核素扩散实验装置图片

㈠ 核磁共振测井物理基础与实验

（一）原子核磁矩

1.带电体的磁矩

我们知道，带电物体做闭合运动时具有磁矩（图5-38（a）），其定义为式中：i为电流，A；S为闭合面积，m²；n为电流方向成右手法则的面积单位矢量。

图5-38 微观粒子的磁矩

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可以证明，带正电荷q、以速度v做圆周运动的带电粒子体系（图5-38）的磁矩为

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上式中，P_L=r×mv为粒子的角动量。粒子的磁矩与角动量成正比，且方向一致。

具有磁矩的体系置于磁场B中，它将受到力矩L的作用：

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并且具有热能E：

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上两式说明，当M与B方向一致时，体系热能最低，最为稳定；当两者反平行时，热能最高，为非稳态平衡。

2.原子核的磁矩

原子核是带有Z个正电荷的带电粒子，且具有一定的自旋角动量。因此，原子核具有磁矩（图5-38（b）），原子核磁矩的表达式一般写为

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式中，ħ=h/2π=1.0546×10 J·s，h称普朗克常数；m_p=1.6726×10 kg为质子质量；P_I为以ħ为单位的核自旋角动量；系数g_I称为核回旋磁比率，简称G因子。

核的磁矩是原子核的重要属性之一。例如，对氢核（质子）g_p=5.586（≠2）；对中子（电荷为0）g_n=-3.826（≠0）。

式（5-11）也可写为

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其中

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称旋磁比。对H核γ=2.67519×10⁸（rad·T^-1·s^-1）。

3.氢核磁矩

原子核的磁矩可以通过核磁共振方法测量。实验发现，对偶A核（A是原子核质量数），角动量量子数为整数，其中偶-偶核（中子数N、电荷数Z都是偶数）I=0；奇A核，I为半整数。因此，对偶-偶核，其磁矩为零。

构成地表元素的核素，偶-偶核占有最大的含量；而对其他核，氢核的含量最多，它的信息最大。除此之外，还有以下诸原因：①氢元素是地下流体最显著的标识元素；②氢核的g因子（或旋磁比γ）在所有核素中为最大，理论表明对样品测量的灵敏度正比于γ^5/2；③可以通过共振除去其他核的影响。

（二）核磁共振实验和核磁共振现象

1.核磁共振现象

对核磁共振现象存在着两种理论解释方法：量子力学和经典电动力学。由于经典力学直观形象，可以解释大多数实验现象，工程应用中一般采用经典力学方法。

核磁共振现象，从微观机理讲是具有简并量子状态的粒子在磁场作用下简并度被解除的效应（Zeeman效应）。具有磁导率μ_I的核置于磁场B₀中，将获得附加的能量：

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式中：μ_I，Z是在B₀（Z）方向的投影。

由量子力学可知，μ_I，Z有I+1个值，E也有I+1个值：

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磁量子数m=I，…，-I。当m=I时，能量最低。例如，对H核，I=1/2，其能级分裂为两条，如图5-39所示。相邻能级差（Δm=1）：

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图5-39 在磁场B₀中H核的能级分裂

如果在垂直于均匀磁场B₀方向上再加一个强度较弱的高频磁场B₁，其频率满足

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即

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原子核会吸收高频磁场的能量，从而使核的取向发生变化，实现由较低能级向相邻较高能级的跃迁。在这里，ω₀称为共振频率或跃迁频率，它也是具有固有自旋角动量P_I的体系绕外加磁场B₀做高速旋转的拉莫尔进动频率。

2.核磁共振实验

核磁共振实验装置有连续波工作法（CW）和脉冲-傅里叶法（PF）。前者直接测量共振频率；后者测量样品吸收外部能量后发出的时域谱，再经过傅里叶变换转化为频谱。目前大都采用后一种工作方式。NMR工作方式原理如图5-40所示。

首先考虑NMR信号的数量级。①为克服电子对核的屏蔽作用，外加均匀磁场B₀需足够强，约1 T（1 T=10⁴ Gs）。当B₀=1.4 T时，由式（518），其共振频率MHz。它在无线电波谱段，核磁共振是低能量电磁波（无线电波）与物质相互作用的一种物理现象。②理论表明，受到磁化的粒子数服从玻尔兹曼分布：

图5-40 核磁共振简示图

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k=1.38054×10^-23J·K^-1为玻尔兹曼常数。在热平衡时，基态核素N₀∝e^（-E/kT）。

