陳元慶,黃清波,劉金堯,王先賀,黃亮,吳偉軍

(核工業(yè)航測(cè)遙感中心,河北 石家莊 050011)

0 引言

在我國(guó),用于計(jì)算鈾礦儲(chǔ)量的主要測(cè)井方法是γ總量測(cè)井法,該方法是將地層中鈾、釷和鉀等γ放射性核素的貢獻(xiàn)均作為鈾的貢獻(xiàn),計(jì)算出鈾的當(dāng)量含量。我國(guó)北方可地浸砂巖型鈾礦[1]一般不伴生釷,可采用γ總量測(cè)井來(lái)測(cè)定鈾含量。但是南方硬巖鈾礦床也是我國(guó)勘查的重點(diǎn)類型,其中部分屬于鈾釷混合型礦床。在海外鈾資源勘查領(lǐng)域,重點(diǎn)開(kāi)發(fā)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(cè)井法不能區(qū)分地層中鈾釷核素的比例,無(wú)法滿足精確測(cè)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(jì)算儲(chǔ)量的鈾含量是通過(guò)采集巖心后進(jìn)行分析測(cè)試[3]、對(duì)γ總量測(cè)井結(jié)果進(jìn)行修正后獲取的,提高了生產(chǎn)成本。

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

1 數(shù)字化γ能譜測(cè)井探管設(shè)計(jì)方案

1.1 輻射探測(cè)器

探測(cè)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(fā),在退激時(shí)形成閃爍光。閃爍光被光電倍增管光陰極收集后,發(fā)出光電子,經(jīng)倍增放大后被陽(yáng)極收集輸出電脈沖信號(hào)[4]。

γ能譜測(cè)量常用的探測(cè)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(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 常見(jiàn)晶體材料參數(shù)Table 1 Parameter table of crystal materials

碘化鈉信號(hào)衰減時(shí)間長(zhǎng)、分辨率一般、受溫度影響大、本底低;鍺酸鉍信號(hào)衰減時(shí)間長(zhǎng)、分辨率差、受溫度影響大、本底低[5];溴化鑭信號(hào)衰減時(shí)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(huì)對(duì)天然放射性核素的測(cè)量產(chǎn)生影響[6];溴化鈰信號(hào)衰減時(shí)間短、分辨率比較好、基本不受溫度變化影響,不會(huì)帶來(lái)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(jìn)入溴化鈰晶體后與之發(fā)生相互作用,發(fā)射出閃爍光子,這些閃爍光子經(jīng)過(guò)光電倍增管的倍增之后形成電子流,從而產(chǎn)生脈沖信號(hào)[7]。溴化鈰探測(cè)器輸出的電脈沖信號(hào)首先通過(guò)前置放大電路、主放大電路對(duì)溴化鈰探測(cè)器輸出的電脈沖信號(hào)進(jìn)行放大、成形、濾波等處理,形成準(zhǔn)高斯波形的脈沖信號(hào)。經(jīng)過(guò)多道脈沖幅度分析電路后,脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào),通過(guò)MCU對(duì)能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行逆矩陣解譜運(yùn)算,得到鈾、釷含量,最后通過(guò)RS-485總線將測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸至測(cè)井主機(jī)。

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(lái)保證探管正常工作。探管與測(cè)井主機(jī)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(zhǎng)和信號(hào)穩(wěn)定性高的特性。

1.4 γ能譜測(cè)井儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所研制的γ能譜測(cè)井探管的長(zhǎng)度為1 100 mm,外殼直徑為53 mm,質(zhì)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(shí)物如圖2所示。

圖2 γ能譜測(cè)井儀器實(shí)物Fig.2 Instrument physical picture of γ-ray spectrum logging instrument

