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基于超热中子与热中子比值的铀裂变瞬发中子测井技术

阅读：874发布：2020-05-22

IPRDB可以提供基于超热中子与热中子比值的铀裂变瞬发中子测井技术专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于超热中子与热中子比值的铀裂变瞬发中子测井技术。具体是指：在钻孔中以脉冲方式向地层岩石发射快中子，也称为原生中子。原生中子被井中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为超热中子与热中子，并再次诱发235U裂变。自原生中子慢化为热中子后的任意t时刻，地层岩石中现存的超热中子总量nE(t)正比于现存的热中子总量nT(t)与铀含量qu，即nE(t)∝nT(t)·qu。利用本发明公开的双中子探测器和双时间谱仪，测量超热中子、热中子的时间谱，并定义自原生中子慢化为热中子时刻到任意时刻的超热中子、热中子的衰减量比值为“E/T”比，以此构建了基于饱和矿层的铀定量实时算法。，下面是基于超热中子与热中子比值的铀裂变瞬发中子测井技术专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于超热中子与热中子比值的铀裂变瞬发中子测井方法，该方法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，该快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；瞬发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，从而由铀裂变瞬发中子延长了超热中子消逝时间；当该快中子慢化为热中子后的任意t时刻，地层岩石中现存的超热中子总量nE(t)正比于现存的热中子总量nT(t)与铀含量qu；其特征在于：利用双中子探测器和双时间谱仪，自该快中子慢化为热中子所对应的t≤200时刻到任意t时刻，测量超热中子、热中子的时间谱，并定义该时段的超热中子、热中子的衰减量比值为“E/T”比，最后以“E/T”比构建基于饱和矿层的铀定量实时算法。

2.根据权利要求1所述的基于超热中子与热中子比值的铀裂变瞬发中子测井方法，其特征在于：所公开的在钻孔中探测超热中子、热中子的双中子探测器和双中子时间谱仪内部包含两组正比计数管、包裹超热中子探测器的聚乙烯中子慢化材料、包裹在慢化材料外的金属镉皮、探测器高压电源、前置放大器、成形与甄别电路，以及记录双中子探测器输出信号的脉冲计数器、时间谱分析与缓存电路；其中，探测器高压电源与两组正比计数管相连，两组正比计数管输出端分别与对应的前置放大器相连，前置放大器输出端与成形及甄别器相连；成形及甄别器输出端与脉冲计数器相连，脉冲计数器输出端连接时间谱分析与数据缓存电路；双中子时间谱仪可分别记录快中子和瞬发中子慢化而来的超热中子和热中子，也就是超热中子和热中子的时间谱；双中子时间谱仪采用485总线与地面测井计算机进行数据通信。

3.根据权利要求1所述的基于超热中子与热中子比值的铀裂变瞬发中子测井方法，其特征在于：选用3He气体的正比计数管制作双中子探测器，其内部充气压力为0.6Mpa～

1.2Mpa；超热中子探测器的正比计数管外围包裹5mm～6mm壁厚的高纯度聚乙烯中子慢化材料，慢化材料外围再包裹0.5mm～1.5mm壁厚的金属镉皮，热中子探测器的正比计数管外围无任何包裹材料；其中慢化材料用于将热中子慢化为超热中子，金属镉皮用于阻挡热中子进入超热中子探测器；双中子探测器的正比计数管采用上下结构，采用上下结构时，超热中子探测器的正比计数管紧靠中子发生器，热中子探测器的正比计数管紧靠超热中子探测器的正比计数管。

4.根据权利要求3所述的基于超热中子与热中子比值的铀裂变瞬发中子测井方法，其特征在于：双中子探测器的正比计数管采用梅花结构，采用梅花结构时，超热中子探测器的正比计数管位于探管截面中心的轴线上，热中子探测器由4～6个小体积正比计数管构成，位于超热中子探测器的正比计数管周围，并以超热中子探测器的正比计数管为中心，形成以轴线对称的梅花状分布，镉皮包裹在慢化材料外沿，轮廓为梅花状。

