鄧曉欽 胡天宇 曾國強 葛良全 丁雨憧 張開琪 余 鵬 譚承君

1（四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測中心站 成都 611139）

2（成都理工大學 地學核技術重點實驗室 成都 610059）

3（中國電子科技集團公司 第二十六研究所 材料與裝備中心 重慶 401332）

適用于深孔測井的LuAG閃爍體探測器的溫度特性

鄧曉欽1胡天宇2曾國強2葛良全2丁雨憧3張開琪2余 鵬2譚承君2

1（四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測中心站 成都 611139）

2（成都理工大學 地學核技術重點實驗室 成都 610059）

3（中國電子科技集團公司 第二十六研究所 材料與裝備中心 重慶 401332）

針對深孔測井要求更小體積、更高探測效率、溫度特性更穩(wěn)定的需求，通過LuAG(Lu3Al5O12)與NaI:Tl閃爍體的對比實驗和高溫型光電倍增的選擇，確定了由LuAG和Hamamatsu的高溫型R1288A-07光電倍增管與之組成的探頭。采用溫度可調(diào)節(jié)的恒溫箱對探頭開展20?170 oC范圍的溫度試驗，重點分析溫度對LuAG探測器能量分辨率、道址和計數(shù)率的影響，為LuAG閃爍體探測器在測井中的應用提供參考。實驗結果表明，(75±5) oC為LuAG探測器能量分辨率(137Cs 662 keV)最佳溫度；溫度在20?70 oC變化時，能量分辨率變化不超過2%；溫度在70?170 oC變化時，能量分辨率變化不超過7%。由此可見，LuAG探測器在高溫環(huán)境中穩(wěn)定性較好，可應用于測井等具有較大溫度變化的環(huán)境中。但是由于溫度會引起比較明顯的譜漂，因此使用時需要做好穩(wěn)譜工作。

LuAG探測器，溫度效應，能量分辨率，譜漂，深孔測井

自然γ能譜測井是通過探測地層天然放射性物質(zhì)（鈾、釷、鉀）含量、用于判斷巖性和礦物類型、研究沉積環(huán)境等重要的地球物理測井方法[1]。該方法將核輻射探測器深入到地下鉆孔中把地層中放射性γ射線轉變?yōu)殡娒}沖，經(jīng)過放大送到地面記錄下來[2]，為地質(zhì)找礦、勘探工作提供必要的可靠信息。因其具有高效的科學性和準確性，因而在地質(zhì)勘探、軍事等領域得到了廣泛的應用。

目前常規(guī)測井中，常用的閃爍體有 NaI:Tl、CsI:Tl、LaBr3:Ce等。NaI:Tl閃爍體在高溫時具有較穩(wěn)定的光輸出，同時其價格便宜、使用方便，因此被大量地應用于測井中，但該閃爍體等效原子序數(shù)低、密度小，因此對地層中能量較高的γ射線探測效率較低[3]；CsI:Tl閃爍體具有光輸出高、耐沖擊能力強等特點，也被使用于γ測井中，但是該晶體輸出的最強發(fā)光波長在550 nm左右，難于與光電倍增管(Photomultiplier Tube, PMT)匹配，不利于對閃爍體熒光信號的探測，其光電轉換效率低和能譜分辨率較差；LaBr3:Ce閃爍體分辨率高、探測效率高，在高溫下也具有較高的光輸出，因此也被使用于γ測井，但是該晶體自身的鑭系與錒系的放射性衰變與天然γ測井中的鈾、釷、鉀能窗重疊形成干擾，難以提高測井精度[4]。表1給出了上述幾種閃爍體的基本特性。

深孔測井時，井內(nèi)的環(huán)境溫度有可能高達170oC[5]，這對閃爍體的高溫性能提出了極高的要求。目前常規(guī)的探測器工作溫度均低于100 oC，因此急需要尋找一種能夠耐高溫，且對高能的伽馬射線具有較高的探測效率的閃爍體。石榴石型新型閃爍體 LuAG 具有較高的晶體密度(6.67 g·cm?3)和較大的有效原子序數(shù)(63)，使其吸收射線的能力強、探測效率高，同時具有利于縮小探測器的體積、降低探測器成本等優(yōu)點[6]，因此該閃爍體比較適合于測井應用。

目前LuAG應用于測井的相關研究較少，為了解LuAG在測井方面的應用，本文介紹了測量LuAG閃爍體探測器的溫度特性的實驗裝置和實驗方法，同時對實驗數(shù)據(jù)做了較為詳細的分析，為該探測器應用于測井提供參考依據(jù)。

表1 LuAG與NaI:Tl等傳統(tǒng)探測器性能對比Table 1 LuAG and NaI:Tl and other traditional detector performance comparision.

