Результат интеллектуальной деятельности: СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано при создании радиационных детекторов, применяемых, например, в геофизической аппаратуре нейтронного и гамма-каротажа для регистрации и определения пространственного распределения нейтронного и гамма-излучений.

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.

Распространяясь в породе, быстрые 14 МэВ нейтроны претерпевают упругие и неупругие рассеяния на атомных ядрах породы. В результате упругого рассеяния быстрые нейтроны генератора замедляются и постепенно приходят в тепловое равновесие с породой. Расстояние от мишени генератора, на котором наступает тепловое равновесие, зависит от свойств породы и, в значительной степени, от количества содержащихся в ней водородосодержащих веществ. Тепловые нейтроны диффундируют во все стороны и постепенно поглощаются атомами породы, излучая гамма-кванты радиационного захвата.

Неупругое рассеяние быстрых нейтронов приводит к образованию гамма-квантов неупругого рассеяния, излучаемых во время нейтронных импульсов. Энергия этих гамма-квантов характерна для каждого элемента. Так в результате неупругого рассеяния на ядрах углерода (С) образуются гамма-кванты с энергий 4,43 МэВ, на ядрах кислорода - 6,13 МэВ. Количество гамма-квантов, зарегистрированных в определенных энергетических областях, пропорционально концентрации элементов, испускающих данные гамма-кванты.

Регистрация тепловых и/или эпитепловых нейтронов, а также гамма-квантов неупругого рассеяния и радиационного захвата в определенном месте скважины позволяет определить в этом месте нейтронную пористость, плотность и состав породы. Эти характеристики используются для определения характера насыщения пластов (нефть, вода), их фильтрационно-емкостных свойств и коэффициента нефтенасыщенности.

Часть каротажной аппаратуры, опускаемая в скважину, называется скважинным устройством. Основными элементами типичного многофункционального скважинного устройства ИНК являются: нейтронный источник в виде нейтронного генератора, нейтронные и гамма-детекторы, защитный экран, устанавливаемый между мишенью нейтронного генератора и детекторами гамма-излучения, электронные устройства.

Расстояние между мишенью нейтронного генератора и детектором (длина зонда) влияет на размер исследуемой области вокруг скважины (глубинность зондирования) и величину измеряемого эффекта, связанного с ядерно-физическими характеристиками породы.

Вследствие того, что по мере удаления от оси скважины порода вокруг скважины имеет переменный состав и плотность, для определения радиального распределения ее свойств необходимо применение нескольких зондов различной длины.

Из-за разности диаметров скважинного устройства и скважины между их стенками имеется полость, размер которой различен в различных азимутальных направлениях и меняется в процессе каротажа случайным образом. Это приводит к изменению счета детектора зонда, не связанному с характеристиками породы вокруг скважины. Для учета влияния полости используются зонды, содержащие несколько детекторов, расположенные равномерно по окружности вокруг оси скважинного устройства (заявка на патент US 2013/0187035, МПК: G01V 5/08, G01V 5/10, 2013 г.).

Применение большого количества многодетекторных зондов разного типа в скважинном устройстве практически неосуществимо. Выходом из положения в данном случае является применение позиционно чувствительного детектора, обеспечивающего одновременно регистрацию нескольких видов излучения, обладающего осевым (однокоординатным) и угловым пространственным разрешением.

Длина такого детектора должна быть порядка расстояния между обычно применяемыми зондами, состоящими из нескольких одинаковых детекторов, например пропорциональных счетчиков или сцинтилляционных детекторов. Это расстояние обычно составляет несколько десятков сантиметров.

Применение детектора, протяженного вдоль оси скважинного устройства, обладающего осевым пространственным разрешением, а также угловым разрешением, обеспечивающим регистрацию нескольких видов излучений в одном месте, позволяет заменить несколько зондов, состоящих из нескольких детекторов, одним устройством, уменьшает длину скважинного устройства. При достаточном пространственном разрешении такой детектор снимает задачу выбора числа и длины зондов, числа детекторов в зондах, повышает точность измерений за счет: измерения нейтронного и гамма-излучений в одном и том же месте скважины, обеспечения осевого и углового разрешения, обеспечения коррекции положения скважинного устройства относительно оси скважины (заявка US 2013/0187035, МПК: G01V 5/08, G01V 5/10, 2013 г.).

