核素擴散實驗裝置圖片

㈠ 核磁共振測井物理基礎與實驗

（一）原子核磁矩

1.帶電體的磁矩

我們知道，帶電物體做閉合運動時具有磁矩（圖5-38（a）），其定義為式中：i為電流，A；S為閉合面積，m²；n為電流方向成右手法則的面積單位矢量。

圖5-38 微觀粒子的磁矩

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可以證明，帶正電荷q、以速度v做圓周運動的帶電粒子體系（圖5-38）的磁矩為

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上式中，P_L=r×mv為粒子的角動量。粒子的磁矩與角動量成正比，且方向一致。

具有磁矩的體系置於磁場B中，它將受到力矩L的作用：

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並且具有熱能E：

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上兩式說明，當M與B方向一致時，體系熱能最低，最為穩定；當兩者反平行時，熱能最高，為非穩態平衡。

2.原子核的磁矩

原子核是帶有Z個正電荷的帶電粒子，且具有一定的自旋角動量。因此，原子核具有磁矩（圖5-38（b）），原子核磁矩的表達式一般寫為

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式中，ħ=h/2π=1.0546×10 J·s，h稱普朗克常數；m_p=1.6726×10 kg為質子質量；P_I為以ħ為單位的核自旋角動量；系數g_I稱為核迴旋磁比率，簡稱G因子。

核的磁矩是原子核的重要屬性之一。例如，對氫核（質子）g_p=5.586（≠2）；對中子（電荷為0）g_n=-3.826（≠0）。

式（5-11）也可寫為

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其中

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稱旋磁比。對H核γ=2.67519×10⁸（rad·T^-1·s^-1）。

3.氫核磁矩

原子核的磁矩可以通過核磁共振方法測量。實驗發現，對偶A核（A是原子核質量數），角動量量子數為整數，其中偶-偶核（中子數N、電荷數Z都是偶數）I=0；奇A核，I為半整數。因此，對偶-偶核，其磁矩為零。

構成地表元素的核素，偶-偶核佔有最大的含量；而對其他核，氫核的含量最多，它的信息最大。除此之外，還有以下諸原因：①氫元素是地下流體最顯著的標識元素；②氫核的g因子（或旋磁比γ）在所有核素中為最大，理論表明對樣品測量的靈敏度正比於γ^5/2；③可以通過共振除去其他核的影響。

（二）核磁共振實驗和核磁共振現象

1.核磁共振現象

對核磁共振現象存在著兩種理論解釋方法：量子力學和經典電動力學。由於經典力學直觀形象，可以解釋大多數實驗現象，工程應用中一般採用經典力學方法。

核磁共振現象，從微觀機理講是具有簡並量子狀態的粒子在磁場作用下簡並度被解除的效應（Zeeman效應）。具有磁導率μ_I的核置於磁場B₀中，將獲得附加的能量：

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式中：μ_I，Z是在B₀（Z）方向的投影。

由量子力學可知，μ_I，Z有I+1個值，E也有I+1個值：

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磁量子數m=I，…，-I。當m=I時，能量最低。例如，對H核，I=1/2，其能級分裂為兩條，如圖5-39所示。相鄰能級差（Δm=1）：

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圖5-39 在磁場B₀中H核的能級分裂

如果在垂直於均勻磁場B₀方向上再加一個強度較弱的高頻磁場B₁，其頻率滿足

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即

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原子核會吸收高頻磁場的能量，從而使核的取向發生變化，實現由較低能級向相鄰較高能級的躍遷。在這里，ω₀稱為共振頻率或躍遷頻率，它也是具有固有自旋角動量P_I的體系繞外加磁場B₀做高速旋轉的拉莫爾進動頻率。

2.核磁共振實驗

核磁共振實驗裝置有連續波工作法（CW）和脈沖-傅里葉法（PF）。前者直接測量共振頻率；後者測量樣品吸收外部能量後發出的時域譜，再經過傅里葉變換轉化為頻譜。目前大都採用後一種工作方式。NMR工作方式原理如圖5-40所示。

首先考慮NMR信號的數量級。①為克服電子對核的屏蔽作用，外加均勻磁場B₀需足夠強，約1 T（1 T=10⁴ Gs）。當B₀=1.4 T時，由式（518），其共振頻率MHz。它在無線電波譜段，核磁共振是低能量電磁波（無線電波）與物質相互作用的一種物理現象。②理論表明，受到磁化的粒子數服從玻爾茲曼分布：

圖5-40 核磁共振簡示圖

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k=1.38054×10^-23J·K^-1為玻爾茲曼常數。在熱平衡時，基態核素N₀∝e^（-E/kT）。

