无危害放射性测井教学实验设计

于华伟，首祥云，郭俊鑫，谭宝海

（中国石油大学（华东）地球科学与技术学院测井系，山东 青岛 266580）

放射性（核）测井原理是石油院校勘查技术与工程专业的一门专业必修课，配套实验主要是测量放射源的强度和γ能谱、了解核衰变的统计规律、探测器的工作原理及性能指标、γ能谱分析等内容[1]。但目前的实验教学只能测量γ射线强度和能谱，不能计算岩石样品的放射性元素含量，内容单一，难以将地质、测井知识与γ能谱测量有机地融合起来。且放射源对人体和周围环境都能造成较大危害，所以国家环保局对放射源的运输、使用、储存和安全管理有着很严格的规定，给非核类高校实验教学的开设带来不便，使得放射性测井课程缺乏物理实验支持[2－3]。为了严格遵守国家环保局的法令和法规，不对人体和周围环境造成危害，又能正常开出高水平的放射性测井实验，寻找核放射源替代品并研究无危害实验方法成为亟待解决的问题。本研究在无害的物品中探寻γ放射源的替代品，为本实验设计实验样品含量、实验装置，研究γ能谱分析、能量刻度、样品含量计算等实验内容，并对比分析改革前后的实验效果，最后测量和分析了本实验的辐射危害，使放射性测井实验课在环保和安全环境中正常开设。

1 放射性测井实验现状

核测井按放射源的种类可分为γ测井和中子测井，其中γ测井主要包括自然γ测井和密度测井。由于中子源较危险，一般石油院校的教学实验中很少使用，因此目前使用的只有γ放射源。常用标准源有：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，其中最常用的是单能的137Cs放射源，可以开设γ射线强度测量、放射性衰减规律学习、γ能谱测量分析及能量刻度等实验[4]。

由于担心放射性伤害和环境污染，教学中只能使用强度非常低的放射源，使得放射性元素含量分析无法进行，不能让学生较好地理解放射性测井的原理和方法。另外，由于任何放射源的使用都受到国家环保部门的严格管控，因此很多院校难以购置、管理、储存放射源，从而使得与这门课程相关的实验教学无法正常开设，影响了教学质量和人才的培养[5－6]。

2 放射源的无危害替代品研究

目前放射性测井实验中使用的放射源都是人工放射性同位素（在核反应堆中人为制备的放射性核素），按照对人体和环境的潜在危害程度，常用放射源分为5类，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类放射源会对人体造成严重的伤害，而Ⅴ类放射源不会对人体造成永久性伤害，在大学物理实验中基本都是使用Ⅴ类放射源[5]。虽然Ⅴ类放射源对周围的伤害非常小，但是周围人群仍会产生严重的恐惧心理，而且同样需要办理相关的放射源使用及环评手续，以及需要投入较多的人力、物力来对放射源进行管理[7]。

由于自然界中（如岩石、泥土）存在着多种天然放射性核素，这些核素也是自然γ测井中γ射线的来源，它们虽然具有一定放射性，但即使长期接触也不会对人体及环境造成永久性的伤害，因此，在自然界中，有可能找到合适的物质来替代传统实验中的放射源，达到无危害实验的目的。

放射性核素由于自身的不稳定性会衰变成另一种核素，同时释放出γ射线，但有时新的核素还会继续衰变，称为连续衰变，每一个系列是一个放射系。自然界中存在的天然放射性核素主要包括3个放射系（钍系、铀系和锕系，共49种核素）以及一些不成系的元素（如40K、87Rb等），其中钍系、铀系及40K是石油行业自然γ能谱测井的主要测量对象[7]。

提纯的天然放射性核素同样需要办理相关的放射源使用许可证，且钍系、铀系和锕系放射性核素释放的γ射线种类较多，测量的γ能谱比较复杂，难以识别能峰及进行能量刻度。而钾是动植物体内不可缺少的元素之一，其化合物在医药工业、染料工业、农业上广泛使用，其中钾的同位素40K仅释放单能的1.46MeVγ射线，半衰期为12.8亿a，易于识别且放射性强度小，衰变方式如图1所示[5，8]。经过大量调研分析，最终选定钾的化合物——氯化钾（KCl）作为本实验所用的放射源替代品。KCl是制造各种钾盐的基本原料，易于购买、价格便宜、不受管制，因此是较好的学生实验用核放射源的替代产品。

