И НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ
Аппаратура для различных радиоактивных методов исследования (кроме ЯММ) имеет много общего. Основная функция её — измерение интенсивности нейтронов или гамма-квантов, и потому она содержит электронные схемы для различных методов исследования, базирующиеся в общем на одних и тех же принципах. Главные отличия аппаратуры для различных методов связаны с конструкцией зондов, источника, фильтров и детекторов излучения. Учитывая общую функцию всех типов радиометрической аппаратуры — измерение интенсивности радиации (излучения), эту аппаратуру принято называть скважинными радиометрами.
Конструктивно все радиометры состоят из скважинного прибора (заключенного в прочную стальную или иногда дюралюминиевую гильзу) и наземного пульта, соединенных между собой геофизическим кабелем. Упрощенная блок-схема измерительной части радиометрической аппаратуры показана на рис. 47. Последовательно рассмотрим назначение и устройство отдельных блоков.
Рис. 47. Блок-схема скважинного радиометра
| Детекторы излучения — важнейшие элементы радиометров. В качестве детекторов излучения в скважинной аппаратуре применяют газонаполненные (газоразрядные) или сцинтилля-ционные счетчики.
Газоразрядные счетчики конструктивно представляют собой цилиндрический баллон, по оси которого натянута металлическая нить, служащая анодом (рис. 48). Металлическая (или металлизированная изнутри стеклянная) боковая поверхность баллона служит катодом. Между катодом и анодом подается постоянное напряжение, равное для разных типов счетчиков от 300—400 В до 2—3 кВ.
Счетчики для регистрации гамма-квантов заполняются смесью инертного газа с парами высокомолекулярных органических соединений или с галогенами. При взаимодействии гамма-излучения с катодом из него выбивается электрон в результате одного из процессов, рассмотренных в § 1. Электрон, попадающий в заполненный газом объем счетчика, осуществляет ионизацию газа, т. е., в свою очередь, вырывает электроны из. атомов газа, превращая их в положительно заряженные ионы.
Рис. 48. Устройство и схема включения цилиндрического счетчика
1 - анод; 2 - катод; 3 - изолятор; 4 - стеклянный баллон; 5 - электрический вывод катода
| Эти электроны, называемые первичными, ускоренные электрическим полем, по пути к аноду вызывают вторичную ионизацию и т. д. В результате число электронов лавинообразно возрастает, превышая число первичных электронов в тысячи и сотни тысяч раз — в счетчике возникает разряд. Общее число электронов, возникающих при разряде, увеличивается с ростом напряжения, приложенного к счетчику. При относительно небольшом, напряжении общее число электронов оказывается пропорциональным числу первичных электронов, а следовательно, энергии ядерной частицы, регистрируемой счетчиком. Поэтому счетчики, работающие в таком режиме, называются пропорциональными. При большом напряжении между анодом и катодом общее число электронов перестает зависеть от числа первичных электронов и от энергии регистрируемой частицы. Такие счетчики называют счетчиками Гейгера — Мюллера.
Для регистрации гамма-квантов в скважинных радиометрах применяют счетчики Гейгера — Мюллера. Их преимущество — больший, чем у пропорциональных счетчиков, выходной сигнал (до нескольких вольт), что упрощает усиление и передачу сигналов на поверхность.
На рис. 48 показана схема включения газоразрядного счетчика. Высокое напряжение подается на счетчик через сопротивление R; импульс напряжения (сигнал), возникающий на нем при прохождении разрядного тока, через емкость С подается на первый каскад усилительно-формирующего каскада.
Нейтроны непосредственно не ионизируют газ в счетчике. Поэтому счетчики, предназначенные для регистрации нейтронов, заполняют газом, в молекулу которого входит вещество, при взаимодействии нейтронов с которым возникают быстрые заряженные частицы, производящие ионизацию. Таким веществом является газ фтористый бор ВF3 или один из изотопов гелия 3Не. При поглощении медленных нейтронов ядром изотопа 10В, как указывалось в § 1, образуется альфа-частица. Поэтому при попадании тепловых и надтепловых нейтронов в счетчик, заполненный соединением бора, возникают альфа-частицы, вызывающие разряд в газовом объеме счетчика и импульс напряжения на его выходе. При захвате нейтронов ядром 3Не возникает быстрый протон.