第一激發態核數N₁∝e^（-E，所以：

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當T=300 K及B₀=1 T時，ΔN≈7×10^-6 N₀。這是一個非常小的量，NMR信號正比於ΔN。

由圖5-40樣品置於強均勻磁場B₀中，使樣品磁化，把射頻場B₁（ω）以一個短而強的脈沖加到樣品上（B₁⊥B₀），射頻脈沖期間的射頻頻率滿足核磁共振條件：ω=γB₀，樣品會吸收高頻磁場的能量而實現能級躍遷（吸能過程）。脈沖過後，樣品會釋放在高能級的能量（放能過程），在感應線圈上會產生一個「自由感應衰減」信號（FID），它是時間域函數。一般要求射頻脈沖門成直角，且脈沖寬度τ很小。

在實驗室條件下，通過傅里葉變換，得到樣品頻譜和縱向弛豫時間T₁等多種物理參數；而在測井中或其他工程中一般只測橫向弛豫時間T₂。

利用NMR還可實現樣品內部成像，即核磁共振成像（NMRI）技術。其基本原理由式（5-18）知，共振頻率與外加磁場成正比。設置磁場為空間變數B₀（x，y，z），則樣品的共振頻率為ω₀（x，y，z）=γB₀（x，y，z），也是空間向量。激發不同頻率，對應不同空間點信號，利用計算機相應存儲器存儲，即完成「空間編碼」，重現成像。

（三）核磁共振宏觀描述——布洛赫方程

核磁共振的宏觀理論基於核磁共振現象的發現者布洛赫（Bloch）。該理論從磁化強度矢量M出發，是工程中最常用的理論。

磁化強度M定義為單位體積內所有磁矩的矢量和：

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其SI單位為A·m^-1。在沒有加外磁場時，由於電子的屏蔽作用，單個核磁矩隨機取向，〈μ_I〉=0，宏觀上觀察不到核的磁特性（5-41a）。當外加一靜磁場B₀時，情況發生了變化，原子核被磁化，排列有序，產生磁化現象（圖5-41b）。顯然，M的取向與外加磁場B₀的方向一致。

圖5-41 磁場中原子

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式中：κ為核磁化率。由統計力學可求：

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式中：N為單位體積自旋核數。

以平均磁矩〈μ〉表示磁化強度M的大小

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它正比於N，是工程中所關注的量。

布洛赫方程是描述磁化強度與磁場相互作用的微分方程。基於宏觀電磁理論，在NMR中具有非常重要的意義。其向量形式：

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式中：M=（M_x，M_y，M_z）^T為磁化強度矢量。當只有均勻磁場B₀時，M=M₀；B=（B_x，B_y，B_z）^T為外加磁強強度；R=（1/T₂，1/T₁）為3×3階弛豫矩對角方陣。

嚴格求解布洛赫方程是一項困難的工作，只能通過一些假定對問題進行簡化。

1.當脈沖發射時

在其作用時間t_p內，弛豫時間T可忽略不計；在X方向施加射頻磁場：B_x=2B₁cosωt，布洛赫方程為

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上式仍需進一步化簡：①分解線偏振2B₁cosωt為兩個相對反相旋轉的圓偏振，且只考慮激發共振的一個圓偏振場；②實驗室坐標系（L系）變換為以射頻場頻率ω繞Z軸旋轉的旋轉坐標系（R系）求解。在R系中，只有B₁作用，交變數消除，而γB₀=ω₀變為有效角頻率（ω₀-ω）。布洛赫方程化為

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當達到共振時，ω₀-ω=0，由此得：

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由此得到，共振時，磁化強度M以ω₀繞Z軸進動。在旋轉坐標系中，它以ω₁=γB₁的角頻率在YZ平面上轉動，稱為章動（ω₁也稱Rabi頻率）。在脈沖作用時間t_p內，M與Z軸之間形成一個夾角，這個夾角稱為脈沖偏轉角，用θ表示。M的運動可比喻為在重力作用下旋轉的陀螺（圖5-42）。在NMR中，通常說90°脈沖即指把M從Z方面扳轉到XY平面時所對應的時間。

2.脈沖作用過後

此時可以檢測由樣品發出的NMR信號，需考慮弛豫時間，布洛赫方程化為

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當扳轉角θ₀=90°時，上式解為

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此結果表明，M一方面在XY平面繞Z軸以拉莫爾頻率高速旋轉（稱旋進），並以T₂呈指數衰減；同時又以速率1/T₁回復到Z軸的初時值。圖5-43表示了M的縱向和橫向分量衰減示意圖。在XY平面會接受到M進動產生的感應電流信號，即自由感應衰減信號（FID）。

