中子测井是通过快中子与地层物质相互作用来研究地层岩性、孔隙度和寻找矿藏的测井方法。快中子进入地层后，为地层元素所减速，直至俘获。通过对不同能量中子的测量，可获得地层的某些性质及地层中矿藏等有关信息。采用脉冲调制的加速器中子源的测井方法简称为脉冲中子测井。测井时向地层发射能量为14 MeV的中子，经过非弹性散射、弹性散射和俘获辐射等相互作用过程，生成可供测量的超热中子和次生γ射线.研究这些射线场的时间和空间分布，可确定地层的岩性、孔隙度、含油饱和度以及进行地层动态监测。

中子发生器作为小型加速器中子源，具有轻便、可移动、单色性好、基本上无γ本底、使用安全、无辐射危害等诸多优点，尤其是中子发生器可依据一定的外部触发信号发射脉冲中子，多年来在核测井领域中发挥了独到的作用。随着中子发生器越来越多的应用前景，与之相关的辐射防护问题也需得到更多的关注。

1 中子发生器 1.1 组成

测井中子发生器由中子管和中子管外接电路组成。中子管是将离子源、加速系统、靶子以及气压调节系统密封在一个陶瓷或玻璃管内，形成一个小型的特种电真空器件。中子管实质上是一种最小型的加速器，其性能决定着中子发生器的产额、寿命、稳定性等诸多指标。中子管可以在外接电路的控制下，由离子源产生氘离子，经加速后轰击氚靶，与靶中的氚产生核反应，产生14 MeV的快中子。中子管外接电路通常由离子源电路和密封加速高压组成。离子源电路决定于中子管离子源的结构。如采用冷阴极潘宁离子源的中子管需要2 kV左右的阳极脉冲高压，而热阴极中子管所需的阳极高压则很低。密封加速高压一般采用倍加整流电路。

1.2 工作原理

中子测井是把装有中子源和探测器的下井仪器放入井内，由于中子源发射的快中子按球状向外迁移，在穿过井孔介质进入岩层的过程中，高能量中子与物质的原子核相互作用而减速，扩散和被吸收其能量不断损失或减弱。利用中子与钻井周围岩石和井内介质其作用、研究钻井剖面、寻找有用矿藏及研究油井工程质量的一种矿场地球物理方法。中子发生器以脉冲方式工作，故称之脉冲中子发生器，脉冲中子发生器用于测量岩层吸水情况及地层含水饱和度的监测，为油田开发提供准确数据。

中子发生器测井是利用中子发生器作为脉冲中子源发射14 MeV快中子对地层进行测量。该中子具有很强的穿透能力，可以穿过仪器外壳、井液、套管、水泥环，射入地层数十厘米。当中子轰击地层时，快中子和地层的元素发生非弹性散射(n，n')和弹性散射(n，n)外，还有热中子的(n，p)反应。快中子的非弹性散射(n，n')会伴随产生非弹性散射γ射线、热中子被吸收发生(n，γ)反应伴随产生俘获γ射线。

由于地层中元素的差异，使其产生的非弹性散射和俘获γ射线的能谱也不同，利用中子发生器顶端的高分辨率探测器记录下每种能量γ射线的个数，再由多道脉冲幅度分析仪给出各种核素的谱，输入电脑储存，记录下C/O的比值，由地层中的C/O比值确定储层含油饱和度。

1.3 工作流程

中子发生器暂存在放射源暂存库中，接到测井工作任务后，办理放射源出库及运输等相关手续，委托有放射性物品运输资质的单位将中子发生器运送至测井作业现场。在海上石油平台实施测井作业时，公司工作人员负责通知海上平台经理和安全监督人员，并由安全监督人员广播通知测井作业地点，对现场进行清场，然后测井工作人员开始实施测井工作。测井工作人员先安装好仪器，再根据探测需求，由机械将探测仪器输送到水下1000~4000 m不等，开始通电测井，通电过程中，中子发生器始终位于水下1000 m以上深处。作业结束后，先对中子发生器断电，停止其工作，按照操作规程经过一段时间后，再通过机械将中子发生器升上平台，测井作业结束。拆卸仪器前，测量仪器表面一定距离的剂量率水平，直至其达到本底水平后，才能拆卸仪器。测井作业完成后，同样委托具有放射性物品运输资质的单位将中子发生器运回放射源暂存库储存。使用中子发生器进行测井的工作流程主要如下：

