基于LaBr3(Ce)闪烁体的γ能谱测井仪性能提升研究

郝金龙 董文明 陈 宁 邓洪泽

1（中广核铀业发展有限公司 北京 100029）

2（奥尔塔雷克矿业有限合伙企业 奇姆肯特161003，哈萨克斯坦共和国）

湖山铀矿是近十年来非洲乃至世界铀资源勘查领域的重大发现，也是中国在非洲最大的实体投资项目，其铀资源储量位列世界第三，属于超大型铀矿，目前正在进行露天开采［1］。

湖山铀矿在勘查阶段钻探方式主要采用空气式反循环（Reverse Circulation，RC）干式钻进，每钻进1 m，单独取一个岩粉样，矿石铀品位（即铀含量）通过化学分析测试岩粉样确定。在露天开采阶段，爆破孔钻探方式不同于勘查阶段，是采用一次性钻探完毕后对孔口岩粉堆进行取样，由于岩粉的非均一性，往往影响所取样品的代表性，又因为样品分析测试周期长且工作量大，导致成本增高及效率降低。于是将国内常用的铀矿勘查方法——γ 测井方法用于测量爆破孔矿石铀品位，在很大程度上提高了采矿效率［2］。

γ 测井是测量钻孔中地层剖面岩石所产生的γ射线，该γ 射线是由铀系和钍系中的放射性核素及40K共同产生的。由于湖山铀矿钍含量较高，且非固定值，无法对铀的结果得到准确修正。为了解决湖山铀矿γ测井钍影响的问题，拟采用γ能谱测井方法。传统的γ能谱测井相对γ测井计数率较低，测井速度慢，放射性统计涨落误差较大。目前，无论国内还是国外，γ能谱测井在铀矿领域还处于研究阶段，且为定性测量，测井速度不超过0.033 m·s-1。为了提高探测效率，于是采用新型γ能谱测井方法。

1 新型γ能谱测井仪设计

新型γ 能谱测井仪（型号：UGSL-2）主要由井下系统和地面系统两部分构成。从图1 可以看出，井下系统主要包括探管和电缆，探管主要由进口LaBr3（Ce）晶体和光电倍增管构成的γ 探测器（38 S 76/1.5/LaBr）、数字γ 能谱测量电路、电源及通信电路等部分组成。地面系统主要包括绞车和绞车控制器以及便携式计算机等部分。

图1 γ能谱测井仪结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the structure of the γ ray spectrum logging tool

井下系统和地面系统由电缆连接，便携式计算机通过串行485数据通信控制γ能谱测量系统工作，并传输γ能谱数据到地面系统。

1.1 数字化测量系统

传统的模拟γ能谱测量系统经过了近40年的发展，逐步建立了模拟γ 信号处理的理论和方法：噪声、滤波器、基线估计与恢复、信号堆积判弃、弹道亏损补偿等。但是，传统模拟多道脉冲幅度分析技术存在着诸多不足，其测量系统一般采用脉冲放大、脉冲成形、峰值采样保持、其他信号调理电路和CPU（Central Processing Unit）等组成。由于方法和材料的限制，进行脉冲幅度测量时需要对脉冲进行展宽处理，且测量死时间较大，导致脉冲通过率下降。如果进行脉冲堆积判别还需要增加额外的电路，且基本上无法实现堆积脉冲的分离处理。为此，对γ 能谱测量系统进行了数字化处理［3］。

针对湖山矿专门研制的数字化γ能谱测量系统由探测器、前置放大器电路、信号调理电路、高速ADC（Analog-to-Digital Converter）芯 片 和FPGA（Field Programmable Gate Array）、DSP（Digital Signal Processing）等组成，其流程如图2所示。信号调理电路主要负责信号的放大和极性调整，FPGA负责对探测器输出的核脉冲进行高速采样、数字基线恢复、数字滤波成形、堆积判弃、生成能谱曲线数据等。DSP 负责温度测量、谱线修正、通讯处理等工作。

