無(wú)源放射性密度測(cè)量教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

王新光, 張 鋒, 于華偉, 譚寶海, 李會(huì)銀

(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)

無(wú)源放射性密度測(cè)量教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

王新光, 張 鋒, 于華偉, 譚寶海, 李會(huì)銀

(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)

結(jié)合勘查技術(shù)與工程專業(yè)的工程教育專業(yè)認(rèn)證要求,為加深學(xué)生對(duì)放射性密度測(cè)井方法和原理的理解、提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及實(shí)踐動(dòng)手能力,設(shè)計(jì)了無(wú)源放射性密度測(cè)量教學(xué)實(shí)驗(yàn),研究并闡述實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)樣品及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,分析了實(shí)踐教學(xué)效果。結(jié)果表明,無(wú)源放射性密度測(cè)量實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)興趣、消除學(xué)生放射性實(shí)驗(yàn)恐懼心理、夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ),培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新、實(shí)踐能力,更符合勘查技術(shù)與工程專業(yè)工程教育專業(yè)認(rèn)證及“卓越計(jì)劃”工程教育培養(yǎng)模式的要求。

密度測(cè)井； 放射性實(shí)驗(yàn)； 無(wú)源測(cè)量； 工程教育專業(yè)認(rèn)證

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國(guó)際通行的工程教育質(zhì)量保證制度,也是實(shí)現(xiàn)工程教育國(guó)際互認(rèn)和工程師資格國(guó)際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)[1-3]。工程教育專業(yè)認(rèn)證中對(duì)學(xué)生提出了明確的畢業(yè)要求:具有系統(tǒng)的工程實(shí)踐學(xué)習(xí)經(jīng)歷、具備設(shè)計(jì)和實(shí)施工程實(shí)驗(yàn)的能力、能夠?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析、掌握基本的創(chuàng)新方法、具有追求創(chuàng)新的態(tài)度和意識(shí)等[4]。我校勘查技術(shù)與工程專業(yè)是國(guó)家第一批“卓越計(jì)劃”試點(diǎn)專業(yè),在工程教育專業(yè)認(rèn)證的新要求下,實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、提高實(shí)踐動(dòng)手能力的關(guān)鍵教學(xué)環(huán)節(jié),已經(jīng)成為相關(guān)教學(xué)人員的工作重點(diǎn)[5-6]。本文基于我校勘查技術(shù)與工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo),結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證要求,設(shè)計(jì)了“無(wú)源放射性密度測(cè)量教學(xué)實(shí)驗(yàn)”。該實(shí)驗(yàn)不僅滿足密度測(cè)井原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求,而且實(shí)驗(yàn)過(guò)程無(wú)源化,消除學(xué)生對(duì)放射性實(shí)驗(yàn)的恐懼心理,實(shí)現(xiàn)在安全、環(huán)保的環(huán)境中提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和實(shí)踐創(chuàng)新能力。

1 實(shí)驗(yàn)方法原理

放射性密度測(cè)量以伽馬射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)發(fā)生的相互作用規(guī)律為理論基礎(chǔ),對(duì)于不同能量的入射伽馬射線和不同的物質(zhì)組成,伽馬射線在其中發(fā)生相互作用的幾率不同。放射性密度測(cè)量就是利用特定的伽馬射線能量和地層發(fā)生康普頓散射,通過(guò)測(cè)量散射伽馬能譜確定地層的電子密度指數(shù),進(jìn)而得到地層密度信息。

放射性密度測(cè)量需要使用伽馬放射源,部分院校在“大學(xué)物理”課程中開(kāi)設(shè)利用137Cs放射源或者X射線管進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)[7-8],存在潛在的放射性危害。對(duì)于更多不具有放射源使用資質(zhì)的院校,相關(guān)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)無(wú)法正常開(kāi)設(shè),學(xué)生只能通過(guò)課堂講授進(jìn)行抽象學(xué)習(xí),影響了相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)質(zhì)量,也達(dá)不到工程教育專業(yè)認(rèn)證的工程實(shí)踐能力培養(yǎng)要求。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中,由于放射源的使用受到嚴(yán)格的管控,因此無(wú)危害放射源替代品,如氯化鉀中的40K,被選擇進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)的研究,取得了一定的教學(xué)效果[9-11]。在本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,采用氯化鉀中的40K作為密度測(cè)量教學(xué)實(shí)驗(yàn)的伽馬源。40K衰變產(chǎn)生的伽馬射線能量為Eγ=1.46 MeV,高于發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)的能量閾值,雖然在實(shí)際密度測(cè)井過(guò)程中對(duì)測(cè)量結(jié)果精度有影響,但在教學(xué)實(shí)驗(yàn)室中可以代替137Cs源進(jìn)行物理現(xiàn)象演示。

