王新光 劉 丹 王國保

（中國原子能科學研究院 北京 102413）

瞬發(fā)裂變中子鈾礦測井中超熱中子探測器的優(yōu)化研究

王新光 劉 丹 王國保

（中國原子能科學研究院 北京 102413）

瞬發(fā)裂變中子鈾礦測井是利用脈沖中子源和超熱中子探測器，記錄熱中子和235U發(fā)生裂變反應(yīng)產(chǎn)生的瞬發(fā)超熱中子，得到地層含鈾量信息的測井方法。為提高儀器中超熱中子探測器的探測效率，利用蒙特卡羅數(shù)值計算程序MCNP5對中子鈾礦測井儀的探測器進行了優(yōu)化計算研究，得到最優(yōu)的中子慢化體和中子探測器尺寸組合，并將計算結(jié)果用于儀器的改進，取得了滿意的實驗結(jié)果。

超熱中子探測器，鈾礦測井，瞬發(fā)裂變中子，蒙特卡羅模擬，探測效率

由于3He正比計數(shù)管具有較好的高溫穩(wěn)定性以及良好的γ輻射甄別性能，因此，被廣泛應(yīng)用于測井中熱中子的探測。超熱中子探測器是在3He管外再包裹一層熱中子吸收材料和中子慢化材料，從而實現(xiàn)高于熱中子能量范圍中子的探測[1]。熱中子吸收材料通常選用釓或鎘等具有較高熱中子吸收截面的材料，中子慢化材料選用高中子減速截面、低中子吸收截面的材料。由于測井儀器工作環(huán)境的特殊性，選取的材料必須耐高溫、耐高壓并易于加工成形。對于不同能量的中子，在一定的空間限制下，選擇合理尺寸的熱中子吸收體、中子慢化體和3He管組合非常必要。

本文利用蒙特卡羅數(shù)值計算程序MCNP5[2]，首先模擬計算了在地層條件下，瞬發(fā)裂變中子鈾礦測井儀探測中子的能量分布，然后計算不同厚度的熱中子吸收體、中子慢化體和不同尺寸的3He管組合形成超熱中子探測器的探測效率，選擇最佳的組合，最后利用計算結(jié)果對儀器進行改進。

1 瞬發(fā)裂變中子鈾礦測井原理

瞬發(fā)裂變中子鈾礦測井是采用脈沖中子源和超熱中子探測器的組合，脈沖中子源產(chǎn)生的快中子在地層中慢化為熱中子，熱中子和地層中的235U發(fā)生裂變反應(yīng)，產(chǎn)生瞬發(fā)裂變中子，通過記錄來自地層的瞬發(fā)裂變中子計算地層含鈾量[3–5]。熱中子和235U發(fā)生裂變反應(yīng)產(chǎn)生瞬發(fā)裂變中子是在發(fā)生裂變反應(yīng)的瞬間產(chǎn)生的，其能量分布是連續(xù)的，瞬發(fā)裂變中

子能譜可用麥克斯韋分布曲線表示：

函數(shù)χ(E)定義為每個瞬發(fā)中子能量出現(xiàn)在E處的單位能量間隔內(nèi)的幾率，TM為麥克斯韋溫度。235U的瞬發(fā)裂變中子相對強度的能量分布如圖1所示。

圖1 235U 的瞬發(fā)裂變中子能譜Fig.1 Prompt fission neutron spectrum of 235U.

235U瞬發(fā)裂變中子能譜的平均能量為2 MeV，因此，當?shù)貙又泻檿r，由于熱中子和235U發(fā)生裂變反應(yīng)增加了地層中的超熱中子通量。來自脈沖中子源慢化產(chǎn)生的超熱中子和來自235U裂變反應(yīng)產(chǎn)生的超熱中子可以在時間上區(qū)分開。記錄脈沖中子源產(chǎn)生的中子脈沖結(jié)束后，一段時間內(nèi)的超熱中子計數(shù)可以反映地層的含鈾量。

2 地層條件下探測器處235U瞬發(fā)裂變中子的能量分布

雖然熱中子和235U裂變反應(yīng)產(chǎn)生的瞬發(fā)裂變中子能譜可以用麥克斯韋曲線表示，但次級裂變中子在地層中從產(chǎn)生到被探測器記錄的過程中，和地層中原子核發(fā)生碰撞被減速、吸收，因此由探測器記錄的能反映地層含鈾量的瞬發(fā)裂變中子能量分布并不是初始的麥克斯韋分布。