1 實驗方法

實驗裝置主要包括4個部分：恒溫箱、探頭（包括一個LuAG閃爍體(25 mm×25 mm×25 mm)和高溫型PMT（?25 mm的R1288A-07和CR225-02））、電子學裝置（一個前置放大器和一個多道脈沖幅度分析器）、PC端。圖1是測量裝置示意圖。前置放大器和多道分析器放置在恒溫箱外，137Cs源和探頭放置在恒溫箱內(nèi)。實驗測得的結果不完全反映閃爍體本身的特性，還包括了 PMT的溫度效應，但與測井儀實際使用的情況比較一致，因此具有一定的參考價值。

圖1 溫度特性實驗框圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental.

測試在避光的環(huán)境中進行。閃爍體與 PMT之間用光學硅油耦合（最大工作溫度250 oC），137Cs γ點源置于閃爍體軸線上（偏差小于5 oC）[7]。

實驗主要測量室溫(20 oC)到 PMT最大工作溫度（R1288A-07 為 175 oC（取 170 oC），CR225-02為 125 oC（取 120 oC））的能譜。實驗前，在室內(nèi)環(huán)境下(20 oC)，用譜儀對137Cs源進行測試，測試時間為5 min，通過調(diào)節(jié)PMT工作高壓、前放、軟件增益和時間常數(shù)，將137Cs 662 keV全能峰的峰位調(diào)至總道數(shù)的2/3處附近，使全能峰位的道址內(nèi)達到上千計數(shù)，得到最優(yōu)的能量分辨率，記錄能譜圖。然后從20 oC開始升溫，每升高10 oC測量一次，直到170 oC（或 120 oC），整個過程保證高壓不變(1500V)，固定軟件增益，同時根據(jù)脈沖成形效果適當調(diào)整時間常數(shù)再記錄能譜?？紤]到閃爍體的熱傳導性能較差，通過試驗，確定到達每個溫度點穩(wěn)定1 h后再進行測量，每次測量5 min。

2 閃爍體的溫度特性

為進一步了解LuAG閃爍體的溫度特性，實驗對比了測井中常用的NaI:Tl閃爍體與石榴石閃爍體LuAG能量分辨率和137Cs主峰位道址隨溫度變化的趨勢，如圖2所示。

圖2 LuAG和R1288A-07 PMT測量137Cs的能譜漂移Fig.2 Energy spectrum drift of LuAG with R1288A-07 PMT vs. temperature.

首先，因為NaI:Tl的最強發(fā)光波長(415 nm)與R1288A-07 PMT的峰值波長(375 nm)更匹配，所以NaI:Tl閃爍體探測器所測得的能量分辨率優(yōu)于LuAG閃爍體探測器。由于PMT與LuAG閃爍體光譜匹配度不高，不利于能量分辨率的提升，所以從實驗數(shù)據(jù)中看到本次實驗測量的分辨率在19%，較采用匹配的PMT（分辨率約7%）相差很大。但由于在測井中，我們所關心的放射性核素能量值相差較大，在分辨率19%左右時也能將地層中的幾個主要能量峰(1.76 MeV、2.61 MeV、1.46 MeV)[8]區(qū)分開，因此這對實際測井應用并沒有太大影響，故本文只探討能量分辨率隨溫度變化的趨勢，其具體數(shù)值不是最關鍵的。其次，數(shù)據(jù)表明溫度在20?160 oC變化時，NaI:Tl的能量分辨率變化不超過3.2%，而LuAG的能量分辨率變化不超過2.6%。說明LuAG閃爍晶體在20?100 oC能量分辨率較穩(wěn)定。也進一步說明LuAG閃爍體探測器在溫度較高的環(huán)境中性能更穩(wěn)定。