Счетчики нейтронов работают в пропорциональном режиме, что позволяет исключить импульсы от гамма-квантов, которые имеют гораздо меньшую величину, чем импульсы от альфа-частиц, или протонов.
Сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтиллятора, сопряженного с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). При падении гамма-кванта в сцинтиллятор происходит возбуждение атомов последнего. Возбужденные атомы испускают электромагнитное излучение, часть которого лежит в световой области. Кванты света от сцинтиллятора попадают на фотокатод ФЭУ и выбивают из него электроны.
Рис. 49. Принципиальная схема сцинтилляционного счетчика.
1 - сцинтиллятор; 2 - корпус; 3 - отражатель; 4 - фотон; 5 - корпус ФЭУ; 6 - фотокатод; 7 - фокусирующий электрод; 8 - диноды; 9 — собирающий электрод (анод); R1—Rn - делитель напряжения
Фотоэлектронный умножитель кроме фотокатода содержит анод и систему электродов (динодов), размещенную между анодом и катодом (рис, 49). На диноды подается положительное (относительно катода) напряжение от делителя напряжения R1—Rn, при этом чем дальше анод от катода, тем его потенциал выше. В результате электроны, испускаемые фотокатодом при попадании на него света, ускоряются, бомбардируют первый из динодов и выбивают из него вторичные электроны. В дальнейшем эти электроны ускоряются под действием разности потенциалов, приложенной между первым и вторым динодами, бомбардируют второй динод и выбивают из него «третичные» электроны. Так происходит на каждом из динодов, вследствие чего общее количество электронов возрастает в геометрической прогрессии. Общее усиление потока в ФЭУ может достигать 106 раз и более. Таким образом, при попадании вспышки света на фотокатод на входе ФЭУ (на анодном сопротивлении Ra, см. рис. 49) образуется импульс напряжения, через емкость С подаваемый на вход усилителя.
В качестве сцинтилляторов для регистрации гамма-квантов в скважинной аппаратуре используют кристаллы йодистого натрия. Для регистрации нейтронов применяют смесь сцинтиллятора (сернистого цинка) с одним из соединений бора.
Сцинтилляционный счетчик гамма-квантов имеет ряд преимуществ перед разрядным: обладает высокой эффективностью, т. е. регистрирует больше гамма-квантов, проходящих через счетчик (до 20—30% и более для сцинтилляционного и менее 1—2% для разрядных счетчиков). Сцинтилляционные счетчики также позволяют определять энергию регистрируемых гамма-квантов. Последнее обусловлено тем, что интенсивность световой вспышки люминофора пропорциональна энергии кванта. Преимущество счетчиков Гейгера — Мюллера — большая теплостойкость, надежность в работе, менее жесткие требования к стабильности питающего напряжения.
В качестве детекторов надтепловых нейтронов обычно применяют рассмотренные выше детекторы медленных нейтронов (на основе бора или гелия-3), окруженные кадмиевой фольгой толщиной примерно 0,5 мм. Обладая высоким сечением поглощения тепловых нейтронов (2,6·10-25 м2), кадмий их в детектор не пропускает. В счетчик попадают лишь более быстрые нейтроны, в том числе надтепловые. Поскольку чувствительность детекторов на основе бора и гелия-3 уменьшается с ростом энергии нейтронов, таким детектором в основном регистрируются надтепловые нейтроны. В канале НГМ современных отечественных радиометров для увеличения эффективности; счетчиков часто применяют детектор гамма-квантов, также окруженный кадмиевой фольгой. В этом случае кадмий хорошо поглощает тепловые нейтроны, падающие на поверхность детектора, и испускает гамма-кванты, часть которых регистрируется детектором гамма-квантов. Таким образом, детектор с кадмием регистрирует как гамма-кванты, так и тепловые нейтроны. Измеряемая при этом величина (после вычета интенсивности естественного излучения) представляет собой сумму показаний НГМ и ННМ-Т и зависит в основном от водородосодержания пород, как НГМ и ННМ-Т в отдельности.
