【正文】 β射線： ?是高速運(yùn)動(dòng)的電子流 。 發(fā)生 γ衰變后 ， 原子核的原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)均不變 。 但不等于 A200都能發(fā)生 α衰變 。 ?原子核衰變的指數(shù)規(guī)律是原子核本身固有的性質(zhì) ，只和它的內(nèi)部狀態(tài)有關(guān) 。 ?衰變常數(shù) λ量綱 ： [T]1，通常用秒 1或分 1。 ?定義： 就是指一種放射性原子核平均能夠生存的時(shí)間 ， 通常用 τ表示 。 即放射源的放射性活度與其質(zhì)量比 ， 也稱比活度 ， 用 a表示 。 一般用 1024cm2作為 σ的單位 ， 稱為靶恩 （ b） 。當(dāng)入射光子的能量很高時(shí)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，電子的束縛程度就很低，所以截面就很小。 三、康普頓效應(yīng) (pton effect) ?康普頓效應(yīng)不僅在束縛電子上可以發(fā)生 ， 而且在自由電子上也可以發(fā)生 。 ? 2） 發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)的條件： 一是除了 γ光子和電子外 ， 還必須由原子核參與；二是 γ光子必須具有足夠大的能量 （ 大于 ） 。 設(shè)吸收物質(zhì)單位體積內(nèi)的原子數(shù)為 N， 密度為 ρ， 吸收截面為 σr。不同能量的中子與物質(zhì)作用的特性不同 。 中子的分類 ?輕核： A30的原子核 。 ?量綱： 靶恩 （ b） ， 1b=1024cm2=1028m2 ? 1） 非彈性散射過(guò)程： 快中子先被靶核吸收形成復(fù)核 ， 而后放出一個(gè)能量較低的中子 ， 靶核處于激發(fā)態(tài) ， 即處于較高的能級(jí) 。 ?但如第一激發(fā)能級(jí)太低 ， 發(fā)射的 γ射線能量太低 ，在復(fù)雜的能譜背景中將難以識(shí)別 。 由這些核反應(yīng)產(chǎn)生的原子核稱為活化核 ，活化核有些是不穩(wěn)定的 ， 以一定的半衰期衰變 ，并發(fā)射 β或 γ粒子 。 反應(yīng)式為： ?主要發(fā)生在中子發(fā)射后的 106~105s時(shí)間間隔內(nèi) 。氫的碰撞次數(shù)最少，即慢化能力或減速能力最強(qiáng)。 這一反應(yīng)稱為輻射俘獲核反應(yīng) ， 也稱 （ n，γ） 反應(yīng) 。 3 核輻射測(cè)井的巖石核物理基礎(chǔ) 第一節(jié) 核輻射測(cè)井的地質(zhì)基礎(chǔ) ?目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)地層中的元素有 100多種 ， 幾乎 所有的化學(xué)元素 都能在地層中找到 。 ?巖漿巖礦物種類繁多 ， 主要有以下礦物：石英（ 12%） 、 長(zhǎng)石 （ 59%） 、 角閃石及輝石 （ 17%） 、云母 （ 4%） 、 橄欖石 、 霞石 、 石榴石 、 磁鐵礦 、磷灰石 （ 共 8% ） 等 。 ?對(duì)于復(fù)雜的礦物 ， 則可以選取 2~3種元素作為指示元素 ， 如鉀長(zhǎng)石就是選取 Si、 Al和 K作為指示元素 。 ?巖石的自然放射性主要是由 238U和 232Th開(kāi)頭的兩個(gè)放射系和放射性核素 40K決定的 。 ?長(zhǎng)石和云母 含有地層中大部分的鉀 ， 其中 40K是放射性核素 。 