數字化γ能譜測井探管研制

陳元慶,黃清波,劉金堯,王先賀,黃亮,吳偉軍

(核工業航測遙感中心,河北 石家莊 050011)

0 引言

在我國,用于計算鈾礦儲量的主要測井方法是γ總量測井法,該方法是將地層中鈾、釷和鉀等γ放射性核素的貢獻均作為鈾的貢獻,計算出鈾的當量含量。我國北方可地浸砂巖型鈾礦[1]一般不伴生釷,可采用γ總量測井來測定鈾含量。但是南方硬巖鈾礦床也是我國勘查的重點類型,其中部分屬于鈾釷混合型礦床。在海外鈾資源勘查領域,重點開發的納米比亞羅辛鈾礦和湖山鈾礦均屬于鈾釷混合礦。γ總量測井法不能區分地層中鈾釷核素的比例,無法滿足精確測量鈾礦鉆孔地層中鈾、釷含量的要求[2]。在鈾釷混合型礦床上,用于計算儲量的鈾含量是通過采集巖心后進行分析測試[3]、對γ總量測井結果進行修正后獲取的,提高了生產成本。

γ能譜測井中,常常采用碘化鈉(NaI)、鍺酸鉍(BGO)和溴化鑭(LaBr3)等晶體探測器。針對碘化鈉探測器能量分辨率相對不高、鍺酸鉍探測器能量分辨率相對較差和受溫度影響較大、溴化鑭探測器存在本底干擾的問題,本文選用了直徑38 mm×38 mm的信號衰減時間短、分辨率比較好、自身無本底干擾的新型溴化鈰(CeBr3)晶體對γ射線進行探測,研制了一臺基于溴化鈰晶體的數字化γ能譜測井探管。

1 數字化γ能譜測井探管設計方案

1.1 輻射探測器

探測器一般由閃爍晶體和光電倍增管(PMT)組成。γ射線與閃爍晶體相互作用,使閃爍晶體中原子、分子激發,在退激時形成閃爍光。閃爍光被光電倍增管光陰極收集后,發出光電子,經倍增放大后被陽極收集輸出電脈沖信號[4]。

γ能譜測量常用的探測晶體材料,主要有碘化鈉、鍺酸鉍、溴化鑭和溴化鈰。幾種晶體材料的參數對比如表1所示。

表1 常見晶體材料參數Table 1 Parameter table of crystal materials

碘化鈉信號衰減時間長、分辨率一般、受溫度影響大、本底低;鍺酸鉍信號衰減時間長、分辨率差、受溫度影響大、本底低[5];溴化鑭信號衰減時間短、分辨率好、基本不受溫度變化影響,但溴化鑭中存在的兩種放射性核素138La和227Ac,會對天然放射性核素的測量產生影響[6];溴化鈰信號衰減時間短、分辨率比較好、基本不受溫度變化影響,不會帶來本底輻射。

本儀器采用了直徑38 mm×38 mm的溴化鈰晶體。

1.2 能譜采集器

能譜采集器電路框如圖1所示,能譜采集器由前置放大電路、極零相消電路、同相比例放大電路、濾波成形電路以及多道脈沖幅度分析電路組成。γ射線進入溴化鈰晶體后與之發生相互作用,發射出閃爍光子,這些閃爍光子經過光電倍增管的倍增之后形成電子流,從而產生脈沖信號[7]。溴化鈰探測器輸出的電脈沖信號首先通過前置放大電路、主放大電路對溴化鈰探測器輸出的電脈沖信號進行放大、成形、濾波等處理,形成準高斯波形的脈沖信號。經過多道脈沖幅度分析電路后,脈沖信號轉為數字信號,通過MCU對能譜數據進行逆矩陣解譜運算,得到鈾、釷含量,最后通過RS-485總線將測井數據傳輸至測井主機。