氯化鉀采用純度為99.5%的市場(chǎng)常見(jiàn)工業(yè)KCl粉末。本實(shí)驗(yàn)中KCl用量為15～20 kg,總輻射活度低于國(guó)家規(guī)定的V類放射源最低下限標(biāo)準(zhǔn)[9-10]。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

在實(shí)驗(yàn)室已有的實(shí)驗(yàn)條件下,設(shè)計(jì)了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置。

圖1 密度測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

如圖1所示,最外層為整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的不銹鋼外殼；徑向上最外層環(huán)形空間填充徑向厚度為10 cm的KCl樣品,徑向第二層環(huán)形空間填充厚度為5 cm的探測(cè)樣品,徑向中心位置放置NaI伽馬探測(cè)器的探頭。為了消除周圍環(huán)境中本底伽馬射線的影響,將整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置放置于如圖2所示的低本底鉛屏蔽室(內(nèi)部空間Φ60 cm×70 cm)中。

圖2 低本底鉛屏蔽室

3 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)樣品

選擇具有不同密度的材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)材料參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品參數(shù)

4 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

無(wú)源放射性密度測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要包括實(shí)驗(yàn)裝置本底測(cè)量、KCl替代源能譜測(cè)量和實(shí)驗(yàn)樣品透射伽馬能譜測(cè)量3部分。

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置本底測(cè)量

本文所有實(shí)驗(yàn)均采用美國(guó)ORTEC公司生產(chǎn)的3 inch×3 inchNaI伽馬能譜儀器測(cè)量γ能譜,能量多道為1024道。

首先利用NaI伽馬探測(cè)器測(cè)量如圖2所示的低本底鉛屏蔽室內(nèi)的伽馬能譜。將NaI探測(cè)器放入鉛屏蔽室中,將頂部封蓋密封,記錄足夠長(zhǎng)的時(shí)間,得到如圖3所示的本底伽馬能譜。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置本底伽馬能譜

4.2 KCl替代源能譜測(cè)量

將圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置放入鉛屏蔽室中,中間不放實(shí)驗(yàn)材料,記錄來(lái)自KCl樣品的伽馬能譜,并根據(jù)前述得到的鉛屏蔽室內(nèi)伽馬本底能譜,得到扣除本底后來(lái)自KCl樣品的純凈伽馬能譜,如圖4所示。

圖4 KCl樣品伽馬能譜

由圖4可以看出,KCl樣品的伽馬射線主要來(lái)自40K的貢獻(xiàn),其中峰1為40K全能峰,E1=1.46 MeV；峰2為全能峰的康普頓散射最大能量峰,E2=1.25 MeV；峰3、4為第一、二逃逸峰,E3=0.95 MeV,E4=0.44 MeV；峰5為反散射峰,E5=0.21 MeV?？梢钥闯鐾ㄟ^(guò)KCl樣品伽馬能譜的測(cè)量可以觀測(cè)到全能峰、康普頓散射平臺(tái)、電子對(duì)效應(yīng)逃逸峰以及反散射峰,有助于學(xué)生理解單能伽馬射線在NaI探測(cè)器中的響應(yīng)特征。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)樣品透射能譜測(cè)量

在圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置中,分別將鎂塊、聚四氟乙烯和鋁塊放入實(shí)驗(yàn)樣品位置,在中心位置的伽馬能譜探測(cè)器記錄伽馬能譜,扣除本底伽馬射線的影響,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理后,得到如圖5所示的透射伽馬射線能譜。

圖5 經(jīng)過(guò)不同密度樣品后透射伽馬能譜

對(duì)比圖4和圖5可以看出,伽馬射線在經(jīng)過(guò)一定厚度的不同密度實(shí)驗(yàn)樣品后,依然可以得到40K的全能峰和康普頓散射平臺(tái),透射伽馬能譜在Eγ≈0.1 MeV處出現(xiàn)一個(gè)極大值,將整個(gè)伽馬能譜分為高能譜段和低能譜段。在密度測(cè)井中,稱Eγ>0.1 MeV的高能譜段為軟譜,主要受康普頓散射過(guò)程影響,用以計(jì)算地層密度；稱Eγ<0.1 MeV的低能譜段為硬譜,同時(shí)受到光電效應(yīng)和康普頓散射過(guò)程的影響,主要用以計(jì)算光電吸收截面指數(shù)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用圖5中的數(shù)據(jù),計(jì)算不同實(shí)驗(yàn)樣品條件下的軟譜能窗(0.4～1.2 MeV)總計(jì)數(shù)率,得到軟譜計(jì)數(shù)率在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下和實(shí)驗(yàn)樣品密度的關(guān)系(圖中l(wèi)nN為計(jì)數(shù)率的對(duì)數(shù)),如圖6所示,可以看到隨著實(shí)驗(yàn)樣品密度的增加,軟譜計(jì)數(shù)率逐漸減小,這是因?yàn)殡S著樣品密度的增加,康普頓散射截面增大,更多的入射伽馬射線發(fā)生散射過(guò)程,導(dǎo)致到達(dá)探測(cè)器的計(jì)數(shù)率減小,這和密度測(cè)井理論及實(shí)際測(cè)井結(jié)果相符[12]。

