CN203515552U - 基于超热中子时间谱的瞬发中子铀矿测井仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于超热中子时间谱的瞬发中子铀矿测井仪，具体是指，在钻孔中以脉冲方式向地层岩石发射快中子，即原生中子，原生中子慢化为热中子，热中子诱发²³⁵U裂变并放射铀裂变瞬发中子，即二次中子。原生中子与二次中子均随时间慢化为超热中子与热中子，利用测井仪内的超热中子探测器和时间谱仪记录超热中子随时间的变化规律可推算出地层岩石中的铀含量。测井仪选用³He正比计数管制作超热中子探测器，时间谱仪内部包含³He正比计数管、慢化材料、金属镉皮、探测器高压电源、前置放大器、成形与甄别电路，以及脉冲计数器、时间谱分析与缓存电路。

Description

基于超热中子时间谱的瞬发中子铀矿测井仪

技术领域

本实用新型涉及在铀矿勘探钻孔中用于地层岩石铀定量的一种铀裂变瞬发中子测井仪。

背景技术

在钻孔中开展的核辐射测量称为核测井，是随着当代科技发展，以及在矿产(特别是能源矿产)勘查中的应用而迅速发展起来的一项尖端技术。核测井是利用地层岩石天然产生或人工诱发的放射性射线，研究射线沿钻孔轴线(井轴)分布规律，以此确定地层岩石是否含有某些核素(元素)、并确定元素含量的一种无损探测方法。相比地面核辐射测量，很多测量方法难以在井中实现，即核测井必须克服钻孔空间狭小、井深加大伴随的高温高压及其它条件约束。目前的核测井主要有γ测井、中子测井等，其中脉冲中子测井是利用小型可控中子发生器(氘氚或氘氘加速器制作而成)，以脉冲方式向井下地层岩石(达数千米)发射快中子，探测中子诱发的γ射线能谱、或原生中子或二次中子的时间谱，是一种定性与定量的先进核测井技术。

在铀矿勘探领域，我国一直采用自然γ总量(或能谱)测井进行铀定量，因铀元素并非γ核素(而是其衰变子体)，属于“间接测铀”技术；须岩性取样与化学分析求取铀与子体(特别是镭及子体)的放射性平衡系数，以及钍系γ核素与⁴⁰K(钾同位素)的γ射线份额，以此修正这些影响因素造成的铀定量偏差。具有钻探效率低、勘探成本高、铀定量周期长等缺点。铀裂变瞬发中子测井是“直接测铀”的一种铀矿定量测井技术，在确定地层岩石铀含量时，甚至无需进行深部岩性取样与实验室化学分析。

因地层岩石铀含量均偏低，小型中子发生器产额难以提高，使中子诱发地层岩石²³⁵U裂变的核反应率极低。因而，基于脉冲中子的铀裂变瞬发中子(或缓发中子)测井技术现仍处于理论研究和实验阶段。目前，该测井技术无国产仪器，美欧核大国仪器产品一直限制出口我国。

发明内容

本实用新型的目的在于提供基于超热中子时间谱的瞬发中子铀矿测井仪，以替代现行铀定量的自然γ测井技术，进而实现“直接测铀”及铀矿定量。

本实用新型的技术方案为：一种基于超热中子时间谱的瞬发中子铀矿测井仪，该仪器由小型可控中子发生器向钻孔周围的地层岩石发射快中子，也称为原生中子。原生中子被地层岩石与钻孔介质相继慢化为超热中子与热中子，热中子诱发²³⁵U裂变并放射出铀裂变瞬发中子，也称为二次中子。二次中子又相继慢化成为超热中子与热中子，并可再次诱发²³⁵U裂变，如此反复，将形成与铀裂变密切相关的超热中子随时间的特有变化规律；其特征在于：选用³He的正比计数管制作超热中子探测器2，其内部充气压力为0.6Mpa～1.2Mpa；超热中子探测器正比计数管19外围包裹5mm～6mm壁厚的含氢量很高的聚乙烯中子慢化材料14，慢化材料14外围再包裹0.5mm～1.5mm壁厚的金属镉皮15，其中慢化材料14用于将热中子慢化为超热中子，金属镉皮15用于阻挡热中子进入超热中子探测器2；超热中子探测器正比计数管19紧靠中子发生器1。测井仪探管包含³He正比计数管19、包裹³He正比计数管19的聚乙烯中子慢化材料14、包裹在慢化材料14外的0.5mm～1.5mm壁厚的金属镉皮15、探测器高压电源6、前置放大器4、成形与甄别电路16，以及记录超热中子探测器输出信号的脉冲计数器17、时间谱分析与缓存电路18、探管马笼头10和滑轮12。其中，探测器高压电源6与正比计数管19相连，正比计数管19输出端与的前置放大器4相连，前置放大器4输出端与成形及甄别器16相连；成形及甄别器16输出端与脉冲计数器17相连，脉冲计数器17输出端与时间谱分析器及数据缓存电路18相连；测井仪探中子时间谱仪电路采用485通讯电路7与地面测井计算机11进行数据通信与数据传输；探管低压电源电路8负责将地面送来的AC200V交流电源，经稳压和滤波转换为各电路模块所需的±24V、±5V直流电源；探测器高压电源电路6将+24V直流电源转换为+1200V～+1800V直流高压，连接正比计数管19的加速极。

