Лічильники, які використовуються для вимірювання радіоактивності

Для проведення досліджень розрізів свердловин методами радіометрії використовується одноканальна та двоканальна апаратура.

Двоканальна апаратура дозволяє реєструвати одночасно дві криві – гамма-каротажу та нейтронного гамма-каротажу; гамма-каротажу та нейтрон-нейтронного каротажу за тепловими нейтронами; гамма-каротажу та нейтрон-нейтронного каротажу за надтепловими нейтронами. Одноканальна апаратура дозволяє реєструвати тільки криву гамма-каротажу. В апаратурі гамма-каротажу в якості датчиків використовуються газорозрядні, сцинтиляційні та напівпровідникові лічильники.

Газорозрядні лічильники. Газорозрядний лічильник представляє собою газонаповнений прилад, який забезпечує реєстрацію інтенсивності ядерних частинок за виникненням газового розряду. Газовим розрядом називають явище протікання іонізаційного струму через гази.

Газорозрядний лічильник – це своєрідний конденсатор. Одним електродом (анодом) у ньому служить тонка нитка із вольфраму, заліза або іншого металу діаметром 0,1-0,5 мм, яка натягнута вздовж осі скляного циліндра діаметром 1-3 см, другим електродом (катодом) є внутрішнє металічне покриття даного циліндра (Рис. 3.1). Роль діелектрика виконує суміш газів, яка заповнює під тиском 1,33·10⁴ Па простір між електродами.

1 – скляний балон; 2 – металічний циліндр або металічне покриття (катод); 3 – нитка (анод); 4 – контакти та ізолятори. С – ємність;

R – опір

Рисунок 3.1 – Принципова схема та включення газорозрядних лічильників

Основні переваги газорозрядних лічильників:

- стабільність роботи у великому діапазоні зміни температури – від -55 до +300°С;

- необов’язковість стабільності напруги живлення;

- підвищена ефективність до жорсткого гамма-випромінювання при розв’язуванні деяких геолого-промислових задач.

Недоліки газорозрядних лічильників:

- висока робоча напруга живлення (700-1600В);

- обмежений термін роботи внаслідок розходу багатоатомних молекул на дисоціацію;

- мала максимальна швидкість рахунку.

Сцинтиляційні лічильники. Сцинтиляційний лічильник (Рис. 3.2) має два основних елемента: сцинтилятор, який реагує на ядерне випромінювання спалахами світла, і фотоелектронний помножувач (ФЕП), який перетворює дані слабкі спалахи світла в електричний імпульс та підсилює їх у мільйони разів.

1 – сцинтилятор (люмінофор); 2 – відбивач; 3 – ФЕП; 4 – фотокатод; 5 – фокусуючий діод; 6 – діоди; 7 – збираючий електрод (анод);

8 – дільник напруги

Рисунок 3.2 – Принципова схема сцинтиляційного лічильника

Принцип роботи сцинтилятора полягає в наступному. Гамма-квант, який попадає в сцинтилятор, взаємодіє з його атомами (фотоефект, комптон-ефект, утворення електронно-позитронних пар), що приводить до виникнення вільних зарядів (електронів і позитронів). Даним зарядам передається або вся енергія кванта (фотоефект), або її частка (комптон-ефект, утворення пар). Енергія вільних зарядів використовується на іонізацію та збудження атомів сцинтилятора. При переході зі збудженого стану в основний атоми сцинтилятора втрачають енергію, яка отримана при збудженні, у вигляді електромагнітних коливань (світлових фотонів) – люмінесценції.

Із багато чисельних сцинтиляторів найбільш часто використовують монокристали йодистого натрію NaI(Tl), йодистого калію KI(Tl), йодистого цезію CsI(Tl), які активовані талієм Tl з метою створення в решітках неорганічних кристалів додаткових центрів люмінесценції, а також пластмасові сцинтилятори.

Фотоелектронний помножувач (ФЕП) – пристрій, який з’єднує в собі фотоелемент і електронний підсилювач, дія якого базується на явищі вторинної електронної емісії.

Електрони, які вилітають із фотокатода, прискорюються електричним полем і через діафрагму прямують на перший електрод (динод) помножувача. Внаслідок вторинної емісії кожний впавший електрон вибиває із динода декілька вторинних електронів, кількість яких залежить від прикладеної між електродами різниці потенціалів. Дані електрони, знаходячись у полі притягання другого динода, також прискорюються та викликають вторинну електронну емісію на наступному диноді. Таким чином, проходить стрибкоподібне збільшення кількості електронів на кожному диноді ФЕП. Останнім електродом у даній ланці служить анод, який виготовлений у вигляді сітки та оточується екраном, що з’єднаний з передостаннім електродом.

Основні переваги сцинтиляційних лічильників:

- висока чутливість (ефективність), в тому числі і до гамма-променів;

- велика роздільна здатність;

- здатність розділяти частинки за їх енергіями та вимірювати їх, тобто проводити спектрометрію радіоактивних променів.