第一激发态核数N₁∝e^（-E，所以：

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当T=300 K及B₀=1 T时，ΔN≈7×10^-6 N₀。这是一个非常小的量，NMR信号正比于ΔN。

由图5-40样品置于强均匀磁场B₀中，使样品磁化，把射频场B₁（ω）以一个短而强的脉冲加到样品上（B₁⊥B₀），射频脉冲期间的射频频率满足核磁共振条件：ω=γB₀，样品会吸收高频磁场的能量而实现能级跃迁（吸能过程）。脉冲过后，样品会释放在高能级的能量（放能过程），在感应线圈上会产生一个“自由感应衰减”信号（FID），它是时间域函数。一般要求射频脉冲门成直角，且脉冲宽度τ很小。

在实验室条件下，通过傅里叶变换，得到样品频谱和纵向弛豫时间T₁等多种物理参数；而在测井中或其他工程中一般只测横向弛豫时间T₂。

利用NMR还可实现样品内部成像，即核磁共振成像（NMRI）技术。其基本原理由式（5-18）知，共振频率与外加磁场成正比。设置磁场为空间变量B₀（x，y，z），则样品的共振频率为ω₀（x，y，z）=γB₀（x，y，z），也是空间向量。激发不同频率，对应不同空间点信号，利用计算机相应存储器存储，即完成“空间编码”，重现成像。

（三）核磁共振宏观描述——布洛赫方程

核磁共振的宏观理论基于核磁共振现象的发现者布洛赫（Bloch）。该理论从磁化强度矢量M出发，是工程中最常用的理论。

磁化强度M定义为单位体积内所有磁矩的矢量和：

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其SI单位为A·m^-1。在没有加外磁场时，由于电子的屏蔽作用，单个核磁矩随机取向，〈μ_I〉=0，宏观上观察不到核的磁特性（5-41a）。当外加一静磁场B₀时，情况发生了变化，原子核被磁化，排列有序，产生磁化现象（图5-41b）。显然，M的取向与外加磁场B₀的方向一致。

图5-41 磁场中原子

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式中：κ为核磁化率。由统计力学可求：

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式中：N为单位体积自旋核数。

以平均磁矩〈μ〉表示磁化强度M的大小

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它正比于N，是工程中所关注的量。

布洛赫方程是描述磁化强度与磁场相互作用的微分方程。基于宏观电磁理论，在NMR中具有非常重要的意义。其向量形式：

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式中：M=（M_x，M_y，M_z）^T为磁化强度矢量。当只有均匀磁场B₀时，M=M₀；B=（B_x，B_y，B_z）^T为外加磁强强度；R=（1/T₂，1/T₁）为3×3阶弛豫矩对角方阵。

严格求解布洛赫方程是一项困难的工作，只能通过一些假定对问题进行简化。

1.当脉冲发射时

在其作用时间t_p内，弛豫时间T可忽略不计；在X方向施加射频磁场：B_x=2B₁cosωt，布洛赫方程为

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上式仍需进一步化简：①分解线偏振2B₁cosωt为两个相对反相旋转的圆偏振，且只考虑激发共振的一个圆偏振场；②实验室坐标系（L系）变换为以射频场频率ω绕Z轴旋转的旋转坐标系（R系）求解。在R系中，只有B₁作用，交变量消除，而γB₀=ω₀变为有效角频率（ω₀-ω）。布洛赫方程化为

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当达到共振时，ω₀-ω=0，由此得：

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由此得到，共振时，磁化强度M以ω₀绕Z轴进动。在旋转坐标系中，它以ω₁=γB₁的角频率在YZ平面上转动，称为章动（ω₁也称Rabi频率）。在脉冲作用时间t_p内，M与Z轴之间形成一个夹角，这个夹角称为脉冲偏转角，用θ表示。M的运动可比喻为在重力作用下旋转的陀螺（图5-42）。在NMR中，通常说90°脉冲即指把M从Z方面扳转到XY平面时所对应的时间。

2.脉冲作用过后

此时可以检测由样品发出的NMR信号，需考虑弛豫时间，布洛赫方程化为

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当扳转角θ₀=90°时，上式解为

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此结果表明，M一方面在XY平面绕Z轴以拉莫尔频率高速旋转（称旋进），并以T₂呈指数衰减；同时又以速率1/T₁回复到Z轴的初时值。图5-43表示了M的纵向和横向分量衰减示意图。在XY平面会接受到M进动产生的感应电流信号，即自由感应衰减信号（FID）。

