航空伽玛能谱测量是航空放射性测量中使用的方法，将航空伽玛能谱仪系统安装在飞机上，在飞行过程中测量放射性核素钾、铀、钍等含量的方法.根据能谱场的分布特点，它不仅用于寻找放射性矿产和与放射性元素有关的钾盐、稀有元素和多金属矿产，同时可以用来圈定地层、岩体、构造，或者为解决其他地质问题提供依据，还可用于环境监测(李运祓等，1978;周锡华和乔广志，2002).由于它效率高、成本低、不受地形等因素限制，因而得到广泛的应用.

我国航空伽玛能谱测量工作始于1955年(于百川，1990;杨光庆等，1994;刘裕华等，2002)，20世纪70年代开发了4道航空伽玛能谱测量系统，采用了探测器内加入人工核素辐射源的稳谱技术，典型产品有FD-123型4道航空伽玛能谱测量系统等.80年代末期，北京铀矿地质研究院采用国外探测器组件，组装了AS2000型4道航空伽玛能谱测量系统.20世纪70年代，国外的航空伽玛能谱测量系统，采用了恒温稳谱技术，增设了上测探测器的大气氡监测与修正功能，测量数据为数字式输出、磁带记录，典型产品有美国的GR-800型和加拿大的MCA-2型256道航空伽玛能谱测量系统(葛良全等，2011;吴慧山和谭成龙，1994).

目前国际上用于矿产勘查及环境调查评价的主流高精度航空伽玛能谱仪器有20世纪90年代美国Geometrics的GR-820/460、2004年加拿大Radiation Solutions Inc.公司的RS-500/700、Pico Envirotec公司的GRS-10/16等.2010年成都理工大学与中国国土资源航空物探遥感中心、核工业航测遥感中心联合研制成功一台航空伽玛能谱仪样机，实现了多峰自动稳谱(万建华等，2011;骆遥和米耀辉，2014).

2014年，核工业航测遥感中心利用现有NaI(Tl)晶体，自主研发了一套用于航空伽玛能谱测量的系统—新型AGRSS航空伽玛能谱系统(简称AGRSS)，测试完成后进行了生产试验，取得了良好的效果.本文主要介绍该系统的设计及性能测试.

AGRSS探测器部分采用已有的NaI(Tl)晶体(每条晶体尺寸为10.2 cm×10.2 cm×40.6 cm)，重新选配新的光电倍增管，研制新型多道分析器组件，开发智能化的综合收录控制系统，实现对航空伽玛能谱测量数据的收录与控制，还可以同步采集航磁数据.AGRSS系统主要包括3箱NaI(Tl)晶体(每箱晶体包含4条下测晶体，其中两箱各配有1条上测晶体)、航空伽玛能谱多道分析器和通讯接口、航空物探综合测量收录系统、电源分配器和辅助设备，其中辅助设备包括航空GPS(全球定位系统)、雷达高度计、气压高度计、数字温度计等，并且设计研制了新型碳纤维晶体箱，具有重量轻的特点.图 1为AGRSS航空伽玛能谱系统组成框图，图 2为搭载在飞机上的AGRSS航空伽玛能谱系统.

图 1

Fig. 1

图 1 AGRSS航空伽玛能谱系统组成框图 Fig. 1 The block diagram of airborne gamma spectroscopy system (AGRSS)

图 2

Fig. 2

图 2 搭载在飞机上的AGRSS航空伽玛能谱测量系统 Fig. 2 Airborne gamma ray spectrometry system (AGRSS) mounted on the aircraft

AGRSS的主要技术指标见表 1，AGRSS按照国际原子能机构出版的航空伽玛能谱测量(IAEA，1991)一书中给出的能量阈值推荐值设定AGRSS的窗宽，各能量窗设置见表 2.

表 1(Table 1)

表 1 AGRSS主要技术指标表 Table 1 Technical specification of AGRSS 类别 技术指标 探测器 NaI(Tl)晶体，体积：10.2 cm×10.2 cm×40.6 cm 晶体分辨率 <10%(137Cs的662 keV峰) 能谱峰漂 小于±1道(208Tl的2614 keV峰，256道) 通道个数 256道 能量范围 50～3000 keV，宇宙射线：3000～6000 keV 采样频率 1 Hz 连接晶体数量 14条 通讯方式 以太网，RS232接口 主机电源 +28 DCV 数据存储 电子硬盘存储 主机操作系统 Windows xp 系统稳定性 无故障工作时间≥24 h 工作温度 -10~50 ℃

表 1 AGRSS主要技术指标表 Table 1 Technical specification of AGRSS

表 2(Table 2)

