Bi、²⁰⁸Tl特征峰（见图2），使仪器失去自稳能力，处于无稳峰工作状态。从地面到4000m高度，随着飞行高度的升高，温度变得越来越低，温度变化通常会高达25℃以上。温度的变化会造成仪器测量的谱线发生漂移，从而导致测量数据不合格。按照《航空伽玛能谱测量规范》（EJ/T1032-2005）要求，数据不合格，就要重新飞行，造成人力和财力的浪费。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于⁷Be峰的航空伽玛能谱仪稳谱方法，以解决现有技术采用天然核素⁴⁰K、²¹⁴Bi、²⁰⁸Tl特征峰在高高度不能很好地进行稳峰的问题。

本发明的目的是这样实现的：一种基于⁷Be峰的航空伽玛能谱仪稳谱方法，包括如下步骤：

a、在高度不大于1000m的低高度采用⁴⁰K、²¹⁴Bi或²⁰⁸Tl特征峰进行稳谱；

b、在高度大于1000m的高高度采用⁷Be峰进行稳谱。

航空伽玛能谱仪中多道分析器可以为256道分析器，也可以为512道、1024道或2048道分析器。

下面以256道分析器为例详细介绍步骤b中采用⁷Be峰进行稳谱的过程：

b1、在航空伽玛能谱仪所采集的256道全谱中，在第35-45道之间寻峰，之后计算峰位并与⁷Be参考峰比较，计算峰位漂移量Δch；⁷Be参考峰的中心峰位为第40道；

b2、当峰位漂移量Δch大于0.125时，利用公式G₁=G₀-Δch×G_r计算调整增益值G₁；其中，G₀为当前增益值；G_r为增益调整系数，G_r具体是0.0255；

b3、向增益放大器输出G₁，G₀=G₁，保存G₁。

步骤a中采用⁴⁰K、²¹⁴Bi或²⁰⁸Tl特征峰进行稳谱，具体是：

a1、在航空伽玛能谱仪所采集的全谱线图中寻找与⁴⁰K、²¹⁴Bi或²⁰⁸Tl特征峰对应的峰位，并计算所寻找的峰位与对应的⁴⁰K、²¹⁴Bi或²⁰⁸Tl特征峰之间的峰位漂移量Δch；

a2、利用公式G₁=G₀-Δch×G_r计算调整增益值G₁，其中，G₀为当前增益值，G_r为增益调整系数；

a3、当谱峰向上漂时，降低增益；当谱峰向下漂时，增加增益。

本发明与现有技术的对比见表1

表1 技术指标对比

本发明提供了一种新的航空γ能谱仪稳谱方法，与目前国际上现有的航空伽玛能谱仪稳谱方法相比，本发明中航空伽玛能谱仪在高高度测量中采用⁷Be峰稳谱技术进行稳峰，测量数据稳定，可应用在航空γ能谱仪飞机本底标定或高高度飞行稳峰；对无法采用本发明技术的航空伽玛能谱仪，在进行高高度飞行时通过对⁷Be峰的峰位进行统计，确定仪器在空中的工作状态，确保测量数据的可靠性。

附图说明

图1是低高度下不同高度所测的数据谱线图。

图2是飞行高度大于2000m时不同高度所测的数据谱线图。

图3是天然同位素谱线图。

图4是0-200m高度下⁷Be峰被背景场湮灭的谱线图。

图5是2000-3000m高度下⁷Be峰和大气氡峰的谱线图。

图6是3000m以上高度下有⁷Be峰而没有大气氡峰的谱线图。

图7是2011年GR818航空伽玛能谱测量系统高高度飞行测量的数据谱线图。

图8是2011年GR820航空伽玛能谱测量系统高高度飞行测量的数据谱线图。

图9是2012年703-1航空伽玛能谱测量系统高高度飞行测量的数据谱线图。

图10是2013年RS500航空伽玛能谱测量系统高高度飞行测量的数据谱线图。

图11是2013年GRS10航空伽玛能谱测量系统高高度飞行测量的数据谱线图。

图12是本发明中基于⁷Be峰进行稳谱的流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种利用⁷Be峰在高高度（指超过1000m以上的高度）飞机本底标定时进行稳谱的方法，保证了航空伽玛能谱仪在飞机本底标定或高高度飞行时仪器工作稳定、可靠，从而取得稳定可靠的测量数据，提高生产效率，降低生产成本。对于没有使用⁷Be峰稳峰的仪器，在进行高高度飞机本底标定时，可以通过计算⁷Be峰位，来检查该仪器在高高度、低本底、温度变化大的情况下工作是否正常，确保数据质量和准确性。

