焦倉(cāng)文 鄧 明 陸士立 袁 明 馬艷芳

小口徑γ能譜測(cè)井儀研制

焦倉(cāng)文1,2鄧 明1陸士立2袁 明2馬艷芳2

1（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京） 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院 北京 100083）2（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100029）

為實(shí)現(xiàn)在鈾、釷混合型礦床上準(zhǔn)確測(cè)定鈾含量之目的，開(kāi)發(fā)了直徑45 mm的小口徑自然γ能譜測(cè)井儀。該γ能譜儀采用閃爍晶體探測(cè)器鍺酸鉍(Bi3Ge4O12, BGO)，晶體為?30 mm×100 mm；為減小死時(shí)間，從系統(tǒng)角度提出旨在提高數(shù)據(jù)吞吐率的基于雙端口RAM加雙CPU結(jié)構(gòu)的儀器設(shè)計(jì)方案。針對(duì)自動(dòng)穩(wěn)譜難題，軟件上采用基于133Ba自穩(wěn)參考源的實(shí)時(shí)四能窗穩(wěn)譜算法；硬件上基于溫度粗調(diào)輔以光電倍增管(Photomultiplier Tube, PMT)高壓調(diào)節(jié)的思想，測(cè)井儀開(kāi)機(jī)階段根據(jù)測(cè)井環(huán)境溫度設(shè)定PMT高壓初值，測(cè)井過(guò)程中根據(jù)譜漂移程度實(shí)時(shí)微調(diào)高壓，兩者結(jié)合自動(dòng)穩(wěn)譜精度有大幅度提高，結(jié)合Pb-Sn組合屏蔽低能γ射線解決了高含量鈾礦體強(qiáng)γ射線對(duì)測(cè)井儀自動(dòng)穩(wěn)譜系統(tǒng)干擾的難題。經(jīng)放射性標(biāo)準(zhǔn)模型站對(duì)譜儀進(jìn)行多模型標(biāo)定、死時(shí)間修正、水和鐵套管吸收系數(shù)修正等檢測(cè)，以及對(duì)能譜儀野外實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)比，結(jié)果表明，該小口徑自然γ能譜測(cè)井儀檢查測(cè)井異常相對(duì)誤差不大于10%。

小口徑，鍺酸鉍閃爍晶體探測(cè)器，自動(dòng)穩(wěn)譜

自然γ能譜測(cè)井是在鉆孔內(nèi)對(duì)巖石自然γ放射線進(jìn)行能譜測(cè)量與分析，通過(guò)分別測(cè)定地層內(nèi)鈾、釷、鉀含量來(lái)研究井剖面地層性質(zhì)的測(cè)井方法。目前，國(guó)內(nèi)γ能譜測(cè)井儀在石油工業(yè)的應(yīng)用主要是通過(guò)自然γ能譜測(cè)井所測(cè)量的U、Th、K含量來(lái)識(shí)別巖性、研究沉積環(huán)境、生油層、尋找儲(chǔ)集層、確定粘土含量等目的，特點(diǎn)是含量測(cè)量范圍小、測(cè)井儀直徑大（如中國(guó)石油測(cè)井公司SNGR5410、山東勝利石油工程技術(shù)公司SL6329、北京環(huán)鼎科技的SGS-1C自然γ能譜測(cè)井儀，直徑一般大于90 mm），不適宜鈾礦勘查中小口徑、高放射性含量的測(cè)量要求。國(guó)外Mount Sopris（美國(guó)）、RG（英國(guó)）、Geovista（英國(guó)）等公司生產(chǎn)的自然γ能譜測(cè)井儀直徑大多在50?60 mm，多數(shù)采用鍺酸鉍(Bi3Ge4O12, BGO)、NaI和BaLr3閃爍晶體探測(cè)器。我國(guó)一些熱液型鈾礦床屬于鈾、釷混合型礦床，對(duì)于此類礦床需要采用γ能譜測(cè)井方法分別測(cè)定礦石的鈾、釷含量，才能準(zhǔn)確計(jì)算鈾的儲(chǔ)量[1]，且鉆孔裸眼直徑都為60 mm，因此提出開(kāi)發(fā)小口徑γ能譜測(cè)井儀。