圖5-42 磁化強度M的「陀螺」運動

圖5-43 M的弛豫恢復過程

自由感應衰減信號的弛豫時間是由於分子熱運動以非輻射方式釋放能量的過程而產生，它分為縱向弛豫和橫向弛豫。縱向弛豫時間T₁稱自旋轉-晶格弛豫，它指M在恢復Z方向的磁化強度時，將自身的能量通過熱能傳遞給周圍環境；橫向弛豫時間T₂也稱自旋-自旋弛豫，它的能量交換是在體系內部進行的。測井中，受鑽井空間和長線傳輸等實際問題的限制，測量的是橫向弛豫時間T₂。

（四）物質的弛豫特性

存在三種影響T₁或T₂弛豫時間的NMR弛豫機理：即顆粒表面弛豫、梯度場中分子擴散引起的弛豫和體積流體進動引起的弛豫。

1.顆粒表面弛豫

流體分子在孔隙空間內不停地運動和擴散，在NMR測量期間擴散使分子有充分機會與顆粒表面碰撞。每次碰撞都提供了自旋弛豫的機會。當分子碰到顆粒表面，可能發生兩種現象。首先，氫質子將核自旋能源傳遞給顆粒表面，使之與靜磁場B₀重新線性排列（這對縱向弛豫T₁有貢獻）。其次，氫質子可能產生不可逆的反相自旋，而對橫向弛豫T₂有貢獻。這些現象不是每次碰撞都發生，僅有發生的一種可能性。如圖5-44（a）示出在孔隙中兩個分子的運動路徑，有一個自旋被弛豫前發生了幾次碰撞。研究人員指出，在大部分岩石中，顆粒表面弛豫對T₁和T₂的影響最大。

在弛豫質子自旋方面，不是所有面都具有相同能力。順磁離子如鐵、錳、鎳和鉻等為特別有效的弛豫物質，只要它們存在就能夠控制弛豫速度。砂岩通常含1%的鐵，這使流體質子有效預見弛豫。碳酸鹽岩的流體弛豫速率低於砂岩。在弛豫孔隙水方面，砂岩比碳酸鹽岩的有效率高三倍。

在表面弛豫中，孔隙大小也起了重要作用。弛豫速度與質子碰撞表面的頻率有關，也就與表面體積比（S/V）有關，見圖5-44。在大孔隙中，碰撞發生次數少，其S/V小，因此弛豫時間相對長。同樣，小孔隙的S/V大，弛豫時間短。

圖5-44 顆粒表面弛豫

對於單個孔隙，核自旋激勵按指數衰減。在T₂實驗中，作為時間的函數，信號幅度隨特性時間常數［ρ₂S/V］^-1衰減，於是：

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同樣

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實驗研究表明，表面弛豫機制與溫度和壓力無關。岩石中流體弛豫主要為顆粒表面弛豫，弛豫時間比（T₁/T₂）在1至2.5之間，通常為1.6。

岩石包括一系列不同尺寸的孔隙，每個孔隙具有自己的S/V。因而會有多個弛豫組分，總激勵為來自不同孔隙信號之和，所以實測的T₂不是一個單值，而是T₂分布函數。所有孔隙體積之和等於岩石的流體體積——孔隙度。總信號正比於孔隙度，總衰減為反映孔隙尺寸分布的單個衰減之和。孔隙度和孔隙尺寸分布的測量是NMR解釋的重要參數。

2.擴散弛豫

在梯度場中分子擴散造成的弛豫為擴散弛豫。

當靜磁場中存在梯度時，分子運動能造成失相，導致T₂弛豫。T₁弛豫不受影響。當不存在梯度場時，分子擴散不會造成NMR弛豫。

圖5-45中，開始CPMG脈沖序列，在90°脈沖期間一個分子位於A點。被扳倒到橫向平面上之後，自旋開始以頻率ω₀（A）進動，ω₀（A）為局域進動頻率。但是，當它擴散時遇到緩慢變化的B₀，其進動頻率慢慢改變。在T_E時它到達C點，此時發生自旋迴波。如果點A和B間其進動快於點B和C，在T_E時其相位不能完全恢復。同時，其他分子沿其他方向運動，每個分子都有自己的進動過程。因此，T_E時的自旋重聚不完全。因為子運動是隨機的，失相不可改變，故構成真T₂。由此擴散產生的T₂表示如下：

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圖5-45 在梯度磁場中的分子擴散

NMR測井儀能產生明顯的磁場梯度。例如，MRIL-C型儀器在整個采樣區域內可產生近17×10^-4 T/cm的均勻梯度場。CMR儀的梯度場在采樣區域內是變化的，梯度為20×10^-4 T/cm時儀器對擴散響應達峰值。

