能谱结构

能谱结构（共5篇）

能谱结构 篇1

1 研究背景

自准晶体发现以来, 对于这种新型结构的研究和探索, 激起了人们的研究兴趣。在过去的几十年中, 准晶体的研究也取得了很大的进展。尤其是在一维准晶体方面进行的研究工作更为丰富和具体。由于一维准周期结构容易从理论上构造, 所以有各种各样的一维模型相继被提出来研究。最具代表性的有菲波那契序列、广义菲波那契序列、菲波那契类序列、图厄-莫尔斯序列、两元准周期SML序列以及伽罗华序列等等。不过, 从严格意义上来讲, 有一些模型并不属于准周期序列, 只能说是有确定排列规则的非周期序列。那么以上提到的这些一维非周期序列在电子能谱结构上又有什么关系呢?本文主要选取了两种比较有代表性的序列进行了分析比较。

2 构造方法

一维菲波那契序列是以兔子繁殖的方式作为类比来产生的:一只母兔 (1) 在每一代生一只子兔 (0) , 而子兔在下一代将长大成为母兔, 这样无限地生长下去, 得到的一个序列:1011010110110……具体可由以下替代关系来得到:0→1, 1→10, 这种方法被称为替代法。

一维伽罗华序列 (p=2, m=10) 的构造方法不同于一维准周期序列等其它一维有序序列的构造, 它没有相应的替代规则。不过可以通过一个不可约多项式来找到对应的递推关系式。为了便于得到类似于产生上述两种序列的替代规则, 本文主要利用的是如下递推关系式:ak+10=ak+3+ak。若再给出初始条件a1～a1 0的值 (1或0, 但不能全为0) , 则可以得到相应的序列。

3 能谱结构

为了便于比较两种序列的电子能谱结构, 在数值计算它们的电子性质时, 两种系统都含有1023个原子, 所选取的参数为:ε1=.05, ε1=.05, 跨越积分t从-0.1～-1.0共十个值。

图1是紧束缚模型下的伽罗华序列座模型的电子能谱结构图, 我们发现当跨越积分比较弱的时候, 电子能谱主要由两个部分组成, 这是由于跨越积分很弱, 原子之间的耦合作用不强, 从而使得两种不同座能量的原子各自形成独立的能谱结构。但当跨越积分增大时, 原子之间的耦合作用加强, 能谱开始分裂, 并且随着t的增大, 出现了越来越多的能级直到最后发生交叠。但是我们根本找不到明显的能级分裂规律和有规则的能谱结构。由此可见, 一维伽罗华序列的电子能谱结构没有明显的规则性。

图2是菲波那契序列的电子能谱结构。从图中我们可以看出, 菲波那契序列的电子能谱结构是四主支的结构, 随着t的增大, 能谱结构发生分裂但相互不发生交叠, 仍旧保持四主支的结构。它与伽罗华序列无规的电子能谱结构的分裂与交叠是完全不同的。此外, 各主带的子能带将再无限地两分裂下去, 这些菲波那契座模型的能谱分支性质都是伽罗华序列所不具备的。

4 结语

不同于周期和无序结构, 非周期序列极为丰富, 产生它们的数学方法也多种多样, 而最终表现出的物理性质也会有所差别。本文集中研究了两种序列的电子能谱结构, 分析了它们在能谱结构上的区别。结果表明:在所研究的两种序列中, 伽罗华序列的电子能谱结构没有明显的规则性;菲波那契序列的电子能谱结构具有自相似性。本文的研究结果加深了我们对一维非周期序列的电子结构的理解。

参考文献

[1]Levine D., Steindardt P.J.Quasicrystals:A New Class of Ordered Structures.Phys.Rev.Lett., 1984, 53 (26) :2477～2480.

[2]刘有延, 傅秀军.准晶体[M].上海科技教育出版社, 1999.

能谱连续示踪测井技术的应用 篇2

能谱连续示踪相关流量注入剖面测井技术是组合式测井方式, 在常规同位素示踪剂测井基础上融入了相关流量测井和能谱分析测井, 为复杂注水条件下注入剖面测井提供了新的思路和方法, 对于甄别、消除沾污的影响具有明显的技术优势。

1.1 相关流量测井技术的原理及特点

相关流量测井技术的基本原理是将活化的聚合物液体喷入井内, 用伽马仪器连续追踪其运行轨迹, 从而确定注入剖面各个位置的运行速度, 如图1所示。

从图1中可见, 放射性脉冲在不同曲线上所处的深度位置和时间各不相同, 可以根据这些不同的测量曲线确定测量分段及分层流量。

相关流量测井技术能避免大孔道、粘污、漏失等因素对同位素测井的影响, 使结果更为可信;能够有效确定套管漏点和封隔器漏失情况, 为修井作业提供依据[1]。

1.2 放射性同位素示踪法的原理及优缺点

同位素示踪测井是在注水条件下将同位素注入井内, 随着注入水的流入, 同位素滤积在注水层表面, 用伽马仪测取示踪曲线, 曲线上显示的放射性强度的差异就代表了注入量的大小 (图2) 。