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), невозможность одновременной регистрации нескольких видов излучений.

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 определения направления, под которым излучение приходит на детектор в плоскости, перпендикулярной оси детектора (отсутствие азимутального углового разрешения), а также невозможность одновременной регистрации нескольких видов излучений.

Известны «Азимутально чувствительные гамма-детекторы», включающие сцинтиллятор, форма которого обеспечивает азимутальную чувствительность относительно оси скважины, или множество сцинтилляторов, разделенных отражающим материалом, помещенным между сцинтилляторами, каждый сцинтиллятор находится в оптическом контакте с фотодетектором. Заявка Норвегии NО 20120033, МПК: G01V 5/10, 2012. Прототип.

Недостатком прототипа является невозможность одновременной регистрации тепловых и эпитепловых нейтронов, а также гамма-излучения в одном месте вдоль оси скважинного устройства.

Техническим результатом изобретения является возможность одновременной регистрации тепловых и эпитепловых нейтронов, а также гамма-излучения в одном месте на оси скважинного устройства.

Технический результат достигается тем, что в спектрометрическом позиционно-чувствительный детекторе, содержащем сцинтиллятор, находящийся в оптическом контакте с фотоприемником, сцинтиллятор состоит из трех вложенных друг в друга наборов сцинтиллирующих элементов, расположенных параллельно оси устройства, внешний и средний наборы образованы сцинтиллирующими волокнами из материала, обеспечивающего регистрацию тепловых нейтронов, а сцинтиллирующие элементы внутреннего набора образуют цилиндр и выполнены в форме одинаковых по размеру угловых секторов и обеспечивают регистрацию гамма-излучения, количество угловых секторов составляет два и более, каждый угловой сектор снабжен спектросмещающим волокном, проходящим через центр углового сектора параллельно оси устройства, сцинтиллирующие элементы среднего набора помещены внутрь нейтронного замедлителя трубчатой формы, заполняющего пространство между внешним и внутренним наборами, на внешней поверхности нейтронного замедлителя расположен экран, поглощающий тепловые нейтроны, сцинтиллирующие элементы всех наборов и спектросмещающие волокна внутреннего набора снабжены светоотражающими оболочками, на поверхность сцинтиллирующих элементов нанесено светонепроницаемое покрытие, противоположные торцы каждого сцинтиллирующего элемента внешнего и среднего наборов, а также противоположные торцы каждого спектросмещающего волокна внутреннего набора 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 сцинтиллирующих элементов.

На чертеже схематично показано устройство детектора для одновременной регистрации тепловых и эпитепловых нейтронов, а также гамма-излучения, где:

1, 5 - внешний и средний наборы сцинтиллирующих элементов для регистрации тепловых нейтронов;

2 - волоконные световоды;

3 - матричные фотоприемники;

4 - оптические соединители;

6 - внутренний набор сцинтиллирующих элементов для регистрации гамма-излучения;

7 - спектросмещающие волокна;

8 - нейтронный замедлитель;

9 - экран для поглощения тепловых нейтронов.

Справа на чертеже показано поперечное сечение устройства.

Устройство содержит: наборы сцинтиллирующих элементов 1, 5 и 6, спектросмещающие волокна 7, проходящие через центры сцинтиллирующих элементов набора 6, волоконные световоды 2, оптические соединители 4, матричные фотоприемники 3, каждый из которых состоит из набора фоточувствительных элементов (на чертеже не показаны), нейтронный замедлитель 8 и экран 9 для поглощения тепловых нейтронов.

Сцинтиллирующие элементы в наборах 1, 5 и 6 располагаются параллельно оси устройства.

