基于LaBr3:Ce探测器的241Am-Be中子源测井研究

万文杰 周 伟 周建斌 赵 祥 喻 杰 何绪新 罗 翔 秦泓江 向丘林

1（成都理工大学 核技术与自动化工程学院 成都 610059）

2（中国石油测井集团有限公司 西安 710032）

3（中核建中核燃料元件有限公司 宜宾 644000）

基于LaBr3:Ce探测器的241Am-Be中子源测井研究

万文杰1周 伟1周建斌1赵 祥1喻 杰1何绪新2罗 翔2秦泓江2向丘林3

1（成都理工大学 核技术与自动化工程学院 成都 610059）

2（中国石油测井集团有限公司 西安 710032）

3（中核建中核燃料元件有限公司 宜宾 644000）

针对国内中子测井所使用探测器探测效率不能满足实际应用的情况，采用241Am-Be中子源和LaBr3:Ce探测器在中石油公司一个放射性同位素中子测试井中对 H、C、Fe等几种地壳元素进行了测量，并与现今测井常用的锗酸铋(Bismuth Germanium Oxide, BGO)探测器进行对比测量。测得的能谱结果对比发现，进行地壳元素测量时LaBr3:Ce探测器比BGO探测器具有更高的能量分辨率，并且在相同外部测试条件下BGO探测器探测到Fe峰非常微弱。因此将LaBr3:Ce探测器进一步应用到测井中的市场前景广阔。

241Am-Be中子源，LaBr3:Ce探测器，能量分辨率，测井

石油、天然气对现代工业、人民生活具有极其重要的作用，对两者进行勘探开发对我国的国民经济发展具有非常重要的战略意义。其中放射性同位素中子测井技术在石油天然气勘探中已应用多年。随着该技术的不断成熟和推广应用，已经成为我国水驱油田注水剖面测井的主要检测手段[1]。加载241Am-Be中子源的测井工具也是目前国内外测井公司应用最成熟、最广泛的一种。

由于闪烁晶体能对X射线、γ射线和α粒子等高能射线进行探测，因此在核测井中得到了广泛的应用。当前在核测井中应用较多的闪烁晶体有NaI:Tl、锗酸铋(Bismuth Germanium Oxide, BGO)和GSO:Ce等[2]。特别是国内在近几年对BGO闪烁探测器在测井上的应用进一步扩大[3−6]。而由Dorenbos等[7−8]在1999年发明了LaBr3:Ce晶体，具有优异的闪烁性能，如密度大、原子序数高、对γ射线具有较高的探测效率、发光衰减时间短、光产额大、能量分辨率是目前闪烁体中最佳(2.8%−4%)@662 keV等优点，若将该闪烁晶体用于测井应当具有非常可观的发展前景。但由于要用于核测井的闪烁晶体多为全空间探测，因此要求闪烁晶体尺寸比较大，而LaBr3:Ce晶体生长非常困难，要得到大尺寸的晶体很不容易，因此初期在测井方面的研究主要集中于仿真模拟而并未实际应用[9]。随着近几年 LaBr3:Ce晶体生长研究工作的进一步发展，已经能制备出达到一定尺寸可以满足核测井所用的 LaBr3:Ce晶体[10]。然而到目前为止，将LaBr3:Ce探测器用于放射性同位素中子测井的报道却还没有见到。因此本文利用LaBr3:Ce探测器对使用241Am-Be中子源的测井效果进行研究，为LaBr3:Ce探测器在测井领域的更深层次的发展与应用提供一些数据基础，促使LaBr3:Ce探测器进一步在测井中得到应用。

1 LaBr3探测器

LaBr3:Ce探测器主要是由LaBr3:Ce闪烁体、光电倍增管和电信号采集部分组成。本文使用法国SAINT-GOBAIN生产的BrilanceTM380-LaBr3:Ce探测器（型号：1.8MG3B380/1.5L-XM，晶体尺寸：ø5.08 cm×5.08 cm）。电信号收集部分使用自主研发生产的数字多道采集板，整个系统时钟为100 MHz。为了突出LaBr3晶体探测器探测井下元素含量的优势，还使用了目前在核测井中大量应用的 BGO晶体探测器与LaBr3晶体探测器效果进行对比。两种晶体的性能参数如表1所示。

表1 BGO和LaBr3:Ce探测器性能参数Table 1 Performance parameters of BGO and LaBr3:Ce detectors.

2 电路改进

由于 LaBr3:Ce探测器具有极短发光衰减时间(32 ns)的特性，因此特别适合于高计数率、高分辨率需求的场合。对高放射性的中子测井而言，由于其计数率一般不低于1×106s−1，若采用以正高压驱动光电倍增管的方式连接电荷灵敏放大电路，得到的脉冲宽度通常大于1 μs，极易发生脉冲堆积导致计数率下降和分辨率降低等问题。因此本文采用了跨阻前置放大电路（图1），用负高压来驱动光电倍增管，直接将电流信号引入放大器，通过跨阻放大器将电流转换为电压信号，脉冲宽度可达到150 ns，从而降低了脉冲堆积的概率。经测试表明，加入该电路后，计数率最高可达1.5×106s−1，分辨率可以达到3.4% (662 keV)。

图1 跨阻前置放大电路Fig.1 Trans-impedance preamplifier circuit.