5.根据权利要求1所述的基于超热中子与热中子比值的铀裂变瞬发中子测井方法，其特征在于：中子管发射快中子与235U裂变发射二次中子的瞬间，这些中子均为快中子，快中子与物质原子核发生弹性散射、非弹性散射核相互作用，被慢化为超热中子，继而迅速慢化为热中子；热中子易与物质原子核发生辐射俘获、裂变及其它核相互作用，而被物质吸收并

235

消逝殆尽；在中子生命周期内，热中子易于 U裂变，并产生铀裂变瞬发中子，从而延长了超热中子消逝时间，是探测铀裂变发生与否及铀矿定量的依据；根据铀裂变理论，以发射快中子为时间起点，不足200μs后，这些快中子均已慢化为热中子，将该时刻记为t≤200时刻；其后的任意t时刻，均匀介质中现存超热中子总量nE(t)正比于现存的热中子总量nT(t)与铀含量qu，即；若自t≤200时刻到任意t时刻，测量地层岩石中探测器所在位置周围区域的超热中子时间谱NE(t)、热中子时间谱NT(t)，并利用该时段的超热中子衰减量NE(t≤200～t)、热中子衰减量NT(t≤200～t)的比值NE/T(t≤200～t)定义E/T比，可按下式计算地层岩石铀含量：式中，

计算地层岩石铀含量时，NE/T(t≤200～t)作为测量量，K、η作为已知量，qu作为待求量；其中，求取某测点的E/T比时，须对超热中子、热中子的时间谱进行负指数函数拟合，以此求得τE、τT的取值，继而求得E/T比；

为此，应事先对已知铀含量qu但含量值不同的两个以上的模型井进行刻度测井，由刻度测井求得K、η，并应用于野外井的铀含量qu计算中；也就是选择与野外井的岩性结构、物质成分、井中介质相近的模型井，利用参数调至相同的同一测井仪，在模型井的饱和矿层中部进行刻度测井；还需要从600μs～1000μs中选定一个t值；上述各式中，K为换算系数、η为漏入超热中子探测器的热中子份额、τE为超热中子的消逝时间、τT为热中子的消逝时间；

此外，野外井很难为饱和矿层，所求得的铀含量qu仅表示矿层铀含量的平均效应，此时应采用平均含量法求得矿层的平均铀含量，参见伽马测井定量解释的相关资料。

说明书全文

基于超热中子与热中子比值的铀裂变瞬发中子测井技术

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于铀矿勘探钻孔的脉冲中子测井技术，也是一种基于超热中子与热中子比值的“铀裂变瞬发中子测井”技术。

背景技术

[0002] 核测井是在钻孔中开展的核辐射测量，是随着当代科技的发展，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，进而确定地层岩石中是否含有某些核素(元素)，并确定元素含量的一种无损探测方法。相比地面开展的核辐射测量，很多常规测量方法难以在井中实现。核测井必须克服钻孔空间狭小、随井深加大所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能谱、或原生中子或二次中子的时间谱，是一种先进的核测井技术。

[0003] 在铀矿勘探领域，我国一直采用自然γ测井(总量型或能谱型)进行铀矿定量，因铀元素并非γ核素(而是其衰变子体)，属于“间接测铀”技术；须经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；因而具有钻探效率低、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，在确定深部地层岩石的铀含量时，甚至无需岩性取样与化学分析。

[0004] 因地层岩石的含铀量较低，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，探测铀裂变瞬发中子(或缓发中子)的脉冲中子测井技术现仍处于理论研究和实验阶段。目前，铀裂变瞬发中子(或缓发中子)测井还没有研制国产仪器，美欧核大国的仪器产品一直限制出口我国。为此，本发明的主要目的在于：自主研发铀裂变瞬发中子测井技术、仪器关键部件与铀矿定量方法，以便摆脱国外技术封锁，促进我国铀裂变瞬发中子测井尽快实用化，以替代现行铀矿定量的自然γ测井技术，进而实现“直接测铀”及铀矿定量解释。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于研发了铀裂变瞬发中子测井的双中子探测器与双时间谱仪，并依据饱和矿层的双中子时间谱，设计了铀定量实时算法。

