Анализ нейтронных методов ядерной геофизики

Фотоэлектроны, сфокусированные на первый динод, выбивают из него вторичные электроны. Число электронов, покидающих первый динод, в несколько раз больше числа фотоэлектронов. Все они направляются на второй динод, где также выбивают вторичные электроны и т. д., от динода к диноду, число электронов увеличивается в n раз. Рисунок 16.

Рисунок 16. Схема умножения потоков электронов в ФЭУ

где, 1 - источник ядерного излучения; 2 - фосфор; 3 - фотокатод ФЭУ; 4 - диноды; 5 - анод.

При прохождении всей системы динодов поток электронов возрастает на 5-7 порядков и попадает на анод - собирающий электрод ФЭУ. Если ФЭУ работает в токовом режиме, то в цепь анода включаются приборы, усиливающие и измеряющие ток. При регистрации ядерных излучений обычно необходимо измерять число импульсов, возникающих под воздействием ионизирующих частиц, а также амплитуду этих импульсов. В этих случаях в цепь анода включается сопротивление, на котором и возникает импульс напряжения.

В результате фотоэффекта из фотокатода вылетают электроны, которые затем, ускоряясь в электрическом полем, направляются на систему динодов, где за счет вторичной (ударной) электронной эмиссии образуют нарастающую от динода к диноду электронную лавину, поступающую на анод. Обычно коэффициент усиления ФЭУ (число электронов, достигших анода при выбивании из фотокатода одного электрона) составляет 105-106, но может достигать и 109, что позволяет получить на выходе ФЭУ легко регистрируемый электрический импульс. Временное разрешение ФЭУ составляет 10-8-10-9 с.

ФЭУ, предназначенные для сцинтилляционного счётчика, должны обладать высокой эффективностью фотокатода (до 2,5%), высоким коэффициентом усиления, малым временем собирания электронов (~ 10-8 сек) при высокой стабильности этого времени. Последнее позволяет достичь разрешающей способности по времени порядка 10-9 сек. Высокий коэффициент усиления ФЭУ наряду с малым уровнем собственных шумов делает возможной регистрацию отдельных электронов, выбитых с фотокатода. Сигнал на аноде ФЭУ может достигать 100 В.

Принцип работы сцинтилляционного счётчика. Сцинтилляционный счетчик представляет собой сочетание сцинтиллятора (фосфора) и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). В комплект счетчика входят также источник электрического питания ФЭУ и радиотехническая аппаратура, обеспечивающая усиление и регистрацию импульсов ФЭУ. Иногда сочетание фосфора с ФЭУ производится через специальную оптическую систему (светопровод). радиоактивность атомный рентгеновский оптический

Принцип действия сцинтилляционного счётчика состоит в следующем: заряженная частица, проходя через сцинтиллятор, наряду с ионизацией атомов и молекул возбуждает их. Возвращаясь в невозбуждённое (основное) состояние, атомы испускают фотоны. Излученный свет собирается - в спектральном диапазоне сцинтиллятора - на фотоприёмник. В качестве последнего часто служит фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).

Фотоэлектронный умножитель представляет собой стеклянный цилиндр, откаченный до остаточного давления не выше 10-6 мм рт. ст., в торце которого расположено прозрачное плоское окно, на поверхность которого со стороны эвакуируемого объёма нанесён тонкий слой вещества с малой работой выхода электронов (фотокатод), обычно на основе сурьмы и цезия. Далее в эвакуированном пространстве располагается серия электродов - динодов, на которые с помощью делителя напряжения от источника электропитания подаётся последовательно возрастающая разность потенциалов. Диноды ФЭУ изготавливаются из вещества также с малой работой выхода электронов.

Они способны при бомбардировке их электронами испускать вторичные электроны в количествах, превышающих число первичных в несколько раз. Последний динод является анодом ФЭУ. Основным параметром ФЭУ является коэффициент усиления при определённом режиме питания. Обычно ФЭУ содержит девять и более динодов и усиление первичного тока достигает для различных умножителей величин 105 - 1010 раз, что позволяет получать электрические сигналы амплитудой от вольт до десятков вольт. Рисунок 17.

Рисунок 17. Блок - схема сцинтилляционного счётчика.



Фотоны, попадая на фотокатод ФЭУ, в результате фотоэффекта выбивают электроны, в результате чего на аноде ФЭУ возникает электрический импульс, который далее усиливается динодной системы за счёт механизма вторичной электронной эмиссии. Анодный токовый сигнал ФЭУ - через усилитель или непосредственно - подается на вход измерительного прибора - счетчика импульсов, осциллографа, аналого- цифрового преобразователя и т.п. Амплитуда и длительность импульса на выходе определяются свойствами, как сцинтиллятора, так и ФЭУ.

В ряде случаев на выходе усилителя наблюдается большое число импульсов (обычно малых по амплитуде), не связанных с регистрацией ядерных частиц, а именно, импульсов собственных шумов ФЭУ и ускорителя. Для устранения шумов между усилителем и счётчиком импульсов включается интегральный амплитудный дискриминатор, пропускающий лишь те импульсы, амплитуды которых больше некоторого значения порогового напряжения.

Детектирование нейтральных частиц (нейтронов, г-квантов) происходит по вторичным заряженным частицам, образующимся при взаимодействии нейтронов и г-квантов с атомами сцинтиллятора.

Свойства сцинтилляционных детекторов. Длительность импульса в зависимости от используемых сцинтилляторов простирается от 10-6 до 10-9 сек, т.е. на несколько порядков меньше, чем у счетчиков с самостоятельным разрядом, что позволяет осуществлять намного больше скорости счета.

Другой важной временной характеристикой сцинтилляционных счетчиков является малая величина запаздывания импульса после прохождения регистрируемой частицы через фосфор (10-9-10-8 сек). Это позволяет использовать схемы совпадений с малым разрешающим временем (<10-8сек) и, следовательно, производить измерения совпадений при много больших нагрузках по отдельным каналам при малом числе случайных совпадений.

