Фізичні основи вимірювання параметрів радіоактивного поля перетворювачами неелектричних величин в електричні.

Природна радіоактивність в свердловинах характеризуються певною залежністю з петрофізичними параметрами гірських порід. Зондовий пристрій свердловинного приладу повинен забезпечити отримання інформації, яка відображає всі особливості будови геологічного простору. Для вимірювання радіоактивності необхідно у свердловинному приладі забезпечити прийом γ-квантів, на фіксованій відстані. Головним елементом для зондового пристрою є детектор γ-випромінювання. Для врахування мінливості свердловинних умов я пропоную використовувати багатозондовий пристрій. Результати виміру природнього γ-поля залежать від типу обраного детектора, яких є кілька типів: газорозрядні, сцинтеляційні, напівпровідникові та ін.

Охарактеризуєм основні з них.

У сцинтиляційному лічильнику реєстрація зарядженої частинки пов'язана із збудженням атомів і молекул уздовж її траєкторії. Реєстрація γ-квантів в сцинтиляційному лічильнику відбувається завдяки вторинними електронам і позитронами, що утворюються при поглинанні γ-квантів фосфором. Оскільки фосфор володіє хорошою оптичною прозорістю що забезпечує збір світла на фотокатод ФЕП із значного об'єму фосфору, для реєстрації γ-квантів можна застосовувати фосфори більшої товщини. Це забезпечує високу ефективність реєстрації γ-квантів сцинтиляційним лічильником на порядок і більше ефективності газонаповнених.

Фосфори. Важливою характеристикою фосфорів є ефективність реєстрації випромінювання, яка визначається густиною δ, ефективним атомним номером Z _зф фосфору і його розмірами. Ефективність для паралельного пучка частинок

(2.1)

збільшується з зростанням густини δ, ефективного номера Z_еф (масового коефіцієнта поглинання μ_m ) і розміру фосфору у напрямі пучка d.

Інколи важлива залежність виходу світла від енергії частинок. Для більшості фосфорів ця залежність при регістрації β-частинок і γ-квантів лінійна. Це разом з лінійністю характеристики ФЕП дозволяє по амплітуді імпульсу на виході лічильника судити про енергію реєстрованих частинок і проводити спектральний аналіз випромінювання. Такої пропорційності між енергією частинки і світловим виходом для важких частинок не спостерігається.

В геофізичній радіометричній апаратурі в основному використовуються наступні види фосфорів.

Неорганічні монокристали, особливо NaI і частково CsI, є найбільш поширеними фосфорами для реєстрації γ-квантів. Їх перевага — висока ефективність, обумовлена високою щільністю і великим Z_еф. Перевагою NaI є також високий енергетичний дозвіл, певним недоліком — висока гігроскопічність, що приводить до помутніння кристалів при попаданні вологи. Тому кристали упаковують в герметичні контейнери.

Для реєстрації α-випромінювання застосовують найчастіше кристали ZnS(Аg),а для реєстрації теплових нейтронів — його суміш з борною кислотою. При поглинанні нейтрона ¹⁰В утворюються а-частинки, що викликають сцинтиляцію в ZnS(Аg). Оскільки така суміш малопрозора, сцинтилятор зазвичай виготовляють у вигляді тонких шарів з великою питомою поверхнею. Рідше для реєстрації повільних нейтронів використовують монокристали LiI (іноді літієве скло). Реєстрація обумовлена реакцією ⁶Li (п, а).

Органічні монокристали стильбена, антрацену і інших речовин застосовують для реєстрації заряджених частинок і швидких нейтронів по протонах віддачі. Їх перевага — малий вирішуючий час (час висвічення). Проте із-за малої щільності для реєстрації γ-квантів їх майже не використовують.