[0006] 本发明的技术方案为：一种基于超热中子与热中子比值的铀裂变瞬发中子测井技术，该技术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，从而由铀裂变瞬发中子延长了超热中子消逝时间。当原生中子慢化为热中子后的任意t时刻，地层岩石中现存的超热中子总量nE(t)正比于现存的热中子总量nT(t)与铀含量qu，即nE(t)∝nT(t)·qu。利用本发明公开的双中子探测器和双时间谱仪，自原生中子慢化为热中子所对应的t≤200时刻到任意t时刻，测量超热中子、热中子的时间谱，并定义该时段的超热中子、热中子的衰减量比值为“E/T”比，最后以“E/T”比构建基于饱和矿层的铀定量实时算法。

[0007] 在钻孔中探测超热中子、热中子的双中子探测器和双中子时间谱仪内部包含两组正比计数管、包裹超热中子探测器的聚乙烯中子慢化材料、包裹在慢化材料外的金属镉皮、探测器高压电源、前置放大器、成形与甄别电路，以及记录双中子探测器输出信号的脉冲计数器、时间谱分析与缓存电路；其中，探测器高压电源与两组正比计数管相连，两组正比计数管输出端分别与对应的前置放大器相连，前置放大器输出端与成形及甄别器相连；成形及甄别器输出端与脉冲计数器相连，脉冲计数器输出端连接时间谱分析与数据缓存电路；双中子时间谱仪可分别记录快中子和瞬发中子慢化而来的超热中子和热中子，也就是超热中子和热中子的时间谱；双中子时间谱仪采用485总线与地面测井计算机进行数据通信。

[0008] 选用3He气体的正比计数管制作双中子探测器，其内部充气压力为0.6Mpa～1.2Mpa；超热中子探测器的正比计数管外围包裹5mm～6mm壁厚的含氢量很高的聚乙烯中子慢化材料，慢化材料外围再包裹0.5mm～1.5mm壁厚的金属镉皮，热中子探测器的正比计数管外围无任何包裹材料；其中慢化材料用于将热中子慢化为超热中子，金属镉皮用于阻挡热中子进入超热中子探测器；双中子探测器的正比计数管采用上下结构，采用上下结构时，超热中子探测器的正比计数管紧靠中子发生器，热中子探测器的正比计数管紧靠超热中子探测器的正比计数管。

[0009] 双中子探测器的正比计数管采用梅花结构，采用梅花结构时，超热中子探测器的正比计数管位于探管截面中心的轴线上，热中子探测器由4～6个小体积正比计数管构成，位于超热中子探测器的正比计数管周围，并以超热中子探测器的正比计数管为中心，形成以轴线对称的梅花状分布，镉皮包裹在慢化材料外沿，轮廓为梅花状。

[0010] 中子管发射原生中子与235U裂变发射二次中子的瞬间，这些中子均为快中子，快中子与物质原子核发生弹性散射、非弹性散射等核相互作用，被慢化为超热中子，继而迅速慢化为热中子；热中子易与物质原子核发生辐射俘获、裂变及其它核相互作用，而被物质吸收并消逝殆尽；在中子生命周期内，热中子易于235U裂变，并产生铀裂变瞬发中子，从而延长了超热中子消逝时间，是探测铀裂变发生与否及铀矿定量的依据；根据铀裂变理论，以发射快中子为时间起点，不足200μs后，这些快中子均已慢化为热中子，将该时刻记为t≤200时刻；其后的任意t时刻，均匀介质中现存超热中子总量nE(t)正比于现存的热中子总量nT(t)与铀含量qu，即nE(t)∝nT(t)·qu；若自t≤200时刻到任意t时刻，测量地层岩石中某特定区域的超热中子时间谱NE(t)、热中子时间谱NT(t)，并利用该时段的超热中子衰减量NE(t≤200～t)、热中子衰减量NT(t≤200～t)的比值NE/T(t≤200～t)定义E/T比，可按下式计算地层岩石铀含量：