Для регистрации г-кванта необходимо, чтобы он прореагировал с веществом детектора; при этом возникшая вторичная заряженная частица должна быть зарегистрирована детектором. Очевидно, что чем больше находится вещества на пути г-лучей, тем большей будет вероятность его поглощения, тем большей будет эффективность его регистрации. В настоящее время при использовании больших сцинтилляторов добиваются эффективности регистрации г-лучей в несколько десятков процентов. Эффективность регистрации нейтронов сцинтилляторами со специально введенными веществами (10В, 6Li и др.) также намного превышает эффективность регистрации их с помощью газоразрядных счетчиков.

Возможность энергетического анализа регистрируемого излучения связана с тем, что для легких заряженных частиц (электроны) интенсивность вспышки в сцинтилляторе пропорциональна энергии, потерянной частицей в этом сцинтилляторе. С помощью сцинтилляционных счетчиков, присоединенных к амплитудным анализаторам, можно изучать спектры электронов и г-лучей. Несколько хуже обстоит дело с изучением спектров тяжелых заряженных частиц (б-частицы и др.), создающих в сцинтилляторе большую удельную ионизацию. В этих случаях пропорциональность интенсивности вспышки потерянной энергии наблюдается не при всяких энергиях частиц и проявляется только при значениях энергии, больших некоторой величины. Нелинейная связь амплитуд импульсов с энергией частицы различна для различных фосфоров и для различных типов частиц.

Возможность изготовления сцинтилляторов очень больших геометрических размеров обеспечивает регистрацию и энергетический анализ частиц очень больших энергий (космические лучи), а также частиц, слабо взаимодействующих с веществом (нейтрино). Возможность введения в состав сцинтилляторов веществ, с которыми с большим сечением взаимодействуют нейтроны позволяет регистрировать медленные и тепловые нейтроны.

Энергетическое разрешение сцинтилляционных детекторов ДЕ/Е обычно не лучше нескольких процентов.

Полупроводниковый счетчик

В твердых телах, как и в газах, энергия заряженных частиц расходуется на ионизацию и возбуждение атомов, причем пробег частиц в них в 103 раз меньше, чем в газе, а плотность ионизации соответственно выше. Поэтому возможно резкое уменьшение размеров ионизационных камер при сохранении или даже увеличении их эффективности путем замены газа в камере твердым наполнителем. Основной проблемой при этом является выбор твердых тел с подходящей электропроводностью. Перспективным оказалось создание детекторов на основе полупроводниковых материалов.

Для использования полупроводника в качестве детектора ионизирующего излучения в нем создают р--n переход, обладающий большим удельным сопротивлением. Пусть имеются две пластины полупроводника: одна с электронной, а другая с дырочной проводимостью, например, n-германия и р-германия. Если эти пластинки привести в тесное соприкосновение, то в местах их соприкосновения начнется диффузия электронов из n-германия в р-германий. Они нейтрализуют часть дырок в тонком граничном слое р-германия и заряжают его отрицательно. Аналогично тонкий граничный слой n-полупроводника заряжается положительно. В результате создается переход, препятствующий дальнейшей диффузии носителей заряда. Такой переход обладает свойствами диода. Если присоединить n-полупроводник к катоду, а р-полупроводник к аноду, то через переход течет ток, а при обратной полярности толщина р--n слоя растет и система не проводит тока.

При подаче напряжения в запорном направлении основное падение потенциала происходит в р--n слое и он ведет себя как конденсатор или ионизационная камера. При прохождении ионизирующей частицы через запорный слой в нем происходит ионизация и образуются свободные носители заряда. Они под действием поля дрейфуют к соответствующим электродам, так как практически все иоле в счетчике сосредоточено в области р--n перехода и время собирания зарядов равно времени, необходимому для прохождения только этого слоя. Поскольку толщина последнего лишь 10-2--10 мм, полупроводниковые счетчики обладают малым разрешающим временем (10-7--10-9 с).

Затрата энергии на образование пары электрон--дырка в германии и кремнии (3 эВ) в 10 раз меньше, чем для воздуха; а импульс тока на порядок выше, чем в газонаполненной камере. Это наряду с меньшей продолжительностью импульса обеспечивает его относительно высокую амплитуду, достигающую 2 мВ на 1 МэВ энергии частиц.

Амплитуда импульса пропорциональна числу носителей заряда, образованных частицей, а следовательно, ее энергии, если весь ее пробег укладывается в пределах р--n перехода. Поскольку наибольший пробег среди заряженных частиц имеют электроны (примерно 1 мм на каждый мегаэлектрон-вольт энергии), для спектрометрии электронов и г-квантов необходимы детекторы с толщиной перехода не менее нескольких миллиметров.

Увеличение толщины слоя для г-квантов необходимо также для повышения эффективности регистрации. Для регистрации и спектрометрии тяжелых частиц достаточна толщина р--n перехода 10 мкм.

Полупроводниковые детекторы подразделяются на поверхностно-барьерные, диффузные и с р-i-n переходом. Рассмотрим лишь первые, получившие широкое применение для регистрации тяжелых частиц, и последние, используемые для регистрации г-квантов.

Поверхностно-барьерные детекторы обычно изготовляют на основе пластинки n-полупроводника. Для создания электрического контакта на одну из ее плоскостей наносится слой никеля. В атмосфере воздуха тонкий слой на второй стороне пластинки окисляется и приобретает свойства р-полупроводника: возникает р--n переход. На эту поверхность для электрического контакта с р-полупроводником напыляют тонкий слой золота (рисунок 18, а). Толщина чувствительного слоя в р--n переходе (несколько микрометров) достаточна для спектрометрии тяжелых частиц. Слой золота на поверхности должен быть тонким, чтобы через него свободно проходили регистрируемые ядерные частицы.

Рисунок 18. Полупроводниковые детекторы:

а -- поверхностно барьерный; 1 -- n-кремний, 2 -- тонкий слой золота; 3, 4 -- электрические контакты; б -- с p--i--n переходом.

