無危害放射性測井教學實驗設計

于華偉，首祥云，郭俊鑫，譚寶海

（中國石油大學（華東）地球科學與技術學院測井系，山東 青島 266580）

放射性（核）測井原理是石油院校勘查技術與工程專業的一門專業必修課，配套實驗主要是測量放射源的強度和γ能譜、了解核衰變的統計規律、探測器的工作原理及性能指標、γ能譜分析等內容[1]。但目前的實驗教學只能測量γ射線強度和能譜，不能計算巖石樣品的放射性元素含量，內容單一，難以將地質、測井知識與γ能譜測量有機地融合起來。且放射源對人體和周圍環境都能造成較大危害，所以國家環保局對放射源的運輸、使用、儲存和安全管理有著很嚴格的規定，給非核類高校實驗教學的開設帶來不便，使得放射性測井課程缺乏物理實驗支持[2－3]。為了嚴格遵守國家環保局的法令和法規，不對人體和周圍環境造成危害，又能正常開出高水平的放射性測井實驗，尋找核放射源替代品并研究無危害實驗方法成為亟待解決的問題。本研究在無害的物品中探尋γ放射源的替代品，為本實驗設計實驗樣品含量、實驗裝置，研究γ能譜分析、能量刻度、樣品含量計算等實驗內容，并對比分析改革前后的實驗效果，最后測量和分析了本實驗的輻射危害，使放射性測井實驗課在環保和安全環境中正常開設。

1 放射性測井實驗現狀

核測井按放射源的種類可分為γ測井和中子測井，其中γ測井主要包括自然γ測井和密度測井。由于中子源較危險，一般石油院校的教學實驗中很少使用，因此目前使用的只有γ放射源。常用標準源有：137Cs（能量0.662MeV，半衰期30.17a）、60Co（能量1.17、1.33MeV，半衰期5.27a）、65Zn（能量1.12 MeV，半衰期244.1d）等，其中最常用的是單能的137Cs放射源，可以開設γ射線強度測量、放射性衰減規律學習、γ能譜測量分析及能量刻度等實驗[4]。

由于擔心放射性傷害和環境污染，教學中只能使用強度非常低的放射源，使得放射性元素含量分析無法進行，不能讓學生較好地理解放射性測井的原理和方法。另外，由于任何放射源的使用都受到國家環保部門的嚴格管控，因此很多院校難以購置、管理、儲存放射源，從而使得與這門課程相關的實驗教學無法正常開設，影響了教學質量和人才的培養[5－6]。

2 放射源的無危害替代品研究

目前放射性測井實驗中使用的放射源都是人工放射性同位素（在核反應堆中人為制備的放射性核素），按照對人體和環境的潛在危害程度，常用放射源分為5類，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類放射源會對人體造成嚴重的傷害，而Ⅴ類放射源不會對人體造成永久性傷害，在大學物理實驗中基本都是使用Ⅴ類放射源[5]。雖然Ⅴ類放射源對周圍的傷害非常小，但是周圍人群仍會產生嚴重的恐懼心理，而且同樣需要辦理相關的放射源使用及環評手續，以及需要投入較多的人力、物力來對放射源進行管理[7]。

由于自然界中（如巖石、泥土）存在著多種天然放射性核素，這些核素也是自然γ測井中γ射線的來源，它們雖然具有一定放射性，但即使長期接觸也不會對人體及環境造成永久性的傷害，因此，在自然界中，有可能找到合適的物質來替代傳統實驗中的放射源，達到無危害實驗的目的。

放射性核素由于自身的不穩定性會衰變成另一種核素，同時釋放出γ射線，但有時新的核素還會繼續衰變，稱為連續衰變，每一個系列是一個放射系。自然界中存在的天然放射性核素主要包括3個放射系（釷系、鈾系和錒系，共49種核素）以及一些不成系的元素（如40K、87Rb等），其中釷系、鈾系及40K是石油行業自然γ能譜測井的主要測量對象[7]。

提純的天然放射性核素同樣需要辦理相關的放射源使用許可證，且釷系、鈾系和錒系放射性核素釋放的γ射線種類較多，測量的γ能譜比較復雜，難以識別能峰及進行能量刻度。而鉀是動植物體內不可缺少的元素之一，其化合物在醫藥工業、染料工業、農業上廣泛使用，其中鉀的同位素40K僅釋放單能的1.46MeVγ射線，半衰期為12.8億a，易于識別且放射性強度小，衰變方式如圖1所示[5，8]。經過大量調研分析，最終選定鉀的化合物——氯化鉀（KCl）作為本實驗所用的放射源替代品。KCl是制造各種鉀鹽的基本原料，易于購買、價格便宜、不受管制，因此是較好的學生實驗用核放射源的替代產品。

