核辐射测井物理基础

核辐射测井物理基础 吴文圣Phone 89733310 mail wwshengyahoo地点 综合科研楼811 2原子核物理的基本知识 主要介绍一些原子核物理的基本概念 放射性和放射性射线 放射性衰变及衰变规律 伽马射线与物质的相互作用 物质吸收伽马射线的规律 中子与物质的相互作用 原子 原子核 核外电子 质子 中子 电荷 1 0 1 实际质量 1 6726 10 27kg 1 6748 10 27kg 相对质量 1 007 1 008 原子的构成 核电荷数 Z 质子数 电子数 原子序数 原子核半径小于原子半径的万分之一 体积占原子体积的几千亿分之一 带正电 带负电 不显电性 原子的质量集中在原子核 Z个 A Z 个 Z个 质量数 将原子核内所有的质子和中子的相对质量取近似整数值加起来 所得的数值 叫质量数 质量数 A 质子数 Z 中子数 N 原子核的质量几乎等于整个原子的质量 质子带正电荷 中子近乎为中性粒子 质子数 也称为原子序数Z 等于核外电子数 质子数Z与中子数N之和称为质量数A 原子核的电荷数 质子质子Z 原子序数 原子核外电子数 原子的表示方法原子质量单位 是以碳的同位素12C为标准确定的 即1个原子质量单位u为12C静止质量的1 12 也就是1u mc 12 1 660566 10 27kg 质子质量为 1 00758u 中子质量为 1 00887u X A Z 元素符号 原子序数 质量数 X A 定义 具有特定原子序数 即质子数或核电荷数 质量数 即核子数 和核能态 而且其平均寿命长到足以被观察到 一般长于10 10s 的一类原子 另一种定义 具有一定数目的质子数和中子数 且处于同一能态的一类原子 核素可以是稳定的 也可以是不稳定的 目前已经知道的核素大约有2700种 其中约300种是稳定的 其余是不稳定的 即放射性的 四 核素 定义 一种元素由几种质子数相同而中子数不同的核素组成 这几种核素就称为同位素 分类 同位素分为放射性同位素和非放射性同位素 放射性同位素按其来源有天然放射性同位素与人工放射性同位素之分 前者存在于自然界的矿石之中 例如232Th 235U 226Ra等 人工放射性同位素则是借助于核反应堆和带电粒子加速器等手段 采用人工方法制备的 如11C 32P等 五 同位素 定义 元素的丰度可以用列表法或作图法给出 在列表或作图时 通常都把硅 Si 的丰度值取为10 其他核素的丰度值按比例确定 作图时 通常取核素的质量数为横坐标 丰度值为纵坐标 用折线或曲线把图中的点连起来 所得的曲线称为元素的丰度曲线 它反映元素按质量数的分布规律 某种核素在其天然同位素混合物中所占的原子核数目的百分比称为该核素的丰度 六 丰度 能态 基态 激发态 七 能态 基态和激发态 原子核处于不同的能量状态 能量最低的状态 处于比基态高的能量状态 放射性定义 核素按有无放射性可分为 放射性核素 稳定核素 八 放射性 原子核自发发射各种射线的性质 原子核能自发发生变化的核素 不能自发发生变化的核素 放射性核素发射的射线有三种 和 射线 九 放射性射线及性质 放射源 铅盒 照相底片 射线 由高速运动的氦原子核 称为 粒子 组成的 它的穿透能力最低 在岩石中只有0 001cm 但电离作用最强 原子核自发发射 粒子的转变 称为 衰变 发生 衰变 原子核原子序数Z减少2 质量数A减少4 在核辐射测井中 利用 粒子与某些原子核的相互作用可制造中子源 射线 是高速运动的电子流 它的穿透能力比 射线强 在金属中为0 09cm 但电离作用比 粒子弱 原子核自发发射 射线的转变 称为 衰变 发生 衰变后 原子核的原子序数改变一个单位 质量数不变 在核辐射测井中 利用某些发射 射线的核素作为井间监测示踪剂 射线 是波长很短的电磁波 它的穿透能力最强 电离作用最弱 原子核自发发射 射线的转变 称为 衰变 发生 衰变后 原子核的原子序数和质量数均不变 射线能穿透几十厘米的地层 水泥环 套管和下井仪器的外壳 这一特性使得它成为核辐射测井主要得探测对象 1 定义 原子核自发的放出各种射线而转变为另一种核素的过程 十 放射性衰变 原子序数大于83 铋Bi 的所有天然存在的元素 它们的原子核都是不稳定的 都会发生衰变 原子序数小于83的天然元素也有一些不稳定 发生衰变 这里有两个概念 母核 衰变前的原子核 子核 衰变后剩余的余核 设及到三个主要过程即 衰变 衰变或 衰变 2 衰变表达式 特点 衰变主要发生于重核 绝大多数 衰变发生于A 200的重核 但不等于A 200都能发生 衰变 X A 4 Z Y A Z 2 He 2 4 3 衰变表达式 X A Z Y A Z 1 e v X Z A Y Z 1 A e v 衰变 衰变 特点 中子数过多发生 衰变 质子数过多发生 衰变 粒子的能量是连续能量 能谱连续分布 几乎所有的放射性核素都存在 衰变 4 衰变 定义 原子核由激发态向基态或由高能态向低能态跃迁时 放出 射线的衰变过程称为 衰变 原子核的退激 必然伴随有 射线的放出 射线的能量就等于相应的核能级之间的能量差 X射线产生于原子内层电子的跃迁 它与 射线的差别在于能量和产生的方式不同而已 放射性衰变过程是由核内扰动影响而发生的 与外界条件无关 有些原子核衰变释放一种或二种射线 有些却同时释放三种射线 原子核衰变规律与放出射线的种类无关 