表 2 各能量窗能区表 Table 2 Energy windows of each nuclide 能量窗 核素 能量宽度/MeV TC — 0.410~2.810 K 40K (1.460 MeV) 1.370~1.570 U 214Bi (1.765 MeV) 1.660~1.860 Th 208Tl (2.614 MeV) 2.410~2.810 宇宙射线 — >3.0

表 2 各能量窗能区表 Table 2 Energy windows of each nuclide

NaI(Tl)探测器由3箱组成，总共14条长方体10.2×10.2×40.6 cm³(4″×4″×16″)NaI(Tl)晶体构成.其中2箱晶体分别有1条上测探测器和4条下测探测器.NaI(Tl)晶体的分辨率< 10%(¹³⁷Cs，0.662 MeV).能谱仪可探测256道伽玛能谱数据；采用无测试源自动稳谱技术，能谱峰位漂移<±1%(²⁰⁸Tl，2.614 MeV)；

线性度>0.999，能量范围为0.05~3.0 MeV；伽玛能谱数据采样频率为1 Hz.技术指标达到或优于航空伽玛能谱测量规范(2005)要求的技术指标.

AGRSS在设计上充分考虑了使用的需要，可以连接1箱、2箱或3箱NaI(Tl)探测器，每箱最多可配有5条NaI(Tl)晶体，AGRSS最多可连接15条NaI(Tl)晶体，本次测试选配了14条晶体.AGRSS在设计上具有易于维护和升级的特点.

将AGRSS系统置于环境本底稳定的室内，系统连续工作7 h，以每小时测量数据为1组，航空伽玛能谱仪总计数率窗(TC)、钾窗(K)、铀窗(U)、钍窗(Th)、宇宙射线窗(Cos)和上测铀窗(Uup)数据的变化在-0.94%~3.34%之间；系统连续工作12 h，²⁰⁸Tl(2.614 MeV)的中心峰位最大变化不超过0.6道.满足航空伽玛能谱测量规范(2005)中数据“变化应不超过±5%的要求”，²⁰⁸Tl的峰位漂移应在±1道之内的标准.

分别采用¹³⁷Cs、⁶⁰Co、¹⁵²Eu γ射线测试源进行了测试，AGRSS对测试源响应明显，地面测量可以明显区分不同的源项(图 3和图 4).AGRSS对NaI(Tl)上、下测晶体¹³⁷Cs(0.662 MeV)分辨率分别为9.66%和9.63%.

图 3

Fig. 3

图 3 AGRSS-15 碘化钠晶体对137Cs标准源的响应谱图 Fig. 3 Test spectrum of 137Cs point source by AGRSS

图 4

Fig. 4

图 4 AGRSS碘化钠晶体对60Co和152Eu测试源的响应谱图 Fig. 4 Test spectrum of 60Co and 152Eu point source by AGRSS

通过在航空放射性模型标准装置(简称模型)上进行测试，以获取各钾、铀、钍各窗间的剥离系数、上下测探测器间的耦合系数.

测试时AGRSS安装在Y12固定翼飞机的机舱内，系统在各个模型上累积测量10分钟，图 5为在各个模型上测得的单位时间内256道数据谱.

图 5

Fig. 5

图 5 AGRSS在航空放射性模型标准装置上的测试谱图 Fig. 5 Test spectrum of AGRSS in the airborne radioactive pad

采用测量得到能谱数据进行计算，以获取各窗的剥离系数、上下测探测器间的耦合系数.计算结果见表 3，α、β、γ分别为0.3067、0.3827、0.7477；a、b、g分别为0.0649、0.0018、0.0061.表 3同时列出了航空伽玛能谱测量(IAEA 323技术报告，1991)一书中列出的参考值，即给出了对于一个好的航空伽玛能谱测量系统各窗间的剥离系数(α、β、γ、a、b、g)值的变化区间.从表 3中可以看出，AGRSS是一个好系统.

表 3(Table 3)

表 3 剥离系数结果表 Table 3 The table of stripped coefficient 剥离系数 AGRSS IAEA 323技术报告参考值 好系统 差系统 α 0.3067 0.25 0.38 β 0.3827 0.40 0.43 γ 0.7477 0.81 0.92 a 0.0649 0.06 0.09 b 0.0018 0.00 0.01 g 0.0061 0.003 0.06 表中，α、β、γ分别为钍对铀、钍对钾、铀对钾的影响系数，无量纲；a、b、g分别为铀对钍、钾对钍、钾对铀的影响系数，无量纲.

