Способ рентгенорадиометрического анализа Советский патент 1992 года по МПК G01N23/223 

Изобретение относится к геофизическим методам исследований и может быть использовано для анализа горных пород и руд в условиях их естественного залегания по характеристическому рентгеновскому излучению элементов и рассеянному гамма- излучению источника.

Известны способы рентгенорадиомет- рического анализа (РРА), заключающиеся в облучении исследуемой среды источником первичного гамма-излучения и регистрации характеристического рентгеновского излучения определяемого элемента и рассеянного излучения источника в определенной области энергий.

Недостатком указанных способов является невысокая точность анализа, вызываемая изменением геометрических условий измерений.

Известен также способ геофизических исследований с использованием рассеянного гамма-излучения источника, в котором с целью устранения влияния переменного расстояния h до исследуемой среды одновременно измеряют суммарную интенсивность рассеянного излучения от двух источников, удаленных от общего детектора вторичного излучения на определенные расстояния, а активность источников подбирают такой, чтобы вклады каждого из них на этих расстояниях в общую регистрируемую интенсивность были одинаковыми.

Недостатком указанного способа является невозможность определения h одноVJ VJ VJ

О СЛ 00

временно с регистрацией суммарной интенсивности для оценки дрстоверности способа анализа при h больших диапазона компенсации переменного расстояния.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ рентгенорадиометри- ческого анализа, заключающийся в облучении исследуемой среды источником первичного излучения и регистрации характеристического рентгеновского и рассеянного излучения детектором в геометрии зондового устройства прямой видимости, характеризующегося геометрической инверсией (определяемой как зависимость интенсивности вторичного излучения от расстояния h между зондом и поверхностью исследуемой среды), максимум которой располагается в области минимально возможного h.

Способ реализуется с помощью зонда рентгенорэдиометрического анализатора, состоящего из корпуса с входным окном, защитного экрана с выполненными в нем коллимационными каналами, в которые помещены источник первичного и детектор вторичного излучений.

После облучения исследуемой среды излучением источника детектор через приемный коллиматор регистрирует характеристическое рентгеновское излучение элементов NX. входящих в состав исследуемой среды, и рассеянное средой гамма-излучение Ns.

В зондовом устройстве РРА положение максимума геометрической инверсии hmax и ширина ее плато зависят от степени коллимации первичного и вторичного излучений, первоначального расстояния источник-среда и других геометрических параметров зондового устройства. Ширина плато даже при проведении измерений в геометрии расходящихся пучков первичного и вторичного излучений (зондовые устройства с неограниченным объемом прямой видимости по h) не превышает 1 см, и для исключения влияния переменного h измеряется отношение интенсивностей характеристического рентгеновского излучения Nx к рассеянному средой излучению NS.

Недостатком указанного способа является невысокая точность анализа руд при изменении расстояния h до исследуемой среды, так как при этом нарушается однотипность зависимостей Nx(h) и Ns(h), что приводит к ошибкам анализа, Кром.е того, в геометрии прямой видимости невозможно проведение измерений по способу спектральной интенсивности Nx и способу спектральной разности ANX из-за существенного влияния на эти параметры пере-менного h, а определение величины h для введения соответствующих поправок в измеряемые параметры по рассеянному излучению не представляется возможным, так

как оно зависит не только от h, но и от плотности и эффективного атомного номера исследуемой среды.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков.

0 Указанная цель достигается тем, что в способе рентгенорадиометрического ана- . лиза, включающем облучение исследуемой среды источником первичного гамма-излучения, регистрацию характеристического

5 рентгеновского излучения определяемого элемента и рассеянного излучения детектором, образующими зонд прямой видимости, работающий в области максимума геометрической инверсии, и определение

0 содержания определяемого элемента по соотношению интенсивностей регистрируемых излучений, дополнительно измеряют рассеянное излучение дополнительным детектором, установленным таким образом,

5 что он образует совместно с источником первичного излучения дополнительный зонд, работающий в области геометрической инверсии, максимум которой располагается в области правого склона