与外界环境无关 5 放射性衰变的特点 如果我们用N t 表示时刻t存在的原子核数 那么在时刻t到t dt之间发生衰变的原子核数dN就应当和N t 及dt成正比 即 dN N t dt dN N t dt 十一 简单放射性衰变的基本规律 对上式积分并令t 0时的原子数为N0 则有 这就是原子核衰变的基本规律 原子核衰变遵循指数衰减规律 原子核衰变的指数规律是原子核本身固有的性质 只和它的内部状态有关 外界因素如高温 高压 强磁场 电场等都不能改变原子核这种指数衰变特性 不同的放射性核素的 不同 即衰变速度不同 N t N0e t 必须指出 原子核衰变规律是一个统计性规律 只有在原子核的数目足够大时才是正确的 否则没有意义 这是因为核衰变是自发的 对于一个核来讲纯属偶然 只有大数目的原子核才遵循统计规律 定义 衰变规律公式中的常数 反映了原子核衰变速度的快慢 称之为衰变常数 表达式 dN dt的意义 表示在时刻t的单位时间内发生衰变的原子核数 它与当时存在的原子核数N t 成正比的 十二 衰变常数 dN dt N t 衰变常数 的确切物理意义 表示一个原子核在单位时间内发生衰变的几率 衰变常数 量纲 T 1 通常用秒 1或分 1 不同的放射性核素具有不同的衰变常数 指数衰减规律反映了原子核衰变的 共性 衰变常数反映了各种原子核的 个性 定义 放射性原子核衰变到数量减少一半所经过得时间 表示符号 T1 2意义 表示原子核衰变的快慢 T1 2和 都表示原子核衰变的快慢 十三 半衰期 那么二者之间有什么关系呢 由半衰期的定义知 由衰减的规律公式有 当 t T1 2 N N0 2 N N0 2 N0e T1 2 T1 2 ln2 0 693 可见 原子核的半衰期与衰变常数成反比关系 即半衰期长 衰变常数就小 半衰期短 衰变常数就大 原因 在单位时间内发生衰变的几率越大 原子核得衰变就越快 原子核总数减少一半的时间自然也就越短 定义 就是指一种放射性原子核平均能够生存的时间 通常用 表示 求取方法 由衰减规律公式知 在时刻t的一个极小时间间隔dt内 发生衰变的原子核数为 Ndt 可以认为有 Ndt个原子核生存的时间 即寿命 是t 即这些原子核的寿命之和为t Ndt 十四 平均寿命 如果t 0时的原子核数为N0 则原子核的总寿命原子核的平均寿命为 N N0e t 定义 把单位时间内一个放射源发生衰变的原子核数称为放射性活度 也称放射性强度 通常用符号A表示 十五 放射性活度 A N A N N0e t A0e t A0称为初始放射性活度 放射性活度的单位 由于历史原因 习惯上采用居里 Ci 作为放射性活度单位 它的定义是 一个放射源如果在每秒内产生3 7 1010次衰变 这个放射源的放射性活度即为1居里 即 放射性活度的国际单位是贝可勒尔 简称贝可 记作Bq 它的定义是 放射源每秒产生一次衰变为1贝可 1Bq 1s 1 二者关系 1Ci 3 7 1010Bq 例1 已知226Ra的半衰期为1600y 问1g226Ra的放射性活度是多少贝可勒尔 解 T1 2 1600 365 24 3600 5 04 1010s 0 693 T1 2 1 375 10 11s 1N m M NA 1 226 6 022 1023 2 665 1021A N 3 664 1010s 1 3 664 1010Bq 例2 已知222Rn的半衰期为3 82d 问1 Ci和1000Bq的222Rn质量分别是多少 解T1 2 3 82 24 3600 3 3 105s 0 693 T1 2 2 1 10 6s 1 定义 表达式 意义 十六 比放射性活度 单位质量放射性物质的放射性活度 即放射源的放射性活度与其质量比 也称比活度 用a表示 a A m Bq g或Ci g a的大小表示放射源纯度的高低 例1 已知131I的半衰期是8 04d 计算其比发射性活度 a 1 25 105 Cig 1 例2 实验室测得纯235U样品的比放射性活度为80Bq mg 1 试求235U半衰期 3核辐射测井的核物理基础 本章主要介绍 伽马射线与物质的相互作用中子与物质的相互作用 射线与物质发生各种相互作用都有一定的几率 通常用截面 这个物理量来表示作用几率的大小 其定义是 一 射线与物质相互作用的几率 N INs 单位时间内发生的核反应数 单位时间内入射粒子数 单位面积的靶核数 第一节伽马射线与物质的相互作用 的确切物理意义是 一个入射 光子与单位面积上一个靶原子发生作用的几率 单位 它具有面积的量纲 一般用10 24cm2作为 的单位 称为靶恩 b 截面 仅反映 射线与物质相互作用几率大小的一个物理量 但不表示原子或原子核的真实几何截面 如果光电效应截面用 ph表示 康普顿散射截面用 c表示 电子对效应截面用 p表示 则总截面 为 光电效应定义 当一个 光子与物质原子中的束缚电子作用时 光子把全部能量转移给某个束缚电子 使之脱离原子而发射出去 而光子本身被全部吸收 这个过程称为光电效应 由光电效应发射出来的电子称为光电子 光电效应只有在束缚电子上发生 电子在原子中被束缚得越紧 就越容易发生光电效应 所以 K壳层上打出光电子的几率最大 L壳层次之 M N壳层更次之 二 光电效应 光电子的能量 由能量守恒定律知 光电子能量Ee为hv为入射 光子的能量 Ei为第i壳层电子的结合能 