优点:对合注井都适用, 应用比较广范。

缺点:1沾污:当油管和套管内壁有油污或放射性颗粒比重大于水较多时, 会造成油、套管壁和接箍工具严重粘污, 影响测量准确性。2大孔道:当地层射孔孔眼深度较大或地层孔隙大于放射性颗粒时, 其进入地层较深, 或在孔眼中分布不均匀。伽马仪测不到放射强度数据, 测量的数据受其与仪器水平距离影响, 造成严重误差, 以致数据无法使用。3管外窜槽:若存在管外窜槽, 同位素载体可沿着管外水泥环通道进入未射孔地层, 资料常显示曲线在未射孔层段有较大的幅度异常, 这种曲线特征与沾污相似。另外, 对于低注入量的笼统井, 上返距离较长 (大于100m) 。由于同位素比重不完全等于水的, 下部造成堆积, 向上无法到达最上面的吸水层, 对解释结果影响较大。

1.3 能谱测量原理

伽马能谱测井技术可以对同位素异常区域进行精确鉴定, 从而确定污染粘污位置, 完成异常粘污校正及判断窜槽, 提高解释精度。每种放射性核素都有自己的特征峰谱, 通过全谱分析法可以找到某种核素在某个位置的射线数量[2]。伽马射线通过套管水等物质时会产生光电效应、康普顿散射、俘获及衰减等各种核反应, 从而使不同能级的射线数量产生改变。对测量特定同位素的伽马射线进行全谱分析及强度累计, 可以得到同位素所在位置及射线强度大小。

1.4 一体化组合测试, 提高解释精度

相关流量测井和常规同位剖面测井进行归一改进, 一次下井实现两种测井方式, 基本解决了大孔道吸水、裂缝吸水和小层划分问题。但是由于对同位素沾污问题没有从根本上解决, 对窜槽、沾污以及工具在层上时是否有粘污等问题无法解释和评价。

在同位素异常位置配合自然伽马能谱测井仪, 可以定点采集其能谱, 经过解谱分析可识别此处同位素是层位吸水, 还是串槽、粘污, 并可定量消除沾污对解释结果造成的不良影响。对解决上述问题有了根本性突破, 3种井下测井仪器实现了配接一体化, 提高了测试效率和解释精度。

2 能谱连续示踪测井仪器及方法

2.1 测井仪器

测井仪器由地面操作系统和井下仪器组成。井下仪器为:能谱测井仪、四参数组合仪、双示踪释放器, 可测量压力、流量、温度、自然伽码、节箍5个参数。

地面操作系统与井下仪器可双向通讯, 仪器可工作于五参数连续测量和能谱定点测量两种状态。也可根据需要下挂持水、涡轮流量等参数进行产液剖面测量。

2.2 测井方法

1) 测井时先测温度、压力、磁定位、双伽玛曲线, 用于校深和比对。

2) 在定点处释放液体同位素, 释放后连续上提、下放, 追踪峰值 (不低于5条曲线) , 直至示踪剂峰值完全消失。放射性脉冲在不同曲线上所处的深度位置和时间各不相同, 可以根据这些不同的测量曲线计算注入井各个层段的注入量[3]。

3) 上提测取自然伽玛曲线基线 (如果没有液体同位素残留可以省略此步骤) 。

4) 定点释放固体同位素, 测量同位素分布曲线, 监测多条曲线, 最终选择最后的3条上提曲线作为正式资料进行解释, 定量解释水量[4,5]。

5) 用能谱仪识别同位素异常显示, 通过谱型判断粘污位置 (油管内、油管外、套管内) 。

2.3 能谱连续示踪测井技术的适用范围

1) 该技术的应用范围较广, 适用于合注井、分注井、注水井和注聚井。

2) 对二三类油藏 (高压, 低渗) 的测试具有很好的应用效果, 对调剖工作具有指导意义。

3) 测井解释成果可提供丰富的信息量。在提供地层吸入量 (地层的绝对、相对吸入量) 的同时, 还可以提供井下管柱结构及井下工具的工作状况。如配水器是否吸水情况, 以及吸水量的多少;封隔器是否密封完好, 如有漏失, 漏失量的多少;油套管是否有漏点以及漏失量的大小等。

3 能谱连续示踪测井技术的适用范围和应用效果分析

3.1 单井应用分析

3.1.1 应用实例1:大孔道井示踪相关流量与吸水剖面对比

XXX井为二级配注, 先后用示踪相关流量测井技术和其他吸水剖面测试技术进行了对比测试, 测试结果差异比较大 (图3) 。

示踪相关流量测井:P1、P2两个水嘴均吸水, 绝对吸水量分别为58m3/d和53.6m3/d, 两个水嘴之间的封隔器从下向上漏失。进入P2水嘴的水有39.2m3/d上返通过封隔器进入到1号层中, 进入P1水嘴的水全部进入1号层中, 此层为强吸水层 (大孔道层) 。

其他吸水剖面测试结果:在水嘴、封隔器、节箍等处均有粘污。解释结果为:1号层微吸, 2号层主吸, 对封隔器漏失情况不能给出正确判断;对于大孔道层解释误差很大;配注井粘污较严重。