在γ能譜測(cè)井中，目前普遍采用能量分辨率較高、價(jià)格便宜的NaI(TI)閃爍晶體作為γ射線全譜測(cè)量用探測(cè)器。鈾礦勘查中由于受鉆探孔直徑的限制，晶體尺寸較小，隨之帶來(lái)的問(wèn)題是道計(jì)數(shù)率偏低造成統(tǒng)計(jì)漲落誤差大。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)比較和實(shí)際測(cè)試后，本項(xiàng)目選用探測(cè)效率較高的BGO晶體，其與同體積的NaI(Tl)閃爍晶體探測(cè)器相比，計(jì)數(shù)率可提高2?4倍。

1 儀器設(shè)計(jì)方案

為實(shí)現(xiàn)連續(xù)γ能譜測(cè)井的目的，小口徑γ能譜測(cè)井儀N451（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院）在硬件設(shè)計(jì)上采用雙微處理器(Central Processing Unit, CPU)加雙端口RAM的架構(gòu)。為提高數(shù)據(jù)吞吐率，采取使采樣保持電路(Sample and Hold, SH)、閾值比較電路(Threshold Compare Circuit)、A/D轉(zhuǎn)換電路、地址鎖存電路(Address Latch)以及采樣保持電容瀉放電電路等構(gòu)成一個(gè)硬件閉環(huán)系統(tǒng)的方案，其整機(jī)原理框圖如圖1所示。為保證能譜數(shù)據(jù)幀的完整性，兩微處理器之間設(shè)計(jì)有同步機(jī)制，就數(shù)據(jù)幀本身而言，就好似一個(gè)先進(jìn)先出(First In First Out, FIFO)存儲(chǔ)器，最先被微處理器1寫(xiě)進(jìn)去的能譜數(shù)據(jù)幀則最先被微處理器2取走[2]。微處理器1承擔(dān)高速γ脈沖采集，微處理器2實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、并道處理以及自動(dòng)穩(wěn)譜等功能，并實(shí)時(shí)將譜數(shù)據(jù)通過(guò)異步串行口發(fā)送到地面系統(tǒng)。

硬件電路實(shí)現(xiàn)γ脈沖數(shù)據(jù)吞吐率達(dá)333 k·s?1，達(dá)到減小死時(shí)間的目的。為提高能譜儀的微分非線性，采用高位數(shù)AD轉(zhuǎn)換器，通過(guò)并道方案進(jìn)行平滑處理。

圖1 小口徑N451 γ能譜測(cè)井儀原理框圖Fig.1 Functional block diagram of slim borehole logger N451.

2 自動(dòng)穩(wěn)譜

γ能譜測(cè)井儀自動(dòng)穩(wěn)譜精度決定了核素含量的解算精度。γ能譜測(cè)井不同于車載γ譜儀、航空γ譜儀，后者在自動(dòng)穩(wěn)譜方面主要針對(duì)溫度引起的譜漂移問(wèn)題[3?4]，采用天然40K的1.460 MeV能峰和208Tl的2.614 MeV能峰等作為基準(zhǔn)進(jìn)行穩(wěn)譜，優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有自穩(wěn)源引起的本底干擾。而鉆孔中進(jìn)行γ能譜測(cè)井，晶體探測(cè)器更接近圍巖礦體且放射性強(qiáng)度變化劇烈，要求自動(dòng)穩(wěn)譜反應(yīng)迅速，對(duì)于薄礦層尤其如此。測(cè)井儀譜漂內(nèi)在的影響因素主要是由光電倍增管和晶體探測(cè)器引起；光電倍增管的增益隨溫度、高壓的波動(dòng)以及γ脈沖計(jì)數(shù)率而變化；晶體探測(cè)器的光輸出脈沖幅度隨環(huán)境溫度升高而降低。針對(duì)BGO溫度系數(shù)大的缺點(diǎn)[5]，提出相應(yīng)的自動(dòng)穩(wěn)譜策略。在傳統(tǒng)的γ能譜儀中，多采用附加參考源的穩(wěn)譜方法[6?11]，根據(jù)特定能量的光電峰對(duì)應(yīng)道址變化而實(shí)時(shí)加以調(diào)整。γ能譜測(cè)井儀N451硬件上采用高精度電壓基準(zhǔn)結(jié)合數(shù)字電位器控制光電倍增管(Photomultiplier Tube, PMT)高壓輸出的方案，軟件上輔以133Ba自穩(wěn)源實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)譜功能，如圖1所示。針對(duì)兩能窗穩(wěn)譜精度差的情況[8]，采用基于自穩(wěn)參考源的四能窗實(shí)時(shí)穩(wěn)譜軟件設(shè)計(jì)方案[9]，這里涉及到參考源能窗寬度選擇(表1)、峰形識(shí)別(圖2)以及自穩(wěn)參考指標(biāo)調(diào)整閾值的確定等一系列問(wèn)題。