Ee hv Ei 光子与原子发生光电效应的截面 即几率 与入射光子能量的关系 入射光子能量hv很高时 截面 ph很小 因为电子在原子中束缚程度的大小是与入射光子的能量相比较而言的 当入射光子的能量很高时 相对来说 电子的束缚程度就很低 所以截面就很小 发生光电效应的截面原子序数的关系 对于同一能量的入射光子来说 物质的原子序数越高 光电效应截面越大 因为原子序数高 电子在原子中束缚程度也就高 所以截面就大 光电效应截面与作用物质的原子序数有着强烈的依赖关系 这就是岩性密度测井利用光电效应判断地层岩性的依据 一般发生在原子内壳层的几率最大 对K壳层 光电效应的截面 Ph为 探测器应选用尽可能高Z的物质作为介质 1 康普顿效应 当入射 光子能量增高后 光电效应逐渐减弱 康普顿效应成为 光子损失能量的主要方式 在康普顿效应中 入射 光子与原子的核外电子发生弹性碰撞 把一部分能量转移给了电子 使电子脱离原子成为反冲电子 损失能量后的 光子则朝另一个方向散射出来 三 康普顿效应 comptoneffect 康普顿效应不仅在束缚电子上可以发生 而且在自由电子上也可以发生 正因为如此 康普顿效应大多是在原子的外层电子上发生 3 康普顿散射截面 c Z ce 总截面等于各壳层的电子散射截面之和 能量比较低时 入射 能量比较高时 式中 r0为电子的经典半径 散射截面与Z的一次方成正比 而随E 增加而减少 5 康普顿效应减弱系数 e 由康普顿效应导致的 射线在通过单位距离物质时的强度减弱 这也是康普顿效应求取地层密度的依据 1 电子对效应 当入射 光子的能量大于两个电子的静电质量能 即大于1 022MeV 时 在原子核的库伦场作用下 光子转化为一个负电子和一个正电子 形成正负电子对 这个过程称为电子对效应 2 发生电子对效应的条件 一是除了 光子和电子外 还必须由原子核参与 二是 光子必须具有足够大的能量 大于1 022MeV 四 电子对效应 4 产生的正负电子对在物质中损失能量后 达到热平衡 正电子在热平衡时与物质中的负电子产生淹没 光子 发出两个0 511MeV的 射线 方向相反 这两个 射线产生的时间非常短 与物质再次相互作用产生光电效应与康普顿效应 产生次级快速电子 5 由正负电子对在物质中产生的电子 离子对将与淹没辐射产生的次级电子在物质中再产生的电子 离子对叠加在一起 形成电子对效应的 射线信号输出谱 6 电子对效应的截面 所以 电子对效应的截面与Z2成正比 随 射线能量增大而增大 7 电子对效应减弱系数 p 射线通过单位厚度的吸收介质时 因形成电子对而导致 射线强度的减弱 对低能 射线与高原子序数的作用物质 光电效应占优势 对中能 射线与低原子序数的作用物质 康普顿效应占优势 对高能 射线与高原子序数的作用物质 电子对效应占优势 设有一束强度为I0 准直的单能 射线沿水平方向垂直地通过单位面积吸收物质 设吸收物质单位体积内的原子数为N 密度为 吸收截面为 r 五 物质对伽马射线的吸收规律 穿过物质后的强度减弱为 dI I0N r dx 令 这表明 射线通过吸收物质时 其强度的减弱服从指数衰减规律 积分 I I0e x 是物质的总吸收系数 单位cm 1 由于线性吸收系数 近似正比于吸收物质的密度 而 是随介质的物理状态而变化的 为了消除 的影响 常采用质量吸收系数 m 单位是cm2 g ph e p m ph e p 第二节中子与物质的相互作用 本章主要介绍中子及中子分类 中子与原子核的反应包括快中子的非弹性散射 快中子的火化 快中子的弹性散射 热中子的扩散与俘获以及热中子的活化反应 中子的电荷 可能带有很小的难以探测到的电荷 可以把它看成是中性粒子 中子的质量 中子的质量略大于质子 1 00866u 中子的自旋 中子的自旋sn 1 2 遵守泡利不相容原理 服从费米统计 中子的寿命 自由中子是不稳定的 它具有 衰变的性质 即 n p v Q T1 2 11 7 0 3min 2 中子的性质 一 中子 中子的能量 由于产生方式不同 以及产生后遇到的环境各异 中子能量可高达GeV 低到neV 不同能量的中子与物质作用的特性不同 与其他粒子相比 中子的优势 由于中子和电子之间没有明显的相互作用 中子不能使物质电离 因此中子的穿透能力很强 它可以穿透仪器外壳 井液 套管和水泥环 进入地层 与地层中物质的原子核并相互作用 产生各种核反应 反应几率往往很大 这些特性对测井很有利 特快中子 能量在10MeV 50MeV之间 快中子 能量在0 5MeV 10MeV之间 中能中子 能量在1keV 0 5MeV之间 慢中子 能量在0 1keV之间 包括超热中子 热中子 冷中子和共振中子 其中能量约为0 025eV的慢中子称为热中子 3 中子的分类 轻核 A90的原子核 二 原子核的分类 定义 当一定能量的入射粒子轰击靶核时 可能发生多种核反应 每种反应都有一定的几率 反应截面就是描述这种反应几率的大小 三 核反应截面 求取 假设靶的厚度为x 单位体积内的靶核数为Nv 那么这块靶的靶核数Ns Nv x 有一强度为I 单位时间内的入射粒子数 的单能粒子束垂直入射在靶上 当粒子透过靶时 可以认为其能量不变 在单位时间内 入射粒子与靶核发生的反应数为N 显然 N 应I与和Ns成正比 厚度dx 单位面积 靶物质 称为反应截面 又称有效截面 有 