УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕЙТРОННОГО АКТИВАЦИОННОГО АНАЛИЗА КЕРНА Советский патент 1994 года по МПК G01N23/00 

Изобретение относится к ядерно-физическому анализу вещества и может быть использовано при поисках, разведке и эксплуатации месторождений полезных ископаемых, а также при других работах, связанных с бурением скважин и извлечением керна.

Известно устройство для нейтронного активационного анализа (НАА) больших навесок неизмельченного керна и шлама. В нем блок активации представляет собой стальной бак с закрепленной вдоль его вертикальной оси стальной трубой, заполненный водным раствором соединения бора. В облучательной камере этого блока, т.е. внутри трубы, коаксиально размещены цилиндрическая многокамерная кассета с керном (шламом), а в центральном канале кассеты - генератор нейтронов. Блок детектирования включает защиту от внешнего гамма-излучения, в канале (измерительной камере) которой расположены кассета с облученным керном, а в канале кассеты размещается прибор, регистрирующий гамма-излучение.

Это устройство предназначено для определения содержания элементов, активирующихся только быстрыми нейтронами. Оно не позволяет определять концентрации элементов в пробе, активирующихся тепловыми и резонансными нейтронами. Другим недостатком известного устройства является то, что оно непригодно для НАА керна по короткоживущим (с периодом полураспада до 1 мин) изотопам-индикаторам, так как за время извлечения из блока активации, перемещения вручную на 5-7 м к блоку детектирования, установки в него кассеты с керном и включения регистратора большая часть ядер короткоживущего изотопа-индикатора распадается, что значительно снижает чувствительность устройства и точность результатов НАА керна.

Известно также устройство для НАА керна, которое включает блок активации и блок детектирования. Блок активации состоит из стального бака, заполненного в центральной части парафином, а в периферийной - водой. Посередине парафина в стальной трубе (облучательной камере) размещается анализируемый столбик керна или кассета (стакан) с разрушенным керном, а по бокам от трубы - два радиоизотопных источника нейтронов. Сверху камера закрывается парафиновой пробкой. При активации только быстрыми нейтронами керн предварительно вкладывают в фильтр-пенал из листового кадмия толщиной 1 мм. В блоке детектирования, удаленном от блока активации на 5-7 м и экранированном со всех сторон свинцовыми кирпичами, облученный керн (столбик или стакан с разрушенным керном) устанавливают в измерительную камеру-колодец сцинтилляционного детектора гамма-излучения.

Известное устройство обладает следующими недостатками.

Во-первых, низкая чувствительность к ряду элементов из-за малых значений высоты (10 см) и навески (до 3 кг) анализируемого столбика керна. Во-вторых, отсутствие возможности выполнения анализа по короткоживущим изотопам-индикаторам из-за больших затрат времени на извлечение из блока активации, переноску и установку в блок детектирования облученного керна. В-третьих, меньшая производительность НАА керна при измерениях активности, наведенной быстрыми нейтронами, так как в этом случае затрачивается дополнительное время для надевания на керн кадмиевого фильтра (пенала) и снятия его с керна после активации перед помещением в блок детектирования. Это время сравнимо с временем переноса керна из блока активации в блок детектирования.

Цель изобретения - повышение производительности, чувствительности и точности анализа по короткоживущим и активируемым нейтронами разных энергий изотопам-индикаторам.

На фиг.1 представлена схема модификации устройства для НАА для анализа керна без лифта в случае применения фильтра, не активирующегося заметно нейтронами источника с испусканием вторичного мешающего гамма-излучения; на фиг. 2 - то же для анализа керна с лифтом в случае применения фильтра, заметно активирующегося нейтронами источника с испусканием вторичного мешающего гамма-излучения.

Устройство для нейтронного активационного анализа керна в первой модификации содержит блок активации 1 с камерой 2 и пробкой 3 к ней. Внутри камеры 2 размещены кассета 4 для керна 5 и части фильтра-пластины 6 и трубы 7, детектор гамма-излучения 8 в охранном кожухе 9, источник нейтронов 10 в держателе 11, находящемся под блоком активации 1 в блоке биологической защиты 12, связка 13, соединяющая кожух 9 (а с ним и детектор гамма-излучения 8) с держателем 11 источника нейтронов 10. Кассета 4 имеет две цилиндрические стенки и продольный канал 14. Кроме того, кассета 4 радиальными стенками разделена по вертикали на две отдельные части. Если кассета 4 предназначена для размещения в ее полости между цилиндрическими стенками четного числа столбиков керна 5, то части кассеты 4 одинаковые, а поперечное сечение и дно каждой из них - плоское полукольцо. Если кассета 4 предназначена для размещения в ее полости между цилиндрическими стенками нечетного числа столбиков керна 5, то части кассеты 4 не одинаковы - в одну часть помещается на один столбик больше. В этом варианте нижние пластины 6 и трубы 7 фильтра размещены внутри частей кассеты 4, а верхние пластины 6 закреплены на нижнем торце пробки 3. Формы поперечных сечений труб 7 и нижних пластин 6 фильтра соответствуют форме дна той части кассеты 4, в которую они вкладываются.