造成磁場梯度的另一個原因是顆粒物質與孔隙流體間的磁化率不同。岩石通常含1%的順磁離子，顆粒磁化率典型值為χ_g=+10^-5 cgs/cm³。水和油為弱抗磁物，水的磁化率為χ_w=-0.72×10^-6 cgs/cm³。岩石中靜磁場B₀的范圍是：

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其中Δχ=χ_g-χ_w為磁化率差；ΔB₀為靜磁場梯度。若B₀=500×10^-4 T，對典型的充滿流體岩石，ΔB₀為0.005T/cm。內部磁場梯度也與磁場變化的距離R有關：

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R明顯受控於孔隙幾何形狀，由於對孔隙幾何形狀知之甚少，所以很難估算內部梯度。岩石復雜的微觀幾何形狀也對擴散本身有影響。故對於岩石，式（5-33）變得復雜但仍以不完全了解的方式變化。

CMPG法是已知的減小梯度場擴散影響的最好脈沖序列。使CPMG回波間隔達到極小可減小擴散對T₂弛豫的影響，使之到可忽略程度。對於間隔較近的脈沖，T₂主要為表面弛豫或體積弛豫。當採用大回波間隔，或者當擴散系數很高如氣體或高溫下的水和輕烴，擴散影響十分顯著。

3.體積弛豫

即使顆粒表面和內磁場梯度不存在，在體積流體中也會發生弛豫。

對於水和烴，體積流體中的弛豫主要是鄰近自旋隨機運動產生的局部磁場波動造成的。

相鄰原子核的局域磁場相當強，但快速的分子運動（多數為分子旋轉）使該影響趨於平衡。通常，體積弛豫可以忽略。當一種流體被阻止進入與固體表面接觸，體積弛豫就十分重要了。在水濕潤性岩石中，水的弛豫主要是與顆粒表面碰撞造成的，因孔隙中心的小滴油或氣則無法接近岩石表面，因此僅被體積弛豫。當水存在於很大孔隙中時，僅有少量水可接觸表面（如碳酸鹽岩中的孔洞），此時體積弛豫明顯。

對於粘滯流體，即使它們構成濕潤相，其體積弛豫也十分重要。在這種流體中，旋轉是無效的，弛豫時間相對短。短的弛豫時間和擴散到顆粒表面能力的減弱使體積弛豫變得顯著。所以，提高流體黏度縮短了體積弛豫時間。

當孔隙流體含有高密度順磁離子氯、錳、鐵、鎳時，孔隙流體的體積弛豫也十分明顯。例如，木質磺鹽酸鉻泥漿濾液中的鉻離子減少了弛豫時間，因為電子自旋周圍的局域場太強。

懸浮液中的細微粒子（在整個泥漿侵入帶中都存在）也減少了流體體積弛豫時間，因為存在大量的流體分子可遇到的「懸浮」固體表面。

體積弛豫僅是一種流體特徵，不受它所駐留地層的特性（如礦物或微觀或幾何形狀）的影響。通常它受溫度影響較大。在水濕潤岩石中的油、孔洞中的水和溶液中存在大量順磁離子如鐵、鉻或錳的情況下，這一點十分重要。當體積弛豫明顯時，T₁=T₂。

4.弛豫過程小節

上述的弛豫過程並行作用，也就是說，它們的速率相加。對於橫向弛豫：

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式中：為體積貢獻；為表面貢獻；為梯度場擴散貢獻。

對於縱向弛豫，相應的等式為

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注意擴散對T₁無影響，因為該過程僅是一個失相機制。

（五）水、油、氣弛豫特徵

1.水的弛豫特徵

在水潤濕的碎屑岩中，水的弛豫時間為顆粒表面的弛豫所控制。弛豫速度與充滿水的孔隙空間的比面和顆粒礦物成分有關。在下列環境下，水的弛豫時間受控於體積和擴散弛豫，僅知地層溫度即可預測其值。這些環境是：①孔洞孔隙，孔隙比面很小；②嚴重油濕岩石；③含有高濃度順磁離子如鐵、鉻的原生水或濾液。

為了評估擴散弛豫的重要性，必須知道水的擴散系數D。D基本上與壓力無關，但受溫度影響較大，如圖5-46a所示。

對於不受固體表面弛豫影響的水而言，NMR弛豫速度為

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在體液中（也就是沒有擴散限制），由式（5-33）得出。在岩石中，特別是細粒岩石，顆粒是擴散的明顯屏障，有效擴散系數小於D，這使1/T_2D接近1/T_2B。另一方面，大於已知儀器梯度的內部梯度使1/T_2D增加。在缺乏更好資料情況下，使用純流體D值和儀器G值可估算1/T₂的合理近似值。假定儀器磁場梯度為20×10^-4 T/cm，體積水擴散，T₂曲線示於圖4-46b。T₁也示於此圖，因T₁既與擴散系數無關也與磁場梯度無關，故它總為標准值。用其他儀器梯度值和回波間隔通過式（5-33）重新計算的T₂曲線與圖中曲線相似。

