СПЕКТРОЗОНАЛЬНЫЙ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ
SPECTROZONAL POSITION-SENSITIVE GAMMA RADIATION DETECTOR

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано при создании радиационных детекторов, применяемых в геофизической аппаратуре нейтрон-гамма и гамма-гамма каротажа для определения пространственного и энергетического распределения гамма-излучения, поступающего из скважины.
В настоящее время для детальных геологических исследований, проводимых в скважинах, широко используются ядерно-физические методы. К ним относятся, в частности, методы нейтронного каротажа, основанные на применении в качестве источника зондирующего излучения нейтронных источников: ампульных или нейтронных генераторов, излучающих быстрые нейтроны. При этом нейтронные генераторы могут быть непрерывного действия или импульсными.
К наиболее информативным методам нейтронного каротажа относится метод импульсного нейтронного каротажа (ИНК), сущность которого заключается в следующем.
В скважину спускают нейтронный генератор, который периодически в течение коротких (несколько мкс) интервалов времени облучает породу вокруг скважины потоком быстрых нейтронов с энергией 14 МэВ. Эти нейтроны распространяются в исследуемой породе практически изотропно, претерпевая при этом упругие и неупругие рассеяния на атомных ядрах породы.
Другим широко применяемым ядерно-физическим методом является гамма-гамма каротаж (ГГК). В случае ГГК среда внутри скважины облучается гамма-квантами изотопного источника, в качестве которого обычно используется Cs-137, и регистрируется обратно рассеянное излучение.
Результаты измерения зависят от количества детекторов, расстояния между ними и источником излучения, положения скважинного прибора относительно стенок скважины. Применение большого количества детекторов в скважинной аппаратуре практически не осуществимо. Выходом из положения в данном случае является применение позиционно-чувствительного детектора. Для коррекции данных с учетом произвольного положения скважинного прибора в скважине необходимо, чтобы этот детектор обладал также избирательностью по направлению прихода излучения. Спектральная избирательность детектора дает дополнительную информацию о плотности среды и эффективном заряде ее атомов.
Известен «Скважинный позиционно-чувствительный счетчик гамма-излучения», состоящий из корпуса-катода, по оси симметрии которого на опорных изоляторах размещен анод, выполненный в виде нити с жестко закрепленными на ней перегородками в виде стеклянных бусинок диаметром не менее 1 мм, которые разделяют анодную нить на участки-секции. Патент RU 2152105, МПК G01T 1/18, G01V 5/06. 2000 г. Аналог.
Недостатками аналога является невозможность определить направление, под которым излучение приходит на детектор в плоскости, перпендикулярной оси корпуса-катода (отсутствие азимутального углового разрешения), отсутствие спектральной избирательности.
Известны "Метод и аппаратура для нейтронного каротажа, использующая позиционно-чувствительный нейтронный детектор», который содержит сцинтиллятор с осью, параллельной оси корпуса прибора, и фотоумножители на противоположных концах сцинтиллятора, каждый фотоумножитель подключен к соответствующему амплитудному анализатору и через него - к контроллеру, служащему для определения осевого положения зарегистрированного нейтрона по отношению амплитуд оптических сигналов, зарегистрированных фотоумножителями. Патент СА 2798070, МПК G01V 5/10. 2011 г. Аналог.
Недостатком аналога является невозможность определить направление, под которым излучение приходит на детектор в плоскости, перпендикулярной оси корпуса прибора (отсутствие азимутального углового разрешения).
Известны «Азимутально-чувствительные гамма-детекторы», включающие сцинтиллятор, форма которого обеспечивает азимутальную чувствительность относительно оси скважины, или множество сцинтилляторов, разделенных отражающим материалом, помещенном между сцинтилляторами, каждый сцинтиллятор находится в оптическом контакте с фотодетектором. Заявка Норвегии NO 20120033, МПК: G01V 5/10, 2012. Прототип.
Недостатком прототипа является низкое угловое разрешение при определении азимутального распределения гамма-излучения в плоскости, перпендикулярной оси корпуса устройства, обусловленное низким угловым разрешением функций отклика устройств, основанных на применении защитного экрана/коллиматора или сцинтиллятора нецилидрической формы.
Техническим результатом изобретения является повышение углового разрешения при определении азимутального распределения гамма-излучения в плоскости, перпендикулярной оси корпуса устройства.
Технический результат достигается тем, что в спектрозональном позиционно-чувствительном детекторе гамма-излучения, содержащем сцинтиллятор, находящийся в оптическом контакте с фотоприемником, сцинтиллятор состоит из двух или более вложенных друг в друга цилиндрических наборов волоконных сцинтиллирующих элементов, разделенных цилиндрическими фильтрами рентгеновского или гамма-излучения, в каждом цилиндрическом наборе волоконные сцинтиллирующие элементы расположены параллельно оси устройства, снабжены светоотражающими оболочками и светонепроницаемыми покрытиями, противоположные торцы волоконных сцинтиллирующих элементов соединены посредством оптических соединителей с двумя волоконными световодами, находящимися с противоположной стороны в оптическом контакте с двумя матричными фотоприемниками, число фоточувствительных элементов в каждом из которых равно или больше числа волоконных сцинтиллирующих элементов.