图2 数字化γ能谱测量系统框图Fig.2 Block diagram of digital γ ray spectrum measurement system

当传统的模拟γ能谱测量系统应用于铀矿测井时，由于电路中的电阻、电容、运算放大器等模拟器件较多，容易受井下温度变化影响，而发生谱线漂移，增加了后续解谱处理的难度。而采用高速ADC、FPGA、DSP 等关键部件的高速数字化γ 能谱测量系统，可将探测器输出的射线脉冲信号经过简单的放大后，直接由高速ADC 对其进行全脉冲采样，得到完整的射线脉冲波形（非传统峰值采样），并借助于FPGA内部的可编程数字化电路实现数字滤波成形等算法，实现峰值提取、堆积脉冲识别与分离、能谱曲线生成等功能，较复杂的算法等工作可通过DSP来完成。

数字化γ能谱测量系统中的DSP芯片主要负责井下探管能谱数据处理与数据通信等功能。同时为了监测井下环境温度，以便实现仪器的温度特性补偿，集成了温度传感器探头，每秒钟采样一次温度，随能谱数据一起上传到地面系统。

1.2 高性能探测器

无论在铀矿勘查领域还是在石油和煤田勘查领域，一般采用NaI（TI）晶体探测器居多，只是在石油领域有使用锗酸铋（Bi2O3-GeO2系化合物的总称，BGO）晶体探测器。

在铀矿勘查中通常使用的核辐射探测器是NaI（TI）晶体，该晶体的特点是灵敏体积大、能量分辨率低、受温度影响大、容易潮解。LaBr3（Ce）是一种稀土卤化物闪烁晶体，具有发光效率高、发光衰减时间短、峰背比较大及能量分辨率高等优点［4-5］（表1）。

表1 几种闪烁体的性能参数对比Table 1 Comparison of performance parameters of several scintillators

为了解决湖山铀矿γ 测井所存在的问题，湖山矿γ能谱测井仪采用ø38 mm×76 mm高分辨率LaBr3（Ce）晶体，其能量分辨率较好，一般低于4%。

随着电子技术和计算机技术的迅速发展，能谱仪朝着多道化、智能化、小型化的方向发展，但对探测效率的探索和研究相对较少。

为了解决传统γ 能谱测井存在的问题，针对湖山矿专门研制了数字化γ 能谱测量系统，其中探测器采用了高分辨率LaBr3（Ce）晶体［6］。结果大大提高了γ 能谱测井的计数率以及测井速度，保证了湖山矿石铀品位测量的准确性和快速性。

1.3 测量谱段的优化

γ 能谱测井主要测量铀系镭组子体214Bi 放出的能量为1.76 MeV 的γ 射线、钍系子体208TI 放出的能量为2.62 MeV 的γ 射线、同位素40K 放出的能量为1.46 MeV 的γ 射线，即通常所说的铀道、钍道和钾道。

将γ射线能谱定位在钍、铀、钾元素的特征谱峰附近，通过特征谱峰的计数率计算钍、铀、钾元素的含量［7］。一般选择特征谱峰如图3所示。

图3 特征谱峰示意图Fig.3 Diagram of characteristic peaks of γ ray spectrum

钍道能量特征峰：2.62 MeV，道宽0.3 MeV；铀道能量特征峰：1.76 MeV，道宽0.2 MeV；钾道能量特征峰：1.46 MeV，道宽0.2 MeV。

传统的γ能谱测井方法相对γ测井而言，在相同测速条件下，各个能道的计数率明显偏低，这必然会导致测量精度降低，要保证测量精度就必须降低测井速度，而这在实际生产过程中往往是不可接受的。

基于交叉谱段法，可以大幅度提高钍、铀、钾放射性核素的计数率，从而可以提高放射性核素含量解释精度以及测井速度。基于γ能谱的分辨率随着能量的增加而提高［8］，因此选择能量为0.4 MeV以上的γ射线谱。各核素谱段能区选择范围如图4所示。

