Методы регистрации и детекторы

      радиоактивных излучений

Радиоактивные изотопы вызывают в окружающей среде ионизацию, люминесценцию (сцинтилляцию) и другие явления. На изучении этих явлений основаны методы регистрации и измерения радиоактивных излучений. В современной радиометрической аппаратуре в качестве чувствительных элементов (детекторов или индикаторов), регистрирующих излучения, используются в основном газовые ионизационные и люминесцентные детекторы.

Газовые ионизационные детекторы предназначены для измерения ионизационного тока (или импульсов тока), созданного ионизирующим излучением. В ядерной геофизике используют в основном газоразрядные счетчики (детекторы) гамма-квантов, бета-частиц и нейтронов, измеряющие импульсы ионизационного тока. Основой счетчика является стеклянный цилиндр, заполненный смесью газов (рис. 3.29, а). Корпус цилиндра изнутри покрыт металлом. Через торцы корпуса протянута вольфрамовая нить. Нить служит анодом, а металлическое покрытие корпуса – катодом. В качестве материала катода выбирают сталь, графит, никель, вольфрам или нихром. Между катодом и анодом подается постоянное напряжение, равное для разных типов счетчиков от 300–400 В до 2–3 кВ.

 

Рис. 3.29. Схемы детекторов:

а) газоразрядный детектор: 1 – баллон; 2 – катод; 3 – анод;

б) сцинтилляционный детектор: 1 – сцинтиллятор; 2 – отражатель;

3 – фотоэлектронный умножитель; 4 – фотокатод;

5 – фокусирующий диод; 6 – диоды; 7 – анод

 

Полость цилиндра заполняют газовой смесью, состав которой зависит от назначения счетчика. Для регистрации бета и гамма излучений изготавливают счетчики, наполненные смесью инертного газа (аргона, неона) и паров изопентана. Для регистрации нейтронов счетчик наполняют трехфтористым бором BF₃ под низким давлением или аморфной смесью изотопов бора. Проходя через счетчик, бета или гамма лучи выбирают электроны из металлического покрытия стенок и образовавшиеся ионы устремляются к аноду и катоду, создавая импульс напряжения – разряд. Число импульсов тока, поступающих на измерительное устройство, пропорционально интенсивности радиоактивного излучения.

Отношение числа ионов, достигающих электродов счетчика, к общему количеству образовавшихся под действием радиоактивных частиц ионов называется коэффициентом газового усиления (КГУ). При значении КГУ ≈ 10³ наблюдается пропорциональная зависимость числа ионов, собираемых на аноде (электронов), от общего числа ионов. Счетчики, работающие в указанном режиме, называются пропорциональными. Их используют в рентгенорадиометрической аппаратуре.

Эффективность газоразрядных счетчиков е определяется в процентах отношением числа зарегистрированных частиц или квантов к общему числу частиц или квантов, прошедших через объем счетчика за одно и то же время: , %.

Эффективность газоразрядных счетчиков составляет не более 2–3 %. Она зависит от энергии регистрируемых излучений и материалов катода.

Сцинтилляционные детекторы состоят из двух элементов (рис. 3.29, б): сцинтиллятора, или люминофора, и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Люминофор представляет собой собственно детектор. Это монокристаллы из различных материалов, дающие световые вспышки (сцинтилляцию) под действием радиоизлучения. Для регистрации гамма-излучения используются монокристаллы йодистого натрия и йодистого цезия, активированные таллием NaI(Tl) и CsI(Tl). Нейтроны регистрируются сцинтилляторами из йодистого лития LiI(Tl) или светосоставами, созданными на основе ZnS(Ag) и соединений бора ¹⁰В.

Регистрация сцинтилляций осуществляется фотоэлектронным умножителем, который преобразует их в электрические импульсы. Световые кванты от люминофора попадают на фотокатод ФЭУ и выбивают из него электроны е. Электрическое поле, создаваемое подключенным к ФЭУ источником питания, ускоряет движение выбитых электронов, которые через диафрагму фокусирующего электрода устремляются к первому диноду ФЭУ, затем ко второму и т.д., пока не попадут на анод.

На диноды подается положительное (относительно катода) напряжение от делителя напряжения R _l – R _N, 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 образуется импульс напряжения, через емкость С подаваемый на вход усилителя.

Сцинтилляционные счетчики (детекторы) имеют большую эффективность регистрации , достигающую 60–70 %. Они также позволяют определять энергию регистрируемых гамма-квантов. Последнее обусловлено тем, что интенсивность световой вспышки люминофора пропорциональна энергии кванта.

Основной недостаток сцинтилляциоиных счетчиков – неустойчивость их характеристик при изменении окружающей температуры и низкий диапазон температур (не выше 100 °С), поэтому в глубоких скважинах необходимо их термостатирование.