N451 γ能譜測(cè)井儀內(nèi)置的133Ba自穩(wěn)基準(zhǔn)源有較高的分支比，其γ射線能量主要是356 keV，其他較弱的有302 keV、79 keV等，用作穩(wěn)譜基準(zhǔn)的能峰是356 keV峰。結(jié)合133Ba峰形的特點(diǎn)，基于自穩(wěn)源的356 keV能峰的各能窗計(jì)數(shù)率的比例關(guān)系如圖2所示。

表1 133Ba 356 keV能峰的能窗選擇Table 1 Energy windows 133Ba 356 keV signature.

圖2 133Ba在356 keV能峰的能窗記數(shù)比例關(guān)系Fig.2 Count ratio of the energy windows centered on 133Ba at 356 keV.

本底的扣除：定義Ncor=[N1?N4]/3，這里選取常數(shù)3的依據(jù)是，D=[N4u+N4d]/2、C=[N3u+N3d]/2、B=[N2u+N2d]/2、A=[N1u+N1d]/2（腳標(biāo)代表相應(yīng)能窗的上道和下道道址，圖2中未標(biāo)出），根據(jù)幾何關(guān)系A(chǔ)D/BC=2.86，為計(jì)算方便近似為3，這里關(guān)系N2?Ncor≈N3應(yīng)成立。定義自動(dòng)穩(wěn)譜參考指標(biāo)CFF′=[(N2?Ncor) ?2N3]/[(N2?Ncor)+2N3]，驗(yàn)證其有效性是通過(guò)設(shè)定不同PMT高壓值后觀察CFF′指標(biāo)的變化而獲知的，如表2所示，在不同PMT高壓條件下，依據(jù)各自穩(wěn)能窗計(jì)數(shù)分別按上式計(jì)算CFF′值，負(fù)值說(shuō)明譜向上漂移，正值則說(shuō)明譜已向低端漂移（初始參考HV=1 110 V），說(shuō)明其對(duì)譜漂是敏感的，可以作為自穩(wěn)參考調(diào)整指標(biāo)。

表2 驗(yàn)證自動(dòng)穩(wěn)譜參考指標(biāo)CFF′的有效性Table 2 Verification of parameter CFF′ for auto-stabilization through HV.

經(jīng)理論計(jì)算結(jié)合工程實(shí)際[10]，確定自穩(wěn)參考調(diào)整閥值CFF'為3%并設(shè)定自穩(wěn)調(diào)整周期為4 s，通過(guò)實(shí)際測(cè)試，結(jié)果表明自穩(wěn)控制精度有了大幅度的提高。試驗(yàn)用溫控箱為廣東東莞貝爾公司的BE-HL-150H3溫濕度控制儀（溫度?20 oC至150 oC，穩(wěn)定度±0.5 oC），無(wú)自穩(wěn)與具備自動(dòng)穩(wěn)譜功能的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖3所示。圖3(a)和(b)分別為無(wú)自穩(wěn)時(shí)和有自穩(wěn)時(shí)溫度引起的譜漂。

由圖3(a)可知，無(wú)自穩(wěn)時(shí)小口徑γ能譜測(cè)井儀N451溫度從0 oC升到60 oC，就133Ba的356 keV能峰而言，道漂移25道，而208Tl的2614 keV能峰漂移200道。隨著溫度升高，BGO晶體分辨率有所降低，能峰幅度減??；相對(duì)應(yīng)地由圖3(b)可知，自穩(wěn)狀態(tài)下在20?45 oC內(nèi)，譜漂校正效果有明顯的改善，對(duì)208Tl的2614 keV能峰的譜漂控制在±2道內(nèi)（就512道而言）。