Кожух 9 детектора гамма-излучения 8 и держатель 11 источника нейтронов 10 расположены в общем вертикальном канале устройства, образованном каналами 14, 15, 16 и 17, относящимися к кассете 4, пробке 3, блокам активации 1 и биологической защиты 12 соответственно. Это позволяет синхронно перемещать сборку кожух 9 - связка 13 - держатель 11 по оси общего канала устройства за счет кабеля 18, электрически связывающего детектор гамма-излучения 8 с источниками питания и обрабатывающей его импульсы аппаратурой (на чертеже не показаны).

Блок активации 1, пробка 3, все части кассеты 4, держатель 11 источника нейтронов 10 изготавливают из оргстекла, части фильтра - из кадмия, а блок биологической защиты 12 - из рассеивающих и поглощающих нейтроны и гамма-излучения веществ, например из грунта под блоком активации 1, в котором пройдена и обсажена трубой (например пластмассовой) скважина глубиной 3-5 м (канал 17). Детектор гамма-излучения 8 защищен от излучения источника нейтронов 10 цилиндрическим экраном 19 из свинца и кадмия или из других веществ, хорошо ослабляющих нейтронное и гамма-излучения. В качестве связки 13 можно использовать стержень или трос.

Вторая модификация устройства для нейтронного активационного анализа керна отличается от первой тем, что в ней соосно с частью фильтра-трубой 7 имеется еще одна часть фильтра - труба 20 меньшего диаметра и все части фильтра размещены вне кассеты 4. Труба 20 расположена внутри каналов 15 и 16 и закреплена на тросе или держателе 11, что обеспечивает возможность трубе 20 перемещаться вдоль общего канала устройства.

Для удаления из камеры 2 и введения в нее фильтра предусмотрены четыре сквозных паза 21 в блоке активации 1 в плоскостях дна камеры 2 и нижнего торца пробки 3, а также зазор 22 между пробкой 3 и стенкой камеры 2. Через пазы 21 проходят верхние и нижние пластины 6 фильтра, которые имеют возможность возвратно-поступательного движения в них. Труба 7 фильтра проходит через зазор 22. Пластины 6 фильтра могут быть установлены не только с возможностью возвратно-поступательного перемещения в пазах 21, т.е. как задвижки. Пластины 6 фильтра могут быть снабжены вертикальными стержнями (на чертеже не показаны), при повороте которых вокруг своих осей они будут двигаться по кругу, то уходя в камеру 2, то выходя из нее.

Кроме того, эта модификация устройства снабжена лифтом, который состоит из кольцеобразной платформы 23, соединенной трубой 24 с пробкой 3 камеры 2. Лифт имеет возможность перемещения вверх и вниз в камере 2 и служит для подачи в камеру 2 и извлечения из нее кассеты 4 с анализируемым керном 5. При наличии лифта пробка 3 держится трубой 24 лифта.

Части фильтра в этой модификации изготовляют монометаллическими или биметаллическими из тонких (до 1 мм) листов кадмия, индия, тантала, серебра и других резонансно поглощающих нейтроны материалов для НАА керна на резонансных нейтронах или из смеси эпоксидного клея с порошком соединения бора для НАА керна на быстрых нейтронах.

Работу с устройством в первой модификации выполняют следующим образом.

В исходном положении кассета 4 и части фильтра (нижние пластины 6 и трубы 7) находятся вне камеры 2 блока активации 1. Детектор гамма-излучения 8 в кожухе 9 располагают против середины камеры 2, а держатель 11 с источником 10 оказывается в нижней части канала 17 блока биологической защиты 12.