為了研究地層條件下瞬發(fā)裂變中子鈾礦測井儀探測中子的能量分布，利用MCNP5數(shù)值模擬程序，建立裸眼井條件下瞬發(fā)裂變中子鈾礦測井的計算模型[6–8]：井眼直徑為10 cm，地層設(shè)置為內(nèi)外半徑分別為5 cm和75 cm、高為140 cm的圓筒狀，地層骨架為含鈾砂巖，地層孔隙度為5%，孔隙中飽含淡水；測井儀器外徑為56 mm，采用14 MeV的D-T脈沖中子源，中子源位于儀器下端，儀器貼井壁，中子脈沖寬度設(shè)為40 μs；超熱中子探測器中心與源距離為35 cm；模擬的源抽樣粒子數(shù)為2×108個，采用分裂與賭的減小方差技巧，保證總計數(shù)誤差小于1%；數(shù)值模擬的地層及儀器模型示意圖見圖2。研究鈾礦測井儀的超熱中子探測器探測效率時，需以裂變中子在地層中的能量分布為依據(jù)。

圖2 蒙特卡羅數(shù)值模擬模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of MCNP simulation model.

在超熱中子探測器處，分別記錄地層含鈾和不含鈾時，源中子脈沖結(jié)束后，進入探測器柵元的中子能量分布，進行歸一化，然后將兩種條件下的能譜按能量進行相減，從而得到地層條件下由于含鈾而增加的裂變中子能量分布，如圖3所示。

對比圖1和圖3可以看出，在地層中由于瞬發(fā)裂變中子和各種核素發(fā)生碰撞、慢化，使得探測器處能記錄到的裂變中子能量分布發(fā)生了變化，不再符合麥克斯韋分布，低能中子相對強度變大。因此，

圖3 地層條件下探測器處瞬發(fā)裂變中子能譜Fig.3 Detected spectrum of prompt fission neutron in formation.

3 超熱中子探測器的優(yōu)化設(shè)計

3.1熱中子吸收體的選擇

選用最常用的熱中子吸收材料鎘(Cd)，為研究不同厚度的鎘片對熱中子吸收情況，利用MCNP5程序模擬熱中子透過不同厚度(DCd=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1 mm)鎘片后剩余的熱中子通量，計算得到鎘片對熱中子的吸收率和鎘片厚度的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 鎘熱中子吸收率和厚度的關(guān)系Fig.4 Relationship between thermal neutron absorption rate and thickness.

由圖4可以看出，0.3 mm的鎘片對熱中子的吸收率已經(jīng)超過了90%，在實際儀器設(shè)計過程中采用0.5 mm的鎘片包裹在超熱中子探測器的最外層，已經(jīng)能吸收絕大部分來自源中子慢化產(chǎn)生的熱中子。

3.2中子慢化材料

測井儀中采用的中子慢化材料除了需要具有較高的中子減速截面外，還需要具有易加工成形、具有一定的結(jié)構(gòu)強度并耐高溫高壓的特點，本文選用最常用的聚乙烯和有機玻璃作為研究對象。

3.3中子慢化體和3He管的尺寸

由于鈾礦測井儀器的骨架尺寸限制，超熱中子探測器在徑向上尺寸一定，在軸向上有直徑為4.9 cm的空間，去除前述厚為0.5 mm的包裹鎘片，中子慢化體和3He管有直徑為4.8 cm的空間。

為研究不同厚度中子慢化材料和3He管組合對來自地層的瞬發(fā)超熱中子探測效率，利用MCNP5程序建立探測器數(shù)值模擬計算模型：探測器模型為圓柱型，外徑4.9 cm，由外到內(nèi)依次為0.5 mm的鎘皮、慢化材料和3He管探測器，模型橫截面如圖5所示。在探測器外設(shè)置圓柱型中子源，源能量分布為如圖3所示的瞬發(fā)裂變中子地層譜，3He管探測器內(nèi)充氣壓為1.0 MPa。

圖5 超熱中子探測器蒙特卡羅模型橫截面圖Fig.5 Cross section diagram of Monte Carlo model of epithermal neutron detector.