 

3.3.6 Гамма-каротаж

Гамма-каротаж(ГК) заключается в измерении γ-излучения естественных радиоактивных элементов (ЕРЭ), содержащихся в горных породах, пересеченных скважиной. Наиболее распространенными ЕРЭ являются: U (и образующийся из него Ra), Тh и К. Измеряя естественную гамма-активность пород в разрезе скважины, можно выделить пласты с различной литологической характеристикой, а в благоприятных условиях оценить наличие в породах глинистого материала.

Гамма-каротаж используется для расчленения геологического разреза по этому признаку. Ниже приведены сведения о радиоактивности некоторых осадочных горных пород.

 

Осадочные породы	Радиоактивность, г·экв. Ra/г
Ангидриты	0–3
Доломиты	1–10
Известняки	1–15
Песчаники	2–20
Глины	5–28
Калийные соли	20–60
Глубоководные глины	20–90

 

Среди осадочных пород наиболее активны глины, обладающие высокой адсорбционной способностью, менее активны песчаники и, наконец, наименьшей активностью обладают известняки и доломиты, а также гидрохимические осадки (гипс, ангидрит, каменная соль). Исключение представляют только калийные соли, отличающиеся повышенной активностью, благодаря содержащемуся в них К.

У магматических пород максимальной активностью отличаются кислые породы (в основном, из-за повышенного содержания калия, в котором содержится около 0,7 % радиоактивного изотопа К⁴⁰).

Гамма-излучение, измеряемое при гамма-каротаже, включает также и так называемое фоновое излучение (фон). Фоновое излучение вызвано загрязнением радиоактивными веществами материалов, из которых изготовлен глубинный прибор, и космическим излучением. Влияние космического излучения резко снижается с глубиной и на глубине нескольких десятков метров на результатах измерений уже не сказывается.

Для осуществления гамма-каротажа в скважину опускают прибор, содержащий индикатор гамма-излучения, источник высокого напряжения для его питания и электронную схему для усиления и формирования возникающих в цепи индикатора импульсов тока (напряжения). С помощью каротажного кабеля скважинный прибор соединяется с наземным устройством.

Точкой записи при гамма-каротаже считается центр индикатора (газоразрядных или сцинтилляционных счетчиков). Точность измерений определяется эффективностью индикаторов и скоростью перемещения прибора по стволу скважины. Чем выше эффективность индикаторов и ниже скорость перемещения кабеля, тем выше точность измерений. Радиус исследования методом гамма-каротажа не превышает 40–50 см.

Влияние скважины на показания ГК проявляется:

· в повышении интенсивности γ-излучения за счет естественной радиоактивности колонн, промывочной жидкости и цемента;

· в ослаблении γ-излучения горных пород вследствие поглощения γ-лучей колонной, промывочной жидкостью и цементом.

В связи с преобладающим значением второго процесса влияние скважины сказывается главным образом в поглощении       γ-лучей горных пород. Это приводит к тому, что при выходе глубинного скважинного снаряда из жидкости наблюдается увеличение γ-излучения. При переходе его из необсаженной части скважины в обсаженную отмечается снижение интенсивности естественных γ-излучений, что вызывает смещение кривых и уменьшение дифференцированности диаграммы.

Считается, что эффективный радиус действия установки гамма-каротажа (радиус сферы, из которой исходит 90 % излучений, воспринимаемых индикатором) соответствует приблизительно 30 см; излучение от более удаленных участков породы поглощается окружающей средой, не достигнув индикатора.

Современные каротажные радиометры обеспечивают возможность не только определения интегральной интенсивности    , но и возможность спектрометрии, т.е. определения энергии поступающих на детектор γ-квантов, что позволяет определить, с каким ЕРЭ связана радиоактивность горной породы. Для этого один канал радиометра настраивают на энергию основной линии γ-излучения Ra²²⁶ – 1,76 МэВ, другой – на основную линию Тh²³² – 2,6 МэВ и третий – на энергию γ-излучения К⁴⁰ – 1,46 МэВ.

При выполнении ГК важным моментом является соблюдение оптимальной скорости движения скважинного прибора. Скорость каротажа должна быть такой, чтобы при движении детектора против пласта минимальной мощности h показания радиометра успели достичь максимальных значений . При более высокой скорости аномалия ГК получается меньшей интенсивности и растянутой по глубине. (В общем случае скорость ГК не должна превышать 360–400 м/час).

Прибор для регистрации ГК может быть совмещен с локатором муфт и стреляющим перфоратором. (Одновременная запись гамма-каротажа и локатора муфт позволяет установить стреляющий перфоратор в нужном интервале с высокой точностью).