脈沖中子孔隙度測井屏蔽體的蒙特卡羅研究

于華偉，張 鋒

（中國石油大學（華東）地球科學與技術學院，山東 青島 266580）

0 引言

在隨鉆脈沖中子孔隙度測井中，儀器屏蔽體的選擇對于測井儀器的設計是非常重要的，中子屏蔽的效果會對測量結果產生影響[1]。如果屏蔽不好會使中子發生器發射的中子未與地層發生作用，而直接到達探測器，這會使測量的地層孔隙度誤差增大，給油氣層的評價產生干擾。傳統的中子孔隙度測井都是使用化學中子源，而化學中子源具有強烈的放射性，存在著運輸、儲存和處理等嚴重問題，為了降低儀器的使用風險，本研究中的隨鉆中子孔隙度測井是使用脈沖中子源，可選的源有D-T或D-D[2]。由于測井儀器的中子源發生了變化，因此需要對中子屏蔽體進行重新設計。

本文使用核物理領域廣泛使用的蒙特卡羅模擬程序（MCNP），分別針對隨鉆脈沖中子孔隙度測井中儀器的D-T和D-D脈沖中子源，采用分層、分能量段的方法，進行中子屏蔽體材料和結構設計，為今后進行這種新型測井儀器的研制打下基礎[3]。

1 原理

1.1 脈沖中子孔隙度測井原理

隨鉆脈沖中子孔隙度測井是使用中子發生器以脈沖方式釋放快中子，在相對中子源的不同距離的兩個觀測點上，分別放置兩個熱中子探測器（分別為近探測器和遠探測器），測量經過地層慢化并擴散回井眼的熱中子，用近探測器計數率與遠探測器計數率的比值測定地層含氫量。由于氫通常含于地層孔隙內的液體中，所以含氫量與地層孔隙度有關，由此可計算出地層孔隙度[4]。

可以用于隨鉆脈沖中子孔隙度測井儀器的中子發生器主要有兩種： D-T或D-D中子發生器，它們釋放的中子能量分別為14 Mev、2.5 Mev[5-6]。

1.2 中子反應

中子與物質的相互作用主要有：彈性散射、非彈性散射、輻射俘獲等。能量較高的快中子首先與物質發生非彈性散射反應,使其能量降低,然后比較傾向于彈性散射,當中子能量降低到熱中子能區時,就很容易發生輻射俘獲反應,被物質所吸收。

中子屏蔽通常采用多層結構，第一層一般為重金屬,本文選取鎢、鉛、銅、鐵、鎳、錫等進行研究,它們具有較大的非彈性散射截面,可以把快中子能量迅速降至1 Mev 以下；第二層，中子與物質主要發生彈性散射損失能量,最有效的減速材料為含氫物質或原子量較小的物質，常見的有聚乙烯、聚四氟乙烯、石墨、碳化硼等；經過彈性散射之后,大多數中子能量降低到熱中子能區,可以使用較薄的一層具有較大熱中子吸收截面的元素將其吸收掉,常用的元素有硼或鎘等[7-9]。表1列出了本文研究時用到的幾種屏蔽材料的物理參數。

表1 屏蔽材料的物理參數

2 計算模型

本文使用在核測井領域廣泛使用的蒙特卡羅模擬程序（MCNP），構建了儀器、井眼和地層的計算模型。脈沖中子孔隙度測井儀器主要包括一個中子發生器，兩個3He中子計數管以及相應的電路和機械部件，中子發生器與近探測器之間及近、遠探測器之間都放置屏蔽體。井眼直徑為8.5in，儀器直徑為6.75in，儀器裝有探測器的一側貼近井壁，井眼中充填淡水，地層為飽含淡水的石灰巖。如圖1為MCNP構建的脈沖中子孔隙度測井模型，中子發生器與探測器之間及探測器與探測器之間都放置了屏蔽體，儀器各部件都放置在鉆鋌內，鉆鋌中間的通道為泥漿通道。

由于本文主要研究屏蔽體的材料和結構，所以使用抽樣技巧只讓中子發生器向探測器方向發射快中子，使用F2型計數分別對各種屏蔽材料計算屏蔽體與近探測器接觸面上的中子通量。

3 模擬與討論

由于各種屏蔽材料對不同能量中子的屏蔽效果不一樣，所以對近探測器屏蔽體采用多層結構設計，第一層主要是將快中子能量減速到1 Mev以下，第二層結構主要是將能量在1 Mev以下的中子減速到熱中子能區，而較薄的一層含硼或鎘的物質就可以完全吸收掉熱中子，所以只需對屏蔽體的前兩層結構進行研究。本文針對隨鉆脈沖中子孔隙度測井儀器中使用的D-T和D-D脈沖中子源，使用蒙特卡羅模擬就不同屏蔽材料對初始能量為14 Mev、2.5 Mev和1 Mev的中子的屏蔽效果進行研究，分析、優選每層屏蔽結構的材料和長度。

3.1 D-T源14 Mev快中子屏蔽

分別選取表1列出的鎢、銅、鐵、鉛、錫、鎳等重金屬，以及石墨、聚乙烯、聚四氟乙烯、碳化硼等輕核材料作為屏蔽體，研究它們對D-T源釋放的14 Mev快中子的減速能力。對每一種屏蔽材料設置其長度從0 cm到30 cm變化，使用MCNP來記錄通過近探測器與屏蔽體接觸面的1～14 Mev中子通量，計算結果歸一化到單個粒子，結果如圖2所示。