圖5-46a 水的擴散系數與溫度的關系

圖5-46b 水的體積弛豫和擴散弛豫

泥漿濾液含有增加體積弛豫速度的順磁離子，特別是木質磺酸含鐵或鉻時在這方面有特別的效果。圖5-47a和圖5-47b為幾十年前收集數據的再版。現代泥漿的數據仍未見報道。注意到高溫一般減弱泥漿濾液中增加物的影響。

在某些情況下，故意在泥漿中加入順磁錳離子以減小水基泥漿的 T₂。如果錳濃度足夠高，水相的T₂減小至儀器死時間之下，所有的水信號將消失。因為在烴中錳不會衰弱，它們的弛豫時間不受影響，所以NMR孔隙度中僅剩下油或氣的信號。該技術已成功用於估算殘余油飽和度。類似地，孔洞地層中加入中等數量的錳能減小孔洞中水的 T₁，這使得能用短的等待時間估算總孔隙度，從而提高了測井速度。

圖5-47a T₁與加入鑽井泥漿中的稀釋劑的關系

圖5-47b 作為不同鑽井增加劑的函數T₁與溫度關系

通常，錳必須用乙烯二胺四乙酸鹽（EDTA）處理以阻止它與粘土礦物發生離子交換。當井未穿過泥質地層時，可用相對不太貴的氯化錳替代。錳溶液的弛豫特性示於圖5-48a和圖5-48b。當預測錳減小水相T₂時，記錄泥漿濾液被NMR儀探測域內原生水稀釋程度，這一點十分重要。

圖5-48a 錳溶液的弛豫特徵

圖5-48b Mn-EDTA弛豫特性與溫度的關系

2.油的弛豫特徵

在水潤濕岩中，油的NMR弛豫時間不受地層特性的影響，僅為油組分和地層溫度的函數。這大大簡化了測井解釋的任務，人們可以有部分把握地預測油信號在T₂弛豫時間分布上出現的位置。

預測油的NMR特性的第一步是確定井下油的黏度。已知黏度後，根據圖5-49確定T₁和T₂。T₂曲線假定儀器梯度為20×10^-4 T/cm。如果儀器磁場梯度低於此值，T₂曲線向T₁曲線移近。較高的儀器梯度或高的內部梯度增加了曲線間的距離（根據式5-33）。

圖5-49 原油弛豫時間、體積弛豫和擴散弛豫

在預測原油 T₂時，一定要記住原油不是單一的弛豫時間，而具有一定弛豫時間分布。圖5-50 示出了幾種原油的T₂分布，是在均勻磁場中（G=0）作為體積液體測量的。與具有窄T₂分布的成品油對比，原油的T₂分布跨度大，原因是原油為不同類型烴的混合物。典型的分布由一個源於最具流動性氫核的較長T₂峰和一個來自運動受限制氫核的較短弛豫時間的尾組成。定量確定烴量需要將原油T₂分布與觀測到總的T₂分布重疊，在一個尺寸變化大的孔隙系統中，總T₂分布包括水的寬弛豫時間分布。

圖5-50 體積樣品的T₂分布

在許多油基鑽井泥漿（OBM）中，基質油為用一個窄沸點范圍蒸餾得到的精製烴。這使OBM濾液的T₂分布窄。

3.氣體弛豫特徵

甲烷的T₁為其成分、溫度和壓力的函數，如圖5-51所示。弛豫為體積弛豫，但不同於液體的自旋-自旋弛豫，像甲烷一樣的簡單氣體主要弛豫為自旋-軌道相互作用所致。

圖5-51 甲烷氣的T₁與溫度和壓力的關系

圖5-52 甲烷擴散系數

氣體T₂完全受控於擴散弛豫，所以T₁和T₂彼此無關。甲烷的擴散系數很高，如圖5-52所示，將其結果代入等式（5-33），得出圖5-53所示的甲烷T₂值，圖中假設儀器梯度為20×10 ^-4T/cm。

在靜態條件下，氣體很少作為連續相存在。在中等水飽和狀態下，水阻塞孔隙喉道，氣體作為孤立的氣泡存在於孔隙中間。因氣的擴散系數很高，在梯度場中擴散影響可被消除。如果在T_E期間，一個氣體分子在氣泡上來回移動，擴散弛豫變為無效，T₂接近T₁。對於尺寸小於5 μm的氣泡，氣體T₂很長，且與T_E無關。

