自然伽马能谱测井第一节.ppt

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1、第七章 自然伽马能谱测井仪 7.1 7.1 自然伽马能谱测井测量原理自然伽马能谱测井测量原理 7.27.2 NGT-CNGT-C自然伽马能谱测井仪测量原理自然伽马能谱测井仪测量原理 7.3 7.3 NGT-CNGT-C自然伽马能谱测井仪电路分析自然伽马能谱测井仪电路分析 7.4 7.4 小结小结 习题习题7.1 自然伽马能谱测井测量原理 岩石的自然放射性岩石的自然放射性 自然伽马能谱测井的方法基础自然伽马能谱测井的方法基础 应用：应用：用用ThTh和和K K的比值可识别各种粘土矿物的比值可识别各种粘土矿物 用用ThTh和和U U的比值可研究沉积环境的比值可研究沉积环境 自然伽马能谱测井仪测量原

2、理自然伽马能谱测井仪测量原理 伽马射线探测器伽马射线探测器 伽马射线探测器的物理原理伽马射线探测器的物理原理 测量伽马能谱使用闪烁计数器测量伽马能谱使用闪烁计数器 自然伽马能谱测井测量原理自然伽马能谱测井测量原理岩石的自然放射性参考参考某些矿物、岩石的某些矿物、岩石的U U、ThTh和和K K的含量的含量，各种粘土矿物各种粘土矿物的的Th/KTh/K比比，U U、ThTh和和4040K K的伽马射线能谱的伽马射线能谱 岩岩石石的的自自然然伽伽马马射射线线主主要要是是由由铀铀系系和和钍钍系系放放射射性性元元素素以以及钾及钾4040（K K4040）产生的。产生的。粘土矿物中粘土矿物中ThTh和和

3、K K的含量较高。的含量较高。泥岩含有机物时，粘上颗粒对铀离子的吸附增强，使铀泥岩含有机物时，粘上颗粒对铀离子的吸附增强，使铀含量增高。含量增高。砂岩和碳酸盐岩放射性元素含量低。砂岩和碳酸盐岩放射性元素含量低。自然伽马能谱测井是测量地层中铀（U）、钍（Th）、钾（K）的含量。U U、ThTh、K K产生的自然伽马射线产生的自然伽马射线的特点的特点：K40K40只辐幅射能量为只辐幅射能量为1.461.46MeVMeV的伽马射线。的伽马射线。铀系和钍系的各种元素发射不同能量的伽马射线，有些铀系和钍系的各种元素发射不同能量的伽马射线，有些元素还发射多种能量的伽马射线。元素还发射多种能量的伽马射线。铀

4、系和钍系元素在放射性平衡状态下，不同能量的伽马铀系和钍系元素在放射性平衡状态下，不同能量的伽马射线的相对强度也是确定的。射线的相对强度也是确定的。U U、ThTh、K K自然伽马射线的识别：自然伽马射线的识别：铀系中选铀系中选Bi214Bi214发射的发射的1.761.76MeVMeV的伽马射线来识别的伽马射线来识别U U；钍系中选钍系中选Tl208Tl208发射的发射的2.622.62MeVMeV的伽马射线来识别的伽马射线来识别ThTh；K40K40用能量为用能量为1.461.46MeVMeV的伽马射线识别。的伽马射线识别。用Th和U的比值研究沉积环境 从化学沉积物到碎屑沉积物，从化学沉积物

5、到碎屑沉积物，ThTh和和U U的比值增大：的比值增大：碳酸盐岩的碳酸盐岩的Th/UTh/U为为0.30.32.82.8 粘土岩的粘土岩的Th/UTh/U为为2.02.04.14.1 砂岩的砂岩的U U含量变化范围很大，因而含量变化范围很大，因而Th/UTh/U值变化范围也大。值变化范围也大。某些矿物、岩石的U、Th和K的含量各种粘土矿物的Th/K比U、Th和40K的伽马射线能谱伽马射线探测器的物理原理 伽伽马马射射线线与与物物质质的的相相互互作作用用能能引引起起物物质质中中原原子子的的电电离离和和激发。利用这两种物理现象可以探测伽马射线。激发。利用这两种物理现象可以探测伽马射线。利利用用次次