0 геометрической инверсии зонда прямой видимости на уровне 0,1-0,3 ее максимума, предварительно на модели руды, содержащей определяемый элемент, определяют зависимость отношения интенсивностей

5 рассеянного излучения, зарегистрированных детектором зонда прямой видимости и дополнительным детектором, от расстояния h, a также зависимость отношения интенсивностей характеристического рентгеновского из0 лучения определяемого элемента и рассеянного излучения, зарегистрированных детектором зонда прямой видимости, от расстояния h, по полученным зависимостям и отношению интенсивностей рассеянного из5 лучения, зарегистрированных обоими детекторами от исследуемой среды, определяют расстояние h и вводят поправки в результаты анализа.

Сущность способа поясняется фиг.1, на

0 которой приведен вариант зондового устройства для реализации способа, и фиг2-4, на которых приведены результаты измерений.

Устройство для реализации способа

5 содержит корпус 1, входное окно 2, защитный экран 3, источник гамма-излучения 4, коллиматор первичного излучения 5, коллиматор вторичного излучения 6, детектор вторичного излучения 7, дополнительный коллиматор вторичного излучения 8, дополнительный детектор вторичного излучения 9, исследуемую среду 10.

Исследуемая среда 10 облучается источником 4, вторичное излучение регистрируется детектором 7, образующим совместно с источником первичного излучения зонд прямой видимости. По результатам измерений рассеянного излучения на различных расстояниях h между зондом и исследуемой средой определяется геометрическая инверсия Ni(h) (фиг.2). При увеличении h интенсивность излучения NI резко уменьшается, и уже при h 50-60 мм метод РРК становится неинформативным. Дополнительно и одновременно регистрируется рассеянное исследуемой средой излучение дополнительным детектором 9 (фиг.1). образующим совместно с источ- ником А дополнительный зонд; по результатам измерений определяется геометрическая инверсия этого зонда N2(h) (фиг.2). Расстояние 1 между образующими коллиматора 4 и коллиматора дополнительного детектора 9 (фиг.1) выбирается таким образом, чтобы максимум геометрической инверсии дополнительного зонда N2(h) располагался в области таких значений h, где величина геометрической инверсии зонда прямой видимости Ni(h) составляла 0,1- 0,3 ее максимального значения при h h2 t (фиг.2).

В этом случае отношение интенсивности, рассеянного средой излучения N2(h), зарегистрированное дополнительным зондом, к интенсивности рассеянного излучения Ni(h), зарегистрированное зондом прямой видимости, т.е. Ph №(h)/Ni(h), линейно связано ch в диапазоне hi h 1,7h2. в котором зонд РРК информативен (фиг.З).

Положение максимума геометрической инверсии дополнительного зонда зависит от величины I между коллимационными каналами источника и дополнительного детектора (фиг.1), а также от конкретных геометрических параметров зондового устройства РРА. Поэтому на моделях руд пред- варительно должны регистрироваться инверсионные зависимости N(h) дополнительного зонда при различных значениях величины I.

На фиг.2 приведены инверсионные зависимости, измеренные при различных расстояния I, где Ni(h) - для зонда прямой видимости, а также N2(h), Мз(п) и N4(h) - для зондов дополнительного детектора с I 13; 7 и 20 мм соответственно. На фиг.З приведены графики параметра Ph(h), полученные при различных I дополнительного зонда.

Как видно из фиг.2, увеличение I приводит к смещению максимумов инверсионных зависимостей N(h) в области больших h.

Из фиг.2 также видно, что при I 7 мм максимум геометрической инверсии N3(h) располагается в области h, где значение инверсионной зависимости Ni(h) зонда РРК составляет 0.40-0,45ее максимального значения. При этом параметр Ph N3(h)/Nh(h) линеен только в диапазоне h от 0 до 25 мм (фиг.З). Диапазон линейности параметра Ph будет еще больше сокращаться, чем ближе

0 по оси h будут расположены друг к другу максимумы геометрических инверсий зонда РРК и дополнительного зонда.

