地球物理仪器

第一章绪论1.1 地球物理学地球物理学在本质上是一门观测科学，需要采集大量的有效信息，可靠信息和信息量的缺乏或不足则是任何数学技巧和图像显示无法弥补的。

高精度和高分辨率的观测与实验仪器和设备乃是在地球物理学发展进程中的“前哨”。

在地球物理学领域，地球物理场主体上分为重力场、地磁场(包括航磁)、电场、地热场、放射性辐射场和地震波场。

对矿产资源、油气能源和环境的勘察与监测，对地震灾害的预测与预防，对地球深部圈、层结构以及物质组成和空间状态的探测等都是通过物理场完成的。

随着地球物理学在理论、方法和应用方面的不断进步，科学与技术发展的需求日益增加，相应学科的仪器与设备得到了迅速发展，物理学、力学、信息学和计算技术中的一些新成就得到了广泛应用，地球物理观测的精度和对信息的分辨率不断提高。

1.2 地球物理仪器众所周知，在野外进行地球物理勘查要求所使用的仪器重量轻、体积小、坚固耐用，要能防潮、防晒、不怕振动，无论在寒冷的北极或是在炎热的赤道地区都能正常工作。

同时还要求仪器有多种功能，即能同时测量多种参数，例如不仅能测重力值、磁场值，而且还能测定它们的梯度；不仅能用来做电阻率法，也能用来做激发极化法、交流电法等。

我国是一个多山国家，在固体矿产资源勘查中迫切需要有轻便多功能的地球物理仪器；同时，我国又是一个幅员辽阔的国家，海洋及西部的沙漠戈壁石油资源有待于开发，城市与环境物探方兴未艾，也迫切需要功能强，精度高，运用现代物理、电子与计算机技术的地球物理仪器装备。

第二章放射性勘探仪器的方法简介2.1 放射性勘探基本理论放射性勘探又称放射性测量或“伽玛法”。

借助于地壳内天然放射性元素衰变放出的α、β、γ射线，穿过物质时，将产生游离、荧光等特殊的物理现象，人们根据放射性射线的物理性质利用专门仪器（如辐射仪、射气仪等），通过测量放射性元素的射线强度或射气浓度来寻找放射性矿床以及解决有关地质问题的一种物探方法。

