萬文杰 周 偉 周建斌 趙 祥 喻 杰 何緒新 羅 翔 秦泓江 向丘林

1（成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院 成都 610059）

2（中國石油測(cè)井集團(tuán)有限公司 西安 710032）

3（中核建中核燃料元件有限公司 宜賓 644000）

基于LaBr3:Ce探測(cè)器的241Am-Be中子源測(cè)井研究

萬文杰1周 偉1周建斌1趙 祥1喻 杰1何緒新2羅 翔2秦泓江2向丘林3

1（成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院 成都 610059）

2（中國石油測(cè)井集團(tuán)有限公司 西安 710032）

3（中核建中核燃料元件有限公司 宜賓 644000）

針對(duì)國內(nèi)中子測(cè)井所使用探測(cè)器探測(cè)效率不能滿足實(shí)際應(yīng)用的情況，采用241Am-Be中子源和LaBr3:Ce探測(cè)器在中石油公司一個(gè)放射性同位素中子測(cè)試井中對(duì) H、C、Fe等幾種地殼元素進(jìn)行了測(cè)量，并與現(xiàn)今測(cè)井常用的鍺酸鉍(Bismuth Germanium Oxide, BGO)探測(cè)器進(jìn)行對(duì)比測(cè)量。測(cè)得的能譜結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行地殼元素測(cè)量時(shí)LaBr3:Ce探測(cè)器比BGO探測(cè)器具有更高的能量分辨率，并且在相同外部測(cè)試條件下BGO探測(cè)器探測(cè)到Fe峰非常微弱。因此將LaBr3:Ce探測(cè)器進(jìn)一步應(yīng)用到測(cè)井中的市場前景廣闊。

241Am-Be中子源，LaBr3:Ce探測(cè)器，能量分辨率，測(cè)井

石油、天然氣對(duì)現(xiàn)代工業(yè)、人民生活具有極其重要的作用，對(duì)兩者進(jìn)行勘探開發(fā)對(duì)我國的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有非常重要的戰(zhàn)略意義。其中放射性同位素中子測(cè)井技術(shù)在石油天然氣勘探中已應(yīng)用多年。隨著該技術(shù)的不斷成熟和推廣應(yīng)用，已經(jīng)成為我國水驅(qū)油田注水剖面測(cè)井的主要檢測(cè)手段[1]。加載241Am-Be中子源的測(cè)井工具也是目前國內(nèi)外測(cè)井公司應(yīng)用最成熟、最廣泛的一種。

由于閃爍晶體能對(duì)X射線、γ射線和α粒子等高能射線進(jìn)行探測(cè)，因此在核測(cè)井中得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前在核測(cè)井中應(yīng)用較多的閃爍晶體有NaI:Tl、鍺酸鉍(Bismuth Germanium Oxide, BGO)和GSO:Ce等[2]。特別是國內(nèi)在近幾年對(duì)BGO閃爍探測(cè)器在測(cè)井上的應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大[3?6]。而由Dorenbos等[7?8]在1999年發(fā)明了LaBr3:Ce晶體，具有優(yōu)異的閃爍性能，如密度大、原子序數(shù)高、對(duì)γ射線具有較高的探測(cè)效率、發(fā)光衰減時(shí)間短、光產(chǎn)額大、能量分辨率是目前閃爍體中最佳(2.8%?4%)@662 keV等優(yōu)點(diǎn)，若將該閃爍晶體用于測(cè)井應(yīng)當(dāng)具有非常可觀的發(fā)展前景。但由于要用于核測(cè)井的閃爍晶體多為全空間探測(cè)，因此要求閃爍晶體尺寸比較大，而LaBr3:Ce晶體生長非常困難，要得到大尺寸的晶體很不容易，因此初期在測(cè)井方面的研究主要集中于仿真模擬而并未實(shí)際應(yīng)用[9]。隨著近幾年 LaBr3:Ce晶體生長研究工作的進(jìn)一步發(fā)展，已經(jīng)能制備出達(dá)到一定尺寸可以滿足核測(cè)井所用的 LaBr3:Ce晶體[10]。然而到目前為止，將LaBr3:Ce探測(cè)器用于放射性同位素中子測(cè)井的報(bào)道卻還沒有見到。因此本文利用LaBr3:Ce探測(cè)器對(duì)使用241Am-Be中子源的測(cè)井效果進(jìn)行研究，為LaBr3:Ce探測(cè)器在測(cè)井領(lǐng)域的更深層次的發(fā)展與應(yīng)用提供一些數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，促使LaBr3:Ce探測(cè)器進(jìn)一步在測(cè)井中得到應(yīng)用。