3.1.2 应用实例2:同位素异常识别实例

XXX井在1 767m处同位素异常高值, 经能谱测试为悬浮粘污。图4是同位素异常测井图, 图5是该井在1 767m的点测能谱图。

3.1.3 应用实例3:井下结构漏失情况判断

XXX井为二级配注井, 2012年6月15日进行相关流量测试, 共释放二次示踪剂 (图6) 。

第1次在P2水嘴上方释放, 示踪剂全部进入P2水嘴后, 在油套环空上返越过了封隔器后又过了最上面的射孔层;第2次在P1水嘴上方释放, 示踪剂一部分进入P1水嘴, 一部分向下进入P2水嘴, 进入P1水嘴的水在油套环空中向上流动。

该井的井口注水40m3, 测试绝对吸水量7 m3, 判断上部套管有漏点。接着进行了找漏追踪测井, 追踪至374m处, 曲线出现异常峰, 示踪剂逐渐进入地层, 判断此处套管漏。继续追踪测试, 有一部分继续向上, 说明上面有窜槽 (图7) 。

2012年9月5日根据测试结果, 结合现场施工, 对该井实施了套补作业, 试压19MPa合格, 套补成功, 2013年8月的测试结果说明, 套管完好, 封隔器密封良好。

3.2 区块应用分析

采油二厂七东聚驱试验区在2006年注聚时, 因为缺乏合适注聚环境的测井技术, 因此在测试时都必须改注清水进行测试, 技术不完善。总结该技术在其他领域的成熟验证, 针对30×104t聚合物扩大区的测试问题, 采用了能谱连续示踪测井技术进行剖面测试, 实现了实境测试, 真实反映聚驱状态下的剖面动用。2014年选择调剖33口, 指导完成27口, 2015年对全区产聚浓度发生变化的52口井开展剖面测试, 其中37口井测试成果得到油藏管理人员应用, 用于指导调剖工作, 在全区见聚较高、注入压力较低的区域实现了调剖井的覆盖 (图8) 。

典型见效井T71748井:邻近水井于2015年4~7月调剖。调剖后, 油水井的剖面动用变好, 油井的含水下降, 油井呈上升趋势。

对比全区产液剖面, 高液量、高含水层产液量变化不大, 含水有所下降;低液层液量上升。

吸水厚度动用提高, 厚度动用由72.6%提高到84.2%, 剖面趋向均匀。

4 结论

连续示踪相关流量注入剖面测井技术从地面采集系统研发、测井软件编写、井下测井仪器研制、测井施工工艺的改进到资料解释方法研究、资料解释软件编写都应用了全新的设计理念, 形成了一套完整的测井新方法。解决了注聚井在黏稠的注聚液环境下测试难的问题, 为油田的三次开发和调整奠定了基础。

摘要：能谱连续示踪相关流量测井技术是一种提高油田注入剖面测井解释精度、对吸水剖面精细定量解释的新技术服务, 为注入剖面分层吸水、沾污校正、油层窜槽、大孔道吸水 (单层突进) 、工具失效漏失等提供准确的地质参数。首次将同位素示踪测井技术、相关流量测井技术、伽马能谱测井技术这三种方法融为一体, 实现了测井仪器的一体化, 实现了固液两种同位素同时下井、分次释放, 并结合伽马能谱测井技术, 实现了定量理论计算。三种测井方法相互校正, 从理论上实现了吸水剖面全定量精确解释的目的。

关键词：能谱测井,注聚井,注入剖面测井

参考文献

[1]陶宏.注入井连续相关测井技术研究[J].内江科技, 2014, 35 (7) :79-80.

[2]李宗瑾, 宋会新.连续示踪相关流量测井技术中的液态源与固体源对比研究[J].中国新技术新产品, 2013 (22) :4.

[3]李晓霞.注入剖面连续示踪相关测井技术的应用[J].石油仪器, 2012, 26 (3) :70-72.

[4]姜文达.放射性同位素示踪注水剖面测井[M].北京:石油工业出版社, 1997.

一种辐射能谱数据采集新方法 篇3

传统γ幅射能谱分析均采用γ幅射脉冲的峰值采样保持、A/D变换法。电路复杂,成本高,在高强度测量时,脉冲易于堆积,造成能量分辩率下降。笔者于2009年作为主要骨干,在完成海南省教育厅“网络型家居辐射测量系统研制”科研科题过程中,提出了对幅射信号“动态RC成形,定时峰值采集”的能谱数据采集新方法。

1 γ能谱仪传统峰值采样法

γ幅射是非周期的随机事件,γ幅射脉冲是宽度仅为几微秒到十几微秒的尖脉冲。如何采集γ幅射脉冲的峰值,目前主要有两种方法,即将γ幅射脉冲的峰顶展宽A/D变换法(模拟多道)和连续采样数据处理法(数字多道)。

1.1 模拟多道采样法

A/D变换需要一定的时间,通常远大于γ幅射脉冲宽度。所以传统能谱仪都是利用繁杂的采样保持电路、成形电路、基线恢复电路等,将幅射脉冲峰值采样保持,完成A/D模数变换[1]。

当A/D变换时间较长时,采用峰值采样保持电路;当A/D变换时间较短时,可采用钟型(准高斯波形脉冲)脉冲成型电路。

1.2 数字多道采样法

近年来,随着微处理器功能的强大,为提高多道分析的精度,获取更多的信息,出现了数字多道采样法[2,3]。即利用视频A/D采样卡,对输入信号高速连续采样(采样频率高达100M-1G)[4],获取辐射脉冲各瞬间的幅度大小数据。然后根据采样原理,进行脉冲图像再现,用曲线拟合或数据处理软件Lab VIEN、MATLAB等对数据进行处理,获取峰值大小。

