ДАТЧИК µ-МЕЗОННОГО СКВАЖИННОГО ПЛОТНОМЕРА
MUONIC DENSIMETRE TRANSMITTER

Изобретение относится к технике исследования материалов с помощью космических лучей, в частности к µ-мезонным плотномерам, и может быть использовано для измерения плотности грунта и решения других задач в инженерной геологии и строительстве.
Известны µ-мезонные приборы для скважин, использующие космический источник µ-мезонов и сцинтилляционный детектор и включающие фотоэлектронные умножители и дискриминаторы (см., например, Бондаренко В.М. Использование космических лучей в геологии. Под ред. проф. А.Г.Тархов. - М.: Недра, 1965. С.18-19, 62-65). Однако известные приборы требуют больших затрат времени на измерения с учетом обеспечения необходимой их точности.
Технической задачей, решаемой изобретением, является снижение временных затрат на измерения с повышением их точности, возможность регулирования эффективной длины сцинтилляционного детектора.
Техническая задача решается следующим образом. В датчике µ-мезонного скважинного плотномера, использующем космический источник µ-мезонов и сцинтилляционный детектор и включающем фотоэлектронный умножитель, дискриминатор, физическая длина сцинтилляционного детектора составляет не более максимально возможной эффективной его длины, обеспечивающей допустимый коэффициент ослабления света сцинтилляции от µ-мезонов в максимально дальней точке от фотокатода ФЭУ, но не менее его длины, дающей возможность пренебречь интенсивностью µ-мезонов, получаемой через верхнюю торцевую эффективную поверхность сцинтилляционного детектора, а усилитель-дискриминатор имеет регулируемый по пространственному разрешению плотности порог дискриминации, который не теряет свойства подавлять сигналы от естественной радиоактивности во всем регулируемом диапазоне величины пространственного разрешения плотности. (Естественно, за величину пространственного разрешения плотности принять физическую длину или оценку эффективной длины сцинтиллятора.)
Датчик использует природный космический источник µ-мезонов, находящийся на высоте примерно 10 км (см., например, Бондаренко В.М. Использование космических лучей в геологии, М., Недра, 1965, с.38, рис.13). В датчике могут быть использованы неорганические, органические, пластические и жидкие сцинтилляционные детекторы (см., например, Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С.Основы экспериментальных методов ядерной физики. М., Атомиздат, 1970, с.216-228; Медведев М.Н. Спектрометры с детекторами большого объема (обзор) - Приборы и техника эксперимента, 1984, №3, с.5-7). Схематично датчик изображен на фиг.1. Некоторые характеристики используемых в датчиках фотоэлектронных умножителей приведены в обзоре Медведева М.Н., с.6-7.
осл
осл
осл
Физическая длина сцинтилляционного детектора ограничена максимально допустимой длиной, обеспечивающей ослабление света сцинтилляции от потерь энергии µ-мезонов в максимально дальней от фотоумножителя точке. Допустимый коэффициент ослабления света сцинтилляции k, обеспечивающий разделение сигналов от µ-мезонов и естественной радиоактивности, определяют как отношение энергии потерь µ-мезонов к энергии естественной радиоактивности. Для определения максимальной эффективной длины сцинтилляционного детектора необходимо знать зависимости между его длиной и коэффициентом ослабления света сцинтилляции k. Для различных сцинтилляционных детекторов эти зависимости могут быть определены расчетом или экспериментально. Пример результатов определения максимальной длины неорганического сцинтилляционного детектора представлен на фиг.2 при условии k≤k, где k равно отношению энергии потерь µ-мезонов к 2,6 МэВ - максимальной энергии естественной радиоактивности. Регулирование порога дискриминации позволяет управлять пространственным разрешением плотности, регулируя эффективную длину сцинтилляционного детектора.
Чтобы уменьшить временные затраты на измерения, необходимо увеличить эффективную геометрическую площадь сцинтилляционного детектора. При этом диаметр его будет ограничен диаметром используемой скважины независимо от методов ее проходки. Минимальная длина сцинтилляционного детектора определяется расчетом исходя из того, что основная интенсивность µ-мезонов регистрируется через боковую эффективную поверхность сцинтилляционного детектора, в то время как интенсивность через верхнюю торцевую эффективную поверхность не превышает 1-15%.
Для повышения точности измерений необходимо учитывать и свести к минимуму статистическую погрешность регистрации скорости счета и систематическую погрешность, возникающую при изготовлении скважины в зависимости от свойств грунта и диаметра скважины (см., например, Гурков К.С.и др. Пневмопробойники. Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1990, с.131-133).