Детекторы с p--i--n переходом имеют большую толщину чувствительного слоя, необходимую для регистрации в-частиц и г-квантов, которую получают внедрением в один из торцов р-полупроводника лития, обладающего высоким коэффициентом диффузии. Таким образом создают три слоя (рисунок 18, б). В слое I, куда не проникли атомы лития, сохраняется р-проводимость. Тонкий слой III с преобладанием донора (лития) приобретает свойства n-полупроводника. Наконец, в промежуточном слое II концентрации доноров и акцепторов равны. Этой слой, не имеющий примесной проводимости и обладающий высоким удельным сопротивлением, называют I-слоем. Толщину I-слоя в отдельных случаях удается довести до 8 мм, что достаточно для получения хорошего энергетического разрешения и неплохой эффективности для г-лучей: 0,7 и 0,2 % для г-квантов с энергией соответственно 0,603 и 1,333 МэВ. Уже созданы детекторы с чувствительным объемом до 10n см3, т. е. сравнимым с объемом сцинтилляторов, имеющие эффективность до 10 %.

Полупроводниковые детекторы отличаются экономичностью питания, компактностью, нечувствительностью (в отличие от ФЭУ) к магнитному полю, а также амплитудным разрешением в 20-- 30 раз лучшим, чем у сцинтилляционных счетчиков. Чтобы повысить эффективность регистрации и долю фотопика в аппаратурном спектре, i-слой должен иметь высокий атомный номер Z. Поэтому p--i--n детекторы для г-излучения изготовляют обычно на базе германия с Z = 32. Однако их широкое применение ограничивается необходимостью охлаждения. При комнатной температуре собственный (темповой) ток детекторов столь велик, что регистрация на его фоне импульсов от ядерных излучений невозможна, поэтому детектор охлаждают жидким азотом. Более того, его и между измерениями необходимо хранить при температуре жидкого азота. Лишь детекторы из сверхчистого германия, требующие охлаждения в процессе работы, могут храниться при комнатной температуре.

Охлаждение жидким азотом детекторов в скважинных приборах создает проблему удаления испарившегося азота. В скважинах, заполненных жидкостью, закрытие системы охлаждения прибора азотом могут работать 6--8 ч, а открытые (с выпуском газа в скважину), применяемые в сухих скважинах, - до 20 ч. Время работы несколько выше при использовании твердого азота и особенно твердого пропана, лучше в смеси с другими углеводородами, что снижает критическое давление и позволяет обходиться без выпуска наружу испарившегося хладоагента. Разработаны

и более теплостойкие детекторы на базе Si, активированного литием, для охлаждения которых достаточно теплоэлектрических холодильников. Созданы детекторы на базе теллурида кадмия и йодида ртути, работающие при комнатной температуре.

2.3 Зонды рентгенорадиометрического каротажа

В отличие от ГГК в РРК применяют зонды, в которых осуществлена геометрия «прямой видимости» (Рисунок 19). Особенность геометрии прямой видимости состоит в том, что детектор регистрирует вторичные излучения (рассеянное и характеристическое рентгеновское) с того же участка поверхности изучаемой среды, который облучается г-излучением источника. Геометрия прямой видимости является необходимым условием, обеспечивающим регистрацию характеристического рентгеновского излучения, так как мягкое Ка -излучение поглощается даже небольшими слоями среды и поступает в детектор только из маломощного поверхностного слоя, проходя минимальные расстояния в среде. Первичное г-излучение также имеет небольшую глубину проникновения, поэтому приходится совмещать площади входа и выхода излучений на поверхности исследуемой среды.

Рисунок 19. Схема устройства для флюорисцентного анализа:

1 - источник г-излучения; 2 - детектор; 3 - анализируемый объект;

4- фильтры Росса; 5 - свинцовые коллиматоры.

В РРК в общем случае отсутствует строгая коллимация испускаемого и регистрируемого излучений, поэтому теория должна учитывать особенности распространения излучения в широких пучках.

Установим зависимость между интенсивностями рентгеновского Ns и однократно рассеянного Ns излучений и содержанием q исследуемого элемента для условий РРК. Учет только однократно рассеянного у-излучения оправдан малыми энергиями первичного у-излучения, для которых многократное рассеяние играет несущественную роль. Геометрия измерений поясняется (Рисунок 20). Расстояния R1 и R2 от источника и детектора до поверхности S среды велики по сравнению с глубиной слоя dx, в котором поглощается первичное у-излучение, поэтому расстояния до слоя dx равны примерно R1 и R2. Вторичные излучения регистрируются в некотором телесном угле, сечение которого с поверхностью среды равно S1. Для упрощения математических выкладок примем ц=ш, что не скажется на общем характере решения.

Рисунок 20. Геометрические отношения в условиях «прямой видимости»:

1 - источник; 2 - детектор.

Систему дифференциальных уравнений для условий рассматриваемой задачи запишем в следующем виде:

где B1 и B2 -- коэффициенты, зависящие от некоторых атомных констант, мощности источника и свойств детекторов, но не зависящие от параметров изучаемой среды;

р - плотность руды;

q - содержание в руде анализируемого элемента;

ф0 -- массовый коэффициент фотопоглощения у-излучения источника для атомов анализируемого элемента;

d?/dЩ-- дифференциальное сечение комптоновского рассеяния;

k0, kr, ks--массовые коэффициенты ослабления, соответственно первичного у-излучения, рентгеновского и рассеянного излучений в руде.

Интегрируя системы (26) по х (от 0 до со) и в пределах площади S1, получаем:

Анализ решения (26) показывает следующее. Интенсивности характеристического рентгеновского и рассеянного излучений в рассматриваемых условиях (пробег квантов в руде мал по сравнению с расстояниями от источника и детектора до поверхности среды) не зависят от плотности руды. Интенсивность Nr характеристического рентгеновского излучения линейно возрастает пропорционально росту, содержания q анализируемого элемента. Состав руды влияет на регистрируемые излучения в той степени, в какой изменяются массовые коэффициенты ослабления первичного и вторичных излучений. Необходимо также подчеркнуть однотипность выражений для N1 и N2, что свидетельствует о примерно одинаковом влиянии геометрических и других условий измерения на рентгеновское и рассеянное излучения.

