УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАДИАЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ
DEVICE FOR RADIATION DENSITY MEASUREMENT

Изобретение относится к устройствам бесконтактного измерения плотности вещества с помощью нейтронного и гамма-излучения и может быть использовано, например, в установках, предназначенных для измерения плотности дорожных покрытий, грунтов, газов, жидких и сыпучих материалов, азимутального распределения плотности измеряемого вещества.
Известен «Метод идентификации газовой формации на основе импульсного источника быстрых нейтронов со снятием показаний в процессе бурения». Устройство для его реализации включает в себя:
- электронный нейтронный генератор с возможностью излучения в породу, окружающую устройство, нейтронный импульс для образования гамма-квантов неупругого рассеяния и радиационного захвата;
- гамма-детектор с возможностью регистрации гамма-квантов неупругого рассеяния и радиационного захвата, рассеянных в окружающей породе и вернувшихся в устройство;
- устройство обработки данных измерения, основанное, по крайней мере, частично на соотношении гамма-квантов неупругого рассеяния и радиационного захвата, а также на экспериментальных данных или данных расчета для породы. Заявка на патент США №2013/0234012, МПК: G01V 5/10, 2013. Аналог.
Недостатком аналога является невозможность измерения азимутального распределения плотности породы.
Известны «Способ и устройство получения уточненного значения плотности породы с использованием импульсного источника нейтронов», содержащее источник нейтронов, доставляемый в ствол скважины, по меньшей мере, три детектора гамма-излучения, вырабатывающие сигналы отклика на гамма-излучение, создаваемое в породе в результате облучения импульсным источником нейтронов, и процессор, способный определять значение плотности для каждой из, по меньшей мере, двух пар сигналов с использованием числа отсчетов зарегистрированных гамма-квантов для двух сигналов, образующих каждую из пар, и уточненное значение плотности породы на основе, по меньшей мере, двух значений плотности. Патент РФ №2396579, МПК: G01V 5/10, 2010 г. Аналог.
Недостатком аналога является невозможность измерения азимутального распределения плотности породы.
Известны «Системы и методы для азимутального снятия показаний насыщения», включающие средство измерения гамма-плотности, средство измерения нейтронной плотности и акустическое средство измерения. Патент США №2013/0282289, МПК: G01V 3/38, G01V 11/00; 2013. Аналог.
Недостатком аналога является наличие дополнительной погрешности измерения азимутального распределения плотности из-за того, что азимутальные данные получают за счет вращения бурового инструмента, сопровождаемого его смещением вдоль оси скважины.
Известны «Способ и устройство для радиационного измерения плотности твердых тел», в котором устройство включает в себя источник гамма-излучения в радиационной защите и детектор со счетчиком импульсов и сцинтиллятором, в двухканальном детекторе сцинтиллятор выполнен в виде диска из двух колец разных диаметров, причем в кольцо большего диаметра вставлено кольцо меньшего диаметра, внутрь которого вставлен кольцевой блок радиационной защиты, в центре которого размещен источник гамма-излучения и при этом каждый из двух кольцевых сцинтилляторов снабжен кольцевым счетчиком импульсов, причем источник в канале радиационной защиты имеет возможность менять положение с помощью устройства перемещения источника. Патент РФ №2345353, МПК: G01N 23/06, G01N 9/24. 2009. Прототип.
Недостатком прототипа является невозможность измерения азимутального распределения плотности исследуемого вещества.
Техническим результатом изобретения является возможность измерения азимутального распределения плотности исследуемого вещества.
Технический результат достигается тем, что устройство для радиационного измерения плотности, включающее в себя источник излучения, находящийся на оси блока радиационной защиты и имеющий возможность менять положение с помощью устройства перемещения, сцинтилляционные детекторы со сцинтилляторами, расположенными в одной плоскости в форме соосных с источником излучения и блоком радиационной защиты вставленных друг в друга колец, в качестве источника излучения используется электронный генератор импульсного излучения быстрых нейтронов, подключенный к блоку управления, сцинтилляторы в кольцах дополнительно разбиты на равные угловые сектора, количество угловых секторов составляет не менее двух, каждый из угловых секторов содержит сцинтилляторы для регистрации одного или нескольких видов излучений: эпитепловых или тепловых нейтронов, а также гамма-излучения, сцинтилляторы в кольцах и угловых секторах расположены по отношению друг к другу с зазором, сцинтилляторы, предназначенные для регистрации разных видов излучения, располагаются в каждом кольце чередующимся образом, сцинтилляторы, предназначенные для регистрации определенного вида излучения, располагаются в смежных кольцах по одному радиусу, фотоприемные устройства сцинтилляционных детекторов эпитепловых и/или тепловых нейтронов подключены к временным анализаторам, а фотоприемные устройства сцинтилляционных детекторов гамма-излучения подключены к амплитудным анализаторам, выходы амплитудных и временных анализаторов, а также блок управления подключены к процессору.
