井下直接铀定量γ 能谱仪中铅屏蔽层的应用效果评价

冯延强，焦仓文，乔宝强，杨龙泉，李必红

（核工业北京地质研究院 中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029）

在铀资源勘查领域，研究探索无需铀镭平衡修正、镭氡射气修正便可直接获取地层铀含量的井下原位探测技术，能有效降低铀矿勘探成本、提高生产效率［1-2］。依托于中核集团“青年英才”科研专项，开展了井下γ 能谱直接铀定量探测技术研究及仪器设备研制。

不同于传统γ 能谱测井技术，该项研究技术是通过238U 第二代子体234mPa 核素衰变释放的1 001 keV 能量特征峰作为目标峰［3］。理论上，238U 第1 代子体234Th 半衰期为24.1 d，可认为238U 与234Th 约241 d（234Th 半衰期的10 倍）即可达到平衡；而238U 第2 代子体中234Pa 的半衰期仅为6.75 h，234mPa 半衰期短短只有1.17 min，均属短寿命子体，所以在漫长地质时期，可认为234mPa 与238U 始终处于放射性平衡状态，所以通过234mPa 测量地层238U 含量可认为是直接铀定量。但由于234mPa 衰变释放的1 001 keV 能量特征峰相对强度较低，其分支比最新研究结果为1.037%［4］，对于该能峰的探测需要更精细的γ 谱数据以及相应的解谱算法。另一方面，井下地层铀含量探测不同于地面及实验室γ 能谱，其在不同铀含量地层γ 射线强度变化较大，且井下探测器需要接收来自井壁的4π 空间辐照，对于硬件系统采集死时间的修正，以及受康普顿散射影响低能段自稳峰及γ 谱数据的应用都增加了难度。针对该问题，γ 总量测井及能窗式γ 能谱测井技术一方面通过减小探测器晶体尺寸，另一方面通过探测器组合铅屏蔽层的方法来降低累计测量计数，进而降低系统的死时间。因为减小探测器晶体尺寸对于较低分支比的1 001 keV 能峰探测不利，所以本次井下γ 能谱直接铀定量探测技术的研究，采用的是第二种方法。下面结合在标准模型井上的试验研究，对其应用效果进行评价。

1 实验装置

1.1 硬件系统

采用研制的井下直接铀定量γ 能谱仪硬件系统，其探测器采用荷兰SCIONIX 公司生产的直径25 mm、厚度50 mm 的新型CeBr3晶体，在662 keV（137Cs）能量分辨率半高宽（FWHM）约4.0%左右［5-6］，明显优于NaI（Tl）探测器FWHM 约7.5%指标。虽然 相较LaBr3（Ce）探测器在662 keV 的FWHM 约3.0%略低，但其探测器自身无γ 本底放射性干扰，不存在LaBr3（Ce）探测器自身138La及227Ac 影响，在低放射性水平测量及精细谱数据处理方面，具有自身独特优势［7-8］。多道采集为基于FPGA 的的数字化快/慢双通道处理技术，实测采样率近200 kcps。另外，硬件系统供电及传输部分均为自主研制，整个系统采用模块化短节结构，具体实物如图1 所示。

图1 新型CeBr3探测器硬件系统实物图Fig.1 Physical picture of the new CeBr3detector system

1.2 铅屏蔽层

针对井下探测器是接收来自钻孔周围矿体γ 射线的空间辐照，结合γ 总量测井在高含量时铅屏蔽层的尺寸规格，研制了外径31 mm、内径25 mm，总长度53 mm、底厚与壁厚均为3 mm 尺寸规格的铅屏蔽层，设计尺寸具体如下图2 所示。在铅屏蔽层材料方面，采用低210Pb 的铅原材料，尽量降低屏蔽层自身γ 射线辐射本底水平。

图2 铅屏蔽层设计尺寸图Fig.2 Statistics on system collection time of detector without lead shielding

1.3 标准模型井

研究中利用国防1313 放射性计量站标准测井模型来模拟地层不同铀含量的铀矿体进行数据采集与处理分析，获取试验数据各标准模型井信息见表1。其中UF-0.03、UF-0.1、UF-0.2、UF-0.5 及UF-1.0 均为铀镭平衡的饱和模型。试验时，将图1 所示井下γ 能谱直接铀定量硬件系统整体放置于标准模型井进行数据采集，调节硬件系统在模型井中的深度，使探测器晶体安装铅屏蔽层后的中心位置位于标准模型井中铀矿体厚度的中心位置，并且通过模型井口固定装置的调节，尽量使探测器位于模型井开孔的中心位置，确保各模型获取数据方式一致，提高研究中铅屏蔽层影响研究的准确性。

表1 标准模型井信息[1]Table 1 Information of the standard model well

2 应用效果评价

研究中，利用井下γ 能谱直接铀定量硬件系统，在各标准模型井实测获取了探测器安装与未安装铅屏蔽层两种状态下不同铀含量的γ全谱数据。然后对于各组数据进行单独的能量刻度校准，利用能量刻度后的数据从安装与未安装铅屏蔽层两种状态下死时间、γ 谱分布特征以及1 001 keV 能量特征峰在不同铀含量铀矿体时的响应三方面开展试验研究，论证探测器组合铅屏蔽层在井下γ 能谱直接铀定量技术中的有效性及适用性。