4.結論

圖5-53 未限制擴散的甲烷T₂

對於在潤濕岩石中的水，常常以表面弛豫機制為主。當在泥漿濾液中含鐵、錳、鉻、鎳或其他順磁離子時，必須作體積弛豫校正。孔洞中的水以體積速率弛豫，受擴散弛豫影響。同樣，水濕潤岩中的油也以體積速度弛豫，受擴散影響，氣體的T₁受控於體積弛豫，而T₂受控於擴散弛豫（表5-2）。

表5-2 弛豫機制

（六）固體的弛豫特性

NMR測井儀地層中氫核有響應。部分骨架組分，特別是粘土和含結晶水的礦物如石膏富含氫。

雖然固體中的氫核影響中子測井，但他們對NMR測井無影響，原因是固體中氫核的弛豫速率很慢，使之不被井下測井儀檢測。通常，T₁很長，約幾十秒或幾百秒，使之不被移動測井儀極化。此外，其T₂值很短，約為10 μs，所以來自固體中的信號因在接收死時間內而被丟失（所有NMR測井儀的死時間約為幾百毫秒）。因此，NMR儀器對骨架影響極不敏感，是核磁共振測井的重要優越性之一；測量結果不受岩性影響，從而使核磁測井資料解釋大大簡化。

㈡ 粒子加速器的實驗裝置

北京正負電子對撞機
北京正負電子對撞機是一台可以使正、負兩個電子束在同一個環里沿著相反的方向加速，並在指定的地點發生對頭碰撞的高能物理實驗裝置。由於磁場的作用，正負電子進入環後，在電子計算機控制下，沿指定軌道運動，在環內指定區域產生對撞，從而發生高能反應。然後用一台大型粒子探測器，分辨對撞後產生的帶電粒子及其衍變產物，把取出的電子信號輸入計算機進行處理。它始建於1984年10月7日，1988年10月建成，包括正負電子對撞機、北京譜儀（大型粒子探測器）和北京同步輻射裝置。
北京正負電子對撞機的建成，為中國粒子物理和同步輻射應用研究開辟了廣闊的前景。它的主要性能指標達到80年代國際先進水平，一些性能指標迄今仍然是國際同類裝置的最好水平。 而且中美科學家還於2003年7月30日在北京正負電子對撞機上首次發現一個新粒子，中美科學家合作分析研究從對撞機上得到的5800萬個J粒子事例的數據時，發現了這個新的短壽命粒子。這可能是幾十年前由科學家費米和楊振寧預言的多誇克態粒子。
上海同步輻射光源
上海光源是一台高性能的中能第三代同步輻射光源，它的英文全名為Shanghai Synchrotron Radiation Facility，簡稱SSRF。它是中國迄今為止最大的大科學裝置和大科學平台，在科學界和工業界有著廣泛的應用價值，每天能容納數百名來自全國或全世界不同學科、不同領域的科學家和工程師在這里進行基礎研究和技術開發。
蘭州重離子加速器
蘭州重離子加速器蘭州重離子加速器是中國自行研製的第一台重離子加速器，同時也是我國到目前為止能量最高、可加速的粒子種類最多、規模最大的重離子加速器，是世界上繼法國、日本之後的第三台同類大型迴旋加速器，1989年H月投入正式運行，主要指標達到國際先進水平。中科院近代物理研究所的科研人員以創新的物理思想，利用這台加速器成功地合成和研究了10餘種新核素。
合肥同步輻射裝置
中國科學技術大學國家同步輻射實驗室 合肥同步輻射裝置主要研究粒子加速器後光譜的結構和變化，從而推知這些粒子的基本性質。它始建於1984年4月，1989年4月26日正式建成，經過兩次改造，迄今已建成數十個個實驗站，接待了大量國內外用戶，取得了一批有價值的成果。
大型強子對撞器
世界上最大、能量最高的粒子加速器——大型強子對撞器（Large Hadron Collider，簡稱LHC）
大型強子對撞器(Large Hadron Collider，LHC），是一座位於瑞士日內瓦近郊歐洲核子研究組織CERN的粒子加速器與對撞機，作為國際高能物理學研究之用。(全球定位點：北緯46°14′00″，東經6°03′00″46.233333333333;6.05) LHC已經建造完成，北京時間2008年9月10日下午15：30正式開始運作 ，成為世界上最大的粒子加速器設施。但在2008年9月19日，LHC第三與第四段之間用來冷卻超導磁鐵的液態氦發生了嚴重的泄漏，導致對撞機暫停運轉 。LHC是一個國際合作的計劃，由34國超過兩千位物理學家所屬的大學與實驗室，所共同出資合作興建的。
激光粒子加速器
美國科學家Tomas Plettner在出版的《物理評論快報》上報告，他和斯坦福大學、斯坦福線形加速器中心（SLAC）的同事一起，用一種波長800納米的商用激光調節真空中運行的電子的能量，獲得了和每米遞減4千萬伏的電場一樣的調制效果。這一技術有望發展成新型激光粒子加速器，用來將粒子加速到Tev（萬億電子伏）的量級。
傳統的加速器必須做成幾百米甚至更長的龐然大物，以將粒子能量提升到粒子物理學家所需的程度。幾年來，科學家發展出一種主要基於激光等離子體的技術，可獲得比傳統加速器更高的加速梯度，從而為縮短加速度的長度帶來可能。然而，之前的一些技術往往導致同步加速器的輻射損失或降低粒子束的質量，限制了其對粒子物理學家的吸引力。
斯坦福大學研究小組開發的新方法，在用激光束加速的同時，施加一個和激光同向的縱向電場，形成疊加的加速效果。電子獲得的能量自然等於縱向電場和激光束單獨作用施加能量之和。該裝置在真空中加速電子，而不是在復雜得多的等離子體環境中。
在自然空間，激光的相位速度——單一波長光的傳播速度——比電子的速度低，因此不會影響加速效果。然而，Plettner和同事用一種鍍金的帶狀聚合物，在電子束和光束互相作用的點上設置一條「邊界線」；該線減輕了電子束和光束之間的相互影響，使兩者之間產生電子加速所需的能量交換，從而克服了這個問題。
「這項工作最初、最主要的動機是想探索開發粒子加速器的可能性，從而把現有直線加速器的長度縮減一個數量級。」Plettner說，「這將導致碰撞能達1Tev甚至更高的『緊湊』型高亮度輕子碰撞的出現。」據悉，新方法還可能導致小型X射線源技術的發展。