2 穩(wěn)譜和解譜算法

2.1 穩(wěn)譜算法

本文采用多特征峰穩(wěn)譜法,算法過(guò)程是:首先在γ譜中尋找并計(jì)算出鉀、鈾、釷3個(gè)特征峰的峰位;再計(jì)算出3個(gè)特征峰的面積、凈面積以及3個(gè)特征峰面積的相對(duì)比值等信息;依據(jù)各個(gè)特征峰面積比值,選定穩(wěn)譜特征峰;以特征峰面積為權(quán)重,以特征峰位為參考,計(jì)算出光電倍增管高壓修正值;最后通過(guò)C8051單片機(jī)的DAC功能控制高壓模塊,修正光電倍增管高壓值,完成穩(wěn)譜,如圖3所示。

圖3 穩(wěn)譜算法流程Fig.3 Spectrum stabilization algorithm flow

2.2 解譜算法

溴化鈰晶體探測(cè)地層γ射線后,通過(guò)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(gè)核素的含量,必須對(duì)全譜進(jìn)行解析。先對(duì)譜進(jìn)行預(yù)處理,包括剔除全譜的異常值、尋峰和穩(wěn)譜等,最后進(jìn)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(gè)特征能量峰區(qū)間為“能窗”,在已知各能窗計(jì)數(shù)率和靈敏度系數(shù)的條件下,基于γ射線在能窗內(nèi)線性迭加的機(jī)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(jù)式（1）構(gòu)建限流器的設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)，再確定一個(gè)規(guī)模為N的種群A，用選擇、重組、變異操作后，進(jìn)行非支配個(gè)體選擇后，優(yōu)化步驟如下：

(1)

式中:i為能窗的序號(hào);j為鈾、釷和鉀元素的序號(hào);ni為第i能窗扣除本底后的凈計(jì)數(shù)率,s-1;sij為單位含量的第j種元素發(fā)射的γ射線對(duì)第i能窗的靈敏度系數(shù),對(duì)于鈾、釷元素,單位為1/(s·10-6),對(duì)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(dá)式如式(2)所示:

S·Q=N,

(2)

式中:S為靈敏度系數(shù)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(jì)數(shù)率的列式,由ni組成的3元素列式;從式(2)中可以推導(dǎo)出計(jì)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(shí)施主要包括以下三步:

第一步,根據(jù)式(2),采用“靈敏度計(jì)算模型體源”的含量和各能窗計(jì)數(shù)率,計(jì)算其靈敏度系數(shù)矩陣,對(duì)靈敏度系數(shù)矩陣求逆,得到剝離系數(shù)矩陣;

第三步,計(jì)算“驗(yàn)證模型體源”的主元素含量的示值誤差。

3 性能測(cè)試

本文研究過(guò)程中執(zhí)行的依據(jù)主要是《JJG(軍工)27-2012 γ測(cè)井儀檢定規(guī)程》[9],針對(duì)數(shù)字化γ能譜測(cè)井探管進(jìn)行測(cè)試。

3.1 穩(wěn)定性測(cè)試

儀器開(kāi)啟穩(wěn)譜后,使用UThF-0.07-0.2-I混合模型體源進(jìn)行測(cè)試。儀器放置于混合模型體源礦層中心處;每1 h測(cè)量1組數(shù),共測(cè)量9組,每次累計(jì)計(jì)數(shù)不少于104個(gè)。經(jīng)測(cè)試,儀器各能窗的穩(wěn)定性<1.5%,其結(jié)果如表2所示。

表2 儀器穩(wěn)定性測(cè)試Table 2 Instrument stability test

3.2 重復(fù)性測(cè)試

儀器開(kāi)啟穩(wěn)譜后,使用UThF-0.2-0.07-I混合模型體源進(jìn)行測(cè)試,儀器放置于混合模型體源礦層中心處;測(cè)量次數(shù)不少于10次,每次測(cè)量時(shí)間不少于600 s,每次累計(jì)計(jì)數(shù)不少于104個(gè)。經(jīng)測(cè)試,儀器在混合模型體源UThF-0.2-0.07-I上各能窗的重復(fù)性<1%,其結(jié)果如表3所示。