1 LaBr3探測(cè)器

LaBr3:Ce探測(cè)器主要是由LaBr3:Ce閃爍體、光電倍增管和電信號(hào)采集部分組成。本文使用法國SAINT-GOBAIN生產(chǎn)的BrilanceTM380-LaBr3:Ce探測(cè)器（型號(hào)：1.8MG3B380/1.5L-XM，晶體尺寸：?5.08 cm×5.08 cm）。電信號(hào)收集部分使用自主研發(fā)生產(chǎn)的數(shù)字多道采集板，整個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘為100 MHz。為了突出LaBr3晶體探測(cè)器探測(cè)井下元素含量的優(yōu)勢(shì)，還使用了目前在核測(cè)井中大量應(yīng)用的 BGO晶體探測(cè)器與LaBr3晶體探測(cè)器效果進(jìn)行對(duì)比。兩種晶體的性能參數(shù)如表1所示。

表1 BGO和LaBr3:Ce探測(cè)器性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of BGO and LaBr3:Ce detectors.

2 電路改進(jìn)

由于 LaBr3:Ce探測(cè)器具有極短發(fā)光衰減時(shí)間(32 ns)的特性，因此特別適合于高計(jì)數(shù)率、高分辨率需求的場合。對(duì)高放射性的中子測(cè)井而言，由于其計(jì)數(shù)率一般不低于1×106s?1，若采用以正高壓驅(qū)動(dòng)光電倍增管的方式連接電荷靈敏放大電路，得到的脈沖寬度通常大于1 μs，極易發(fā)生脈沖堆積導(dǎo)致計(jì)數(shù)率下降和分辨率降低等問題。因此本文采用了跨阻前置放大電路（圖1），用負(fù)高壓來驅(qū)動(dòng)光電倍增管，直接將電流信號(hào)引入放大器，通過跨阻放大器將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，脈沖寬度可達(dá)到150 ns，從而降低了脈沖堆積的概率。經(jīng)測(cè)試表明，加入該電路后，計(jì)數(shù)率最高可達(dá)1.5×106s?1，分辨率可以達(dá)到3.4% (662 keV)。

圖1 跨阻前置放大電路Fig.1 Trans-impedance preamplifier circuit.

3 實(shí)際測(cè)試

地殼中的化學(xué)元素只相對(duì)集中于少數(shù)幾種，其中 O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、H這 9種元素已占地殼總量的98.13%，其余元素僅占1.87%[11]。其中H、C等元素為輕元素，發(fā)出的γ射線能量較低，而Fe為重元素發(fā)出的γ射線能量較高，而且在地殼中的含量較低。若探測(cè)器能測(cè)到H、C、Fe這三種元素，則表明處于 H-Fe范圍內(nèi)的低能和高能部分的元素都能通過探測(cè)器探測(cè)到。

本次的測(cè)井裝置是由一個(gè)592 GBq的241Am-Be中子源和一個(gè) LaBr3:Ce晶體探測(cè)器組成，利用LaBr3:Ce探測(cè)器記錄512道γ能譜。而進(jìn)行對(duì)比的測(cè)井裝置的晶體探測(cè)器選用的是 BGO探測(cè)器，它記錄的是256道γ能譜。每種元素產(chǎn)生特定能量的特征γ射線，其計(jì)數(shù)率與元素的豐度呈比例。因此搭建了一個(gè)測(cè)試平臺(tái)，如圖2所示。

圖2 測(cè)井分析示意圖Fig.2 Logging structure diagram.