Для уменьшения влияния помех и с целью стандартизации измерений в РРК применяют способ спектральных отношений. Сущность его заключается в том, что регистрируют отношение скоростей счета в двух каналах спектрометра, один из которых настроен на энергию характеристического излучения, а второй измеряет интенсивность рассеянного г-излучения в энергетическом интервале справа от К-скачка фотопоглощения:

з =

з = з0 +

где з0 = - отношение скоростей счета рассеянного y-излучения в первом и втором каналах в породе (руда с нулевым содержанием полезного компонента). Учитывая формулы (27) и (29), получаем

з = з0 + mq,

Коэффициент пропорциональности m, входящий в формулу (30), слабо зависит от геометрических условий измерений (так как он равен отношению однотипных интегралов) и может изменяться при изменении вещественного состава руды, но в меньшей степени, чем Nr. Так как при близком размещении на энергетической шкале обоих каналов спектрометра энергии рассеянного и рентгеновского излучений почти одинаковы, то kr = ks/?ks и коэффициент m будет постоянен в широком интервале изменения содержаний q и вещественного состава руд. Это обеспечивает линейность зависимости (30).

Коэффициент з0 слабо зависит от состава пород по тем же причинам, что и коэффициент m.

При выводе формул (27) и (30) не учитывалось влияние промежуточной зоны (слой бурового раствора или воды между зондом и средой). Появление такого слоя уменьшит интенсивность Nr характеристического рентгеновского излучения. Величина Ns рассеянного у-излучения возрастет, если зонд РРК по отношению к зависимости Ns от плотности является заинверсионным, или уменьшится, если зонд доинверсионный. В общемслучае коэффициент пропорциональности m будет изменяться в зависимости от мощности и свойств промежуточной зоны, поэтому в РКК зонд при измерениях плотно прижимают к стенке скважины.

Экспериментальная проверка показала, что спектральное отношение з линейно зависит от содержания тяжелого элемента (Рисунок 21) и слабо меняется даже при значительном изменении вещественного состава среды.

Рисунок 21. Зависимость величины спектрального отношения сурьмы в пробах с различным содержанием железа.

Эксперименты подтвердили также незначительное влияние на з расстояний R1 и R2 от источника и детектора до исследуемой поверхности и плотности руды. Так, увеличение расстояния между зондом и средой в 4 раза (от 1,5 до 6,0 см) вызвало уменьшение з на 5--10%; увеличение плотности руды от 0,96 до 2,15 г/см2 привело к увеличению спектрального отношения на 7-13%. Эти изменения величины з соответствуют примерно 10%-ной погрешности в определении содержания полезного компонента руды.

2.4 Методика и техника РРК

Условия применения РРК при опробовании руд тяжелых элементов (Z>40ч50) различны в скважинах, пробуренных с поверхности и заполненных буровым раствором, и в сухих подземных скважинах. Несколько отличается методика и техника работ в зависимости от Z исследуемого элемента. Рассмотрим основные вопросы применения РРК, используя результаты первых опытных и опытно-производственных работ.

На рисунке 22, а показан зонд РРК, применяемый как в скважинах, пробуренных с поверхности, так и в подземных скважинах. Коллимационные каналы снижают интенсивность рассеянного г-излучения и позволяют надежно выделять характеристическое рентгеновское излучение. Внутренние стенки приемного коллимационного канала покрыты слоем кадмия и меди для поглощения характеристического рентгеновского излучения, возбуждаемого рассеянным г-излучением в свинцовом экране. Зонд обычно оформляют в виде выносного блока, прижимаемого к стенке скважины. Входное окно зонда для пропускания относительно мягкого излучения изготавливают из текстолита или бериллия.

Другой зонд (рисунок 22, б) не имеет коллиматоров. Его применяют в сухих подземных скважинах. Регистрация рентгеновского излучения в геометрии широкого пучка повышает фон рассеянного у-излучения. Надежное выделение полезного сигнала оказалось возможным при использовании источников мягкого у-излучения (30--40 кэв), энергия которых близка к К-краю фотопоглощения анализируемых элементов (сурьма, барий). Преимуществом этого зонда является значительно меньшая мощность источника и большая площадь изучаемой поверхности руды.

Оптимальной является энергия г-излучения источника, близкая к энергии К-края поглощения исследуемого элемента, но несколько больше ее. На практике нашли применение источники Se75 (анализ на свинец и ртуть), Tm170 (на барий), источники в-излучения S35 и C14 в соединениях с барием - BaSO4 и ВаС03, испускающие характеристическое излучение бария с энергией 32 кэв и тормозное излучение с расплывчатым максимумом в области 60--70 кэв (анализ на олово, молибден).

Рисунок 22. Схемы зондов РРК с частичной коллимацией (а) и без коллимации (б) (по В.А. Мейеру и Е.П. Леману):

1 - источник; 2 - кристалл NaI(Tl);

3 - окно из материала с малым атомным номером.

Источники, испускающие p-излучение (Tm170, S35 и др.), упаковывают в плексигласовые ампулы, чтобы устранить возбуждение тормозного излучения в конструктивных элементах зонда под действием в-частиц. Активность источников у-излучения колеблется от 5 до 30 мг-экв радия (Se75, Tm170), а источники BaS35O4 и ВаС1403 имеют активность 400--500 мкюри (по в-излучению).

Для выделения одного элемента методом спектральных отношений аппаратура РРК должна иметь два канала дифференциального спектрометра. При анализе на свинец (Ека=75 кэв) первый канал настраивают на энергию 70--80 кэв, а второй на 90--100 или 120--130 кэв. Для выделения сурьмы (Ека = 26 кэв) используют энергетические интервалы 20--30 и 35-- 45 кэв и т.д. Контроль и настройку спектрометра удобно выполнять по характеристическому рентгеновскому излучению исследуемого элемента, используя для этого небольшие образцы богатой руды.

