自然伽马测井.ppt

1935年，Atlas公司的前身Well Surveys Inc. 用电流型电离室首次实现了对井下岩石天然放射性的测量，自然伽马测井就此问世。自然伽马测井是核测井中第一个提供服务并到今天仍在广泛应用的测井方法，测量的是自然伽马射线的总强度。自然伽马能谱测井不仅能测量总强度，而且还能分析伽马能谱。 一、伽马射线与物质的相互作用 1、光电效应： γ光子与靶物质原子发生电磁相互作用，结果是吸收一个γ光子，并将γ光子的能量全部转移给某个束缚电子，该束缚电子摆脱原子对它的束缚之后发射出来，这个过程称为光电效应。 发生光电效应后光子消失。 2、康普顿效应： γ光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，同时光子发生散射，散射光子的能量和运动方向发生变化，即康普顿效应。 3、电子对效应：当γ光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，γ光子转换为一个正电子和一个负电子 ，这种过程称为电子对效应，是高能γ射线与物质作用的一种主要方式。 4、伽马射线的吸收 伽马射线穿过吸收物质后满足指数衰减规律： 其中μ为线性衰减系数，也称线性吸收系数，单位为cm-1，即单位体积物质与光子相互作用的总截面，或者说单位路程上光子与物质发生三种作用的总几率。 5、伽马射线的探测 伽马射线与物质相互作用，主要通过光电效应、康普顿效应和电子对效应产生次级电子，这些电子使组成探测器灵敏元件的原子电离或激发，测到的伽马能谱实际上是次生电子的能谱。 目前常用的闪烁体探测器主要有碘化钠[NaI(Tl)]、BGO、GSO和LSO等。 (1)探测效率:探测效率是指一个光子进入闪烁体而引起闪光的几率，在光子能量一定时，与闪烁体的几何形状、大小、组成物质的密度及平均原子数有关。 NaI（Tl）晶体密度较大（ρ=3.67g/cm3），对光子的探测效率高；而BGO的密度为7.13g/cm3，平均原子序数也大，探测效率更高 。 (2)能量分辨率：通常用137Cs的0.662MeV全能峰的分辨率η来表征，即 其中E为γ射线的能量，为 全能峰半高宽FWHM， NaI（Tl）分辨率最佳可达到6.5%，而BGO最佳为9.3%。 (3)能量刻度 为了根据伽马射线的能量确定所测谱的道址，或者根据所测峰位确定伽马射线的能量都需要预先对伽马射线谱仪进行能量刻度。能量刻度就是在谱仪所确定的条件下，利用一组已知能量的伽马源，测出对应能量全能峰峰位，然后做出能量和峰位的关系曲线。 典型的能量刻度曲线近似为一直线，可用线性方程表示为： 式中，xp—峰位； E0—对应零道所代表的能量；G—每道对应的能量间隔，又称为增益。 (4)伽马射线响应能谱 A峰为光电全能峰，是由光电效应及多次效应形成，因此光电效应形成的脉冲幅度直接反映了入射粒子的能量，对应的峰称为光电峰。 B为康普顿平台，是光子发生康普顿散射产生的电子的连续谱，由康普顿散射公式可知，散射电子的最大能量为0.4779MeV，因此康普顿散射产生的脉冲幅度对应的能量范围为0~0.4779MeV。 C为反散射峰，有一部分未被吸收而穿过闪烁体，又被闪烁体后而物质散射回来，发生光电效应，根据前面的计算知反散射γ光子的能量为0.184MeV。 D为x射线峰，是由137Ba K层特征x射线通过光电效应产生的，Ex=32keV。 由于能量为0.661MeV，所以不会发生电子对效应。 6、放射性测量的统计性 放射性物质含有许多不稳定的原子核，每个原子核只有衰变时才放出射线，且衰变过程是完全独立的，与其他核衰变无关 ，属于随机过程。 在放射性测量中既使源的放射性活度、位置、源与探测器之间的距离、探测器的工作电压、增益、测量时间等实验条件是稳定的，但对同一对象进行多次测量，每次测量得到的计数并不完全相同，而是围绕某一平均值上下涨落，这种现象称为放射性计数的统计性。 在放射性原子核的衰变中，任何一个原子核在时间t内衰变的概率为: 不衰变的概率为 : 假设为N0时刻的原子核数，若在时间t内发生原子核衰变数为n的概率，即放射性统计的二项式分布为： 在放射性测量中把经过无限多次测量得到的平均值m称为期望值，即表示单位时间内平均衰变的原子核数，或者随机数取值n的平均位置。 当N0很大而p很小时，二项式分布的一种极限就是泊松分布： 当M较大时，泊松分布的极限是高斯分布，即： 例题：若在时间t内，放射源放出粒子的平均值为 ，试求在相同时间内放出108个粒子的概率。 解： 放射性测量的统计误差： 由于放射性核衰变具有统计分布，测量过程中射线与物质的相互作用过程也具有随机性，因此在某个时间内对样品进行测量得到的计数值可以看作是一个随机变数。 测量过程中得到的计数值的数学期望值，是无限多次测量