N INs N INs N INs 单位时间内发生的核反应数 单位时间内入射粒子数 单位面积的靶核数 的物理意义是 一个粒子入射到单位面积内只含一个靶核的靶上所发生反应的几率 的几何意义 反应截面相当于在单位面积内只含有一个核的靶上存在着一个有效面积 入射粒子只要与它碰撞 就会发生核反应 量纲 靶恩 b 1b 10 24cm2 10 28m2 1 非弹性散射过程 快中子先被靶核吸收形成复核 而后放出一个能量较低的中子 靶核处于激发态 即处于较高的能级 这些处于激发态的靶核 常常以发射 射线的方式释放出激发能而回到基态 这种作用过程中 中子与靶核碰撞前后系统的总动能不守恒 故称为非弹性散射 或称 n n 核反应 产生的 射线 核辐射测井中称为非弹性散射伽马射线 四 中子与物质的相互作用 1 非弹性散射 2 非弹性散射的反应式 3 发生非弹性散射中子的最低能量 原子核的能级是非连续的 只有当入射中子的能量至少大于靶核的第一激发能时 才有可能发生非弹性散射 发生非弹性散射所需要的入射中子的最低能量为 反冲核质量 中子质量 第一激发态回到基态释放的 光子能量 用质量数A和1分别取代上式中的mA和mn 则上式可写为 当A很大时 最低中子能量近似等于第一激发能 轻核的第一激发能级高且能级间距大 重核的第一激发能级低且能级间距小 因此质量数大的核比较容易激发 但如第一激发能级太低 发射的 射线能量太低 在复杂的能谱背景中将难以识别 当中子的能量超过更高能级时 参与非弹性散射的核反应不只是第一能级 还有第二甚至更高的能级 要使第i个能级参与反应 中子的最低能量必须满足 4 非弹性散射的几个特点 只有快中子才能产生非弹性散射 主要发生在中子发射后的10 8 10 7s时间间隔内 重核比较容易激发非弹性散射 发射的 射线能量也较低 中子能量高且靶核质量大 非弹性散射截面就大 同位素中子源发射的中子能量低 发生非弹性散射的概率小 可以忽略 加速器中子源发射的中子能量为14MeV 较易发生非弹性散射 由于非弹性散射 射线的能量取决于靶核的能级特征 其大小反映靶核的性质 因此 可以通过对非弹性散射 射线能谱的测量来进行元素分析 这是非弹性散射 射线能谱 如C O 测井的基础 5 测井中利用非弹性散射的原因 1 定义 快中子除了与原子核发生非弹性散射外 还能与某些元素的原子核发生 n n p 反应 由这些核反应产生的原子核称为活化核 活化核有些是不稳定的 以一定的半衰期衰变 并发射 或 粒子 这一过程称为中子的活化反应 由活化反应放出的 射线称为次生活化 射线 2 快中子的活化 2 硅活化核反应 反应产物是放射性核素 将发生 衰变 半衰期为2 3min 伴随发射能量为1 782MeV的 射线 利用这一反应的测井方法叫硅测井 是识别岩性的一种测井方法 3 铝活化核反应 产生的Mg是放射性核素 以半衰期9 5min发生 衰变 放出0 84MeV和1 015MeV两种能量的 射线 利用这一核反应的测井方法就是铝活化测井 1 弹性散射过程 高能中子在极短的时间内 经过一 二次非弹性碰撞损失了大量的能量后 中子已没有足够的能量再同原子核发生非弹性散射 此时 中子与原子核发生碰撞后 系统的总动能不变 中子所损失的动能全部转变成反冲核的动能 而反冲核仍处于基态 反应式为 主要发生在中子发射后的10 6 10 5s时间间隔内 3 弹性散射 2 碰撞前后中子的动能比值E2 E1 每次弹性碰撞后 快中子的能量损失与靶核的质量数A 入射中子的能量E1以及散射角 有关 由动量守恒和能量守恒定律 可得 对上式讨论 当 0o时 中子动能没损失 E2最大 E2 E1 当 180o时 即发生正碰撞时 中子的动能损失最大 E2最小 有 一次碰撞 中子可能的最大能量损失为 可见 中子与氢核碰撞有可能损失全部能量 原子核的质量数越大 一次碰撞损失的最大能量急剧减少 在核物理中常用每次碰撞的平均对数能量消耗 来表示物质对中子的减速能力 的定义 每次碰撞前后中子能量自然对数差的平均值 有 3 平均对数能量损耗 减缩 当A 10时 上式近似简化为可见 当质量数大于10时 平均对数损耗是由靶核的质量数A决定的 与中子的能量近乎无关 中子从初始能量E0减速到或慢化到热中子能量Et 0 025eV所需的碰撞次数 4 热化碰撞次数 散射次数n 可见 靶核的质量数越小 慢化到热中子所需的碰撞次数越少 氢的碰撞次数最少 即慢化能力或减速能力最强 可见 可见氢是地层中最强的中子减速剂或慢化剂 这是中子测井得物理基础 1 热中子定义 快中子经过一系列的非弹性碰撞及弹性碰撞 能量逐渐减小 最后当中子的能量与组成地层的原子处于热平衡状态时 中子不再减速 处于这种能量状态的中子称为热中子 在温度为25 时 标准的热中子能量为0 025eV 速度为2 2 105cm s 4 热中子的扩散与辐射俘获 2 热中子的扩散 热中子在介质中的扩散过程与气体分子的扩散相类似 即从热中子密度大的区域向密度小的区域扩散 直到被该介质中的原子核俘获为止 3 热中子的辐射俘获反应 物质中的原子核俘获一个热中子而变成激发态的复核 处于激发态的复核放射出一个或几个 光子而回到基态 这一反应称为辐射俘获核反应 也称 n 反应 反应式为 4 热中子扩散与辐射俘获核反应的意义 在辐射俘获反应中放出的 射线叫俘获 射线 测井上习惯称为中子 