當(dāng)?shù)V體的鈾含量很高時(shí)，礦石的γ射線會(huì)嚴(yán)重干擾自動(dòng)穩(wěn)譜系統(tǒng)，使其無(wú)法正常工作。N451測(cè)井儀在UF-1.0模型（1%鈾含量）中所測(cè)的譜如圖4(a)所示，因模型的低能γ射線很強(qiáng)，133Ba峰將被淹沒(méi)，自穩(wěn)受到強(qiáng)烈的干擾。為此，采取了兩項(xiàng)措施：一是增強(qiáng)133Ba源；二是在BGO晶體外加一個(gè)Pb-Sn組合屏以吸收低能γ射線。在U-1.0模型譜中其結(jié)果如圖4(b)所示，133Ba峰高高突起在U模型的低能γ射線譜之上，壓低了外部射線對(duì)儀器自穩(wěn)的干擾。

需說(shuō)明的是，實(shí)際應(yīng)用時(shí)要綜合考慮測(cè)井速度、分辨礦層厚度兩方面因素。通常情況下測(cè)井深度采樣間隔5 cm，以每4 s作為自穩(wěn)調(diào)整周期，測(cè)井速度3 m·min?1，N451數(shù)據(jù)采集速度為1 spectrum·s?1計(jì)，則相當(dāng)于1 point·s?1，即4 point·s?1（4個(gè)spectrum） =80 cm·s?1，在上述測(cè)井速度條件下，N451能夠基本不失真地采集能譜數(shù)據(jù)所能分辨的礦層厚度為20 cm。

圖3 溫度對(duì)測(cè)井儀N451能譜漂移的影響(a) 無(wú)自穩(wěn)時(shí)，(b) 有自穩(wěn)時(shí)Fig.3 Spectra drift of N451 due to temperature. (a) Without stabilization, (b) With stabilization

圖4 強(qiáng)低能γ射線對(duì)N451 133Ba自穩(wěn)能峰的干擾(a) 無(wú)Pb-Sn組合屏，(b) 有Pb-Sn組合屏Fig.4 Influence of low energy γ ray on the 133Ba signature ofN451. (a) Without Pb-Sn filter, (b) With Pb-Sn filter

3 標(biāo)定與野外試驗(yàn)

在核工業(yè)放射性勘查計(jì)量站的不同含量U、Th、K基準(zhǔn)模型、混合基準(zhǔn)模型、本底基準(zhǔn)模型上(圖5)，對(duì)γ能譜測(cè)井儀N451(圖6)進(jìn)行數(shù)個(gè)模型井和鐳點(diǎn)源的標(biāo)定；還分別進(jìn)行了鐵、水吸收系數(shù)的測(cè)定及修正；隨后在江西相山地區(qū)鈾、釷混合礦床進(jìn)行了七口井的γ能譜測(cè)井。由于目前沒(méi)有可以直接比對(duì)的γ能譜測(cè)井儀，γ能譜測(cè)井解釋結(jié)果與作為核工業(yè)儲(chǔ)量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的FD-3019 γ總量測(cè)井儀測(cè)井結(jié)果做了對(duì)比，工業(yè)礦(鈾含量＞0.05%) 32.6 m，礦化段(鈾含量0.03%?0.05%) 7.5 m，異常段(鈾含量0.01%?0.03%) 31.4 m，總計(jì)米百分含量(m%)的相對(duì)誤差為?4.23%。FD-3019相對(duì)于中子活化分析結(jié)果的相對(duì)誤差為33.65%；N451相對(duì)于中子活化分析結(jié)果的相對(duì)誤差為26.18%。表3和表4分別是鉆孔ZK80-37的FD-3019和N451 γ能譜測(cè)井結(jié)果，對(duì)比表明γ能譜測(cè)井結(jié)果良好，符合《EJ/T 611-2005 γ測(cè)井規(guī)范》中“檢查測(cè)井異常面積或米百分值允許相對(duì)誤差應(yīng)不大于10%”的規(guī)定。

圖5 標(biāo)定γ能譜測(cè)井儀的飽和基準(zhǔn)模型Fig.5 Saturated module body sources for γ spectrometry logger calibration.