6、级级电电子子电电离离气气体体而而建建立立的的探探测测器器有有电电离离室室、正正比比计数器和盖革一弥勒计数器等。计数器和盖革一弥勒计数器等。利利用用次次级级电电子子使使原原子子核核的的外外层层电电子子受受激激发发，当当原原子子返返回回基态时放出光子，发生闪光，而建立了闪烁计数器。基态时放出光子，发生闪光，而建立了闪烁计数器。测量伽马能谱使用闪烁计数器 闪烁计数器闪烁计数器 组成组成:闪烁晶体和光电倍增管。闪烁晶体和光电倍增管。工作原理工作原理 闪烁晶体的主要技术指标闪烁晶体的主要技术指标 光电倍增管光电倍增管结构及工作原理结构及工作原理 主要性能指标主要性能指标工作原理 当伽马射线射入晶体后，与

7、物质作用产生次级电子；当伽马射线射入晶体后，与物质作用产生次级电子；次级电子使次级电子使闪烁晶体闪烁晶体的原子受激而后发光；的原子受激而后发光；大部分光子被收集到大部分光子被收集到光电倍增管光电倍增管的光阴极上，从光阴极的光阴极上，从光阴极上打出光电子。上打出光电子。光电子在倍增管中倍增，最后，电子流在光电倍增管的光电子在倍增管中倍增，最后，电子流在光电倍增管的阳极上形成电脉冲。电脉冲被放大计数。阳极上形成电脉冲。电脉冲被放大计数。光电倍增管输出脉冲的幅度与伽马射线能量成正比，而光电倍增管输出脉冲的幅度与伽马射线能量成正比，而脉冲计数率与射入晶体的伽马射线强度成正比。脉冲计数率与射入晶体的伽马

8、射线强度成正比。闪烁晶体的主要技术指标能量分辨率：能谱曲线上强度为最大值（E0）一半处的宽度E与能量E0的比值。时间分辨率：发光的衰减时间愈短，时间分辨率就愈高。能量正比响应特性：指已知能量的伽马射线的光电峰道址（即输出脉冲幅度）与能量的对应关系。此外，要求晶体的密度大，光产额高以及发射光的波长与光电倍增管的光谱响应相匹配等，用于测井仪器的晶体还要考虑温度特性和机械强度等指标。自然伽马能谱测井常用晶体：NaI（Tl）晶体、CsI（Tl）晶体。结构及工作原理 闪烁晶体发射的光子通过光耦合入射到光电倍增管的光电阴极闪烁晶体发射的光子通过光耦合入射到光电倍增管的光电阴极上，光电阴极是由光致发射材料构

9、成，它接受入射的光子后，上，光电阴极是由光致发射材料构成，它接受入射的光子后，发射出光电子。发射出光电子。在聚焦电极在聚焦电极D D的作用下，光电阴极上轰出的光电子聚焦到电极的作用下，光电阴极上轰出的光电子聚焦到电极D D1 1。D D1 1至至D D1010是相同的电极而依次递增相等的电压（是相同的电极而依次递增相等的电压（8080150150V V）。）。这些电极称次阴极或打拿极，用以产生二次电子。这些电极称次阴极或打拿极，用以产生二次电子。当电子轰击这些电极时会产生当电子轰击这些电极时会产生3 36 6倍的二次电子。倍的二次电子。从每一极打出的二次电子又被加速轰击后一级电极，产生从每一极

10、打出的二次电子又被加速轰击后一级电极，产生出更多的电子。出更多的电子。这个过程一直继续下去，可以将光电阴极所发生的电子倍这个过程一直继续下去，可以将光电阴极所发生的电子倍增到极大的数目。最后在阳极增到极大的数目。最后在阳极A A的电阻的电阻R R上输出电脉冲。上输出电脉冲。主要性能指标 放大倍数放大倍数 灵敏度灵敏度 光谱响应光谱响应 暗电流暗电流放大倍数 光电倍增管的放大倍数就是阴极所收集到的光电子为光光电倍增管的放大倍数就是阴极所收集到的光电子为光阴极射出的光电子的倍数。阴极射出的光电子的倍数。次阴极级间电压的大小会显著影响放大倍数。如果要求次阴极级间电压的大小会显著影响放大倍数。如果要求

