数字化γ能谱测井探管研制

陈元庆,黄清波,刘金尧,王先贺,黄亮,吴伟军

(核工业航测遥感中心,河北 石家庄 050011)

0 引言

在我国,用于计算铀矿储量的主要测井方法是γ总量测井法,该方法是将地层中铀、钍和钾等γ放射性核素的贡献均作为铀的贡献,计算出铀的当量含量。我国北方可地浸砂岩型铀矿[1]一般不伴生钍,可采用γ总量测井来测定铀含量。但是南方硬岩铀矿床也是我国勘查的重点类型,其中部分属于铀钍混合型矿床。在海外铀资源勘查领域,重点开发的纳米比亚罗辛铀矿和湖山铀矿均属于铀钍混合矿。γ总量测井法不能区分地层中铀钍核素的比例,无法满足精确测量铀矿钻孔地层中铀、钍含量的要求[2]。在铀钍混合型矿床上,用于计算储量的铀含量是通过采集岩心后进行分析测试[3]、对γ总量测井结果进行修正后获取的,提高了生产成本。

γ能谱测井中,常常采用碘化钠(NaI)、锗酸铋(BGO)和溴化镧(LaBr3)等晶体探测器。针对碘化钠探测器能量分辨率相对不高、锗酸铋探测器能量分辨率相对较差和受温度影响较大、溴化镧探测器存在本底干扰的问题,本文选用了直径38 mm×38 mm的信号衰减时间短、分辨率比较好、自身无本底干扰的新型溴化铈(CeBr3)晶体对γ射线进行探测,研制了一台基于溴化铈晶体的数字化γ能谱测井探管。

1 数字化γ能谱测井探管设计方案

1.1 辐射探测器

探测器一般由闪烁晶体和光电倍增管(PMT)组成。γ射线与闪烁晶体相互作用,使闪烁晶体中原子、分子激发,在退激时形成闪烁光。闪烁光被光电倍增管光阴极收集后,发出光电子,经倍增放大后被阳极收集输出电脉冲信号[4]。

γ能谱测量常用的探测晶体材料,主要有碘化钠、锗酸铋、溴化镧和溴化铈。几种晶体材料的参数对比如表1所示。

表1 常见晶体材料参数Table 1 Parameter table of crystal materials

碘化钠信号衰减时间长、分辨率一般、受温度影响大、本底低;锗酸铋信号衰减时间长、分辨率差、受温度影响大、本底低[5];溴化镧信号衰减时间短、分辨率好、基本不受温度变化影响,但溴化镧中存在的两种放射性核素138La和227Ac,会对天然放射性核素的测量产生影响[6];溴化铈信号衰减时间短、分辨率比较好、基本不受温度变化影响,不会带来本底辐射。

本仪器采用了直径38 mm×38 mm的溴化铈晶体。

1.2 能谱采集器

能谱采集器电路框如图1所示,能谱采集器由前置放大电路、极零相消电路、同相比例放大电路、滤波成形电路以及多道脉冲幅度分析电路组成。γ射线进入溴化铈晶体后与之发生相互作用,发射出闪烁光子,这些闪烁光子经过光电倍增管的倍增之后形成电子流,从而产生脉冲信号[7]。溴化铈探测器输出的电脉冲信号首先通过前置放大电路、主放大电路对溴化铈探测器输出的电脉冲信号进行放大、成形、滤波等处理,形成准高斯波形的脉冲信号。经过多道脉冲幅度分析电路后,脉冲信号转为数字信号,通过MCU对能谱数据进行逆矩阵解谱运算,得到铀、钍含量,最后通过RS-485总线将测井数据传输至测井主机。

图1 能谱采集电路框Fig.1 Block diagram of energy spectrum acquisition circuit

1.3 供电和通讯单元

本仪器采用TPS54360电源模块,其具有宽电压输入的特性(6～60 V)来保证探管正常工作。探管与测井主机之间用RS-485通信,采用MAX487芯片。该芯片拥有斜率电平变化功能,具有传输距离长和信号稳定性高的特性。

