基于LaBr3:Ce探測器的241Am-Be中子源測井研究

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 核技術與自動化工程學院 成都 610059）

2（中國石油測井集團有限公司 西安 710032）

3（中核建中核燃料元件有限公司 宜賓 644000）

基于LaBr3:Ce探測器的241Am-Be中子源測井研究

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 核技術與自動化工程學院 成都 610059）

2（中國石油測井集團有限公司 西安 710032）

3（中核建中核燃料元件有限公司 宜賓 644000）

針對國內中子測井所使用探測器探測效率不能滿足實際應用的情況，采用241Am-Be中子源和LaBr3:Ce探測器在中石油公司一個放射性同位素中子測試井中對 H、C、Fe等幾種地殼元素進行了測量，并與現(xiàn)今測井常用的鍺酸鉍(Bismuth Germanium Oxide, BGO)探測器進行對比測量。測得的能譜結果對比發(fā)現(xiàn)，進行地殼元素測量時LaBr3:Ce探測器比BGO探測器具有更高的能量分辨率，并且在相同外部測試條件下BGO探測器探測到Fe峰非常微弱。因此將LaBr3:Ce探測器進一步應用到測井中的市場前景廣闊。

241Am-Be中子源，LaBr3:Ce探測器，能量分辨率，測井

石油、天然氣對現(xiàn)代工業(yè)、人民生活具有極其重要的作用，對兩者進行勘探開發(fā)對我國的國民經(jīng)濟發(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井技術在石油天然氣勘探中已應用多年。隨著該技術的不斷成熟和推廣應用，已經(jīng)成為我國水驅油田注水剖面測井的主要檢測手段[1]。加載241Am-Be中子源的測井工具也是目前國內外測井公司應用最成熟、最廣泛的一種。

由于閃爍晶體能對X射線、γ射線和α粒子等高能射線進行探測，因此在核測井中得到了廣泛的應用。當前在核測井中應用較多的閃爍晶體有NaI:Tl、鍺酸鉍(Bismuth Germanium Oxide, BGO)和GSO:Ce等[2]。特別是國內在近幾年對BGO閃爍探測器在測井上的應用進一步擴大[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γ射線具有較高的探測效率、發(fā)光衰減時間短、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，若將該閃爍晶體用于測井應當具有非?？捎^的發(fā)展前景。但由于要用于核測井的閃爍晶體多為全空間探測，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，因此初期在測井方面的研究主要集中于仿真模擬而并未實際應用[9]。隨著近幾年 LaBr3:Ce晶體生長研究工作的進一步發(fā)展，已經(jīng)能制備出達到一定尺寸可以滿足核測井所用的 LaBr3:Ce晶體[10]。然而到目前為止，將LaBr3:Ce探測器用于放射性同位素中子測井的報道卻還沒有見到。因此本文利用LaBr3:Ce探測器對使用241Am-Be中子源的測井效果進行研究，為LaBr3:Ce探測器在測井領域的更深層次的發(fā)展與應用提供一些數(shù)據(jù)基礎，促使LaBr3:Ce探測器進一步在測井中得到應用。

1 LaBr3探測器

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

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

2 電路改進

由于 LaBr3:Ce探測器具有極短發(fā)光衰減時間(32 ns)的特性，因此特別適合于高計數(shù)率、高分辨率需求的場合。對高放射性的中子測井而言，由于其計數(shù)率一般不低于1×106s?1，若采用以正高壓驅動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)生脈沖堆積導致計數(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），用負高壓來驅動光電倍增管，直接將電流信號引入放大器，通過跨阻放大器將電流轉換為電壓信號，脈沖寬度可達到150 ns，從而降低了脈沖堆積的概率。經(jīng)測試表明，加入該電路后，計數(shù)率最高可達1.5×106s?1，分辨率可以達到3.4% (662 keV)。

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

3 實際測試

地殼中的化學元素只相對集中于少數(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。若探測器能測到H、C、Fe這三種元素，則表明處于 H-Fe范圍內的低能和高能部分的元素都能通過探測器探測到。

本次的測井裝置是由一個592 GBq的241Am-Be中子源和一個 LaBr3:Ce晶體探測器組成，利用LaBr3:Ce探測器記錄512道γ能譜。而進行對比的測井裝置的晶體探測器選用的是 BGO探測器，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，其計數(shù)率與元素的豐度呈比例。因此搭建了一個測試平臺，如圖2所示。

圖2 測井分析示意圖Fig.2 Logging structure diagram.

測試在一個深600 m的井中進行。為了檢測儀器是否可以檢測到H、Fe兩種元素，在井的底部放入了一個冰塊和一個鐵塊。并用冰塊將241Am-Be中子源進行了密封，目的除了檢測H外冰塊還將會對快中子進行慢化。

進行測試時，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，進入LaBr3晶體產(chǎn)生光子，光電倍增管將光子轉成電流脈沖。通過電子學線路采集脈沖信號，使用數(shù)字濾波、梯形（三角）成形等算法處理后，將結果送入地面分析工作站處理分析。

使用 BGO晶體探測測井系統(tǒng)為第一代測井系統(tǒng)，其測井道址為256。LaBr3:Ce晶體探測測井系統(tǒng)為第二代測井系統(tǒng)，測井道址為 512。如要進行對比分析則需要統(tǒng)一到同一度量上。故對兩種儀器分別進行了能量刻度，通過求兩種探測器的道址與能量之間的對應關系，將道址轉換成能量，從而進行對比分析。在測試時冰塊中H含量很高，而測試井中也放入了Fe塊，因此可以獲得Fe的峰位，因此采用了氫峰和鐵峰進行刻度。兩種晶體探測器的道址-能量對應關系如表2所示。

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

表2 LaBr3和BGO晶體探測器的道數(shù)-能量對應關系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系式，將得到的譜線圖統(tǒng)一為能量-計數(shù)率關系曲線，兩種探測器得到的能量-計數(shù)率關系曲線如圖4所示。

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

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

進一步將能量在6.4?8.0 MeV范圍內的兩幅譜圖進行局部放大，可以發(fā)現(xiàn)在LaBr3:Ce晶體探測器測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)。但同時對比 BGO晶體探測器測量的譜圖在該區(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別。表明在相同外部測試條件下，LaBr3:Ce晶體探測器可以測到Fe峰而BGO晶體探測器譜圖不明顯。以上分析也說明了LaBr3:Ce晶體探測器可以完成H-Fe的地層元素測量，可對地層元素1?10 MeV的能量段進行探測。LaBr3:Ce晶體探測器測到的原始譜圖如圖5所示。

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

4 結語

使用241Am-Be中子源和LaBr3:Ce晶體探測器在中石油公司的測試井中對H、Fe幾種地層元素進行了測量，并使用了 BGO晶體探測器進行對比測試。結果表明，LaBr3:Ce晶體探測器應用于中子測井效果非常好，比 BGO晶體探測器具有更好的能量分辨率，而且對高能部分射線的探測效率高?；谄渥陨淼囊幌盗袃?yōu)點，LaBr3:Ce探測器在放射性同位素中子測井和脈沖中子測井中將會得到進一步的應用。

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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

國家自然科學基金(No.11675028)、國家重點研發(fā)計劃重點專項(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，現(xiàn)為碩士研究生，核技術及應用專業(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)