表3 儀器重復(fù)性測(cè)試Table 3 Instrument repeatability test

3.3 穩(wěn)譜效果測(cè)試

儀器開(kāi)啟穩(wěn)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(xù)工作,每組數(shù)據(jù)的測(cè)量時(shí)間不小于600 s。每間隔5 ℃選取一組數(shù)據(jù),計(jì)算釷系208Tl的2.62 MeV能量峰位,取其中最大和最小兩組數(shù)據(jù)與所有抽取測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行比較。經(jīng)測(cè)試,釷系208Tl的2.62 MeV能量峰漂移不超過(guò)±0.3道,如表4所示。

表4 儀器穩(wěn)譜效果測(cè)試Table 4 Instrument spectrum stabilization effect test

3.4 示值誤差測(cè)試

儀器開(kāi)啟穩(wěn)譜后,利用核工業(yè)放射性勘查計(jì)量站內(nèi)的模型體源,采用逆矩陣解譜法,計(jì)算其剝離系數(shù)矩陣,并在混合模型體源上驗(yàn)證測(cè)試結(jié)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(gè)模型體源,對(duì)儀器分別進(jìn)行測(cè)量,每個(gè)模型體源測(cè)量十組數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間為60 s,測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 模型體源測(cè)量數(shù)據(jù)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(lái)計(jì)算剝離系數(shù)矩陣,其中本底模型體源用來(lái)扣除相應(yīng)的本底計(jì)數(shù)率和含量。驗(yàn)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(jù)上述的解譜計(jì)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(gè)混合模型體源中測(cè)量的鈾和釷元素的示值誤差均小于6%,其計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 示值誤差測(cè)試Table 6 Indication error test

3.5 野外測(cè)井試驗(yàn)

在內(nèi)蒙古蘇尼特左旗進(jìn)行了γ能譜測(cè)井試驗(yàn),采用連續(xù)測(cè)量,探管提升速度為3 m/min,以10 cm間隔記錄512道全譜數(shù)據(jù)。

圖4為BC1002鉆孔中FD-3019γ測(cè)井儀和數(shù)字化γ能譜測(cè)井探管測(cè)得的測(cè)井曲線。FD-3019反映的是γ總計(jì)數(shù)曲線,數(shù)字化γ能譜測(cè)井探管反映了U窗計(jì)數(shù)曲線,可見(jiàn)兩種儀器的測(cè)量曲線形態(tài)符合良好。

a—FD-3019總計(jì)數(shù)測(cè)井曲線;b—數(shù)字化γ能譜測(cè)井探管U窗測(cè)井曲線

數(shù)字化γ能譜測(cè)井探管解釋結(jié)果與FD-3019解釋結(jié)果做對(duì)比,從表7可見(jiàn),兩種儀器在鈾異常段測(cè)得米百分?jǐn)?shù)相對(duì)誤差小于4%。

表7 分層解釋結(jié)果Table 7 Layer interpretation result

4 結(jié)論

針對(duì)目前在鈾釷混合型礦床上的測(cè)井需求,研制了一臺(tái)數(shù)字化γ能譜測(cè)井探管。該儀器采用直徑38 mm×38 mm溴化鈰晶體來(lái)提高鈾靈敏度,對(duì)溴化鈰晶體、能譜采集器和解譜方法進(jìn)行了研究,解決了在中國(guó)南方和納米比亞鈾釷混合型礦床上無(wú)法精確測(cè)量地層中鈾、釷含量的問(wèn)題,減少了巖心采樣和分析測(cè)試工作,節(jié)約了生產(chǎn)經(jīng)費(fèi),提升了測(cè)井工作效率,降低了生產(chǎn)時(shí)間成本。

測(cè)試結(jié)果表明:本儀器在標(biāo)準(zhǔn)鈾釷混合模型上的測(cè)量準(zhǔn)確度高,其示值誤差小于6%,穩(wěn)定性小于1.5%,重復(fù)性小于1%,釷系208Tl的2.62MeV能量峰漂移不超過(guò)±0.3道,檢查測(cè)井異常相對(duì)誤差小于4%,可應(yīng)用于鈾礦勘查測(cè)井工作。