3 放射性測井實驗裝置設計

傳統放射源體積非常小，一般將其置于探測器附近直接使用，但KCl樣品中40K的含量較低，不能像傳統放射源那樣使用，因此需要為本實驗設計所需KCl樣品數量及相關的實驗裝置，來代替傳統的γ放射源開展放射性測井測量。

3.1 實驗樣品和裝置設計

由于KCl樣品的放射性強度低，為了增大探測器計數、提高γ能譜的穩定性，將探測器放置于裝滿KCl樣品的容器之中。雖然KCl樣品中的40K釋放出γ射線，但由于KCl樣品自身也會對γ射線產生衰減，因此裝置中過多的樣品不會對探測器有較大貢獻，反而會增加對周圍環境的放射性污染[9]。

文獻5研究NaI探測器周圍放置不同厚度的工業KCl粉末對探測器的貢獻，結果顯示，當KCl厚度從0～10cm變化時，由于40K含量的增多使得探測器計數快速升高，而厚度超過10cm之后計數增長明顯變緩。這是由于10cm之外的KCl釋放的γ射線在到達探測器之前就已經被衰減和吸收了。為了盡可能地減少KCl對周圍環境產生更多的輻射污染，且保證測量結果的穩定性，設計實驗裝置中探測器周圍KCl樣品厚度為10cm 左 右即可[5，10－11]。因 此，為本實驗 設計了圓桶形實驗裝置，結構設計如圖2所示，選擇密度較高的不銹鋼作為實驗裝置的外殼，以及較堅固且密度較低的PVC材料作為放置探測器的材料。

圖2 實驗裝置設計圖

3.2 測量樣品

在實驗裝置中放入20kg純度為99.5%的市場常見工業KCl粉末狀樣品。由于鉀元素的相對原子量為39.1，氯的相對原子量為35.45，且鉀共有3種天然同位素：39K、40K、41K（豐度分別為93.258%、0.012%和6.730%），其中39K和41K都是穩定核素，僅40K具有放射性，因此可以計算出實驗裝置中的40K含量為1.232g。已知40K的半衰期為12.8億a，因此由公式（1）計算出20kg KCl樣品中40K的放射性總強度[4]為3.2×104Bq。

此實驗樣品的總輻射活度低于國家規定的Ⅴ類放射源的最低下限標準，使用過程中不會對人體造成傷害，不受國家環保部門的限制，可以在實驗室安全、方便地使用[7]。

4 實驗效果分析

γ能譜測量實驗主要完成γ能譜測量、能譜的能量刻度、能峰及元素信息分析等實驗內容，因此本文分析所設計實驗裝置的測量效果，并分析各實驗內容的完成情況。本文所有實驗使用美國ORTEC公司生產的76mm×76nm（3inch×3inch）NaIγ能譜儀測量γ能譜，測量道數選擇1024道。

4.1 γ能譜測量及能量刻度

將NaI探測器放置在圖2所示裝滿KCl的實驗裝置中，γ譜儀的高壓設置為650V，測量時間設為1200sec，使用3點平滑濾波之后的γ能譜，見圖3。圖3中可以明顯地看到1、2兩個能峰，峰1計數較高，為40K核素釋放的1.46MeV的單能γ射線的全能峰。峰2為房間本底γ射線產生的全能峰。由于在自然界的巖石和泥土中存在釷系、鈾系和錒系等放射系核素，其中能量最高、強度最大的為釷系中的208Tl，它可以釋放出2.62MeV的γ射線，其輻射強度約占釷系核素輻射總強度的50%，是γ能譜中很容易觀察的一條譜線[12]。因此，圖3中的峰2即為房間本底中208Tl所釋放的2.62MeVγ射線的全能峰。

圖3 測量KCl樣品γ能譜圖

為了根據所測峰位確定γ射線的能量，需要對γ射線譜儀進行能量刻度，即用一組已知能量的γ射線的全能峰位，作出能量和峰位的轉換關系。典型的能量刻度曲線近似為一直線，可用線性方程表示：

式中，xp為峰位，E0為對應零道所代表的能量，G為每道對應的能量間隔，又稱為增益。

由于圖3中的γ能譜中已知40K和208Tl兩種核素釋放的γ射線的峰位分別為峰1和峰2，因此可以用這2個能峰對γ譜儀進行能量刻度。刻度之后的E0為－0.0634MeV，增益G為0.0029。如果需要更準確的能量刻度，也可以增加下文提及的40K的反散射峰，使用3個能峰線性最小二乘擬合得到E0和G。