图4 交叉谱段法示意图Fig.4 Diagram of cross-range method of γ ray spectrum

钍谱段的能量范围：0.4~2.8 MeV；铀谱段的能量范围：0.4~1.9 MeV；钾谱段的能量范围：0.4~1.6 MeV。

1.4 谱线的分离解释

由于地质情况的复杂性，实际上铀、钍和钾矿层有可能不具有共同的边界，因此，为了准确划分铀、钍、钾矿层边界，有必要对γ能谱测井曲线采取新的解释方法，即分离解释法。

分离解释是将能谱仪测得的某一道的异常曲线分离成分别由钍、铀和钾矿层产生的三条异常曲线，然后对分离后的三条曲线分别用分层解释法求出钍、铀及钾矿层的边界和含量。

分层解释是将矿段划分为数个厚度为0.1 m 的单元层，并解释出矿段内每个单元层的放射性元素含量。对钻孔中的放射性矿层进行定量解释时，首先求得任一测点的饱和计数率，求取饱和计数率利用五点式反褶积法计算公式：

式中：Qi（Zj）表示第i个谱段（i=Th，U，K 谱段）、第j个测点（j=1，2，3，…，n）的饱和计数率，s-1；ΔZ表示测点间距，cm；αi为第i个谱段的特征参数，cm-1。

在求得饱和计数率之后，按下列方程组计算任一单元层的放射性元素含量。

式中：Qk（Zj）为第k种放射性元素在钻孔深度Zj处所产生的饱和计数率；qk（Zj）为钻孔深度Zj处的单元层内第k种放射性元素的含量为换算系数为剥离系数（i≠k），均可通过标准模型求取，且k表示第k种元素（分别为Th，U，K元素），i表示第i种谱段（分别为Th，U，K谱段）。

因此，采用分离射线谱技术（即剥谱技术）以及配套测井解释软件，可以实现爆破孔矿层钍、铀、钾的定量解释［9］。

2 仪器的测试结果

2.1 仪器三性测试

2.1.1准确性

新研制的仪器首先在国内石家庄核工业放射性勘查计量院进行了标定，并在标准铀模型中进行了铀的准确性测试，其相对误差均在±5%以内，可见仪器的准确性合格（表2）［10］。

表2 标准模型中的准确性测试Table 2 Accuracy tests in the standard calibration pit

2.1.2稳定性

短期稳定性测试：在湖山矿仪器维修室旁边用非饱和工作模型进行连续8 h 稳定性测试，每间隔1 h取一组数据，每组数据不少于30个，以第一组的平均值为基准计算后面数据组的偏差，相对偏差在±2%之内，符合规范要求（不大于±5），表明测井仪短期稳定性可靠（表3）［10］。

表3 短期稳定性检查表Table 3 Short-term stability checklist

长期稳定性检查：仪器在每个测试日的测试开始前和测试结束后分别在CH04控制孔中进行长期稳定性检查，从2019年8月22日到11月4日检查时间持续2.5个月，其间实际共测试17天，相对偏差均在±5%以内，符合规范要求（不大于±5%），说明仪器长期稳定性较好（图5）［10-11］。

图5 长期稳定性检查结果图Fig.5 Graph of long-term stability inspection results

2.1.3重复性

爆破孔重复测试铀含量相对偏差均在±5%以内，符合规范要求（铀含量为0.01%~0.03%时要求相对偏差不超过±10%，铀含量大于0.03%时要求相对偏差不超过±5%）（表4）［10］。

表4 爆破孔重复测井结果与基本测井结果对比Table 4 Comparison of repeated logging results of blast holes with basic logging results

2.2 能量分辨率

仪器测量的γ 射线能量范围为40 keV~3 MeV，将137Cs 源置于探测晶体的端面，使用窄梯形脉冲成形，测得的能量分辨率为4.48%@662 keV［12］。

2.3 测井速度

在湖山矿CH20 控制孔中分别进行了测井速度为0.033 m·s-1、0.067 m·s-1、0.100 m·s-1和0.133 m·s-1的γ 能谱测井，其测量结果相对该控制孔取样分析结果的相对偏差多数在±5%以内，且提高测井速度并不没有影响测井结果，可见，UGSL-2 型γ 能谱测井仪的测井速度可以达到通常γ 测井仪0.067 m·s-1的速度（表5）［10，12］。

表5 不同测井速度条件下CH20控制孔矿段γ能谱测井结果与取样分析结果对比Table 5 Comparison of gamma ray spectrum logging results and sampling analysis results in the CH20 controlled hole-mining section under different logging speeds

