УЗЕЛ ДЕТЕКТОРА РАДИАЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G01T1/20 

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится в целом к детекторам радиационного излучения. В частности, изобретение относится к сцинтилляционным детекторам радиационного излучения.

Известны сцинтилляционные детекторы радиационного излучения, используемые в промышленном бурении для регистрации и проведения измерений в процессе бурения. Сцинтилляционные детекторы радиационного излучения также могут использоваться в качестве портальных охранных детекторов или в медицинских областях применения. При встраивании сцинтилляционного детектора в скважинный зонд бурового снаряда, применяемого при бурении нефтяных, газовых и водозаборных скважин, указанный зонд обнаруживает геологические формации, идущие в направлении буровой скважины, определяет их местоположение и дифференцирует их. Буровые снаряды и скважинные зонды для нефтяных скважин часто эксплуатируются в суровых условиях, в частности при температурах, которые могут достигать 185°С, и давлениях, достигающих 20000 фунтов/кв. дюйм (138 МПа), и, кроме того, они могут подвергаться сильным толчкам и вибрации.

Типичный узел сцинтилляционного детектора радиационного излучения содержит сцинтиллятор, соединенный с фотоприемником, таким как фотоэлектронный умножитель. Радиационное излучение, например гамма-лучи, испускаемые геологическими формациями, преобразуется в световое излучение с помощью сцинтиллятора и передается в фотоэлектронный умножитель. Фотоэлектронный умножитель преобразует световое излучение в электроны и генерирует усиленный электрический сигнал. Затем указанный сигнал измеряется и подается к электронным устройствам мониторинга. Желательно, чтобы усиленный электрический сигнал, созданный фотоэлектронным умножителем, при отсутствии шумов был прямо пропорционален взаимодействующим в сцинтилляторе гамма-лучам, которые преобразуются в световое излучение.

Любая «шумовая» составляющая в усиленном электрическом сигнале может привести к искажению гамма-лучей, взаимодействующих в сцинтилляторе. «Шум» или темновой ток в виде электронов, образующихся в фотоэлектронном умножителе, может возникать вследствие термической активности, а не фотоэлектрического эффекта. Такие электроны известны как термоэлектроны. Усиленный электрический сигнал, созданный в фотоэлектронном умножителе, где содержатся термоэлектроны, может изменять или искажать сигнал, генерируемый гамма-лучами, попадающими в сцинтиллятор, вступающими в реакцию или взаимодействующими с ним. В случае эксплуатации фотоэлектронного умножителя при высоких температурах повышается эмиссия термоэлектронов и уровни шума. В некоторых областях применения, таких как бурение с погружным пневмоударником, требуется точное измерение фонового излучения геологической формации, а образование побочных электронов, обусловленное «шумом», может влиять на рабочие характеристики узла детектора радиационного излучения. Таким образом, предпочтительно исключить или минимизировать «шумовую» составляющую в указанном узле.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Одним аспектом изобретения является узел детектора радиационного излучения, который создает меньше «шума» по сравнению с известными детекторами. Указанный узел содержит сцинтилляционный детектор радиационного излучения, предназначенный для генерации светового сигнала, являющегося функцией регистрируемого радиационного излучения. Для приема светового сигнала от сцинтилляционного детектора и генерации электрического сигнала, являющегося функцией полученного светового сигнала, предусмотрен фотоприемник, выполненный с возможностью функционального соединения с указанным сцинтилляционным детектором. Кожух фотоприемника выполнен с возможностью электрического соединения с указанным фотоприемником. По меньшей мере один из элементов, кожух или фотоприемник, выполнен с возможностью подключения к электроду источника питания, в результате чего при электрическом соединении кожух фотоприемника и сам фотоприемник имеют по существу одинаковый электрический потенциал.

