伽马辐射取样仪的读出参量为放射性元素含量的质量分数（单位为%）。在勘采工程揭露的矿层面上，伽马射线探测器除记录取样面上矿石产生的伽马射线外，还同时记录到周围岩矿石放射性物质放出的伽马射线。伽马定向辐射仪是设法消除周围射线的干扰，而将取样面的伽马射线较准确地测定出来，以确定取样地点的铀矿石品位。因此，伽马定向辐射仪具有定向测量功能。伽马定向辐射仪的定向测量有两种实现方式：①单伽马射线探测器配铅套设计方案，将伽马射线探测器部位用铅套包裹，在探测面上设计可抽动的铅条，形成一定的定向立体角。伽马定向辐射测量时，先带铅条测量一次；保持铅套不动，取出铅条再测一次，根据两次测量结果的差值来计算取样面矿石的铀含量，早期的伽马定向辐射仪以盖革计数器为伽马射线探测器，测量一定能量阈值（一般为400千电子伏）以上的伽马射线总强度；伽马射线探测器基本上被NaI（Tl）闪烁计数器所替代，进行伽马射线能谱测量，选择3个特征谱段（铀矿石特征谱段、钍矿石特征谱段和钾-40特征谱段）两次测量结果的差值计算取样面岩矿石的铀含量、钍含量和钾含量，该仪器又称为伽马定向能谱仪。②伽马定向辐射仪采用双闪烁体单管结构，即探头有主闪烁体[NaI（Tl）]和副闪烁体（塑料闪烁体），它们之间用锥形铅屏隔开，主闪烁体主要接受来自取样面矿石放出的伽马射线，副闪烁体主要接受来自周围矿石放出的伽马射线。主、副闪烁体受伽马辐射作用后，共用一支光电倍增管作光电转换后形成电脉冲信号，由于两种闪烁体发光衰减时间有明显差异（NaI为2.5×10^-7秒，塑料闪烁体为2至5×10^-9秒），利用波形甄别电路将来自主、副闪烁体的电脉冲信号区分，然后送往差值电路记录，根据差值计数率来计算取样面矿石的铀含量。铀系列中85%的伽马射线强度来自放射性核素铋-214，它是镭和氡的衰变子体，用上述差值计数来计算矿石的铀含量是在铀-镭平衡和氡射气不逸出的假设条件得出的，称为平衡铀含量。矿石中真实铀含量应进行矿石铀-镭平衡系数和射气系数的校正。