測(cè)試在一個(gè)深600 m的井中進(jìn)行。為了檢測(cè)儀器是否可以檢測(cè)到H、Fe兩種元素，在井的底部放入了一個(gè)冰塊和一個(gè)鐵塊。并用冰塊將241Am-Be中子源進(jìn)行了密封，目的除了檢測(cè)H外冰塊還將會(huì)對(duì)快中子進(jìn)行慢化。

進(jìn)行測(cè)試時(shí)，241Am-Be中子源發(fā)射出快中子連續(xù)照射樣品，產(chǎn)生γ射線，被中子活化樣品退激釋放出特征γ射線，進(jìn)入LaBr3晶體產(chǎn)生光子，光電倍增管將光子轉(zhuǎn)成電流脈沖。通過電子學(xué)線路采集脈沖信號(hào)，使用數(shù)字濾波、梯形（三角）成形等算法處理后，將結(jié)果送入地面分析工作站處理分析。

使用 BGO晶體探測(cè)測(cè)井系統(tǒng)為第一代測(cè)井系統(tǒng)，其測(cè)井道址為256。LaBr3:Ce晶體探測(cè)測(cè)井系統(tǒng)為第二代測(cè)井系統(tǒng)，測(cè)井道址為 512。如要進(jìn)行對(duì)比分析則需要統(tǒng)一到同一度量上。故對(duì)兩種儀器分別進(jìn)行了能量刻度，通過求兩種探測(cè)器的道址與能量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將道址轉(zhuǎn)換成能量，從而進(jìn)行對(duì)比分析。在測(cè)試時(shí)冰塊中H含量很高，而測(cè)試井中也放入了Fe塊，因此可以獲得Fe的峰位，因此采用了氫峰和鐵峰進(jìn)行刻度。兩種晶體探測(cè)器的道址-能量對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

然后對(duì)道址-能量關(guān)系進(jìn)行一元線性擬合，得到兩種探測(cè)器的線性方程（用于能量刻度）如圖 3所示。

表2 LaBr3和BGO晶體探測(cè)器的道數(shù)-能量對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 2 Channel-energy corresponding relation of LaBr3 and BGO.

圖3 道址-能量曲線擬合 (a) LaBr3:Ce，(b) BGOFig.3 Channel-energy curve fitting graph. (a) LaBr3:Ce, (b) BGO

使用上述道址-能量擬合的一次線性關(guān)系式，將得到的譜線圖統(tǒng)一為能量-計(jì)數(shù)率關(guān)系曲線，兩種探測(cè)器得到的能量-計(jì)數(shù)率關(guān)系曲線如圖4所示。

從圖4中可直觀看出LaBr3:Ce比BGO晶體探測(cè)器的能量分辨率高，例如LaBr3晶體探測(cè)器探測(cè)到的C峰的半峰寬明顯比BGO晶體探測(cè)器探測(cè)到的C峰的半峰寬小，而且C在3.919 MeV時(shí)的逃逸峰在通過 LaBr3:Ce晶體探測(cè)器測(cè)量得到的譜線圖中非常明顯，而經(jīng) BGO晶體探測(cè)器測(cè)量的譜圖中則不明顯。

圖4 LaBr3:Ce和BGO晶體探測(cè)器的能量-計(jì)數(shù)率譜線Fig.4 Energy-count rate spectra of LaBr3:Ce and BGO.