Сцинтиллирующие элементы в наборах 1 и 5 изготавливаются из сцинтиллирующего волокна, обеспечивающего регистрацию тепловых нейтронов, например из литиевого стекла. Количество сцинтиллирующих элементов в наборах 1 и 5 определяется отношением длины окружности, на которой они находятся к поперечному сечению используемого сцинтиллирующего волокна.

В настоящее время изготавливаются волоконные сцинтиллирующие элементы различного поперечного сечения: круглые, квадратные и прямоугольные. Размер поперечного сечения обычно не превышает нескольких миллиметров.

Возможная длина устройства определяется минимальной длиной ослабления света в волоконных сцинтиллирующих элементах или спектросмещающих волокнах, которая достигает около 100 см.

Сцинтиллирующие элементы внутреннего набора 6 образуют цилиндр, выполнены в форме одинаковых по размеру угловых секторов этого цилиндра, изготавливаются из сцинтиллятора, обеспечивающего регистрацию гамма-излучения, например, NaI, BGO и др.

В случае, когда диаметр цилиндра, составленного из сцинтиллирующих элементов, входящих в набор 6, составляет не менее 2,5 см, возможно определение энергии гамма-квантов путем суммирования сигналов, поступивший со всех сцинтиллирующих элементов внутреннего набора 6 практически в одно и то же время (от одного и того же гамма-кванта).

Минимальное количество угловых секторов, обеспечивающее информацию об азимутальном распределении гамма-излучения, приходящего из стенок скважины на устройство, составляет два. Использование большего количества сцинтиллирующих элементов повышает точность определения азимутального распределения.

Сцинтиллирующие элементы внутреннего набора 6 снабжены спектросмещающими волокнами 7, проходящими в каждом угловом секторе через его центр параллельно оси устройства, что требуется для более полного сбора фотонов от сцинтилляционной вспышки, возникшей с сцинтиллирующем элементе.

Угловое разрешение устройства для того или иного излучения (тепловых или эпитепловых нейтронов, гамма-излучения) определяется отношением поперечного сечения сцинтиллирующего элемента соответствующего набора к радиусу окружности, на которой находятся сцинтиллирующие элементы. При поперечном сечении сцинтиллирующих элементов набора 1 или набора 5, составляющем 1 мм, и радиусе окружности, на которой эти элементы находятся, например, 20 мм угловое разрешение при регистрации тепловых или эпитепловых нейтронов составляет 1/20 радиана или лучше 3°.

Для улучшения светосбора и увеличения доли света, переносимого на торцы сцинтиллирующих элементов наборов 1 и 5, а также на торцы спектросмещающих волокон 7, сцинтиллирующие элементы наборов 1 и 5, а также спектросмещающие волокна 7 снабжены отражающей оболочкой (одно- и двухслойной), из материала с меньшим, чем у них, коэффициентом преломления, 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 сцинтиллирующем элементе наборов 1, 5 и 6, в соседние сцинтиллирующие элементы их поверхность дополнительно покрывают светонепроницаемым тонким покрытием, например, из алюминия, двуокиси титана, окиси магния.

Противоположные торцы каждого сцинтиллирующего элемента наборов 1 и 5, а также противоположные торцы каждого спектросмещающего волокна 7 внутреннего набора 6 соединены с помощью оптических соединителей 4 с двумя волоконными световодами 2 с оптическим контактом. Оптические соединители 4 обеспечивают механическую связь торцов сцинтиллирующих элементов, а также торцов спектросмещающих волокон с торцами волоконных световодов.

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 или спектросмещающих волокон. Торцы каждого из волоконных световодов 2 соединены с матричными фотоприемниками 3 с оптическим контактом.

Матричные фотоприемники 3 содержат фоточувствительные элементы, в качестве которых могут использоваться фотодиоды, например кремниевые фотоумножители или элементы двухкоординатных фотоумножителей. Общее число фоточувствительных элементов в каждом матричном фотоприемнике 3 должно быть не меньше числа сцинтиллирующих элементов.

Фоточувствительные элементы матричных фотоприемников 3 и 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 сцинтиллирующего элемента.