这种方法能大大提高多道分析的精度。但电路复杂,数据量极大,仪器庞大,成本高,仅适用于科研、实验室内多道分析。

2 闪烁探测器输出脉冲形状分析

闪烁体受幅射激化发光,光子转换为光电子经光电倍增管倍增极形成阳极电流脉冲Ia。通常,在闪烁探测器的输出端接一个RC并联网络(如图一(a)所示),将其转换为电压脉冲。用拉氏变换求解得:

式(1)中:y(t)为输出电压值;

Uo为RC为无穷大时y(t)值,等于Q/C;

H(t)为阶跃函数,t≥0,H(t)=1;

τ2为RC并联网络的时间常数,其值为RC;

τ0为τ莹光。

图一(b)画出了各种τ/τ莹光比值下,闪烁计数器后接并联网络电压成形电路,输出电压脉冲的形状。

使用中,必须选择τ>τ莹光,通常选择τ>10τ莹光,以免脉冲幅度损失和对信号有贡献的光阴极电子数目减少。

3“动态RC成形、定时峰值采样”的理论基础

3.1 动态RC时间常数

RC成形电路输出的γ幅射脉冲虽然是一个尖脉冲,但在前、后沿转换的脉冲顶部,幅度变化为0,有一个短暂峰值平稳区间。输出脉冲的幅度和峰值平稳区间的长短取决于阳极RC电路的时间常数。当RC时间常数远大于闪烁体的发光衰减时间时,电压脉冲幅度最大,近似于Q/C;同时,峰值平稳区间很宽,这时有良好的脉冲幅度分辨力。但这时,脉冲宽度增大,拖尾很长,在高计数时很容易发生堆积和叠加(如图二),造成能谱峰变宽,能量分辩率下降。

当RC电路时间常数调整到相当于闪烁体的发光衰减时间时,得到输出幅度小而窄的快脉冲。这对高脉冲计数率是一个优点,与此同时,要损失一点脉冲幅度和分辨率。

为汇合这两种方案的优点,我们采用了《动态RC时间常数成形》:“用微处理器采样、判断和调整RC时间常数。在幅射脉冲的前沿和A/D变换采样时间内,微处理机调整RC时间常数远大于闪烁体的发光衰减时间,获取接近于Q/C的辐度以及较宽的平稳顶部,以适于《定时峰值采样》。当A/D变换结束时,立即调整RC时间常数远小于闪烁体的发光衰减时间,消除拖尾”。这样既能有良好的脉冲幅度分辨力,脉冲又不过宽,适于高计数率测量。

3.2 定时采样

由式(1)可知,若每次采样测量时t为固定值,y(t)=KUo。y(t)与Uo成正比,采样值也就和幅射能谱成正比。定时采样进行能谱分析的关键是确保每次采样测量时的t为固定值时,其定时误差在一个很小的范围内。在这个范围内的采样误差远小于允许测量误差。要做到这一点,就必需有下述的一个基础,并解决三个关键问题。

(1)基础是微处理器和A/D的速度能够满足定时采样的要求

因为要在脉冲顶部很窄的幅度平稳区间(近百纳秒)完成采样,这就要求A/D的转换时间远小于这个时间,微处理器的速度足够快,在这个时间内,能够完成控制采样工作。

当今迅猛发展的微电子工业为“动态成形,定时采样”提供了这样的器件。在我们研制的γ幅射能谱仪中选用了一拍流水线作业,机器周期为25ns的微处理器和A/D转换时间为50ns的高速视频A/D。

(2)关键之一,动态RC成形

用软件工具FUNC1仿真计算,如图三所示。

当τ2=5000ns,τ0=250ns时,极值点在788ns处,取Δ为7.25ns,从716ns-869ns处,宽度153ns范围内,y(t)误差小于千分之二;

当τ2=10000ns,τ0=250ns时,极值点在946ns处,取Δt为5ns,从848ns-1059ns处,宽度211ns范围内,y(t)误差小于千分之二。当τ2=10000ns,τ0=250ns时,极值点在945ns处,取Δt为5ns,从895ns-995ns处,宽度100ns范围内,y(t)误差小于万分之四;

当τ2=5000ns,τ0=250ns时,极值点在788ns处,取Δ为5ns,从738ns-838ns处,宽度100ns范围内,y(t)误差小于万分之九。

分析数据整理成表一。可看出,动态RC成形电路在幅射脉冲前沿和A/D转换期间,只要调整RC大于20τ莹光(5000ns),脉冲幅度就能达到最大值的85%,顶部平缓处y(t)误差小于千分之二(9位A/D的分辨率LSB)的宽度就不小于150ns,能满足“定时采样”的要求。若调整RC大于40τ莹光(10000ns),脉冲幅度就能达到最大值的91%,顶部平缓处y(t)误差小于万分之四的宽度就不小于210ns,达到11位A/D的分辨率(LSB)的要求,能满足“定时采样”的要求。

动态RC成形,指在脉冲前沿和A/D变换期间,调整RC时间常数远大于闪烁体的发光衰减时间,获取最大的幅度和足够平缓的顶部。而当采样变换结束时,立即调整RC时间常数远小于闪烁体的发光衰减时间,消除拖尾,适于高计数率测量。