В обе части кассеты 4 вкладывают соответствующие нижние пластины 6 и трубы 7 фильтра, а затем - анализируемый керн 5. Из блока активации 1 извлекают пробку 3. В камеру 2 устанавливают части кассеты 4, заполненные керном 5. Камеру 2 закрывают сверху пробкой 3, к которой снизу прикреплена верхняя пластина 6 фильтра. Включают регистрирующую аппаратуру и измеряют фон естественной радиоактивности. Затем с помощью кабеля 18 детектор гамма-излучения 8 с кожухом 9, а также соединенный с ними связкой 13 держатель 11 с источником нейтронов 10 поднимают вверх так, чтобы источник нейтронов 10 оказался против середины кассеты 4 с керном 5. В течение заданного времени активации керн 5 облучают надкадмиевыми нейтронами, так как он со всех сторон окружен фильтром из кадмия.

По окончании активации быстро опускают кабель 18, детектор гамма-излучения 8 в кожухе 9 в канал 14 кассеты 4, а держатель 11 с источником нейтронов 10 - в канал 17 блока биологической защиты 12. При этом детектор 8 должен оказаться против кассеты 4. В течение заданного времени измерения регистрируют интенсивность излучения наведенной и естественной радиоактивности керна 5. При необходимости проводят цикл из нескольких облучений и измерений, повторяя описанный выше процесс нужное число раз.

По окончании последнего измерения, при расположении источника нейтронов 10 внизу канала 17 блока биологической защиты 12, поднимают пробку 3 и извлекают из камеры 2 части кассеты 4 с керном 5. Столбики керна 5 вынимают из частей кассеты 4. После этого устройство готово к работе с новым керном по описанной схеме.

Работу с устройством во второй модификации выполняют следующим образом.

В исходном положении кассета 4 находится вне камеры 2, труба 7 фильтра, имеющая больший диаметр, - в камере 2, труба 20 фильтра, имеющая меньший диаметр, - в трубе 24 лифта, пластины 6 фильтра - в горизонтальных сквозных пазах 21 блока активации 1, лифт - в нижнем положении в камере 2, пробка 3 - в верхней части камеры 2, держатель 11 с источником нейтронов 10 - внизу канала 17 блока биологической защиты 12, а детектор гамма-излучения 8 - против середины камеры 2 по высоте.

После заполнения керном частей кассеты 4 лифт выдвигают из камеры 2 так, чтобы платформа 23 оказалась на уровне верхней поверхности блока активации 1. Части кассеты 4 с керном 5 устанавливают на платформу 23 лифта под пробку 3 вплотную к трубе 24 и лифт опускают в камеру 2, в нижнее положение. Трубы 7 и 20 фильтра выводят через зазор 22 и канал 15 или 16 за пределы камеры 2. Измеряют уровень естественной радиоактивности. По завершении измерения все части фильтра через сквозные пазы 21, зазор 22 и каналы 15 или 16 вводят внутрь камеры 2 и трубы 24 лифта так, чтобы они со всех сторон окружили кассету 4 с керном 5, находящуюся в камере 2. Кабелем 18 поднимают вверх детектор 8 в кожухе 9, связку 13 и держатель 11 с источником нейтронов 10 так, чтобы источник нейтронов 10 остановился против середины кассеты 4 с керном 5. Керн 5 облучают нейтронами соответствующего энергетического интервала в течение заданного времени активации. Энергетический интервал для нейтронов, активирующих керн 5, устанавливается соответствующим подбором экранирующих материалов.

По окончании активации кабель 18 с детектором 8 в кожухе 9, связкой 13 и держателем 11 быстро опускают в положение, при котором источник нейтронов 10 оказывается внизу канала 17 в блоке биологической защиты 12, а детектор 8 - против кассеты 4 с керном 5 в камере 2. Одновременно с этим все части фильтра выводят через сквозные пазы 21, зазор 22 и канал 15 или 16 из камеры 2 и трубы 24 лифта. В течение заданного времени измерения регистрируют интенсивность излучения наведенной и естественной радиоактивности керна 5. При необходимости проводят цикл из нескольких облучений и измерений, повторяя описанный процесс нужное число раз.

По окончании последнего измерения, при расположении источника 10 внизу канала 17 блока биологической защиты 12, трубу 7 фильтра через зазор 22 опускают внутрь камеры 2, а лифт поднимают над верхней поверхностью блока активации 1. Части кассеты 4 с керном 5 извлекают из лифта, а столбики керна 5 вынимают из частей кассеты 4. После этого устройство готово к работе с новым керном по описанной схеме.

В тех случаях, когда активация должна проводиться всем спектром нейтронов источника или когда изотоп-индикатор возникает только по ядерной реакции не тепловых нейтронах, а изотопы-помехи практически отсутствуют, тогда все части фильтра выдвигают из камеры 2 не только на время измерений, но и на время активации.