㈢ 粒子加速器的實驗裝置

粒子加速器
粒子加速器
particle accelerator
用人工方法產生高速帶電粒子的裝置。是探索原子核和粒子的性質、內部結構和相互作用的重要工具，在工農業生產、醫療衛生、科學技術等方面也都有重要而廣泛的實際應用。
自E.盧瑟福1919年用天然放射性元素放射出來的a射線轟擊氮原子首次實現了元素的人工轉變以後，物理學家就認識到要想認識原子核，必須用高速粒子來變革原子核。天然放射性提供的粒子能量有限，只有幾兆電子伏特（MeV），天然的宇宙射線中粒子的能量雖然很高，但是粒子流極為微弱，例如能量為1014電子伏特（ eV ）的粒子每小時在 1平方米的面積上平均只降臨一個，而且無法支配宇宙射線中粒子的種類、數量和能量，難於開展研究工作。因此為了開展有預期目標的實驗研究，幾十年來人們研製和建造了多種粒子加速器，性能不斷提高。應用粒子加速器發現了絕大部分新的超鈾元素和合成的上千種新的人工放射性核素，並系統深入地研究原子核的基本結構及其變化規律，促使原子核物理學迅速發展成熟起來；高能加速器的發展又使人們發現包括重子、介子、輕子和各種共振態粒子在內的幾百種粒子，建立粒子物理學。近20多年來，加速器的應用已遠遠超出原子核物理和粒子物理領域，在諸如材料科學、表面物理、分子生物學、光化學等其它科技領域都有著重要應用。在工、農、醫各個領域中加速器廣泛用於同位素生產、腫瘤診斷與治療、射線消毒、無損探傷、高分子輻照聚合、材料輻照改性、離子注入、離子束微量分析以及空間輻射模擬、核爆炸模擬等方面。迄今世界各地建造了數以千計的粒子加速器，其中一小部分用於原子核和粒子物理的基礎研究，它們繼續向提高能量和改善束流品質方向發展；其餘絕大部分都屬於以應用粒子射線技術為主的「小」型加速器。
粒子加速器的結構一般包括 3個主要部分 ：①粒子源 ，用以提供所需加速的粒子，有電子、正電子、質子、反質子以及重離子等等。②真空加速系統，其中有一定形態的加速電場，並且為了使粒子在不受空氣分子散射的條件下加速 ，整個系統放在真空度極高的真空室內。③導引、聚焦系統 ，用一定形態的電磁場來引導並約束被加速的粒子束，使之沿預定軌道接受電場的加速。所有這些都要求高、精、尖技術的綜合和配合。
加速器的效能指標是粒子所能達到的能量和粒子流的強度（流強）。按照粒子能量的大小，加速器可分為低能加速器（能量小於108eV）、中能加速器（能量在108～109eV）、高能加速器（能量在109～1012eV）和超高能加速器（能量在1012eV以上)。目前低能和中能加速器主要用於各種實際應用。
粒子加速器按其作用原理不同可分為靜電加速器、直線加速器、迴旋加速器、電子感應加速器、同步迴旋加速器 、對撞機等。
1929年，英國物理學家科克羅夫特和沃爾頓一起，設計製造出了一個「電壓倍加器」，從而製造出了世界上第一台增加質子能量的裝置，他們把它叫做「靜電粒子加速器」。這台加速器利用高電壓，能把質子加速到將近40萬電子伏的能量，便鋰原子發生了核分裂，從而首次用人造粒子炮彈實現了核分裂。為經，科克羅夫特和沃爾頓一起獲得了1951年的諾貝爾物理學獎。但是不久，人們就發現靜電粒子加速器在電壓太高時會產生巨大的電火花。這樣，要再進一步增大粒子炮彈的能量就不可能了。
然而，正是在首創的「靜電粒子加速器」的基礎上，科學家們不斷努力探索，後來又研製成功了直線粒子加速器、迴旋粒子加速器、同瞳迴旋加速器、質子同瞳加速器等更高能量的粒子加速器。從20世紀30年代到50年代後半期的20年時間里，加速器的能量增加了幾百倍到幾千倍。
為什麼加速器的能量增加得這樣快呢？這是因為要發現基本粒子。除了到宇宙線中去尋找外，就得到原子核內部去尋找。原子核內部存在非常強大的作用力，把基本粒子緊緊地結合在一起，因此研究基本粒子需要很大的能量。隨著加速器能量的增加，在實驗室中所發現的基本粒子數目也增多了。
現在，粒子加速器的規模已有小於一個大型機器製造廠，其用電量相當於一個中等城市，工作人員可達數千人，有宇宙粒子製造廠之稱。但是，盡管今日粒子加速器能量已經夠大的了，可它仍然遠遠不能適應探索原子奧秘的要求，因此隨著人們對原子奧秘探索的深入，粒子加速器仍會為斷地改進。