图5-42 磁化强度M的“陀螺”运动

图5-43 M的弛豫恢复过程

自由感应衰减信号的弛豫时间是由于分子热运动以非辐射方式释放能量的过程而产生，它分为纵向弛豫和横向弛豫。纵向弛豫时间T₁称自旋转-晶格弛豫，它指M在恢复Z方向的磁化强度时，将自身的能量通过热能传递给周围环境；横向弛豫时间T₂也称自旋-自旋弛豫，它的能量交换是在体系内部进行的。测井中，受钻井空间和长线传输等实际问题的限制，测量的是横向弛豫时间T₂。

（四）物质的弛豫特性

存在三种影响T₁或T₂弛豫时间的NMR弛豫机理：即颗粒表面弛豫、梯度场中分子扩散引起的弛豫和体积流体进动引起的弛豫。

1.颗粒表面弛豫

流体分子在孔隙空间内不停地运动和扩散，在NMR测量期间扩散使分子有充分机会与颗粒表面碰撞。每次碰撞都提供了自旋弛豫的机会。当分子碰到颗粒表面，可能发生两种现象。首先，氢质子将核自旋能源传递给颗粒表面，使之与静磁场B₀重新线性排列（这对纵向弛豫T₁有贡献）。其次，氢质子可能产生不可逆的反相自旋，而对横向弛豫T₂有贡献。这些现象不是每次碰撞都发生，仅有发生的一种可能性。如图5-44（a）示出在孔隙中两个分子的运动路径，有一个自旋被弛豫前发生了几次碰撞。研究人员指出，在大部分岩石中，颗粒表面弛豫对T₁和T₂的影响最大。

在弛豫质子自旋方面，不是所有面都具有相同能力。顺磁离子如铁、锰、镍和铬等为特别有效的弛豫物质，只要它们存在就能够控制弛豫速度。砂岩通常含1%的铁，这使流体质子有效预见弛豫。碳酸盐岩的流体弛豫速率低于砂岩。在弛豫孔隙水方面，砂岩比碳酸盐岩的有效率高三倍。

在表面弛豫中，孔隙大小也起了重要作用。弛豫速度与质子碰撞表面的频率有关，也就与表面体积比（S/V）有关，见图5-44。在大孔隙中，碰撞发生次数少，其S/V小，因此弛豫时间相对长。同样，小孔隙的S/V大，弛豫时间短。

图5-44 颗粒表面弛豫

对于单个孔隙，核自旋激励按指数衰减。在T₂实验中，作为时间的函数，信号幅度随特性时间常数［ρ₂S/V］^-1衰减，于是：

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同样

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实验研究表明，表面弛豫机制与温度和压力无关。岩石中流体弛豫主要为颗粒表面弛豫，弛豫时间比（T₁/T₂）在1至2.5之间，通常为1.6。

岩石包括一系列不同尺寸的孔隙，每个孔隙具有自己的S/V。因而会有多个弛豫组分，总激励为来自不同孔隙信号之和，所以实测的T₂不是一个单值，而是T₂分布函数。所有孔隙体积之和等于岩石的流体体积——孔隙度。总信号正比于孔隙度，总衰减为反映孔隙尺寸分布的单个衰减之和。孔隙度和孔隙尺寸分布的测量是NMR解释的重要参数。

2.扩散弛豫

在梯度场中分子扩散造成的弛豫为扩散弛豫。

当静磁场中存在梯度时，分子运动能造成失相，导致T₂弛豫。T₁弛豫不受影响。当不存在梯度场时，分子扩散不会造成NMR弛豫。

图5-45中，开始CPMG脉冲序列，在90°脉冲期间一个分子位于A点。被扳倒到横向平面上之后，自旋开始以频率ω₀（A）进动，ω₀（A）为局域进动频率。但是，当它扩散时遇到缓慢变化的B₀，其进动频率慢慢改变。在T_E时它到达C点，此时发生自旋回波。如果点A和B间其进动快于点B和C，在T_E时其相位不能完全恢复。同时，其他分子沿其他方向运动，每个分子都有自己的进动过程。因此，T_E时的自旋重聚不完全。因为子运动是随机的，失相不可改变，故构成真T₂。由此扩散产生的T₂表示如下：

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图5-45 在梯度磁场中的分子扩散

NMR测井仪能产生明显的磁场梯度。例如，MRIL-C型仪器在整个采样区域内可产生近17×10^-4 T/cm的均匀梯度场。CMR仪的梯度场在采样区域内是变化的，梯度为20×10^-4 T/cm时仪器对扩散响应达峰值。