也是寻找与放射性元素共生的稀有元素、稀土元素以及多金属元素矿床的辅助手段。

放射性物探方法有γ测量、辐射取样、γ测井、射气测量、径迹测量和物理分析等。

2.2 放射性勘探方法简介2.2.1 γ测量用盖革式辐射仪或闪烁辐射仪在地面步行作放射性总量测量，是铀矿普查工作中最有成效、最广泛采用的方法。

它是以测量岩矿石的γ（或β＋γ）射线总强度来发现放射性异常的。

该法的优点是几乎能在任何地区、任何地质条件下进行最详细的测量。

缺点是不能区分放射源的性质（铀、钍、钾），探测深度有限。

步行测量还可利用γ能谱仪在野外直接测定(点测)浮土及岩矿石中铀、钍、钾的等效含量。

本法适用于各种地质、地形条件，即使在覆土掩盖区，只要存在放射性元素的分散晕就可采用。

但效率较低，不适于大面积测量。

为了提高γ测量的效率，目前多将γ能谱仪装在飞机上或越野性能良好的汽车上进行测量，寻找放射性异常，也可以做成特殊的γ能谱仪，进行湖底或海底放射性测量。

航空放射性测量，主要用于地质填图，推断铀、钍成矿区的位置，寻找与放射性元素分布有关的某些非放射性矿产资源（见航空地球物理勘探）。

车载放射性测量，主要用于踏勘性的调查，或作为航空放射性测量的初步检查。

γ测量还可以在钻孔中进行，即用辐射仪在钻孔中测量岩矿石的天然γ射线强度，以寻找地下深处放射性矿床。

有γ测井（总量）和能谱测井两种（见地球物理测井）。

2.2.2 射气测量利用射气仪测量土壤空气中放射性气体的浓度，以推断浮土覆盖下可能存在的放射性矿床，也可用来圈定破碎带等地质构造。

射气测量主要是测量氡(部分钍)衰变时放出的α射线。

该法探测深度较大，一般可以发现 6～10米厚的浮土覆盖下的盲铀矿体。

在岩石裂隙和构造破碎带有利于射气迁移的条件下，还可发现埋藏更深的矿体，因而广泛应用于浮土覆盖地区。

可在现场用抽气泵自土壤中抽气取样，利用闪烁室型或电离室型射气仪直接进行测量；也可用活性炭吸附土壤空气中的氡，经过一定时间，在实验室测定活性炭中氡子体 RnC的β或γ放射性。

土壤空气中的射气浓度受气候条件变化等许多因素的影响，使得射气异常的解释十分困难和复杂。

2.2.3α径迹测量利用塑料径迹探测器记录地下放射性元素衰变时放出的α粒子的径迹，以此寻找深部放射性矿床。

探测器记录的α径迹密度（径迹数平方毫米）主要取决于积累于埋在土壤中杯子里的氡及其子体放出的α粒子。

由于它是长时间（约20～30天）积累取样，即为时间上氡浓度的积分测量，因而比瞬时抽气取样的射气测量（为“时间上氡浓度的微分测量”）具有较大的探测深度，而且可在很大程度上消除气候和取样条件的变化影响，使所得结果比较可靠。

此法操作简便，成本低，可发现来自深部的微弱信息。

实际资料表明，找矿深度可达100～200米。

其探深机制目前在理论上的解释尚不完善。

缺点是埋片时间长，不能及时取得结果。

第三章放射性勘探仪器的传感器原理与参数3.1 放射性勘探仪器测量地质体中天然放射性元素发出的，或通过人工激发由非放射性元素发出的射线的核探测仪器。

在放射性勘探中,用于放射性矿床和某些非放射性矿床的勘查,以及解决某些地学问题。

3.2 放射性勘探仪器基本原理探测的基本原理是粒子或射线通过构成探测器的物质时，直接或经次级效应产生的电离、激发效应使其能量转换为可观测的物理量信号，用电子线路或特定的设备处理这些信号，以便测定。

核法勘探仪器的种类繁多，性能、功能各异，然而它们通常都是由探测器、信号处理、分析、显示、输出等部件构成，其中最重要的、决定仪器基本性能的是探测器。

3.2.1 放射性勘探探测器3.2.1.1气体探测器它是根据带电粒子通过气体时，引起气体的电离来探测辐射粒子的。

早期该种探测器曾广泛应用，它的优点是制备简单，性能可靠，成本低廉，使用方便，因而至今仍在应用。

随着探测器技术不断发展，在高能物理和重粒子物理实验中它已获得新的应用。

3.2.1.2闪烁探测器它是根据射线与物质相互作用产生荧光现象，来探测射线粒子的。

它比气体探测器高多的探测效率而被广泛使用，在不少仪器中已取代了气体探测器。

3.2.1.3半导体探测器这是六十年代以来迅速发展起来的一种新型探测器。

主要优点是：能量分辨率高。

线型范围广，体积小。

是今年来发展极为迅速的一种核辐射探测器件。

用于核辐射测量的还有原子乳胶，固体径迹探测器；威尔逊（wilson）云室和气泡室火花放电室；多能正比室切伦科夫（uepeHKOB）计数器；热释光探测器等。

探测器的工作原理可归纳为：1. 利用射线与物质作用时产生的荧光现象；2. 利用射线通过物质时产生的电离作用；3. 利用射线对某些物质的核反应；4. 利用射线与物质作用时产生辐射损伤；5. 利用射线与物质作用时产生的化学反应或热效应。

第四章电路原理与方框图4.1气体探测器气体探测器包括电离室，正比计数器和G—M计数器等。

研究气体探测器的工作原理要了解气体探测器中的电离现象。

图2.1气体探测器的结构示意图4.1.1 气体探测器中的电离现象在气体探测器中带电粒子通过气体时与气体分子发生电离碰撞，使气体分子电离或激发。

并在粒子通过的途径上生成大量的离子对，或者这些入射的粒子所带电荷与气体分子中核外电子之间产生库仑作用力，使气体分子的核外电子被拉出来，离开原来的分子而独立运动，从而使原来的中性气体分子形成离子对（一个带负电的电子和一个带正电的正离子）。