射线 以辐射俘获反应为基础的测井方法叫中子 测井方法 不同元素的原子核具有不同的能级 它们放出的 射线能量也不同 这是中子 测井方法的物理基础 热中子活化反应 热中子使某些原子核活化主要是与这些原子核产生 n 核反应 反应产生的新核往往是放射性的 新核以一定的半衰期衰变 并伴随发射出一定能量的 射线 这是热中子活化测井的物理基础 5 热中子的活化反应 本章主要介绍核辐射测井的地质基础 岩石的天然放射性 地层中伽马射线的分布 岩石的散射伽马射线特征 岩石的中子特性及中子通量的空间分布 3核辐射测井的岩石核物理基础 第一节核辐射测井的地质基础 目前已经发现地层中的元素有100多种 几乎所有的化学元素都能在地层中找到 但主要的地层元素只有少数几种 在地壳内化学元素含量按重量百分比大小的分布依次为O Si Al Fe Ca Na K Mg H Ti C Cl等 一 地层元素分布及含量 各元素在地层中的总量分布极不均匀 前三种元素O Si和Al总量占地壳总量的82 58 前9种即O Si Al Fe Ca Na K Mg和H总量占地壳总量的98 13 而其余元素仅占地壳元素总量的1 87 核辐射测井所关心的不是地层中所有的元素 而是含量在前10种元素 岩石按成因可分为岩浆岩 沉积岩和变质岩三大类 1 变质岩 变质岩是由岩浆岩或沉积岩经各种内力地质作用形成的 其物质组成与变质前的岩石直接相关 这里不再介绍 二 岩石矿物及其指示元素 1 地层中的岩石及矿物 2 岩浆岩 岩浆岩主要分布在地层深处 其体积占地层岩石的95 岩浆岩矿物种类繁多 主要有以下矿物 石英 12 长石 59 角闪石及辉石 17 云母 4 橄榄石 霞石 石榴石 磁铁矿 磷灰石 共8 等 其余矿物只占1 3 沉积岩 沉积岩已知的矿物有100多种 其中常见的有20多种 这些矿物可分为 石英类 长石类 云母类 粘土矿物类 碳酸盐岩及硫酸盐岩类 氯化物 铁和锰的氧化物等 以粘土为主要成分的沉积岩属于粘土岩 粘土岩在沉积岩中分布最广 约占沉积岩总量的60 70 左右 Al2O3在泥岩中含量最多的矿物 为15 21 矿物的指示元素 是指选取能够充分表征该矿物特征的极少数元素作为该矿物的代表 例如选取Si作为石英的指示元素 Ca作为石灰岩的指示元素 Mg和Ca为白云岩的指示元素 对于复杂的矿物 则可以选取2 3种元素作为指示元素 如钾长石就是选取Si Al和K作为指示元素 2 矿物的指示元素 如果每种矿物的化学成分稳定时 矿物中元素含量的百分比也是不变的 这是核辐射测井通过测量地层中元素的含量来判断地层的矿物成分和流体类型及含量的前提条件 为什么核辐射测井可以通过测量地层的元素含量来判断矿物成分 矿物 流体 主要元素含量顺序 石英 石灰岩 白云岩 钾长石 伊利石 云母 石膏 水 油气 O Si O Ca C O Ca Mg C O Si Al H K Mg Fe O Si Al K Mg Fe O Si Al H K Mg Ca O Ca S O H Cl Na C H 地层矿物及其元素 第二节岩石的天然放射性特征 岩石的自然放射性是由岩石中放射性核素及其含量决定的 自然界中发现的现有元素中 已发现的天然核素有330多种 其中273种为稳定核素 60余种位放射性核素 在自然界中原子量A209的核素全部都是放射性的 一 岩石中放射性核素 自然界中有三个天然放射系 即铀系 钍系和锕系 它们的初始核素分别为238U 232Th和235U 238U的丰度为99 2739 而235U的丰度只有0 7205 所以锕系对岩石放射性的贡献几乎可以忽略 岩石的自然放射性主要是由238U和232Th开头的两个放射系和放射性核素40K决定的 1 岩石的天然放射性系列 钍系 铀系 锕系 2 天然放射衰变系的共同特点 长寿命的系列起始的核素 108 1010年系列最后都是稳定的铅的同位素每个系列都有一个氡的同位素 是气体 4 地层中不成系列的天然放射性核素 K 40 T1 2 1 27 109年 3种同位素 K 39 丰度 93 31 K 40 丰度 0 012 K 41 丰度 6 7 1g天然钾每秒放出28个能量为1 31MeV的 粒子和3个1 46MeV的 光子 是自然伽马测井中重要元素 钾为生命的必要元素 成人体内60Bq kg 核衰变放出的 光子具有特定的能量 测得地层中 光子的能量往往可以确定地层中存在某种核素 铀系的能谱中可观察到大约80条 射线谱线 在钍系中可观察到大约60条 射线谱线 因为能量小于100keV的光子在穿透地层和仪器外壳时大量被吸收 它们对自然 测井读数的影响可以忽略不计 因而只须注意能量大于这一数值的 辐射 5 自然伽马和自然伽马能谱测井的机理 1 岩浆岩中的天然放射性核素分布 石英基本上不含放射性杂质 长石和云母含有地层中大部分的钾 其中40K是放射性核素 角闪石和辉石中放射性核素含量更高一些 二 天然放射性核素在岩石中的分布 2 沉积岩中天然放射性核素分布 沉积岩分为碎屑岩 化学岩 包括生物化学岩 和粘土岩三大类 1 粘土岩粘土岩是油气测井中遇到的含有放射性核素最多的矿物 它主要由粘土矿物组成 高岭石 化学式Al4 Si4O10 OH 8 常出现在陆相沉积中 本身不含放射性元素 由于其对放射性物质吸附能力差 对粘土岩的放射性贡献较小 蒙脱石 化学式 Al2Mg3 