На фиг.1 схематично показан датчик µ-мезонного скважинного плотномера, где 1 - сцинтилляционный детектор с оболочкой 2 и стеклом окна 3, 4 - фотоумножитель, 5 - усилитель-дискриминатор, 6 - пульт управления. На фиг.2 показан график для определения максимально эффективной длины неорганического сцинтилляционного детектора в сантиметрах в зависимости от коэффициента k. На фиг.3 - графики скорости счета, импульсов в минуту, в зависимости от угла направления движения µ-мезонов θ для неорганического сцинтилляционного детектора диаметром 100 мм: кривая 1 - при его длине 1000 мм, кривая 2 - при его длине 700 мм, кривая 3 - при его длине 100 мм. На фиг.4 - графики скорости счета, импульсов в минуту, в зависимости от угла направления движения µ-мезонов θ жидкого сцинтилляционного детектора диаметром 33 мм: кривая 1 - при его длине 1000 мм, кривая 2 - при его длине 700 мм, кривая 3 - при его длине 100 мм. На фиг.5 - графики скорости счета, импульсов в минуту, в зависимости от угла направления движения µ-мезонов θ для пластического сцинтилляционного детектора диаметром 50 мм: кривая 1 - при его длине 1000 мм, кривая 2 - при его длине 700 мм, кривая 3 - при его длине 100 мм. На фиг.6 - систематическая погрешность в процентах в зависимости от глубины скважины в метрах: кривая 1 - для неорганического, кривая 2 - для пластического, кривая 3 - для жидкого сцинтилляционного детектора. На фиг.7 - зависимость времени измерения средней плотности 10-ти метровой скважины, час, от диаметра сцинтилляционного детектора в миллиметрах при его длине 1000 мм; прямая 1 - при измерении со статистической погрешностью 2%. Прямая 2 - при измерении со статистической погрешностью 3%. На фиг.8 - зависимость изменения коэффициента усиления ФЭУ ΔМ, %, от изменения напряжения питания Δu, %. На фиг.9 - зависимость изменения коэффициента усиления ФЭУ ΔМ, %, от изменения температуры Δt, °С. На фиг.10 - зависимость интенсивности счета (импульсов в минуту) ΔN, %, от изменения напряжения Δu, %: 1 - при длине сцинтилляционного детектора 300 мм, 2 - при длине сцинтилляционного детектора 1000 мм. На фиг.11 - зависимость интенсивности счета (импульсов в минуту) ΔN, %, от изменения температуры Δt, °С: 1 - при длине сцинтилляционного детектора 300 мм, 2 - при длине сцинтилляционного детектора 1000 мм.
На фиг.12-16 показаны результаты управления эффективной длинной сцинтиллятора, для управления принят сцинтиллятор диаметром 10 см и физической длинной 140 см. На фиг.12 порог дискриминации 0,13 В, что обеспечивает подавление естественной радиоактивности и счет µ-мезонов 1750 имп./мин. Эффективная длина сцинтиллятора равна физической. Для фиг.13; фиг.14; фиг.15; фиг.16 пороги дискриминации, соответственно, 0,46В, 0,78В, 0,17В, 1,56 В, которые кроме подавления счета от естественной радиоактивности обеспечивают управление эффективной длиной сцинтиллятора. 1 - счет µ-мезонов, соответственно, 1174,5 имп./мин, 894 имп./мин, 715 имп./мин, 526 имп./мин. 2 - счет µ-мезонов, соответственно, если бы эффективная длина сцинтиллятора была осуществлена физически, 1500 имп./мин, 1250 имп./мин, 1000 имп./мин, 750 имп./мин. 3 - счет µ-мезонов, который происходит по всей физической длине сцинтиллятора, составляющий примерно 7-15% от общего счета, вызванный µ-мезонами, входящими в сцинтиллятор под малыми углами, близкими к вертикальному. Исходя из анализа фиг.12; фиг.13; фиг.14; фиг.15; фиг.16 пространственное разрешение плотности по оси скважины (ПРП) выбираем 140 см; 100 см; 80 см; 60 см; 45 см, на фиг.17. График зависимости ПРП от величины порога дискриминации дан на фиг.18. Сцинтилляционный детектор, имеющий максимально эффективную длину и максимально допустимый скважиной диаметр, обеспечивает самое короткое время измерения и минимальную статистическую погрешность. Коэффициент усиления зависит от напряжения и температуры (см., например, Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. М., Атомиздат, 1970, с.236-238).
Возможность регулирования порога дискриминации позволяет управлять пространственным разрешением плотности, регулируя эффективную длину датчика. Регулирование осуществляют с помощью устройства на пульте управления, имеющего шкалу в единицах пространственного разрешения плотности по оси скважины (ПРП).