（检测技术与自动化装置专业论文）脉冲中子全谱的采集及中子发生器的自动控制.pdf

浙江大学硕士学位论文脉冲中子全谱的采集及中子发生器自动控制 摘要 碳氧比测井是目前国内外广泛应用的套管井剩余油评价技术，但其测量中子产生的 伽马射线的范围只集中在高能区部分，不能充分利用中子的反应过程中低能部分本文 充分分析了脉冲中子物理原理。国内外技术发展的现状，为了进行更充分的信息挖掘， 根据脉冲中子发生各种反应的物理原理，提出了集双源距碳氧比、中子寿命、脉冲中子 一中子( p n n ) 、能谱水流四项测井功能于一体的脉冲中子测井仪器，其中主要有全谱采集 系统、自动稳谱、中子发生器的自动控制。 本文针对脉冲中子信号测量精度低问题，分析了影响脉冲中子信号精度的影响因 素，提出来应用极零调节、脉冲成形、基线恢复等方法提高解释精度；针对井下温度的 增加，造成仪器光电倍增管的输出脉冲幅度变化造成谱线漂移的问题，设计了温度补偿 的自动稳谱系统，通过改变测量系统探测器高压来对温度变化进行补偿，使能谱峰位正 确；针对四种模式需要中子爆发采集时问的不同，设计了综合时序发生器，并结合阳极 脉冲高压开关，实现了多种时序爆发；针对中子产额不稳定及人为因素影响造成的测量 误差，分析了影响中子产额的影响因素，设计了中子发生器自动控制系统 本文第一章介绍了本文的研究的背景及国内外相关技术的发展现状；第二章介绍了 脉冲中子全谱测井的基本原理及总体方案设计；第三章介绍探测器电路的设计，包括探 测器的选取，结构优化，信号分辨率影响因素及解决方案等；第四章介绍能谱采集电路 方案，包括综合时序发生器及自动稳谱电路的设计；第五章介绍中子发生器自动控制电 路的设计；第六章介绍了仪器室内实验及现场试验检测结果 关键词自动控制全能谱脉冲信号采集脉冲中子发生器中子爆发时序 i l l 浙江大学硕士学位论文 脉冲中子全谱的采集及中子发生器自动控制 a b s t r a c t a so n eo ft h em o s tp o p u l a rr e s i d u a lo i le v a l u a t i o nm e t h o d o l o g i e s ，c a r b o n - o x y g e nr a t i o s p e c t r u ml o g g i n gc a no n l ym a n i p u l a t et h eh i g h - e n e r g ys p e c t r u mo ft h eg a m m ar a y se m i tb y t h ep u l s e dn e u t r o n s ，r a t h e rt h a nt h el o w - e n e r g yp a r t b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep h y s i c a l m e c h a n i s ma n dt h et r e n d so fp u l s e dn e u t r o nl o g g i n gt e c h n o l o g y , t h i st h e s i sp r e s e n t st h e d e s i g no fan e wp u l s e dn e u t r o nl o g g i n gi n s t r u m e n tb a s e do nd u a lc a r b o n - o x y g e nr a t i o s p e c t r u md e t e c t i n g ，n e u t r o nl i f e t i m ed e t e c t i n g ，p u l s e dn e u t r o n - n e u t r o n ( p n n ) d e t e c t i n ga n d e n e r g ys p e c t r u mw a t e rf l o wd e t e c t i n ga l t o g e t h e r , w h i c hc o n s i s t so faf u l l s p e c t r u ma c q u i s i t i o n s u b s y s t e m ，as p e c t m ma u t o - s t a b i l i z a t i o ns u b s y s t e ma n dan e u t r o ng e n e r a t o rc o n t r o l s u b s y s t e m b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ef a c t o r st h a tl e v e ld o w nt h em e a s u r e m e n t a c c u r a c yu p o np u l s e n e u t r o ns i g n a l ，t h i st h e s i sp r e s e n t sa ni n t e g r