本发明中，“飞机本底标定”是指《航空伽玛能谱测量规范》（EJ/T1032-2005）7.2.3条款要求的飞机本底校准飞行，一般要求高度在1800m到4200m之间；“高高度飞行”是指飞行高度大于1000m的飞行。严格来说，“飞机本底标定”飞行是“高高度飞行”的一种特殊形式，但两者也是可以并列提出的。

本发明通过研究发现⁷Be峰在高高空的存在，且稳定。通过研究测量数据发现，在地面和低高度（指1000m以下的高度）下，由于地面背景场较强，⁷Be峰会被背景场所湮灭（见图4），在不同机型和不同地区⁷Be峰都会随着飞行高度的增加而加强。在高空中，通常能谱曲线中有⁷Be峰与大气氡造成的峰，⁷Be峰与大气氡峰的对比见表2和图4-图6。

表2 ⁷Be峰与大气氡峰特性对比

铍是最轻的碱土金属元素，原子序数为4，是坚硬质轻的金属之一，应用于飞机、火箭制造业和原子能工业中。天然铍有三种同位素：⁷Be、⁸Be、¹⁰Be。由天然同位素能量谱线图（见图3）可知，⁷Be的能量为477.5KeV。

大气氡峰会随着飞行高度的增加而减小，直至消失，而⁷Be峰随着飞行高度的增加、地表放射性影响的降低而变得明显，如图5所示。

通过研究近几年高高度标定测试数据发现，在不同仪器型号、不同机型、不同地区、不同时间测量的数据中⁷Be峰都会随着飞行高度的增加而加强，且不受气候的影响，⁷Be峰形稳定。

由图7-图11可以看出，不同机型、不同仪器、不同时间的高高度飞行测量数据谱线中⁷Be峰形态稳定，大气氡造成的谱峰不明显。因此，⁷Be峰是可以用来做高高度稳峰的参考峰的，而大气氡峰是不能使用的。

本发明中基于⁷Be峰的航空γ能谱仪稳谱方法实现过程如下（流程图见图12）：

1. 开始，初始化（网口、串口、测量参数），启动多道分析器，启动定时器工作T=0。

系统开机后，需先通电30分钟以上，使电子线路和高压充分稳定。本实施例中多道分析器为256道分析器，其他实施例中还可以为512道、1024道或2048道分析器。

2. 读取256道能谱数据，并对能谱数据进行累加，同时时间计数T=T+1。

读取每条晶体探测器的谱线并保存。对应每一道内的能谱数据分别进行累加，且时间计数器加1。

3. 判断飞行高度h是否超过1000m，如果是，则执行步骤4；如果否，则采用低高度稳峰方法进行稳峰，之后继续执行步骤2。

采用低高度稳峰方法进行稳峰，具体是：在0-1000m（包括1000m的高度），采用⁴⁰K、²¹⁴Bi或²⁰⁸Tl特征峰稳谱方法进行稳峰。采用⁴⁰K、²¹⁴Bi或²⁰⁸Tl特征峰稳谱方法进行稳峰的具体过程与下面采用⁷Be特征峰稳峰的过程类似。