Недоліки сцинтиляційних лічильників:

- висока чутливість до зміни температури навколишнього середовища;

- підвищені вимоги до стабільності напруги живлення;

- великий розкид параметрів фотопомножувачів і зміна характеристик та параметрів фото помножувачів у процесі їх роботи.

Напівпровідникові лічильники. У напівпровідникових лічильниках використовується властивість детекторів – одностороння провідність електричного струму. Для цього створюють деякий шар, який називається p-n-переходом і володіє високим питомим опором. Дві пластини напівпровідника, одна з електронною провідністю, а друга з дірковою, приводять у тісне доторкання. У місцях їх доторкання починається дифузія електронів, яка нейтралізує частину дірок у тонкому граничному шарі з дірковою провідністю, і даний шар заряджається негативно. Аналогічно тонкий граничний шар з електронною провідністю заряджається позитивно. У результаті утворюється перехід p-n, який перешкоджає подальшій дифузії носія заряду. Такий перехід p-n володіє властивостями детектора. Якщо пластину з електронною провідністю приєднати до катода, а пластину з дірковою провідністю – до аноду, то через перехід іде струм. При зворотній полярності товщина переходу p-n росте і система не проводить струм.

При проходженні іонізуючої частинки через чутливий шар у ньому відбувається іонізація та утворюються вільні носії заряду, які під дією електричного поля дрейфують до відповідних електродів, тобто утворюється імпульс електричного струму.

Для реєстрації гамма-квантів необхідні напівпровідникові лічильники з великою товщиною чутливого шару. Даний ефект досягається використанням літію, який володіє великим коефіцієнтом дифузії, в одному із торців напівпровідника із дірковою провідністю. У результаті чого отримуємо тришаровий детектор з p–i–n-переходом (Рис. 3.3). У шарі I, куди не проникали атоми літію, зберігається діркова провідність. Тонкий шар III, у якому переважає “донор” (літій), набуває електронної провідності. У проміжному шарі II концентрації “донорів” і акцепторів рівні. Даний шар називається i-шаром. Товщину i-шару в окремих випадках вдається довести до 8 мм, що достатньо для отримання доброї енергетичної здатності та непоганої ефективності напівпровідникового лічильника гамма-квантів.

Основні переваги напівпровідникових лічильників:

- економія живлення;

- компактні;

- не чутливі до магнітного поля;

- амплітудне розділення в 20-30 разів краще, ніж у сцинтиляційних лічильниках.

Недоліки напівпровідникових лічильників:

- використання обмежене порівняно невеликими розмірами;

- нестабільність роботи при підвищених температурах

Рисунок 3.3 – Схема напівпровідникового лічильника

Гамма-каротаж сумарної радіоактивності (ГК)

У методі ГК вимірюють інтенсивність радіоактивного випромінювання гірських порід в свердловинах за допомогою індикатора γ-випромінювання. В якості індикатора використовують лічильник Гейгера-Мюллера, або більш ефективні і сучасні сцинтиляційні лічильники.

Одержана в результаті виміру крива, яка характеризує інтенсивність гамма-випромінювання пластів уздовж стовбура свердловини, називається гамма-каротажною кривою.

Гамма-випромінювання, що реєструється при гамма-каротажі, включає випромінювання від пластів гірських порід і фонове випромінювання. Фонове випромінювання викликане забрудненням радіоактивними речовинами матеріалів, з яких виготовлений прилад, і космічного випромінювання.

При дослідженні розрізів свердловин гамма-каротажем отримують безперервну криву вимірювання гамма-випромінювання гірських порід у заданих масштабах запису та глибини.

Конфігурації кривих інтенсивності гамма-випромінювання I_g спотворюються із-за наявності інтегруючої комірки у вимірювальній апаратурі. Внаслідок цього криві I_g на діаграмах ГК набувають асиметричної форми відносно середини пласта та зсуваються у напрямку руху приладу, а максимальна величина інтенсивності I_{g max} занижується, особливо в пластах обмеженої потужності (Рис. 3.4).

Границі пласта підвищеної радіоактивності можна визначити з достатньою для практики точністю за точками, які відповідають початку підйому кривої ГК у підошві пласта і початку її спаду в його покрівлі.

Крива радіоактивного каротажу (будь-якого, не тільки ГК) має відхилення, не пов’язані із зміною фізичних властивостей пластів гірських порід, які називаються статистичними флуктуаціями. Статистична флуктуація – це коливання інтенсивності радіоактивного випромінювання навколо деякої середньої величини в одних і тих же умовах.

У загальному випадку інтенсивність γ-випромінювання від пластів, що реєструється, пропорційна дійсній їх гамма-активності.

Проте, при однаковій гамма-активності породи з більшою густиною відмічаються меншими показами ГК через більш інтенсивне поглинання γ -променів. Таким чином, покази ГК є функцією радіоактивності, густини гірських порід та умов вимірювань (діаметра свердловини, густини промивної рідини, її радіоактивності, товщини обсадної колони, властивостей цементного каменю та ін.).