(3)关键之二,脉冲起点(t=0)定位精度

寻找脉冲起点(t=0),给出0起点信号,并保证起点时间定位误差要小于一定值是第二个关键。可采用高速电压比较器作为起点判别电路。当有辐射脉冲输入时,脉冲前沿触发电压比较器,输出起点信号。

采用电压比较器确定脉冲起点随着甄别阈值的大小有一定的定时误差。固定甄别阈值,幅度不同的脉冲,误差大小还不一样,幅度越小,定时误差越大。利用FUNI仿真软件求解不同阈值、不同幅度时的定时误差。我们将甄别阈值选为30mv时,25CH脉冲的定位误差为13.1ns;30CH脉冲的定位误差为10.1ns;20CH脉冲的定位误差为16.6ns。

(4)关键之三,定时采样

要在规定时刻(脉冲峰顶平缓处)去读取A/D变换值。我们选用视频高速A/D,采用20M时钟,A/D变换时间是50ns,但有100ns的延迟时间。

脉冲起点定位到读出(采样)的最少时间是24个时钟周期(600ns),采样定位最大误差为微处理器一拍指令周期25ns,采样定时总误差为38ns(脉冲起点定位最大误差13ns+采样定位最大误差25ns)。再加上A/D转换时间50ns,只要脉冲顶部平坦部分宽度大于88ns就满足要求。

我们采用动态成形电路,前沿大时间常数,取RC=20τ莹光(5000ns),对于8位A/D,误差小于0.5LSB的范围宽度为143ns,完全满足要求。

4 γ能谱仪定时采样法

γ能谱仪定时采样法就是“定时到辐射脉冲顶部平坦处进行并完成能谱采样分析,由脉冲顶部起伏及定时误差造成的系统误差小于测量误差”,其电路框图如图四。它由“动态成形电路”、“0时刻检测电路”、“视频A/D”及“高速单片机”组成。制作256道能谱仪,采用8位A/D,精度为0.5LSB=9.77mv,和线路交流噪声水平10mv相当,为满量程的千分之二。

“动态成形电路”取前沿大时间常数,RC=20τ莹光(5000ns),取脉冲宽度1.5μs,满足高计数率测量的要求。这时其极值点在788ns处,从716ns-869ns,宽度143ns范围内,y(t)误差小于千分之二。

“0时刻检测电路”检测辐射脉冲起点,甄别阈值选为30mv(约相当于A/D第1.5道的电压值)。对25道以下的散射射线(约小于300Kev)的数据不要,这样“0点”定位时间的最大误差小于13ns。

“0时刻检测电路”输出信号作为外部中断信号触发单片机,单片机响应中断读取A/D变换值,读出采样值的最少时间是24个时钟周期(600ns,包含了A/D读出延时的150ns)。我们可通过汇编语言指令调整,将采样点定在760ns处(平坦顶部的30%处)。A/D变换时间是50ns,采样定位时间最大误差为25ns(该误差为正负误差),“0点”定位时间的最大误差小于13ns(该误差全为负误差)。整个定时采样法的定时误差不大于38ns。如图五所示,将采样点定在910ns处,760ns-810ns为A/D转换时间(有150ns的读出延迟时间)44ns,大于最大时间定位误差区间。这样就确保了γ能谱仪定时峰值采样法的实现,确保了A/D变换的精度。

图六所示的是动态RC成形电路的框图,它是一个受微处理器控制、时间常数可变的阻容网络。微处理器不断对输入辐射脉冲的前后沿时间与进程进行监测、判断,动态地调整阻容网络RC时间常数。在幅射脉冲的前沿和A/D变换采样时间内,微处理机调整使RC时间常数远远大于闪烁体的发光衰减时间,以便获取最大的、近似于Q/C的脉冲幅度和较宽的脉冲顶部,确保定时峰值采样的精度。而当采样变换结束时,立即调整RC时间常数远小于闪烁体的发光衰减时间,消除幅射脉冲的拖尾,使幅射脉冲在高计数率时也不易堆积和叠加。这样既能有良好的脉冲幅度分辨力,脉冲宽度也仅为1.5μs,适于高计数率测量。

图七就是采用动态RC时间常数时γ幅射脉冲的波型。

5 结束语

在笔者研制的γ幅射能谱仪中,用微处理器调整闪烁探测器成型电路RC时间常数。在脉冲前沿和A/D变换采样时间内,取RC时间常数远大于闪烁体的发光衰减时间,获取较大的脉冲辐度以及较宽的平稳顶部;在平稳顶部用视频A/D在固定的时刻完成能谱采样分析;在幅射脉冲的后沿,迅速减小RC电路时间常数,消除幅射脉冲的拖尾,达到了预期目标。目前该方法正在用于γ幅射能谱测井仪的生产。

摘要：本文提出了对幅射信号“动态RC成形,定时峰值采集”的能谱数据采集新方法。该方法能有效地减少高计数率时的脉冲堆积现象,提高闪烁探测器的能量分辨率。

关键词：动态RC成形,定时峰值采集,多道脉冲幅度分析,闪烁探测器

参考文献

[1]何为民.智能放射性勘查仪器[M].北京:原子能出版社,1994.

