于華偉，首祥云，郭俊鑫，譚寶海

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院測(cè)井系，山東 青島 266580）

放射性（核）測(cè)井原理是石油院?？辈榧夹g(shù)與工程專業(yè)的一門(mén)專業(yè)必修課，配套實(shí)驗(yàn)主要是測(cè)量放射源的強(qiáng)度和γ能譜、了解核衰變的統(tǒng)計(jì)規(guī)律、探測(cè)器的工作原理及性能指標(biāo)、γ能譜分析等內(nèi)容[1]。但目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)只能測(cè)量γ射線強(qiáng)度和能譜，不能計(jì)算巖石樣品的放射性元素含量，內(nèi)容單一，難以將地質(zhì)、測(cè)井知識(shí)與γ能譜測(cè)量有機(jī)地融合起來(lái)。且放射源對(duì)人體和周圍環(huán)境都能造成較大危害，所以國(guó)家環(huán)保局對(duì)放射源的運(yùn)輸、使用、儲(chǔ)存和安全管理有著很嚴(yán)格的規(guī)定，給非核類高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)設(shè)帶來(lái)不便，使得放射性測(cè)井課程缺乏物理實(shí)驗(yàn)支持[2－3]。為了嚴(yán)格遵守國(guó)家環(huán)保局的法令和法規(guī)，不對(duì)人體和周圍環(huán)境造成危害，又能正常開(kāi)出高水平的放射性測(cè)井實(shí)驗(yàn)，尋找核放射源替代品并研究無(wú)危害實(shí)驗(yàn)方法成為亟待解決的問(wèn)題。本研究在無(wú)害的物品中探尋γ放射源的替代品，為本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)樣品含量、實(shí)驗(yàn)裝置，研究γ能譜分析、能量刻度、樣品含量計(jì)算等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并對(duì)比分析改革前后的實(shí)驗(yàn)效果，最后測(cè)量和分析了本實(shí)驗(yàn)的輻射危害，使放射性測(cè)井實(shí)驗(yàn)課在環(huán)保和安全環(huán)境中正常開(kāi)設(shè)。

1 放射性測(cè)井實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀

核測(cè)井按放射源的種類可分為γ測(cè)井和中子測(cè)井，其中γ測(cè)井主要包括自然γ測(cè)井和密度測(cè)井。由于中子源較危險(xiǎn)，一般石油院校的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中很少使用，因此目前使用的只有γ放射源。常用標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)設(shè)γ射線強(qiáng)度測(cè)量、放射性衰減規(guī)律學(xué)習(xí)、γ能譜測(cè)量分析及能量刻度等實(shí)驗(yàn)[4]。

由于擔(dān)心放射性傷害和環(huán)境污染，教學(xué)中只能使用強(qiáng)度非常低的放射源，使得放射性元素含量分析無(wú)法進(jìn)行，不能讓學(xué)生較好地理解放射性測(cè)井的原理和方法。另外，由于任何放射源的使用都受到國(guó)家環(huán)保部門(mén)的嚴(yán)格管控，因此很多院校難以購(gòu)置、管理、儲(chǔ)存放射源，從而使得與這門(mén)課程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法正常開(kāi)設(shè)，影響了教學(xué)質(zhì)量和人才的培養(yǎng)[5－6]。

2 放射源的無(wú)危害替代品研究

目前放射性測(cè)井實(shí)驗(yàn)中使用的放射源都是人工放射性同位素（在核反應(yīng)堆中人為制備的放射性核素），按照對(duì)人體和環(huán)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(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重的傷害，而Ⅴ類放射源不會(huì)對(duì)人體造成永久性傷害，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中基本都是使用Ⅴ類放射源[5]。雖然Ⅴ類放射源對(duì)周圍的傷害非常小，但是周圍人群仍會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的恐懼心理，而且同樣需要辦理相關(guān)的放射源使用及環(huán)評(píng)手續(xù)，以及需要投入較多的人力、物力來(lái)對(duì)放射源進(jìn)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(cè)井中γ射線的來(lái)源，它們雖然具有一定放射性，但即使長(zhǎng)期接觸也不會(huì)對(duì)人體及環(huán)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(zhì)來(lái)替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的放射源，達(dá)到無(wú)危害實(shí)驗(yàn)的目的。

放射性核素由于自身的不穩(wěn)定性會(huì)衰變成另一種核素，同時(shí)釋放出γ射線，但有時(shí)新的核素還會(huì)繼續(xù)衰變，稱為連續(xù)衰變，每一個(gè)系列是一個(gè)放射系。自然界中存在的天然放射性核素主要包括3個(gè)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(yè)自然γ能譜測(cè)井的主要測(cè)量對(duì)象[7]。

