СКВАЖИННЫЙ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ ДЕТЕКТОР ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01T1/20 

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений, в частности гамма-излучения. Основная область применения предлагаемого устройства - спектрометрическая регистрация гамма-излучения в условиях геологоразведочных и промысловых скважин, в частности при проведении гамма- и гамма-гамма-каротажей, а также в сельском хозяйстве при определении объемной плотности почвогрунтов ядерно-физическими методами, гамма-астрономии и других областях технической ядерной физики. При этом возникает необходимость в условиях непрерывного энергетического спектра рассеянного в породе гамма-излучения раздельной регистрации мягкой (низкоэнергетической) и жесткой (высокоэнергетической) компонент излучения.

Известны конструкции составных детекторов, позволяющих значительно снижать или исключать фон наружного излучения. Так, известен сцинтилляционный спектрометр фотонов (А.с. СССР 897016, кл. G 01 T 1/20), содержащий основной и защитный блоки детектирования и пассивную защиту, причем основной блок содержит неорганический кристалл в свето- и влагозащитном корпусе и фотоумножитель (ФЭУ), а защитный - сцинтиллятор, выполненный в виде контейнера, имеющего крышку и по крайней мере два фотоэлектронных умножителя, причем неорганический кристалл установлен внутри защитного сцинтиллятора и оптически связан с ним.

Однако это устройство настолько громоздкое и сложное (используется 2 фотоэлектронных умножителя - для основного и защитного сцинтилляторов), что неприменимо в мобильных, компактных скважинных приборах.

Известен сцинтилляционный спектрометр для исследования вспышек гамма-излучения в космическом пространстве (Кудрявцев М.И., Аикин О.Б., Мелиоранский А. С. и др. Спектрометр для исследования вспышек солнечного гамма-излучения в диапазоне энергий 0,03-0,3 МэВА. Геомагнетизм и аэрономия, 1973, Т.ХII, 3, с. 406, прототип). Спектрометр конструктивно выполнен из двух блоков: блока детектирования и блока электроники. Детектирование фотонов на фоне заряженных частиц осуществляется основным кристаллом диаметром 39 мм и толщиной 8 мм, помещенным в контейнер из защитного пластмассового сцинтиллятора и оптически связанным с ним, конструкция сцинтиллятора позволяет получить небольшие размеры устройства и проводить регистрацию световых вспышек от основного и защитного сцинтиллятора одним ФЭУ.

Недостатком данного устройства является невозможность раздельной регистрации низкоэнергетической (до 150 кэВ) и высокоэнергетической (свыше 200 кэВ) составляющих рассеянного в породе излучения из-за несогласованности толщин наружного и внутреннего сцинтилляторов.

Целью предлагаемого изобретения является осуществление возможности раздельной регистрации низкоэнергетической (до 150 кэВ) и высокоэнергетической (свыше 200 кэВ) составляющих рассеянного в породе излучения.

Поставленная в изобретении задача решена путем расчета толщины (h) органического сцинтиллятора в скважинном спектрометрическом детекторе гамма-излучения, содержащем внутренний неорганический сцинтиллятор, помещенный в контейнер из органического сцинтиллятора и оптически связанный с ним, из условия равенства ее толщины длине полного поглощения низкоэнергетических квантов по формуле

где I_о - интенсивность гамма-излучения на входе органического сцинтиллятора, I - интенсивность гамма-излучения на его выходе, μ - коэффициент линейного поглощения органического сцинтиллятора.

Расчет толщины (h) органического (наружного) сцинтиллятора проводился по формуле, определяющей поглощение гамма-квантов в веществе,
I = I_oe^-μh, (1)
где I - интенсивность гамма-излучения на выходе органического сцинтиллятора;
I_о - интенсивность гамма-излучения на входе органического сцинтиллятора;
μ - коэффициент линейного поглощения органического сцинтиллятора;
h - толщина органического сцинтиллятора.

Из (1) следует
lnJ = lnI_o-μh; (2)
μh = ln(I_o-I); (3)

При I=0
. (5)
Выбирая толщину наружного сцинтиллятора, удается регулировать его спектральную чувствительность и избирательно регистрировать низкоэнергетическую составляющую гамма-излучения - чем толще слой, тем выше энергетический максимум эффективной регистрации гамма-квантов. Размеры внутреннего сцинтиллятора не лимитируются.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 схематически изображена конструкция предлагаемого детектора. На фиг. 2 изображена спектральная характеристика, обеспечиваемая предлагаемым детектором при раздельной регистрации низкоэнергетической (А) и высокоэнергетической (Б) составляющих рассеянного излучения.