С увеличением величины I до 13 мм график Ph(h) N2(h)/Ni(h) становится линей5 ным в диапазоне h мм до 50 мм (фиг.З). при этом максимум инверсионной зависимости №(h) находится в пределах 0,25- 0.30 Nimax (фиг.2).

При I 20 мм максимум инверсии N(h)

0 располагается в области 0,10-0,15 Nimax (фиг.2). При этом сохраняется линейность параметра Ph(h) от h - 12-15 мм до 60 мм и более (фиг.З). При дальнейшем увеличении I существенно снижается интенсивность рас5 сеянного излучения, регистрируемая дополнительным зондом, и Увеличивается зона неинформативности параметра Ph(h) в области максимума геометрической инверсии зонда прямой видимости.

0Таким образом, величина I должна выбираться такой, чтобы максимум геометрической инверсии дополнительного зонда располагался в области h, где значение интенсивности, зарегистрированное зондом

5 прямой видимости, составляло около 0,1- 0,3 ее максимального значения, т.е. при Ni(h) 0,1Nimax метод РРК неинформативен, а при Ni(h) 0, сокращается линейно диапазон параметра Ph(h).

0 Для типовых зондовых устройств сква- жинных приборов РРК величина устанавливается в пределах I -10-15 мм.

После выбора оптимального расстояния I дополнительного зонда для осуществления

5 способа производятся следующие операции.

1. Для определения параметра Ph одновременно измеряются интенсивности рассеянного излучения источника, регист0 рируемые зондом прямой видимости (Ni) и дополнительным зондом (N2) на различных расстояниях h до поверхности облучаемой среды. В качестве среды могут быть использованы: рудовмещэющие породы

5 (образцы керна и т.п.), модели с содержанием анализируемого элемента q 0 %, а также модели с содержанием анализируемого элемента q 4-5%.

По соотношению измеренных интен- сивностей Ni(h) и №(h) вычисляется параметр кавернометрии; Ph N2(h)/Ni(h), который не зависит от состава и плотности исследуемой среды и градуируется в мм изменении h до исследуемой поверхности.

2.На модели с содержанием анализируемого элемента q 4-5% зондом прямой видимости на различных расстояниях h до ее поверхности регистрируется характеристическое рентгеновское излучение анализируемого элемента (Nx) и рассеянное излучение источника в области энергии стандарта-фона (Ns) для реализации способов спектральной разности ( ANX Nx - т) 0NS) или спектральных отношений ( NX/NS- т/о), где г о спектральное отношение интен- сивностей, зарегистрированных в каналах NX и Ns на рудовмещающей породе (модели).

Коэффициент ослабления th параметров ANx и при изменении h определяется по формулам

th( ANX) ANx(h)/A Nx(h 0) и th( ) (h)/&7 (h - 0)

Пример определения коэффициента th приведен на фиг.4.

3.В процессе каротажа скважины одновременно регистрируются не менее двух параметров ANx (или ) и Ph.

4.По величине измеренного параметра Ph определяется глубина каверн h в рудной зоне (фиг.З). а затем по найденному значению h определяется коэффициент ослабления th регистрируемого аналитического параметра ( ANX или ) (фиг.4) и при h О вводится поправка в измеряемый параметр по формулам

А; испо А измЛп()или ANncnp А Ыхизм /th(A NX)

Изобретение иллюстрируется следующим примером. Способ был реализован с помощью модернизированных скважинных приборов типа СП-РРК-С рентгенорадио- метрического анализатора РАГ-М-101, выпускаемого серийно НПО Рудгеофизика, на месторождении Якутии. В качестве дополнительного детектора использовался кристалл йодистого натрия размером 10 х 10 мм в сочетании с ФЭУ-67Б. Величина дополнительного зонда была выбрана равной 13 мм. На фиг.2-4 представлены зависимости, полученные на моделях руд олова с источником самарий-145 при использовании скважинных приборов с зондовыми устройствами для реализации заявляемого способа.