圖1 能譜采集電路框Fig.1 Block diagram of energy spectrum acquisition circuit

1.3 供電和通訊單元

本儀器采用TPS54360電源模塊,其具有寬電壓輸入的特性(6～60 V)來保證探管正常工作。探管與測井主機之間用RS-485通信,采用MAX487芯片。該芯片擁有斜率電平變化功能,具有傳輸距離長和信號穩定性高的特性。

1.4 γ能譜測井儀結構設計

本文所研制的γ能譜測井探管的長度為1 100 mm,外殼直徑為53 mm,質量7.5 kg。用于固定溴化鈰晶體和電路板的黃銅管壁厚1 mm,直徑為43 mm,探管外殼采用了壁厚3 mm的430不銹鋼管,儀器實物如圖2所示。

圖2 γ能譜測井儀器實物Fig.2 Instrument physical picture of γ-ray spectrum logging instrument

2 穩譜和解譜算法

2.1 穩譜算法

本文采用多特征峰穩譜法,算法過程是:首先在γ譜中尋找并計算出鉀、鈾、釷3個特征峰的峰位;再計算出3個特征峰的面積、凈面積以及3個特征峰面積的相對比值等信息;依據各個特征峰面積比值,選定穩譜特征峰;以特征峰面積為權重,以特征峰位為參考,計算出光電倍增管高壓修正值;最后通過C8051單片機的DAC功能控制高壓模塊,修正光電倍增管高壓值,完成穩譜,如圖3所示。

圖3 穩譜算法流程Fig.3 Spectrum stabilization algorithm flow

2.2 解譜算法

溴化鈰晶體探測地層γ射線后,通過多道分析器形成γ譜。γ譜可以清晰地分辨出各核素能量峰值。要從γ譜中獲得各個核素的含量,必須對全譜進行解析。先對譜進行預處理,包括剔除全譜的異常值、尋峰和穩譜等,最后進行解譜處理。

本儀器采用的解譜方法是逆矩陣解譜法[8]。3個特征能量峰區間為“能窗”,在已知各能窗計數率和靈敏度系數的條件下,基于γ射線在能窗內線性迭加的機理,建立線性方程組,求取鉆孔地層中鈾、釷和鉀含量的方法,建立的線性方程組如式(1)所示:

根據式（1）構建限流器的設計優化目標，再確定一個規模為N的種群A，用選擇、重組、變異操作后，進行非支配個體選擇后，優化步驟如下：

(1)

式中:i為能窗的序號;j為鈾、釷和鉀元素的序號;ni為第i能窗扣除本底后的凈計數率,s-1;sij為單位含量的第j種元素發射的γ射線對第i能窗的靈敏度系數,對于鈾、釷元素,單位為1/(s·10-6),對于鉀元素,單位為1/(s·10-2);qj為第j種元素的含量,單位為10-6g/g(鈾)、×10-6g/g(釷)和×10-2g/g(鉀)。

式(1)的矩陣表達式如式(2)所示:

S·Q=N,

(2)

式中:S為靈敏度系數矩陣,由sij組成的[3×3]矩陣;Q為地層中鈾、釷和鉀的含量列式,即由qj組成的3元素列式;N為各能窗計數率的列式,由ni組成的3元素列式;從式(2)中可以推導出計算鉆孔地層中鈾、釷和鉀含量的式(3):

Q=S-1·N,

(3)

逆矩陣解譜法的實施主要包括以下三步:

第一步,根據式(2),采用“靈敏度計算模型體源”的含量和各能窗計數率,計算其靈敏度系數矩陣,對靈敏度系數矩陣求逆,得到剝離系數矩陣;

第三步,計算“驗證模型體源”的主元素含量的示值誤差。

3 性能測試

本文研究過程中執行的依據主要是《JJG(軍工)27-2012 γ測井儀檢定規程》[9],針對數字化γ能譜測井探管進行測試。

3.1 穩定性測試

儀器開啟穩譜后,使用UThF-0.07-0.2-I混合模型體源進行測試。儀器放置于混合模型體源礦層中心處;每1 h測量1組數,共測量9組,每次累計計數不少于104個。經測試,儀器各能窗的穩定性<1.5%,其結果如表2所示。