Шифр кривих – Vτ в м·с/год

Рисунок 3.4 – Конфігурація кривих гамма-каротажу

Умовно вважають, що ефективний радіус дії установки гамма-каротажу (радіус сфери, з якої виходить 90% випромінювань, сприйманих індикатором) відповідає приблизно 30 см. Випромінювання від більш віддалених ділянок гірської породи поглинається навколишнім середовищем, не досягнувши індикатора.

Гамма-каротаж знаходить широке застосування для вивчення літології гірських порід, виділення глинистих порід, якісної та кількісної оцінки їх глинистості, при кореляції розрізів свердловин. Гамма-каротаж використовується також для виявлення радіоактивних (калієвих або уранових) і нерадіоактивних руд, включаючи і вугільні пласти.

Гамма-каротаж проводиться в будь-яких свердловинах: обсаджених, необсаджених, з розчином або без нього.

Прилади гамма-каротажу суміщають часто з іншими видами досліджень в свердловинах: гамма-гамма-каротажем (ГГК), нейтрон-нейтронним каротажем (ННК), індукційним або боковим каротажем і ін..

Недоліки методу ГК: на покази гамма-каротажу істотно впливає діаметр свердловини, товщина металевої обсадної колони і цементного каменя.

Гамма-каротаж спектральний (ГК-С)

У методі ГК-С міряють у вздовж стовбура свердловини зміну інтенсивності гамма-квантів із заданою енергією.

За вихідним дискретним (лінійному) спектром енергій γ-випромінювання можна встановити ізотопний склад і число радіоактивних ядер. Характерними значеннями в спектральному складі γ-випромінювання осадових гірських порід відмічаються: радій – (0,6; 1,76 МеВ); торій – 0,9; 1,6; 2,6 МеВ); калій – (1,46 МеВ) (Рис. 3.5). У зв’язку з цим для оцінки вмісту в породах радію, торію і калію потрібні тільки результати вимірювання інтенсивності природного γ-випромінювання гірських порід в трьох певних енергетичних діапазонах.

Таким чином, γ-спектрометричні дослідження свердловин можуть бути зведені до одночасної реєстрації трьох кривих інтенсивності γ-випромінювання при різних рівнях дискримінації або в різних енергетичних діапазонах. Енергетичні інтервали спектра γ-випромінювання при замірах вибирають так, щоб на кожному з них переважало γ-випромінювання енергії одного з елементів, що визначаються, наприклад: калієвий канал – 1,3-1,6 МеВ; урановий (радієвий) канал – 1,65-1,95 МеВ; торієвий канал – 2,4-2,8 МеВ.

Рисунок 3.5 – Графік зміни вкладу радію (1), торію (2) та калію (3) в загальну гамма-активність гірських порід

Для кількісної оцінки вмісту різних радіоактивних елементів вирішують систему рівнянь, число яких рівне числу елементів, що визначаються. Для осадових гірських порід це буде система з трьох рівнянь:

N₁=а₁С_К+b₁С_Ra+с₁С_Th (3.9)

N₂=а₂С_К+b₂С_Ra+с₂С_Th (3.10)

N₃=а₃С_К+b₃С_Ra+с₃С_Th (3.11)

де N₁, N₂, N₃ – число імпульсів, що визначаються, в трьох енергетичних діапазонах γ-спектру; С_К, С_Ra, С_Th – вміст калію, радію і торію в об’єкті дослідження; а_і, b_і, і с_і – градуювальні коефіцієнти, що є швидкостями рахунку в і-тому каналі “вікні” спектрометра на одиницю вмісту К, Ra та Th.

Значення градуювальних коефіцієнтів визначаються при γ-спектрометрії об’єкту з відомим вмістом К, Ra та Th. Це можна здійснити 2 шляхами:

Ø вимірюванням на насичених моделях пластів, що містять мірну кількість якого-небудь одного типу природних γ-ипромінювачів (стандартний зразок з відомою концентрацією природних радіоактивних елементів);

Ø зіставленням результатів інтерпретації вимірювань свердловин з даними аналізу керна на вміст природних радіонуклідів.

Для досліджень енергетичного складу природного γ-випромінювання використовують гамма-спектрометри інтегральні та диференціальні.

Інтегральні спектрометри реєструють γ-випромінювання з енергією, що лежить вище (або нижче) за задане порогове значення.

Диференціальні спектрометри вимірюють γ-випромінювання в строго обмежених енергетичних інтервалах, укладених між пороговими значеннями.

Метод ГК-С дозволяє вирішувати конкретні задачі загальної і прикладної геології, а саме:

- з’ясовувати механізм і швидкість вивітрювання гірських порід за станом радіоактивної рівноваги в ряду “уран-торій”;

- вивчати геохімічну циклічність, відновлювати умови осадконакопичення гірських порід і проводити кореляцію “німих” товщ;

- з’ясовувати фаціальні характеристики і інтенсивність тектонічних рухів структур, сприятливих для акумуляції нафти і газу;

- вивчати особливості і генезис вивержених і метаморфічних гірських порід;

- виділяти у вапняках вторинні доломіти, визначати глинистість і нерозчинний залишок,

- встановлювати мінеральний склад глинистих порід.