4.2 能峰識別及分析

在取走實驗裝置后測量房間的本底γ能譜，從而可以得到扣除本底之后的KCl樣品的凈γ能譜。能量刻度后結果如圖4所示。γ射線可以與物質發生3種作用，分別是電子對效應、康普頓散射和光電效應。當使用137Cs放射源進行γ能譜測量實驗時，由于其所釋放γ射線能量僅為0.662MeV，小于發生電子對效應的閾能1.02MeV，因此γ射線只能發生康普頓散射和光電效應。而40K所釋放的γ射線能量為1.46 MeV，因此本實驗中γ射線會同時發生3種作用。

圖4中的γ能譜為扣除本底之后KCl樣品的γ能譜，峰1為40K所釋放γ射線產生的全能峰；平臺2為康普頓平臺，是γ射線發生康普頓散射產生的電子的連續譜。由康普頓散射公式（3）可知，散射電子的最大能量為1.25MeV，對應圖中峰2位置，因此康普頓散射產生的脈沖幅度對應的能量范圍為0～1.25 MeV；峰3為1.46MeVγ射線的單逃逸峰，能量為0.95MeV；峰4為雙逃逸峰，能量為0.44MeV；峰5是反散射峰，有一部分未被吸收而穿過探測器的閃爍體，又被閃爍體后面物質散射回來，發生光電效應產生的能峰。由于反散射回來的γ射線的散射角為180°，根據反散射公式（4）可以計算出反散射γ射線的能量為0.22MeV[6]。

圖4 扣除本底后KCl樣品γ能譜圖

式中，Eγ為入射γ射線的能量，m0c2為電子靜止能量，即0.51MeV。

使用KCl樣品測量的γ能譜，不僅可以分析其全能峰、康普頓平臺和反散射峰，還能觀測到γ射線發生電子對效應產生的單逃逸峰和雙逃逸峰，因此與僅使用137Cs放射源測量γ能譜相比，豐富了學生的實驗內容，有助于幫助學生全面理解γ射線的作用過程。

4.3 40 K元素含量計算

從中國石油大學（華東）青島校區周邊10km2范圍內選取117個試驗點，測量每處的放射性本底，選取輻射強度最高處的泥土作為測量樣品，將其放置于圖2所示的實驗裝置中，經過能量刻度，所測泥土樣品的γ能譜如圖5所示。

圖5 泥土樣品的γ能譜圖

選取40K的全能峰，峰邊界對應的能量分別為1.327MeV和1.593MeV，因此可以求得圖5中40K全能峰的凈面積為12476。由于圖4中KCl樣品的40K的全能峰的凈面積為92028，且已知KCl樣品中40K質量為1.232g，因此用比值法可以計算出泥土樣品中的40K質量約為0.1356g。

5 實驗危害性和教學效果評估

為了保證本實驗裝置及操作過程中的放射性安全，使用NT6101X-γ輻射劑量率儀分別測量裝滿KCl樣品的實驗裝置內、外及正常房間本底的劑量，測量結果如表1所示。測量結果顯示，房間正常本底平均輻射劑量為0.214μSv／h，距實驗裝置50cm處劑量為0.23μSv／h，即使在KCl樣品內的劑量也僅為0.32μSv／h，此值小于一般公眾人員可以接收的安全劑量（0.52μSv／h），因此本文設計的實驗裝置不會對人體造成危害，可以安全地用于日常實驗教學[7]。

表1 實驗裝置內、外及房間本底輻射劑量 μSv／h

本實驗課程經中國石油大學（華東）勘查技術與工程專業2008級和2009級學生試用，實驗課學生出勤率從以前的平均78.5%變為全勤，且學生對于實驗內容的興趣大幅增加，教學效果得到明顯提升。

6 結束語

本文研究了放射性測井的無危害測量方法及實驗裝置，使用氯化鉀中所含的40K放射性核素替代γ放射源，通過測量40K所釋放γ射線的能譜，可以完成能譜能量刻度、能峰及核素識別和分析、元素含量計算等實驗內容。不僅可以完成過去的實驗內容，還可以分析γ射線的電子對效應，豐富了實驗內容。實驗產生的輻射劑量遠遠低于放射源的標準，所以不受放射源使用手續及環保部門的制約。因此，本實驗的設計對于消除學生的恐懼心理、鞏固放射性測井課程學習、提高學生學習興趣及動手能力、減少放射源的管理成本及環保等方面都有重要意義，尤其有助于沒有核探測類專業的院校順利開設放射性測井相關實驗課程。

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