Розчини органічних і неорганічних речовин в органічних рідинах дозволяють створювати вельми великі детектори і знаходять застосування в радіометрах високої чутливості, наприклад, іноді в аерогамма-радіометрах. Прикладом таких фосфорів служать розчини терфеніла в ксілолі і метил-бората в толуолі. Тверді розчини органічних речовин в пластмасах (наприклад, терфеніла в полістиролі) можна виготовляти великих об'ємів і будь-якої форми і використовувати регістрації γ-випромінювання і швидких нейтронів (по протонах віддачі). Для реєстрації заряджених частинок застосовують зазвичай тверді фосфори без упаковки, а фосфори для реєстрації у-випромінювання і нейтронів, як правило (а рідкі фосфори обов'язково), розміщують в контейнерах.

Для вивчення енергетичного спектру γ-квантів, α- і часткових β-частинок краще використовувати сцинтеляційні лічильники заповнені газом, що добре поглинає нейтрони: ³Не або ВР₃. При поглинанні нейтрона цими речовинами по реакції ³Не (n, р) і ¹⁰В (n, α) утворюються швидкі протони і α-частинки з енергією в декілька МеВ.

Газорозрядний детектор складається з анода, катода, ізолятора, скляного балона – об’ємної камери з газом, джерела напруги та приладу для визначення напруги в камері (рис 2.1).

Матеріал катода залежить від поставленої задачі. Найбільш перспективними матеріалами слугує вольфрам, мідь та сталь, в яких найкраща іонізаційна здатність.

Для збирання електронів і іонів з газу на електроди подається електрична напруга. За відсутності іонізуючих випромінювань газ є ізолятором, струму між електродами немає. При проходженні зарядженої частинки виникає іонізація молекул газу, він стає провідником і в ланцюзі детектора (рис. 2.1) з'являється струм. Тому простір між анодом і катодом в камері краще заповнювати галогенами (аргон, неон, гелій). Проте при нейтралізації іонів на катоді утворюються збуджені атоми і ультрафіолетове випромінювання, здатне вирвати фотоелектрони з металу і почати новий розряд в лічильнику. Щоб виключити ці вторинні розряди, не пов'язані з попаданням в лічильник нової ядерної частинки, найчастіше застосовують так звану систему самогашення лічильника. У відповідних лічильниках, до основного газу лічильника (гелій, аргон і ін.) додають невелику кількість (не більше 10²⁰ молекул на весь лічильник) багатоатомного газу (пари спиртів і т. д.) або галогенів. Багатоатомні гази (і галогени) добре поглинають ультрафіолетове випромінювання. При зіткненні з іоном основного газу лічильника молекула багатоатомного газу легко віддає йому електрон і сящего речовини, які, вириваючи електрон з катода, також збуджуються, але збудження в них, за рідкісним виключенням, знімається не шляхом висвічення фотонів, а в результаті дисоціації молекули на складені атоми.

Щоб усунути недоліки газорозрядних лічильників використовують лічильники з галогеновим заповнювачем (Неон з невеликою добавкою аргону н одного з галогенів — хлора або брому — до 5%) вигідно відрізняються від високовольтних. Вони не бояться перевантаження, мають високу швидкість рахунку (до 105 імп/хв), практично необмежений термін служби, низьку робочу напругу (360—400 В). Недоліком їх є значний нахил робочого плато (близько 0,125 % на 1 В) і великий час розвитку розряду (близько 10^-5 с).

У твердих тілах, як і в газах, енергія заряджених частинок витрачається на іонізацію і збудження атомів, причому пробіг частинок в них в 10³ раз менше, ніж в газі, а щільність іонізації відповідно вище. Тому можливе різке зменшення розмірів іонізаційних камер при збереженні або навіть збільшенні їх ефективності шляхом заміни газу в камері твердим наповнювачем. Основною проблемою при цьому є вибір твердих тіл з відповідною електропровідністю. Перспективним виявилося створення детекторів па основі напівпровідникових матеріалів.