從圖 3(a)可看出，溫度變化帶來嚴重的譜漂，表明道址所代表的能量發(fā)生了改變。然而137Cs射線的能量是固定的，說明光信號或者電信號改變了。多種因素導致了譜的漂移，首先是閃爍體的發(fā)光效率受溫度影響；其次是 PMT的光陰極的熱發(fā)射和各打拿極間次級電子的負溫度系數(shù)使 PMT在溫度變化時增益不穩(wěn)定[9]；再次是電子元器件受溫度的影響。其中，閃爍晶體的發(fā)光效率受溫度影響是導致譜漂移的重要因素，因為在不同的溫度下，相同能量時，如果閃爍晶體的發(fā)光效率發(fā)生變化，意味著相同能量的γ射線電離激發(fā)的光子數(shù)也會發(fā)生變化，結果必然使輸出的電壓脈沖幅度不同，從而造成譜的漂移[10]。如圖3(b)所示，通過對比NaI:Tl與LuAG道址隨溫度變化的趨勢，可以看出LuAG在20?100 oC 的變化比 NaI:Tl緩慢。

圖3 NaI:Tl與LuAG能量分辨率(a)、道址(b)隨溫度變化曲線Fig.3 Energy resolution at 662 keV (a) and peak position (b) of NaI:Tl and LuAG vs. temperature.

3 PMT的溫度特性

探測器中PMT是對溫度變化較為敏感的器件，選用合適的PMT也是提升探測器性能的重要因素。由于目前Hamamatsu的高溫型PMT沒有與LuAG光譜波長完全匹配，因此本實驗選取了匹配波長最接近的PMT進行實驗。

實驗首先選用了濱松光子的普通高溫型 PMT CR225-02，其峰值波長 375 nm，最大工作電壓1800V，工作溫度在?20?125 oC，使用時需要自行焊接分壓電阻。將CR225-02 PMT與LuAG用光學硅油耦合后使用Teflon膜纏繞，并用黑色耐高溫膠帶避光包裹固定，放入恒溫箱測試，結果見表2。

表2 CR225-02 PMT與LuAG測得的能譜數(shù)據(jù)Table 2 Spectral data measured by CR225-02 PMT and LuAG.

當溫度繼續(xù)升至120 oC以上時，測得能譜能量分辨率已經(jīng)極差，難于區(qū)分峰位。故實驗又使用了Hamamatsu的全封裝高溫型PMT R1288A-07進行測試，其特點是分壓電阻與管子封裝在一起，工作溫度在?20?175 oC，峰值波長和最大工作電壓與CR225-02相同。

圖4給出了R1288A-07 PMT暗電流隨溫度變化的關系曲線[11]。眾所周知，PMT即使在常溫和完全黑暗的環(huán)境下仍有微小的暗電流。尤其在測井應用中，井下礦物中待測元素的含量非常低，在這種測量條件下，暗電流或暗噪聲計數(shù)是探測系統(tǒng)靈敏閾和測量精度的主要限制[12]。圖4表明，R1288A-07 PMT的暗電流大小隨著溫度的不斷升高呈先緩后陡的指數(shù)上升。暗電流變大使得信噪比降低，得到的能量分辨率較差。由此可以推測，LuAG探測器的能量分辨率會隨著溫度升高而變差，并且不是線性關系。

圖4 R1288A-07 PMT暗電流與溫度的關系Fig.4 Anode dark current of R1288A-07 PMT vs.temperature.

圖5 對比了R1288A-07和CR225-02 兩種PMT在溫度變化時137Cs (662 keV)能量分辨率和全能峰道址的變化曲線?？梢钥闯?，兩個 PMT所測得的結果趨勢一致。但全封裝高溫型 PMT R1288A-07得到更好的能量分辨率，并在20?120 oC范圍內(nèi)道址漂移更小。全封裝的特點使其在高溫中減小了電噪聲而表現(xiàn)出更穩(wěn)定的性能。

圖5 PMT R1288A-07和CR225-02測得能譜能量分辨率(a)和道址(b)隨溫度變化曲線Fig.5 Energy resolution at 662 keV (a) and peak position (b) of LuAG with R1288A-07 and CR225-02 PMT vs. temperature.

