放射性測(cè)井中的常用單位及其換算關(guān)系

蒙奎文 霍敬原 布日格德

摘要：放射性測(cè)井是測(cè)井諸多方法中常用的一種方法，使用的單位也較多，有居里、貝可、倫琴、伽馬、API、PA/kg、納庫(kù)/kg·小時(shí)等。理清各單位之間的關(guān)系對(duì)于順利開展測(cè)井工作有一定的幫助。為此，本文就測(cè)井單位的含義及其相互換算關(guān)系進(jìn)行介紹，以供同行參考。

關(guān)鍵詞：放射性含義關(guān)系

地球物理測(cè)井以其高效低耗、獲得井中物理信息全面而得到業(yè)內(nèi)人士的廣泛認(rèn)可。根據(jù)現(xiàn)行地質(zhì)行業(yè)規(guī)范要求，所有施工鉆孔均要進(jìn)行地球物理測(cè)井，無測(cè)井資料的施工鉆孔不予驗(yàn)收，特別是對(duì)煤田和水文鉆孔要求極嚴(yán)。在查閱一些施工單位的測(cè)井資料時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，在放射性測(cè)井中各施工方使用的測(cè)井單位各不相同，有居里、貝可、倫琴、伽馬、納庫(kù)/kg·小時(shí)、PA/kg、API等等。這些單位的含義及其相互關(guān)系，測(cè)井人員普遍感到比較繁雜，使用單位無法統(tǒng)一，如：同是自然伽瑪測(cè)井，水文測(cè)井規(guī)范使用的單位是納庫(kù)/kg·小時(shí)，而煤田測(cè)井規(guī)范使用的單位是PA/kg。因此，搞清上述所列測(cè)井單位的含義及其相互換算關(guān)系，對(duì)于一個(gè)測(cè)井技術(shù)人員而言是非常必要的。

1. 核物理基礎(chǔ)

1.1原子結(jié)構(gòu)

原子由原子核和圍繞原子核并沿閉合軌道旋轉(zhuǎn)的電子組成，原子核則由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子帶正電，中子不帶電，核外電子電荷的總數(shù)與核內(nèi)質(zhì)子的電荷總數(shù)相等，故整個(gè)原子呈電中性，不帶電。

1.2 放射性及放射性測(cè)井

元素周期表中，隨原子序數(shù)增大。原子核中的中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)之比從1:1（氘）增至1:1.59（鈾），原子核逐漸增大，當(dāng)原子核過大或中子數(shù)過多時(shí)，原子核不穩(wěn)定，會(huì)放出一些射線，衰變成較輕的、新的、穩(wěn)定的原子核，這種性質(zhì)稱為放射性。巖石中常見的自然放射性元素有鈾（U）、釷（Th）以及鉀的放射性同位素鉀（19K40）等。當(dāng)元素的原子核受到人為的放射性射線轟擊時(shí)，也可能發(fā)生放射性衰變，這種放射性稱為人工放射性。利用人工放射性中的γ射線所進(jìn)行的測(cè)井，即稱為放射性測(cè)井。放射性元素發(fā)生核反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的輻射主要有3種即α射線、β射線和γ射線。

α射線是帶正電的氦粒子流，它具有的能量為4-10MeV（百萬(wàn)電子伏特）。α射線的電離能力很強(qiáng)，但穿透能力很差。因此α射線不能用于測(cè)井。

β射線是從原子核中放射出來的高速電子流，它具有的能量約為1MeV。β射線的電離能力不如α射線，但其穿透能力比α射線強(qiáng)，因不能穿透測(cè)井儀器外殼，因此一般放射性測(cè)井不考慮β射線。

γ射線是從原子核中發(fā)射出來的波長(zhǎng)非常短的以光速傳播的電磁波。能量較高，但它的電離能力很弱，在射線與物質(zhì)作用時(shí)所產(chǎn)生的二次電子往往具有較高的能量會(huì)使周圍介質(zhì)的原子發(fā)生電離，放射性測(cè)井中研究的就是γ射線。

1.3 γ射線與物質(zhì)的作用

γ射線與物質(zhì)的相互作用有三種重要的形式，即光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和形成電子對(duì)。當(dāng)量子的能量在0.5MeV到1.02MeV之間時(shí)，主要發(fā)生康普頓效應(yīng)。在伽瑪-伽瑪測(cè)井中使用的γ源，所發(fā)射的γ量子的能量為0.5-2MeV左右，而一般巖石又主要由原子序數(shù)小于30的輕元素組成，故伽瑪-伽瑪測(cè)井所記錄的結(jié)果，主要由康普頓效應(yīng)來決定。