a t e dm e t h o du s i n gp o l e - z e r oa d j u s t m e n t ，p u l s e s h a p i n ga n db a s e l i n er e s t o r a t i o nt oe n h a n c et h ep r e c i s i o no fs i g n a li n t e r p r e t a t i o n f o c u so nt h e d o w n h o l et e m p e r a t u r ei n c r e m e n tp r o b l e m , w h i c hw i l lr e s u l ti ns p e c t r u md r i f tc a u s e db y a m p l i t u d ec h a n g e so ft h ep h o t o m u l t i p l i e r so u t p u tp u l s e ，t h i st h e s i ss c h e m e sas p e c t r u m a u t o - s t a b i l i z a t i o ns u b s y s t e mb a s e do nt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n b yc h a n g i n gt h eh i g h v o l t a g eo ft h es y s t e md e t e c t o r , t h i ss u b s y s t e mc a ng u a r a n t e ec o r r e c ts p e c t r a lp e a kd e t e c t i o n c o n s i d e r i n gt h e r ea r ef o u rd e t e c t i n gm o d e st h a tr e q u i r ed i f f e r e n tn e u t r o no u t b r e a kt i m e , a n i n t e g r a t e dt i m i n gs e q u e n c eg e n e r a t o ri sa l s op r o v i d e d , w h i c hc a l la c h i e v eav a r i e t yo ft i m i n g s e q u e n c eo u t b r e a kt h r o u g ha na n o d e - p u l s eh i g hv o l t a g es w i t c h s p e c i f i ct ot h ef a c t o r s a f f e c t i n gt h en e u t r o ng e n e r a t i n gc a p a c i t y , an e u t r o ng e n e r a t o rc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e dt o o v e r c o m et h em e a s u r e m e n te l t o rc a u s e db yt h ei n s t a b i l i t yo fn e u t r o ny i e l da n do t h e ra r t i f i c i a l i n g r e d i e n t s t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e dt h e b a c k g r o u n do ft h i s r e s e a r c ha n dt h et e c h n o l o g y d e v e l o p m e n ts t a t u sa th o m ea n da b r o a di nt h ef i r s tc h a p t e r a n dt h e ni nt h e2 n dc h a p t e r , t h e b a s i cp r i n c i p l e so fp u l s e d - n e u t r o nb a s e df u l l - s p e c t r u ml o g g i n ga n dc o r r e s p o n d i n gs y s t e m s c h e m ei sn a r r a t e d ；i nt h e3 r dc h a p t e r , ad e s i g no ft h ed e t e c t o rc i r c u i ti sd e s c r i b e d ，i n c l u d i n g d e t e c t i o nd e v i c es e l e c t i o n , s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n , i n f l u e n c i n gf a c t o r sa n ds o l u t i o n so fs i g n a l r e s o l u t i o n ；i nt h e 4 t hc h a p t e r , t h es c h e m eo fe n e r g ys p e c t r u ma c q u i s i t i o nc i r c u i ti sd e s c r i b e d , i v 浙江大学硕士学位论文脉冲中子全谱的采集及中子发生器自动控制 i n c l u d i n gi n t e g r a t e dt i m i n gs e q u e n c eg e n e r a t o ra n dt h es p e c t r u ma u t o - s t a b i l i z a t i o nm o d u l e w h i l et h ea u t o m a t i cc o n t r o lc i r c u i td e s i g nf o rn e u t r o ng e n e r a t o ri sa l s od e s c r i b e di nt h e5 t h c h a p t e r ；i nt h e6 t hc h a p t e r , f u n c t i o n a le x p e r i m e n t so ft h ew h o l ea p p a r a t u sa l ep r o p o s e du n d e r b o t hi n h o u s ea n di n - p l a n te n v i r o n m e n t s k e y w o r d s ：a u t o m a t i cc o n t r o l ；f u l l s p e c t r u m ；p u l s es i g n a la c q u i s i t i o n ；p u l s en e u t r o n g e n e r a t o r , n e u t r o no u t b r e a kt i m es e q u e n c e v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得逝江盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸姿盘堂 有权保留并向国家有关部门或机构送交 本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘鲎可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日 签字日期： 年 月日 浙江大学硕士学位论文肘i 冲中子全谱的采集及中子发生器自动控制够 队 致谢 脉冲中子全谱的采集及中子发生器的自动控制是在浙江大学冯冬芹教授精心指 导和悉心关怀下完成的从选题、开题、内容安排到课题研究，工程调研、论文的撰写 及修改等方面都给予细致的指导和无私的帮助。导师渊博的知识、严谨治学的态度、精 益求精的科研精神使我受益匪浅，在此谨表示最衷心的感谢和深深的敬意 在课题研究过程中，大庆测试技术服务分公司总工程师刘兴斌教授、大庆测试技术 服务分公司监测技术研发中心郑华博士、董建华主任、刘宪伟博士及核测井室的同事在 学识和思路上提供了大量帮助，在此一并表示感谢。 衷心地感谢冯冬芹老师的热情关心和大力帮助 衷心地感谢硕士班的同学们的大力支持和帮助 衷心地感谢浙大的老师对我论文的指导和帮助。 衷心地感谢所有三年来给予我关怀，帮助和教育的领导，老师、同学和朋友! 衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授! 吕俊涛 二o o 九年八月 浙大求是园 浙江大学硕士学位论文 脉冲中子全谱的采集及中子发生器自动控制 序言 我国大多数油田都是通过注水的方法把石油开采出来的，注水开发的油田就占了 8 7 左右。产层水淹后的含油饱和度都被称为剩余油饱和度油田开发过程中，为了对 油层进行选择性的射孔和采油，需要将油层和水淹层区别开，脉冲中子类仪器是目前使 用广泛的剩余油评价的技术 目前国内有多家测井公司拥有脉冲中子测井仪器，如单源距c 0 能谱测井仪、双源距 c o 能谱测井仪，引进油藏评价议( r m t ) 储层性能评价仪( r p m ) 等 上述脉冲中子类仪器测量的能量范围窄，仅测量高能中子，忽略了低能中子的信息， 因而提供的地层信息单一；将记录热中子的探测器( 如3 h e 正比记数管) 与记录伽马的探 测器( 如b g o 晶体探测器) 组合进行全谱的测量，提高了测量的精度；同时国内脉冲中 子类仪器缺少中子发生器的自动稳控系统和中子发生器状态的实时监测的数据，遣成中 子产额不稳定，影响测井了测井资料的质量。 