用于航空地球物理测量的长期经验性辐射探测器校准

《Journal of Environmental Radioactivity》：Long-term empirical radiation detector calibration for airborne geophysical surveying

本研究针对Aerial Measuring System（AMS）固定翼和旋翼航空γ射线测量系统，通过Grand Junction大范围校准垫长期数据分析，比较了IAEA窗口法和高斯光谱提取方法在铀、钍、钾（NORM）浓度反演中的准确性。结果显示两种方法均能获得与地面实测（HPGe）和实验室分析（ICP-MS）在两倍标准差内的吻合，且高斯方法在灵活性上具有优势，可扩展至非NORM同位素分析。最后验证了AMS系统在湖Mohave和Government Wash等区域的适用性及长期稳定性。

　　这项研究聚焦于空中测量系统（AMS）在长期校准和验证方面的能力，特别是针对固定翼和旋翼飞机的空中伽马射线勘测平台。研究的核心目标是评估两种伽马射线光谱提取方法的稳定性与准确性，以便更精确地绘制自然放射性物质（NORM）的分布情况。通过对比国际原子能机构（IAEA）的窗口方法和基于高斯函数的提取方法，研究展示了AMS系统在实际应用中的可靠性和有效性。同时，该研究还探讨了两种方法在处理不同环境条件下的表现差异，以及它们在不同应用场景中的适用性。

AMS系统是美国能源部（DOE）下属国家核安全管理局（NNSA）所维护的一个重要的放射性应急响应资源。该系统由五架飞机组成，包括两架旋翼机和三架固定翼飞机，专门用于执行放射性环境监测和地质勘测任务。这些飞机配备了专门的伽马射线探测设备，其设计和配置都针对不同的任务需求进行优化。探测器使用的是掺铊的碘化钠（NaI(Tl)）闪烁探测器，这些探测器通过在科罗拉多州格兰德泉（Grand Junction）的大型面积校准垫（LACP）进行校准，以确保其测量结果能够准确反映地面的放射性物质浓度。

LACP是一个专门用于校准和验证辐射检测系统性能的设施，它由多个具有已知浓度的校准垫组成，分别对应钾（K）、铀（U）和钍（Th）等放射性元素。这些垫子的尺寸和布局都经过精心设计，以确保在不同高度下能够准确测量这些元素的分布情况。研究中提到的垫子尺寸为9.1米乘以13.3米，垫子之间相距16.7米。垫子按照特定的方向排列，以便在测量时可以准确地模拟实际环境中的辐射情况。

研究中的两种光谱提取方法，IAEA窗口方法和高斯方法，分别代表了当前常用的校准技术。IAEA窗口方法通过构建一个灵敏度矩阵来估算不同能量区域中的散射效应，而高斯方法则通过拟合高斯函数来提取感兴趣的光谱峰值区域。这两种方法各有优劣，IAEA方法虽然稳定但灵活性较差，而高斯方法则更加灵活，能够更好地处理不同来源的放射性物质。研究还指出，高斯方法在处理某些同位素的光谱时可能避免一些因高度和同位素依赖性导致的误差。

研究团队对两种方法进行了长期的数据分析，使用了在LACP上采集的多次数据集，并将其应用于实际的空中勘测任务。这些任务包括在南内华达州的政府洗（Government Wash）和莫哈维湖（Lake Mohave）地区进行的空中伽马射线测量。研究结果表明，无论是IAEA方法还是高斯方法，其测量结果与地面真实值的误差均在两个标准差范围内，显示出系统的稳定性和可靠性。

此外，研究还详细描述了空中勘测的具体操作过程，包括飞机的飞行高度、航线间距和数据采集频率。这些因素对于确保测量的准确性和一致性至关重要。在数据处理阶段，研究团队使用了噪声调整的单值分解（NASVD）方法来减少高噪声对数据的影响，并通过背景减去技术来去除大气和宇宙辐射的干扰。背景减去后的数据被进一步处理，以确保能够准确地反映地面的放射性物质浓度。

在实地采样方面，研究团队收集了多个地点的土壤和岩石样本，并通过实验室技术（如电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和高纯度锗（HPGe）检测）对这些样本进行了分析。这些样本的采集方法遵循标准程序，以确保样本的代表性和可比性。实验室测量结果被用于与空中测量数据进行对比，以验证空中测量方法的准确性。

研究还提到，通过使用不同的数据处理技术，可以进一步提高空中测量方法的精度。例如，使用高斯方法时，可以通过数据平均和减少方差来改善拟合效果。同时，研究团队也指出，尽管高斯方法在某些方面优于IAEA方法，但它仍然受到原始伽马闪烁探测器统计精度的限制。

在讨论部分，研究团队分析了两种方法在不同环境条件下的表现差异。他们指出，尽管两种方法都显示出良好的稳定性，但高斯方法在处理复杂环境和非自然放射性物质时可能具有更高的灵活性。此外，研究还强调了在实际应用中，考虑到空中测量和地面采样的不同特性，需要对数据进行适当的处理和校正，以确保结果的准确性和一致性。

研究的结论表明，AMS系统在长期运行中保持了高度的稳定性和可靠性，这使得其在自然放射性物质的测绘方面具有广泛的应用前景。IAEA方法虽然传统且稳定，但其固定灵敏度矩阵的局限性可能限制其在某些复杂情况下的应用。相比之下，高斯方法提供了更灵活的解决方案，适用于更广泛的场景。这项研究不仅验证了两种方法的有效性，还为未来的空中伽马射线测量提供了新的思路和方法。