[0011]

[0012] 式中，

[0013]

[0014] 计算地层岩石铀含量时，NE/T(t≤200～t)作为测量量，K、η作为已知量，qu作为待求量；其中，求取某测点的E/T比时，须对超热中子、热中子的时间谱进行负指数函数拟合，以此求得τE、τT的取值，继而求得E/T比；

[0015] 为此，应事先对已知铀含量qu但含量值不同的两个以上的模型井进行刻度测井，由刻度测井求得K、η，并应用于野外井的铀含量qu计算中；也就是选择与野外井的岩性结构、物质成分、井中介质基本相近的合适模型井，利用参数调至相同的同一测井仪，在模型井的饱和矿层中部进行刻度测井；通常，还需要从600μs～1000μs中选定一个合适的t值；

[0016] 此外，野外井很难为饱和矿层，所求得的铀含量qu仅表示矿层铀含量的平均效应，此时应采用平均含量法求得矿层的平均铀含量，可参见伽马测井定量解释的相关资料。

[0017] 具体为：

[0018] (1)研制在钻孔中探测热中子的3He正比计数管。也就是正比计数管中充入3He气体，利用3He(n，p)T或10B(n，α)7Li的中子核反应，探测热中子，即热中子(n)轰击3He核或10B核发生如下两种核反应：

[0019] (n，p)核反应：n+3He→p+T+0.765MeV σ0＝5333±7b

[0020] (n，α)核反应： σ0＝3837±9b

[0021] 其中，σ0为热中子与3He或10B的核反应截面，单位为靶(1b＝10-24cm2)。

[0022] 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单个热中子。

[0023] (2)研制基于3He正比计数管的双中子探测器结构。双中子探测器是指超热中子探测器、热中子探测器，其中超热中子探测器的正比计数管充气压力应尽量高(≥1MPa)，并尽3
量选用核反应截面较高的He正比计数管；热中子探测器的正比计数管充气压力可稍低(≥
0.6MPa)。超热中子探测器的正比计数管外围必须包裹5mm～6mm厚的、含氢量很高的中子慢化材料(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(阻挡热中子射入慢化材料及正比计数管)，该正比计数管及包裹材料紧靠中子发生器(与中子发射中心的距离应尽量短，以利于提高超热中子计数率)。

[0024] 双中子探测器的正比计数管可形成上下结构或梅花结构。当采用上下结构时，双中子探测器由两个正比计数管组成，两者(含包裹材料)紧密相连，相关电路移至中子发生器与正比计数管之外，如图1所示；当采用梅花结构时，双中子探测器由多个小体积正比计数管组成，超热中子探测器的正比计数管置于轴心，热中子探测器的多个(4～6个)正比计数管置于外围，两种正比计数管与轴心呈现对称分布，并以超热中子探测器的正比计数管为中心，形成以轴线对称的梅花状分布，镉皮包裹在慢化材料外沿，轮廓为梅花状；如图2所示。

[0025] 双中子探测器的正比计数管输出的脉冲信号依次连接至放大、成形与甄别等后续电路，再送入时间谱分析与数据缓存电路进行中子分时计数与缓存，最终送入后续数据通信模块，传送到地面计算机进行时间谱分析和数据处理。其中，置于井下探管中的中子发生器、双中子时间谱仪是铀裂变瞬发中子测井仪的关键部件。