本项目融合了国内外技术的优点，组合了伽马探测器和中子探测墨，并兼顾了碳氧 比、中子寿命、脉冲中子一中子、能谱水流等四种测井模式通过测量结果的相互补偿、 校正，提高了测量精度，应用范围更广，可为油田开发提供可靠的剩余油饱和度资料 适用于各类油气藏，满足于油田老井普查、剩余油再认识和挖潜上产的需要，是大庆油 田4 d o o 万吨稳产必不可少的技术。该技术现已成为双源距碳氧比测井技术的升级换代技 术 n 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 本文研究背景及意义 目前，大庆油田已进入中后期开发阶段，大部分主力油田都已进入高含水或特高含 水开发阶段，注水开发油田的储量已占总储量的8 7 因此寻找剩余油已经成为当前的 首要任务用脉冲中子测井方法是解决这一问题的重要途径 由于新技术的应用，国外脉冲中子测井仪器逐渐朝着综合化、数字化方向发展，具 有信息量大，测量参数多，测量精度高等特点，因此传统的单一测量模式的仪器已不能 满足要求 为解决这些问题，研制了可同时实现碳氧比、中子寿命、脉冲中子中子、能谱水流 等测井功能于一体的自动化程度高的“脉冲中子全谱测井仪” 该技术集成了当代各种主流脉冲中子测井方法，应用范围更广：可用于在套管井中 寻找油气层、确定储层含油饱和度，监测油藏动态；可以在无裸眼井测井资料或套管钻 井情况下进行储层孔、渗、饱等地层参数评价；可识别气层按年测井4 0 0 口计算由此 产生的直接及间接经济效益达到3 0 0 0 万元，具有较大的经济效益和社会效益 1 2 国内外脉冲中子测井技术现状 1 2 1 国外脉冲中子测井技术现状 国外脉冲中子类的测井仪器的发展趋势是每只仪器兼顾多种测井方式，提供多种测 井信息国外有代表性的脉冲中予类测井仪器一是以斯仑贝谢公司的储层饱和度测井仪 ( r s t ) ；哈里伯顿公司的储层监测仪( r m t ) ；阿特拉斯公司储层性能监测( r p m ) 为代表的脉冲中子测井技术，r s t 、r m t 、r p m 功能较全，测量伽马能谱、时间谱 另一是以h o t w e l l 公司的脉冲中子中子测井仪( p n n ) 为代表的脉冲中子测井技术， 主要测量热中子衰减的时间谱( 热中子寿命功能) 哈里伯顿公司的中子寿命仪器多门热中子衰减测井仪像1 ( t m d l ) 及外径5 4 m m 的 双源距脉冲中子储层监测仪r m t ，可以测量碳氧比和中子寿命，也可以用于测量能谱 水流盼1 斯仑贝谢公司没有单独的用于能谱水流测井的仪器，该公司的脉冲中子储层饱 和度测井仪r s t h l ，有两种规格：一种外径4 3 m m ( r s t - a ) ，另一种外径6 3 m m ( r s t b ) 仪器可测量碳氧比和中子寿命贝克阿特拉斯公司的r p m 拍1 仪器及康普乐公司的脉冲 中子衰减能谱测井仪哺1 ( p n d ) 仪器也均是可以测量碳氧比，中子寿命和能谱水流其 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 中以斯仑贝谢和哈里伯顿公司的仪器测量精度最高。但引进仪器需要使用法国的中子 管，引进费用高，不适合在国内油田大规模推广 脉冲中子中子测井仪盯1 ( p n n ) 测井仪探测的是热中子，通过测量热中子的衰减时 间来求得地层的宏观俘获截面的中子寿命测井模式，优点是不受本底影响，适用于较低 矿化度( 高于1 0 0 0 0 p p m ) 、低孔隙度地层( 大于8 ) 不需要采用“测注测”测井 工艺即可求得地层的俘获截面 1 2 2 国内脉冲中子测井技术现状 国内研制脉冲中子类测井仪的厂家主要有西安石油仪器总厂，大庆测井公司、大庆 测试技术服务分公司西安石油仪器厂生产的伽马双探测器的中子寿命测井仪m s _ i j - d ； 大庆测井公司的高精度碳氧比能谱测井仪阳1 ( 单探测器，b g o 晶体) 、脉冲中子单向氧 活化测井仪；测试分公司自行研制的双源距碳氧比能谱测井仪n 训( 双探测器，b g o 晶 体) 上述几种脉冲中子综合测井仪没有将非弹模式和俘获模式组合在一起，提供地层信 息单一；没有将记录中子类探测器( 如3 h e 正比记数管) 与记录伽马类探测器( 如b g o 晶体探测器) 组合进行全谱的测量，因此测量的能量范围窄，测量精度低；同时缺少中 子发生器的自动稳控系统和中子发生器状态的实时监测数据，造成中子产额不稳定，影 响了测井资料的质量 1 3 课题的主要研究内容 通过传感器电路的抗干扰设计，提高了测量精度；依据四种测井模式发生时间的不 同，设计了合理的工作时序及相应的谱采集时序；实现了中子发生器的多种时序的爆发 及自动控制。 