ИСТОЧНИК РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ИЗМЕНЯЕМОЙ ЭНЕРГИЕЙ ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель может быть применена в нефтегазовой области, в частности, для определения свойств породы при внутрискважинных исследованиях, либо при измерении фазового состава продукции скважины.
При выборе источника гамма излучения существенным является:
энергия фотонов, стоимость данного радиоактивного материала, время нормальной работы источника (зависящее от периода полураспада) и ограничения, накладываемые действующим законодательством. В случае измерения фазового состава смеси может оказаться необходимым использовать радиоактивный источник, имеющий несколько энергетических пиков.
Наиболее используемым радиоактивным источником в России в настоящее время является источник на основе Cs 137. Несмотря на распространенность и относительную дешевизну, он обладает некоторыми недостатками - энергия 662 кэВ слишком высока чтобы надежно производить измерения фазового состава и, кроме того, у него существует лишь один энергетический пик.
На практике для надежных многофазных измерений используют либо более дорогостоящие источники, имеющие при распаде несколько энергетических пиков, либо радиоактивные источники, имеющие кроме моды гамма-распада также и альфа (бета) распад, с установкой на пути альфа-частиц различных материалов для генерации рентгеновских лучей, энергия которых соответствует К-уровням. Существует и еще одна принципиальная возможность создания нескольких энергетических уровней: радиоактивные источники, образующие при распаде нестабильные химические элементы, которые в свою очередь снова дают фотоны.
Первый из этих методов (использование Ва 133 вместо Cs 137) применяется в многофазном расходомере компании Шлюмберже (Vx-Phasetester, Vx-Phasewatcher).
Второй метод (в комбинации с первым) - использование Am 241 с последующим расположением серебряной фольги перед источником использован в многофазном расходомере Haimo MPFM (компания Haimo).
Третий метод мог бы быть осуществлен с использованием таких материалов как Sr 90, в результате бета распада которого образуется Y 90, продуктом распада которого является Zr 90. В этой цепочке образуются два электрона (546 кэВ и 2.27 Мэв), а также гамма-квант с энергией 1.734 МэВ. Бета частицы могут быть использованы для генерации характеристического рентгеновского излучения различных веществ, поставленных на пути перед источником.
Целью проведенных технических разработок является создание устройства на основе Cs 137 с несколькими энергетическими пиками и возможностью изменения энергии излучения предложенного источника.
Предлагается конструкция источника радиоактивного излучения, спектр энергии которого не является постоянным и, при этом, легко контролируем. На примере радиоактивного источника Cs 137 (гамма распад с энергией 662 кэВ) показан механизм изменения основной компоненты спектра в широком диапазоне (фактически, от 184 до 662 кэВ), используемый в предлагаемом устройстве.
Предлагаемое устройство включает в себя:
1. конструкцию из двух коллиматоров, соединенных между собой (например, шарнирным соединением), с контролируемым углом между ними и с расположенным в месте соединения рассеивателем (выполненным, например, из стали);
2. радиоактивный источник, расположенный на входе первого коллиматора;
3. причем коллиматоры изготовлены из материалов с высоким поглощением фотонов (например свинца). Толщина коллиматоров такова, что уровень радиации вне источника во всех направлениях кроме направления вылета фотонного пучка из коллиматора был не выше нормы (обычно 7.5 мк3в/ч).
4. Изменение угла между коллиматорами обеспечивает генерацию фотонов различной энергии на выходе из второго коллиматора.
5. Использование двух и более рассеивателей (Фиг.3) дает возможность создавать несколько высокоэнергетических пиков (Е>184 кэВ), каждый из которых определяется соответствующим углом.
В основе работы предлагаемого устройства лежит использование эффекта Комптоновского рассеяния фотонов на электронах, которое сопровождается изменением энергии фотона, описываемое следующей формулой:
0
где E, E - начальная и конечная энергии фотона, m - масса электрона, а θ - угол рассеяния.
Управляя углом рассеяния мы можем изменять энергию рассеянного фотона. При этом необходимо обеспечить поглощение фотонов, рассеивающихся с углами выходящими за требуемый интервал. Это осуществляется благодаря использованию свинцовых коллиматоров (или коллиматоров из любого другого материала с высоким зарядом ядра).
На Фиг.1 представлен источник радиоактивного излучения с изменяемой энергией излучения, где 1 - радиоактивный источник, 2 - первый коллиматор, 3 - рассеиватель, 4 - второй коллиматор, угол θ - угол между коллиматорами.
Полное количество "полезных" фотонов (с энергией описываемой формулой (1)) имеет следующий вид:
0
0
C
Здесь N - полное число фотонов, испускаемых радиоактивным источником в единицу времени,  Ω и  Ω - телесные углы первого и второго коллиматоров, С и R - количество фотонов на один акт радиоактивного распада и активность источника (Бк) соответственно, μt - произведение линейного коэффициента поглощения (за счет комптоновского рассеяния) на типичную толщину рассеивателя, а
есть угловая функция, описывающая мощность переизлучения в данный телесный угол. Стоит отметить, что энергия Е в этой формуле описывается выражением (1).
C
Типичное численное значение количества фотонов можно оценить следующим образом. Например, принимая угол коллимации (тангенс угла определяем как отношение радиуса коллиматора к длине) равным 0.1 для обоих коллиматоров, типичную толщину стального рассеивателя 0.2 см, μ≈0.077 см2/г, в случае с цезиевым источником (учитываем, что в цезии около 95% актов распада происходят с последующим излучением фотона, то есть С≈95%) имеем следующую зависимость количества фотонов от активности источника и угла между коллиматорами, представленную в таблице:
Активность источника, ГБк
Количество фотонов, 30°
Количество фотонов, 60°
Количество фотонов, 120°
0.1
126
58
32
0.5
629
290
158
1.0
1257
581
317
2.0
2515
1161
633
3.0
3773
1740
950
C
Для того чтобы уменьшить количество "фоновых" фотонов (то есть фотонов от комптоновского рассеяния второго и выше порядков) можно использовать два метода. Первый из них - использование рассеивателя малого размера μt≪1. Второй метод заключается в использовании
дополнительного поглотителя во втором коллиматоре (пластинка 5 на Фиг.2). В этом случае фотоны шума имеют гораздо больший коэффициент поглощения, чем полезные фотоны из-за меньшей энергии.
Другая конструкция может быть применена для создания двух высокоэнергетических пиков (Фиг.3). Энергия таких пиков не выше 184 кэВ (пик обратного Комптоновского рассеяния). В этом случае используется два рассеивателя 6 и 7, в каждом из которых формируется свой энергетический пик (определяемый углом между соответствующими коллиматорами).
Следует отметить, что такая конструкция особенно эффективно могла бы быть использована, например, в дефектоскопии трубопроводов. В этом случае низкоэнергетическое гамма излучение малоэффективно, особенно в случае с магистральными трубопроводами больших диаметров, и на помощь может прийти именно предложенная выше конструкция, которая могла бы сделать снимки внутреннего состояния трубопроводов при различных энергиях гамма-квантов.