Обработка измерений РРК при использовании методики спектральных отношений состоит в вычислении отношения скоростей счета в двух каналах спектрометра с предварительным вычитанием из обеих величин фонового излучения. Разработана аппаратура для РРК, в которой процесс обработки автоматизирован и на каротажной ленте регистрируется непосредственно величина з.

Подготовлены к серийному выпуску три типа аппаратуры РРК.

Для каротажа скважин глубиной до 1000 м предназначены комплекты РРК-1 и ГКС-1м, имеющие близкие технические характеристики: диаметр скважинного снаряда 80 и 59 мм соответственно; используется радиочастотный кабель типа КРК-2; четырехканальный спектрометр со сцинтилляционным детектором позволяет вести анализ одновременно на два элемента, предусмотрена запись непосредственно отношения скоростей счета в двух каналах спектрометра.

Для каротажа скважин подземного бурения предназначена двухканальная спектрометрическая аппаратура РРШ-1 переносного типа.

Следует отметить, что для рентгено-спектрального каротажа можно использовать спектрометрическую аппаратуру общего назначения, например аппаратуру СГС-Л (диаметр скважинного снаряда 70 мм). Она представляет собой сцинтилляционный скважинный спектрометр на трехжильном кабеле с двумя дифференциальными и одним интегральным каналом; имеется система записи отношений скоростей счета.

Для каротажа на элементы с умеренными атомными номерами (Z = 30ч50) разрабатывают аппаратуру на пропорциональных счетчиках.

Блок-схема гамма-спектрометра

Гамма-спектрометром начинают прибор, предназначенный для исследования спектра гамма-излучения или в простейшем случае для избирательной регистрации квантов в определенной области энергии. Из сути PPM следует, что метод реализуют гамма-спектрометром.

На рисунке 23 представлена упрошенная блок-схема гамма- спектрометра. Основными частями спектрометра являются детектор, амплитуда импульсов па выходе которого пропорциональна энергии регистрируемого излучения, и амплитудный анализатор.

Рисунок 23. Блок схема гамма-спектрометра

1-источник первичного г-излучения; 2- защитный коллиматор;

3 -исследуемая среда; 4-окно детектора; ВП- высоковольтный преобра-зователь; ПУ- предварительный усилитель; У- усилитель, ДНУ- дискриминатор нижнего уровня; ДВУ- дискриминатор верхнего уровня.

САС- схема антисовпаденнй; ПП- пересчетный прибор.

Амплитудный анализатор бывает интегральным и дифференциальным. Интегральный дискриминатор выделяет (пропускает через себя) импульсы с амплитудой выше некоторого заданного порога, а дифференциальный -- импульсы в некотором узком интервале амплитуд. В гамма-спектрометрах используются дифференциальные дискриминаторы. Основными частями дифференциального дискриминатора являются два дискриминатора, включенные параллельно друг другу, и схема антисовпадений. Дискриминатор нижнего уровня (ДНУ) пропускает импульсы с амплитудой выше U. Уровень дискриминации верхнего дискриминатора определяется величиной U+ U , где U - ширина окна.

На выходе дифференциального дискриминатора появятся только импульсы с амплитудой от U до U+ U. Синхронно изменяя напряжение (уровень дискриминации) на обоих дискриминаторах при постоянстве ширины окна U изучают спектр -- зависимость числа импульсов от порога дискриминации (амплитуды импульса).

Первичное гамма-излучение от источника падает на исследуемую среду. В детектор может попасть флуоресцентное излучение элементов и рассеянное средой гамма-излучение. Энергии этих излучений различны, следовательно, на выходе детектора будут импульсы с различной амплитудой. Предварительный усилитель и усилитель служат для согласования и усиления импульсов по амплитуде, на вход дифференциального анализатора поступают импульсы различной амплитуды. Задача анализатора -- сделать отбор импульсов по амплитудам, а пересчетный прибор фиксирует число импульсов.

Снятие спектров вторичного излучения

Исследование спектрального состава гамма-излучения выполняется на аппаратуре РПС4-01 (Гагара). В качестве источника первичного гамма-излучения используется радионуклид Рu-238 (14; 17 кэВ) с периодом полураспада около 90 лет. Детектором служит пропорциональный детектор СИ-6Р с бериллиевым окном толщиной 200 микрон. Последовательность операций при исследовании спектра вторичного излучения такова. Размешают в кюветку исследуемую среду. На пересчетном приборе задают t (3 или 10 с). На дифференциальном дискриминаторе устанавливают минимальную ширину энергетического окна (0,2). Последовательно изменяя уровень дискриминации (нижний уровень), измеряют число импульсов и заполняют таблицу 4.

Результаты исследований означают, что (см. таблицу 4) на выходе дискриминатора 38 импульсов с амплитудой от 1,0 до 1,2. Значение 1,2 характеризует верхний уровень, равный нижнему уровню плюс ширине окна.

Таблица 4.

Уровень дискриминации	Измеренное число импульсов
1,0	38
1,1	49
1,2	73
….	….
….	….
9,9	….

Значение 49 импульсов характеризует число импульсов с амплитудой от 1,1 до 1,3 и т.д.

По данным таблицы 4, строят зависимость числа измеренных импульсов от уровня дискриминации (рисунок 24).

Рисунок 24. Уровень дискриминации.

Такую зависимость называют спектром излучения. Спектр характеризует зависимость числа импульсов от их амплитуды. Учитывая, что амплитуда импульсов зависит от энергии, данную зависимость можно интерпретировать как зависимость числа квантов от их энергии. Положение максимумов по шкале амплитуд характеризует значение энергии регистрируемых квантов.

Амплитуда импульсов на выходе спектрометрического детектора зависит не только от энергии квантов, но и от величины приложенного высокого напряжения к счетчику и коэффициента усиления усилителя. Регулируя две последние величины, можно смещать спектр излучения вдоль оси амплитуд импульсов. Обычно напряжение на счетчике выбирают в пределах номинального с точки зрения лучшего энергетического разрешения. Коэффициент усиления прибора выбирают таким, чтобы интересующие пики вторичного излучения укладывались в пределах шкалы анализатора.