本课题仪器研究的主要内容有以下几方面： ( 1 ) 传感器电路的设计研制( 中子探测器、伽马探测器及相应线性放大器电路) 及 各种干扰信号的消除 ( 2 ) 设计综合时序发生器，按照中子发生反应的时间的先后顺序形成四种测井方式 ( 碳氧比俘获模式、中子寿命，能谱水流) 的可变脉宽中子爆发时序及采集时序 ( 3 ) 完成对中子发生器的状态采集及中子发生器的自动控制 ( 4 ) 完成对井下脉冲信号的自动稳谱 第2 章井下辟冲巾子全谱罩境总体方案设计 第2 章井下脉冲中子全谱系统总体方案设计 2 1 脉冲中子能谱的原理 2 1 i 能谱 射线强度按能量分布的谱称作伽马射线能谱为分析能谱，把伽马射线的能量线性 转换o - 1 0 v 的电压，分成2 5 6 道为横坐标，纵坐标为是其相应的计数，这种反应伽马射 线与其计数的关系曲线印伽马射线能谱由于各种能谱有不同的产生时间，不同棱素有 各自的特征能量1 ，所以可以通过分析能谱来计算地层中不同棱素的比例 ( 1 ) 非弹总谱：在中子发射期问测量到的伽马射线主要是高能中子与地层中”c 、 。6 0 ”s i 4 0 c a 等棱素相互作用产生的非弹伽马射线，碳元素原子棱放出伽马光子的能 量34 1 4 a 3 m e v ，氧元素原子棱放出佃马光子的能量5 1 2 4 5 1 4 m c v 幽2 - 1 非弹能谱中元素的分布 ( 2 俘获能谱：伽马射线经弹性散射作用减速为热中子被元素原子棱俘获，产生 俘获伽马光子不同元素厚子核发生俘获棱反应时放出不阿能量的伽马光子，硅： 3 1 7 - 4 6 5 m e v ，钙：48 6 66 2 m e v 闰2 - 2 俘获能谱中元素的分布 a 够浙江大学硕士学位论文第2 章井下脉冲中子全谱系统总体方案设计 ( 3 ) 活化谱( 本底谱) ：氧元素为例说明活化核反应过程。高能中子与氧元素原子 核作用，活化的氧核放出伽马光子，在距中子源一定距离上设置伽马光子探测器，探测 被活化的氧核，记录活化氧核从脉冲中子源到达伽马光子探测器的时闽，可以换算水流 速度，从而测量注入剖面，即能谱水流测井 2 1 2 时间谱 伽马射线强度按时间分布的谱称作时问谱 1 0 4 - 1 0 。7s 图2 - 3 中子诱发伽马射线的不同时间 由中子发生器所产生的能量为1 4 m e v 的快中子射入地层时，首先发生的是非弹性散 射，这个过程几乎是立即产生的( 大约为1 0 1 - 1 0 。7 秒) ，在受激核跃迁到基态时，发射非 弹性散射伽马射线。接着发生的是弹性散射过程，在地层内经过1 0 。- 1 0 3 秒的弹性散射 后，几乎所有的快中子都被慢化成热中子，并不断地被周围介质俘获，放出俘获伽马射 线。最后放出的伽马射线是由于活化衰变而产生的由于这三种伽马射线谱之间有一定 的时间延迟，因此可以从时间上将这三种不同的过程所产生的非弹、俘获，能谱水流分 开。并以此作为非弹能谱、俘获能谱、能谱水流、时间谱的采集依据 2 2 脉冲中子全谱测井基本工作原理 脉冲中子全谱测井由氘一氚加速器中子源按特定脉冲时序发射1 4 m o v 的中子，在井眼 和地层中激发出特征伽马射线，通过伽马探测器对这些伽马射线转换成与之成正比的脉 冲信号，在经过前置放大、脉冲整形、峰值检测等后形成幅度谱和射线到达的时间谱和 能谱，来进行碳氧比、中子寿命的测量；通过热中子探测器对热中子转换成的脉冲信号 进行1 0 0 0 倍放大，经过脉冲整形放大来形成热中子衰减的时间谱，确定井内流体的宏 观俘获截面测量范围不仅包括测量能量 i m e v 的快中子所发生的非弹性散射、俘获， 活化7 射线，而且还包括测量能量 i k e v 的热中子的俘获截面，测量域宽n 铂测量了中 子爆发各时段的中子信患，因此称为脉冲中子全谱测井 浙江大学硕士学位论文第2 章井下脉冲中子全谱系统总体方案设计 2 3 总体方案设计 井下全谱仪的总体结构如图2 4 其中， i 0 9 87 65 4 3 2 l 通迅板2 、低压电源 3 、全谱采控板4 、长短源距b g o 探测器5 、屏蔽体6 、 中子管7 、倍加器高雎电源及管8 、中子发生器控制电源9 、中子发生器自控 电路l o 、低压电源 图2 - 4 井下全谱仪器结构示意图 探测器及线性放大部分主要包括双b g o 晶体伽马探测器、中子( 3 h e ) 探测器，线 性放大器及信号采集处理电路。 全谱采集控制系统主要功能是对能谱、时间谱的采集；实现不同的中子爆发、采集 时序；完成长、短探测器的自动稳谱高压的控制；完成井下仪器和地面采集板之间的通 讯和传输等功能。 中子发生器自动控制电路主要包括直流阳极高压模块、脉冲阳极高压开关模块，灯 丝控制模块、靶压控制电路、中子发生器自动控制采集电路等，实现对中子管参数的采 集及自动控制 控制系统以新型的单片机c 8 0 5 1 f 0 6 0 及低功耗的l a t t i c e 公司的c p l d 芯l c 4 2 5 6 v 为 核心，充分地利用单片机及c p l d 芯片的丰富资源完成谱采集控制、谱数据累加、时序 发生器、稳谱控制、中子发生器自动控制、通讯控制等数字电路逻辑功能。 