表2 儀器穩定性測試Table 2 Instrument stability test

3.2 重復性測試

儀器開啟穩譜后,使用UThF-0.2-0.07-I混合模型體源進行測試,儀器放置于混合模型體源礦層中心處;測量次數不少于10次,每次測量時間不少于600 s,每次累計計數不少于104個。經測試,儀器在混合模型體源UThF-0.2-0.07-I上各能窗的重復性<1%,其結果如表3所示。

表3 儀器重復性測試Table 3 Instrument repeatability test

3.3 穩譜效果測試

儀器開啟穩譜后,逐漸增溫或降溫,溫度變化梯度不大于10 ℃/h。在此期間,探管持續工作,每組數據的測量時間不小于600 s。每間隔5 ℃選取一組數據,計算釷系208Tl的2.62 MeV能量峰位,取其中最大和最小兩組數據與所有抽取測量數據的平均值進行比較。經測試,釷系208Tl的2.62 MeV能量峰漂移不超過±0.3道,如表4所示。

表4 儀器穩譜效果測試Table 4 Instrument spectrum stabilization effect test

3.4 示值誤差測試

儀器開啟穩譜后,利用核工業放射性勘查計量站內的模型體源,采用逆矩陣解譜法,計算其剝離系數矩陣,并在混合模型體源上驗證測試結果。

選擇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個模型體源,對儀器分別進行測量,每個模型體源測量十組數據,每組數據測量時間為60 s,測量數據見表5。

表5 模型體源測量數據記錄Table 5 Record of measurement data from model sources

采用鈾模型體源UF-0.2-I、釷模型體源ThF-0.3-I、鉀模型體源KF-6-I和本底模型體源F-0-I來計算剝離系數矩陣,其中本底模型體源用來扣除相應的本底計數率和含量。驗證模型體源采用混合模型體源UThF-0.2-0.07-I、UThF-0.07-0.2-I和UThF-0.01-0.03-I。

依據上述的解譜計算方法,基于選定的模型體源和能窗方案,利用逆矩陣解譜法,本儀器在3個混合模型體源中測量的鈾和釷元素的示值誤差均小于6%,其計算結果如表6所示。

表6 示值誤差測試Table 6 Indication error test

3.5 野外測井試驗

在內蒙古蘇尼特左旗進行了γ能譜測井試驗,采用連續測量,探管提升速度為3 m/min,以10 cm間隔記錄512道全譜數據。

圖4為BC1002鉆孔中FD-3019γ測井儀和數字化γ能譜測井探管測得的測井曲線。FD-3019反映的是γ總計數曲線,數字化γ能譜測井探管反映了U窗計數曲線,可見兩種儀器的測量曲線形態符合良好。

a—FD-3019總計數測井曲線;b—數字化γ能譜測井探管U窗測井曲線

數字化γ能譜測井探管解釋結果與FD-3019解釋結果做對比,從表7可見,兩種儀器在鈾異常段測得米百分數相對誤差小于4%。

表7 分層解釋結果Table 7 Layer interpretation result

4 結論

針對目前在鈾釷混合型礦床上的測井需求,研制了一臺數字化γ能譜測井探管。該儀器采用直徑38 mm×38 mm溴化鈰晶體來提高鈾靈敏度,對溴化鈰晶體、能譜采集器和解譜方法進行了研究,解決了在中國南方和納米比亞鈾釷混合型礦床上無法精確測量地層中鈾、釷含量的問題,減少了巖心采樣和分析測試工作,節約了生產經費,提升了測井工作效率,降低了生產時間成本。

測試結果表明:本儀器在標準鈾釷混合模型上的測量準確度高,其示值誤差小于6%,穩定性小于1.5%,重復性小于1%,釷系208Tl的2.62MeV能量峰漂移不超過±0.3道,檢查測井異常相對誤差小于4%,可應用于鈾礦勘查測井工作。