[2]核辐射脉冲全数字化分析与传统谱仪对比分析[M].中国仪器仪表学会第九届青年学术会论文集2007.

[3]数字化核辐射脉冲峰值获取研究第13届全国计算机、网络在现代科学技术领域的应用学术会议论文集.2007.

能谱结构 篇4

铀矿石中含有种类繁多的放射性核素，我们通常感兴趣的是其中的238U、232Th、226Ra及40K。

一般的野外γ能谱测量由于受野外复杂环境的影响和测量仪器性能的限制，使得测量结果的误差很大;而室内HPGeγ能谱仪不但在仪器性能方面比野外用的谱仪优越许多，而且由于样品是放置于低本底铅室内的，使得环境条件的影响大为降低;同时HPGeγ能谱法可同时测量多种放射性核素，且制样简单，对样品无任何特殊要求，不需分离，只需将样品粉碎、烘干、过筛、称量、装入样品盒并密封后即可进行测量，是一种准确、非破坏性地测定待测样品中的具有γ辐射类型的放射性核素含量的方法。

笔者采用该方法对13个铀矿样品进行了测量，并对实验中遇到的问题做了讨论。

1 实验装置和标准物质

1.1 HPGeγ谱仪

本次实验所采用的仪器为美国ORTEC公司的GEM30P4型HPGe同轴γ谱仪，能量分辨率为1.85KeV (对Co-60的1.33MeV) ，相对探测效率为30%，峰康比为60，积分本底为2.5s-1。

1.2 铅室

铅室的室壁厚10cm，内衬1mm铜和5mm的有机玻璃，内腔φ500×400mm。

1.3 样品盒

样品盒采用核工业地质研究院分析测试中心提供的塑料柱型马林杯φ75×70mm。

1.4 标准物质

铀矿标准物质是由核工业北京地质研究院提供的国家一级标准物质：GBW04129铀矿石中铀、钍、镭、钾成分分析标准物质，其标准值及不确定度见表1。

2 实验方法及结果

2.1 样品制备

2.1.1 待测样品制备

对铀矿样品经过粉碎、过筛、混匀、烘干、装样、称量后装入马林杯，密封四周左右使238U、232Th、226Ra与它们的子体处于长期平衡。

2.1.2 标准样品制备

将所用标准物质经过烘干、装盒、称量后装入马林杯密封待测。

经制备过程后用于测量的样品质量见表2。

2.2 能量刻度

选用混合标准源对谱仪进行了能量刻度。刻度时选7种能量的γ射线：63.3、92.6、185.7、351.1、609.3、1120.3、1764.5KeV。

2.3 特征辐射能量选择

用于核素分析的特征γ射线能量和分支比见表3。

选择特征辐射能量的原则为：

1)尽可能直接测量核素自身衰变产生的γ射线，如果不行才测量其子体的γ射线。当母体与子体达到长期平衡后，母体与子体的活度相等;

2)选择能力合适，γ射线分支比较大的特征能量，并同时测量几个不同能量的特征γ射线强度。推荐对于238U测量2个两个不同能量的特征γ射线强度，对于226Ra、232Th测量5个不同能量的特征γ射线强度，对于40K测量1个能量的特征γ射线强度。

2.4 测量方法

采用相对测量方法测量铀矿样品中238U、232Th、226Ra和40K的含量。

测量时将样品直接放置在探测器顶端上收集谱数据。标准样品与待测样品的测量时间为10000S，本底测量时间为160000S。

采用MAESTRO for Windows软件进行谱数据获取和解谱分析，在计算出标准样品和待测样品谱中各特征峰的全能峰净面积后，按式(1)计算出标准样品的刻度系数Kji，则被测样品中第j种核素的比活度可用式(2)计算。

样品中238U、232Th、226Ra和40K的比活度由所选各特征峰计算比活度的平均值给出，然后由式(3)将活度值转换成含量值。

式中：Kji-各个标准样品的刻度系数;mj-第j种核素的含量;

Sj-第j种核素标准样品的活度，Bq;λj-第j种核素的半衰期;

Ajis-第j种核素标准样品的第i个特征峰的全能峰面积，计数/s;

Qj-第j种核素的比活度，Bq/Kg;NA-阿伏加德罗常数，6.02×1023;

Aji-被测样品第j种核素的第i个特征峰的全能峰面积，计数/s;

Ajib-与Aji相对应的光峰的本底计数率，计数/s;nj-第j种核素的原子量;

W-被测样品质量，Kg。

2.5 结果

样品的测量结果见表4。

注：置信度为95%

由实验结果可以看出，238U的测量结果偏差最大，这是因为测量238U时所选的特征峰为其第一代子体234Th的两个特征峰63.3KeV和92.6KeV，属于低能γ射线段，最易受自吸收效应和其它核素γ射线、X射线等的干扰。而其它三种核素所选的特征峰的能量相对要大些，所以所受干扰就相对较小。

3 讨论

HPGeγ能谱法虽然测量准确度比较高，但其测量结果也会存在一定的误差，主要来源于以下几个方面。

3.1 自吸收效应

由于待测样品和标准样品在介质密度、组成成分、样品体积等方面存在差异，这就使得不同样品受到γ射线自吸收效应影响的程度不同，尤其是对低能的γ射线，这种差异更大。可以通过对样品和标准样品进行自吸收校正来减少这种误差。

