中子测井

可确定岩性和泥质含量，铝是常见粘土矿物的指示元素， 而硅是砂岩的指示元素。
钙活化： 20 Ca 48 0 n1 20 Ca 49
钙是碳酸盐岩的指示元素。
氯活化：
17 Cl 37 0 n1 17 Cl 38
特点：反应过程中，中子被吸收，产生新核，这 些新核有些具有放射性。
勘探开发工程监督管理中心
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
1
中子和中子加源速器中子源
加速器中子源
或称脉冲中子源：用人工的方法（加速器）加速带 电粒子，去轰击靶核，产生快中子，特点是人为控 制脉冲式发射。
如（D-T）中子源：利用加速器夹带电粒子氘核加速 到0.126MeV的能量，然后轰击靶核氚，生成α粒子 和中子，中子的能量平均为14Mev。
(4)能量减缩ζ：每次碰撞后中子能量的自然对数差的平均值，表示
物质对快中子的减速能力。
1 ( A 1)2 ln A 1
当A 10：
2A A1
2/(A 2/3)
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
n
• 中子与化合物的弹性散射
i Ni si
又有
13 Al 28 14 Si28 Q
快中子能量14MeV，反应截面为0.22b，Al28的半衰期2.3min， 发射伽马光子的能量为1.782，探测之可以探测硅的含量。有 效区分砂层和碳酸盐岩 。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
铝活化：
13 Al 27 0 n1 12 Mg 27 1p1
0.03eV—100eV 热中子约为0.025 eV， 热中子标准速度2200 m/s
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
1
中子和中子源
2、中子源：将原子核中的中子释放出来的装置。
质子和中子在核中存在很强的核力作用，要使 之从核中释放出来，必须提供足够的能量。用高能 （带电）粒子轰击作靶的原子核，引起核反应，释 放出中子。一般选用轻原子核作靶核（A小，结核能 小，易产生中子），如4Be9和1H3。
0.40
0.215
0.13
0.43
结论：岩石对热中子的俘获能力主要取决于含氯量 （矿化度、地层水含量）。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
另外：硼的Εa =710b，即使含量微小，也对测井将会有很 大影响。即使硼B含量很少，也会造成地层水或岩石宏观俘 获截面的显著增大，现在发展了注硼中子寿命测井。
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
(7) 减速时间τf和减速长度Lf 减速时间τf：快中子从初始能量E0减速为热中子能量Et所需时间； 减速距离L：在减速时间内，中子移动的直线距离。
减速距离平方的平均值
2
L
6 ln(E0 / Et)
(sH 's ')(sH 3s ')
D T 2 He 4 0 n1 17.588 Mev
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
1
中子和中子源2Βιβλιοθήκη 中子和物质的作用3
中子探测器
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
1、快中子的非弹性散射 高能快中子与地层发生作用时，快中子被靶核吸收
形成复核，然后放出能量较低的中子，靶核仍处于激发 态，而激发态的核放出特定能量的伽马射线后回到基态 。例如，12C和16O都能与14Mev的中子发生非弹性散射而 激发释放出γ射线，这是C/O能谱测井的基础。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
1
中子和中子源
(4)中子的分类
当中子与原子相互作用时，和核外电子几乎没有 库仑力作用，而直接与原子核碰撞，其反应几率主要 取决于核的性质。因此，中子入射物质后，主要是与 原子核发生作用。中子能量不同（速度不同），它与 物质相互作用的行为也就大不相同，因此，目前使用 的中子测井包括使用同位素中子源和加速器中子源， 提供不同能量的快中子。
(3)弹性碰撞能量损失
弹性碰撞能量损失与靶核的A、入射中子能量E0及散射角φ（中 子散射方向和入射方向的夹角）有关。当为正碰撞时，中子损失能
量最大。实验证明，中子一次弹性碰撞可能损失的最大能量和平均
能量分别为：
E max