具体为：

(1)研制在钻孔中探测超热中子的³He正比计数管。也就是在正比计数管中充入³He(氦同位素)气体，利用³He(n，p)T或¹⁰B(n，α)⁷Li中子核反应可探测热中子，即利用热中子(n)轰击³He核或¹⁰B核，发生如下两种核反应：

(n，p)核反应：n+³He→p+T+0.765MeVσ₀＝5333±7b

(n，α)核反应： $n+B_{10}\→\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}+\mathrm{Li}+_{7}2.792\mathrm{MeV}(6.1\%)\\ \mathrm{\α}+\mathrm{Li}_{*}^7+2.31\mathrm{MeV}(93.9\%)\end{array}\right.$ σ₀＝3837±9b

其中，σ₀为热中子与³He或¹⁰B的核反应截面，单位为靶(1b＝10^-24cm²)。

因(n，p)核反应释放质子(¹H，记为p)及氚核(³H，记为T)，(n，α)核反应释放α粒子(⁴He)及锂核(⁷Li)，它们均为带电粒子，可使³He气体分子电离，并形成“电子-离子对”，在外加高压电场作用下，电子与离子向电极漂移再获增新能量，它们又可产生新的电离作用，如此反复，将形成所谓的“气体放大”效应，在引出端产生一定幅度的可供后续电路采集的电脉冲信号，从而可记录入射到该正比计数管内的每个热中子。

(2)研制基于正比计数管的井下瞬发中子测井仪。超热中子发生³He(n，p)T或¹⁰B(n，α)⁷Li核反应的截面很低，甚至无法记录到超热中子的核反应，应先将超热中子慢化为热中子。为此，超热中子探测器2采用圆柱状³He正比计数管，并且在正比计数管外围包裹5mm～6mm厚的含氢量很高的中子慢化材料14(聚乙烯，将超热中子慢化为热中子)，慢化材料外围再包裹0.5mm～1.5mm厚的金属镉皮15(阻挡热中子射入慢化材料及正比计数管)；为提高超热中子计数率，应选用核反应截面较高的³He正比计数管，且充气压力应尽量高(≥1MPa)，同时正比计数管应紧靠中子发生器1(与发射中心的距离尽量短)。其结构如图1所示。

基于正比计数管的井下瞬发中子测井仪包含正比计数管19(含包裹材料14、15)、探测器高压电源6、前置放大器4、成形与甄别电路16，以及记录超热中子探测器输出信号的脉冲计数器17、时间谱分析与缓存电路18。其中，探测器高压电源6与正比计数管19相连，正比计数管19输出端与前置放大器4相连，前置放大器4输出端与成形及甄别器16相连；成形及甄别器16输出端与脉冲计数器17相连，脉冲计数器17输出端与时间谱分析器及数据缓存电路18相连。该测井仪采用长电缆以485通讯电路7与地面测井计算机11进行数据通信(向地面测井计算机传输数据、接收控制指令等)。

此外，电源部分包括探管低压电源8与探测器高压电源6。探管低压电源8将地面送来的交流电，经稳压和滤波转换为各电路模块所需的直流电；探管高压电源6将直流低压转换为直流高压，用于正比计数管19的电场加速极。基于正比计数管的井下瞬发中子测井仪探管结构如图2所示。

本实用新型的优点在于：实现了“直接测铀”及铀矿定量的铀裂变瞬发中子测井。

附图说明

图1为铀裂变瞬发中子测井仪及井下探管的结构示意图；

图2为超热中子探测器及时间谱仪的结构示意图。

图中：

1、可控脉冲中子发生器；2、超热中子探测器；4、前置放大器；5、热中子时间谱电路；6、探测器高压电源电路；7、485通讯电路；8、探管低压电源电路；9、中子发生器高压及控制电路；10、探管马笼头；11、地面测井计算机；12、滑轮；13、地层或矿层岩石；14、中子慢化材料；15、金属镉皮；16、成形与甄别器；17、脉冲计数器；18、时间谱分析与缓存；19、超热中子探测器正比计数管。

具体实施方式

本实用新型公开的铀裂变瞬发中子测井仪包括超热中子探测器、前置放大器、成形与甄别器、时间谱分析与缓存电路，以及探测器高压电源电路、探管低压电源电路等部件。其结构如图2所示。