圖1 儀器的計算模型

圖2 1～14 Mev中子通量隨屏蔽長度的變化

從圖2中可以看出在半對數坐標下，隨著屏蔽體長度的增加，快中子的平均面通量基本都呈現線性減少的規律。面通量數值越小，說明對快中子的減速能力越強。對于D-T源發射的14 Mev快中子：鎢的減速能力最強，增加相同的長度時，快中子計數減少得最快；其次是銅、鎳、鉛、錫和鐵；而碳化硼、石墨、聚四氟乙烯、聚乙烯等輕核材料屏蔽快中子效果明顯要差于重金屬材料。

綜上分析，單純從減少中子計數的方面考慮，鎢是最理想的屏蔽材料。但是在儀器設計時還要考慮儀器重量、造價等因素，由圖2可以看出12 cm的鎢和銅分別可以將98.77%和98.67%的快中子減速到1 Mev以下，所以可以選用銅或含鎢合金作為D-T源的第一層快中子減速材料。

3.2 D-D源2.5 Mev快中子屏蔽

使用上面的研究方法，針對D-D源釋放的2.5 Mev快中子，同樣使用鎢、銅、鐵、鉛、錫、鎳等重金屬，以及石墨、聚乙烯、聚四氟乙烯、碳化硼等輕核材料進行不同長度屏蔽效果的研究。由于D-D源發射的中子初始能量為2.5 Mev，所以使用MCNP記錄通過近探測器與屏蔽體接觸面的1～2.5 Mev中子通量，計算結果如圖3所示。

圖3 1～2.5 Mev中子通量隨屏蔽長度的變化

從圖3中可以看出，對于D-D源釋放的能量為2.5 Mev的快中子：鎢的減速能力最強，在增加相同的長度下，快中子計數減少得最快；其后依次是碳化硼（B4C）、聚乙烯、鎳、銅、鐵、石墨、聚四氟乙烯、鉛以及錫。可見，由于D-D源釋放的快中子能量相對較低一些，所以不僅重金屬材料對其減速能力強，而且輕核材料對其的減速效果也比較好，特別是碳化硼和聚乙烯這兩種材料，它們對這種能量中子的減速效果要好于銅、鐵等重金屬。

雖然，鎢是最理想的屏蔽材料，但碳化硼、聚乙烯的效果也非常好，可以作為鎢的替代材料，由圖3可以看出6 cm的鎢和碳化硼分別可以將98.12 %和97.69 %的快中子減速到1 Mev以下。綜合考慮儀器重量、造價等因素，可以選用碳化硼替代鎢作為D-D源的第一層快中子減速材料。

3.3 能量為1 Mev快中子屏蔽

由于屏蔽體的第二層結構的作用是繼續慢化剩余的快中子、將能量為1 Mev以下的中子減速到熱中子能區。所以，針對初始能量為1 Mev的快中子，同樣使用上面用到的屏蔽材料進行不同長度屏蔽效果的研究。使用MCNP記錄通過近探測器與屏蔽體接觸面的5×10-7～1 Mev中子通量，計算結果如圖4所示。

圖4 5×10-7～1 Mev中子通量隨屏蔽長度的變化

從圖4中可以看出，對于初始能量為1 Mev的中子：碳化硼的慢化效果最好，其次是聚乙烯、石墨；重金屬材料對于這個能量段的快中子慢化能力普遍要低于這幾種輕核材料。所以碳化硼是1 Mev以下能量段的最佳屏蔽材料，由圖4可以看出6 cm厚的碳化硼可以將98.38%的中子減速到熱中子能區。因此，6 cm厚的碳化硼既可以作為D-T也可以作為D-D源的第二層屏蔽材料。

由于屏蔽體第二層的最佳材料為碳化硼，且其中硼元素具有非常大的熱中子吸收截面（10B對熱中子的吸收截面為3837 b），所以屏蔽體的第二層結構不僅起到了對中子減速的作用，還可以吸收掉產生的熱中子，因此本文不用再對熱中子的吸收進行單獨研究。

4 結論

通過對隨鉆脈沖中子孔隙度測井儀器屏蔽結構的綜合研究、分析，可以得出以下結論：

（1）儀器分別使用D-T和D-D源時，所選用的屏蔽材料和屏蔽體厚度是不同的，并且屏蔽體最好是兩層結構；

（2）當儀器使用D-T源時，最理想的屏蔽體結構為第一層選12 cm的鎢、第二層選6 cm碳化硼，其中第一層可以選用銅作為鎢的替代材料；

（3）當儀器使用D-D源時，最理想的屏蔽體結構為第一層選6 cm的鎢、第二層選6 cm碳化硼，其中第一層也可以選用碳化硼作為鎢的替代材料；

（4）當屏蔽體第二層結構選用碳化硼時，可以很好的起到吸收熱中子的作用，不用再專門設置熱中子屏蔽層。

[1][1]吳文圣.中子γ測井儀的中子屏蔽研究[J].核電子學與探測技術, 2004, 24(1): 24-26.

[2]Committee on Radiation Source and Replacement.Radiation Source Use and Replacement [M].Abbreviated Version.Washington: National Academies Press, 2008.

[3]Briesmeister J F.MCNPTM , A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 4C[R].Report LA-13709-M.New Nexico: Los Alamos National Laboratory, 2000.

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[5]Tak Pui Lou.Compact D-D/D-T neutron generators and their applications [D].Berkeley: University of California, 2003.

[6]Seabury E, Blackburn B, Chichester D, et al.Comparison of DD, DT and Cf-252 neutron excitation of light and medium mass nuclei for field PGNAA applications [J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 261 (2007): 839-844.

[7]趙新輝,谷德山,任萬彬.基于MCNP程序模擬的14 Mev中子準直屏蔽材料的研究[J].東北師大學報:自然科學版,2006:38(4):59-63.

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[9]戴宏毅,楊化中,蘇桐齡.用蒙特卡羅方法計算快中子屏蔽體的厚度[J].國防科技大學學報, 1996:18(01):129-134.