Другим аспектом изобретения является узел детектора радиационного излучения, который содержит кристалл, предназначенный, для генерации сигнала, характерного для явления сцинтилляции. Узел фотоэлектронного умножителя выполнен с возможностью функционального и электрического соединения с указанным кристаллом и предназначен для приема сигнала от кристалла и генерации электрического сигнала, являющегося функцией полученного сигнала. Узел фотоэлектронного умножителя содержит удерживающий его кожух. Кожух выполнен с возможностью электрического соединения с фотоэлектронным умножителем. Кожух и фотоэлектронный умножитель имеют по существу одинаковый электрический потенциал в случае их электрического соединения для обеспечения минимизации образования термоэлектронов в фотоэлектронном умножителе.

Еще одним аспектом изобретения является узел фотоэлектронного умножителя, который содержит фотоэлектронный умножитель, предназначенный для приема светового сигнала от источника. Фотоэлектронный умножитель генерирует электрический сигнал, являющийся функцией полученного светового сигнала, и удерживается кожухом, выполненным с возможностью электрического соединения с указанным фотоэлектронным умножителем. По меньшей мере кожух или фотоэлектронный умножитель может быть подключен к электроду источника питания. При электрическом соединении кожух и фотоэлектронный умножитель имеют по существу одинаковый электрический потенциал.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие особенности, аспекты и преимущества изобретения станут более понятны после прочтения приведенного ниже подробного описания, выполненного со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает вид сбоку узла детектора радиационного излучения в соответствии с одним аспектом изобретения,

фиг.2 изображает вид в аксонометрии части узла детектора, показанного на фиг.1, в разобранном виде,

фиг.3 изображает увеличенный разрез узла детектора, показанного на фиг.1,

фиг.4 изображает вид торца узла детектора радиационного излучения ориентировочно по линии 4-4 фиг.3.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1-3 изображен узел 20 детектора радиационного излучения, выполненный в соответствии с одним аспектом изобретения. Указанный узел 20 может использоваться для обнаружения и измерения уровней или энергий гамма-излучения от различных источников в различных областях применения. Узел 20 детектора содержит два основных рабочих устройства, а именно узел 22 сцинтилляционного детектора радиационного излучения и узел 24 фотоэлектронного умножителя. Кроме того, узел 20 детектора радиационного излучения содержит внешний кожух 26, защищающий указанные узлы 22 и 24.

Сцинтилляционный детектор 22 радиационного излучения содержит кристалл (не показан) для генерации сигнала, характерного для явления сцинтилляции, например, при обнаружении радиационного излучения определенного уровня или энергии. Например, радиационное излучение, такое как гамма-лучи, преобразуется в световое излучение с помощью кристалла сцинтиллятора детектора 22 в виде функции зарегистрированного излучения. Сцинтилляционный детектор 22 может содержать другие устройства, выполненные с возможностью сцинтилляции под действием радиационного излучения. Например, кристалл может представлять собой цилиндрический кристалл йодида натрия, легированного таллием (NaI(Tl)). Также, к примеру, кристалл может иметь диаметр один дюйм (2,5 см) и длину до пяти дюймов (12,5 см).

Как известно, кристалл сцинтилляционного детектора 22 генерирует световой сигнал, являющийся функцией зарегистрированного радиационного излучения, вследствие взаимодействия некоторой части указанного излучения с кристаллом. Например, генерируемый световой сигнал является функцией наличия и величины гамма-излучения, которое поступает в сцинтилляционный детектор 22. Сцинтилляционный детектор 22 дополнительно содержит кожух 42, удерживающий кристалл. Кожух 42 может быть изготовлен из любого соответствующего материала, такого как титан, предварительно обработанный алюминий или нержавеющая сталь. Сцинтилляционный детектор 22 также может содержать опорную конструкцию, расположенную между указанным кожухом 42 и кристаллом.

Узел 24 фотоэлектронного умножителя функционально и электрически соединен с кристаллом сцинтилляционного детектора 22 радиационного излучения. Узел 24 фотоэлектронного умножителя принимает световой сигнал от кристалла и генерирует электрический сигнал, являющийся функцией полученного светового сигнала. Узел 24 содержит известный фотоэлектронный умножитель 40 (фиг.1), в состав которого входит фотодетектор, обеспечивающий прием светового сигнала от кристалла сцинтилляционного детектора 22.

Узел 24 может представлять собой любой из ряда известных узлов фотоэлектронного умножителя. В изображенном примере внешний диаметр узла 24 фотоэлектронного умножителя по существу равен диаметру сцинтилляционного детектора 22.