Энергетическая градуировка

Суть энергетической градуировки состоит в переходе от уровня дискриминации к значениям энергии квантов. Для этого можно использовать два способа. Первый способ энергетической градуировки реализуют с помощью 2-3 источников первичного гамма-излучения с различными энергиями. Источники выбирают такими, чтобы энергии гамма-излучения перекрывали весь рабочий диапазон энергии. Если анализируемые элементы испускают характеристическое излучение с энергиями 6-20 кэВ, то для градуировки целесообразно выбирать гамма-излучатели с энергиями в этом диапазоне, например Fe-55 (5,9 кэВ), Cd-109 (22 кэВ). Выбранные источники поочередно размещают в коллиматоре, прямое излучение источника направляют непосредственно на детектор и снимают спектр. Порог дискриминации, при котором наблюдается максимальная интенсивность, соответствует известной энергии г-излучения источника.

Повторив те же операции с другим источником, находят вторую точку, необходимую для построения зависимости, связывающей уровень дискриминации с энергией. Как правило, эта зависимость носит линейный характер (рисунок 25). Очевидно, энергетическая градуировка будет справедлива только для строго фиксированных значений высокого напряжения, подаваемого на счетчик, и коэффициента усиления прибора.

Второй способ энергетической градуировки выполняют при наличии только одного источника первичного излучения, который размещают в датчике, согласно рисунку 23. В качестве исследуемой среды выбирают вещество, содержащее известный элемент. Можно в качестве среды взять чистый элемент, например пластинку железа. Измерив спектр вторичного излучения, при условии, что Ео>Ек элемента, получим спектр, аналогичный рисунку 24. Левый пик обусловлен характеристическим излучением известного элемента железа, правый пик -- рассеянным гамма-излучением. Энергия характеристического излучения элемента известна, а энергию рассеянного гамма-излучения можно оценить по формуле Комптона. Зная энергии и положения пиков, строят энергетическую градуировку (рисунок 25).

Таким образом, энергетическая градуировка позволяет по измеренным спектрам оценить энергию характеристического излучения элемента, а следовательно, и наличие того или иного элемента, т.е. проводить качественный анализ сложной среды.

Рисунок 25. Пример энергетической градуировки.

Методика эталонирования

Как следует из основ рентгенорадиометрического метода, наиболее важной задачей является количественный анализ (определение концентрации элемента в среде).

Эталонирование -- наиболее ответственный этап, от качества которого зависит точность количественного анализа. Суть эталонирования состоит в построении зависимости между интенсивностью характеристического излучения определяемого элемента и его концентрацией в среде.

Рассмотрим пример эталонирования аппаратуры при анализе железных руд. Для этого необходимо иметь не менее 20-30 проб руды с известным содержанием железа. Снять спектр пробы. Найти пик, обусловленный характеристическим излучением железа. Ширину окна в области пика железа выбирают с точки зрения максимальной интенсивности N, обеспечивающей минимальную статистическую погрешность (уcm= 100/ ). При этом в выбранный энергетический интервал не должно попадать излучение других элементов, рассеянное излучение.

Например, пик железа находится при уровне дискриминации 2,6 (см. рисунок 24). Можно выбрать уровень 2,2, ширину окна 0,8. Показания при этих положениях будут означать число импульсов с амплитудой от 2,2 до 3,0. В середине этого интервала располагается пик железа.

При ширине окна 1,0 нижний уровень дискриминации выбирается 2,1. Тогда пересчетный прибор зафиксирует число импульсов с амплитудой от 2,1 до 3,1 (пик железа располагается в середине этого интервала).

При выбранных параметрах (уровне дискриминации и ширине окна) последовательно измерить все пробы с известным содержанием железа. Время измерения выбирается таким, чтобы число зарегистрированных импульсов N обеспечило минимальную статистическую погрешность (не более 1%). Результаты обработать методом наименьших квадратов и построить зависимость, связывающую число измеренных импульсов (интенсивность характеристического излучения) с содержанием железа в руде (рисунок 26). Построенный таким образом градировочный график служит основой для определения содержания железа в пробах неизвестного состава. Для этого при тех же условиях (время, уровень дискриминации, ширина окна, геометрия измерений) измеряют пробу с неизвестный содержанием, находят значение интенсивности N и по графику (рисунок 26) определяют содержание железа.

Эталонирование аппаратуры при рентгенорадиометрическом каротаже выполняют аналогичным способом. Выбирают скважины, пересекающие наиболее типичные рудные зоны и тела, тщательно опробованные по керну. В процессе сопоставлений данных РРК и результатов керна строят зависимость, аналогичную рисунок 26.



Рисунок 26. Пример эталонированной зависимости.

Оценка погрешности метода

Для оценки погрешности метода анализа необходимо с помощью градуировочного графика определить содержание железа (Сррм) в пробах (количество проб не менее 20) и, сравнивая эти данные с содержанием железа по химическому анализу (Сх.а), найти среднеквадратическую погрешность по формуле:

у=

где - разность между содержаниями железа, определенными по прибору и химическому анализу (= Сррм - Сх.а);

n - количество проб.

3 Мешающие факторы

Данные РРК зависят не только от содержания исследуемого элемента, но и от вещественного состава породы (так называемого эффекта матрицы или Zэф). Для исключения влияния матрицы используют совместные измерения интенсивности характеристического Ir рассеянного Is излучения. Величина интенсивности обоих видов излучения одинаково зависит от геометрии измерений и вещественного состава среды, но на Ir существенно влияет содержание исследуемого элемента q. Если с помощью двухканального спектрометра измерить в одном канале интенсивность характеристического Ir, и сопровождающего рассеянного Is' излучения, т. е. Ir + Is', а в другом канале -- только рассеянное излучение Is, то можно записать следующее отношение:

где з0 получают в породах, не содержащих исследуемый элемент;

m -- постоянный для данного скважинного прибора коэффициент, учитывающий его геометрию и влияние вещественного состава.