浙江大学硕士学位论文第3 章探测器系统的设计 第3 章探测器系统的设计 脉冲中子全谱探测器系统分为伽马探测单元和中子探测单元主要包括伽马探测器、 中子探测器、屏蔽体线性放大器、基线恢复电路、极零调节电路、峰值检测、峰值采 样保持等设计 3 1 伽马探测器 闪烁晶体探测器，由探头( 包括闪烁晶体、光电倍增管) ，光电倍增管高压，低压电源， 线性放大器、基线恢复、极零调节电路，峰值检测、峰值采样保持、多道脉冲幅度分析 器等几部分组成，结构如图3 1 闪烁晶体、光电管h 线性放大警h 基萼篡盖厄警喜调h 多道谱仪 倍增管高压 3 1 1 伽马探测器晶体 低压电源 图3 1闪烁探测器的基本结构 闪烁晶体探测器是利用晶体的闪烁现象来记录核辐射 高能射线条件下效率高、能量分辨率高，发光强度高、发光时间短、受中子辐照影 响小、耐温、耐冲击、不潮解、价格等因素测井探测器常用有n a i ( t 1 ) 晶体、b g o 晶 体( 锗酸铋) 、g s o ( 过氧硅酸) 等 b g o 晶体探测到的伽马射线更多地反映到全能峰和第l 逃逸峰中，因而测井曲线的 统计涨落进一步降低；b g o 晶体与n a i 晶体相比具有探测效率高n 引，用b g o 晶体能提高 测井速度，在相同测速下改善能谱统计性；高能伽马射线分辨率好：中子干扰能力强等 优点，高温。g s o 的探测效率低于b g o 高于n a i ，能够很好的屏蔽热中子，但易碎、价 格过高所以选用了b g o 晶体基本满足能谱采集的要求 3 1 2 光电倍增管及其抗干扰措施 光电倍增管把晶体输出的光信号转换成电信号，幅度与伽马射线能量呈正比的脉冲 信号经线性放大器放大和倒相后，送采集电路 光电倍增管对磁场是很敏感的晶体体发出的光子由光电增管的光阴极收集，并从光 浙江大学硕士学位论文第3 章探测器系统的设计 阴极打出电子，电子在各打拿极问倍增，最后从阳极输出脉冲信号。当光电倍增管处于磁 场中，则电子在倍增管的极间飞行时会收到洛仑兹力的作用而偏转，光电倍增管各中阔 极收集的电子数日减小，放大倍数减小，使谱产生漂移n 射，这种情况下自动稳谱系统 不能做出快速调整因此，在核能谱测井中必须对探测器进行磁屏蔽 磁屏蔽的目的就是要设法使光电倍增管不受外界磁场的干扰高磁导率铁磁材料制 成的屏蔽罩就能起到这样的作用，常用的软磁材料有电工纯铁，硅钢片、铁镍合金等 目前能谱测井仪器中对探测器的磁屏蔽通常是用坡莫合金缠绕在光电倍增管的外 面，采用铝合金外壳密封这种方法往往得不到满意的屏蔽效果，有以下几种原因： ( 1 ) 在光电倍增管外面包的坡莫合金是不闭合的，屏蔽效果差 ( 2 ) 薄坡莫合金材料不易得到屏蔽罩需要做得足够厚才能满足要求而常见的坡 莫合金多为零点几毫米厚而且易折，影响屏蔽效果 综上所述，采用两种办法进行屏蔽： ( 1 ) 采用细网型光电倍增管可以减少外界磁场的影响。 ( 2 ) 用电工纯铁做探测器的外壳可以达到磁屏蔽效果 整个探测器外壳用电工纯铁封闭起来另外由于磁屏蔽筒的边缘效应，磁屏蔽筒的 长度至少多光电倍增管一个端面半径的长度 3 1 3 伽玛探测器屏蔽体，源距的选取 根据探测器与中子发生器的距离不同，在井下仪器伽马探测器部分设置两个探测器 和两路谱处理系统，一个称为近探测器，一个称为远探测器源距越大则仪器的探测深 度就越大，不同位置上的单位厚度空间对b g o ：稠4 量的信息贡献也是不同的，沿径向离测 量点越近的位置上单位空间的信息贡献量就越大 仪器近探测器距中子源较近，容易受高强度中子的影响，导致能谱分辨率下降为 了避免中子源发射的中子直接照射近探测器，须在二者之间放置一屏蔽体其作用是阻 止高能快中子直接轰击探头，防止探测器晶体活化，降低晶体附近井筒介质中的快中子 密度，并提高射向地层的快中子密度 ( 一) 屏蔽材料和屏蔽体尺寸的选取 屏蔽体吸收掉来自井筒、套管、水泥环介质中的本底伽马射线，降低快中子直接轰 击进探测器，从而提高来自地层介质中的有用伽马射线的比例 ( 1 ) 屏蔽材料的预选 浙江大学硕士学位论文第3 章探测器系统的设计 中子在较轻介质中主要通过弹性散射损失能量由于单个原子核对中子的减速能力 随核质量数的减小而增大，所以在辐射防护中常选用含氢物质和原子量小的物质作为快 中子的减速剂，如选石墨、硼砂，聚乙烯等 快中子在重介质中主要通过非弹性散射损失能量原子核越重，越容易与中子发生 非弹性散射因此在中子屏蔽层中往往用重金属与减速剂屏蔽，其中重元素具有使较高 能量中子减速和吸收伽马射线的双重作用，如选钨、铅、铜、铁等。 ( 2 ) 物理模型结构 蒙特卡罗方法是属于非确定论方法，是计算数学的一个重要分支它是通过随机模 拟和统计实验方法求数学、物理等方面问题近似解的数值方法，因而也称为随机抽样技 巧或统计实验方法n 副蒙特卡罗方法特别适应于求解本身就带有随机性的物理现象问 题，模拟计算中模型的剖面图6 1 如图3 2 所示 水泥环 地层 、 套管 、 井内介质 仪器外壳 、 一屏蔽体 一中子源 l p 一8 0-60o一2 002 04 06 08 0 图3 2 模拟剖面图 测井仪器在套管内居中放置。仪器壳模拟为纯铁，外径为8 9 m m ，壁厚4 m m 中子 源位于( o ，0 ，o ) 处，均匀地发射各向同性能量为1 4 m e v 的中子在仪器内部距中子源垂直 向上5 c m 处开始放置屏蔽体，并使其填充满仪器壳以内空间。屏蔽材料分别选钨、铁、 铅、铜、石墨、硼砂、聚乙烯等 模拟套管物质与测井仪器外壳相同，套管外径1 4 0 m m ，厚度7 m m 水泥环物质模拟 为偏硅酸钙( c a s i 0 3 ，密度1 9 5 9 c m 3 ) ，厚度3 0 m m ，外径2 0 0 m m 井内介质模拟为水( h 2 0 ， 密度1 0 0g c m 3 ) 地层高度为l m ，从2 0 c m 至8 0 c m ；径向深度y 0 6 0 c m ，从半径为1 0 e m 至 7 0 c m 地层模拟为3 5 孔隙度的饱和水砂，即6 5 的石英砂( s i 0 2 ，密度2 6 5 9 c m 3 ) 加上 3 5 的水 探测区间及记录方式：在距中子源垂直向上5 e r a 至5 5 c m 处，每5 e r a 为一段探测区间， 踮 加 。 