Эффективность регистрации при применении такого детектора больше, а следовательно, статистическая погрешность меньше, чем у подобного детектора без кадмия. Кроме того, при этом уменьшается влияние хлоросодержания на показания прибора, ибо это влияние для плотности нейтронов и гамма-квантов имеет разный знак. Это второе преимущество применения детектора с кадмием.
В скважинном снаряде радиометров кроме индикаторов располагаются усилитель, или усилительно-формирующий каскад, а также блок питания счетчиков (см. рис. 47).
Импульсы, снимаемые с анода счетчика, усиливаются, а в ряде случаев (когда применяются разрядный счетчик или сцинтилляционный счетчик в интегральном режиме, т. е. без цели определения энергии квантов) производится формирование импульсов с помощью схем, выдающих на выходе импульсы одинаковой амплитуды и продолжительности независимо от величины указанных параметров для входного сигнала.
Усиленный сигнал по двум жилам трехжильного (или по жиле и броне одножильного) кабеля передается на поверхность. По тем же проводам в скважинный прибор поступает постоянный ток для питания его схемы. Поэтому в скважинном приборе и на поверхности имеются фильтры LC и RC, соответственно разделяющие постоянный ток и импульсы скважинного прибора (сигнала).
В наземной части схемы импульсы усиливаются, проходят через дискриминатор, отсекающий (не пропускающий) ложные импульсы небольшой амплитуды, возникающие благодаря возможным помехам, и далее подвергаются нормализации в нормализаторе (на рис. 47 не указан), т. е. им придается строго одинаковая амплитуда и длительность. Каждый из таких импульсов несет строго одинаковый заряд. По суммарному заряду, соответствующему всем импульсам за единицу времени (т. е. по среднему току), можно определять количество импульсов за 1 с, называемое скоростью счета и являющееся первичной измеряемой величиной при всех методах радиометрии скважин.
Преобразование потока отдельных импульсов в постоянный ток с силой, пропорциональной числу импульсов за единицу времени, осуществляется интегрирующей ячейкой (интегратором). Интегратор представляет собой контур, составленный конденсатором С и подключенным параллельно к нему сопротивлением R. Интегратор характеризуется произведением R (в омах) на С (в фарадах), называемым постоянной времени интегрирующей ячейки. Постоянная времени (1,5—30 с) показывает время, в течение которого усредняются импульсы при определении скорости счета.
Интегратор вносит инерцию в работу радиометра. Колебания скорости счета за время, меньшее постоянной времени, не сказываются на величине выходного тока интегратора, которая при исследованиях методами радиометрии регистрируется в виде диаграммы с помощью фоторегистратора или другого регистрирующего прибора.
Иногда при малой скорости счета, а также при исследованиях на «точках» скорость счета определяют, регистрируя все импульсы за некоторое известное время с помощью электромеханического или электронного счетчика импульсов, имеющегося в наземной части аппаратуры.
Калибратор, указанный на рис. 47, выдает вполне определенное количество импульсов за 1 мин (обычно 3000, 6000 и 12 000 имп/мин) и служит для установления масштаба скорости счета при регистрации диаграмм (в имп/мин на 1 см шкалы).
В некоторых типах аппаратуры, называемых спектрометрами гамма-излучения, перед нормализатором имеется специальная схема — амплитудный анализатор, который пропускает лишь импульсы определенной амплитуды, соответствующие квантам заданной энергии. В скважинном приборе спектрометра, естественно, не производится никакой нормализации импульсов; энергия, соответствующая данной амплитуде импульсов, находится с помощью эталонирования по энергии, заключающегося в определении амплитуды импульсов от нескольких источников гамма-излучения с известной энергией квантов.
Измерения при радиометрии имеют ряд особенностей, обусловленных статистической природой радиоактивного распада. Распад каждого атома радиоактивного вещества, как и взаимодействие излучения с веществом, представляет собой случайное событие. Поэтому количество частиц, регистрируемых при радиометрии скважин, не остается постоянным, даже если прибор располагается неподвижно в строго идентичных условиях (статистическая флуктуация).