3 放射性测井实验装置设计

传统放射源体积非常小，一般将其置于探测器附近直接使用，但KCl样品中40K的含量较低，不能像传统放射源那样使用，因此需要为本实验设计所需KCl样品数量及相关的实验装置，来代替传统的γ放射源开展放射性测井测量。

3.1 实验样品和装置设计

由于KCl样品的放射性强度低，为了增大探测器计数、提高γ能谱的稳定性，将探测器放置于装满KCl样品的容器之中。虽然KCl样品中的40K释放出γ射线，但由于KCl样品自身也会对γ射线产生衰减，因此装置中过多的样品不会对探测器有较大贡献，反而会增加对周围环境的放射性污染[9]。

文献5研究NaI探测器周围放置不同厚度的工业KCl粉末对探测器的贡献，结果显示，当KCl厚度从0～10cm变化时，由于40K含量的增多使得探测器计数快速升高，而厚度超过10cm之后计数增长明显变缓。这是由于10cm之外的KCl释放的γ射线在到达探测器之前就已经被衰减和吸收了。为了尽可能地减少KCl对周围环境产生更多的辐射污染，且保证测量结果的稳定性，设计实验装置中探测器周围KCl样品厚度为10cm 左 右即可[5，10－11]。因 此，为本实验 设计了圆桶形实验装置，结构设计如图2所示，选择密度较高的不锈钢作为实验装置的外壳，以及较坚固且密度较低的PVC材料作为放置探测器的材料。

图2 实验装置设计图

3.2 测量样品

在实验装置中放入20kg纯度为99.5%的市场常见工业KCl粉末状样品。由于钾元素的相对原子量为39.1，氯的相对原子量为35.45，且钾共有3种天然同位素：39K、40K、41K（丰度分别为93.258%、0.012%和6.730%），其中39K和41K都是稳定核素，仅40K具有放射性，因此可以计算出实验装置中的40K含量为1.232g。已知40K的半衰期为12.8亿a，因此由公式（1）计算出20kg KCl样品中40K的放射性总强度[4]为3.2×104Bq。

此实验样品的总辐射活度低于国家规定的Ⅴ类放射源的最低下限标准，使用过程中不会对人体造成伤害，不受国家环保部门的限制，可以在实验室安全、方便地使用[7]。

4 实验效果分析

γ能谱测量实验主要完成γ能谱测量、能谱的能量刻度、能峰及元素信息分析等实验内容，因此本文分析所设计实验装置的测量效果，并分析各实验内容的完成情况。本文所有实验使用美国ORTEC公司生产的76mm×76nm（3inch×3inch）NaIγ能谱仪测量γ能谱，测量道数选择1024道。

4.1 γ能谱测量及能量刻度

将NaI探测器放置在图2所示装满KCl的实验装置中，γ谱仪的高压设置为650V，测量时间设为1200sec，使用3点平滑滤波之后的γ能谱，见图3。图3中可以明显地看到1、2两个能峰，峰1计数较高，为40K核素释放的1.46MeV的单能γ射线的全能峰。峰2为房间本底γ射线产生的全能峰。由于在自然界的岩石和泥土中存在钍系、铀系和锕系等放射系核素，其中能量最高、强度最大的为钍系中的208Tl，它可以释放出2.62MeV的γ射线，其辐射强度约占钍系核素辐射总强度的50%，是γ能谱中很容易观察的一条谱线[12]。因此，图3中的峰2即为房间本底中208Tl所释放的2.62MeVγ射线的全能峰。

图3 测量KCl样品γ能谱图

为了根据所测峰位确定γ射线的能量，需要对γ射线谱仪进行能量刻度，即用一组已知能量的γ射线的全能峰位，作出能量和峰位的转换关系。典型的能量刻度曲线近似为一直线，可用线性方程表示：

式中，xp为峰位，E0为对应零道所代表的能量，G为每道对应的能量间隔，又称为增益。

由于图3中的γ能谱中已知40K和208Tl两种核素释放的γ射线的峰位分别为峰1和峰2，因此可以用这2个能峰对γ谱仪进行能量刻度。刻度之后的E0为－0.0634MeV，增益G为0.0029。如果需要更准确的能量刻度，也可以增加下文提及的40K的反散射峰，使用3个能峰线性最小二乘拟合得到E0和G。