2. 兩個(gè)基本物理單位

放射性測(cè)井單位與以下兩個(gè)物理單位有著直接關(guān)系。

1、安培(A): 電流強(qiáng)度單位是指單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)線某一截面的電荷量。1A=1000mA=1×106μA=1×1012PA（皮安培）。

2、庫(kù)侖(C): 電量單位，當(dāng)流過某曲面的電流1 安培時(shí)，每秒鐘所通過的電量定義為1 庫(kù)侖。即：

1 庫(kù)侖（C）= 1 安培 ·秒（A · S）。

1納庫(kù)（nC）=1×10-9庫(kù)侖（C）=1000皮安培（PA） ·秒。

3 放射性測(cè)井常用單位及相互換算關(guān)系

3.1放射性強(qiáng)度單位

放射性強(qiáng)度又稱放射性活度，即通常使用的放射源的強(qiáng)度。放射性強(qiáng)度的國(guó)際單位制（SI）是用貝柯勒爾（becquerel）表示，簡(jiǎn)稱貝可，是指1秒鐘內(nèi)發(fā)生一次核衰變。符號(hào)為Bq。常用單位是居里（Ci）。指在1秒鐘內(nèi)發(fā)生3.7×1010次核衰變，為一居里（curie），符號(hào)為Ci。即：

1Ci=1000mCi=1000000μCi=3.7×1010dps。

居里（curie）與貝可（becquerel）的換算關(guān)系：

1Ci=3.7×1010Bq（貝可）。

我國(guó)于1986年正式執(zhí)行國(guó)際單位制（SI）。

3.2放射性濃度單位

表示的是單位質(zhì)量或單位體積的物質(zhì)的放射性強(qiáng)度。最常用的單位是：克鐳當(dāng)量/克：即在一克巖石中含有相當(dāng)于一克鐳的放射性物質(zhì)則定義為一克鐳當(dāng)量/克(1molRa/g)。所以“克鐳當(dāng)量/克”單位就等于每克物質(zhì)的放射性強(qiáng)度為一居里。濃度單位也可用百分?jǐn)?shù)（%）來表示。

3.3放射性劑量單位

放射性劑量是指單位質(zhì)量的被照射物質(zhì)中所吸收的能量。

（1） 吸收劑量

放射線能使物質(zhì)的中性原子或分子形成正負(fù)離子，即所說的電離，這種能夠直接或間接地誘生離子的粒子的輻射，稱作電離輻射。直接電離輻射通常是α射線和β射線，間接電離輻射是γ射線，還伴隨其他射線。電離輻射傳遞給被照射物質(zhì)的平均能量，稱為吸收劑量。其國(guó)際單位是戈瑞（Gy）,一戈端表示一千克物質(zhì)吸收一焦耳的輻射能量時(shí)的吸收劑量。1戈端（Gy） = 1焦耳（J）/千克（ kg），專用單位是拉德（rad）,兩者的換算關(guān)系是:1戈瑞=1焦耳/千克=100拉德=1希沃特（希佛）。

（2） 照射劑量

照射劑量是描述X射線或γ射線使空氣產(chǎn)生電離能力的物理量。是指單位質(zhì)量的物體，在X射線或γ 射線輻射后產(chǎn)生電離的電量。照射量的國(guó)際單位是庫(kù)侖/千克(C/Kg) ，專用單位是倫琴（R）,即在溫度0℃，壓力760mmHg的1cm3空氣中，生成正負(fù)電荷各一個(gè)靜電單位的離子的伽瑪射線的劑量為一倫琴（1R)。兩者的換算關(guān)系是：

1庫(kù)侖/千克≈3.877x103倫琴。

1倫琴=2.58x10-4庫(kù)侖/千克。

1微倫琴=0.258×10-9庫(kù)侖（C）/千克（Kg）。

（3） 劑量率

單位時(shí)間內(nèi)受到的劑量便是劑量率。劑量率的單位為倫琴/小時(shí)（R/h)。

吸收劑量率： 單位時(shí)間內(nèi)的吸收劑量就稱為吸收劑量率，單位是戈瑞/小時(shí)（Gy/h）。

照射量率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的照射量就稱為照射量率，其國(guó)際單位是庫(kù)侖/千克·秒,專用單位是倫琴/小時(shí)或微倫琴/小時(shí)。

1倫琴/小時(shí)=106微倫琴/小時(shí)。

1微倫琴/小時(shí)=7.17×10-14庫(kù)侖/千克·秒。

放射性測(cè)井中所用的單位為照射率，其單位要小很多,水文測(cè)井使用的單位是納庫(kù)(n·c)/kg·小時(shí)，而煤田測(cè)井使用的單位是皮安培(PA)/kg。