Оказывается, если проводить многократную регистрацию частиц в одних и тех же условиях в равные интервалы времени, то среднеквадратическое отклонение результатов отдельных измерений от истинного счета N составит , т. е. относительная среднеквадратическая погрешность
, (II.14)
уменьшается с ростом числа N зарегистрированных частиц. Поэтому для уменьшения относительной погрешности измерений необходимо увеличить число частиц, зарегистрированных на данной точке (при измерениях по точкам) или за время нахождения прибора против пласта (при непрерывных измерениях). Это достигается увеличением эффективности счетчиков и интенсивности источников, а когда такое невозможно — за счет увеличения времени измерения на точке и уменьшения скорости регистрации диаграмм.
Кроме того, стремятся к уменьшению степени изрезанности диаграммы и статистических ошибок в каждой ее точке. Для этого увеличивают постоянную времени интегрирующей ячейки τя = RС, т, е. время, в течение которого усредняется интенсивность счета. Считают, что показания в каждой точке диаграммы соответствуют средней скорости счета в интервале времени 2Iτя. Поэтому статистическую ошибку показаний на диаграмме можно получить из формулы (11.14), подставив вместо N величину 2Iτя, где I - скорость счета за единицу времени. Это дает для определения погрешности формулу
(II.15)
Увеличение τя приводит к уменьшению статистических флуктуации на диаграмме (к сглаживанию диаграмм); точность же замеров в среднем по пласту не увеличивается. Однако увеличение τя при данной скорости регистрации приводит также к искажению диаграмм на границе пластов, к росту переходной зоны между пластами, имеющей промежуточные показания. Поэтому большие значения τя (до 15—25 с) берут лишь при очень большой флуктуации (при I<103 имп/мин). При высокой скорости счета I значение τя уменьшают, доводя его до 1,5—3 с (при I>2·104 имп/мин). В радиометрии скважин гораздо большее значение, чем в других методах исследования (кроме термических), имеет скорость регистрации диаграмм: излишне высокая скорость регистрации сокращает время нахождения прибора против отдельных пластов, в связи с чем уменьшается статистическая точность измерений и ухудшается форма кривой на границе пластов. Если считать допустимым искажение переходными процессами на границе пластов диаграммы для интервала разреза, равного Δ (обычно 0,3—0,6 м), то скорость регистрации должна выбираться из условия
(II.16)
Типичные значения и составляют обычно 500—600 м/ч для обзорных и 100—200 м/ч для детальных исследований.
Работы со всеми источниками ядерных излучений относятся к числу вредных. Вредное действие источников возрастает с увеличением дозы облучения, т. е. с увеличением мощности источников и времени облучения и с уменьшением расстояния до источника.
Уменьшение вредного действия до допустимых величин, не угрожающих здоровью работающих, достигается следующими мерами.
1. Устройством на базах геофизических предприятий специальных хранилищ для хранения радиоактивных веществ и источников излучения. После приезда партии со скважины источники передаются в хранилище до возникновения следующей потребности в них.
2. Перевозкой источников только в контейнерах, рассчитанных на соответствующий тип и мощность источника, ослабляющих излучения до допустимых величин. Источники гамма-излучения перевозят в свинцовых или железных контейнерах, нейтронные — в контейнерах, заполненных смесью парафина с одним из соединений бора (карбид бора, борная кислота).
3. Уменьшением времени переноса источников от контейнера в корпус скважинного прибора и обратно, увеличением при этом расстояния от работника до источника, для чего источник переносят с помощью специальных щипцов (манипуляторов) с длин ной ручкой. Существуют специальные разъемные контейнеры с вертикальным сквозным каналом для хранения нижней разъемной части прибора (хвостовика) с источником. На скважине контейнер с хвостовиком ставят на устье скважины, хвостовик присоединяют к верхней части прибора, уже подключенного к кабелю. После этого прибор опускают в скважину через канал контейнера. Спустив прибор на глубину 1—2 м, контейнер можно убрать.
Учитывая, что наибольшую опасность представляют открытые радиоактивные вещества (и особенно их попадание внутрь человека), особое внимание следует обращать на сохранение герметичности источников.
Глава III.
АКУСТИЧЕСКИЕ И ДРУГИЕ
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|