В таблице приведены данные измерений на модел, составленной из образцов

горных пород и руд одного из оловорудных месторождений. Длина модели составляла 25 см (такой шагустреднения параметров по глубине скважины принят при проведении РРК на этом месторождении). Измерения

проводились нэ различных расстояниях h от модели.

Предварительно на рудовмещающих моделях градуировался параметр Ph(h) (фиг.З), а на моделях с содержанием олова

4% определялись коэффициенты ослабления th для параметра спектральных отношений и параметра спектральной разности АМх(фиг,4). Оценка расстояния h or входного окна зонда. РРК до модели, составленной

из рудных образцов, производилась по параметру Ph. Точность определения h составляла ±1 мм. По параметру Ph определялись коэффициенты th и вводились поправки в измеряемые параметры &rj и ANX.

Изменение газометрических условий

при измерении в геометрии прямой видимости оказывает большое влияние на параметры и ANX. Так, каверны глубиной 20 мм снижают значение параметра Аг/ на 25%, а параметра ANX на 50%. Введение поправок в измеряемые параметры практически полностью (с точностью до 3-4%) устраняет влияние переменного h на результаты анализа в пределах измерения h от 0 до 50 мм.

Поскольку параметры и ANx линейно связаны с содержанием анализируемого элемента,-то введение поправок th в измеряемые параметры во столько же раз уменьшает влияние переменного h на результаты анализа в q % элемента в пределах изменения h от 0 до 50 мм по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

Способ рентгенорадиометрического анализа, включающий облучение исследуемой среды источником первичного гамма-излучения, регистрацию характеристического рентгеновского излучения определяемого элемента и рассеянного излучения детектором, образующими зонд прямой видимости, работающий в области геометрической инверсии, и определение содержания определяемого элемента по соотношению интен- сивностей регистрируемых излучений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности анализа в условиях изменения расстояния h между зондом и исследуемой ередои, дополнительно измеряют рассеянное излучение дополнительным детектором, установленным таким образом, что он образует совместно с источником первичного излучения дополнительный зонд, работающий в области геометрической инверсии, максимум которой располагается в области правого склона геометрической инверсии зонда прямой видимости на уровне 0,1-0.3 ее максимума, предварительно на модели руды, содержащей определяемый элемент, определяют зависимость отношения интен- сивностей рассеянного излучения, зареги

стрированных детектором зонда прямой видимости и дополнительным детектором, от расстояния h, а также зависимость отношения интенсивностей характеристического рентгеновского излучения определяемого элемента и рассеянного излучения, зарегистрированных детектором зонда прямой видимости, от расстояния h, no полученным зависимостям и отношению интенсивностей рассеянного излучения, зарегистрированных обоими детекторами от исследуемой среды, определяют расстояние h и вводят поправки в результаты анализа.

Использование: при анализе горных пород и руд. Сущность изобретения: исследуемую среду облучают гамма-излучением, регистрируют характеристическое рентгеновское излучение определяемого элемента и рассеянное излучение детектором, образующим зонд прямой видимости, работающий в области геометрической инверсии, регистрируют рассеянное излучение вторым детектором, образующим второй зонд, работающий в области геометрической инверсии, максимум которой располагается в области правого склона геометрической инверсии зонда прямой видимости на уровне 0,1-0,3 ее максимума. Строят градуировоч- ные характеристики для обоих зондов, определяют расстояние до исследуемой среды и рассчитывают концентрацию определяемого элемента. 4 ил. 1 табл.

l LLШШLLLU ЦШ Jr.

I- «ojmjc эондового устройств.2- входное окно.З- защитный экран,4- источник гамма излучения,&- иол/нматор первичного излучения,6- холлиматор вторичного изучения, - детектор вторичного излучения, дополнлтяяишй коллиматор вторичного излучения,- лополннтеиышЯ до те я гор вторичного излучения,10- всследуеиая среда.

/,; ,.//«;,«где/. ,

в h, ft « fuf2

.1

3

Mh

PJ. c/.eff

20 h tfO60 hnHо

григЪ

i отн.ед

20 A W60 Hf А-/Г

Pw. 4