4. 当飞机飞行高度h超过1000m以上后采用⁷Be特征峰稳谱方法进行稳峰。

当飞机飞行高度h超过1000m后，判断计数器的计时时间是否大于1000s，如果否，则继续执行步骤2；如果是，则执行步骤5，采用⁷Be特征峰稳谱方法进行稳峰。

5. 在第35-45道之间寻峰，计算峰位并与⁷Be参考峰比较，计算峰位漂移量Δch（所寻峰位与⁷Be参考峰之间的差值）。

本发明确定了在256道全谱中40道的峰位为⁷Be，窗宽为35-45道，中心峰位为40道。

6. 判断峰位漂移量Δch是否大于0.125，如果是，则利用公式G₁=G₀-Δch×G_r计算调整增益值G₁；如果否，则执行步骤2。

G₀为当前增益值，G_r为增益调整系数。⁴⁰K、²¹⁴Bi、²⁰⁸Tl的参考峰的增益调整系数在地面利用参考源通过手动改变增益的方法（结合公式G₁=G₀-Δch×G_r）求出。而⁷Be没有参考源，在地面见不到⁷Be峰，无法按照传统方法直接求出；本发明是在低本底实验室，借助其他同位素（例如镁和钡等），求出其他同位素对应的Gr，再通过拟合（拟合方式例如可以为最小二乘法等）求出⁷Be对应的Gr。本系统中⁷Be 的G_r=0.0255。

当谱峰向上漂时，降低增益；当谱峰向下漂时，增加增益。通过改变增益，达到稳峰的目的。向增益放大器输出G₁，G₀=G₁保存G₁。时间归0，T=0。

增益改变后，谱线随之发生改变，达到了调整峰位的目的，从而保证了航空伽玛能谱仪谱线的稳定。

7. 判断是否结束，若否，则继续执行步骤2；若是，则关闭多道分析器、网口/串口和定时器，结束。

本发明已在AGRSS-15航空伽玛能谱仪的稳峰方法中得到应用，在飞机本底标定和高高度飞行中仪器工作稳定，谱线没有发生漂移。

本发明在2017年度航空放射性仪器标定中利用⁷Be峰，分析了仪器在高高度飞行时的工作状态，保证了测量数据的质量。

Claims (6)

1.一种基于⁷Be峰的航空伽玛能谱仪稳谱方法，其特征是，包括如下步骤：

a、在高度小于1000m的低高度采用⁴⁰K、²¹⁴Bi或²⁰⁸Tl特征峰进行稳谱；

b、在高度大于1000m的高高度采用⁷Be峰进行稳谱。

2.根据权利要求1所述的基于⁷Be峰的航空伽玛能谱仪稳谱方法，其特征是，航空伽玛能谱仪中多道分析器为256道、512道、1024道或2048道分析器。

3.根据权利要求2所述的基于⁷Be峰的航空伽玛能谱仪稳谱方法，其特征是，航空伽玛能谱仪中多道分析器为256道分析器；

步骤b中采用⁷Be峰进行稳谱，具体包括如下步骤：

b1、在航空伽玛能谱仪所采集的256道全谱中，在第35-45道之间寻峰，之后计算峰位并与⁷Be参考峰比较，计算峰位漂移量Δch；

b2、当峰位漂移量Δch大于0.125时，利用公式G₁=G₀-Δch×G_r 计算调整增益值G₁；其中，G₀为当前增益值，G_r为增益调整系数；

b3、向增益放大器输出G₁，G₀=G₁，保存G₁。

4.根据权利要求3所述的基于⁷Be峰的航空伽玛能谱仪稳谱方法，其特征是，⁷Be参考峰的中心峰位为第40道。

5.根据权利要求3所述的基于⁷Be峰的航空伽玛能谱仪稳谱方法，其特征是，增益调整系数G_r为0.0255。

6.根据权利要求1所述的基于⁷Be峰的航空伽玛能谱仪稳谱方法，其特征是，步骤a中采用⁴⁰K、²¹⁴Bi或²⁰⁸Tl特征峰进行稳谱，具体是：

a1、在航空伽玛能谱仪所采集的全谱线图中寻找与⁴⁰K、²¹⁴Bi或²⁰⁸Tl特征峰对应的峰位，并计算所寻找的峰位与对应的⁴⁰K、²¹⁴Bi或²⁰⁸Tl特征峰之间的峰位漂移量Δch；

a2、利用公式G₁=G₀-Δch×G_r 计算调整增益值G₁，其中，G₀为当前增益值，G_r为增益调整系数；

a3、当谱峰向上漂时，降低增益；当谱峰向下漂时，增加增益。