加 浙江大学硕士学位论文第3 章探测器系统的设计题 屏蔽体被分成若干个巾8 l 5 咖m 的圆柱体，分别对其底面和侧面来的中子数进行记录 f 3 ) 模拟结果 我们先对中子源与探测器之间无屏蔽体的情况进行了模拟，计算结果见图3 3 中的曲 线1 图3 3 、图3 4 至图3 7 中实心圆点是模拟计算的结果图3 3 至图3 7 中横坐标表示屏 蔽体的厚度，以中子源垂直向上5 c m 处为零点图3 3 的纵坐标是相对于中子源每发射一 个中子时，探测区间能接收到能量为1 1 4 m e v 中子的几率。 籁 卜 乎 髓 摄 七 辆 岳 图3 - 3 相对中子计数率与距离的关系 考虑到单个原子核对中子的减速能力随其质量数的增大而减小，物质对中子的阻停 本领随其密度的增大而增大，将预选的屏蔽材料分为三组。其中核质量数大且物质密度 大的为a 组( 钨，铅) ，核质量数中等且物质密度也中等的为b 组( 铜，铁，锡，钛) ，核质量 数小且物质密度也小的为c 组( 石墨，硼砂，聚乙烯) 这里定义屏蔽率为在中子源与探 测器之间放置屏蔽体时探测器表面的中子计数率与无屏蔽体时的中子计数率之比。屏蔽 率随屏蔽体厚度的增加下降越快，表明屏蔽效果越好。从图3 3 中看出，a 组中钨的屏蔽 效果好，b 组中铜的屏蔽效果好，c 组中石墨的屏蔽效果好综合来看，若以屏蔽率等 于0 2 为标准，三组中不同材料的屏蔽体厚度由小到大依次应为：钨，厚度约为1 2 5 c m ； 铜，厚度约为1 5 e r a ；铁，厚度约1 6 c m ；铅，厚度约2 2 c m 等可见在选择屏蔽材料时，应 首选钨，其次为铜和铁 浙江大学硕士学位论文第3 章探测器系统的设计 1 0 1 o o 9 o 8 0 7 0 6 哥 搓0 5 畦 o 4 o 3 o 2 o 1 o - 5051 01 52 02 53 03 54 04 55 0 屏蔽体厚度( c m ) 图3 4 屏蔽率随屏蔽体厚度变化的关系曲线。屏蔽材料为：钨，铅。 1 0 o 9 o 8 o 7 0 6 静 键0 5 畦 0 4 0 3 0 2 0 1 0 - 5051 0 1 5 2 02 53 03 54 04 55 0 屏蔽体厚度( c m ) 图3 - 5 屏蔽率随屏蔽体厚度变化的关系曲线。屏蔽材料为：铜，铁，钛，锡。 浙江大学硕士学位论文第3 章探测器系统的设计 | | i l 槎 哒 图3 - 6 屏蔽率随屏蔽体厚度变化的关系曲线。屏蔽材料为：石墨，硼砂，聚乙烯 籁 m 壬 喧 世 籁 阳 子 随 晷 图3 7 探测器侧面来的中子数与底面来的中子数之比随屏蔽体厚度变化的关系曲线 上面通过计算选出了几种屏蔽效果好的材料( 钨、铜、铁) ，其屏蔽厚度选多少合适 应根据设计仪器时的具体情况雨定图3 7 显示的是, 8 1 x s o m m 探测器侧面来的中子数与 底面来的中子数的比值随屏蔽体厚度变化的关系，图中带误差棒的点是模拟计算的结 题浙江大学硕上学位论文第3 章探测器系统的设计 果，这里误差是指对模拟结果的误差估计，连线是对数据进行多项式拟合后的结果当 侧面来的中子数大于等于底面来的中子数时，我们认为已达到了理想的屏蔽效果这时， 对于钨屏蔽体厚度宜选1 7 5 e m ，与无屏蔽体相比可屏蔽掉该处约8 8 的中子( 参见图 3 4 a ) ；对于铜屏蔽体厚度宜选2 2 c m ，可屏蔽掉约8 9 的中子( 参见图3 5 ) ；对于铁屏蔽 体厚度宜选2 3 c m ，可屏蔽掉约8 9 的中子( 参见图3 5 ) 上述的模拟结果显示，使用钨做屏蔽体效果最好，设计仪器时不必考虑交替屏蔽 图2 6 中曲线2 表示钨作为屏蔽材料时中子到达探测器表面的几率随屏蔽体厚度变化的关 系当中子源强度为l x l 0 8 b q ，屏蔽体厚度为1 7 5 c m 时，探测器表面上每秒到达的中子 数约为2 x 1 0 5 个图3 6 给出了钨为屏蔽材料时，探测器表面的相对中子计数率、中子能 量和屏蔽体厚度间相互关系的三维图。从中可以看出，随着屏蔽体厚度的增加，到达探 测器表面的中子中，高能中子所占的比例急剧减小。 ( 二) 源距的选择 选择源距的原则是，以远探测器响应地层，以近探测器信息修正井眼附近影响不 同源距处地层探测深度的研究结果如图3 8 所示，c o 测井地层探测深度随源距的增大而 增大n 在较宽范围内，二者近似呈线性关系，地层探测深度大致相当于源距的一半 针对井内介质分别为水和油、地层分别为3 5 孔隙度饱和水砂和油砂的四种情况进行过 计算。通过分析地层或井内介质不同时的c o 差值随源距变化的关系( 图3 9 和图3 1 0 ) ， 可以考察不同源距处探测器对地层或井内介质的灵敏程度：在源距小于3 0 c m g 问，随着 源距减小，区分井内流体的能力急剧增强；源距大于3 0 c m 后，区分地层的能力不再增加 探测器有效计数率随源距变化见图3 1 l ，随着源距增大，计数率呈指数下降，源距太大 会引入较大的统计涨落误差。 