3.2 其它核素的干扰

铀矿中所含的核素种类繁多，这就会使测量中选用核素的γ射线特征峰受到来自其它核素的γ射线、X射线等的干扰。比如对238U的测量采用的是其子体234Th的63.29和92.59KeV的特征峰，而92.59KeV的γ射线峰会受到228Ac和235U的93.35KeV的X射线Kα1的干扰，由此对测量结果带来影响。可以通过计算干扰系数来减少这种误差。

3.3 放射性平衡的影响

由于铀矿中的各放射性核素系列不一定处于放射性平衡状态，如果在平衡状况不明的前提下，盲目的采用衰变系不同子体的特征γ辐射来测定母体的含量，就会给测定结果带来一定的误差，所以在放射性平衡状况不明时尽可能直接测量核素自身衰变产生的γ射线，如果不行才测量其子体的γ射线。

3.4 其它方面

除以上方面外，影响测量误差的因素还有由待测样品和标准样品的全能峰计数的计数误差导致的样品活度的测量误差;由标准样品的放射性活度的误差引起待测样品活度的测量误差;由待测样品含有一定水分，没有标准样品那样足够干燥，引起的测量误差等。

由此可以看出室内HPGeγ能谱法分析铀矿样品虽然有其优越性，但还是有许多问题需要解决，这就要求我们相关工作者继续深入研究，共同努力。

摘要：本文主要介绍了室内HPGeγ能谱法在测量铀矿样品中238U、232Th、226Ra及40K含量的应用。所用仪器为HPGe同轴γ谱仪, 并带有配套的低本底铅室、谱分析仪和谱处理软件;测量方法采用相对测量法;所用标准物质为国家一级铀矿标准物质。并采用该方法对13个矿石样品和一个全国比对样品进行了测量, 通过实验说明该方法在分析铀矿样品时具有制样简单、测量准确、采用非破坏性测量、可同时测量多种放射性核素等优点, 并对实验中遇到的问题做了讨论。

关键词：HPGe,γ能谱,铀矿,核素

参考文献

[1]吴治华, 等.原子核物理实验方法[M].原子能出版社, 1997, 258.

[2]刘运祚.常用放射性核素衰变纲图[M], 北京:原子能出版社, 1982.

[3]朱文凯, 等.两套HPGeγ谱仪测量土壤样品的测量结果比对分析[J].核电子学与核探测技术, 2005, 25 (2) :150.

[4]刘兆华, 环境样品放射性活度用HPGeγ谱仪测量的误差来源分析[J].中国辐射卫生, 2005, 14 (2) :147.

[5]GB-11743-89.土壤中放射性核素的γ能谱分析方法.

[6]张小林, 等, 环境水平样品中放射性含量的γ能谱分析[J].核电子学与探测技术, 2005, 25 (4) :406.

[7]苏琼, 等.天然放射性核素活度γ能谱测量中若干问题的思考[J].核辐射防护通讯, 2001, 21 (2) :8.

[8]林朝, 等.平面型高纯锗低能γ谱仪测定铀矿中235U、238U、226Ra及232Th含量[J].铀矿地质, 1989, 5 (2) :117.

[9]GBW04129铀矿石中铀、钍、镭、钾成分分析标准物质证书.

佰元真假钞光谱和能谱的分析比较 篇5

假币的识别,通常采用一看、二摸、三听、四测的方法,即通过肉眼观察防伪光变油墨、水印、安全线、微缩字符和隐形数字以及古钱币阴阳互补对印图案,手感头像和盲文标记凹凸情况,抖动钞票辨别声响,或通过验钞机直接辨别等方法,都可以对各种不同的假币直接进行识别。本文通过现代仪器测试分析方法,如红外光谱、拉曼光谱以及电子探针/能谱等仪器分析方法,分别对1990版的佰元真假纸币对应的多个部位进行测试,并对两种纸币的测试结果进行比较和分析,找出两者的差异,从光谱和能谱的分析角度对假币进行鉴别。

1 实验仪器与比对纸币样品

1.1 实验设备与仪器

WJD XD2111信达智能防伪点钞机(沈阳信达仪器仪表制造有限公司);VECTOR33傅立叶变换红外光谱仪(德国布鲁克公司);LabRAM Aramis显微拉曼光谱仪(法国H.J.Y公司);EPMA-1600电子探针(日本岛津公司)/Genesis能谱仪(美国EDAX公司)。

1.2 比对纸币样品

取一张编号为“YS86948838”(1990年版)的佰元面值人民币,通过肉眼仔细观察,该币安全线中未呈现真币所具有的微缩字符,正面左下角处应含变色油墨的变色效果不明显,透光观察古币符号未呈完全对称,表观分析该币为一假币。经智能防伪点钞机鉴别,机器提示为假币。另取一张编号为“JY81328458”(1990年版)的佰元面值人民币,观察其与真币的表观特征相符。经智能防伪点钞机鉴别,机器验证通过。