Устройство детектора схематично показано на чертеже. Справа показано поперечное сечение детектора в частном случае применения трех цилиндрических наборов волоконных сцинтиллирующих элементов и двух цилиндрических фильтров рентгеновского или гамма-излучения, где:
1, 5, 6 - внешний, средний и внутренний соответственно цилиндрические наборы волоконных сцинтиллирующих элементов;
2 - волоконные световоды;
3 - матричные фотоприемники;
4 - оптические соединители;
7 - цилиндрические фильтры из материалов, ослабляющих рентгеновское и/или гамма-излучение.
Устройство содержит: цилиндрические наборы 1, 5 и 6 волоконных сцинтиллирующих элементов, цилиндрические фильтры 7, оптические соединители 4, волоконные световоды 2 и матричные фотоприемники 3, каждый из которых состоит из набора фоточувствительных элементов (на чертеже не показаны).
В каждом из цилиндрических наборов 1, 5 и 6 волоконные сцинтиллирующие элементы располагаются параллельно оси прибора на одном расстоянии от нее и изготавливаются из материала, обеспечивающего регистрацию рентгеновского или гамма-излучения. Для этого могут применяться волоконные или матричные сцинтилляторы, например, из иодистого натрия, пластмассового сцинтиллятора с добавками тяжелых металлов.
Угловое разрешение устройства определяется отношением поперечного сечения волоконного сцинтиллирующего элемента к радиусу цилиндрического набора, в котором этот элемент находится. В том случае, когда это отношение различно для различных цилиндрических наборов, берется его наибольшее значение.
Диаметр генератора нейтронов, применяемого в скважинном устройстве, составляет обычно не более 34 мм, а внутренний диаметр корпуса скважинного устройства составляет не менее 80 мм. При диаметре волоконного сцинтиллирующего элемента, составляющем 1 мм (диаметр обычно применяемых сцинтилляторов составляет порядка 1 см), и радиусе окружности, например, 20 мм (для внутреннего цилиндрического набора 6) угловое разрешение составляет 1/20 радиана или менее 3°.
В настоящее время изготавливаются волоконные сцинтиллирующие элементы различного поперечного сечения: круглые, квадратные и прямоугольные. Размер поперечного сечения обычно не превышает нескольких миллиметров и может быть одинаковым или разным в цилиндрических наборах разного диаметра. Размер поперечного сечения волоконных сцинтиллирующих элементов в цилиндрических наборах выбирается исходя из требуемого углового разрешения устройства, которое определяется отношением поперечного сечения волоконного сцинтиллирующего элемента к радиусу цилиндрического набора.
Максимальная длина волоконного сцинтиллирующего элемента определяется длиной ослабления в нем света, испускаемого во время сцинтилляционной вспышки, и может достигать при применении пластмассового сцинтиллятора нескольких метров.
Для улучшения светосбора и увеличения доли света, переносимого на торцы волоконного сцинтиллирующего элемента, поверхность элемента покрывают светоотражающим покрытием с меньшим, чем у волокна, коэффициентом преломления (одно- и двухслойные), либо выращивают волокна с заданным радиальным градиентом состава (Н.В. Классен, В.Н. Курлов, С.Н. Россоленко, О.А. Кривко, А.Д. Орлов, С.З. Шмурак. Сцинтилляционные волокна и наносцинтилляторы для улучшения пространственного, спектрометрического и временного разрешения радиационных детекторов. Известия РАН. Серия Физическая, 2009, том 73, №10, с. 1451-1456; Патент РФ №2411543, MПK: G01T 1/20, 2008 г.).
Для предотвращения попадания света от сцинтилляционной вспышки, возникшей в волоконном сцинтиллирующем элементе, в соседние элементы поверхность элемента покрыта также светонепроницаемым тонким покрытием, например, из алюминия, двуокиси титана, окиси магния. Толщина покрытия, обеспечивающая полное поглощение света, составляет не более 1 мкм.
Противоположные торцы каждого волоконного сцинтиллирующего элемента соединены с помощью оптических соединителей 4 с волоконными световодами 2 с оптическим контактом. Оптические соединители 4 обеспечивают механическую связь торцов волоконного сцинтиллирующего элемента с торцами волоконных световодов 2. Поперечное сечение волоконных световодов 2 обычно равно или больше поперечного сечения волоконного сцинтиллирующего элемента для того, чтобы уменьшить потери света в месте сопряжения торцов волоконного сцинтиллирующего элемента и волоконных световодов 2. Волоконные световоды 2 изготавливаются обычно из стекла или пластмассы со светоотражающими и светопоглощающими покрытиями, выполняющими ту же роль, что и в случае волоконных сцинтиллирующих элементов. Торцы каждого из волоконных световодов 2 соединены с оптическим контактом с матричными фотоприемниками 3, состоящими из набора фоточувствительных элементах (на чертеже не показаны).