Узел 24 содержит кожух 44, удерживающий фотоэлектронный умножитель 40. Кожух 44 может быть изготовлен из любого соответствующего материала, такого как титан, предварительно обработанный алюминий или нержавеющая сталь. Кроме того, узел 24 фотоэлектронного умножителя может содержать опорную конструкцию 46 (фиг.2) в виде упругого материала. Узел 24 содержит резистивный делитель (не показан), обеспечивающий подмагничивание фотоэлектронного умножителя, и прикреплен к сцинтилляционному детектору 22 в области резьбового соединения 48 (фиг.3).

Оптическое окно 60, расположенное между узлом 24 фотоэлектронного умножителя и сцинтилляционным детектором 22, обеспечивает прохождение светового излучения, полученного в результате сцинтилляции, возникающей в сцинтилляционном детекторе, в узел фотоэлектронного умножителя. На аноде фотоэлектронного умножителя 40 генерируются усиленные электрические импульсы. Затем усиленные импульсы или электрические сигналы проводятся по проводам 64 в электронные обрабатывающие устройства.

Фотоэлектронный умножитель 40 защищен от воздействия окружающей среды жестким кожухом 44. Узел 24 фотоэлектронного умножителя содержит крышку 62, которая ввинчена в осевой конец кожуха 44 фотоэлектронного умножителя с обеспечением закрытия одного конца кожуха. Крышка 62 может быть изготовлена из любого соответствующего материала, такого как титан, предварительно обработанный алюминий или нержавеющая сталь. Другой осевой конец кожуха 44 фотоэлектронного умножителя ввинчен в открытый конец сцинтилляционного детектора 22 в области резьбового соединения 48 с обеспечением закрытия другого осевого конца кожуха и сцинтилляционного детектора.

Упругий элемент 82 взаимодействует с левым (если смотреть на фиг.3) осевым концом фотоэлектронного умножителя 40 и правой осевой внутренней поверхностью крышки 62. Упругий элемент 82 является токопроводящим и изготовлен, например, из металла. Упругий элемент 82 оказывает на фотоэлектронный умножитель 40 известную силу смещения и обеспечивает электрическое соединение между крышкой 62 и фотоэлектронным умножителем. Вокруг проводов 64, проходящих через центральное отверстие, выполненное в крышке 62, может быть залит пропиточный материал, например, холодного отверждения. Таким образом, кожух 44, фотоэлектронный умножитель 40 и сцинтилляционный детектор 22 электрически соединены и имеют по существу одинаковый электрический потенциал. Следовательно, узел 24 фотоэлектронного умножителя может быть выполнен как готовый к применению компонент или как запасной элемент.

К внешнему кожуху 26 может быть прикреплена вторая внешняя крышка 100 (фиг.3), которая охватывает и защищает узел 24 фотоэлектронного умножителя и сцинтилляционный детектор 22. Вокруг проводов 64, проходящих через центральное отверстие, выполненное в крышке 100, может быть залит пропиточный материал, например, холодного отверждения. Внешняя крышка 100 и внешний кожух 26 электрически изолированы от сцинтилляционного детектора 22 и узла 24 фотоэлектронного умножителя. Между внешним кожухом 26 и кожухом 44 фотоэлектронного умножителя, а также между внешним кожухом 26 и кожухом 42 сцинтилляционного детектора расположен изолирующий материал 140. Изолирующий материал 140 может полностью охватывать кожух 44 фотоэлектронного умножителя и кожух 42 сцинтилляционного детектора или может представлять собой отдельные полосы, расположенные через интервалы по периферии вокруг кожухов. Кроме того, между крышкой 62 и крышкой 100 расположен изолирующий материал 142. Изолирующий материал 142 также может проходить дальше с обеспечением защиты винта 124 и концевого разъема 122 от короткого замыкания с крышками 62 и 100. Между правым (если смотреть на фиг.1) осевым внутренним концом внешнего кожуха 26 и кожухом 42 сцинтилляционного детектора расположен изолирующий материал 144. Изолирующие материалы 140, 142 и 144 могут представлять собой любой соответствующий электроизоляционный материал.