提純的天然放射性核素同樣需要辦理相關(guān)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(cè)量的γ能譜比較復(fù)雜，難以識(shí)別能峰及進(jìn)行能量刻度。而鉀是動(dòng)植物體內(nèi)不可缺少的元素之一，其化合物在醫(yī)藥工業(yè)、染料工業(yè)、農(nóng)業(yè)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(shí)別且放射性強(qiáng)度小，衰變方式如圖1所示[5，8]。經(jīng)過(guò)大量調(diào)研分析，最終選定鉀的化合物——氯化鉀（KCl）作為本實(shí)驗(yàn)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(gòu)買、價(jià)格便宜、不受管制，因此是較好的學(xué)生實(shí)驗(yàn)用核放射源的替代產(chǎn)品。

3 放射性測(cè)井實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)放射源體積非常小，一般將其置于探測(cè)器附近直接使用，但KCl樣品中40K的含量較低，不能像傳統(tǒng)放射源那樣使用，因此需要為本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所需KCl樣品數(shù)量及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置，來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的γ放射源開(kāi)展放射性測(cè)井測(cè)量。

3.1 實(shí)驗(yàn)樣品和裝置設(shè)計(jì)

由于KCl樣品的放射性強(qiáng)度低，為了增大探測(cè)器計(jì)數(shù)、提高γ能譜的穩(wěn)定性，將探測(cè)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(huì)對(duì)γ射線產(chǎn)生衰減，因此裝置中過(guò)多的樣品不會(huì)對(duì)探測(cè)器有較大貢獻(xiàn)，反而會(huì)增加對(duì)周圍環(huán)境的放射性污染[9]。

文獻(xiàn)5研究NaI探測(cè)器周圍放置不同厚度的工業(yè)KCl粉末對(duì)探測(cè)器的貢獻(xiàn)，結(jié)果顯示，當(dāng)KCl厚度從0～10cm變化時(shí)，由于40K含量的增多使得探測(cè)器計(jì)數(shù)快速升高，而厚度超過(guò)10cm之后計(jì)數(shù)增長(zhǎng)明顯變緩。這是由于10cm之外的KCl釋放的γ射線在到達(dá)探測(cè)器之前就已經(jīng)被衰減和吸收了。為了盡可能地減少KCl對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生更多的輻射污染，且保證測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置中探測(cè)器周圍KCl樣品厚度為10cm 左 右即可[5，10－11]。因 此，為本實(shí)驗(yàn) 設(shè)計(jì)了圓桶形實(shí)驗(yàn)裝置，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，選擇密度較高的不銹鋼作為實(shí)驗(yàn)裝置的外殼，以及較堅(jiān)固且密度較低的PVC材料作為放置探測(cè)器的材料。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)圖

3.2 測(cè)量樣品

在實(shí)驗(yàn)裝置中放入20kg純度為99.5%的市場(chǎng)常見(jiàn)工業(yè)KCl粉末狀樣品。由于鉀元素的相對(duì)原子量為39.1，氯的相對(duì)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(wěn)定核素，僅40K具有放射性，因此可以計(jì)算出實(shí)驗(yàn)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(jì)算出20kg KCl樣品中40K的放射性總強(qiáng)度[4]為3.2×104Bq。

此實(shí)驗(yàn)樣品的總輻射活度低于國(guó)家規(guī)定的Ⅴ類放射源的最低下限標(biāo)準(zhǔn)，使用過(guò)程中不會(huì)對(duì)人體造成傷害，不受國(guó)家環(huán)保部門(mén)的限制，可以在實(shí)驗(yàn)室安全、方便地使用[7]。

4 實(shí)驗(yàn)效果分析

γ能譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)主要完成γ能譜測(cè)量、能譜的能量刻度、能峰及元素信息分析等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，因此本文分析所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)量效果，并分析各實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的完成情況。本文所有實(shí)驗(yàn)使用美國(guó)ORTEC公司生產(chǎn)的76mm×76nm（3inch×3inch）NaIγ能譜儀測(cè)量γ能譜，測(cè)量道數(shù)選擇1024道。

4.1 γ能譜測(cè)量及能量刻度

將NaI探測(cè)器放置在圖2所示裝滿KCl的實(shí)驗(yàn)裝置中，γ譜儀的高壓設(shè)置為650V，測(cè)量時(shí)間設(shè)為1200sec，使用3點(diǎn)平滑濾波之后的γ能譜，見(jiàn)圖3。圖3中可以明顯地看到1、2兩個(gè)能峰，峰1計(jì)數(shù)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(chǎn)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(qiáng)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(qiáng)度約占釷系核素輻射總強(qiáng)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(cè)量KCl樣品γ能譜圖