e t 之 侧 鳝 娼 堪 图3 8 地层探测深度随源距变化关系 浙江大学硕士学位论文 第3 章探测器系统的设计 j 四 j j j 筮 琢 谨 图3 - 9 地层相同、井内介质不同时的c o 差值和源距的关系 淝纠c n l 图3 1 0 理想c o w 和a c o 随源距变化关系 1 3 浙江大学硕士学位论文第3 章探测器系统的设计 图3 - 1 1 短源距处的理论c o 值与由及s o 关系 根据模拟结果综合分析，远探测器源距定为5 2 c m ，近探测器则应尽量靠近中子源 因实际仪器中屏蔽体厚度( 1 7 5 c m ) ，晶体厚度( 5 c m ) 和走线结构( 2 5 c m ) 限制，把长源距设 为5 5 c m ，短源距为3 6 c m 3 2 中子探测器 中子探测器由探测中子的正比计数管、脉冲放大器和商压电源构成 3 2 1 中子计数管的选择 用于热中子探测的主要有b f 3 管和3 h e 管。b f 3 管是近年来国内外使用最广泛的用于 热中子探测的正比管，但是对环境有潜在危害，已趋于淘汰3 h e 正比计数管是一种探 测中子极其有效的探测器。它常常被用来高效率地测量热中子、超热中子的强度；与b f 3 正比计数管相比较，3 h e 管的探测效率是最高的这是3 h e 管作为热中子探测器的最大优 势，另外3 h e 对于热中子和超热中子具有很高的反应截面，同时3 h e 管具有较好的y 抑 制比，所以3 h e t t _ 比计数管是高效中子探测器的良好选择n 引 3 2 2 中子探测器单元的结构组成 3 h e 探测器单元主要由计算机、多道能谱分析仪，线性放大器和前置放大器等设备 成3 h e 对热中子的反应截面非常大，但是它释放出的电荷能量很小因此采用3 h e 管作为 浙学醇学侍i第3 章探剩镕赢戳r 热中子探测器时，电路的放大器设计和走线工艺有严格的要求 3 h e 正比计数管是根据中子与h e 棱反应的原理制造的 3 h e + n p tq q ：反应能 ( 3 i 中子照射h e a t 比计数管时，由3 h e ( ，p ) t 反应产生的质子和氚拉两种带电离子， 经气体放大后根据照射中子能量和强度的不同产生不厨的电流信号并由外部电子仅晷 所记录 3 2 3 中子探翱型号厦琢距的选择 图3 一1 2 表示在不同挥距下的能量谱，它反映热中子计数随3 h e 探测器源距变化的关 系。 * 萋 磊 o “” 铲一”1 “1 “1 “ 图3 - 1 2 不同源距p n n 能量谱 通过理论计算和实验俘获截面值对比( 纯油值5 u ，纯水值为2 2 c u ) 并综 合考虑到外形尺寸、探测效率等田素，确定中子探测器的舜距为4 3 m m 。 3 2 a 中子探测嚣前1 电荷是蕞艘大电路 前置放大电路如图3 1 3 所示，经过电容c 4 从3 h c 管阳极取出电脉冲，信号幅度约l m v 左右，信号是不稳定的高内阻薄的嫩弱信号为了减少信号薄内阻的影响，放大器的输 入阻抗应大干l m n 信号经过l o o 唯电荷灵敏放大和正向放大后输出，信号幅度约i v 。宽度2 邺左右的 正脉冲接入线性放大嚣板，赴理过的正脉冲信号传送到峰值检测电路 锈浙江大学硕士学位论文第3 章探测器系统的设计 匝 图3 一1 3 中子探测器电荷灵敏放大电路 3 2 5 中子探测器干扰的消除 中子探测器前放电路噪声大，将严重影响了对信号的记录电路中增加各种抗干扰 措施，比如在电源的引入端增加电源退耦电容，在信号输入端增加r c 低通滤波或在运 放a 的反馈回路增加高频消噪电容，在p c b 设计中精心布局合理布线，正确处理地线等， 以提高电路的抗干扰能力，最大限度地发挥电路的性能，抬高门槛会卡掉部分信号，造 成计数率降低，影响测量结果统计精度噪声还会随温度和高压升高而增大在测量过 程中，如果不能排除这些影响，放大器就不能够正常的工作 屏蔽是用来减少电磁场向外或向内穿透的措施，一般常用于隔离和衰减辐射干扰 屏蔽分为静电屏蔽、电磁屏蔽和磁屏蔽三种 电磁干扰的影响与距离的关系非常密切，距干扰源越近，干扰场强越大，影响越大 在电子仪器仪表中，电子元器件的布置常受体积限制，常采用低电阻金属材料或磁性材 料制成封闭体，把防护间距不够的元件或部位隔离起来，以减少或防止静电或电磁的干 扰整个模块的外壳为电工纯铁接地 3 3 脉冲信号影响能量分辨率的因素及采集 3 3 1 随机脉冲的能谱特点 核探测器产生的信号是由放射源的粒子或它们的次级粒子引起的由于粒子在探测 器中产生电荷的过程存在随机性，因而所产生的电荷对数n 是围绕着平均值n 0 的涨落， n 是概率密度函数，近似服从高斯分布 探测器输出的电信号不论在幅度上还是时闽上都是随机的。 浙江大学硕士学位论文第3 章探测器系统的设计 3 3 2 影响能谱分辨率的几个因素 ( 1 ) 能谱分辨率：能谱线的宽窄是衡量探测器系统和电子学系统对相邻很近谱线的 分辨能力分辨率的定义为： 尺：f w h m e 1 0 0 ：2 3 5 5