Сделай Сам Свою Работу на 5

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); R1Rn - 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 R1Rn, 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 = , 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.