УЗЕЛ СКВАЖИННОГО ГЕНЕРАТОРА НЕЙТРОНОВ ДЛЯ КАРОТАЖА УРАНОВЫХ РУД

Полезная модель относится к устройствам для измерения импульсного нейтронного потока быстрых нейтронов, в частности, портативных нейтронных генераторов с запаянными нейтронными трубками и предназначена для коррекции данных каротажа по мгновенным нейтронам деления при проведении геофизических исследований на предмет прямого определения массовой доли урана.
Скважинные генераторы нейтронов отличаются относительно невысокой стабильностью создаваемого нейтронного потока. Измерение импульсного нейтронного потока быстрых нейтронов при каждом срабатывании генератора актуально для генераторов нейтронов с вакуумной нейтронной трубкой, создающих относительно мощный нейтронный поток для единичного срабатывания генератора нейтронов. Измерения импульсного нейтронного потока в процессе каротажа необходимы для нормировки результатов измерения параметров вызванных полей излучений и для контроля технического состояния генератора нейтронов.
Устройства для каротажа скважин со встроенным в скважинную аппаратуру или непосредственно в нейтронную трубку чувствительным элементом монитора, позволяющие измерять поток быстрых нейтронов скважинного генератора нейтронов приведены ниже.
Известна импульсная нейтронная трубка, содержащая вакуумно-герметичную оболочку, внутри которой расположены ионный источник, ионно-оптическая система, газопоглотитель и мишень, детектор альфа-частиц, чувствительный элемент которого выполнен на основе кристалла синтетического алмаза, детектор альфа-частиц размещен внутри нейтронной трубки напротив мишени в непосредственной близости от нее [Патент РФ на изобретение: №2198441, МПК: G21G 4/02, опубликованный 10.02.2003]. Импульсный выход нейтронной трубки определяют по счету альфа частиц сопутствующих возникновению быстрых нейтронов.
К недостаткам следует отнести высокую погрешность измерения импульсного нейтронного выхода скважинного генератора нейтронов, обусловленную существенным влиянием импульсных электромагнитных помех и сопутствующего рентгеновского излучения на детектор альфа-частиц, находящийся внутри нейтронной трубки, которые невозможно исключить экранировкой детектора, из-за малых длин пробега альфа-частиц в веществе.
Известна скважинная геофизическая аппаратура, включающая генератор нейтронов и монитор быстрых нейтронов - "Well logging tool with an accelerator neutron source", [Патент США №4760252, МПК G01V 5/10, опубликованный Jul. 26 1988], содержащий чувствительный элемент монитора из органического сцинтиллятора, соединенный через фотоумножитель к амплитудному дискриминатору. Детектор регистрирует счет электрических импульсов, вызванных в чувствительном элементе протонами отдачи. Регистрируются электрические импульсы в заданном энергетическом окне, соответствующем быстрым нейтронам источника нейтронов.
Недостатком устройства является счетный режим регистрации быстрых нейтронов, не позволяющий измерять нейтронный поток, создаваемый отдельным импульсом быстрых нейтронов относительно короткой длительности (длительностью несколько микросекунд). В этом случае точность измерения импульсного выхода нейтронов генератора ограничена наложением электрических импульсов в детекторе, возникающих при высокой интенсивности нейтронов излучаемых в импульсе, как это имеет место в генераторе с вакуумной нейтронной трубкой. Недостатком является также необходимость температурной стабилизации энергетической шкалы детектора, работающего в скважинах при повышенных рабочих температурах, что усложняет аппаратуру и снижает точность измерения потока быстрых нейтронов. Еще одним недостатком является относительно большой размер детектора монитора. Оптимальный размер сцинтиллятора для мониторирования 14 МэВ нейтронов, обеспечивающий допустимое соотношение вкладов в отклик детектора информативных протонов отдачи и мешающего гамма излучения составляет 1-2 см, что не позволяет применять такой детектор в малогабаритной скважинной аппаратуре.