Сущность изобретения поясняется на чертеже, где схематично показано устройство, в котором применяются сцинтилляторы для регистрации трех видов излучения: тепловых и эпитепловых нейтронов, а также гамма-излучения. Сцинтилляторы находятся в одной плоскости в форме трех соосных колец, разбитых на четыре угловых сектора. На чертеже показаны:
1, 2 и 3 - сцинтилляторы, входящие в состав сцинтилляционных детекторов и предназначенные для регистрации различных видов излучения: тепловых и эпитепловых нейтронов, а также гамма-излучения;
4 - фотоприемные устройства с первичной электроникой, входящие в состав сцинтилляционных детекторов,
5 - угловые сектора сцинтиллятора,
6 - кольца сцинтиллятора,
7 - электронный генератор импульсного излучения быстрых нейтронов,
8 - блок радиационной защиты,
9 - временные или амплитудные анализаторы,
10 - блок управления электронным генератором импульсного излучения быстрых нейтронов,
11 - процессор.
На чертеже не показаны устройства, обеспечивающие электрическое питание электронных блоков устройства. Не показано также устройство перемещения электронного генератора 7.
Устройство содержит: электронный генератор 7 импульсного излучения быстрых нейтронов, который подключен к блоку 10, служащему для управления его работой, и находится на оси блока 8 радиационной защиты с возможностью перемещения вдоль этой оси; сцинтилляционные детекторы, расположенные в одной плоскости, перпендикулярной оси блока 8, и выполненные в форме колец 6, разбитых на угловые сектора 5. Сцинтилляционные детекторы включают в себя сцинтилляторы 1-3, соединенные с оптическим контактом с фотоприемными устройствами 4, которые соединены электрически с первичной электроникой (на чертеже не показана). Выход первичной электроники фотоприемных устройств 4 подключен через временные (для нейтронных детекторов) или амплитудные (для гамма-детекторов) анализаторы 9 к процессору 11.
Сцинтилляторы 1-3 располагаются в одной плоскости и относительно оси устройства могут быть геометрически представлены в форме колец и угловых секторов. Минимальное количество секторов 5 и колец 6, обеспечивающее работоспособность устройства, составляет два. Максимальное количество секторов 5 и колец 6 зависит от технических требований к устройству, условий эксплуатации и ценовых ограничений.
2
2
6
В качестве сцинтилляторов 1-3 могут быть использованы следующие материалы. В случае тепловых нейтронов это могут быть, например: GdOS:Tb или LiOH+ZnS и др. Эти же материалы могут быть использованы для регистрации и эпитепловых нейтронов. Для этого сцинтиллятор тепловых нейтронов окружают слоем замедлителя толщиной около 1 см и помещают внутрь экрана из материала, поглощающего тепловые нейтроны, обычно из кадмия толщиной около 1 мм. Для регистрации гамма-излучения могут использоваться спектрометрические кристаллы, например: NaI:T1, BGO и др.
В качестве фотоприемного устройства 4 могут использоваться, например, ФЭУ, фотодиоды или кремниевые фотоумножители. Фотоприемное устройство 4 служит для регистрации сцинтилляционных вспышек, возникших в сцинтилляторах 1-3 под действием регистрируемых излучений, и выработки электрических импульсов. Первичная электроника фотоприемного устройства 4 включают в себя дискриминатор и формирователь этих импульсов. Первичная электроника фотоприемного устройства 4 подключена к анализатору 9, который при регистрации нейтронов представляет собой временной анализатор, а при регистрации гамма-излучения - амплитудный анализатор.
Временные и амплитудные анализаторы 9 предназначены для измерения соответственно временного спада плотности потока тепловых и/или эпитепловых нейтронов и амплитудного распределения гамма-квантов, вытекающих из исследуемого вещества на сцинтилляторы. Временные и амплитудные анализаторы 9 подключены к процессору 11.