4.2 能峰识别及分析

在取走实验装置后测量房间的本底γ能谱，从而可以得到扣除本底之后的KCl样品的净γ能谱。能量刻度后结果如图4所示。γ射线可以与物质发生3种作用，分别是电子对效应、康普顿散射和光电效应。当使用137Cs放射源进行γ能谱测量实验时，由于其所释放γ射线能量仅为0.662MeV，小于发生电子对效应的阈能1.02MeV，因此γ射线只能发生康普顿散射和光电效应。而40K所释放的γ射线能量为1.46 MeV，因此本实验中γ射线会同时发生3种作用。

图4中的γ能谱为扣除本底之后KCl样品的γ能谱，峰1为40K所释放γ射线产生的全能峰；平台2为康普顿平台，是γ射线发生康普顿散射产生的电子的连续谱。由康普顿散射公式（3）可知，散射电子的最大能量为1.25MeV，对应图中峰2位置，因此康普顿散射产生的脉冲幅度对应的能量范围为0～1.25 MeV；峰3为1.46MeVγ射线的单逃逸峰，能量为0.95MeV；峰4为双逃逸峰，能量为0.44MeV；峰5是反散射峰，有一部分未被吸收而穿过探测器的闪烁体，又被闪烁体后面物质散射回来，发生光电效应产生的能峰。由于反散射回来的γ射线的散射角为180°，根据反散射公式（4）可以计算出反散射γ射线的能量为0.22MeV[6]。

图4 扣除本底后KCl样品γ能谱图

式中，Eγ为入射γ射线的能量，m0c2为电子静止能量，即0.51MeV。

使用KCl样品测量的γ能谱，不仅可以分析其全能峰、康普顿平台和反散射峰，还能观测到γ射线发生电子对效应产生的单逃逸峰和双逃逸峰，因此与仅使用137Cs放射源测量γ能谱相比，丰富了学生的实验内容，有助于帮助学生全面理解γ射线的作用过程。

4.3 40 K元素含量计算

从中国石油大学（华东）青岛校区周边10km2范围内选取117个试验点，测量每处的放射性本底，选取辐射强度最高处的泥土作为测量样品，将其放置于图2所示的实验装置中，经过能量刻度，所测泥土样品的γ能谱如图5所示。

图5 泥土样品的γ能谱图

选取40K的全能峰，峰边界对应的能量分别为1.327MeV和1.593MeV，因此可以求得图5中40K全能峰的净面积为12476。由于图4中KCl样品的40K的全能峰的净面积为92028，且已知KCl样品中40K质量为1.232g，因此用比值法可以计算出泥土样品中的40K质量约为0.1356g。

5 实验危害性和教学效果评估

为了保证本实验装置及操作过程中的放射性安全，使用NT6101X-γ辐射剂量率仪分别测量装满KCl样品的实验装置内、外及正常房间本底的剂量，测量结果如表1所示。测量结果显示，房间正常本底平均辐射剂量为0.214μSv／h，距实验装置50cm处剂量为0.23μSv／h，即使在KCl样品内的剂量也仅为0.32μSv／h，此值小于一般公众人员可以接收的安全剂量（0.52μSv／h），因此本文设计的实验装置不会对人体造成危害，可以安全地用于日常实验教学[7]。

表1 实验装置内、外及房间本底辐射剂量 μSv／h

本实验课程经中国石油大学（华东）勘查技术与工程专业2008级和2009级学生试用，实验课学生出勤率从以前的平均78.5%变为全勤，且学生对于实验内容的兴趣大幅增加，教学效果得到明显提升。

6 结束语

本文研究了放射性测井的无危害测量方法及实验装置，使用氯化钾中所含的40K放射性核素替代γ放射源，通过测量40K所释放γ射线的能谱，可以完成能谱能量刻度、能峰及核素识别和分析、元素含量计算等实验内容。不仅可以完成过去的实验内容，还可以分析γ射线的电子对效应，丰富了实验内容。实验产生的辐射剂量远远低于放射源的标准，所以不受放射源使用手续及环保部门的制约。因此，本实验的设计对于消除学生的恐惧心理、巩固放射性测井课程学习、提高学生学习兴趣及动手能力、减少放射源的管理成本及环保等方面都有重要意义，尤其有助于没有核探测类专业的院校顺利开设放射性测井相关实验课程。

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