Для використання напівпровідника як детектор іонізуючого випромінювання в нім створюють р—п перехід, що володіє великим питомим опором. Хай є дві пластини напівпровідника: одна з електронною, а інша з дірчастою провідністю. Якщо ці пластинки привести в тісне зіткнення, то в місцях їх зіткнення почнеться дифузія електронів з п в р. Вони нейтралізують частину дірок в тонкому граничному шарі і заряджають його негативно. Аналогічно тонкий граничний шар n-півпровідника заряджає позитивно. В результаті створюється перехід, перешкоджаючої подальшої дифузії носіїв заряду. Такий перехід володіє властивостями діода. Якщо приєднати п-півпровідник до катода, а р-напівпровідник до анода, то через перехід тече струм, а при зворотній полярності товщина р—п шару росте і система не проводить струму. Напівпровідникові лічильники володіють малим роздільниним часом (10^-7 – 10^-9 с).

Витрата енергії на утворення пари электрон—дірка в германії і кремнії (3 еВ) в 10 разів менше, ніж для повітря; а імпульс струму на порядок вищий, ніж в газонаповненій камері. Це разом з меншою тривалістю імпульсу забезпечує його відносно високу амплітуду, що досягає 2 мВ на 1 МЕВ енергії частинок.

Напівпровідникові детектори відрізняються економічністю живлення, компактністю, нечутливістю (на відміну від ФЕП) до магнітного поля, а також амплітудним дозволом в 20— 30 разів кращим, ніж у сцинтиляційних лічильників. Щоб підвищити ефективність реєстрації і частку фотопіку в апаратурному спектрі, і-шар повинен мати високий атомний номер. Тому р-і-п – детектори для γ-випромінювання виготовляють зазвичай на базі германію з Z=32. Проте їх широке застосування обмежується необхідністю охолоджування. При кімнатній температурі власний струм детекторів такий великий, що реєстрація на його фоні імпульсів від ядерних випромінювань неможлива, тому детектор охолоджують рідким азотом. Лише детектори з надчистого германію, що вимагають охолоджування в процесі роботи, можуть зберігатися при кімнатній температурі.

Охолоджування рідким азотом детекторів в приладах свердловин створює проблему видалення азоту, що випарувався. У свердловинах, заповнених рідиною, закриття системи охолоджування приладу азотом можуть працювати 6—8 годин, а відкриті (з випуском газу в свердловину), вживані в сухих свердловинах, —до 20 годин. Розроблені і більш теплостійкі детектори на базі Sі, активованого літієм, для охолоджування яких достатньо теплоелектричних холодильників. Створені детектори на базі телурида кадмію і йодиду ртуть, що працює при кімнатній температурі.

Складем таблицю, яка характеризує параметри вище сказаних лічильників.

Таблиця 2.1 – Параметри лічильників радіометрії.

Узагальнюючи все вище сказане можна зробити висновок, що сцинтиляційні лічильники забезпечують набагато більшу ефективність реєстрації γ-квантів (до 30—50 % і більш) чим газорозрядні, і дають можливість вивчення спектрального складу випромінювання. До переваг сцинтиляційних лічильників відноситься також нижчий рівень їх власного і космічного фону. Проте сцинтиляційні лічильники складніші і вимагають більш кваліфікованого обслуговування, ніж розрядні. Це обумовлено великим впливом температури на світловивід фосфорів, незрівнянно вищими вимогами до стабілізації джерела живлення, а також сильнішою зміною характеристик сцинтиляційних лічильників в часі. Напівпровідникові детектори характеризуються кращими параметрами реєстрації радіоактивності, але мають суттєвий ряд недоліків (зокрема в потребі охолодження) і їх використання є економічно не вигідним.

В гамма методі визначається сумарне гамма поле. Тому використання сцинтеляційних і напівпровідникових лічильників незручно і економічно невигідно. В даному курсовому проекті доцільно використати газорозрядний лічильник.

Дата добавления: 2017-02-01; Просмотров: 62; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!