（4） 伽馬射線強(qiáng)度單位

在一定條件下，可用照射量率表示伽馬射線強(qiáng)度，即借用微倫琴/小時(shí)作輻射強(qiáng)度單位。即1微倫琴/小時(shí)=1伽馬（γ），但不要誤以為照射量率和輻射強(qiáng)度是同一概念，只是借用。

（5） API單位

在美國(guó)休斯敦大學(xué)建立的刻度井（稱為標(biāo)準(zhǔn)刻度井），井內(nèi)裝有三種不同的均勻放射性地層，上面為低放射性的用來屏蔽宇宙射線，中間為高放射性的（混有12ppm的U、24ppm的Th和4%的K相當(dāng)于北美大陸中部地區(qū)頁(yè)巖的放射性平均值的2倍）底部是一層低放射性的，在高低放射性地層的模擬地層中，儀器分別測(cè)得不同的計(jì)數(shù)率（脈沖/每秒）以計(jì)數(shù)差值的1/200定義為一個(gè)API單位，該刻度是使北美大陸中部地區(qū)普通泥巖的讀數(shù)大約為100API單位。

4. 放射性單位相互換算關(guān)系

（1） 居里（curie）與貝可（becquerel）的換算關(guān)系：

1居里（Ci）=3.7×1010貝可（Bq）

（2） 戈端（Gy）與焦耳（J）/千克、拉德（rad）的換算關(guān)系：

1戈瑞（Gy）=1焦耳（J）/千克=100拉德（rad）。

（3） 照射量庫(kù)侖/千克(C/Kg)與倫琴（R）的換算關(guān)系：

1庫(kù)侖（C）/千克（Kg）≈3.877x103倫琴（R)。

1倫琴（R)=2.58×10-4庫(kù)侖（C）/千克（Kg）。

1微倫琴=0.258×10-9庫(kù)侖（C）/千克（Kg）。

（4） 照射量率國(guó)際單位庫(kù)侖/千克·秒,與專用單位微倫琴/小時(shí)的換算關(guān)系：

1微倫琴/小時(shí)=7.17×10-14庫(kù)侖/千克·秒=1伽馬（γ）。

（5） 電量單位庫(kù)侖(C)與電流強(qiáng)度單位安培(A)的換算關(guān)系：

1庫(kù)侖（C）= 1 安培·秒（A·S） （量綱：IT）

1皮安培（PA）=1×10-12安培(A) 。

1納庫(kù)（n·C）=1×10-9庫(kù)侖（C）。

1納庫(kù)（n·C）=1×103皮安培（PA）·秒。

（6） 水文測(cè)井使用的納庫(kù)(n·C)/Kg·小時(shí)與煤田測(cè)井使用的皮安培(PA)/kg的換算關(guān)系：

1納庫(kù)(n·C)/kg·秒=1000皮安培(PA)/kg。即：

36納庫(kù)(n·C)/kg·小時(shí)=10皮安培(PA)/kg。

（7） 伽馬（γ）與皮安培(PA)/kg、納庫(kù)（n·C）/kg·小時(shí)的換算關(guān)系：根據(jù)上面提到的1倫琴（R)=2.58×10-4庫(kù)侖（C）/千克（Kg），1微倫琴/小時(shí)=1伽馬（γ），則有：

1伽馬（γ）=0.258×10-9庫(kù)侖（C）/千克（kg）·小時(shí)

=0.258納庫(kù)（n·C）/千克（kg）·小時(shí)。

又因?yàn)?6納庫(kù)(n·C)/kg·小時(shí)=10皮安培(PA)/kg，所以計(jì)算出：

1伽馬（γ）=7.17×10-2皮安培(PA)/kg

=0.258納庫(kù)（n·C）/千克（kg）·小時(shí)。

5. 結(jié)束語(yǔ)

由于放射性測(cè)井使用的物理量的單位較多，其間換算關(guān)系也較復(fù)雜，在具體工作中極易產(chǎn)生錯(cuò)誤，最終影響測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的質(zhì)量。因此，筆者根據(jù)多年工作的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)測(cè)井單位的概念及其相互換算關(guān)系進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹，供廣大測(cè)井技術(shù)人員在實(shí)際工作中參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] JohnH. Doveton<美>.地下地質(zhì)測(cè)井分析的原理與計(jì)算機(jī)方法.

[2] 黃智輝等（編譯）.現(xiàn)代煤田測(cè)井技術(shù).

[3] 賈文懿（編）.利用天然放射性找地下水.