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关于自然伽马测量
 
野外(岩石、油田)自然伽马能谱测量
一 前言
野外γ能谱测量是在γ测量基础上发展起来的技术,可以在野外分别测量矿石(地层)中钾、铀、钍三种放射性元素的含量,为地质找矿、勘探工作直接提供必要的可靠信息。因其高效的科学性、准确性,近年来在地质勘探、军事等领域都得到了广泛的应用。
野外γ能谱测量分地下、地面、航空、汽车等4个类型,本文仅就地面、地下测量的一般问题加以讨论。目的是了解、掌握地层自然伽马能谱测量的物理基础及地层自然伽马能谱测量原理及学习、了解岩石自然伽马能谱的分析方法以及测定岩石放射性核素和含量;
 
二 野外自然伽马能谱(测井)测量的物理基础
   野外环境中的自然伽马主要来自宇宙射线。野外地层中的自然伽马射线主要来自岩石中所含的铀、钍、钾三种放射性元素的同位素及其衰变产物(如下面框图中铀系、钍系衰变历程;图2-1)。
 
图2-1  铀系、钍系衰变历程框图
其中40K(只能放射出单能的1.46MeV的伽马射线),比较容易鉴别;而铀系和钍系伽马射线能量有几十种以至数百种,难以一一鉴别。但由于铀系和钍系经过长期的衰变,达到了放射性平衡状态,系内各核素间的原子核数比例关系是相对确定的,不同能量的伽马射线强度就有了固定的比例关系。所以,我们可以在铀系、钍系中分别选出某种特征核素的特征能量来识别铀和钍。因为214Bi和208Te的能量比较容易鉴别,故能谱测井中都用“三能窗法”即:选用214Bi发出的1.76MeV的伽马射线来识别铀;选钍系中208Te所发出的2.26MeV的伽马射线来识别钍;用40K的1.46MeV的单能伽马射线来识别钾。再通过刻度将地层中钾、铀、钍的含量与这三种能量计数率的关系建立起来,就可以通过测量这三种能量的计数率达到求出地层钾、铀、钍的含量这一目的。
•       地层中放射性元素的含量的多少,是由含有放射性元素的母岩,经过长期的地质作用,  不断分离和重新分布而形成的。它与岩石的类型、沉积环境、搬运过程、成岩后生作用、风  化程度等等因素有关,这样,我们就可以通过测量出岩石中各种放射性元素的相对含量,并  推出上述各因素,从而应用于油田的勘探开发。
•       测井属于应用地球物理方法(包括重、磁、电、震、测井)之一,是利用岩层的电化学特性、导电特性、声学特性、放射性等地球物理特性测量地球物理参数的方法。其方式众多,电、声、放射性是三种基本方法。特殊方法有电缆地层测试、地层倾角测井、成像测井、核磁共振测井),其他形式如随钻测井。各种测井方法基本上是间接地、有条件地反映岩层地质特性的某一侧面地质面貌。
•       放射性测井是根据岩石及其孔隙流体的某种核物理性质探测井剖面的一类测井方法。优点是:裸眼井、套管井都能正常测井,不受钻井液的限制。方法有十余种:包括自然伽马测井、自然伽马能谱测井、密度测井、岩性密度测井、中子测井(中子伽马测井、补偿中子测井、中子寿命测井、C/O能谱测井、放射性同位素测井)。测量原理是:岩层中的天然放射性核素®衰变®伽马射线,而岩性不同,则放射性核素的种类和数量也不同,自然伽马射线的能量和强度也就不同。
•       自然伽马测井是测量井剖面自然伽马射线的强度和能谱的测井方法,通过获取自然伽马测井曲线(GR)、自然伽马能谱测井曲线[铀U、钍Th、钾K的含量(去铀自然伽马 CGR、总自然伽马GR)]的实施。或者说:自然伽马能谱测井,就是通过测量不同能量的自然伽马射线计数率,通过计数率大小来  求取各放射性核素的相对含量,进而对岩石的物性做定性和定量的分析。
 