³He正比计数管具有很高的热中子探测效率，其中³He正比计数管的热中子探测效率更高。为此，先采用圆柱形的³He正比计数管制作热中子探测器，并将其改造为超热中子探测器。也就是，在正比计数管外围包裹约5mm～6mm壁厚的含氢量很高的中子慢化材料(聚乙烯，以便将超热中子慢化为热中子)，再在慢化材料外围还须包裹0.5mm～1.5mm壁厚的金属镉皮(以便阻挡热中子进入慢化材料及正比计数管)。为提高地层岩石铀含量的纵向分辨能力以及超热中子计数率，须尽可能缩短超热中子探测器与中子发生器之间的距离，减小正比计数管的长度，加大正比计数管的有效体积和3He气体压力。其结构如图1所示。

测井仪探管内的电路包含与超热中子探测器连接的前置放大器、成形与甄别器、脉冲计数器、时间谱分析与缓存，以及探测器高压电源电路、探管低压电源电路、485通讯电路等。如图2所示。其中，探测器高压电源与正比计数管连接，为正比计数管提供电场加速极高压；正比计数管输出与前置放大器连接，前置放大器设计成高输入阻抗低噪声型，以利于脉冲信号的耦合与高速放大；前置放大器输出端与成形及甄别器电路连接，经甄别器电路滤除噪声后，成形为宽度约为1μs的电脉冲信号输出。超热中子探测器的输出端与脉冲计数器连接，将电脉冲信号转换为一定时间间隔(时间道宽)的中子计数，并将该计数数据输出端与时间谱分析及缓存电路连接，即可获得超热中子时间谱，进而可推算出地层岩石或矿层中的铀含量。

为满足井下高温工作的环境要求，应选用耐高温的符合军用标准的电子元器件，以此制作符合井下温度要求的超热中子时间谱仪电路。

本实施方式公开的测井仪具有如下主要技术性能指标：时间谱道数128道；时间谱道宽调整范围2μs～128μs(连续调整)；脉冲响应时间约1.2μs；死时间比率最大约12％；最高工作温度+120℃(连续工作4h)，无故障工作时间≥2000h。

此外，超热中子时间谱电路采用485通讯方式与地面计算机进行数据通信，将每道的超热中子时间谱的测量数据实时发送到地面测井计算机，同时还可接收地面测井计算机发送的控制指令。

本实施方式公开的超热中子探测器具有如下主要技术性能指标：能量分辨率(FWHM)≤15％，本底计数率≤10cpm，工作电压900～1500V(可调)，坪长≥200V，最大坪斜1％～3％／100V，最高工作温度+120℃(连续工作4h)，无故障工作时间≥2000h。阴级材料为不锈钢。其中，超热中子探测器的³He正比计数管尺寸为Φ32mm×230mm(灵敏区长度约为200mm)，充气压力1.0Mpa，该正比计数管外包裹厚度为5mm中子慢化材料(聚乙烯)，慢化材料外再包裹厚度为1mm的金属镉皮；超热中子探测器的灵敏中心与可控脉冲中子源的发射中心相距300mm。

探管低压电源系统负责将地面送来的AC200V交流电源，经稳压和滤波转换为各电路模块所需的±24V、±5V直流电源。

探测器高压电源系统将+24V直流电源转换为+1200V～+1800V直流高压，用于正比计数管电场加速极，该高压电源采用了1800V／100μA模块化电源电路设计，热中子探测器与超热中子探测器的工作高压差别由串联电阻调节，该模块化高压电源系统的主要技术性能指标为：输入电压DC24V，最大输出电压与电流1800V／100μA，纹波性能好于100mV，工作温度-20℃～+150℃，连续工作时间≥200h，机械尺寸Φ19×100mm。

Claims (1)

1.一种基于超热中子时间谱的瞬发中子铀矿测井仪，其特征在于：该仪器包括小型可控中子发生器(1)、超热中子探测器(2)和时间谱仪(5)、探测器高压电源(6)、前置放大器(4)、成形与甄别电路(16)，以及记录超热中子探测器输出信号的脉冲计数器(17)、时间谱分析与缓存电路(18)、探管马笼头(10)和滑轮(12)；选用³He的正比计数管(19)制作超热中子探测器(2)，其内部充气压力为0.6Mpa～1.2Mpa；正比计数管(19)外围包裹5mm～6mm壁厚的含氢量很高的聚乙烯中子慢化材料(14)，慢化材料(14)外围再包裹0.5mm～1.5mm壁厚的金属镉皮(15)，超热中子探测器(2)内的正比计数管(19)紧靠中子发生器(1)，探测器高压电源(6)与正比计数管(19)相连，正比计数管(19)输出端与的前置放大器(4)相连，前置放大器(4)输出端与成形及甄别器(16)相连；成形及甄别器(16)输出端与脉冲计数器(17)相连，脉冲计数器(17)输出端与时间谱分析器及数据缓存电路(18)相连；测井仪探中子时间谱仪电路采用485通讯电路(7)与地面测井计算机(11)进行数据通信与数据传输；探管低压电源电路(8)负责将地面送来的AC200V交流电源，经稳压和滤波转换为各电路模块所需的±24V、±5V直流电源；探测器高压电源电路(6)将+24V直流电源转换为+1200V～+1800V直流高压，连接正比计数管(19)的加速极。 

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