11、放大倍数的稳定度为放大倍数的稳定度为1 10.10.1，高压的稳定度则为，高压的稳定度则为0.10.10.010.01，即是说电压的稳定度要比放大倍数的稳定度，即是说电压的稳定度要比放大倍数的稳定度提高一个数量级。提高一个数量级。灵敏度 光电倍增管的灵敏度是用来描述光电倍增管的光电转换光电倍增管的灵敏度是用来描述光电倍增管的光电转换性能。性能。光阴极灵敏度是指一个光子在光阴极上打出一个电子的光阴极灵敏度是指一个光子在光阴极上打出一个电子的几率。几率。总灵敏度是指入射一个光子在阳极上收集到的平均电子总灵敏度是指入射一个光子在阳极上收集到的平均电子数，单位是数，单位是A/lmA/lm（微安微安/流

12、明）。流明）。光谱响应 光电倍增管的灵敏度实际上与入射光的波长有关，波长光电倍增管的灵敏度实际上与入射光的波长有关，波长过长或过短的光子入射到光阴极打出电子的几率都极低。过长或过短的光子入射到光阴极打出电子的几率都极低。光阴极发射光电子的效率随入射光波长而改变的现象称光阴极发射光电子的效率随入射光波长而改变的现象称光电倍增管的光谱响应。光电倍增管的光谱响应。光电倍增管的灵敏度和光谱响应都和光阴极的材料有关。光电倍增管的灵敏度和光谱响应都和光阴极的材料有关。暗电流 由于次阴极的热电子发射，光电倍增管没有入射光时，由于次阴极的热电子发射，光电倍增管没有入射光时，阳极上仍有微小电流流过，约为阳极上仍

13、有微小电流流过，约为1010-7-71010-9 9A A，这个电这个电流称为暗电流。流称为暗电流。应该降低光电倍增管的工作温度和提高其灵敏度。应该降低光电倍增管的工作温度和提高其灵敏度。闪烁计数器探头Cs137的伽马能谱曲线自然伽马能谱测井仪测得的仪器谱几种闪烁晶体的特性比较自然伽马能谱测井测量原理 仪器谱仪器谱 能窗设置能窗设置 稳谱稳谱 数据处理数据处理仪器谱 当用当用NaINaI（TlTl）晶体探测伽马射线能谱时，由于伽马射晶体探测伽马射线能谱时，由于伽马射线与物质的三种作用产生次级电子的能量不同，即使是线与物质的三种作用产生次级电子的能量不同，即使是单能伽马光子，其脉冲幅度仍有一个很

14、宽的分布。实际单能伽马光子，其脉冲幅度仍有一个很宽的分布。实际能谱曲线是连续的，称仪器谱。能谱曲线是连续的，称仪器谱。在能谱曲线上，除光电峰外，还有康普顿散射峰，电子在能谱曲线上，除光电峰外，还有康普顿散射峰，电子对效应产生的逃逸峰等。对效应产生的逃逸峰等。能窗设置 在高能域设置三个能窗，在高能域设置三个能窗，W3W3、W4W4和和W5W5，分别探测分别探测1.461.46、1.761.76和和2.622.62MeVMeV三个特征峰。三个特征峰。在低能域设置二个能窗，在低能域设置二个能窗，W1W1和和W2W2，探测地层中康普顿探测地层中康普顿散射后的伽马射线。散射后的伽马射线。稳谱 晶体和光电

15、倍增管对温度十分灵敏，温度变化将引起光晶体和光电倍增管对温度十分灵敏，温度变化将引起光电倍增管输出脉冲幅度的改变，等效于能谱的漂移。因电倍增管输出脉冲幅度的改变，等效于能谱的漂移。因此，在测量过程需调整电压和电子线路参数保证能量谱此，在测量过程需调整电压和电子线路参数保证能量谱的稳定。的稳定。数据处理 U U、ThTh、K K含量：由含量：由5 5个窗口的计数率按下列公式求出个窗口的计数率按下列公式求出 Th232=a1W1+a2W2+a3W3+a4W4+a5W5Th232=a1W1+a2W2+a3W3+a4W4+a5W5 U 238 =b1W1+b2W2+b3W3+b4W4+b5W5U 238 =b1W1+b2W2+b3W3+b4W4+b5W5 K =c1W1+c2W2+c3W3+c4W4+c5W5K =c1W1+c2W2+c3W3+c4W4+c5W5 GR=W1+W2+W3+W4+W5GR=W1+W2+W3+W4+W5 系数系数ai ai、bibi和和ci ci采用实体模型刻度确定。采用实体模型刻度确定。