1.4 γ能谱测井仪结构设计

本文所研制的γ能谱测井探管的长度为1 100 mm,外壳直径为53 mm,质量7.5 kg。用于固定溴化铈晶体和电路板的黄铜管壁厚1 mm,直径为43 mm,探管外壳采用了壁厚3 mm的430不锈钢管,仪器实物如图2所示。

图2 γ能谱测井仪器实物Fig.2 Instrument physical picture of γ-ray spectrum logging instrument

2 稳谱和解谱算法

2.1 稳谱算法

本文采用多特征峰稳谱法,算法过程是:首先在γ谱中寻找并计算出钾、铀、钍3个特征峰的峰位;再计算出3个特征峰的面积、净面积以及3个特征峰面积的相对比值等信息;依据各个特征峰面积比值,选定稳谱特征峰;以特征峰面积为权重,以特征峰位为参考,计算出光电倍增管高压修正值;最后通过C8051单片机的DAC功能控制高压模块,修正光电倍增管高压值,完成稳谱,如图3所示。

图3 稳谱算法流程Fig.3 Spectrum stabilization algorithm flow

2.2 解谱算法

溴化铈晶体探测地层γ射线后,通过多道分析器形成γ谱。γ谱可以清晰地分辨出各核素能量峰值。要从γ谱中获得各个核素的含量,必须对全谱进行解析。先对谱进行预处理,包括剔除全谱的异常值、寻峰和稳谱等,最后进行解谱处理。

本仪器采用的解谱方法是逆矩阵解谱法[8]。3个特征能量峰区间为“能窗”,在已知各能窗计数率和灵敏度系数的条件下,基于γ射线在能窗内线性迭加的机理,建立线性方程组,求取钻孔地层中铀、钍和钾含量的方法,建立的线性方程组如式(1)所示:

根据式（1）构建限流器的设计优化目标，再确定一个规模为N的种群A，用选择、重组、变异操作后，进行非支配个体选择后，优化步骤如下：

(1)

式中:i为能窗的序号;j为铀、钍和钾元素的序号;ni为第i能窗扣除本底后的净计数率,s-1;sij为单位含量的第j种元素发射的γ射线对第i能窗的灵敏度系数,对于铀、钍元素,单位为1/(s·10-6),对于钾元素,单位为1/(s·10-2);qj为第j种元素的含量,单位为10-6g/g(铀)、×10-6g/g(钍)和×10-2g/g(钾)。

式(1)的矩阵表达式如式(2)所示:

S·Q=N,

(2)

式中:S为灵敏度系数矩阵,由sij组成的[3×3]矩阵;Q为地层中铀、钍和钾的含量列式,即由qj组成的3元素列式;N为各能窗计数率的列式,由ni组成的3元素列式;从式(2)中可以推导出计算钻孔地层中铀、钍和钾含量的式(3):

Q=S-1·N,

(3)

逆矩阵解谱法的实施主要包括以下三步:

第一步,根据式(2),采用“灵敏度计算模型体源”的含量和各能窗计数率,计算其灵敏度系数矩阵,对灵敏度系数矩阵求逆,得到剥离系数矩阵;

第三步,计算“验证模型体源”的主元素含量的示值误差。

3 性能测试

本文研究过程中执行的依据主要是《JJG(军工)27-2012 γ测井仪检定规程》[9],针对数字化γ能谱测井探管进行测试。

3.1 稳定性测试

仪器开启稳谱后,使用UThF-0.07-0.2-I混合模型体源进行测试。仪器放置于混合模型体源矿层中心处;每1 h测量1组数,共测量9组,每次累计计数不少于104个。经测试,仪器各能窗的稳定性<1.5%,其结果如表2所示。