Si4O10 OH2 本身也不含放射性元素 但对放射性物质的吸收能力强 能吸附较多的氧化铀 因此 对粘土岩的放射性贡献最大 伊利石 化学式为K 1 Al2 Si Al 4O10 nH2O 由于本身含有K 具有放射性 还具有一定吸附能力 吸附氧化铀 绿泥石 化学式为FeAl Si3AlO10 OH 8 nH2O 本身不含放射性元素 又由于吸附能力差 对粘土岩的放射性贡献很低 为什么说生油粘土岩具有相当的放射性 生油的粘土岩的粘土矿物主要以蒙脱石和伊利石为主 其本身放射性和吸附能力使其具有一定的放射性 又由于富含有机质 有利于放射性物质的沉积 因此具有相当的放射性 碎屑岩由碎屑物和胶结物组成的 碎屑物是岩石的主要组成部分 分为砾岩 砂岩 细砂岩 粉砂岩等 放射性主要由正长石 K AlSi3O8 白云母 KAl2 AlSi3O10 OH 2 重矿物及泥质含量决定的 2 碎屑岩 化学岩是通过化学和生物化学作用形成的 最常见 最密切的是碳酸盐岩 即石灰岩和白云岩 其它常见的化学岩还有石膏 硬石膏 岩盐 钾盐等 其中 钾盐含有放射性核素40K 本身具有放射性 其它化学岩的放射性都是由泥质和某些微量元素贡献的 纯的碳酸盐岩放射性核素的含量很低 特别是Th U很低 3 化学岩 一是高放射性岩石 包括粘土岩 火山灰 海绿石砂岩 含铀矾矿的灰岩及钾盐等 二是中等放射性岩石 包括砂层 砂岩 含有少量泥质的碳酸盐岩等 三是低放射性岩石 包括石膏 硬石膏 岩盐 纯的石灰岩和白云岩及纯的石英砂岩等 4 沉积岩按放射性浓度分类 自然放射性随着泥质含量的增加而增加 随着有机物含量的增加而增加 如沥青质泥岩的放射性很高 随着钾盐和某些放射性矿物的增加而增加 5 沉积岩的自然放射性规律 第三节自然 射线在地层中的分布 地层岩石中的自然 射线主要是由铀系和钍系中的放射性核素以及40K产生的 其中铀系和钍系中每种核素发射的 能量和强度均不同 有些核素还能发射多种能量的 射线 射线的能量分布复杂 40K只能放射一种单一能量的 射线 其 射线能量均为1 46MeV 一 天然放射性伽马能谱 1 铀系 能谱图 铀系中最重要的伽马辐射体是214Bi 其次是214Pb 铀系中能量大于1MeV的 射线都是由214Bi发射的 214Bi一次衰变发射的 射线能量为1 574MeV 约占铀系总能量的85 6 214Pb占12 4 这两个核素发射的 射线强度占整个铀系的85 自然 能谱测井就是根据214Bi的特征 射线强度测定地层中铀的含量 2 钍系 能谱图 钍系中最重要的伽马辐射体是208Tl 铊 其次是228Ac 锕 208Tl和228Ac 射线总能量约占钍系总能量的85 214Pb占12 4 这两个核素发射的 射线强度占整个钍系的71 自然 能谱测井就是根据208Tl的特征 射线强度测定地层中钍的含量 3 40K 能谱图 自然 能谱测井就是根据40K的特征 射线强度测定地层中钾的含量 第四节岩石的散射 射线特征 2 涉及到的岩石特征参数 岩石的真密度 b 电子密度ne 电子密度指数 e 光电吸收截面 光电吸收截面指数Pe 体积光电吸收截面指数U 岩石的视密度 a 1 真密度定义 岩石的真密度是指每立方厘米体积岩石的质量 用 b表示 单位是g cm3 也称为体积密度 通常所说的密度就是指真密度 对于孔隙度为 饱含水的纯石灰岩 其真密度为 一 岩石的真密度 电子密度 电子密度指数和视密度 不同岩石的骨架密度不同 这样在井剖面中可以根据密度把不同岩性的地层区分开 孔隙性地层相当于致密地层中岩石骨架的一部分被密度小的水 原油或天然气所取代 故其密度小于致密地层 孔隙度越大 地层的密度越小 这样 密度测井资料可以求取地层的孔隙度 事实上 密度测井是孔隙度测井的主要方法之一 2 电子密度定义 单位体积岩石中的电子数叫岩石的电子密度 用表示ne 单位是电子数 cm3 若岩石由单一元素组成 则ne若岩石由单一化合物组成 则 3 电子密度指数 e 为了方便 在散射 测井中引入电子密度指数的概念 其定义为由单一元素组成的物质 其电子密度指数为 4 1 4 岩石视密度 a 用密度测井仪器测得的密度值 不是岩石的真实密度值 是一种表面的密度值 称为视密度 对淡水石灰岩地层来说 视密度等于真密度 对其他岩性地层 视密度值不等于它的真密度 1 光电吸收截面 一个原子的光电吸收截面与Z5成正比 其单位是b 原子 即 二 岩石的光电吸收参数 a 而一个电子的光电吸收截面为 b 2 岩石的光电吸收截面指数定义一个与岩石中一个电子的平均光电吸收截面成正比的量Pe为岩石的光电吸收截面指数 有 c 岩石是由多种化合物组成 一种化合物分子的光电截面吸收截面 M应是式 a 求出的化合物中每个原子光电吸收截面的总和 即此时 一个电子的光电吸收截面为 e f 那么 有Pe是岩性密度测井中所要测的重要参数 它对地层的岩性很敏感 所以通常也称之为光电吸收岩性系数或岩性系数 g 快中子热中子 非弹性散射 弹性散射 活化反应 辐射俘获 活化反应 所涉核反应 岩石特性参数 宏观散射截面 减速时间 减速长度 减速能力 宏观俘获截面 扩散时间 中子寿命 第五节岩石的中子特性 1 岩石的微观散射截面在核物理中 一个中子与一个原子核发生散射的几率称为微观散射截面 用 s表示 单位为b 2 岩石的宏观散射截面1cm3物质中原子核的微观散射截面总和称为该物质的宏观散射截面 