造成磁场梯度的另一个原因是颗粒物质与孔隙流体间的磁化率不同。岩石通常含1%的顺磁离子，颗粒磁化率典型值为χ_g=+10^-5 cgs/cm³。水和油为弱抗磁物，水的磁化率为χ_w=-0.72×10^-6 cgs/cm³。岩石中静磁场B₀的范围是：

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其中Δχ=χ_g-χ_w为磁化率差；ΔB₀为静磁场梯度。若B₀=500×10^-4 T，对典型的充满流体岩石，ΔB₀为0.005T/cm。内部磁场梯度也与磁场变化的距离R有关：

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R明显受控于孔隙几何形状，由于对孔隙几何形状知之甚少，所以很难估算内部梯度。岩石复杂的微观几何形状也对扩散本身有影响。故对于岩石，式（5-33）变得复杂但仍以不完全了解的方式变化。

CMPG法是已知的减小梯度场扩散影响的最好脉冲序列。使CPMG回波间隔达到极小可减小扩散对T₂弛豫的影响，使之到可忽略程度。对于间隔较近的脉冲，T₂主要为表面弛豫或体积弛豫。当采用大回波间隔，或者当扩散系数很高如气体或高温下的水和轻烃，扩散影响十分显著。

3.体积弛豫

即使颗粒表面和内磁场梯度不存在，在体积流体中也会发生弛豫。

对于水和烃，体积流体中的弛豫主要是邻近自旋随机运动产生的局部磁场波动造成的。

相邻原子核的局域磁场相当强，但快速的分子运动（多数为分子旋转）使该影响趋于平衡。通常，体积弛豫可以忽略。当一种流体被阻止进入与固体表面接触，体积弛豫就十分重要了。在水湿润性岩石中，水的弛豫主要是与颗粒表面碰撞造成的，因孔隙中心的小滴油或气则无法接近岩石表面，因此仅被体积弛豫。当水存在于很大孔隙中时，仅有少量水可接触表面（如碳酸盐岩中的孔洞），此时体积弛豫明显。

对于粘滞流体，即使它们构成湿润相，其体积弛豫也十分重要。在这种流体中，旋转是无效的，弛豫时间相对短。短的弛豫时间和扩散到颗粒表面能力的减弱使体积弛豫变得显著。所以，提高流体黏度缩短了体积弛豫时间。

当孔隙流体含有高密度顺磁离子氯、锰、铁、镍时，孔隙流体的体积弛豫也十分明显。例如，木质磺盐酸铬泥浆滤液中的铬离子减少了弛豫时间，因为电子自旋周围的局域场太强。

悬浮液中的细微粒子（在整个泥浆侵入带中都存在）也减少了流体体积弛豫时间，因为存在大量的流体分子可遇到的“悬浮”固体表面。

体积弛豫仅是一种流体特征，不受它所驻留地层的特性（如矿物或微观或几何形状）的影响。通常它受温度影响较大。在水湿润岩石中的油、孔洞中的水和溶液中存在大量顺磁离子如铁、铬或锰的情况下，这一点十分重要。当体积弛豫明显时，T₁=T₂。

4.弛豫过程小节

上述的弛豫过程并行作用，也就是说，它们的速率相加。对于横向弛豫：

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式中：为体积贡献；为表面贡献；为梯度场扩散贡献。

对于纵向弛豫，相应的等式为

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注意扩散对T₁无影响，因为该过程仅是一个失相机制。

（五）水、油、气弛豫特征

1.水的弛豫特征

在水润湿的碎屑岩中，水的弛豫时间为颗粒表面的弛豫所控制。弛豫速度与充满水的孔隙空间的比面和颗粒矿物成分有关。在下列环境下，水的弛豫时间受控于体积和扩散弛豫，仅知地层温度即可预测其值。这些环境是：①孔洞孔隙，孔隙比面很小；②严重油湿岩石；③含有高浓度顺磁离子如铁、铬的原生水或滤液。

为了评估扩散弛豫的重要性，必须知道水的扩散系数D。D基本上与压力无关，但受温度影响较大，如图5-46a所示。

对于不受固体表面弛豫影响的水而言，NMR弛豫速度为

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在体液中（也就是没有扩散限制），由式（5-33）得出。在岩石中，特别是细粒岩石，颗粒是扩散的明显屏障，有效扩散系数小于D，这使1/T_2D接近1/T_2B。另一方面，大于已知仪器梯度的内部梯度使1/T_2D增加。在缺乏更好资料情况下，使用纯流体D值和仪器G值可估算1/T₂的合理近似值。假定仪器磁场梯度为20×10^-4 T/cm，体积水扩散，T₂曲线示于图4-46b。T₁也示于此图，因T₁既与扩散系数无关也与磁场梯度无关，故它总为标准值。用其他仪器梯度值和回波间隔通过式（5-33）重新计算的T₂曲线与图中曲线相似。