但對(duì)放射性物質(zhì)的 吸收能力強(qiáng) ，能吸附較多的氧化鈾 ， 因此 ， 對(duì)粘土巖的放射性貢獻(xiàn)最大 。 ?碎屑巖 由碎屑物和膠結(jié)物組成的 ， 碎屑物是巖石的主要組成部分 ， 分為礫巖 、 砂巖 、 細(xì)砂巖 、 粉砂巖等 。 5） 沉積巖的自然放射性規(guī)律： 第三節(jié) 自然 γ 射線在地層中的分布 ?地層巖石中的自然 γ射線主要是由 鈾系 和 釷系 中的放射性核素以及 40K產(chǎn)生的。 ? 2）釷系 γ能譜圖 0 500 1000 1500 2022 250001020304050強(qiáng)度/%γ 射線能量 / Ke V 208Tl?釷系中最重要的伽馬輻射體是 208Tl（鉈） ，其次是 228Ac（錒） 。 ?孔隙性地層相當(dāng)于致密地層中巖石骨架的一部分被密度小的水 、 原油或天然氣所取代 ， 故其密度小于致密地層 。 ? 巖石的宏觀散射截面 ? 1cm3物質(zhì)中原子核的微觀散射截面總和稱為該物質(zhì)的 宏觀散射截面 ， 用 Σs表示 。在核物理中 ， 把快中子在介質(zhì)中的減速長(zhǎng)度 Lf 定義為 62RL f ?中子減速距離示意圖 R ? Lf的表達(dá)式： ?巖石的宏觀減速能力主要由巖石的含氫量決定的 ，含氫量大的巖石中子減速長(zhǎng)度小 。 ?硼和釓 的俘獲截面特別大 ， 巖石中只要含有微量的硼 ， 它的宏觀俘獲截面顯著增大 。 ? 熱中子壽命 ?中子在巖石中從變?yōu)闊嶂凶拥乃查g起 ， 到被吸收的時(shí)刻止 ， 所經(jīng)歷的平均時(shí)間稱為熱中子壽命 ， 也叫擴(kuò)散時(shí)間 ， 用 τt表示 ?在無(wú)限均勻的介質(zhì)中 ， 熱中子壽命在數(shù)值上等于在該介質(zhì)中熱中子的平均擴(kuò)散自由程與熱中子平均速度的比值 。 ?天然氣由于氫的濃度很低，并且隨溫度壓力變化，其含氫指數(shù)一般較水小得多。 進(jìn)行 γγ測(cè)井 、 γ活化法測(cè)井時(shí)使用的 γ射線源 。 ? 2）中子源產(chǎn)生中子的方法： ?用高能粒子（ α粒子、氘核、質(zhì)子 P、 γ光子等） 去轟擊原子核（即靶核）， 使原子核獲得的能量大于中子 的 結(jié)合能 ， 中子 便 從核內(nèi)釋放出來(lái)。 ?中子源的能量分布 ： ?即中子能譜及其單色性 。是指發(fā)射轟擊粒子的放射性同位素的半衰期。最可能的能量范圍在 2~6MeV間； ?中子產(chǎn)額： ~107數(shù)量級(jí)； γ輻射強(qiáng)度相對(duì)較高； ?制備簡(jiǎn)單，成本低、體積小、使用方便。 一、 γ射線探測(cè)的基本原理 ? 電離作用： ?帶 電粒子 （次級(jí)電子）與組成物質(zhì)原子的 束縛電子 發(fā)生 非彈性碰撞 ，運(yùn)動(dòng)的帶電粒子與束縛電子之間產(chǎn)生 靜電作用 ，使束縛電子產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，因而獲得足夠的能量掙脫原子核的束縛，變成 自由電子 ，這樣就產(chǎn)生了由自由電子和正離子組成的離子對(duì)。 光電陰極 聚焦極 倍增極 陽(yáng)極 工作原理如下： 光照射在光電倍增管上，光電陰極在入射光的激發(fā)下逸出光電子，該光電子在電場(chǎng)被加速后打到第一倍增極 D1上，然后又在高速初級(jí)電子的激發(fā)下， D1產(chǎn)生二次電子發(fā)射，這些電子又被電場(chǎng)加速并入射到 D2上，激發(fā)出更多的二次電子，最后經(jīng)倍增的光電子被陽(yáng)極 a收集而輸出光電流。 閃爍體的特性參數(shù) ? 