表2 仪器稳定性测试Table 2 Instrument stability test

3.2 重复性测试

仪器开启稳谱后,使用UThF-0.2-0.07-I混合模型体源进行测试,仪器放置于混合模型体源矿层中心处;测量次数不少于10次,每次测量时间不少于600 s,每次累计计数不少于104个。经测试,仪器在混合模型体源UThF-0.2-0.07-I上各能窗的重复性<1%,其结果如表3所示。

表3 仪器重复性测试Table 3 Instrument repeatability test

3.3 稳谱效果测试

仪器开启稳谱后,逐渐增温或降温,温度变化梯度不大于10 ℃/h。在此期间,探管持续工作,每组数据的测量时间不小于600 s。每间隔5 ℃选取一组数据,计算钍系208Tl的2.62 MeV能量峰位,取其中最大和最小两组数据与所有抽取测量数据的平均值进行比较。经测试,钍系208Tl的2.62 MeV能量峰漂移不超过±0.3道,如表4所示。

表4 仪器稳谱效果测试Table 4 Instrument spectrum stabilization effect test

3.4 示值误差测试

仪器开启稳谱后,利用核工业放射性勘查计量站内的模型体源,采用逆矩阵解谱法,计算其剥离系数矩阵,并在混合模型体源上验证测试结果。

选择F-0-I、KF-6-I、UF-0.2-I、ThF-0.3-I、UThF-0.01-0.03-I、UThF-0.2-0.07-I和UThF-0.07-0.2-I共7个模型体源,对仪器分别进行测量,每个模型体源测量十组数据,每组数据测量时间为60 s,测量数据见表5。

表5 模型体源测量数据记录Table 5 Record of measurement data from model sources

采用铀模型体源UF-0.2-I、钍模型体源ThF-0.3-I、钾模型体源KF-6-I和本底模型体源F-0-I来计算剥离系数矩阵,其中本底模型体源用来扣除相应的本底计数率和含量。验证模型体源采用混合模型体源UThF-0.2-0.07-I、UThF-0.07-0.2-I和UThF-0.01-0.03-I。

依据上述的解谱计算方法,基于选定的模型体源和能窗方案,利用逆矩阵解谱法,本仪器在3个混合模型体源中测量的铀和钍元素的示值误差均小于6%,其计算结果如表6所示。

表6 示值误差测试Table 6 Indication error test

3.5 野外测井试验

在内蒙古苏尼特左旗进行了γ能谱测井试验,采用连续测量,探管提升速度为3 m/min,以10 cm间隔记录512道全谱数据。

图4为BC1002钻孔中FD-3019γ测井仪和数字化γ能谱测井探管测得的测井曲线。FD-3019反映的是γ总计数曲线,数字化γ能谱测井探管反映了U窗计数曲线,可见两种仪器的测量曲线形态符合良好。

a—FD-3019总计数测井曲线;b—数字化γ能谱测井探管U窗测井曲线

数字化γ能谱测井探管解释结果与FD-3019解释结果做对比,从表7可见,两种仪器在铀异常段测得米百分数相对误差小于4%。

表7 分层解释结果Table 7 Layer interpretation result

4 结论

针对目前在铀钍混合型矿床上的测井需求,研制了一台数字化γ能谱测井探管。该仪器采用直径38 mm×38 mm溴化铈晶体来提高铀灵敏度,对溴化铈晶体、能谱采集器和解谱方法进行了研究,解决了在中国南方和纳米比亚铀钍混合型矿床上无法精确测量地层中铀、钍含量的问题,减少了岩心采样和分析测试工作,节约了生产经费,提升了测井工作效率,降低了生产时间成本。

测试结果表明:本仪器在标准铀钍混合模型上的测量准确度高,其示值误差小于6%,稳定性小于1.5%,重复性小于1%,钍系208Tl的2.62MeV能量峰漂移不超过±0.3道,检查测井异常相对误差小于4%,可应用于铀矿勘查测井工作。