Энергия подается к фотоэлектронному умножителю 40 по проводам 64. Каждый из трех проводов 64 ведет к внешнему источнику питания постоянного тока (не показан). Три провода 64 подключены соответственно к заземляющей, отрицательной и положительной клеммам источника питания. Конец 120 провода соединен внахлест с проводом 64n проводов 64 и отходит от него. Провод 64n подключен к отрицательной клемме источника питания. Предпочтительно на отрицательной клемме источника питания поддерживается отрицательное напряжение, составляющее по меньшей мере 100 В или более. Концевой разъем 122 присоединен к крышке 62 с помощью резьбового крепежного средства 124. Провод 64а подключен к заземляющей клемме источника питания. Провод 64р подключен к положительной клемме источника питания.

Кожух 44 фотоэлектронного умножителя 40 электрически соединен с сцинтилляционным детектором 22 в области резьбового соединения 48. Таким образом, кожух 44, упругий элемент 82, крышка 62, фотоэлектронный умножитель 40 и сцинтилляционный детектор 22 электрически соединены друг с другом и имеют по существу одинаковый электрический потенциал. Предпочтительно потенциал является отрицательным и составляет по меньшей мере 100 В. Вследствие электрического соединения фотоэлектронного умножителя 40 и окружающего его металлического кожуха 44 «шум», создаваемый термоэлектронами, минимизирован или исключен. Весь узел 20 детектора радиационного излучения также имеет такую же полярность и потенциал, что и фотоэлектронный умножитель 40.

Таким образом, одна из двух составляющих, влияющих на скорость высвобождения термоэлектронов в фотоэлектронном умножителе 40, - электрическое поле - исключена или по меньшей мере минимизирована. Узел 22 сцинтилляционного детектора радиационного излучения, даже в случае его работы при сравнительно высоких температурах, например 185°С, и при приложении высокого отрицательного напряжения к компонентам фотоэлектронного умножителя 40, производит сравнительно небольшое количество термоэлектронов. В отсутствие образования термоэлектронов «шумовая» составляющая в усиленном электрическом сигнале, сгенерированном в фотоэлектронном умножителе 40, по меньшей мере уменьшена, а предпочтительно исключена, что улучшает характеристики фотоэлектронного умножителя 40 и узла 20 детектора радиационного излучения. При этом усиленный электрический сигнал, сгенерированный в фотоэлектронном умножителе 40, в отсутствие «шума» может должным образом отображать энергию гамма-лучей, поступающих в сцинтилляционный детектор 22, вступающих в реакцию или взаимодействующих с ним.

Несмотря на то что изобретение описано на примере различных конкретных вариантов выполнения, специалисты в данной области техники должны понимать, что изобретение выходит за рамки описанных вариантов выполнения и охватывает другие альтернативные варианты выполнения и/или применения описанных устройств, технологий и их очевидные модификации и эквиваленты. Предполагается, что объем описанного изобретения не ограничен конкретными, описанными выше вариантами выполнения.

Перечень элементов

20 - Узел детектора радиационного излучения

22 - Сцинтилляционный детектор радиационного излучения

24 - Узел фотоэлектронного умножителя

26 - Внешний кожух

40 - Фотоэлектронный умножитель

42 - Кожух

44 - Кожух (для элемента 40)