Сцинтиллирующие элементы, входящие в средний набор 5, помещены в нейтронный замедлитель 8 трубчатой формы, заполняющим пространство между внешним набором 1 и внутренним набором 6. На внешней поверхности нейтронного замедлителя расположен экран 9, поглощающий тепловые нейтроны. Толщина слоя нейтронного замедлителя 8 выбирается из условия замедления эпитепловых нейтронов до энергии тепловых нейтронов и в случае полиэтилена составляет около 1 см.

Устройство работает следующим образом.

На детектор падают тепловые и эпитепловые нейтроны, а также гамма-излучение, выходящие из стенок скважины. Интенсивность этих излучений имеет осевое и азимутальное распределение. Осевое распределение связано с слоевой структурой породы, окружающей скважину. Азимутальное распределение вызвано в основном несимметричным положением скважинного устройства по отношению к скважине.

Тепловые нейтроны, попавшие в сцинтиллирующие элементы внешнего набора 1, поглощаются в них, вызывая сцинтилляционные вспышки. Те тепловые нейтроны, которые прошли через сцинтиллирующие элементы внешнего набора 1 внутрь детектора не поглотившись, поступают на экран 9 и поглощаются в нем.

Эпитепловые нейтроны в основном проходят через сцинтиллирующие внешнего набора 1 и экран 9 не поглотившись из-за того, что их энергия существенно больше энергии тепловых нейтронов, а сечение захвата, соответственно, меньше. Эпитепловые нейтроны поступают в замедлитель 8, где, рассеиваясь, теряют энергию (замедляются) и становятся тепловыми, распространяются во все стороны и частично попадают на сцинтиллирующие элементы среднего набора 5, где регистрируются.

Фотоны от сцинтилляционных вспышек, возникших в сцинтиллирующих элементах наборов 1 и 5 наборов, с помощью светоотражающей оболочки транспортируются к их торцам.

Гамма-излучение мало ослабляется в сцинтиллирующих элементах наборов 1 и 5, а также в экране 9 и замедлителе 8 и проходит на сцинтиллирующие элементы внутреннего набора 6, предназначенные для регистрации гамма-квантов. Фотоны от сцинтилляционных вспышек, возникших в сцинтиллирующих элементах внутреннего набора 6 под действием гамма квантов, распространяются во всех стороны, отражаются от стенок сцинтиллирующих элементов внутреннего набора 6 и частично попадают на спектросмещающие волокна 7, где поглощаются. При поглощении квантов света от сцинтилляционной вспышки спектросмещающее волокно 7 излучает кванты света несколько меньшей энергии, которые с помощью светоотражающей оболочки транспортируются к торцам спектросмещающего волокна 7.

Светопоглощающее покрытие, нанесенное на сцинтиллирующие элементы наборов 1 и 5, и светоотражающее покрытие, нанесенное на сцинтиллирующие элементы внутреннего набора 6, препятствуют прохождению сцинтилляционных фотонов из одного сцинтиллирующего элемента в другой, предотвращая связанное с этим прохождением ухудшение пространственного разрешения устройства.

Фотоны, дошедшие до торцов сцинтиллирующих элементов наборов 1 и 5 и торцов спектросмещающих волокон 7, 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 противоположных торцов сцинтиллирующих элементов наборов 1 и 5 и спектросмещающих волокон 7, анализируется и затем суммируется. По соотношению амплитуд сигналов, полученных с противоположных торцов, 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 азимутальному распределению суммарного сигнала, поступившего с различных сцинтиллирующих элементов наборов 1, 5 и 6, определяется азимутальное распределение соответствующих излучений, которое используется для определения положения скважинного устройства по отношению к скважине, а затем для коррекции интенсивности сигналов от сцинтиллирующих элементов (заявка на патент US 2013/0187035, МПК: G01V 5/08, G01V 5/10, 2013 г.).

Сигнал, полученный суммированием сигналов, поступивших со всех сцинтиллирующих элементов внутреннего набора 6 от одного гамма-кванта, т.е практически одновременно, используется для оценки энергии гамма-кванта и определения спектра гамма-излучения.