Такая методика измерений получила название способа спектральных отношений и успешно применяется на месторождениях свинца. Но при определении элементов с Z?50, например олова в касситерито-сульфидных рудах, которые содержат еще железо, свинец, цинк, медь и мышьяк, влияние матрицы становится существенным вследствие неравноценных изменений Is' и Is «пустых» породах и рудах. В таких случаях способ спектральных отношений не дает желаемых результатов и применяют способ двух пучков, в котором используют скважинный зонд с двумя источниками, испускающими фотоны различных энергий (рисунок 27, а). Дополнительный к основному источнику 1 вспомогательный источник 2 расположен на большем расстоянии от детектора. Энергетический спектр от источника 2 формируется однократно и многократно рассеянными фотонами. Поток этих фотонов убывает по экспоненциальному закону с увеличением Zэф, т. е. быстрее, чем для источника 1 видимости. Изменяя уровень дискриминации спектрометра, всегда можно найти такую область, где Is изменяется синхронно с Ir при изменении атомного номера Zэф наполнителя.

При определении элементов с Z?30 сцинтилляционная аппаратура неэффективна, так как с уменьшением Z характеристические энергетические спектры элементов сближаются, и в этой же области энергий (около 10 кэВ) расположены линии L-серии тяжелых элементов (свинца, вольфрама и др.), а разрешение сцинтилляторов составляет лишь около 50 %. Поэтому для определения элементов с Z?30 в аппаратуре РРК применяют зонды с пропорциональными газоразрядными счетчиками. Такая аппаратура используется для одновременного и раздельного определения цинка и свинца, вольфрама и молибдена и даже трехкомпонентных руд (свинец, цинк, барий)

Рисунок 27. Схема скважинных зондов РРК с двумя источниками (а),

с дифференциальными фильтрами (б) и полупроподниковым детектором (в).

1 - 2 -- радиоизотопные источники; 3 -- промежуточная мишень;

4 -- сцинтилляционный детектор; 5 -- свинцовый экран;

6 -- бериллиевый цилиндр; 7 -- стальной кожух зонда; 8 -- ФЭУ;

9 -- экран источника; 10, 11 -- дифференциальные фильтры;

12, 13 -- коллиматоры источника и детектора; 14 -- Si (Li)-детектор;

15 -- головной каскад усилителя; 16 -- термоэлектрическая батарея;

17 -- вакуумированная камера; 18 -- бериллиевое окно; 19 - радиатор;

20 -- герметичные вводы; 21 -- штуцер для откачки камеры

Для разделения элементов с близкими Z, таких, например, как серебро и кадмий в серебряных, медь, никель и железо в медно-никелевых, цинк и медь -- в сульфидных рудах, применяют скважинные зонды с дифференциальными фильтрами или полупроводниковыми детекторами.

В РРК используют зонды с двумя дифференциальными фильтрами, один из которых для данной энергетической линии является пропускающим, а второй -- поглощающим. По разности измеренных интенсивностей =I1--I2 можно выделить излучение в узком энергетическом интервале. Конструктивно это реализуется в скважинном зонде с двумя сцинтилляторами NaI (Тl), имеющими разные световыходы и размещенными на фотокатоде одного и того же фотоумножителя (рисунок 27, б). На этих сцинтилляторах установлены свои фильтры. Благодаря разному выходу сцинтилляторов, на выходе ФЭУ появляются импульсы различной амплитуды, которые формируют на спектрометре два максимума А и В.

Если настроить один канал гамма-спектрометра на выделение максимума А, а второй -- максимума В, то можно одновременно и независимо измерить интенсивности I1 и I2 соответственно с пропускающим и поглощающим фильтрами.

Например, для разделения энергетических линий К-серий серебра, олова и сурьмы использовались фильтры из родия и молибдена. Детекторы с дифференциальными фильтрами имеют высокую избирательность, но конструктивно трудно создать малогабаритный скважинный зонд с несколькими фильтрами для анализа многокомпонентных руд. Решение этой проблемы связано с применением полупроводниковых детекторов. Однако такие детекторы для достижения высокого энергетического разрешения требуют охлаждения до низких температур.

Наиболее перспективны для каротажных исследований полупроводниковые детекторы с термоэлектрическим охлаждением (рисунок 27, в). В вакуумированной камере на холодных спаях термобатареи размещаются полупроводниковый Si (Li)-детектор и головной каскад малошумящего усилителя. Камера имеет окно из бериллия для пропускания характеристического излучения и радиатор для отвода тепла от горячих спаев термоэлектрической батареи. Энергетическое разрешение полупроводниковых спектрометров составляет 500 эВ по линии 13,96 кэВ, что в 1,5--2 раза лучше разрешения пропорционального счетчика. Эффективность исследований с полупроводниковыми спектрометрами особенно повышается в области энергий 20--30 кэВ, где пропорциональные счетчики имеют низкую эффективность.

Так как глубинность РРК не превышает нескольких миллиметров, измерения на коротком интервале не могут характеризовать содержание элемента в руде. Поэтому при обработке данных РРК определяют среднеинтервальное значение измеряемых параметров:

=S/h,

где S -- аномальная площадь параметра;

h -- интервал аномалии, обычно составляющий 1--3 м. Среднее содержание изучаемого элемента на интервале определяют по формуле:

=K

где К -- пересчетный коэффициент, который определяется в опорной скважине путем сопоставления с данными химических анализов керновых проб.

При линейной зависимости между и применяют автоматизированные системы обработки, которые выдают информацию в цифровой форме или в виде гистограмм.

Применение метода

Элементы, определяемые с помощью РРК, можно разбить на три группы. К первой относят элементы с большими атомными номерами, ко второй -- со средними, в третью группу входят элементы с Z?33 (таблица 5).



Таблица 5. Элементы, определяемые с помощью РРК, и пределы их обнаружения.

Элементы первой группы определяют, используя метод спектральных отношений. Параметр рассчитывают по формуле:

где Iyx, I'уу -- скорости счета соответственно рентгеновских и рассеянных квантов в энергетическом окне, предназначенном для регистрации рентгеновского излучения;

Iуу -- скорость счета рассеянных квантов в энергетическом окне, предназначенном для регистрации комптоновского излучения.