Известен скважинный генератор нейтронов с конструкцией монитора на основе алмазного чувствительного элемента (прототип), содержащий импульсную нейтронную трубку и детектор быстрых нейтронов, чувствительный элемент детектора быстрых нейтронов закреплен на внешней стороне герметичной оболочки блока импульсной нейтронной трубки в непосредственной близости от мишени импульсной нейтронной трубки, выходы чувствительного элемента подсоединены через двухпроводную линию к двум резисторам нагрузки, резисторы нагрузки чувствительного элемента соединены соответственно с источниками положительного и отрицательного напряжения смещения и с разделительными емкостями, соединенными с входами двух зарядочувствительных усилителей, причем, выход первого зарядочувствительного усилителя подключен к прямому входу усилителя разностного сигнала, а выход второго зарядочувствительного усилителя соединен с инверсным входом усилителя разностного сигнала, позволяющего в процессе каротажа измерять относительные изменения потока быстрых нейтронов [Патент РФ на изобретение: 2504853 C1, МПК: G21G 4/02, опубликованный 20.01.2014].
К недостаткам прототипа следует отнести низкую чувствительность определения массовой доли урана, как следствие удаления детектора мгновенных нейтронов деления от нейтронного генератора (для размещения схемы преобразования сигнала монитора).
Техническим результатом полезной модели является повышение чувствительности определения массовой доли урана посредством приближения детектора мгновенных нейтронов деления вплотную к нейтронному генератору.
Технический результат достигается тем, что узел скважинного генератора нейтронов для каротажа урановых руд, содержащий монитор, в состав которого входят детекторы, чувствительный элемент монитора, чувствительный элемент монитора выполнен в виде полого цилиндра, собранного из чередующихся боропластовых и свинцовых призм, детекторов и ограничительных колец, в качестве детекторов использованы газовые ионизационные детекторы, равномерно распределенные в объеме чувствительного элемента монитора, причем оси детекторов параллельны оси чувствительного элемента монитора, а сами детекторы полностью погружены в материал чувствительного элемента монитора, разделенного плоскостями, проходящими через ось вращения чувствительного элемента монитора, на восемь одинакового объема призм: четыре призмы из боропласта и четыре призмы из свинца, призмы расположены чередующимся образом, по торцам чувствительного элемента монитора с обеих сторон расположены ограничительные кольца с внутренним диаметром, позволяющим продеть, перемещать и фиксировать чувствительный элемент монитора на корпусе скважинного генератора нейтронов и стягивающие чувствительный элемент монитора в единую конструкцию, выходы газовых ионизационных детекторов соединены с электрической схемой включения, электрическая схема включения соединена через четырехпроводную линию с источником высоковольтного напряжения и входами скважинного микроконтроллера, электрическая схема включения размещена вплотную к чувствительному элементу монитора.
Устройство полезной модели поясняется чертежом (фиг. 1), на котором представлена схема узла для скважинного генератора нейтронов, где 1 - близкие по чувствительности газовые ионизационные детекторы, 2 - боропластовые призмы, 3 - свинцовые призмы, 4 - ограничительные кольца, стягивающие посредством шпилек боропластовые и свинцовые призмы в структуру полого цилиндра, 5 - чувствительный элемент монитора в виде полого цилиндра, имеющий в своем составе газовые ионизационные детекторы, установленные в боропластовые и свинцовые призмы, 6 - электрическая схема включения чувствительного элемента монитора, связанная с чувствительным элементом монитора в единую конструкцию; 7 - четырехпроводная линия, 8 - источник высоковольтного напряжения, 9 - скважинный микроконтроллер.
На фиг. 2 представлен пример реализации электрической схемы включения чувствительного элемента: аноды газовых ионизационных детекторов 1 соединены с формирующими импульс тока r1-c1 нагрузками детекторов, источник 8 высоковольтного положительного напряжения, соединенный с r1-c1 нагрузками детекторов 1 через резисторы нагрузок r2-r3-r4 обеспечивают детекторам 1 режим самостоятельного газового разряда. Конденсаторы c2 соединяющие r1-c1 нагрузки детекторов 1 со входами скважинного микроконтроллера 9 отделяют полезный сигнал детектора 1 от высоковольтной постоянной составляющей. Подтягивающие резисторы r4, подключенные к источнику напряжения смещения Uсм придают полезному сигналу приемлемый для входа скважинного микроконтроллера 9 вид.