图5-46a 水的扩散系数与温度的关系

图5-46b 水的体积弛豫和扩散弛豫

泥浆滤液含有增加体积弛豫速度的顺磁离子，特别是木质磺酸含铁或铬时在这方面有特别的效果。图5-47a和图5-47b为几十年前收集数据的再版。现代泥浆的数据仍未见报道。注意到高温一般减弱泥浆滤液中增加物的影响。

在某些情况下，故意在泥浆中加入顺磁锰离子以减小水基泥浆的 T₂。如果锰浓度足够高，水相的T₂减小至仪器死时间之下，所有的水信号将消失。因为在烃中锰不会衰弱，它们的弛豫时间不受影响，所以NMR孔隙度中仅剩下油或气的信号。该技术已成功用于估算残余油饱和度。类似地，孔洞地层中加入中等数量的锰能减小孔洞中水的 T₁，这使得能用短的等待时间估算总孔隙度，从而提高了测井速度。

图5-47a T₁与加入钻井泥浆中的稀释剂的关系

图5-47b 作为不同钻井增加剂的函数T₁与温度关系

通常，锰必须用乙烯二胺四乙酸盐（EDTA）处理以阻止它与粘土矿物发生离子交换。当井未穿过泥质地层时，可用相对不太贵的氯化锰替代。锰溶液的弛豫特性示于图5-48a和图5-48b。当预测锰减小水相T₂时，记录泥浆滤液被NMR仪探测域内原生水稀释程度，这一点十分重要。

图5-48a 锰溶液的弛豫特征

图5-48b Mn-EDTA弛豫特性与温度的关系

2.油的弛豫特征

在水润湿岩中，油的NMR弛豫时间不受地层特性的影响，仅为油组分和地层温度的函数。这大大简化了测井解释的任务，人们可以有部分把握地预测油信号在T₂弛豫时间分布上出现的位置。

预测油的NMR特性的第一步是确定井下油的黏度。已知黏度后，根据图5-49确定T₁和T₂。T₂曲线假定仪器梯度为20×10^-4 T/cm。如果仪器磁场梯度低于此值，T₂曲线向T₁曲线移近。较高的仪器梯度或高的内部梯度增加了曲线间的距离（根据式5-33）。

图5-49 原油弛豫时间、体积弛豫和扩散弛豫

在预测原油 T₂时，一定要记住原油不是单一的弛豫时间，而具有一定弛豫时间分布。图5-50 示出了几种原油的T₂分布，是在均匀磁场中（G=0）作为体积液体测量的。与具有窄T₂分布的成品油对比，原油的T₂分布跨度大，原因是原油为不同类型烃的混合物。典型的分布由一个源于最具流动性氢核的较长T₂峰和一个来自运动受限制氢核的较短弛豫时间的尾组成。定量确定烃量需要将原油T₂分布与观测到总的T₂分布重叠，在一个尺寸变化大的孔隙系统中，总T₂分布包括水的宽弛豫时间分布。

图5-50 体积样品的T₂分布

在许多油基钻井泥浆（OBM）中，基质油为用一个窄沸点范围蒸馏得到的精制烃。这使OBM滤液的T₂分布窄。

3.气体弛豫特征

甲烷的T₁为其成分、温度和压力的函数，如图5-51所示。弛豫为体积弛豫，但不同于液体的自旋-自旋弛豫，像甲烷一样的简单气体主要弛豫为自旋-轨道相互作用所致。

图5-51 甲烷气的T₁与温度和压力的关系

图5-52 甲烷扩散系数

气体T₂完全受控于扩散弛豫，所以T₁和T₂彼此无关。甲烷的扩散系数很高，如图5-52所示，将其结果代入等式（5-33），得出图5-53所示的甲烷T₂值，图中假设仪器梯度为20×10 ^-4T/cm。

在静态条件下，气体很少作为连续相存在。在中等水饱和状态下，水阻塞孔隙喉道，气体作为孤立的气泡存在于孔隙中间。因气的扩散系数很高，在梯度场中扩散影响可被消除。如果在T_E期间，一个气体分子在气泡上来回移动，扩散弛豫变为无效，T₂接近T₁。对于尺寸小于5 μm的气泡，气体T₂很长，且与T_E无关。

