基于超热中子时间谱的瞬发中子测井及铀矿定量技术制造技术

本发明专利技术公开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，具体是指，在钻孔中以脉冲方式向地层岩石发射快中子，即原生中子，原生中子慢化为热中子，热中子诱发235U裂变并放射铀裂变瞬发中子，即二次中子。原生中子与二次中子均随时间慢化为超热中子与热中子；然后记录超热中子时间谱，从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nE(t1)/nE(t2)为“裂变/慢化”比，并以“裂变／慢化”比构建地层岩石铀定量算法。同时本发明专利技术公开了一种用于铀矿脉冲中子测井的超热中子探测器与时间谱仪，以及基于超热中子时间谱与饱和矿层的铀定量实时算法。

【技术实现步骤摘要】
基于超热中子时间谱的瞬发中子测井及铀矿定量方法
本专利技术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。
技术介绍
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，本专利技术主要目的在于：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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术方案为：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，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nE(t1)/nE(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。超热中子探测器选用3He的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；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，脉冲计数器输出端与时间谱分析器及数据缓存电路相连；超热中子时间谱仪可记录原生中子和二次中子的慢化中子时间谱。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通信与数据传输。利用已经刻度好的测井仪，该测井仪参数事先调整到固定状态，并确定号t≤200、t1、t≤40、t2，以及η、K等参数。然后在野外井中沿井轴逐点提升测量或匀速提升测量，由超热中子时间谱仪获得各测点的超热中子时间谱NE(t)，并传送到地面测井计算机；然后采用指数函数、负指数函数的对超热中子时间谱NE(t)的自t2至t≤40时刻的指数规律增长段、自t≤200至t1时刻的负指数规律衰减段分别进行数值拟合，求得增长速率1/τ1与衰减速率1/τ2的取值，并由该时间谱NE(t)求得超热中子衰减量NE(t≤200～t1)和超热中子增长量NE(t2～t≤40)，由下式计算“裂变/慢化”比Nf/m(t1,t2)：最后以井轴为纵坐标，绘制Nf/m(t1,t2)-η的测井曲线，该曲线称为“裂变/慢化”比测井曲线。采用平均含量法求得矿层铀含量的平均效应，即饱和矿层铀含量的计算公式为：其中，本底干扰η、换算系数K，以及超热中子时间谱NE(t)的指数规律增长段的时间点t2和t≤40、负指数规律衰减段的t≤200与t1均在模型井中进行刻度测井来求得。也就是，刻度测井应至少具备两个以上的模型井，这些模型井铀含量qu已知，但取值不同。在模型井的饱和矿层中部进行精细测量，获得“标准”的超热中子时间谱NE(t)，通过超热中子时间谱NE(t)中的指数规律增长段、负指数规律衰减段的指数函数、指数函数拟合，选择拟合函数的相关系数尽量高，一般达到0.95以上的t≤200、t1、t≤40、t2等参数，并根据这些拟合函数求得τ1、τ2的取值，然后计算“裂变/慢化”比Nf/m(t1,t2)，代入饱和矿层铀含量的计算公式，通过解方程组或线性拟合，求得η与K的取值。具体为：(1)研制在钻孔中探测超热中子的3He正比计数管。也就是在正比计数管中充入3He(氦同位素)气体，利用3He(n,p)T或10B(n,α)7Li中子核反应可探测热中子，即利用热中子(n)轰击3He核或10B核，发生如下两种核反应：(n，p)核反应：n+3He→p+T+0.765MeVσ0＝5333±7b(n，α)核反应：其中，σ0为热中子与3He或10B的核反应截面，单位为靶(1b＝10－24cm2)。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”效本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，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，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由该快中子与瞬发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该快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nE(t1)／nE(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。

【技术特征摘要】
1.一种基于超热中子时间谱的瞬发中子测井及铀矿定量方法，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，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，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由快中子与瞬发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，从该超热中子时间谱中提取表示快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nE(t1)/nE(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；其中，式中，t≤40、t≤200分别表示原生中子被地层岩石慢化为超热中子、热中子的时长；通常，慢化为超热中子的时长不超过40μs，故将其记为t≤40；慢化为热中子的时长不超过200μs，故将其记为t≤200，具体取值与地层岩石密切相关；t1、t2分别表示原生中子被地层慢化为热中子之后的任意时刻、慢化为超热中子之前的任意时刻；这里以原生中子的发射时刻为起始时刻，则t1≥t≤200、t2≤t≤40；nE(t2)、nE(t≤40)、nE(t1)、nE(t≤200)分别表示t2、t≤40、t1、t≤200时刻，地层中现存的超热中子总量；1/τ1表示自t≤200至t1时刻，地层中现存的超热中子总量将按上式前一公式的负指数规律衰减，其衰减速率采用1/τ1表示；也就是，衰减速率1/τ1反映了地层中的铀裂变由强变弱的变化规律，表征了地层铀裂变的持续能力；1/τ2表示自t2至t≤40时刻，地层中现存的超热中子总量将按上式后一公式表示的负指数规律增长，其增长速率采用1/τ2表示；也就是，增长速率1/τ2反映了地层中的超热中子由少积多的变化规律，表征了地层将原生中子慢化为超热中子的慢化能力。2.根据权利要求1所述基于超热中子时间谱的瞬发中子测井及铀矿定量方法，其特征在于：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3He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，聚乙烯中子慢化材料外围再包裹0.5mm～1.5mm壁厚的金属镉皮，其中聚乙烯中子慢化材料用于将超热中子慢化为热中子，金属镉皮用于阻挡热中子进入超热中子探测器的3He正比计数管；超热中子探测器的3He正比计数管紧靠小型可控中子发生器。3.根据权利要求1所述基于超热中子时间谱的瞬发中子测井及铀矿定量方法，其特征在于：超热中子时间谱仪内部包含3...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤彬，王仁波，周书民，张雄杰，王海涛，陈锐，刘志锋，
申请(专利权)人：东华理工大学，
类型：发明
国别省市：