2.1 死时间影响

死时间是γ 射线谱仪的重要参数之一，受系统硬件模数转换速度、信号处理中数字成形算法及基线控制恢复等影响，当铀含量越高时γ 射线强度增强，对应的死时间会越大，遗漏的信号也越多。因此，研究有效降低死时间的方法，对于提高铀矿体含量的准确测量具有重要意义。

采用厚度3 mm 铅屏蔽层，在不同铀含量的饱和模型进行探测器安装铅屏蔽层与不安装铅屏蔽层的γ 射线信号采集试验，采集系统采用研究的井下γ 能谱直接铀定量探测技术中数字化快速双通道信号采集模块。其中死时间采用百分数方式表示，利用系统总测量时间与活时间的差值占总测量时间的百分比作为系统实测的死时间。试验研究中，选用铀镭平衡饱和模型井进行实测，以便模型中铀矿体的γ 射线强度与铀含量成线性对应关系，便于统计分析。

其中不安装铅屏蔽层的试验系统在各不同铀含量模型的采集时间统计如表2 所示，可见随着模型铀含量的增加，实际测量计数率增大，统计计算的系统死时间值增大。在铀含量1.0%标准模型井实际测量时，死时间约为7.94%。安装铅屏蔽层后系统采集时间统计如表3 所示，随着铀含量的增加实际测量计数率同步增大，但在铀含量1.0%标准模型井的死时间仅为约3.73%。

表2 探测器未安装铅屏蔽层系统采集时间统计Table 2 Statistics on system collection time of detector with lead shielding

表3 探测器安装铅屏蔽层系统采集时间统计Table 3 Statistics of collection time when the detector with lead shielding system

可见，采用探测器组合铅屏蔽层的方式在井下γ 能谱直接铀定量技术中可进一步降低系统测量死时间，提高系统在地层高铀含量情况下的适用性。

2.2 谱峰特征

利用研究的井下γ 能谱直接铀定量技术信号采集系统，在不同铀含量标准模型井进行了γ 全谱数据的采集与分析。各不同铀含量标准模型实测γ 谱数据曲线如下图3 所示，其中黑色曲线为探测器安装铅屏蔽层后测量谱数据，红色曲线为探测器未安装铅屏蔽层实测谱数据。从图中曲线分布形态对比，铅屏蔽层的影响主要体现在低能段，0～500 keV 能量段差异较明显，500～3 000 keV 能量段谱线分布形态基本一致。

在分布形态分析认识基础上，进行了实测谱数据的统计分析。计算了在各不同铀含量标准模型中安装铅屏蔽层前后的实测数据差值（每秒全谱累计计数），并提取了0～500 keV能量段的差值占比。具体统计分析数据见表4所示，可见安装铅屏蔽层后0～3 000 keV 能量段谱数据被屏蔽减小中的96%都位于0～500 keV 能量段，可认为设计的3 mm 厚度铅屏蔽层主要会对0～500 keV 能量段的谱测量带来影响，对于研究的井下γ 能谱直接铀定量技术关注的1 001 keV 能峰段的影响较小。

2.3 1 001 keV 能峰响应

井下γ 能谱直接铀定量技术利用1 001 keV能量特征峰进行地层铀含量的定量探测，安装铅屏蔽层后1 001 keV 能峰在各不同铀含量标准模型的实测响应，来验证探测器组合铅屏蔽层降低死时间方法在研究技术中的适用性。

研究的井下γ 能谱直接铀定量技术中新型CeBr3探测器在1 001 keV 能峰处的FWHM 约为40 keV，因此针对1 001 keV 能峰响应的能量段选择为981～1 020 keV。该能量段在不同铀含量标准模型井实测数据如下表5 所示，其对应峰面积与不同铀含量的线性关系如图4、图5 所示。

表4 γ 谱数据分布特征统计Table 4 Statistics of γ-spectrum data distribution characteristic

图3 探测器组合铅屏蔽层前后不同铀含量模型实测γ 谱数据对比Fig.3 Measured γ-spectrum data of different uranium content models by the detector with and without lead shielding layer

从1001 keV 能峰面积与铀含量的线性拟合关系可见，安装铅屏蔽层前后均表现为线性相关，虽然安装铅屏蔽层后能峰面积累计计数降低，但其在不同铀含量成对应线性关系。可见，探测器组合铅屏蔽层后不会影响1 001 keV能峰在不同铀含量的响应及其在井下γ 能谱直接铀定量技术中的应用。

表5 1001 keV 能峰响应实测数据Table 5 Measured data of 1001 keV energy peak response

图4 未安装铅屏蔽层1001 keV 能峰响应拟合曲线Fig.4 Fitting curve of 1001 keV energy peak response without a lead shielding layer

图5 安装铅屏蔽层1001 keV 能峰响应拟合曲Fig.5 Fitting curve of 1001 keV energy peak response lead shielding layer with a lead shielding layer

3 结论

通过实测，研制的新型CeBr3探测器组合3 mm厚度铅屏蔽层在铀含量1.0%模型的死时间由7.94%降低为3.73%，低能段0～500 keV 的屏蔽效果占总体屏蔽效果96%以上，且不影响1 001 keV 能峰在不同铀含量时响应的线性关系。可见井下直接铀定量γ 能谱仪中铅屏蔽层可有效降低信号采集的死时间及康普顿散射对于低能段γ 能谱数据应用的影响，且对于1 001 keV 影响较小，可在井下γ 能谱直接铀定量技术中应用该方法。