综述：野外的闪烁体：地球物理应用中伽马射线检测技术的现状与未来

《Radiation Measurements》：Scintillators in the wild: the present and future of gamma-ray sensing in geophysical applications

伽马射线测谱技术已从专业勘探工具发展为通用传感器，广泛应用于地质测绘、土壤科学及污染评估等领域。研究重点包括移动平台（如无人机、船只）适配的探测器系统设计、机器学习与全谱分析技术提升、蒙特卡洛校准方法优化，以及统计预处理对信号质量的影响。摘要分隔符：

　　

J. Limburg | R.L. Koomans

Medusa Explorations BV, 格罗宁根，荷兰

摘要

伽马射线光谱技术已经从一种专门的探测技术发展成为一种多功能、广泛应用的地球物理和环境监测工具。

本文回顾了户外伽马射线探测系统的发展现状。我们重点讨论了现场部署的具体要求，包括设备的坚固性、效率以及是否适合用于拖拉机、四轮车、无人机和船舶等移动平台。文章概述了从传统的基于窗口的分析方法向现代全谱分析和机器学习方法的转变，并探讨了能够显著提高信号质量的统计预处理和后处理方法。长期以来，校准一直被认为是定量野外光谱测量的关键限制因素。我们研究了传统的基于垫子的校准方法以及现代基于蒙特卡洛的工作流程，这些方法能够生成特定几何条件下的标准光谱并提高测量精度。

通过地质测绘、土壤科学、农业、污染评估、泥炭测绘和矿物勘探等领域的案例研究，我们证明了设计合理且经过校准的闪烁探测器系统能够提供关于土壤质地、矿物组成、湿度、污染物和沉积物动态的详细空间信息。一个显著的趋势是从复杂的测量系统向以用户为中心的“传感器”转变，即数据处理和应用模型被集成到了设备中。这一转变正在迅速扩展伽马射线光谱技术在地球物理研究和环境监测中的适用性和影响力。

部分内容摘录

背景与动机

伽马射线光谱技术是地球物理研究中应用最广泛且历史最悠久的测量技术之一。自20世纪50年代初引入碘化钠（NaI(Tl)）闪烁探测器以来，该技术使地质科学家能够量化岩石、土壤和沉积物中天然存在的放射性核素（如⁴⁰K、²³⁸U和²³²Th）的浓度。其应用范围涵盖了矿物勘探、地质测绘等多个领域。

从闪烁探测器到野外测绘设备

用于土壤、沉积物和地质测绘的伽马射线传感器必须满足在非受控实验室环境中可靠运行的若干基本要求。首先，探测器必须具备足够的计数效率，这需要使用具有高光子相互作用概率的材料，并且其体积要足够大，以便能够捕捉到微弱的光子通量。其次，探测器必须在恶劣环境中保持正常工作。

伽马射线光谱仪的处理与校准

用于地质应用的闪烁探测器在野外进行的测量与使用高分辨率半导体探测器（如HPGe）的实验室伽马光谱测量存在根本差异。在实验室中，通过长时间的计数和出色的能量分辨率，可以在应用一系列校正措施后从单个光峰中推导出放射性核素的活性。这些校正措施包括去除来自宇宙射线和内部源的实验室背景噪声、调整测量数据等。

应用模型

伽马射线传感器可以生成被测地形中（天然存在的）放射性核素的空间分布图。如果校准得当，伽马射线测量结果能够提供具有优化统计精度的放射性核素绝对浓度。放射性数据的价值往往不在于核素浓度本身，而在于可以从这些浓度中获取的信息。

结论

伽马射线光谱技术已成为地球物理学家和土壤科学家的宝贵工具，可用于提供与农业、气候政策、污染研究和矿物勘探相关的详细空间信息。

最初，伽马射线光谱技术主要用于矿物勘探。正如我们所展示的，如今伽马射线传感器已发展为多种用途的探测工具，而基于伽马射线的野外测绘技术也已在多个领域得到广泛应用。

CRediT作者贡献声明

Han Limburg：撰写——初稿。

Ronald Koomans：撰写——初稿

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。