4） 探測(cè)效率： 指一個(gè)光子進(jìn)入閃爍體引起閃光的幾率 。 把探測(cè)器的工作點(diǎn)選在坪的中點(diǎn)可保證探測(cè)器的工作穩(wěn)定 。 如 NaI為 %，CSI和 BGO分別為 %和 %。 發(fā)光效率越高 ， 輸出脈沖幅度越大 ， 統(tǒng)計(jì)漲落越小 ， 能量分辨率有所改善 。 ?收集熒光的探測(cè)器是 閃爍探測(cè)器 /閃爍計(jì)數(shù)器 ，是目前測(cè)井應(yīng)用最廣泛的探測(cè)器。 ?特點(diǎn)： 強(qiáng)度高；可以在廣闊能量范圍內(nèi)獲得單色中子 （ 測(cè)井為 14MeV） ；能產(chǎn)生脈沖中子束流；中子發(fā)射是可控的 ， 加速器不運(yùn)行時(shí)不發(fā)射中子 ，環(huán)保性好；中子源體積小 ， 重量輕 ， 便于操作 。在測(cè)井中，最常用的兩種同位素中子源是 镅 鈹源 和 钚 鈹源 钚 鈹中子源（ 國(guó)內(nèi) 2022研制成功 ） ?是利用 238Pu作為作為 α輻射體 238Pu→ 234U+α+γ ?產(chǎn)生兩種能量 α粒子，分別為 . ?用 9Be作為靶核，反應(yīng)為 9Be+α → 12C+n+Q1(20%) 9Be+α → 12mC+n+Q2(80%) 12mC → 12C+γ ?镅鈹中子源 ?用 241Am作為 α輻射體 ? 241Am→ 237Np+α+γ ?同樣產(chǎn)生兩種能量的 α粒子 ， ?鈹作為靶核 ， 反應(yīng)同前面一樣 。 ?γ輻射強(qiáng)度 ?即中子源在發(fā)射中子的同時(shí)伴生的 γ射線強(qiáng)度 。對(duì)同位素中子源，通常用源發(fā)射帶電粒子發(fā)射性物質(zhì)的活度表示為源強(qiáng)。 ?目前 γγ測(cè)井即密度測(cè)井中使用的伽馬源基本上都是 137Cs源 。 ?中子守恒定律： 在一定體積內(nèi) ， 中子通量隨時(shí)間的變化率等于它的產(chǎn)生率減去吸收率和泄漏率 ， 這就是中子守恒定律 。 熱中子的擴(kuò)散長(zhǎng)度 Lt ?熱中子擴(kuò)散長(zhǎng)度的定義為 ? 由核物理推導(dǎo)可知，對(duì)于點(diǎn)狀熱中子源的情況 62ttrL ?satL ??? 31? 定義： 1cm3的巖石或礦物中氫原子核數(shù)與同樣體積的淡水中的氫原子核數(shù)之比 ， 稱為該巖石或礦物的含氫指數(shù) ， 用 H表示 。 對(duì)于含有溶解氣的原油 ， 宏觀俘獲截面與油氣比有關(guān) ， 溶解氣越多 ， 宏觀俘獲截面越小 。 二、熱中子在巖石中的擴(kuò)散和俘獲特性 熱中子的擴(kuò)散特征 ? 巖石的宏觀俘獲截面 Σ a ?一個(gè)原子核俘獲熱中子的幾率稱為該原子核的微觀俘獲截面 ， 單位是 b， 用 σ a表示 。如石灰?guī)r ,其 ζ=， Σs=， β= 。 ?若巖石由單一元素組成，則 ne ?若巖石由單一化合物組成，則 AZNn bAe???? ?? iiiibAe ZnNM ZnNn ?? 電子密度指數(shù) ρ e： 為了方便，在散射 γ測(cè)井中引入電子密度指數(shù)的概念，其定義為 ?由單一元素組成的物質(zhì)，其電子密度指數(shù)為 Aee Nn2??be AZ ?? ??????? 2（ 41） 元素 A Z 2Z/A H 1 1 2 C 12 6 O 16 8 Na 22 11 Mg 24 12 Al 26 13 Si 28 14 S 32 16 Cl 35 17 K 39 19 Ca 40 20 be AZ?? ??????? 2be ?? ?? 