三 岩层(样品)的自然伽马能谱测量
1.测量原理(如下仪器原理框图3-1)
图3-1  测量仪器连接框图        
岩层样品中不同能量的伽马射线,经过探测器,使能谱探头(NaI晶体)发射出不同能量的光 电子,不同能量的光电子经前置放大器放大形成不同幅度的电脉冲。这样,不同幅度的电脉冲经过线性放大器线性放大后,进入多道脉冲幅度分析器的不同道域中产生计数。这样,不同能量的电脉冲就和多道脉冲幅度分析器的不同道域形成了一种对应关系,通过仪器的能量刻度就可以建立能量和道址的关系——能量刻度曲线。
2.降低本底、提高测量精度
由于岩样的放射性强度很低,因此,我们的测量属于低水平的放射性测量,这时探测器;  的优质因子可表示为:
Q=ε2/ηb  式中:ε——探头的探测效率;ηb——本底计数率。
 对于固定的探头,探测效率ε是固定不变的,而ηb过高就会减小优质因子,增大测量误差。同时,也会在测量过程中对确定峰位置等带来影响。因此,为了增大优质因子,提高测量精度,就必须采取措施,降低本底。
    从来源上,本底可以分为两大类:一类是电离辐射与探测介质作用引起的;二类是电子仪器的噪声、电磁波干扰等引起的。电离辐射造成的本底又可分为:宇宙射线、周围环境的幅射、屏蔽材料及探测元件中的放射性。在这众多的因素中,宇宙射线和周围环境的辐射占有很大的比重,是被屏蔽的主要对象。因此,可自制一个低本底铅室,用于屏蔽来自于宇宙空间的本底射线影响。
      对于探测元件本身在本底计数率上的贡献,可选用高度去钾并提纯的碘化钠晶体探头,钾含量只在2~4ppm,它的贡献是可以忽略不计的。
 
γ能谱测量系统
   γ能谱测量系统,由铅室、探头、主放大器、多道脉冲幅度分析器、高压电源、低压电源、打印机等组成。整个测量系统,见下面测量原理框图(4-1)
图4-1    γ能谱测量系统原理方框图
1.探头(γ能谱探头):
该测量系统采用的探测器由Φ75×75的低钾NaI(TI)晶体、光电倍增管、射级跟随器等组成。整个探头部分以及被测样品均置于铅室内加以屏蔽。 NaI(TI)探测器将接收的各种不同能量的Y射线,按正比关系转换成与之对应的、不同幅度的电压脉冲信号,这些信号经线性放大器放大以后,输入到多道脉冲幅度分析器。
2.多道脉冲幅度分析器;
实际上是一台专用计算机,它将每一个输入脉冲信号,都按其幅度进行分类,并且分别记录在相应的存贮器内。这样,每输入一个电压脉冲,就在该脉冲幅度相对应的道址(存贮器)中增加一个计数,经过一定时间后,不同道址中逐步积累起不同的计数。
因为不同的道址,对应不同的脉冲幅度值,而脉冲幅度又正比于γ射线能量。所以,在存器中建立了与能量相对应的能谱。这个能谱可以在示波屏上显示出来,也可以通过终端打印机或绘图仪将其谱形绘制出来。
3.测理系统的调整
在γ能谱测量过程中,我们希望核素的γ射线能量与谱仪的道址成线性关系。另外,为了减少放射性测量的统计误差和提高测量精度,应该尽可能地提高测量样品的计数率,因此合理的选择测量系统的工作参量并将谱仪调试到最佳工作状态将是十分必要的。
(1)外加高压的选择(调节)
实验表明,在一定光通量下的照射下,光电倍增管的阳极输出电流IA随外加高压的增加而逐渐趋于饱和。只要选当的高压,可以使光电倍增管工作在线性区域。
调节高压可以使光电倍增管处于正常的工作状态,它可以通过改变高压稳压电源的输出,观察谱仪的输出波形来完成。一般光电倍增管的正常电压介于600~900伏之间,在这个区域内,高压对能量分辨率没有影响,图4-2是阳极电流与外加高压的关系。
图4-2  阳极电流与外加高压的关系
外加高压除与谱仪的能量线性有关以外,还同谱仪计数率和能量分辨率有关。尽可能的提高谱仪的计数率和能量分辨率,对测量岩石样品来说是十分重要的。图4-3是高压与计数的关系;图4-4是高压与谱仪的能量分辨率的关系。
图4-3  外加电压与计数率的关系   图4-4  外加电压与能量分辨率关系
(2)放大倍数的选择
   NaI(TI)探测器输出的电脉冲信号,一般是比较弱的(只有nmv),在输入到多道分析器之前,必须经过线性放大器将其放大。实验表明,对于某一确定能量的γ射线,改变线性放大器的放大倍数,在谱仪相应的道址上的计数率也要发生变化,不同的放大倍数可以使电压脉冲增大到不同幅度。因此,调节放大倍数可以将峰位固定在不同的道址区。峰道址和半宽度与线性放大器的放大倍数成正比(其它条件不变化时),放大倍数不影响能量分辨率。
图4-5  放大倍数与计数率的关系                图4-6   能量刻度线
    在测量岩样自然γ能谱时,为使岩样中各核素的全能峰都落在谱仪的合适道址范围内,并对应尽可能高的计数率,应恰当地选择线性放大器的放大倍数。
(3)微积分时间常数的调节
   微积分时间常数能够影响脉冲波形的形状。这样,通过调节线性放大器的微积分时间常数,可以获得较好的能量分辨率和能量线性。微积分常数过大,能量分辨率变坏,这同由于T过大,使微积分过程变得缓慢,放大后脉冲比较平缓,致使谱仪甄别过程紊乱的几率增大造成的结果。微积分时间常数不一样或过小,也会减小信噪比,因此微积分时间常数要选得适宜。
(4)测量时间的选择
   放射性样品计数率的相对标准误差为:
                  (1)
式中:ηC——岩样在单位时间内的总计数,
      ηb——石英砂岩本底在单位时间内的计数,
      tC——测量岩样总放射性的时间,
      tb——测量本底的时间,
      δ——放射性测量的相对标准误差。   
    另外,当被测样品计数率的误差为最小时,样品总计数率(包括本底)和本底计数与测量时间的关系有:
                                   (2)
    为了能在给定的测量误差范围内尽量选取最短的测量时间,可大致测出样品的总计数率和本底计数率,然后根据误差要求由式(1)和式(2)求出测量样品和本底的最小测量时间Tmin,可上下式表式:
                       (3)
(5)能量刻度
   谱仪在进行能谱测量过程中,各种不同能量的γ射线分别对于相应的道址上。为了根据能谱的峰位(道址)确定射线的能量,或者反过来根据射线能量确定峰位,都必须对谱仪进行能量刻度。
    能量刻度就是在谱仪所确定的测量条件下,由一组已知能量的标准源,作出能量刻度曲线,如图4-6示。
    由于外加高压的波动以及环境温度的影响,在测谱过程中峰位往往要产生漂移。因此,应经常对谱仪进行刻度,以保证一定幅度的脉冲稳定在相应的道址上。
 