2 仪器检测与分析

通过仪器分析方法分别对上述假币与真币对照检测分析。

2.1 红外光谱的检测和分析比较

红外光谱衰减全反射(ATR)法,是通过衰减全反射附件对样品表面进行红外光谱测试[1],测试结果反映所测材料表面的红外光谱特征,通过这些红外光谱特征能有效地分析材料表面的结构和成分。通过ATR法对上述真币和假币的白色部位(即纸材)进行红外光谱测试(测试结果见图1)。谱图显示,两者的红外光谱略有不同,主要表现在假币光谱在896cm-1处有一尖锐吸收峰,而真币此处吸收不明显,说明真币和假币两者所选用的纸材不完全相同。

A.真钞白色纸张的ATR红外谱图B.假钞白色纸张的ATR红外谱图

通过ATR法对真币和假币正面红色国徽部位分别进行红外光谱测试(测试结果见图2)。谱图显示,真币和假币在800～900cm-1分别都有两个吸收峰,不同的是真币的两个尖锐吸收峰位于853cm-1和871cm-1,而假币的两个尖锐吸收峰位于899cm-1和873cm-1,除在872cm-1附近均有吸收峰(该处的吸收与1450cm-1附近的宽吸收峰同属于碳酸盐的红外吸收特征[2]),假币在899cm-1处的尖锐吸收峰,反映的是假币纸材的光谱特征,而真币853cm-1处的尖锐吸收峰,应是该处油墨引起的红外吸收,也是该处与假币红外谱图比较最明显的区别。两者在此处不同的红外光谱特征说明在纸币正面红色国徽部位真币和假币所用的油墨材料是有差别的。

A.真钞红色国徽处ATR红外谱图B.假钞红色国徽处ATR红外谱图

真币正面左下角“100”处采用变色油墨作为防伪标志,假币在此处的变色效果不明显。通过ATR法分别对真币和假币此部位进行红外光谱测试(测试结果见图3),两者谱图比较,真币的最强吸收在1032cm-1处(表现为纸材的光谱特征),而假币的最强吸收在982cm-1处,两者的谱带吸收范围明显不同,表明真币和假币在该表面处成份的明显差异。

A.真钞变色油墨处ATR红外谱图B.假钞变色油墨处ATR红外谱图

2.2 拉曼光谱法的检测和分析比较

通过LabRAM Aramis拉曼光谱仪(激发波长632.8nm)对真币和假币的正面左下角黑色字符分别进行测试(测试谱图见图4),结果显示两者的拉曼谱线特征不同,真币仅在1336cm-1和1585cm-1处有明显的拉曼特征峰(为石墨结构碳的拉曼特征峰[3]),而假币除此之外还在680cm-1、748cm-1、1143cm-1、1449cm-1和1525cm-1等处不同程度出现拉曼特征峰。不同的拉曼光谱特征说明两者所使用的黑色油墨材料是不同的。

A.真币黑色字符处的拉曼光谱B.假币黑色字符处的拉曼光谱

通过拉曼光谱法,对真币和假币的正面右边蓝色字符处分别进行测试(测试谱图见图5),结果显示两者的拉曼谱线特征很相似,经谱图检索,均与某种蓝色颜料的拉曼标准谱图相符,说明两者采用相同的蓝色颜料。

A.真币蓝色字符处的拉曼光谱B.假币蓝色字符处的拉曼光谱C.蓝色颜料的标准谱图

2.3 电子探针能谱测试法的检测和分析比较

通过电子探针能谱方法对真币和假币红色国徽部位、正面左下角“100”处以及正面左下角黑色字符分别进行测试,测试结果显示真币和假币在这几处部位的元素分布均有所不同(见表1)。除都含有较多的C、O元素(主要为有机化合物或石墨结构碳所含的元素),其它元素相对含量的不同分布情况,更能反映出真币和假币所含油墨中填料成份的差别。

在红色国徽部位,真币在该处所含较多的Ni,另外含Ca,而假币在该处所含较少的Ni,另外含Na (见图6,7)。

对正面左下角“100”处测试结果比较,真币在该处含有较明显的F,而假币含有明显的Si、Al和Ti (见图8、图9)。

对正面左下角黑色字符测试结果比较,两者的元素也有明显差别,真币在该处含有较多的Fe,而假币中的Ti较明显(见图10、图1 1)。

3 结论

分别对真币和假币几个不同颜色部位(包括白、红、蓝、黑色和变色部位)进行测试,结果表明,光谱(无论是红外光谱或是拉曼光谱)和电子探针能谱检测方法,都能够反映出真币和假币在光谱或能谱特征上的差异。两者除蓝色字符处出现相同拉曼光谱特征,在白色纸张处的红外光谱略有不同,在红色、黑色和变色油墨处,真币和假币的光谱和能谱都有较明显的差别,根据这些差别可以说明真币和假币所采用材料的差异(包括所采用纸张的差异)。

光谱和能谱测试结果精确地反映真币和假币在谱图上的差异,从而能清楚地鉴别出真假币所用材料的不同。假币品种尽管有多种,但所采用材料必定是与真币有差别的,因而通过仪器分析方法都是可以鉴别出来的,尤其对于高度仿真假币,光谱和能谱等仪器分析方法都可作为一种有效的鉴别工具。

参考文献

[1] 吴瑾光等.近代傅立叶变换红外光谱技术和应用(上卷)[M],北京:科学技术出版社,1994

[2] 彭勤纪,王璧人.波谱分析在精细化工中的应用[M],北京: 中国石化出版社,2001