為了根據(jù)所測(cè)峰位確定γ射線的能量，需要對(duì)γ射線譜儀進(jìn)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(zhuǎn)換關(guān)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(duì)應(yīng)零道所代表的能量，G為每道對(duì)應(yīng)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(gè)能峰對(duì)γ譜儀進(jìn)行能量刻度?？潭戎蟮腅0為－0.0634MeV，增益G為0.0029。如果需要更準(zhǔn)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(gè)能峰線性最小二乘擬合得到E0和G。

4.2 能峰識(shí)別及分析

在取走實(shí)驗(yàn)裝置后測(cè)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(jié)果如圖4所示。γ射線可以與物質(zhì)發(fā)生3種作用，分別是電子對(duì)效應(yīng)、康普頓散射和光電效應(yīng)。當(dāng)使用137Cs放射源進(jìn)行γ能譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于其所釋放γ射線能量?jī)H為0.662MeV，小于發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)的閾能1.02MeV，因此γ射線只能發(fā)生康普頓散射和光電效應(yīng)。而40K所釋放的γ射線能量為1.46 MeV，因此本實(shí)驗(yàn)中γ射線會(huì)同時(shí)發(fā)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(chǎn)生的全能峰；平臺(tái)2為康普頓平臺(tái)，是γ射線發(fā)生康普頓散射產(chǎn)生的電子的連續(xù)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(duì)應(yīng)圖中峰2位置，因此康普頓散射產(chǎn)生的脈沖幅度對(duì)應(yīng)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(guò)探測(cè)器的閃爍體，又被閃爍體后面物質(zhì)散射回來(lái)，發(fā)生光電效應(yīng)產(chǎn)生的能峰。由于反散射回來(lái)的γ射線的散射角為180°，根據(jù)反散射公式（4）可以計(jì)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(cè)量的γ能譜，不僅可以分析其全能峰、康普頓平臺(tái)和反散射峰，還能觀測(cè)到γ射線發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)產(chǎn)生的單逃逸峰和雙逃逸峰，因此與僅使用137Cs放射源測(cè)量γ能譜相比，豐富了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，有助于幫助學(xué)生全面理解γ射線的作用過(guò)程。

4.3 40 K元素含量計(jì)算

從中國(guó)石油大學(xué)（華東）青島校區(qū)周邊10km2范圍內(nèi)選取117個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，測(cè)量每處的放射性本底，選取輻射強(qiáng)度最高處的泥土作為測(cè)量樣品，將其放置于圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置中，經(jīng)過(guò)能量刻度，所測(cè)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(duì)應(yīng)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(zhì)量為1.232g，因此用比值法可以計(jì)算出泥土樣品中的40K質(zhì)量約為0.1356g。

5 實(shí)驗(yàn)危害性和教學(xué)效果評(píng)估

為了保證本實(shí)驗(yàn)裝置及操作過(guò)程中的放射性安全，使用NT6101X-γ輻射劑量率儀分別測(cè)量裝滿KCl樣品的實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)、外及正常房間本底的劑量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。測(cè)量結(jié)果顯示，房間正常本底平均輻射劑量為0.214μSv／h，距實(shí)驗(yàn)裝置50cm處劑量為0.23μSv／h，即使在KCl樣品內(nèi)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(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置不會(huì)對(duì)人體造成危害，可以安全地用于日常實(shí)驗(yàn)教學(xué)[7]。

表1 實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)、外及房間本底輻射劑量 μSv／h

本實(shí)驗(yàn)課程經(jīng)中國(guó)石油大學(xué)（華東）勘查技術(shù)與工程專業(yè)2008級(jí)和2009級(jí)學(xué)生試用，實(shí)驗(yàn)課學(xué)生出勤率從以前的平均78.5%變?yōu)槿?，且學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的興趣大幅增加，教學(xué)效果得到明顯提升。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了放射性測(cè)井的無(wú)危害測(cè)量方法及實(shí)驗(yàn)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(guò)測(cè)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(shí)別和分析、元素含量計(jì)算等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。不僅可以完成過(guò)去的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還可以分析γ射線的電子對(duì)效應(yīng)，豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的輻射劑量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于放射源的標(biāo)準(zhǔn)，所以不受放射源使用手續(xù)及環(huán)保部門(mén)的制約。因此，本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)對(duì)于消除學(xué)生的恐懼心理、鞏固放射性測(cè)井課程學(xué)習(xí)、提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及動(dòng)手能力、減少放射源的管理成本及環(huán)保等方面都有重要意義，尤其有助于沒(méi)有核探測(cè)類專業(yè)的院校順利開(kāi)設(shè)放射性測(cè)井相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程。

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