表 3 剥离系数结果表 Table 3 The table of stripped coefficient

下测铀窗对上测铀窗的影响系数(a1)、下测钍窗对上测铀窗的影响系数(a2)也称上下测探测器的耦合系数，无量纲.通过计算，a1、a2分别为0.0601、0.0068.

飞行测试包括了宇宙射线本底和飞机本底校准测试飞行、黄壁庄动态带上空的测试飞行和作业区试验飞行，来获取数据处理参数和进行仪器质量的评价.

通过此测试飞行，确定宇宙射线对各能量窗的影响关系以及飞机和仪器本身的辐射水平.为了消除地面伽玛辐射对AGRSS的影响，最低飞行高度为海拔3000 m，位置选在远离陆地的天津渤海海面上空，飞行高度分别为3000 m、3300 m、3600 m、3900 m、4200 m，共计5个高度.在此情况下，视为飞机及仪器的本底不随高度而改变，宇宙射线窗计数随高度而变化，宇宙射线对各窗的影响计数率与宇宙射线窗计数率成线性关系，宇宙射线与各能量窗的影响关系曲线见图 6.每个高度采样时间600 s.

图 6

Fig. 6

图 6 宇宙射线与各能量窗的影响关系曲线图 Fig. 6 The influence relationship curve of cosmic rays and the energy windows

通过实测结果进行计算，宇宙射线对各窗的影响系数、飞机本底校准结果见表 4.

表 4(Table 4)

表 4 飞机本底和宇宙射线影响系数校准结果表 Table 4 The calibration result table of aircraft background and cosmic rays influence coefficient TC K U Th Uup 飞机本底/s-1 103.67 23.28 6.34 3.23 1.49 宇宙射线影响系数* 5.1406 0.2200 0.2198 0.2508 0.0384 注：*无量纲.

表 4 飞机本底和宇宙射线影响系数校准结果表 Table 4 The calibration result table of aircraft background and cosmic rays influence coefficient

动态带上空的测试飞行是为了获得AGRSS的大气氡修正系数，TC、K、U、Th窗伽玛射线随高度变化的衰减系数以及航测系统对天然放射性核素⁴⁰K、²³⁸U、²³²Th在空中120 m高度下的空中灵敏度.

动态带由黄壁庄水库和水库附近的陆地区域组成，测试飞行时，飞行离地高度分别为60 m、90 m、120 m、150 m、180 m、210 m、240 m、300 m，这个高度范围包括了航空测量中通常使用的高度.

通过动态带上空的测试飞行，计算得到大气氡修正系数见表 5.表中，a₃为对下测铀窗的大气氡修正系数(即几何系数)，无量纲；a_TC、a_K分别为对下测总窗、K窗的大气氡修正系数，无量纲.

表 5(Table 5)

表 5 大气氡修正系数刻度结果 Table 5 The calibration result of atmospheric radon correction factor a3 aTC aK 大气氡系数 0.205 19.350 0.750

表 5 大气氡修正系数刻度结果 Table 5 The calibration result of atmospheric radon correction factor

动态带上陆地区域测得的不同高度的平均谱见图 7.采用动态带数据进行计算，伽玛射线随高度变化的每个窗的高度衰减系数校准结果见表 6.TC、K、U、Th窗γ射线随等效高度变化的衰减系数分别为-0.0068(m^-1)、-0.0090(m^-1)、-0.0083(m^-1)、-0.0063(m^-1)，从表中可以看出，高度衰减系数校准结果与IAEA 323技术报告中给出的高度衰减系数值接近.实测各个能量窗计数率随高度变化关系曲线见图 8.空中120 m高度灵敏度刻度结果见表 7.

图 7

Fig. 7

图 7 AGRSS在动态测试带上陆地区域 测得的不同高度的平均谱图 Fig. 7 The average spectrum of different measured altitude in dynamic test strip with AGRSS above the land

图 8

Fig. 8

图 8 实测各个能量窗计数率随高度变化关系图 Fig. 8 Relation graph of each energy window count rate with variation of measured altitude

表 6(Table 6)

表 6 伽玛射线随高度变化的衰减系数刻度结果表 Table 6 The table of gamma-ray attenuation coefficient with the variation of height 衰减系数 μTC/m-1 μK/ m-1 μU/ m-1 μTh/ m-1 AGRSS -0.0068 -0.0090 -0.0083 -0.0063 IAEA -0.0067 -0.0082 -0.0084 -0.0066

表 6 伽玛射线随高度变化的衰减系数刻度结果表 Table 6 The table of gamma-ray attenuation coefficient with the variation of height

表 7(Table 7)

表 7 空中120 m高度下灵敏度校准结果表 Table 7 Calibration results table of sensitivity in 120 m height above ground 能量窗 K/(s-1· 10-2) U/(s-1· 10-6) Th/(s-1· 10-6) 120 m高度灵敏度 89.16 9.73 8.25

表 7 空中120 m高度下灵敏度校准结果表 Table 7 Calibration results table of sensitivity in 120 m height above ground

2014年8月-9月期间，在黑龙江完达山-太平岭地区，采用Y12固定翼飞机搭载新研制的AGRSS航空伽玛能谱测量系统，进行了大范围的航空伽玛能谱测量应用试验.