巖石視密度 ρ a： 用密度測(cè)井儀器測(cè)得的密度值 ， 不是巖石的真實(shí)密度值 ， 是一種表面的密度值 ， 稱為視密度 。 ? 3） 40K γ能譜圖 0 500 1000 1500 2022 2500024681012強(qiáng)度/%γ 射線能量 / Ke V 40K?自然 γ能譜測(cè)井就是根據(jù) 40K的特征 γ射線強(qiáng)度測(cè)定地層中鉀的含量。 ?鈾系中能量大于 1MeV的 γ射線都是由 214Bi發(fā)射的。 其中 ， 鉀鹽含有放射性核素 40K， 本身具有放射性； 其它化學(xué)巖的放射性都是由 泥質(zhì)和某些微量元素貢獻(xiàn)的 。 ?綠泥石： 化學(xué)式為 FeAl[Si3AlO10][OH]8 ?高嶺石： 化學(xué)式 Al4[Si4O10][OH]8， 常出現(xiàn)在陸相沉積中 ， 本身不含放射性元素 。 測(cè)得地層中γ光子的能量往往可以確定地層中存在某種核素 。 ?在自然界中原子量 A209的核素多數(shù)是穩(wěn)定的 ，只有少數(shù)是放射性的 ， 如 40K；而 A209的核素全部都是 放射性 的 。 粘土巖在沉積巖中分布最廣 ， 約占沉積巖總量的60%~70%左右 。 ?核輻射測(cè)井所關(guān)心的 不是 地層中 所有 的元素 ， 而是含量在前 10種元素 。 反應(yīng)產(chǎn)生的新核往往是放射性的 ， 新核以一定的半衰期衰變 ， 并伴隨發(fā)射出一定能量的 γ射線 。 處于這種能量狀態(tài)的中子稱為熱中子 。 核素 A質(zhì)量數(shù) ΔEmax/E1 1H 1 1 12C 12 16O 16 238U 238 ?在核物理中常用每次碰撞的平均對(duì)數(shù)能量消耗 ζ來(lái)表示物質(zhì)對(duì)中子的減速能力 。 ?利用這一反應(yīng)的測(cè)井方法叫硅測(cè)井，是識(shí)別巖性的一種測(cè)井方法 。 ?重核 比較容易激發(fā)非彈性散射 ， 發(fā)射的 γ射線能量也較低 。 四、中子與物質(zhì)的相互作用 非彈性散射 ? 2） 非彈性散射的反應(yīng)式： nXnX m ???? A ZAZ??? XXm AZA Z? 3）發(fā)生非彈性散射中子的最低能量： 原子核的能級(jí)是非連續(xù)的，只有當(dāng)入射中子的能量至少大于靶核的第一激發(fā)能時(shí)，才有可能發(fā)生非彈性散射。 三、核反應(yīng)截面 ?求?。?假設(shè)靶的厚度為 x，單位體積內(nèi)的靶核數(shù)為Nv，那么這塊靶的靶核數(shù) Ns =Nv〃 x。 ?快中子： 能量在 ~10MeV之間。 ① 中子的電荷： 可能帶有很小的難以探測(cè)到的電荷，可以把它看成是中性粒子。 6）電子對(duì)效應(yīng)的截面： 所以，電子對(duì)效應(yīng)的 截面與 Z2成正比，隨 ?射線能量增大而增 大。散射截面與 Z的一次方成正比，而隨 E?增加而減少。 這就是巖性密度測(cè)井利用光電效應(yīng)判斷地層巖性的依據(jù) 。 ?光電效應(yīng)只有在 束縛電子 上發(fā)生 ， 電子在原子中被束縛得 越緊 ， 就 越容易 發(fā)生光電效應(yīng) ？所以 ， K殼層上打出光電子的幾率最大 ， L殼層次之 ， M、 N殼層更次之 。 mAa ?mNmAa ???ANMmN ?ANMa??a= 105(Ci g1) ?例 2：實(shí)驗(yàn)室測(cè)得純 235U樣品的比放射性活度為，試求 235U半衰期。 ?放射性活度的單位： ① 由于歷史原因 ， 習(xí)慣上采用居里 （ Ci） 作為放射性活度單位 。 ?表示符號(hào)： T1/2 ?意義： 表示原子核衰變