(1 a)E0 , a

( A 1) 2 , E A1

2A ( A 1)2
如镅铍（Am-Be）中子源，利用镅衰变产生的a粒子去轰击铍，引 起核反应释放出中子，产生中子能量平均为5Mev。
95 Am24193 Np237 2 He4 (a) 4 Be9 2He4 6 C12 0n1 Q(5.701Mev)
产生的中子的平均能量是5MeV。该类中子源的特点是连续发射中子。
快中子经减速到能量与地层原子处于热平衡状态时， 中子不再减速，而像气体分子一样处于扩散过程。由密度 大的地方向密度小的区域扩散，直到被地层原子核俘获为 止。
(2)辐射俘获核反应
靶核俘获一个热中子而变为激发态的复核，然后， 复核放出一个或多个几个光子，回到基态。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
的平均对数能量减缩


i 1 n
Ζi为第i种核的平均对数能量减缩；
Ni si
i 1
Ni为单位体积物质中第i种核的个数；
σsi为第i种核的微观散射截面，b；
N物质中有n种原子。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
ξ 随着散射核质量数增加而减小，与中子能量无关。H、C、O、 Mg、Al、Si、Ca的ξ分别为1、0.158、0.120、0.075、0.07、 0.07、0.05。
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
3、快中子的弹性散射
(1)快中子的弹性散射
中等能量的中子与靶核碰撞，将部分能量传给靶核，使 之能量（动能）增加，仍处于稳态，而快中子速度减慢，系 统总的动能守恒，此过程即为快中子的弹性散射。对于同位 素中子源中子测井，中子的初始能量较低，因此，从开始就 以弹性散射为主。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
1
中子和中子源
(2)中子的质量1.00887u；1.6749286×10^-27千克
质子的质量1.00758u；1.672621637×10^-27千克
(3)中子的半衰期
中子的静止质量大于质子和电子的静止质量之和， 会自发的发生β-衰变，它的半衰期为11.7±0.3min， 自然界几乎不存在自由中子。
Lf 定义为：
def
Lf
ln(E0 / Et)
(sH 's ')(sH 3s ')
Σs.H 岩石中氢的宏观散射截面 ζ’除氢以外岩石对中子的能量减缩 Σ’s除氢以外岩石中的宏观散射截面
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
4、热中子扩散和俘获
(1) 热中子的扩散
测井用的中子源有两类：同位素中子源、加速 器中子源。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
1
中子和中子源
同位素中子源
利用放射性同位素核衰变时放出的高能粒子（а粒子）去轰击 靶核，引起核反应，释放中子，这种中子源的特点是连续发射 中子。发射中子的平均能量为4~5Mev。
（a,n）中子源：利用同位素镭、钋、镅等核素核衰变产生的a粒 子轰击靶核铍，发生（a,n）反应，发射中子。
2
中子和物质的作用
(3) 岩石对热中子的宏观俘获截面Εa：
微观俘获截面σ：一个原子核俘获热中子的几率；
宏观俘获截面Εa：一立方厘米所有原子微观俘获截
面的总和。
a

n i 1
Ni ai

N A
n i 1
Pi ai
Ai
Cl
H
C
O
Mg
Ag
Si
Ca
31.6
0.329 0.0045 0.0016
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
1
中子和中子源
中子的能量指的是它的动能
En =
1 2
mv2

5.22695109 v2
根据中子的能量可将中子分为：
高能中子 能量〉10 MeV 穿透能力极强
快中子 10MeV—10KeV 穿透能力很强
中能中子 慢中子
100eV—10KeV 超热中子约为0.2~10 eV
14Mev的高能快中子经一两次非弹性散射后就不能再发生 非弹性散射或核活化反应，只能发生弹性散射而继续减速， 直至其能量为0.025ev左右，成为热中子。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
(2)特点
入射中子＋被碰原子核系统，在碰撞前后总动能不变，中子损失 的能量全部变成被碰核的动能，而核仍处于稳态，纯减速过程。
2
中子和物质的作用
2、快中子对原子核的活化
快中子除发生（n，n’）反应外，还可发生（n，a），（n，p ）核反应。这些反应产生新原子核。有一定的半衰期，衰变放 射出带电粒子和γ射线，其中伽马射线称为次生活化伽马射线 。
活化测井：如：硅测井，铝测井，钙测井，氯测井
硅活化：
14 Si 28 0 n1 13 Al 28 1p1
2