4.结论

图5-53 未限制扩散的甲烷T₂

对于在润湿岩石中的水，常常以表面弛豫机制为主。当在泥浆滤液中含铁、锰、铬、镍或其他顺磁离子时，必须作体积弛豫校正。孔洞中的水以体积速率弛豫，受扩散弛豫影响。同样，水湿润岩中的油也以体积速度弛豫，受扩散影响，气体的T₁受控于体积弛豫，而T₂受控于扩散弛豫（表5-2）。

表5-2 弛豫机制

（六）固体的弛豫特性

NMR测井仪地层中氢核有响应。部分骨架组分，特别是粘土和含结晶水的矿物如石膏富含氢。

虽然固体中的氢核影响中子测井，但他们对NMR测井无影响，原因是固体中氢核的弛豫速率很慢，使之不被井下测井仪检测。通常，T₁很长，约几十秒或几百秒，使之不被移动测井仪极化。此外，其T₂值很短，约为10 μs，所以来自固体中的信号因在接收死时间内而被丢失（所有NMR测井仪的死时间约为几百毫秒）。因此，NMR仪器对骨架影响极不敏感，是核磁共振测井的重要优越性之一；测量结果不受岩性影响，从而使核磁测井资料解释大大简化。

㈡ 粒子加速器的实验装置

北京正负电子对撞机
北京正负电子对撞机是一台可以使正、负两个电子束在同一个环里沿着相反的方向加速，并在指定的地点发生对头碰撞的高能物理实验装置。由于磁场的作用，正负电子进入环后，在电子计算机控制下，沿指定轨道运动，在环内指定区域产生对撞，从而发生高能反应。然后用一台大型粒子探测器，分辨对撞后产生的带电粒子及其衍变产物，把取出的电子信号输入计算机进行处理。它始建于1984年10月7日，1988年10月建成，包括正负电子对撞机、北京谱仪（大型粒子探测器）和北京同步辐射装置。
北京正负电子对撞机的建成，为中国粒子物理和同步辐射应用研究开辟了广阔的前景。它的主要性能指标达到80年代国际先进水平，一些性能指标迄今仍然是国际同类装置的最好水平。 而且中美科学家还于2003年7月30日在北京正负电子对撞机上首次发现一个新粒子，中美科学家合作分析研究从对撞机上得到的5800万个J粒子事例的数据时，发现了这个新的短寿命粒子。这可能是几十年前由科学家费米和杨振宁预言的多夸克态粒子。
上海同步辐射光源
上海光源是一台高性能的中能第三代同步辐射光源，它的英文全名为Shanghai Synchrotron Radiation Facility，简称SSRF。它是中国迄今为止最大的大科学装置和大科学平台，在科学界和工业界有着广泛的应用价值，每天能容纳数百名来自全国或全世界不同学科、不同领域的科学家和工程师在这里进行基础研究和技术开发。
兰州重离子加速器
兰州重离子加速器兰州重离子加速器是中国自行研制的第一台重离子加速器，同时也是我国到目前为止能量最高、可加速的粒子种类最多、规模最大的重离子加速器，是世界上继法国、日本之后的第三台同类大型回旋加速器，1989年H月投入正式运行，主要指标达到国际先进水平。中科院近代物理研究所的科研人员以创新的物理思想，利用这台加速器成功地合成和研究了10余种新核素。
合肥同步辐射装置
中国科学技术大学国家同步辐射实验室 合肥同步辐射装置主要研究粒子加速器后光谱的结构和变化，从而推知这些粒子的基本性质。它始建于1984年4月，1989年4月26日正式建成，经过两次改造，迄今已建成数十个个实验站，接待了大量国内外用户，取得了一批有价值的成果。
大型强子对撞器
世界上最大、能量最高的粒子加速器——大型强子对撞器（Large Hadron Collider，简称LHC）
大型强子对撞器(Large Hadron Collider，LHC），是一座位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织CERN的粒子加速器与对撞机，作为国际高能物理学研究之用。(全球定位点：北纬46°14′00″，东经6°03′00″46.233333333333;6.05) LHC已经建造完成，北京时间2008年9月10日下午15：30正式开始运作 ，成为世界上最大的粒子加速器设施。但在2008年9月19日，LHC第三与第四段之间用来冷却超导磁铁的液态氦发生了严重的泄漏，导致对撞机暂停运转 。LHC是一个国际合作的计划，由34国超过两千位物理学家所属的大学与实验室，所共同出资合作兴建的。
激光粒子加速器
美国科学家Tomas Plettner在出版的《物理评论快报》上报告，他和斯坦福大学、斯坦福线形加速器中心（SLAC）的同事一起，用一种波长800纳米的商用激光调节真空中运行的电子的能量，获得了和每米递减4千万伏的电场一样的调制效果。这一技术有望发展成新型激光粒子加速器，用来将粒子加速到Tev（万亿电子伏）的量级。
传统的加速器必须做成几百米甚至更长的庞然大物，以将粒子能量提升到粒子物理学家所需的程度。几年来，科学家发展出一种主要基于激光等离子体的技术，可获得比传统加速器更高的加速梯度，从而为缩短加速度的长度带来可能。然而，之前的一些技术往往导致同步加速器的辐射损失或降低粒子束的质量，限制了其对粒子物理学家的吸引力。
斯坦福大学研究小组开发的新方法，在用激光束加速的同时，施加一个和激光同向的纵向电场，形成叠加的加速效果。电子获得的能量自然等于纵向电场和激光束单独作用施加能量之和。该装置在真空中加速电子，而不是在复杂得多的等离子体环境中。
在自然空间，激光的相位速度——单一波长光的传播速度——比电子的速度低，因此不会影响加速效果。然而，Plettner和同事用一种镀金的带状聚合物，在电子束和光束互相作用的点上设置一条“边界线”；该线减轻了电子束和光束之间的相互影响，使两者之间产生电子加速所需的能量交换，从而克服了这个问题。
“这项工作最初、最主要的动机是想探索开发粒子加速器的可能性，从而把现有直线加速器的长度缩减一个数量级。”Plettner说，“这将导致碰撞能达1Tev甚至更高的‘紧凑’型高亮度轻子碰撞的出现。”据悉，新方法还可能导致小型X射线源技术的发展。