(1)AGRSS晶体分辨率长期测试分析

AGRSS总计野外测量持续32天，进行NaI(Tl)晶体分辨率测试52次.测试方法：飞机停放在停机坪上，¹³⁷Cs测试点源放置于晶体的正下方地面上和晶体的正上方适当位置.从实际测量结果来看，AGRSS对NaI(Tl)上、下测晶体¹³⁷Cs(0.662 MeV)分辨率基本上优于10%，最大值不大于10.47%.

(2)AGRSS空中测量期间峰位变化分析

采用2014年9月1日的实际空中测量数据进行统计分析，测量平均离地高度102.3 m，K、U、Th窗原始计数率分别为260.6(s^-1)、78.0(s^-1)、96.8(s^-1).就此架次数据而言，⁴⁰K(1.460 MeV)能量峰峰位最大变化为0.28道，²⁰⁸Tl(2.614 MeV)的中心峰位最大变化为0.45道，中心峰位变化小于1道.

野外测量期间，飞机停放在停机坪上，采用²⁰⁸Tl测试源进行AGRSS峰位测试52次.从实际测量结果来看，AGRSS的²⁰⁸Tl(2.614 MeV)中心峰位最大漂移为0.46道.

(3)AGRSS系统的重复测试飞行

为检查航测系统的可靠性、稳定性和一致性，在试验区内布置了重复线飞行，重复线长度192.7 km，由两架飞机、两套航空伽玛能谱仪各进行一次测量，测量时测量方向相同，飞行高度尽量保持一致.测量结果见图 9和表 8，图中，TC、K、U、Th为GRS-16航空伽玛能谱仪(703-1核应急航空监测系统)测量结果曲线，TC2、K2、U2、Th2为AGRSS航空伽玛能谱仪测量结果曲线(房江奇等，2014).两套航空伽玛能谱仪的测量曲线具有很好的相似性.表 8为两种系统不同参数测量结果的偏差统计，4530线为GRS-16航空伽玛能谱仪测量结果，4531线为AGRSS航空伽玛能谱仪测量结果.

图 9

Fig. 9

图 9 同一测线不同测量仪器的测量结果曲线图 Fig. 9 The curve of the same survey line measurements of different measurement instruments

表 8(Table 8)

表 8 4530重复线航放测量结果统计表 Table 8 The statistics table of 4350 repeated line of airborne radioactive measurements 线号 TC/s-1 K/10-2 U/10-6 Th/10-6 H/m 样品数 /个 4530 1789.36 1.61 1.93 9.11 94.35 1895 4531 2023.94 1.46 1.90 8.52 94.60 1875 相对偏差/% -13.11 9.04 1.55 6.50 -0.26

表 8 4530重复线航放测量结果统计表 Table 8 The statistics table of 4350 repeated line of airborne radioactive measurements

可以看出总计数率两次测量相对偏差为-13.11%，钾含量最大偏差为9.04%，铀含量最大偏差为1.55%，钍含量最大偏差为6.50%.该结果表明AGRSS与GRS-16航空伽玛能谱仪采集的能谱数据具有很好的一致性，但由于其本身具有放射性涨落特性，且易受温度、气压、湿度、飞行姿态等多种客观因素的影响，从而造成局部测量数据存在一定的偏差.

4.1     新型AGRSS航空伽玛能谱测量系统采用自主开发的数字化多道分析器和数据通讯技术，NaI(Tl)探测器可以组合选择使用，实现了航空伽玛能谱测量中对航放数据的采集、收录与控制.同时，AGRSS航空伽玛能谱测量系统具有采集和记录航磁数据模块，可以实现航放、航磁数据的同步采集，增大了它的应用空间.AGRSS具有自主知识产权，易于维护和升级.

4.2     从地面测试和空中飞行实际测试结果看，AGRSS航空伽玛能谱测量系统稳定、可靠，采集数据信息可信.AGRSS航空伽玛能谱测量系统成功研发，使其可以在地质填图、区域地质研究和寻找放射性矿产方面发挥其特有的作用.