[0026] (3)研制基于双中子探测器的双中子时间谱仪。基于双中子探测器的时间谱仪包含正比计数管(含包裹超热中子探测器的慢化材料和金属镉皮)、探测器高压电源、前置放大器、成形与甄别电路，以及记录双中子探测器输出信号的脉冲计数器、时间谱分析与缓存电路。其中，探测器高压电源与两个正比计数管相连，两个正比计数管输出端分别与对应的前置放大器相连，前置放大器输出端与成形及甄别器相连；成形及甄别器输出端与脉冲计数器相连，脉冲计数器输出端连接时间谱分析与数据缓存电路。该双中子时间谱仪采用长电缆以485总线方式与地面测井计算机进行数据通信(向地面测井计算机传输数据、接收控制指令等)，其结构如图3所示。

[0027] (4)构建基于双中子时间谱与饱和矿层的“超/热”比理论。具体包括：由中子发生器以脉冲方式向井下地层岩石发射快中子(原生中子)，快中子与物质原子核发生弹性散射、非弹性散射等核相互作用而减速，可迅速慢化为超热中子，继而迅速慢化为热中子，热中子在地层岩石以“热运动”方式停留较长时间(≤5000μs)，期间与物质原子核发生辐射俘获、裂变及其它核相互作用，最终被物质吸收殆尽(中子消逝)。在中子的生命周期内，热中子易于235U裂变，并产生铀裂变瞬发中子，从而延长了超热中子消逝时间，是探测铀裂变发生与否，以及铀定量的理论依据。按铀裂变理论，在均匀介质(饱和矿层)中，原生中子慢化为热中子之后(≤200μs，记为t≤200时刻)的任意t时刻，该介质中现存的超热中子总量nE(t)正比于热中子总量nT(t)与铀含量(或235U含量)qu：

[0028] nE(t)∝nT(t)·qu或

[0029] 式中，

[0030]

[0031] 由(2)式可知，原生中子慢化为热中子之后，均匀介质(地层岩石)中现存的超热中子总量nE(t)、热中子总量nT(t)均按负指数规律衰减，即该时段的超热中子、热中子的时间谱均为衰减谱，其衰减速率由1/τE、1/τT描述(τE、τT为超热中子、热中子的消逝时间，取值与地层岩石及钻孔介质对中子的核相互作用能力密切相关)；KU表示t≤200时刻之后，地层岩石中现存的超热中子、热中子的总量比值与铀含量qu的正比系数。

[0032] 本发明公开的测井仪可沿井轴测量某测点的双中子时间谱NE(t)与NT(t)，以及t≤200到t时刻的超热中子衰减量NE(t≤200～t)、热中子衰减量NT(t≤200～t)；如果两种衰减量之比称为“超/热”比(E/T比，记为NE/T(t≤200～t))，则可推导出E/T比也正比于地层岩石铀含量qu，即：

[0033]

[0034] 式中，探测到的超热中子衰减量NE(t≤200～t)、热中子衰减量NT(t≤200～t)可来自于同一测点，例如正比计数管排列成为梅花结构；也可来自于不同测点，例如正比计数管排列成为上下结构。一旦排列方式被确定，均有：

[0035]

[0036]

[0037] 在(3)～(5)式中，ηE是超热中子衰减量的有效探测效率，表示探测到的超热中子衰减量与实际的超热中子衰减量之比；同理，ηT是热中子的有效探测效率；K是换算系数，表示E/T比NE/T(t≤200～t)与铀含量qu的正比系数，取值由(5)式确定，是由测井仪器、地层岩石、钻孔介质等因素决定的参变量，一旦确定了这些因素(特别是测井仪因素被固定)，则KU、ηE与ηT的取值基本为常数，此时K的取值也基本为常数。

[0038] (5)基于均匀矿层与“超/热”比的铀定量实时算法。实际应用中，探测超热中子的正比计数管难以避免漏入少量热中子。但漏入该正比计数管的热中子份额(记为η)正比于热中子衰减量NT(t≤200～t)，则(3)式可改写为：

[0039]