慢化體厚度和3He管探測器直徑如表1所示。在3He管探測器柵元處利用F4計數(shù)卡記錄進入探測器的中子數(shù)，結(jié)合Fm卡計算和3He發(fā)生反應(yīng)的中子數(shù)，得到不同組合條件下探測器的探測效率，如圖6所示。

由圖6可以看出，在相同厚度的慢化體條件下，利用聚乙烯作慢化體的超熱中子探測器，其探測效率高于有機玻璃；在空間一定的條件下，隨著慢化體厚度的增加以及探測器尺寸的減小，超熱中子探測器的探測效率先增加后減小，存在一個最佳的尺寸組合，使探測器的探測效率最大；由圖6中數(shù)據(jù)可以得到，在外徑為4.8 cm條件下，聚乙烯或有機玻璃作慢化體時，1.1 cm的慢化體和直徑2.6 cm的3He管組合達到最大的超熱中子探測效率。

表1 慢化體厚度和3He管直徑尺寸Table1 Thickness of moderator material and diameter of 3He tube.

圖6 不同組合條件下的探測效率Fig.6 Detection efficiency under different combination conditions.

4 儀器實驗結(jié)果

根據(jù)上述的數(shù)值模擬計算結(jié)果，在實際的儀器設(shè)計中優(yōu)化慢化體材料、慢化體厚度和3He管的尺寸，在相同測量環(huán)境下，對比儀器優(yōu)化前后的探測效率。

儀器的超熱中子探測器最外層鎘片厚度0.5 mm不變，分別改變慢化體材料、厚度，采用相應(yīng)尺寸的3He管，如表2所示。

儀器其他參數(shù)保持不變，在同一個模型井中分別進行同樣工作參數(shù)的試驗，得到不同探測器條件下的超熱中子計數(shù)率時間衰減譜，如圖7所示。

由圖7可以看出，超熱中子時間衰減譜可以分為三部分：第一部分為超熱中子計數(shù)率快速上升時間段(0＜t＜50 μs)；第二部分為超熱中子計數(shù)率快速下降段(50 μs＜t＜100 μs)；第三部分為超熱中子計數(shù)率相對緩慢下降段(t ＞100 μs)。由瞬發(fā)裂變中子鈾礦測井原理可知，前100 μs為中子源產(chǎn)生的快中子慢化得到的超熱中子計數(shù)，100 μs之后為來自地層的由熱中子和235U發(fā)生裂變反應(yīng)產(chǎn)生的裂變超熱中子。對比實驗組1和2得到的時間衰減譜可以看出，相同的慢化厚度條件下，利用聚乙烯作慢化材料的探測器計數(shù)率高于有機玻璃為慢化材料的；對比實驗組2和3得到的時間衰減譜可以看出，1.1 cm厚的聚乙烯和直徑2.6 cm的3He管探測器組合計數(shù)率高于0.6 cm厚聚乙烯和直徑3.2 cm的3He管探測器組合，和前述數(shù)值模擬結(jié)果一致。

表2 超熱中子探測器探測效率實驗條件Table2 Experiment condition of epithermal neutron detector efficiency.

圖7 不同條件下實測超熱中子時間衰減譜Fig.7 Measured epithermal neutron time spectrum under different conditions.

計算地層含鈾量是利用來自地層的裂變超熱中子計數(shù)，即時間t ＞100 μs的計數(shù)率為反映地層含鈾信息的有效計數(shù)率。根據(jù)圖7中數(shù)據(jù)，實驗組1、2、3有效計數(shù)率分別為8.22/s、11.01/s和13.69/s，以實驗組1數(shù)據(jù)為基準，實驗組2有效計數(shù)率提高了33.94%，實驗組3有效計數(shù)率提高了66.55%，說明優(yōu)化探測器設(shè)計有效地提高了儀器的探測效率。