В качестве электронного генератора 7 импульсного излучения быстрых нейтронов могут использоваться портативные импульсные нейтронные генераторы 2,5 МэВ и 14 МэВ нейтронов.
Процессор 11 служит для контроля работы первичной электроники фотоприемных устройств 4, временных и амплитудных анализаторов 9 и блока управления 10, а также для первичной обработки информации, поступающей с временных и амплитудных анализаторов 9, и передачи ее к внешней ЭВМ для окончательной обработки.
Состав блока радиационной защиты 8 зависит от энергии быстрых нейтронов и в общем случае может включать в себя вольфрамовый конвертер быстрых нейтронов толщиной несколько сантиметров, предназначенный для сброса энергии 14 МэВ нейтронов за счет реакции неупругого рассеяния, дополнительный замедлитель быстрых нейтронов толщиной до 10 см, поглотитель тепловых нейтронов, например, в виде карбида бора и свинцовую защиту от гамма-излучения, возникающего в замедлителе и электронном генераторе 7.
Устройство работает следующим образом.
На электронные блоки устройства подается питание. С внешней ЭВМ производится установка программы работы устройства в процессор 11. Из процессора 11 в блок управления 10 передается программа работы генератора 7. Генератор 7 включается в частотный режим работы. Блок радиационной защиты 8 препятствует попаданию излучения генератора 7 на сцинтилляторы 1-3 и фотоприемные устройства 4.
Быстрые нейтроны, попавшие в вещество во время импульса генератора 7, рассеиваются на ядрах вещества, постепенно теряя энергию и замедляясь до энергий, при которых нейтроны приходят в тепловое равновесие с веществом. Потеря энергии происходит вследствие как упругих, так и неупругих столкновений быстрого нейтрона с ядрами вещества. При этом неупругие столкновения сопровождаются излучением гамма-квантов неупругого рассеяния.
Замедлившиеся нейтроны имеют различные энергии. Нейтроны с энергией ≈0,4-10 эВ относятся к так называемым эпитепловым нейтронам, а нейтроны, находящиеся в тепловом равновесии с веществом, - к тепловым. Средняя энергия последних при комнатной температуре составляет ≈0,025 эВ. Замедлившиеся нейтроны поглощаются ядрами вещества. Вероятность поглощения нейтрона растет с уменьшением его энергии и поэтому значительно выше для тепловых нейтронов, чем для эпитепловых. При этом в большинстве случаев излучаются гамма-кванты радиационного захвата. В частности, при поглощении тепловых нейтронов водородом излучаются гамма-кванты с энергией 2,223 МэВ.
Во время импульса генератора 7 на сцинтилляторы 1-3, находящиеся в угловом секторе 5 кольца 6, падает излучение гамма-квантов неупругого рассеяния, а в промежутках между импульсами - излучение эпитепловых и тепловых нейтронов, а также гамма-квантов радиационного захвата. Возникающие под действием этих излучений на выходе фотоприемных устройств 4 электрические импульсы поступают на входы временных или амплитудных анализаторов 9. С помощью временных анализаторов 9 регистрируется зависимость потока тепловых и/или эпитепловых нейтронов от времени после импульса, а с помощью амплитудных анализаторов 9 - амплитудный спектр поступающего гамма-излучения. Данные с временных и амплитудных анализаторов 9 поступают в процессор 11 для предварительной обработки и передаются во внешнюю ЭВМ.
С помощью внешней ЭВМ определяют отношение интенсивностей излучений, регистрируемых смежными детекторами, находящимися в разных кольцах (на различных расстояниях от источника излучения) в различные моменты времени после импульса быстрых нейтронов.
Плотность вещества определяют путем сравнения полученных отношений для смежных в кольцах детекторов с данными калибровочных графиков и/или результатов численного моделирования (ГОСТ 23061-90. Грунт. Методы радиоизотопных измерений плотности. ОКСТУ 2009. Патент RU №2249836, МПК: G01V 5/12, 2005. Патент RU №2386946, МПК: G01N 9/00, 2010 ).
Получение азимутального распределения плотности вещества обеспечивается путем обработки данных, полученных с помощью детекторов, находящихся в различных угловых секторах.