以上统称为气体的电离现象。

因为辐射粒子射入气体后将前进一段路程，在它经过的途径上由于电离效应将产生大量的电子——正离子对，直到辐射粒子能量逐渐消耗到低于气体分子的电离电位时。

电离才告结束，收集这些电离电荷，就可以了解辐射射线的情况。

因此，气体探测器也就是离子的收集器，它通常是由高压电极和收集电极组成，常见的是两个同轴的圆柱形电极，两个电极由绝缘体隔开并密封于容器内。

电极间充入一定气体并加一定电压，使气体中有一定的电场存在，辐射使两电极间的气体电离时，生成的电子和正离子在电场作用下漂移，最后收集到电极上，电子和正离子生成后，由于静电感应，电极上将感生电荷，并且随它们的漂移而变化。

从而在输出回路中形成电离电流。

4.2 闪烁探测器闪烁探测器具有分辨时间短，探测效率高等优点。

因此，它在很多领域已代替了气体探测器，是当前使用最多的核辐射探测器。

4.2.1 闪烁探测器的工作原理闪烁探测器主要由闪烁体和光电倍增（有称光电倍加管）组成，如图1—3—1所示。

其工作过程可分为五个相互联系的环节。

①射线进入闪烁体，使闪烁体的原子或分子电离或激发。

②被电离或激发的原子或分子退激时产生光子。

③利用反射物和光导将光子尽可能收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上打出光电子。

④光电子在光电倍增管中各倍增极上逐渐倍增，电子数目增加几个数量级，经过倍增的电子流在阳极负载上产生电脉冲讯号。

⑤此讯号有电路记录。

4.3半导体探测器半导体探测器是六十年代以来发展起来的一种探测器，其探测介质是半导体材料。

它的主要优点是：①能量分辨率高：例如金硅面垒型探测器对Am241的5.486MeV的α射线的半宽度（FWHM）可达10.8KeV。

锗锂漂移型探测器对Co60的1.332MeV的γ射线全能峰的半宽度（FWHM）可达1.3KeV。

硅锂漂移型探测器对Fe55的X射线峰的半宽度（FWHM）可达150eV。

②线性范围宽：在很大的能量范围内，探测器输出脉冲幅度与被测射线的能量精确地成正比，如锗锂漂移型探测器在300KeV—1.3MeV范围内线性偏离小于0.2KeV。

③对于金硅面垒型或PN结型探测器还有两个优点：一是输出脉冲上升时间快，可达毫微秒数量级；二是体积小，可以做成小型探测器。

4.4 放射性仪器放射性仪器可按测量辐射信息参量的不同，分为总辐射强度测量仪器和能谱测量仪器两大类，如图3.1如示。

它们的差别主要在对射线产生的脉冲信号的处理电路不同。

放射性仪器的电子学线路主要有前置电路，放大电路，脉冲幅度甄别器或脉冲幅度分析器，脉冲记录或数字记录、处理和显示电路，以及有关辅助电路和电源等部分构成。

它的工作过程是：当辐射射入核辐射探测器，与其作用后转换成电脉冲信号，该信号首先传入与探测器紧密连接的前置电路进行适当处理和放大，经放大后的电脉冲信号可远距离传送。

信号通过电缆传送到仪器的主体部分，被再次放大，以保持其后放路正常工作。

图3.1 与核辐射探测器连接在一起工作的基本电路框图(a）辐射总量测量仪器；(b）能谱测量仪器；(c）微机化仪器。

第五章仪器工作过程及注意事项5.1 FD-3013 数字γ辐射仪FD-3013 数字γ辐射仪是一种便携式γ总量测量仪器，其工作原理如下图所示。

探测器为 N a I（Tl）闪烁计数器，它将入射γ射线转换成电脉冲信号，其计数率正比于射线强弱。