用 s表示 一 快中子在岩石中的减速特性 若岩石由单一元素组成 且1cm3中含有N个原子核 则其宏观散射截面为对单一矿物的地层 有 第i中原子核在分子中的个数 3 岩石的宏观减速能力岩石宏观散射截面 s与平均对数能量消耗 的乘积称为宏观减速能力 或称为慢化本领 用 表示 单位是cm 1 对单一元素组成的物质 水是地层中减速能力最强的物质 其宏观减速能力 1 53cm 1 由其它轻元素组成的物质 减速能力比水小1 2个数量级 如石灰岩 其 0 13 s 0 432 0 056cm 1 由重元素组成的物质宏观减速能力更差 可以近似认为岩石的减速能力等于孔隙中水或油的减速能力 4 快中子的减速时间在岩石中 快中子从初始能量减速到能量为0 025eV的热中子所需要的时间称为快中子在岩石中的减速时间 用 f表示 m的单位是g E0和Et的单位是尔格 1MeV 1 602 10 10尔格 5 快中子的减速长度初始能量为E0的快中子减速到能量为Et的热中子所移动的直线距离称为中子的减速距离R 如下图 在核物理中 把快中子在介质中的减速长度Lf定义为 中子减速距离示意图 R Lf的表达式 岩石的宏观减速能力主要由岩石的含氢量决定的 含氢量大的岩石中子减速长度小 淡水的 7 7cm 石英和方解石的分别为37cm和35cm 热中子在岩石中扩散与气体分子的扩散相类似 是从热中子密度大的区域向密度小的区域扩散 直到被岩石的原子核俘获为止 描述这一过程的主要参数有 热中子的扩散长度 热中子寿命和宏观俘获截面 二 热中子在岩石中的扩散和俘获特性 1 热中子的扩散特征 2 岩石的宏观俘获截面 a一个原子核俘获热中子的几率称为该原子核的微观俘获截面 单位是b 用 a表示 1cm3的介质中所有原子核微观俘获截面的总和称为宏观俘获截面 用 a表示 单位是cm 1 由单一核素组成的介质 其宏观俘获截面 由多种核素组成的介质 其宏观俘获截面对由单一化合物组成的物质 宏观俘获截面为 岩石中俘获截面大的核素含量越高 其宏观俘获截面越大 氯元素俘获热中子的截面是31 6b 比沉积岩中其他常见元素的俘获截面大得多 所以含高矿化度水的岩石比含油的同类岩石宏观俘获截面大 硼和钆的俘获截面特别大 岩石中只要含有微量的硼 它的宏观俘获截面显著增大 显然 岩盐的俘获截面特别大 当岩石中泥质含量增加时 铝 铁 钛 钾 锰等俘获截面大的核素增多 岩石的宏观俘获截面增大 对于脱气原油 宏观俘获截面为22c u 与淡水基本相同 对于含有溶解气的原油 宏观俘获截面与油气比有关 溶解气越多 宏观俘获截面越小 通常 原油的为18 22c u 泥质的宏观俘获截面主要是由硼元素造成的 由于泥质成分复杂 得变化范围很大 常见的数值为35 55c u 3 热中子寿命中子在岩石中从变为热中子的瞬间起 到被吸收的时刻止 所经历的平均时间称为热中子寿命 也叫扩散时间 用 t表示在无限均匀的介质中 热中子寿命在数值上等于在该介质中热中子的平均扩散自由程与热中子平均速度的比值 平均扩散自由程是热中子从产生到被吸收为止的自由行程平均值 在原子核物理学中有 于是有 可见 当温度一定时 热中子速度v是常数 岩石中热中子寿命与其宏观俘获截面成反比 当地层含有俘获截面高的核素时 中子寿命大大减小 矿化度高的水层比淡水或油层的中子寿命小得多 这样可以区分油层和水层 这是中子寿命测井的物理基础 4 热中子的扩散长度Lt热中子扩散长度的定义为由核物理推导可知 对于点状热中子源的情况 1 定义 1cm3的岩石或矿物中氢原子核数与同样体积的淡水中的氢原子核数之比 称为该岩石或矿物的含氢指数 用H表示 前提 把淡水的含氢量规定为一个单位 显然 H与单位体积介质中氢原子核数成正比 设介质一个分子中含有x个氢原子 则单位体积介质的分子数为 三 含氢指数 则单位体积介质的氢原子个数为 根据定义 含氢指数为 由于淡水的密度为1 x 2 H 1 M 18于是 K 9 1 盐水的含氢指数 盐分使水中的氢的密度相对减小 计算其含情指数一般的公式是 2 几种特殊的含氢指数 盐水的密度 盐水的矿化度 单位ppm 10 6 2 油 气的含氢指数 油的含氢指数与水接近 天然气由于氢的浓度很低 并且随温度压力变化 其含氢指数一般较水小得多 设天然气的分子式为CHx 则含氢指数为 3 与有效孔隙度有关的含氢指数设纯灰岩孔隙度为 孔隙中饱含淡水 则含氢指数为 第六节中子通量的空间分布 意义 中子通量也叫中子密度 中子通量在空间的分布状况及随时间的变化特征 决定了中子与介质相互作用的特点 这是中子测井方法的理论基础 掌握了中子通量的分布规律 可以优化中子测井仪器的设计 有效地确定地层岩性和地质参数 中子守恒定律 在一定体积内 中子通量随时间的变化率等于它的产生率减去吸收率和泄漏率 这就是中子守恒定律 表达式为 一 中子守恒定律 产生率 泄漏率 吸收率 为中子通量随时间的变化率 当系统处于平衡状态即定态时 0 产生率 泄漏率 吸收率 0 第五章核辐射探测技术基础 本章主要介绍伽马源 中子源 伽马和中子的探测 探测器晶体的类型 核辐射探测的统计学特征 能谱 第一节辐射源 1 辐射源定义 2 伽马源 能够产生伽马射线的装置 进行 测井 活化法测井时使用的 射线源 它由人工或天然放射性同位素制成 有钴 60Co 源 铯 137Cs 