在石家庄核工业放射性勘查计量院标准铀模型上分别进行了0.033 m·s-1、0.067 m·s-1和0.100 m·s-1不同速度的测量，相应不同速度在模型含矿段1.3~2.5 m 铀含量解释结果分别为0.082 2%、0.087 2%、0.083 2%，它们与模型值0.090 4%的相对偏差分别为-9.07%、-3.54%、-9.76%，均在±10%范围内，其中速度为0.067 m·s-1时，相对偏差为-3.54%，因此，该γ能谱仪的测井速度可以提升到0.067 m·s-1，能够满足生产要求（图6）［10，12］。

图6 在不同测井速度条件下标准模型γ能谱测井结果对比Fig.6 Comparison of γ ray spectrum logging results of the calibration pit under different logging speeds

2.4 仪器量程范围

2.4.1仪器线性分析

以线性拟合的方式判断线性区，将计数率进行死时间修正，最终确定R2=0.999 1 的线性区，此处γ总计数率约为110 000 s-1（对应铀含量为1.1%eU），Th、U、K能区均采用该能段作为线性区。

在进行铀含量解释时，当计数率小于100 000 s-1（铀含量小于1%eU）时，探测器工作在线性区，无需进行计数率修正；当计数率为100 000~170 000 s-1（铀含量为1%~2%eU）时，可以进行线性修正（可以选择死时间修正）；当计数率大于170 000 s-1（铀含量大于2%eU）时，此时探测器出现计数率饱和现象，需要进行非线性修正，经非线性修正后测量铀含量可达到5%（图7）［13］。

图7 γ能谱测井实测计数率与理论计数率关系曲线Fig.7 Relationship between measured count rate and theoretical count rate of γ ray spectrum logging

2.4.2测量范围

国内通常使用的自然γ 能谱测井仪的最大量程：钍为0.070 0%，铀为0.025 0%，钾为100%［14］。

在湖山矿爆破孔2B28D008E04 测试中遇到高品位铀矿化，虽然仪器计数率较高，但能谱曲线分辨率仍然很好，仪器未出现饱和现象，解释的铀含量为3.0%，证明UGSL-2型γ能谱测井仪量程上限至少可以达到3.0%（图8）［15］，基本上可以覆盖湖山矿矿石品位分布范围。

图8 爆破孔2B28D008E04 γ能谱测井解释的钍、铀、钾含量曲线Fig.8 Content curves of thorium,uranium and potassium in the blast hole 2B28D008E04 interpreted by γ ray spectrum logging

此外，从表2可以看出，UGSL-2型γ能谱测井仪在中国核工业放射性勘查计量院标准铀模型UF-50中测量的铀含量为5.027 0%，说明仪器的量程可以达到5.0%，完全能够满足湖山矿生产需求。

3 结语

针对湖山矿设计并研制了数字化新型γ能谱测井仪，采用了高分辨率LaBr3（Ce）闪烁晶体探测器以及交叉谱段法和分离射线谱技术，通过在国内标准模型站及纳米比亚湖山矿现场测试，仪器的准确性、稳定性和重复性测试结果符合相应γ能谱测井规范要求。相对传统γ能谱测井方法由定性测量上升到了定量测量的水平，极大地提高了仪器量程范围及测井速度，达到了现行铀矿γ测井规范的要求（即铀含量测量上限可达5.0% eU，测井速度可达0.067 m·s-1）［16］，完全可以满足湖山矿生产需求。该新型γ能谱测井仪在湖山铀矿所取得的测试成果为其后续工业化生产奠定了基础，此外，所取得的研究成果和经验也很值得铀矿勘查领域的仪器研发人员参考和借鉴。

致谢感谢东华理工大学汤彬教授团队在湖山矿γ能谱仪研制过程中所给予的大力支持。

作者贡献声明郝金龙：负责仪器研制具体执行，文章起草及最终版本的修订（放射性子课题负责人）；董文明：负责仪器研制的策划和协调（项目总负责）；陈宁：负责γ 能谱测井数据处理及结果验证；邓洪泽：负责γ能谱测井仪器测试。