1.4 污染源分析

一般中子发生器的电压为100 kV，最大靶电流为620 μA，中子强度为5.0×10⁸n/s，每套中子发生器内部带有一个氚靶，³H密封在严密的包壳中，其放射性活度为3.25×10¹⁰Bq，属于Ⅴ类密封放射源。³H的半衰期约12.1年，主要的衰变方式为β^-。在没有通电工作的状态下，除了³H密封源产生的β、γ射线，不会产生中子及其它的射线以及辐射危害。

中子发生器发射的14 MeV快中子流，快中子流与被作用的核素发生非弹性散射和热中子(n，γ)反应产生的俘获γ射线，中子发生器在测井中被中子活化产生的活化γ射线列表 1。

2 辐射环境影响分析 2.1 刻度过程

刻度车间长24 m，宽10 m，高2.6 m，墙体为厚度300 mm的混凝土中间加一层重晶石材料，车间大门为铅门。测井仪刻度在专用刻度箱内进行。刻度箱尺寸：10 668 mm(长)×3658 mm(宽)×3302 mm(高)。刻度箱箱体、间隔墙采用25 mmPVC(聚氯乙烯)+25 mm铅板+25 mmPVC，箱外加4 mm铁皮，箱体壁厚约8cm。

刻度箱内部布局分为操作区和刻度区，刻度区内设水槽，操作人员在操作间通过操作台对测井仪进行刻度。刻度区尺寸：8001 mm(长)×3658 mm(宽)×3302 mm(高)，刻度水槽的尺寸：6220 mm(长)×1460 mm(宽)×1000 mm(高)。

如果有业务需要将中子发生器放入刻度箱内的水槽内，人员撤离至最少3 m以外的屏蔽区内，待确保周围环境安全的情况下，对中子发生器进行通电刻度，整个刻度过程中警示灯和隔离带将确保安全距离的有效性。待刻度结束后，将中子发生器停止工作大约一个小时时间，确保无脉冲电压，方可对中子发生器进行断电拆卸。

公式及相关参数选自《辐射防护手册》第一分册及《中子发生器及其应用》中子透过厚度为t的屏蔽层，在离源r处形成的快中子当量剂量的估算公式为：

$ {\dot H_{{E_0}tr}} = {\mathit{\Phi }_{{E_0} \cdot r}}{k_{H\left( {{E_0}} \right)}}{F_{\left( {{E_0}t} \right)}} $

式中：${\dot H_{{E_0}tr}}$-能量为E₀中子，透过t厚度的屏蔽材料，在r处的当量剂量mSv/h；Φ_E0-能量为E₀中子，在无屏蔽情况下，r处的中子通量密度Bq/cm²；k_H(E0)-能量为E₀的中子通量，与当量剂量的中子换系数$ \frac{{{\rm{mSv}}/{\rm{h}}}}{{{\rm{Bq}}/{\rm{c}}{{\rm{m}}^2}}} $；F_(E0t)能量为E₀的中子透过厚为t的屏蔽材料的减弱因子。

刻度水槽南北放置，中子发生器在进行刻度时，源到西墙外侧点位水屏蔽73 cm，PVC 5 cm，Pb25 mm，水泥30 cm，r取10 m。

由“辐射防护手册第一册”查出

F(E₀，73 cmH₂O+5 cm PVC+30 cm水泥+25 mm铅板)·KH=3.5×10^-6$\frac{{{\rm{mSv}}}}{{{\rm{Bq}}/{\rm{c}}{{\rm{m}}^2}}}$。

将上述参数代入公式

$ {\dot H_{{E_0}tr}} = \frac{{3 \times {{10}^7}}}{{4\pi {r^2}}} \times 3.5 \times {10^{ - 6}} = 8.4 \times {10^{ - 4}}{\rm{mSv}}/{\rm{h}} $