4 計數(shù)率對溫度的變化

最終實驗使用R1288A-07 PMT與LuAG閃爍體耦合，測試其溫度特性。由于γ測井儀的計數(shù)率是決定測井自然γ值是否正確的關鍵參數(shù)[13]，故實驗通過測試LuAG探頭計數(shù)率隨溫度變化曲線檢測探測器的穩(wěn)定性，不同溫度下137Cs 662keV全能峰扣除本底計數(shù)后在 300 s時的計數(shù)率見圖 6。從圖 6可以看出，低于140 oC時計數(shù)率變化較小，探頭工作相對穩(wěn)定，一旦溫度高于140 oC計數(shù)率有所波動，通過計算 140 oC、150 oC、160 oC 處的數(shù)據(jù)都超出統(tǒng)計漲落最大值，由于超出很小不到 3%，這可能是受到其他因素影響的偶然現(xiàn)象。影響計數(shù)率的因素有很多，高壓的穩(wěn)定、周圍環(huán)境的磁場干擾、閃爍體與 PMT耦合的松緊度等都對計數(shù)率有影響。而高溫會使探頭外部加固和避光作用的黑色膠布粘連性發(fā)生改變，這可能會導致探測器計數(shù)率的變化。

圖6 計數(shù)率隨溫度變化曲線Fig.6 Counting rate of LuAG with R1288A-07 PMT vs.temperature.

5 結語

本文對LuAG探測器的高溫特性進行了測試。在了解高溫型 PMT溫度性能的基礎上，進一步探討 LuAG閃爍體本身的溫度特性。通過實驗對比NaI:Tl和LuAG閃爍體從20?170 oC的溫度范圍內(nèi)能量分辨率和137Cs主峰位道址的變化趨勢，證明了LuAG在高溫環(huán)境中的優(yōu)異性能，是一種非常有潛力的適用于深孔測井的閃爍材料。由于本文所采購的光電倍增管的光譜峰值響應曲線與LuAG閃爍體并不是完全匹配，因此所測量的系統(tǒng)能量分辨率偏低，擬在下一步工作中采購光譜匹配更優(yōu)異的紫外增強型的光電倍增管對閃爍體進行測量。

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Temperature characteristic of LuAG scintillation detector for deep-well logging

DENG Xiaoqin1HU Tianyu2ZENG Guoqiang2GE Liangquan2DING Yuchong3ZHANG Kaiqi2YU Peng2TAN Chengjun2
1(Sichuan Management and Monitoring Center Station of Radioactive Environment, Chengdu 611139, China)
2(Nuclear Technology Key Laboratory of Earth Science, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)
3(Material and Equipment Center, The 26th Research Institute, China Electronics Technology Group Corporation, Chongqing 401332, China)

Background: Deep-well logging requires higher detection efficiency and more stable temperature characteristics for the detectors. Purpose: This study aims to investigate the temperature characteristic of LuAG scintillator detector of high energy resolution in well logging. Methods: Contrast experiments using radioactive source137Cs (662keV) were performed between LuAG (Lu3Al5O12) and NaI:Tl scintillators, and the former is identified to be better in high-temperature resistance and energy resolution. LuAG together with Hamamatsu high-temperature type photomultiplier tube (R1288A-07) composed the probe for experiment. A temperatureadjustable thermostat in the range of 20?170 oC was employed to the probe to study the effect of temperature on the energy resolution, channel and count rate of LuAG detector. Results: The energy resolution (137Cs 662keV) of LuAG detector was the highest at (75±5) oC, which changed within 2% from 20 oC to 70 oC, and within 7% from 70 oC to 170 oC. Conclusion: The LuAG detector is more stable in high temperature situation and can be used in environments with large temperature changes such as deep-well logging. There is obvious channel drift induced by change of temperature, hence the related work shall be done to stabilize the spectrum.

DENG Xiaoqin, male, born in 1963, graduated from Southwest Jiaotong University with a master’s degree in 2005, senior engineer, engaged in environmental management and environmental monitoring work

HU Tianyu, E-mail: 632087315@qq.com

date: 2017-04-17, accepted date: 2017-05-21

LuAG detector, Temperature effect, Energy resolution, Channel drift, Deep-well logging

TL99

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.110402

國家自然科學基金(No.41474159)、國家863計劃項目(No.2102AA061803)、四川省科技廳青年基金項目(No.2015JQ0035)資助

鄧曉欽，男，1963年出生，2005年于西南交通大學獲碩士學位，高級工程師，從事環(huán)境環(huán)保管理與環(huán)境監(jiān)測工作

胡天宇，E-mail: 632087315@qq.com

2017-04-17，

2017-05-21

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.41474159), National 863 Project (No.2102AA061803), Sichuan Science and Technology Department Youth Fund Project (No.2015JQ0035)