Если содержание q определяемого тяжелого элемента равно нулю, рентгеновское излучение практически отсутствует и I'уу /Iуу= . Если же q?0, то

= 0+ K'q,

где К' =µyx-- µyy коэффициент, пропорциональный отношению массовых коэффициентов ослабления рассеянного и рентгеновского излучений.

Энергетическое окно регистрации Iуу подбирают так, чтобы выполнялось условие µyx?µyy. Тогда

=-0?q

Таким образом, приращение пропорционально содержанию определяемого элемента и практически не зависит от вещественного состава пород.

При определении элементов второй группы задача усложняется, так как энергия рентгеновского излучения снижается. Влияние наполнителя устраняют, применяя способ двух пучков, который реализуют с помощью двух источников разной энергии. Энергетическое окно для регистрации Iуу подбирают таким образом, чтобы при изменении Z наполнителя Iуу и Iуx изменялись синхронно.

Наибольшие трудности возникают при определении элементов с Z?33: во-первых, по мере уменьшения Z фотопики характеристических спектров различных элементов все больше сближаются, во-вторых, в этой области лежат линии L-серий тяжелых элементов. В результате энергетическое разрешение сцинтилляционных детекторов оказывается недостаточным, что вызывает необходимость перехода на газонаполненные пропорциональные счетчики, разрешающая способность которых примерно в 3,5 раза выше. Вместе с тем эффективность газонаполненных счетчиков существенно ниже, что приводит к резкому снижению регистрируемых скоростей счета. Скорости счета падают и из-за значительного поглощения низкоэнергетических квантов в породе. Сходная ситуация возникает при изучении полиметаллических руд, где существует задача разделения элементов с близкими атомными номерами, например, серебра и кадмия, никеля и железа.

Положительные результаты в этих условиях получают, применяя селективные фильтры. Пару таких фильтров подбирают так, чтобы К-край материала одного из них был несколько выше, а второго -- несколько ниже К-края определяемого элемента. Фильтры действуют как пара дискриминаторов спектрометра: первый пропускает, а второй поглощает излучение, соответствующее K-линии определяемого элемента. По разности отсчетов в двух каналах выделяют излучение весьма узкого энергетического диапазона.

Наиболее широкое применение РРМ находит при лабораторных определениях и оценке содержания металлов в пробах горных пород и рудных скоплений. Однако этот метод успешно используется при исследовании рудных скважин на олово, медь, вольфрам, мышьяк, свинец, цинк, молибден, сурьму и ртуть по К-ссрии их характеристического излучения при подборе соответствующих источников возбуждающего мягкого гамма-излучения (рисунок 28). Наилучшие результаты получают при регистрации кривой отношения скоростей счета в двух каналах спектрометра, например для олова 30 и 40 кэВ.

PPM успешно применяют для опробования поверхностей горных выработок, штуфных образцов, керна скважин и отбитой горной массы с целью определения Сг и Fe в хромитовых рудах, Мп и Fe в марганцевых рудах. РЬ и Zn в свинцово-цинковомолибденовых рудах, а также Sb, W, Sn, Мо и др. Для этой цели выпускают двухканальные и четырехканальные анализаторы, в которых можно использовать как сцинтилляционные (на элементы с Z>40), так и пропорциональные (на элементы с Z = 30-40) детекторы характеристического излучения.

Применение PPM перспективно для повышения эффективности геохимических поисков. С его помощью можно определять суммарное содержание халькофильных элементов (Си, Zn, As, РЬ) с пределом обнаружения (2-4)*103% путем опробования пород в естественном залегании или экспресс-анализа отобранных проб рыхлых образований. Эти элементы - характерные индикаторы полиметаллического, золото-сульфидного и других типов оруденения, они формируют широкие геохимические ореолы над рудными телами.

Рисунок 28. Пример выделения олова по данным рентгенометрии скважин.

I -- кривая отношения скоростей счета в каналах 30 и 40 кэВ; II -- кривая интегрального счета. 1 -- скопление оловянной руды; 2 -- скопления тяжелых элементов.

Предпосылкой успешного применения PPM для определения суммарного содержания Сu, Zn, As, Рb является возможность возбуждения и одновременной регистрации рентгеновского излучения K-серии Си, Zn, As и L-серии РЬ в энергетическом интервале 7-12,6 кэВ.



Заключение

В данном проекте был рассмотрен рентгенорадиометрический способ. Были исследованы физические предпосылки метода, теоретическая основа применения метода. Также были приведены источники, детекторы и аппаратура, применяемая в данном методе. Были исследованы мешающие факторы при применении данного метода, а также приведены способы их устранения. И в последней главе было освещено применение рентгенорадиометрического метода на практике.

Все большее применение РРК находит на различных стадиях горно-геологического процесса. Его основное достоинство-- возможность аналитических определений многих рудных элементов непосредственно в скважине. Достижимые пределы обнаружения достаточны для оконтуривания рудных зон, опробования и определения подсчетных параметров на этапах разведки и эксплуатации.

На нефтегазовых месторождениях РРК практически не применяют по трем причинам: предельное давление для бериллиевых окон не превышает 20ч30 МПа; атомные номера основных породообразующих элементов малы; толщина возникающей в коллекторах глинистой корки как правило превосходит глубинность метода.

Из материалов данной работы можно сделать вывод, что рентгенорадиометрический метод является одним из наиболее значимых ядерно-физических методов исследования скважин.



Список литературы

1. В.А Арцыбашев «Ядерно-геофизическая разведка»

2. В.А Мейер, П.А Ваганов, Г.А Пшеничный «Методы ядерной геофизики»

3. Г.Ф Новиков «Радиометрическая разведка»

4. В.В Ларионов, Р.А Резванов «Ядерная геофизика и радиометрическая резведка»

5. Е.М Филлипов «Нейтрон-нейтронный и нейтронный гамма-методы в рудной геофизике»

Размещено на Allbest.ru

...