其散射γ射线剂量率最大等于快中子当量剂量，即也为8.4×10^-4mSv/h。

中子发生器刻度时其西墙最大的当量剂量率为1.7×10^-3mSv/h，每年刻度120分钟，其年当量剂量为3.4×10^-3mSv/a。

2.2 使用过程 2.2.1 井下测井时井口剂量和中子管检验时井口剂量

根据操作规程，中子发生器在进行井下测井作业时，当中子发生器距井口大于100 m后，供电开始并脉冲中子测井工作，工作人员在平台上通过相关设备进行操作，中子管发射出的中子几乎都是快中子，在屏蔽层中主要通过散射和非弹性散射损失能量，最后被井水和岩层物质吸收，主要放出γ射线。在该过程中，主要考虑中子的危害，因此屏蔽主要考虑中子的屏蔽。

利用《中子发生器及其应用》^[7]推荐的估算模式和参数，水层厚度取探测最小深度1000 m，T_1/10为水中十分之一层减弱厚度值，40 cm，中子被探测的岩层吸收中子后会放出一些γ射线，照射量约为中子照射剂量当量的两倍，远远低于背景值，表明在测井作业过程中对井口无辐射影响，其对井口的工作人员和公众造成的剂量可忽略不计。中子管检验在井下1000米以下，检验时间10分钟，远远低于背景值，其造成的辐射环境影响可忽略不计。

2.2.2 活化产物剂量估算

杨本等报道其它测井用脉冲中子发生器连续工作1.5小时，关机1小时后的中子发生器在地面周围γ辐射剂量率，见表 2。

从表中监测数据分析可知，中子发生器(中子管)停止工作初期(30分钟~120分钟)表面有一定量的γ剂量率，随着距离增加其剂量率变小。

在测井工作时要求在井口周围有工作人员情况下，测井中子发生器在井下工作深度停机30分钟后到提升至井的时间不得少于1小时；在井口周围无工作人员情况下，从停机后到中子管装箱时间不得少于1小时。

由此可见，中子发生器在非使用状态下的存库、搬运过程，以及正常的测井操作过程中，对操作人员的辐射影响基本可以忽略，主要的辐射影响是测井工作完成后，中子发生器因被活化而短时间内对工作人员的辐射外照射。由表 2中停机1小时数据计算工作人员受照剂量，假设工作人员每年完成100次测井任务，单次测井累计受照时间为10分钟，则工作人员年受照剂量为0.31 mSv，远远低于其剂量约束值2 mSv/a。另外，该过程中公众距离现场很远，其所受到的辐射影响可忽略不计。。

2.2.3 操作区边界划分

通过前面计算可知，中子测井是在井下距井口1000 m以下进行，井口处的剂量率极低，但出于辐射安全考虑，建议对测井工作现场划定操作区域。参照《油(气)田测井用密封型放射源卫生防护标准》(GBZ 142-2002)对室外操作放射源时附加要求的规定，须在空气比释动能率为2.5 μGy/h处的边界上设置警告标示(或采取警告措施)，防止无关人员进入边界以内的操作区域。

由前面计算可知，正常操作时，井口区域的辐射剂量率水平远远低于2.5 μGy/h，计算中子测井操作边界时，可以认为中子发生器在井口时供电(事故状态)，可根据《中子发生器及其应用》(原子能出版社)中推荐的模式计算井口周围操作区域边界距辐射源的距离R(cm)，计算公式如下：

$ R = {\left[ {3600 \times s \times {d_n}/\left( {4\pi \times D \times 1.1} \right)} \right]^{1/2}} $

式中：s-中子源源强，n/s；d_H-3.33×10^-4μSv/(n/cm²)；D-空气比释动能率，2.5 μGy/h。

计算得出R=41.66 m

从辐射防护最优化的角度考虑，应严格划分测井操作区，并在其边界实施可行、有效的警戒线、警示标志以及其它安全措施。当测井现场由于空间有限无法按照以上划分操作区时，将根据现场环境实际情况设置警示标志，限制周围的人员活动。

3 类比监测

2010年天津市辐射环境管理所受斯伦贝谢中国海洋服务公司委托对其使用的中子发生器(PNG-B型)刻度情况进行辐射环境监测。监测仪器采样BH3105型剂量当量仪，该仪器测量范围为0.1 μSv·h^-1~100 mSv·h^-1，能量响应范围为热中子~14 MeV。测量结果见表 3。

从测量结果可以看出，理论计算与实测结果基本吻合。