Скважинный спектрометрический детектор включает в себя сцинтиллятор, изготовленный из неорганического сцинтиллирующего материала (йодистый натрий, йодистый цезий) 1, окруженный слоем сцинтиллятора с отличным от первого временем высвечивания (йодистый цезий, йодистый натрий, органический пластический сцинтиллятор) 2. Наружный сцинтиллятор окружен слоем отражателя (тефлон, окись магния) 3. Упакован сцинтиллятор в металлический контейнер 4. Оба сцинтиллятора 1 и 2 сочленяются оптическим контактом между собой и с выходным окном 5.

Работает спектрометрический детектор следующим образом. Гамма-квант, попадающий в детектор, с энергией менее и близкой к энергетическому максимуму эффективной регистрации наружного сцинтиллятора вызывает в нем вспышку, поглощается в нем и вспышку во внутреннем сцинтилляторе не вызывает. Гамма-кванты с более высокой энергией проникают во внутренний сцинтиллятор и вызывают в нем вспышку. Фотоны от вспышек через стеклянное окно детектора поступают в фотоэлектронный умножитель и преобразуются в электрические импульсы. Поскольку время высвечивания в обоих сцинтилляторах разное, соответственно различна длительность электрических импульсов. Используя стандартный дискриминатор формы импульсов, эти импульсы разделяются и таким образом оказывается возможным раздельно регистрировать вспышки от наружного и внутреннего сцинтиллятора и тем самым раздельно регистрировать низкоэнергетическую и высокоэнергетическую составляющие гамма-излучения. Поскольку высокоэнергетические гамма-кванты пересекают и наружный сцинтиллятор и вызывают в нем вспышку, спектрометр дополнен стандартной электронной схемок совпадения, вычитающей из массива импульсов, поступающих от наружного сцинтиллятора, импульсы совпадения наружного и внутреннего сцинтилляторов.

Таким образом, дополнение обычного сцинтиллятора наружным сцинтиллятором, выполняющим три полезные функции - является поглощающим фильтром низкоэнергетических гамма-квантов для внутреннего сцинтиллятора, является детектором низкоэнергетических гамма-квантов, является защитным чехлом для внутреннего сцинтиллятора, поскольку обычно в качестве детектора гамма-квантов применяется йодистый натрий, а он гигроскопичен, превратило обычный детектор гамма-квантов в спектрометрический и значительно расширило область его применения.

Раздельная регистрация низкоэнергетического и высокоэнергетического рассеянного в породе гамма-излучения позволяет с помощью одного детектора проводить две операции - по низкоэнергетической компоненте проводить литологическое расчленение геологоразведочных скважин и почвогрунтов, т.е. проводить оценку состава пород, т.к., чем выше атомный номер пород, тем ниже скорость счета низкоэнергетической компоненты при гамма-гамма-каротаже. В то же время по скорости счета высокоэнергетической компоненты проводят оценку объемной плотности пород, т. к., чем выше ее плотность, тем ниже скорость счета высокоэнергетической составляющей рассеянного в породе гамма-излучения.

Использование: исследование геологоразведочных и промысловых скважин. Скважинный спектрометрический детектор гамма-излучения содержит внутренний неорганический сцинтиллятор, помещенный в контейнер из органического сцинтиллятора и оптически связанный с ним. Толщину органического сцинтиллятора рассчитывают из условия равенства ее длине полного поглощения низкоэнергетических квантов рассеянного в породе гамма-излучения. Технический результат: раздельная регистрация низкоэнергетического и высокоэнергетического излучения. 2 ил.

Скважинный спектрометрический детектор гамма-излучения, содержащий внутренний неорганический сцинтиллятор, помещенный в контейнер из органического сцинтиллятора и оптически связанный с ним, отличающийся тем, что толщину органического сцинтиллятора (h) рассчитывают из условия равенства ее длине полного поглощения низкоэнергетических квантов по формуле

где I_o - интенсивность гамма-излучения на входе органического сцинтиллятора;
I - интенсивность гамма-излучения на его выходе;
μ - коэффициент линейного поглощения органического сцинтиллятора.