圖6 軟譜計(jì)數(shù)率和樣品密度關(guān)系圖

6 實(shí)驗(yàn)拓展

在完成前述放射性密度測(cè)量實(shí)驗(yàn)、深刻理解密度測(cè)井原理的基礎(chǔ)上,要求學(xué)生進(jìn)一步拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,主要包括:

(1) 建立密度響應(yīng)公式。在圖6數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,以單探測(cè)器密度測(cè)井響應(yīng)公式為目標(biāo)函數(shù),建立實(shí)驗(yàn)室條件下的探測(cè)器軟譜計(jì)數(shù)率密度響應(yīng)公式。

(2) 石英砂堆積密度測(cè)量。要求學(xué)生選擇不同粒度大小的石英砂堆積成具有不同堆積密度的石英砂堆積樣品,測(cè)量不同樣品的透射伽馬能譜,結(jié)合建立的密度響應(yīng)公式,分析如何計(jì)算石英砂堆積樣品的密度。

(3) 光電吸收截面指數(shù)——巖性測(cè)量。要求學(xué)生計(jì)算實(shí)驗(yàn)樣品的光電吸收截面指數(shù)Pe值,結(jié)合測(cè)量得到的透射伽馬能譜中的硬譜強(qiáng)度,分析影響硬譜強(qiáng)度的因素,并進(jìn)一步體會(huì)如何結(jié)合軟譜強(qiáng)度校正康普頓散射的影響,利用硬譜計(jì)算Pe值,深刻理解巖性—密度測(cè)井物理過(guò)程及測(cè)量原理。

7 結(jié)語(yǔ)

為了能讓學(xué)生在低輻射環(huán)境下進(jìn)行放射性密度測(cè)量實(shí)驗(yàn),利用常見(jiàn)的工業(yè)KCl粉末中的40K代替放射源設(shè)計(jì)密度測(cè)量裝置,選擇合理的實(shí)驗(yàn)測(cè)量樣品,讓學(xué)生親自動(dòng)手采集伽馬能譜,分析透射伽馬能譜特征,有助于學(xué)生直觀形象地學(xué)習(xí)伽馬射線和物質(zhì)相互作用過(guò)程、深入理解密度測(cè)量原理。實(shí)踐結(jié)果表明,該實(shí)驗(yàn)不僅加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)物理原理的理解、激發(fā)學(xué)習(xí)積極性,而且提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力,培養(yǎng)了獨(dú)立思考和創(chuàng)新素質(zhì),能夠達(dá)到工程教學(xué)專業(yè)認(rèn)證的要求。近2年,分別有多名學(xué)生連續(xù)獲得2015年和2016年全國(guó)大學(xué)生測(cè)井技能大賽特等獎(jiǎng)和一等獎(jiǎng),本文設(shè)計(jì)的無(wú)源密度測(cè)量實(shí)驗(yàn)的實(shí)施和支撐發(fā)揮了重要的作用。

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Design of teaching experiment of sourceless radioactive density measurement

Wang Xinguang, Zhang Feng, Yu Huawei, Tan Baohai, Li Huiyin

(China University of Petroleum (East China), School of Geosciences, Qingdao 266580, China)

In order to inspire students’ learning interests and improve their operation capability, a teaching experiment of sourceless radioactive density measurement is proposed. This experiment is put forward based on the requirements of engineering education accreditation for Exploration Technology and Engineering specialty. Aiming at the understanding of methods and principles of radioactive density logging well, this paper describes the information of the experiment, including sample preparation, experiment facility and measurement procedure. Additionally, the teaching performance and effect are evaluated as well. The teaching results reflect that such experiment could motivate students’ interests and eliminate their fears on radioactivity experiments. Besides, this experiment can help them to lay solid foundation and improve their innovative and practical ability. The consequences suggest that the design can meet the requirements of engineering education accreditation better as well as the requirements of “Excellent Engineers Plan” for Exploration Technology and Engineering specialty.

density well-logging; radioactive experiment; sourceless measurement; engineering education accreditation

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.043

2016-11-15 修改日期：2017-01-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41504099)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2015DQ003)；中國(guó)石油大學(xué)(華東)青年教師教學(xué)改革項(xiàng)目(QN201502)；中國(guó)石油大學(xué)(華東)研究性教學(xué)改革項(xiàng)目(YK201502)；核技術(shù)與應(yīng)用教育部研究中心開(kāi)放基金項(xiàng)目(HJSJYB2014-2)

王新光(1985—),男,山東煙臺(tái),博士,講師,從事放射性測(cè)井方法教學(xué)與研究工作.

E-mail：wangxinguang_1985@163.com

G642.423

A

1002-4956(2017)5-0174-04