3 实际测试

地壳中的化学元素只相对集中于少数几种，其中 O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、H这 9种元素已占地壳总量的98.13%，其余元素仅占1.87%[11]。其中H、C等元素为轻元素，发出的γ射线能量较低，而Fe为重元素发出的γ射线能量较高，而且在地壳中的含量较低。若探测器能测到H、C、Fe这三种元素，则表明处于 H-Fe范围内的低能和高能部分的元素都能通过探测器探测到。

本次的测井装置是由一个592 GBq的241Am-Be中子源和一个 LaBr3:Ce晶体探测器组成，利用LaBr3:Ce探测器记录512道γ能谱。而进行对比的测井装置的晶体探测器选用的是 BGO探测器，它记录的是256道γ能谱。每种元素产生特定能量的特征γ射线，其计数率与元素的丰度呈比例。因此搭建了一个测试平台，如图2所示。

图2 测井分析示意图Fig.2 Logging structure diagram.

测试在一个深600 m的井中进行。为了检测仪器是否可以检测到H、Fe两种元素，在井的底部放入了一个冰块和一个铁块。并用冰块将241Am-Be中子源进行了密封，目的除了检测H外冰块还将会对快中子进行慢化。

进行测试时，241Am-Be中子源发射出快中子连续照射样品，产生γ射线，被中子活化样品退激释放出特征γ射线，进入LaBr3晶体产生光子，光电倍增管将光子转成电流脉冲。通过电子学线路采集脉冲信号，使用数字滤波、梯形（三角）成形等算法处理后，将结果送入地面分析工作站处理分析。

使用 BGO晶体探测测井系统为第一代测井系统，其测井道址为256。LaBr3:Ce晶体探测测井系统为第二代测井系统，测井道址为 512。如要进行对比分析则需要统一到同一度量上。故对两种仪器分别进行了能量刻度，通过求两种探测器的道址与能量之间的对应关系，将道址转换成能量，从而进行对比分析。在测试时冰块中H含量很高，而测试井中也放入了Fe块，因此可以获得Fe的峰位，因此采用了氢峰和铁峰进行刻度。两种晶体探测器的道址-能量对应关系如表2所示。

然后对道址-能量关系进行一元线性拟合，得到两种探测器的线性方程（用于能量刻度）如图 3所示。

表2 LaBr3和BGO晶体探测器的道数-能量对应关系Table 2 Channel-energy corresponding relation of LaBr3 and BGO.

图3 道址-能量曲线拟合 (a) LaBr3:Ce，(b) BGOFig.3 Channel-energy curve fitting graph. (a) LaBr3:Ce, (b) BGO

使用上述道址-能量拟合的一次线性关系式，将得到的谱线图统一为能量-计数率关系曲线，两种探测器得到的能量-计数率关系曲线如图4所示。

从图4中可直观看出LaBr3:Ce比BGO晶体探测器的能量分辨率高，例如LaBr3晶体探测器探测到的C峰的半峰宽明显比BGO晶体探测器探测到的C峰的半峰宽小，而且C在3.919 MeV时的逃逸峰在通过 LaBr3:Ce晶体探测器测量得到的谱线图中非常明显，而经 BGO晶体探测器测量的谱图中则不明显。

图4 LaBr3:Ce和BGO晶体探测器的能量-计数率谱线Fig.4 Energy-count rate spectra of LaBr3:Ce and BGO.

进一步将能量在6.4−8.0 MeV范围内的两幅谱图进行局部放大，可以发现在LaBr3:Ce晶体探测器测量得到的谱线图中有明显的 Fe峰(7.64 MeV)存在，而且还可发现Fe的逃逸峰(7.129 MeV)。但同时对比 BGO晶体探测器测量的谱图在该区间的谱线，铁峰和铁的逃逸峰并不明显以致铁峰几乎无法识别。表明在相同外部测试条件下，LaBr3:Ce晶体探测器可以测到Fe峰而BGO晶体探测器谱图不明显。以上分析也说明了LaBr3:Ce晶体探测器可以完成H-Fe的地层元素测量，可对地层元素1−10 MeV的能量段进行探测。LaBr3:Ce晶体探测器测到的原始谱图如图5所示。

图5 LaBr3:Ce晶体探测器的道数-计数率谱线Fig.5 Energy-count rate spectrum of LaBr3:Ce.

4 结语

使用241Am-Be中子源和LaBr3:Ce晶体探测器在中石油公司的测试井中对H、Fe几种地层元素进行了测量，并使用了 BGO晶体探测器进行对比测试。结果表明，LaBr3:Ce晶体探测器应用于中子测井效果非常好，比 BGO晶体探测器具有更好的能量分辨率，而且对高能部分射线的探测效率高。基于其自身的一系列优点，LaBr3:Ce探测器在放射性同位素中子测井和脉冲中子测井中将会得到进一步的应用。

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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

国家自然科学基金(No.11675028)、国家重点研发计划重点专项(No.2016YFC1402505)、科技苗子工程(No.2016099)资助

万文杰，男，1991年出生，2015年毕业于成都理工大学，现为硕士研究生，核技术及应用专业

周伟，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)