В тех случаях, когда изотоп-индикатор возникает не только из определяемого элемента, но и из других элементов по ядерным реакциям с нейтронами разных энергий, то каждую анализируемую навеску керна исследуют дважды: измеряют фон, активируют керн 5, окруженный частями фильтра, и измеряют естественную и наведенную активность; и измеряют фон, активируют керн 5 без фильтра и измеряют естественную и наведенную активность.

Таким образом, в данном устройстве связанные между собой источник нейтронов и детектор гамма-излучения могут перемещаться вдоль общего канала устройства, что обеспечивает организацию режимов активации и измерения. На одно перемещение источника и детектора между этими положениями (2-3 м) затрачивается несколько секунд даже при ручном приводе, а при автоматизированном механическом приводе - не более 1-2 с. Это минимизирует паузу между активацией и измерением, при котором наведенная активность короткоживущих изотопов с периодами полураспада даже в 4-7 c изменяется несущественно, что позволяет определять содержания исходных изотопов с достаточными чувствительностью и точностью.

То, что при активации резонансными или быстрыми нейтронами керн отделен от замедлителя (блок активации, пробка и др. части устройства) и источника нейтронов фильтром, поглощающим нейтроны с иными энергиями, приводит к снижению фона наведенной активности изотопов-помех, а значит, к повышению чувствительности и точности измерений наведенной активности изотопов-индикаторов.

Изготовление фильтра не в виде пеналов, а в виде частей, не соединенных между собой, позволяет при необходимости быстро осуществить их удаление из камеры перед измерением через соответствующие сквозные пазы в блоке активации, не извлекая из камеры кассету с керном, сократить до минимума паузу между окончанием активации и началом измерения, что также повышает чувствительность и точность НАА по короткоживущим изотопам.

Следовательно, использование данного устройства позволяет существенно повысить производительность, чувствительность и точность нейтронного активационного анализа керна.

Использование: ядерно-физический анализ вещества. Сущность изобретения: устройство в первой модификации включает блоки активации и биологической защиты. Блок активации содержит камеру и пробку к ней. В камере размещается кассета для керна, состоящая из двух частей, которую охватывает избирательно поглощающий нейтроны фильтр, состоящий из двух частей. В пробке, кассете, блоке активации, изготовленных из неактивируемых нейтронами материалов, и в блоке биологической защиты выполнены вертикальные соосные каналы, образующие общий канал, в котором расположены с возможностью перемещения вдоль его оси источник нейтронов и детектор гамма-излучения, соединенные между собой так, что при установлении детектора гамма-излучения против кассеты для керна источник нейтронов размещается в канале блока биологической защиты. Во второй модификации устройства фильтр выполнен из трех частей, в блоке активации и в пробке имеются пазы для вывода-ввода всех частей фильтра. Устройство дополнительно снабжено лифтом для перемещения кассеты с керном. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕЙТРОННОГО АКТИВАЦИОННОГО АНАЛИЗА КЕРНА, содержащее блок активации с камерой и пробкой к ней, цилиндрическую кассету для керна и избирательно поглощающий нейтроны фильтр, охватывающий полость кассеты для керна с торцов и вдоль боковой поверхности, причем кассета для керна и фильтр размещены в камере, источник нейтронов и детектор гамма-излучения, систему фиксации относительного расположения кассеты и источника нейтронов или детектора гамма-излучения, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности, чувствительности и точности анализа, оно снабжено размещенным под блоком активации блоком биологической защиты, при этом кассета выполнена по крайней мере из двух частей, фильтр выполнен по крайней мере из двух частей, а в пробке, кассете, блоке активации, изготовленных из неактивируемых нейтронами источника материалов, и в блоке биологической защиты выполнены вертикальные соосные каналы, образующие общий канал, в котором расположены с возможностью перемещения вдоль его оси источник нейтронов и детектор гамма -излучения, при этом расстояние между ними фиксировано из условия установки детектора гамма-излучения против кассеты для керна, а источника нейтронов - в канале блока биологической защиты. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фильтр выполнен по крайней мере из трех частей, причем одна из частей фильтра выполнена с возможностью перемещения вдоль общего канала устройства, в блоке активации в плоскостях дна камеры и в нижнем торце пробки выполнены по крайней мере четыре сквозных паза под плоские части фильтра, пробка установлена с зазором для введения и извлечения цилиндрических частей фильтра, дополнительно в камеру введен лифт, включающий кольцеобразную платформу под кассету с керном и направляющую трубу, соединенную с пробкой.