46 - Опорная конструкция

48 - Резьбовое соединение

60 - Оптическое окно

62 - Крышка

64 - Провода

82 - Упругий элемент

100 - Вторая внешняя крышка

120 - Конец провода

122 - Концевой разъем

124 - Резьбовое крепежное средство

140 - Изолирующий материал

142 - Изолирующий материал

144 - Изолирующий материал

Изобретение относится к детекторам радиационного излучения. Узел (20) детектора радиационного излучения содержит сцинтилляционный детектор (22) радиационного излучения, предназначенный для генерации светового сигнала, являющегося функцией регистрируемого радиационного излучения. Для приема светового сигнала от сцинтилляционного детектора и генерации электрического сигнала, являющегося функцией полученного светового сигнала, предусмотрен фотоприемник (40), выполненный с возможностью функционального соединения с указанным сцинтилляционным детектором (22). Кожух (44) фотоприемника (40) выполнен с возможностью электрического соединения с указанным фотоприемником (40). По меньшей мере один из элементов, кожух (44) или фотоприемник (40), выполнен с возможностью электрического подключения к электроду источника питания, в результате чего при электрическом соединении кожух фотоприемника и сам фотоприемник имеют по существу одинаковый электрический потенциал. Технический результат - снижение помех в электрическом сигнале фотоэлектронного умножителя и узле детектора радиационного излучения. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Узел (20) детектора радиационного излучения, содержащий:
сцинтилляционный детектор (22) радиационного излучения, предназначенный для генерации светового сигнала, являющегося функцией регистрируемого радиационного излучения,
фотоприемник (40), выполненный с возможностью функционального соединения со сцинтилляционным детектором (22) и предназначенный для приема светового сигнала от указанного детектора и генерации электрического сигнала, являющегося функцией полученного светового сигнала, и
кожух (44) фотоприемника (40), выполненный с возможностью электрического соединения с указанным фотоприемником,
причем по меньшей мере один из элементов, кожух (44) или фотоприемник (40), выполнен с возможностью электрического подключения к электроду источника питания, в результате чего кожух фотоприемника и сам фотоприемник имеют по существу одинаковый электрический потенциал.

2. Узел (20) по п.1, в котором источник питания представляет собой источник питания постоянного тока, предназначенный для обеспечения электроэнергией фотоприемника, причем отрицательный электрод (120) источника питания постоянного тока выполнен с возможностью подключения по меньшей мере к одному из элементов, кожуху (44) или фотоприемнику (40), в результате чего кожух фотоприемника и сам фотоприемник имеют по существу одинаковый электрический потенциал.

3. Узел (20) по п.1, в котором электрический потенциал является отрицательным и составляет по меньшей мере около 100 В.

4. Узел (20) по п.1, дополнительно содержащий кожух (42) сцинтилляционного детектора (22) радиационного излучения, причем кожух (44) фотоприемника (40) выполнен с возможностью электрического соединения с указанным кожухом (42) детектора (22), в результате чего указанные кожухи (42, 44) и фотоприемник (40) имеют по существу одинаковый электрический потенциал.

5. Узел (20) по п.4, в котором источник питания представляет собой источник питания постоянного тока, предназначенный для обеспечения электроэнергией фотоприемника, причем отрицательный электрод (120) источника питания постоянного тока выполнен с возможностью подключения по меньшей мере к одному из элементов, кожуху (44) или фотоприемнику (40), в результате чего кожух (42) сцинтилляционного радиационного детектора (22), кожух (44) фотоприемника (40) и фотоприемник (40) имеют по существу одинаковый электрический потенциал.

6. Узел (20) по п.5, в котором электрический потенциал является отрицательным и составляет по меньшей мере около 100 В.

7. Узел (20) по п.4, дополнительно содержащий:
внешний кожух (26), выполненный с возможностью соединения с кожухом (42) сцинтилляционного детектора (22) радиационного излучения и кожухом (44) фотоприемника (40) и расположенный вокруг них, причем указанный внешний кожух (26) выполнен с возможностью подключения по меньшей мере к одному из элементов, кожуху (44) фотоприемника (40) или кожуху (42) сцинтилляционного детектора (22), в результате чего внешний кожух (26), кожух (42), кожух (44) и фотоприемник (40) имеют по существу одинаковый электрический потенциал, и
изолирующий материал, расположенный между внешним кожухом (26) и указанным по меньшей мере одним из элементов, кожухом (44) фотоприемника (40) или кожухом (42) сцинтилляционного детектора (22).

8. Узел (20) по п.1, в котором сцинтилляционный детектор (22) радиационного излучения содержит кристаллический материал.

9. Узел (20) по п.1, в котором фотоприемник (40) представляет собой фотоэлектронный умножитель.

10. Узел (20) по п.1, который используется для обнаружения радиационного излучения, испускаемого геологическими формациями, идущими в направлении буровой скважины.