[0040] 在实际应用时，应将(6)式中的K、η作为已知量，NE/T(t)作为测量量，qu作为待求量。为此，必须选择合适的模型井，该模型井与野外井的岩性结构、物质成分、井中介质基本相近，并采用同一测井仪(须调至相同参数)，分别对模型井与野外井进行实际测井，从两个以上的实测模型井(铀含量qu已知，但取值不同)中求得K、η，并应用于野外井的实测，以此求得野外井的铀含量qu。

[0041] 应当注意：在(6)式中，E/T比NE/T(t≤200～t)附加了超热中子、热中子的消逝时间修正，可在(4)式中按负指数衰减规律对超热中子、热中子的衰减时间谱分别进行负指数拟合，以此求得τE、τT的取值。如果t值足够大(约t＝1000μS)，则(6)式中消逝时间修正系数近似为τT/τE，因均匀介质中τE、τT的取值相对稳定，也可将消逝时间修正系数放入K值中。但当t取值较大时，超热中子时间谱的尾部计数率具有较大的统计涨落(还可能记入铀裂变缓发中子)，且脉冲中子发射频率达到或超过1000Hz时，则必有t≤1000μs，因此常取t为600μs～1000μs中的合适值。

[0042] 还应注意：模型井均为饱和矿层(指铀含量均匀的厚矿层，可使中心部位相邻测点的E/T比达到稳定值，即中心点的NE/T(t≤200～t)不随矿层厚度而变化)。然而，模型井与野外井的岩性结构、物质成分、井中介质很难完全一致，须引入更多的修正系数；此外，野外井很难具有饱和矿层的必要条件，因而所求得的铀含量qu仅表示矿层铀含量的平均效应，须采用平均含量法求得矿层铀含量的平均效应(可参见伽马测井定量解释的相关资料)。

[0043] 本发明的优点在于：本发明从超热中子时间谱中提取二次中子消逝规律，从热中子时间谱中提取原生中子慢化规律，以此定义基于双中子时间谱的“超/热”比(记为E/T)，并构建铀矿定量实时算法，进而实现了“直接测铀”及铀矿定量的铀裂变瞬发中子测井。

附图说明

[0044] 图1为铀裂变瞬发中子测井仪的井下探管结构示意图；

[0045] 图2为梅花结构的双中子探测器示意图；

[0046] 图3为双中子时间谱仪的原理框图；

[0047] 图4为超热中子、热中子的时间谱实测数据曲线；

[0048] 图5为实测钻孔的E/T比测井曲线。

具体实施方式

[0049] 下面通过附图和具体实施方式对本发明作更为详细的描述。

[0050] 本发明公开的铀裂变瞬发中子测井的双中子时间谱仪包括双中子探测器、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3所示。

[0051] (1)制作测井探管所需的3He正比计数管与双中子探测器。

[0052] 当双中子探测器采用上下结构时(如图1所示)，须用圆柱形的两个3He正比计数管制作双中子探测器，还应尽量缩短探测器之间的间距(以便两个探测器记录的超热中子衰减量NE(t≤200～t)、热中子衰减量NT(t≤200～t)来自于相同的地层岩石区域、经过相同的井中介质区域，从而减少地层岩性、物质成分、井中介质等差异造成的影响因素修正)；为阻挡热中子进入超热中子探测器，超热中子探测器的正比计数管外围须包裹约5mm～6mm壁厚的含氢量很高的中子慢化材料(聚乙烯)，该慢化材料外围还须包裹0.5mm～1.5mm壁厚的金属镉皮；为提高超热中子探测器的计数率，同时还须尽可能缩短超热中子探测器与中子发生器之间的间距。

[0053] 如果双中子探测器采用梅花结构，两个中子探测器几乎处于同一轴向位置(影响因素修正最少)，且超热中子探测器位于探管截面中心(采用圆柱形的3He正比计数管制作而成)，多个(4～6个)小体积的热中子探测器(采用圆柱形的3He正比计数管制作而成)位于超热中子探测器周围，之间空隙填充含氢量很高的中子慢化材料(例如聚乙烯，慢化层最小厚度处接近5mm)，再采用0.5mm～1.5mm壁厚的金属镉皮包裹在慢化材料外沿，并将热中子探测器与超热中子探测器相互隔离(形成梅花状轮廓，如图2所示)。