進(jìn)一步將能量在6.4?8.0 MeV范圍內(nèi)的兩幅譜圖進(jìn)行局部放大，可以發(fā)現(xiàn)在LaBr3:Ce晶體探測(cè)器測(cè)量得到的譜線圖中有明顯的 Fe峰(7.64 MeV)存在，而且還可發(fā)現(xiàn)Fe的逃逸峰(7.129 MeV)。但同時(shí)對(duì)比 BGO晶體探測(cè)器測(cè)量的譜圖在該區(qū)間的譜線，鐵峰和鐵的逃逸峰并不明顯以致鐵峰幾乎無法識(shí)別。表明在相同外部測(cè)試條件下，LaBr3:Ce晶體探測(cè)器可以測(cè)到Fe峰而BGO晶體探測(cè)器譜圖不明顯。以上分析也說明了LaBr3:Ce晶體探測(cè)器可以完成H-Fe的地層元素測(cè)量，可對(duì)地層元素1?10 MeV的能量段進(jìn)行探測(cè)。LaBr3:Ce晶體探測(cè)器測(cè)到的原始譜圖如圖5所示。

圖5 LaBr3:Ce晶體探測(cè)器的道數(shù)-計(jì)數(shù)率譜線Fig.5 Energy-count rate spectrum of LaBr3:Ce.

4 結(jié)語

使用241Am-Be中子源和LaBr3:Ce晶體探測(cè)器在中石油公司的測(cè)試井中對(duì)H、Fe幾種地層元素進(jìn)行了測(cè)量，并使用了 BGO晶體探測(cè)器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。結(jié)果表明，LaBr3:Ce晶體探測(cè)器應(yīng)用于中子測(cè)井效果非常好，比 BGO晶體探測(cè)器具有更好的能量分辨率，而且對(duì)高能部分射線的探測(cè)效率高?；谄渥陨淼囊幌盗袃?yōu)點(diǎn)，LaBr3:Ce探測(cè)器在放射性同位素中子測(cè)井和脈沖中子測(cè)井中將會(huì)得到進(jìn)一步的應(yīng)用。

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Research on neutron-gamma logging with an241Am-Be source based on LaBr3:Ce detector

WAN Wenjie1ZHOU Wei1ZHOU Jianbin1ZHAO Xiang1YU Jie1HE Xuxin2LUO Xiang2QIN Hongjiang2XIANG Qiulin3
1(College of Nuclear Technology and Automation Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)
2(China Petroleum Group Logging Co., Ltd., Xi’an 710032, China)
3(CNNC Jianzhong Nuclear Fuel Co., Ltd., Yibin 644000, China)

Background: The widely used bismuth germanium oxide (BGO) detector has low energy resolution in neutron well logging, and thus cannot meet the requirements of some practical applications. Purpose: This study aims to obtain high energy resolution spectrum using a LaBr3:Ce detector in neutron-gamma logging. Methods: Several common geochemical elements such as H, C and Fe were measured using241Am-Be neutron source with LaBr3:Ce detector in a radioisotope neutron testing well belonging to China Petroleum Group Logging Corporation, and a commonly used BGO detector was employed to provide a comparison with LaBr3:Ce detector under the same well logging test condition. Results: The energy spectrum of LaBr3:Ce detector exhibited higher energy resolution than that of BGO detector, and a clear signal of Fe whilst a very weak Fe signal in energy spectrum of LaBr3:Ce detector.Conclusion: The application of LaBr3:Ce detector in nuclear logging has a promising prospect.

241Am-Be neutron source, LaBr3:Ce detector, Energy resolution, Logging

WAN Wenjie, male, born in 1991, graduated from Chengdu University of Technology in 2015, master student, major in nuclear technology and applications

ZHOU Wei, E-mail: zhouwei@cdut.edu.cn

date: 2017-03-17, accepted date: 2017-04-20

TL812

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.110404

國家自然科學(xué)基金(No.11675028)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)(No.2016YFC1402505)、科技苗子工程(No.2016099)資助

萬文杰，男，1991年出生，2015年畢業(yè)于成都理工大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，核技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)

周偉，E-mail: zhouwei@cdut.edu.cn

2017-03-17，

2017-04-20

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11675028), National Key Research and Development Plan (No.2016YFC1402505), Science and Technology Talent Project (No.2016099)