5 結(jié)語

利用Monte Carlo程序MCNP5，模擬研究了瞬發(fā)裂變中子鈾礦測井探測的來自地層的瞬發(fā)裂變中子的能量分布，以及超熱中子探測器慢化體和3He管探測器的尺寸與探測效率的關(guān)系。模擬結(jié)果表明，以聚乙烯作慢化材料的超熱中子探測效率高于有機玻璃作慢化材料的探測器；在外徑4.8 cm的空間內(nèi)，利用聚乙烯或有機玻璃作慢化材料，1.1 cm的慢化體和直徑2.6 cm的3He管組合達到最大的超熱中子探測效率；根據(jù)模擬結(jié)果對儀器進行了優(yōu)化設(shè)計并進行實驗對比，實驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果吻合，厚度為1.1 cm、0.6 cm的聚乙烯慢化體和3He管組成的探測器探測效率比厚度0.6 cm的有機玻璃慢化體組成的探測器分別高66.55%和33.94%。

1 劉應(yīng)都, 張國強, 王宏偉, 等.3He 正比計數(shù)器探測效率模擬及靈敏度刻度[J]. 核技術(shù), 2012, 35(3): 175–178

LIU Yingdu, ZHANG Guoqiang, WANG Hongwei, et al. Simulation of detection efficiency for a3He proportional counter and its sensitivity calibration[J]. Nuclear Techniques, 2012, 35(3): 175–178

2 Briesmeister J F. MCNP-A general Monte Carlo N-particle transport code[R]. Los Alamos National Laboratory, 2000

3 張法邦, 吳清泉. 核反應(yīng)堆運行物理[M]. 北京: 原子能出版社, 2000: 38–42

ZHANG Fabang, WU Qingquan. Nuclear reactor operating physics[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 2000: 38–42

4 Czubek J A. Pulsed neutron method for Uranium well logging[J]. Geophysics, 1972, 37(1): 160–173

5 West J, Hallenburg J. Uranium ore body analysis using the DFN technique[C]. SPWLA 19rdannual logging symposium, 1978

6 張鋒, 徐建平, 胡玲妹, 等. PNN測井方法的蒙特卡羅模擬結(jié)果研究[J]. 地球物理學報, 2007, 50(6): 1924–1930

ZHANG Feng, XU Jianping, HU Lingmei, et al. Monte Carlo simulation result for the pulsed neutron-neutron logging method[J]. Chinese J Geophys, 2007, 50(6): 1924–1930

7 黃隆基. 放射性測井原理[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 1996: 136–158

HUANG Longji. Nuclear logging principle[M]. Beijing: Petroleum Industry Press, 1996: 136–158

8 張鋒, 王新光. 脈沖中子全能譜測井閃爍探測器響應(yīng)特性的蒙特卡羅模擬[J]. 原子能科學技術(shù), 2009, 43(1): 90–96

ZHANG Feng, WANG Xinguang. Monte-Carlo simulation for response characteristic of scintillator detector in pulsed neutron whole energy spectrum logging[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2009, 43(1): 90–96

CLCTL816+.3

Optimization study of epithermal neutron detector in prompt fission neutron uranium logging

WANG Xinguang LIU Dan WANG Guobao
(China Institute of Atomic Energy,Beijing 102413,China)

Background:Prompt fission neutron uranium logging is a method for uranium exploration. Pulsed neutron source and epithermal neutron detector are used to detect the prompt epithermal neutron from the fission of thermal neutron and235U. Purpose: The efficiency of epithermal neutron detector of the logging instrument need to be improved. Methods: The energy distribution of fission neutron detected by the epithermal neutron detector, as well as the detection efficiency of epithermal neutron detector with different sizes of moderator are studied by Monte Carlo simulation. Results: Under the studied conditions, the optimal sizes of neutron moderating material and neutron detector are obtained, which is the combination of 0.5-mm thick cadmium, 1.1-cm thick polyethylene and 2.6-cm diameter3He tube. Conclusions: In the space with outer diameter of 4.8 cm, the maximum of the epithermal neutron detection efficiency was achieved by combination of a 1.1-cm thick tube and a 2.6-cm diameter3He moderator when using polyethylene or organic glass as the moderator material.

Epithermal neutron detector, Uranium logging, Prompt fission neutron, Monte Carlo simulation, Detection efficiency

TL816+.3

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.060401

王新光，男，1985年出生，2010年于中國石油大學(華東)獲碩士學位，現(xiàn)為中國原子能科學研究院博士研究生，專業(yè)：核測井方法

2013-01-28，

2013-04-01