源 也有使用锌 65Zn 源 汞源 203Hg 和铈 141Ce 源 一 辐射源 用作电离辐射的任何量的放射性物质 也称放射源 目前 测井即密度测井中使用的伽马源基本上都是137Cs源 伽马源的性质 伽马源的性质是由源强 能量分布 角分布等决定的 以密度测井的137Cs源为例 其源强是2Ci 单能伽马射线 0 662MeV 各向同性发射 3 中子源 1 定义 产生中子的装置称为中子源 2 中子源产生中子的方法 用高能粒子 粒子 氘核 质子P 光子等 去轰击原子核 即靶核 使原子核获得的能量大于中子的结合能 中子便从核内释放出来 靶核经常选用轻原子核 测井用的中子源选用9Be和3H作为靶材料 X Y n Q 3 中子源的性质 一个中子源的性质主要取决于中子源的强度 中子能量分布 辐射强度 半衰期 中子源的强度即中子发射率 即源每秒发射的中子数目 n s 对同位素中子源 通常用源发射带电粒子发射性物质的活度表示为源强 单位是Bq或Ci 中子源强度不等同于中子产额每个轰击粒子在靶上产生的中子数称为中子源产额 中子源产额取决于轰击粒子的能量 靶的性质和靶的厚度 对加速器中子源 通常把单位强度束流 A 在靶上产生的中子数称为产额 n A 而对同位素中子源 习惯上把每居里放射性物质所产生的中子强度称为产额 106n s Ci 中子源的能量分布 即中子能谱及其单色性 中子的能量分布不同 它与物质相互作用的方式就不同 因而中子源发射中子的能量范围就决定了这些中子在地层中所能引起核反应类型 从而也就确定了这种测井方法的潜力 常见中子源的能量分布 同位素中子源的中子能量分布是连续的 能量主要分布在2 6MeV之间 而加速器中子源发射的中子能量具有很好的单色性 中子能量为14MeV 辐射强度即中子源在发射中子的同时伴生的 射线强度 加速器中子源不存在这一问题 同位素中子存在伴生 射线 当然是 射线强度越低越好 中子源的半衰期主要针对同位中子源而言 是指发射轰击粒子的放射性同位素的半衰期 设源出厂时的强度为Q0 经过时间t后强度将减小到 4 中子源的分类 中子源大致可以分为四类 同位素中子源 自发裂变中子源 加速器中子源和反应堆中子源 在测井中 用得最多的是同位素中子源和加速器中子源 同位素中子源 利用放射性核素 同位素 衰变时发射的具有较高能量的粒子去轰击某些靶物质 产生中子 这种装置的源称之为同位素中子源或放射性中子源 在测井中 最常用的两种同位素中子源是镅 铍源和钚 铍源 钚 铍中子源 国内2019研制成功 是利用238Pu作为作为 辐射体238Pu 234U 产生两种能量 粒子 分别为5 445MeV和5 499MeV 用9Be作为靶核 反应为9Be 12C n Q1 20 9Be 12mC n Q2 80 12mC 12C 镅铍中子源用241Am作为 辐射体241Am 237Np 同样产生两种能量的 粒子 5 486MeV和5 443MeV铍作为靶核 反应同前面一样 镅铍源具有伴生 射线强度低 半衰期长等优点 最适合在测井中应用 但价格昂贵 且241Am是紧缺材料 所以有时用钚铍源代替 同位素中子源的特点出射中子能谱在较宽能量范围内是连续分布的 最可能的能量范围在2 6MeV间 中子产额 107数量级 辐射强度相对较高 制备简单 成本低 体积小 使用方便 用加速到一定能量的带电粒子轰击某些靶物质 引起发射中子的核反应 这就是加速器中子源 测井中的加速器中子源也称中子发生器或中子管 也是一个微型粒子加速器系统 中子发生器包括三个部分 氚靶或氘靶 氘离子源 加速系统 特点 强度高 可以在广阔能量范围内获得单色中子 测井为14MeV 能产生脉冲中子束流 中子发射是可控的 加速器不运行时不发射中子 环保性好 中子源体积小 重量轻 便于操作 加速器中子源 第二节 射线的探测 射线与物质相互作用过程中 发生光电效应 康普顿效应和电子对效应 这三种效应均产生次级电子 这些电子能引起组成探测器灵敏元件中物质原子的电离和激发 绝大多数仪器都是利用这两种物理现象来探测 射线的 一 射线探测的基本原理 1 电离作用 带电粒子 次级电子 与组成物质原子的束缚电子发生非弹性碰撞 运动的带电粒子与束缚电子之间产生静电作用 使束缚电子产生加速运动 因而获得足够的能量挣脱原子核的束缚 变成自由电子 这样就产生了由自由电子和正离子组成的离子对 利用这种现象的探测器主要有电离室 正比计数器 盖革 弥勒计数管 早期测井探测 射线几乎都采用 但由于计数效率低且不能记录能谱 现已不用 2 激发 如果束缚电子所获得的能量还不足以使它变成自由电子 而只是激发到更高的能级 则称之为激发 受激的原子在退激时能释放出光子 发生闪光 称之为荧光 收集荧光的探测器是闪烁探测器 闪烁计数器 是目前测井应用最广泛的探测器 1 闪烁探测器的组成闪烁探测器主要由闪烁体 光电倍增管和电子仪器三部分组成 通常将闪烁体 光电倍增管和前置放大器都装在一个暗盒中 统称为探头 二 闪烁探测器scintillationdetector 2 闪烁探测器探测 射线原理 射线进入探测器闪烁体中 通过光电效应 康普顿效应和电子对效应产生次级电子 闪烁体吸收这些电子的能量 使原子 分子电离和激发 被电离和激发的原子 分子在退激时产生光子即发生闪烁 利用反射物质和光耦合剂使光子尽可能被收集到光电倍增管的光阴极上 并经光