Матричные фотоприемники 3 содержат фоточувствительные элементы, в качестве которых быть использоваться фотодиоды, например кремниевые фотоумножители или элементы двухкоординатных фотоумножителей. Общее число фоточувствительных элементов в каждом матричном фотоприемнике 3 должно быть не меньше числа волоконных сцинтиллирующих элементов во всех цилиндрических наборах.
Фоточувствительные элементы матричных фотоприемников 3 и волоконные сцинтиллирующие элементы, входящие в наборы 1, 5, 6, заранее пронумерованы. Также заранее определено, к каким двум фоточувствительным элементам двух противоположно установленных матричных фотоприемников приходят фотоны от того или иного волоконного сцинтиллирующего элемента.
Фильтры рентгеновского или гамма-излучения 7 применяются для поглощения части спектра падающего на них излучения. Фильтры обычно изготавливают из алюминия, меди, свинца, вольфрама, других металлов (Г.Х. Салахутдинов. «Методы диагностики рентгеновского излучения плазмы сцинтилляционными и трековыми детекторами». Дисс. на соискание степени д. ф.-м. н., 2010 г.). Толщина фильтра между двумя цилиндрическими наборами волоконных сцинтиллирующих элементов зависит от спектра падающего излучения.
Количество цилиндрических наборов также зависит от спектра падающего излучения и количества энергетических окон, в которых восстанавливается спектр излучения, конструктивной возможности размещения.
Устройство работает следующим образом.
На детектор падает рентгеновское или гамма-излучение, выходящие из стенок скважины. Интенсивность этих излучений имеет осевое и азимутальное распределение. Осевое распределение связано со слоевой структурой породы, окружающей скважину. Азимутальное распределение вызвано, в основном, несимметричным положением скважинного устройства по отношению к скважине.
Рентгеновские или гамма-кванты, попавшие в волоконные сцинтиллирующие элементы внешнего цилиндрического набора 1, поглощаются в них, вызывая сцинтилляционные вспышки. Те кванты, которые прошли через волоконные сцинтиллирующие элементы внешнего цилиндрического набора 1, не поглотившись, поступают на цилиндрический фильтр 7, расположенный между наборами 1 и 5, и частично поглощаются в нем.
В элементах набора 1 и в фильтре 7 поглощаются в первую очередь кванты, энергия которых находится в нижней части энергетического спектра, и поэтому более эффективно испытывающие фотопоглощение. Вследствие этого на волоконные сцинтиллирующие элементы среднего цилиндрического набора 5 падает более «жесткая» часть спектра излучения. Таким образом, волоконные сцинтиллирующие элементы цилиндрического набора 1 облучаются всем спектром излучения, а цилиндрических наборов 5 и 6 - частями спектра, характеризующимися все более высокой средней энергией квантов. Интенсивность излучения, регистрируемого волоконными сцинтиллирующими элементами цилиндрических наборов 1, 5 и 6, оказывается пропорциональной интенсивности излучения в соответствующих частях спектра исходного излучения.
Фотоны от сцинтилляционных вспышек, возникших в волоконных сцинтиллирующих элементах цилиндрических наборов 1, 5 и 6, с помощью светоотражающей оболочки транспортируются к их торцам.
Светопоглощающее покрытие, нанесенное на волоконные сцинтиллирующие элементы цилиндрических наборов 1, 5 и 6, препятствует прохождению сцинтилляционных фотонов из одного элемента в другой, предотвращая связанное с этим прохождением ухудшение пространственного разрешения.
Фотоны, дошедшие до торцов волоконных сцинтиллирующих элементов цилиндрических наборов 1, 5 и 6, через оптические соединители 4, соединенные с оптическим контактом с волоконными световодами 2, переносятся по ним на фоточувствительные элементы матричных фотоприемников 3, где и регистрируются, вызывая электрический сигнал.
При регистрации электрический сигнал, поступивший с разных концов волоконного сцинтиллирующего элемента, анализируется. По соотношению амплитуд сигналов с противоположных концов волоконного сцинтиллирующего элемента определяется осевая координата взаимодействия излучения. Точность определения осевой координаты составляет порядка 1 см (В.Н. Дубинина, В.Е. Ковтун. «Концепция радиационного портального монитора нового поколения», Вестник Харьковского университета №845 (2009) 108-121; патент РФ №2351954, МПК: G01T 3/06, 2009 г.).
По интенсивности сигналов, поступивших с волоконных сцинтиллирующих элементов, расположенных при различных азимутальных углах по отношению к оси скважинного устройства, определяется азимутальное распределение поступившего излучения, которое в предположении однородности породы вокруг скважины используется для определения положения скважинного устройства по отношению к скважине, а также для коррекции интенсивности сигналов (заявка на патент US 2013/0187035, МПК: G01V 5/08, G01V 5/10, 2013 г.), поступивших с различных волоконных сцинтиллирующих элементов, с учетом найденного положения.
По отношению сигналов, полученных с различных цилиндрических наборов, с учетом положения скважинного устройства относительно оси скважины определяется спектр падающего на устройства излучения, например, методом, описанным в работе: V. Mikerov, A. Koshelev, А. Sviridov, D. Yurkov. A Scintillation Multi-Energy Sensor for X-Rays - Conceptual Study, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol.: 60, Issue: 2, 2013 г.