五 岩样自然γ能谱的分析方法
   岩石样品中K、 U、Th含量与这些核素的放射性强度有直接关系,可通过标准比较法来测定它们的含量。
1.重点区的设定
   我们分别用40K、214Bi、208Te所发生的特征能量来识别K、U、Th。但是,由于放射性测量具有统计性,探头的能量分辨率具有一定的差异,对应同一能量的脉冲计数点高斯分布。因此,对应一个特征能量,在道址上应该选一个区间,即重点区,使这个区内记录的主要是特征能量造成的计数,这个区间太小,特征能量造成的计数不能全被记录,且峰位的微小变化都可能造成较大误差,太大又会使非特征能量的计数增多。因此,重点区要选得适中。
2.岩样和标准源的制备
   用比较法测定核素的放射性强度和含量,应保证被测样品与标准源具有相同的测量条件并使被测样品与标准源在形状、尽寸以及密度等方面尽可能:达到一致。
    一般将标准源和岩样分别制成重300克,粒度为120~200目,烘干后将其分别装在特制的样品盒内,礅实,然后将样品盒缝隙处密封。
3.特征峰的选定
   放射系中的各核素在达到放射性平衡以后,其原子数目的比例关系是确定的。因此,不同能量的γ射线的相对强度也是确定的。在岩样的自然γ能谱中,可以根据不同的γ射线特征峰来识别铀、钍、钾,并根据它们的放射性强度来确定它们的含量。
4.核素含量的计算
   铀、钍、钾在岩石样品中的含量与它们的放射性强度成线性关系,我们可以将岩样中各核素的放射性贡献分别与相同成分且含量已知的标准相比较,根据标准源的放射性贡献及其核素含量,求出被测样品的核素含量。
岩石中的铀和钍的特征γ射线能量不是单一的。为测定它们的放射性贡献,可在自然γ能谱中选取几个典型能谱段。典型能谱段的选取原则是:使其一核素的特征峰包括在此能谱段中,同时又使其它核素的γ射线对比能谱段的影响为最小。可由下面方程组求得各核素的
含量值. Ni=∑3j=1 aij. xi     i=1,2,3,
式中:  Ni —样品在第i个能谱段的积分计数率。
          aij—响应系数,分别表示钾、铀和钍对各能谱级的影响,其中j=1,2,3分别表钾、铀、钍核素;i=l,2,3分别表示钾、铀、钍的典型能谱段。
        xi —表示核素的含量。式中的响应系数aij可由标准源在选取的典型能谱段上测定。
 
 
 
参考资料
1《野外γ能谱测量》.北京第三研究所编.原子能出版社;1977年北京第一版。
2《矿场地球物理》.丁次乾编著.石油大学出版社;1992年版。