粒子加速器的發展
粒子加速器最初是作為人們探索原子核的重要手段而發展起來的。其發展歷史概括如下；
1919年，盧瑟福用天然放射源實現了歷史上第一個人工核反應，激發了人們用快速粒子束變革原子核的強烈願望。
1928年，伽莫夫關於量子隧道效應的計算表明，能量遠低於天然射線的α粒子也有可能透入原子核內。該研究結果進一步增強了人們研製人造快速粒子源的興趣和決心。
1932年，J．D．考克饒夫特（John D. Cockroft）和E.T.瓦爾頓（Earnest T. S. Walton）在England的 Cavendish 實驗室開發製造了700kV高壓倍加速器加速質子，即Cockroft-Walton 加速器，實現了第一個由人工加速的粒子引起的Li（p，α）He核反應。由多級電壓分配器（multi-step voltage divider ）產生恆定的梯度直流電壓，使離子進行直線加速。
1930年，Earnest O. Lawrence製作了第一台迴旋加速器，這台加速器的直徑只有10cm。隨後，經M. Stanley Livingston資助，建造了一台25cm直徑的較大迴旋加速器，其被加速粒子的能量可達到1MeV。幾年後，他們用由迴旋加速器獲得的4.8MeV氫離子和氘束轟擊靶核產生了高強度的中子束，還首次生產出了24Na、32P和131I等人工放射性核素。
1940 由 D. W. Kerst 利用電磁感應產生的渦旋電場發明了新型的加速電子電子感應加速器（Betatrons）
。它是加速電子的圓形加速器。與迴旋加速器的不同之處是通過增加穿過電子軌道的磁通量（magnetic flux ）完成對電子的加速作用，電子在固定的軌道中運行。在該加速器中，必須和處理電子的相對論作用一樣來處理由輻射而丟失的能量。所有被加速的粒子輻射電磁能，並且在一定動能范圍內，被加速電子的輻射損失能量比質子的多。這種丟失的輻射能稱同步加速輻射。因此，電子感應加速器的最大能量限制在幾百MeV內。
在研製電子感應加速器的過程中提出了電子的振盪理論，並解決了帶電粒子在加速過程中的穩定性問題，該理論適用於各種類型的梯度磁場聚焦的加速器。因此，在加速器的發展歷史上，該加速器起了重要的作用。
電子感應加速器除了主要用於產生的γ射線做核反應等方面的應用外，還廣泛用於工業和醫療方面：如無損探傷、工業輻照、放射治療等。
1945年，V•.I• 維克斯勒爾和.E.M.麥克米倫分別提出了諧振加速中的自動穩相原理，從理論上提出了突破迴旋加速器能量上限的方法，從而推動了新一代中高能迴旋諧振式加速器如電子同步加速器、同步迴旋加速器和質子同步加速器等的建造和發展。