[0054] (2)按军用标准的元器件制作双中子时间谱仪的电路。

[0055] 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双中子时间谱仪电路。

[0056] 双中子时间谱仪内的电路包含与双中子探测器连接的前置放大器、成形与甄别器、脉冲计数器、时间谱分析与缓存电路，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3所示。其中，探测器高压电源与两个正比计数管连接，为两个正比计数管提供电场加速极高压；正比计数管输出分别与对应的前置放大器连接，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，进而形成两路独立的双中子探测器输出信号。双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连接时间谱分析与缓存电路，可分别获得热中子时间谱、超热中子时间谱，进而构成两路独立的井下中子时间谱仪。

[0057] 本实施方式公开的双中子时间谱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。

[0058] 此外，双中子时间谱仪采用485总线与地面测井计算机进行数据通信，将每道的热中子时间谱、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。

[0059] 本实施方式公开的上下结构的双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；热中子探测器的3He正比计数管尺寸为Φ44mm×230mm(灵敏区长度约为200mm)，充气压力0.6Mpa，正比计数管外部不包裹慢化材料和金属镉皮。
此外，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，热中子探测器的灵敏中心与可控脉冲中子发生器的发射中心相距580mm。

[0060] 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。

[0061] 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。

[0062] (3)基于饱和矿层与双中子时间谱的铀定量实时算法。

[0063] 实际应用中，须针对同一脉冲中子测井仪分别对模型井与野外井进行实际测井，并将测井仪参数调至到固定状态，并将公式(5)中t的取值需选定为合适值(600μs～1000μs)，并在模型井中测定漏入超热中子探测器的热中子份额η、换算系数K等参数。最后利用野外井的测点E/T比NE/T(t≤200～t)，按公式(6)求得饱和矿层铀含量(非饱和矿层为平均效应)。具体方法如下：

[0064] 选择与野外井的岩性结构、物质成分、井中介质基本相近的两个以上的合适模型井，在该模型井中实测超热中子、热中子的时间谱(如图4所示)，利用滑动窗口的七点平滑公式对超热中子时间谱、热中子时间谱分别进行数据平滑，在公式(5)中取t＝600μs(记为t600时刻)，求得t≤200～t600的超热中子、热中子的衰减量(归一化到每秒计数率)，以及按负指数衰减规律对超热中子、热中子的衰减时间谱分别进行负指数拟合，并求得τE、τT的取值，以此求得测点处的E/T比NE/T(t≤200～t)。因两个模型井的铀含量qu已知(取值不同)，代入公式(6)建立方程组，此时可求得漏入超热中子探测器的热中子份额η，以及换算系数K。

[0065] 对于野外井，应选择岩性结构、物质成分、井中介质基本相近的合适模型井的η值与K值，在野外井中实测超热中子、热中子的时间谱，同样利用滑动窗口的七点平滑公式对超热中子、热中子的时间谱分别进行数据平滑，在公式(5)中取t＝600μs(记为t600时刻)，求得t≤200～t600的超热中子、热中子的衰减量(归一化到每秒计数率)，以及按负指数衰减规律对超热中子、热中子的衰减时间谱分别进行负指数拟合，并求得τE、τT的取值，以此求得测点处的E/T比NE/T(t≤200～t)。最后将实测NE/T(t≤200～t)值、η值与K值代入公式(6)，可求得饱和矿层铀含量。在实际钻孔中测到的E/T比曲线如图5所示。对于非饱和矿层，可采用平均含量法求得矿层铀含量的平均效应(参见伽马测井定量解释的相关资料)。

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基于超热中子与热中子比值的铀裂变瞬发中子测井技术

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