圖6 小口徑γ能譜測(cè)井儀N451Fig.6 Slim borehole γ spectrometry logger N451.

表3 鉆孔ZK80-37中孔深824?831 m段的分層解釋結(jié)果(FD-3019)Table 3 Layer interpretation result from 824?831 m of ZK80-37 (FD-3019).

表4 鉆孔ZK80-37中記錄孔深824?831 m段的分層解釋結(jié)果表(N451)Table 4 Layer interpretation result from 824?831 m of ZK80-37 (N451).

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 在小口徑γ能譜測(cè)井晶體探測(cè)器尺寸受限的情形下，采用基于雙端口RAM加雙CPU結(jié)構(gòu)的硬件設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了高采集數(shù)據(jù)吞吐率下減小死時(shí)間和降低統(tǒng)計(jì)漲落引起測(cè)量誤差的目標(biāo)。

(2) 由于鉆孔內(nèi)晶體探測(cè)器更接近圍巖礦體，有射線強(qiáng)度變化劇烈的特殊性，自動(dòng)穩(wěn)譜在硬件上采用高精度電壓基準(zhǔn)加高位數(shù)字電位器調(diào)整PMT高壓輸出的方案，軟件上采用四能窗實(shí)時(shí)自穩(wěn)算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)N451穩(wěn)譜精度的大幅度提高，同時(shí)擴(kuò)大能譜測(cè)量線性范圍。

(3) 采用Pb-Sn組合屏，屏蔽低能γ射線對(duì)自穩(wěn)峰的干擾實(shí)現(xiàn)從本底模型到1%鈾含量模型的自動(dòng)穩(wěn)譜。調(diào)整自穩(wěn)源強(qiáng)度以期達(dá)到引起死時(shí)間最少、譜本底盡可能低而又不影響自穩(wěn)效果的目的，優(yōu)化基于峰形的穩(wěn)譜算法進(jìn)一步提高了自動(dòng)穩(wěn)譜精度。致謝 本測(cè)井儀研制過(guò)程中得到了陸士立研究員的悉心指導(dǎo)及袁明高工的幫助，對(duì)在相山野外γ能譜測(cè)井中江西核工業(yè)261大隊(duì)銀泳兵工程師等給予的支持與合作表示感謝。

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CLC TL817

Research and development of slim borehole gamma ray spectrometry logger

JIAO Cangwen1,2DENG Ming1LU Shili2YUAN Ming2MA Yanfang2
1(School of Geophysics and Information Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China) 2(China National Nuclear Corporation, Key Laboratory of Uranium Resources Exploration and Evaluation Technology, Beijing Research Institute of Uranium Geology, Beijing 100029, China)

Background: γ spectrometry logging is one method for accurately computing uranium content in uranium-thorium mixed type deposit for slim borehole application. Purpose: The aim is to design slim borehole γ spectrometry logger N451 with ?30 mm×100 mm high detection efficiency Bi4Ge3O12(BGO) scintillation detector, whose diameter and length are 45 mm and 1 300 mm, respectively. Methods: By applying the configuration of dual-microprocessor plus dual port RAM to improving the data throughput rate, the aim of reducing dead time was achieved. As to auto-stabilization, by means of 4-window algorithm with133Ba reference source, plus temperature-based coarse set while power on and fine tune Photomultiplier Tube (PMT) high voltage while logging, the auto-stabilization accuracy was considerably improved. Using Pb-Sn mask method, N451 overcomes the interference on auto-stabilization system from the high level uranium deposit low energy γ-ray. Results: After multiple saturated modules and226Ra point source calibration and Fe as well as H2O coefficient correction, field logging was surveyed. Conclusion: The uranium content relative error was less than 10%. The slim borehole γ spectrometry logger is up to the specification.

Slim borehole, Bi3Ge4O12(BGO) crystal, Automatic spectrum stabilization

TL817

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.040403

國(guó)防預(yù)研基金(No.41603070203)資助

焦倉(cāng)文，男，1969年出生，1992年畢業(yè)于長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院，高級(jí)工程師，現(xiàn)為在職博士生，研究領(lǐng)域?yàn)榈厍蛭锢頊y(cè)井

鄧明，E-mail: dengming@cugb.edu.cn

2014-11-13，

2014-12-15