[发明专利]基于超热中子时间谱的瞬发中子测井及铀矿定量技术

说明书

技术领域

本发明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技术，也是一种脉冲中子测井技术。

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。为此，本发明主要目的在于：自主研发铀裂变瞬发中子测井关键技术、仪器部件与铀定量方法，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，以替代现行铀定量的自然γ测井技术，进而实现“直接测铀”及铀矿定量。

发明内容

本发明的目的在于研发了铀裂变瞬发中子测井的超热中子探测器结构与超热中子时间谱仪，开发了基于饱和矿层的铀定量实时算法。

本发明的技术方案为：一种基于超热中子时间谱的瞬发中子测井及铀矿定量技术，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，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：利用超热中子探测器沿井轴测量原生中子与二次中子慢化而来的超热中子，由超热中子时间谱仪将其形成为超热中子时间谱，从该时间谱中提取表示原生中子慢化能力和铀裂变持续能力的两个系数1/τ₂和1／τ₁，定义n_E(t₁)/n_E(t₂)为“裂变／慢化”比，最后以“裂变／慢化”比构建基于饱和矿层的铀定量实时算法。

选用³He正比计数管制作超热中子探测器，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，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的正比计数管；超热中子探测器的正比计数管紧靠中子发生器。

超热中子时间谱仪内部包含³He正比计数管、包裹³He正比计数管的聚乙烯中子慢化材料、包裹在慢化材料外的0.5mm～1.5mm壁厚的金属镉皮、探测器高压电源、前置放大器、成形与甄别电路，以及记录超热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，探测器高压电源与正比计数管相连，正比计数管输出端与前置放大器相连，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；超热中子时间谱仪可记录快中子慢化而来的中子时间谱；超热中子时间谱仪采用485总线与地面测井计算机进行数据传输。