Устройство содержит четыре газовых ионизационных детектора 1, установленных в боропластовы призмы 2; четыре газовых ионизационных детектора 1, установленных в свинцовые призмы 3; ограничительные кольца 4 образуют посредством стягивания шпильками боропластовых и свинцовых призм чувствительный элемент монитора 5 в виде полого цилиндра, внутренний диаметр которого позволяет продеть, перемещать и фиксировать его на корпусе скважинного генератора нейтронов; электрическую схему 6 включения чувствительного элемента, размещеную на корпусе скважинного генератора нейтронов вплотную к чувствительному элементу монитора 5; соединенную четырехпроводной линией 7 с источником 8 высоковольтного напряжения и скважинным микроконтроллером 9.
Устройство работает следующим образом.
11
10
11
11
8
8
8
2
n
β
Быстрые нейтроны генератора, взаимодействуя с изотопом B, находящемся в естественной изотопной смеси (содержащей изотоп B - 19,61%, изотоп B - 80,39%), в боропластовой призме 2, окружающей каждый второй газовый ионизационный детектор 1 чувствительного элемента монитора 5, в результате ядерной реакции бора B (n,α) Li (энергетический порог Е=7.23 МэВ), образуют изотоп Li с периодом полураспада 0.847 секунды испускающий бета-частицы (E=13.0 МэВ). Газовые ионизационные детекторы 1, чувствительные к бета- и гамма-излучению, откликаются как на бета-частицы испускаемые изотопом Li, так и на гамма-кванты неупругого рассеяния нейтронов на ядрах элементов конструкции и окружающих пород. Группа газовых ионизационных детекторов 1, размещенных в свинцовых призмах 3 не чувствительны, благодаря свинцовым оболочкам к бета-излучению и откликается только на поступвющие гамма-кванты. Вычитая количество откликов детектора 1 в свинцовых призмах 3 (от пришедших гамма-квантов) из количества откликов детектора 1 в боропластовых призмах 2 (от пришедших гамма-квантов и бета-частиц) получаем количественный вклад бета-частиц в регистрируемую чувствительным элементом монитора 5 сумму сигналов. Разность откликов детекторов 1 в боропластовых призмах 2 и детекторов 1 в свинцовых призмах 3 линейно коррелированна (коэффициент детерминации R=0.99) с выходом скважинного генератора нейтронов (Фиг. 3). На фиг. 3 показана зависимость разности откликов газовых ионизационных детекторов 1 расположенных в боропластовых 2 и свинцовых 3 призмах (ось абсцисс) от выхода скважинного генератора нейтронов (ось ординат). Ограничительные кольца 4, стягивают посредством шпилек боропластовые и свинцовые призмы в чувствительный элемент монитора 5 в виде полого цилиндра, внутренний диаметр которого позволяет продеть, перемещать и фиксировать чувствительный элемент монитора 5 на корпусе скважинного генератора нейтронов (действие необходимое для расширения диапазона ресурсного использования трубки нейтронного генератора). Детекторы 1 чувствительного блока монитора 5, работающие в режиме самостоятельного газового разряда, создаваемого рабочим напряжением источника 8 высоковольтного положительного напряжения, откликаются на частицы ионизирующего излучения импульсами тока: формируемыми r1-c1 нагрузками детекторов 1, отделяемыми конденсаторами c2 от высоковольтной составляющей и через подтягивающие резисторы r4, подключенные к источнику напряжения смещения Uсм (совместно образующие электрическую схему 6 включения чувствительного элемента 5), и поступают по четырехпроводной линии 7 на входы скважинного микроконтроллера 9.