㈢ 粒子加速器的实验装置

粒子加速器
粒子加速器
particle accelerator
用人工方法产生高速带电粒子的装置。是探索原子核和粒子的性质、内部结构和相互作用的重要工具，在工农业生产、医疗卫生、科学技术等方面也都有重要而广泛的实际应用。
自E.卢瑟福1919年用天然放射性元素放射出来的a射线轰击氮原子首次实现了元素的人工转变以后，物理学家就认识到要想认识原子核，必须用高速粒子来变革原子核。天然放射性提供的粒子能量有限，只有几兆电子伏特（MeV），天然的宇宙射线中粒子的能量虽然很高，但是粒子流极为微弱，例如能量为1014电子伏特（ eV ）的粒子每小时在 1平方米的面积上平均只降临一个，而且无法支配宇宙射线中粒子的种类、数量和能量，难于开展研究工作。因此为了开展有预期目标的实验研究，几十年来人们研制和建造了多种粒子加速器，性能不断提高。应用粒子加速器发现了绝大部分新的超铀元素和合成的上千种新的人工放射性核素，并系统深入地研究原子核的基本结构及其变化规律，促使原子核物理学迅速发展成熟起来；高能加速器的发展又使人们发现包括重子、介子、轻子和各种共振态粒子在内的几百种粒子，建立粒子物理学。近20多年来，加速器的应用已远远超出原子核物理和粒子物理领域，在诸如材料科学、表面物理、分子生物学、光化学等其它科技领域都有着重要应用。在工、农、医各个领域中加速器广泛用于同位素生产、肿瘤诊断与治疗、射线消毒、无损探伤、高分子辐照聚合、材料辐照改性、离子注入、离子束微量分析以及空间辐射模拟、核爆炸模拟等方面。迄今世界各地建造了数以千计的粒子加速器，其中一小部分用于原子核和粒子物理的基础研究，它们继续向提高能量和改善束流品质方向发展；其余绝大部分都属于以应用粒子射线技术为主的“小”型加速器。
粒子加速器的结构一般包括 3个主要部分 ：①粒子源 ，用以提供所需加速的粒子，有电子、正电子、质子、反质子以及重离子等等。②真空加速系统，其中有一定形态的加速电场，并且为了使粒子在不受空气分子散射的条件下加速 ，整个系统放在真空度极高的真空室内。③导引、聚焦系统 ，用一定形态的电磁场来引导并约束被加速的粒子束，使之沿预定轨道接受电场的加速。所有这些都要求高、精、尖技术的综合和配合。
加速器的效能指标是粒子所能达到的能量和粒子流的强度（流强）。按照粒子能量的大小，加速器可分为低能加速器（能量小于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于各种实际应用。
粒子加速器按其作用原理不同可分为静电加速器、直线加速器、回旋加速器、电子感应加速器、同步回旋加速器 、对撞机等。
1929年，英国物理学家科克罗夫特和沃尔顿一起，设计制造出了一个“电压倍加器”，从而制造出了世界上第一台增加质子能量的装置，他们把它叫做“静电粒子加速器”。这台加速器利用高电压，能把质子加速到将近40万电子伏的能量，便锂原子发生了核分裂，从而首次用人造粒子炮弹实现了核分裂。为经，科克罗夫特和沃尔顿一起获得了1951年的诺贝尔物理学奖。但是不久，人们就发现静电粒子加速器在电压太高时会产生巨大的电火花。这样，要再进一步增大粒子炮弹的能量就不可能了。
然而，正是在首创的“静电粒子加速器”的基础上，科学家们不断努力探索，后来又研制成功了直线粒子加速器、回旋粒子加速器、同瞳回旋加速器、质子同瞳加速器等更高能量的粒子加速器。从20世纪30年代到50年代后半期的20年时间里，加速器的能量增加了几百倍到几千倍。
为什么加速器的能量增加得这样快呢？这是因为要发现基本粒子。除了到宇宙线中去寻找外，就得到原子核内部去寻找。原子核内部存在非常强大的作用力，把基本粒子紧紧地结合在一起，因此研究基本粒子需要很大的能量。随着加速器能量的增加，在实验室中所发现的基本粒子数目也增多了。
现在，粒子加速器的规模已有小于一个大型机器制造厂，其用电量相当于一个中等城市，工作人员可达数千人，有宇宙粒子制造厂之称。但是，尽管今日粒子加速器能量已经够大的了，可它仍然远远不能适应探索原子奥秘的要求，因此随着人们对原子奥秘探索的深入，粒子加速器仍会为断地改进。

粒子加速器的发展
粒子加速器最初是作为人们探索原子核的重要手段而发展起来的。其发展历史概括如下；
1919年，卢瑟福用天然放射源实现了历史上第一个人工核反应，激发了人们用快速粒子束变革原子核的强烈愿望。
1928年，伽莫夫关于量子隧道效应的计算表明，能量远低于天然射线的α粒子也有可能透入原子核内。该研究结果进一步增强了人们研制人造快速粒子源的兴趣和决心。
1932年，J．D．考克饶夫特（John D. Cockroft）和E.T.瓦尔顿（Earnest T. S. Walton）在England的 Cavendish 实验室开发制造了700kV高压倍加速器加速质子，即Cockroft-Walton 加速器，实现了第一个由人工加速的粒子引起的Li（p，α）He核反应。由多级电压分配器（multi-step voltage divider ）产生恒定的梯度直流电压，使离子进行直线加速。
1930年，Earnest O. Lawrence制作了第一台回旋加速器，这台加速器的直径只有10cm。随后，经M. Stanley Livingston资助，建造了一台25cm直径的较大回旋加速器，其被加速粒子的能量可达到1MeV。几年后，他们用由回旋加速器获得的4.8MeV氢离子和氘束轰击靶核产生了高强度的中子束，还首次生产出了24Na、32P和131I等人工放射性核素。
1940 由 D. W. Kerst 利用电磁感应产生的涡旋电场发明了新型的加速电子电子感应加速器（Betatrons）
。它是加速电子的圆形加速器。与回旋加速器的不同之处是通过增加穿过电子轨道的磁通量（magnetic flux ）完成对电子的加速作用，电子在固定的轨道中运行。在该加速器中，必须和处理电子的相对论作用一样来处理由辐射而丢失的能量。所有被加速的粒子辐射电磁能，并且在一定动能范围内，被加速电子的辐射损失能量比质子的多。这种丢失的辐射能称同步加速辐射。因此，电子感应加速器的最大能量限制在几百MeV内。
在研制电子感应加速器的过程中提出了电子的振荡理论，并解决了带电粒子在加速过程中的稳定性问题，该理论适用于各种类型的梯度磁场聚焦的加速器。因此，在加速器的发展历史上，该加速器起了重要的作用。
电子感应加速器除了主要用于产生的γ射线做核反应等方面的应用外，还广泛用于工业和医疗方面：如无损探伤、工业辐照、放射治疗等。
1945年，V•.I• 维克斯勒尔和.E.M.麦克米伦分别提出了谐振加速中的自动稳相原理，从理论上提出了突破回旋加速器能量上限的方法，从而推动了新一代中高能回旋谐振式加速器如电子同步加速器、同步回旋加速器和质子同步加速器等的建造和发展。