Будова і характеристика лічильників природньої радіоактивності.

Природна радіоактивність гірських порід в свердловині вимірюється спеціальним вимірювальним приладом — свердловинним радіометром. Радіометр свердловини переміщається по стовбуру свердловини зазвичай від низу до верху, як в більшості геофізичних методів дослідження свердловин, реєструючи зміну радіоактивності гірських порід вздовжрозрізу свердловини. При цьому індикатор гамма-випромінювання в загальному випадку реєструє інтенсивність гамма-поля обумовлену радіоактивністю гірських порід, проти яких знаходиться радіометр, промивальної рідини, сталевої колони і цементу. Оскільки інтенсивність гамма-випромінювань промивальної рідини, сталевої колони і цементу невелика і змінюється в нешироких межах в порівнянні з інтенсивністю гамма-випромінювання гірських порід, то в загальному випадку реєстрована інтенсивність природної гамма-активности прямо пропорційна радіоактивності гірських порід, пройдених свердловиною.

Є декілька методів реєстрації ядерних випромінювань. В даній курсовій роботі я обрав – іонізаційний метод, який заснований на вимірюванні детекторами електричного заряду (струму), що утворюється в газі при його іонізації зарядженою частинкою. Такі детектори називають газонаповненими.

Конструктивно газонаповнені детектори є наповнені газом у балони з двома електродами. Як одне з них зазвичай виступає сам металевий (або металізований скляний) балон. Для збирання електронів і іонів з газу на електроди між ними 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. Режим роботи газонаповненого детектора залежить від напруги і відстані між електродами, від форми останніх, точніше, від величини і розподілу напруженості електричного поля в робочому об'ємі.

Рис. 2.1 – Схема роботи газонаповненого детектора: 1 – обє’м камери з газом, 2 – анод, 3 – катод, 4 – джерело напруги, 5 – прилад для визначення напруги в камері, 6 – ізолятори.

Розглянемо спочатку залежність іонізаційного струму Івід напруги U між електродами при зміненій геометрії останніх і постійній інтенсивності випромінювання, що взаємодіє з детектором (рис. 2.2). При дуже малому Uшвидкість іонів і електронів мала; значна їх частина встигає рекомбінуватися, тобто з'єднатися в нейтральні молекули, не доходячи до електродів (див. рис. 2.2, область І). Із збільшенням U швидкість іонів росте, втрати на рекомбінацію зменшуються. Ділянка ІІ на рис. 2.2 відповідає області напруги, при якій практично всі іони досягають електродів. Іонізаційний струм в цій області, майже не залежний від зміни і, називаютьструмом насичення. Він рівний загальному заряду електронів і іонів, що утворюються в одиницю часу. Індикатори, що працюють в області насичення, називають іонізаційними камерами.

Рис 2.2 – Вольтамперна характеристика газонаповнених індикаторів. Області: І – рекомбінація, ІІ – насичення, ІІІ – пропорціцність, ІV – граничної пропорційності, V – Гейгера, VІ – самовиникаючого розряду. Криві: 1 – з великою енергією, 2 – з молою енергією.

Зростання струму із збільшенням напруги в області ІІІ пов'язане із зростанням напруженості поля до таких значень, при яких електрони між двома зіткненнями з молекулами встигають набрати енергію, достатню для їх іонізації, - відбувається вторинна іонізація. Вторинні електрони разом з первинними в наступних зіткненнях іонізують інші молекули і т.д. — виникає лавиноподібне розмноження зарядів, зване газовим посиленням, характеризуєтьсякоефіцієнтом газового посилення К, рівнимвідношенню заряду, що збирається на електродах, до первинного заряду. Коефіцієнт К залежитьвід U.В областінасичення струму К=1 а із збільшенням напруги К ростедо 10³—10⁴ і більш. До деякої напруги U₃ К не залежить від первинного заряду, тому загальний заряд від однієї зарядженої ядерної частинки пропорційний первинному заряду. Ця область напруги називається областю пропорційності, а відповідний індикатор — пропорційним лічильником. Оскільки часто первинний заряд пропорційний енергії реєстрованої частинки, то і імпульс струму на виході пропорційного лічильника виявляється пропорційним цій енергії. Тому пропорційний лічильник дозволяє проводити спектрометрію — аналіз частинок по енергіях.

В області обмеженої пропорційності ІVпропорційність між імпульсом струму і первинним зарядом (з енергією частинки) порушується: чим більше первинний заряд, тим менше К. Нарешті, в області V струм зовсім не залежить від інтенсивності первинної іонізації. Тут для виникнення могутнього газового розряду досить з'явитися в детекторі хоч би одній іонній парі. Область V(U₄<U<U₅), де імпульс струму на виході індикатора залежить лише від напруги на нім, але не залежить від первинного заряду (і енергії реєстрованої ядерної частинки), називають областю Гейгера—Мюллера, а індикатор, що працює в такому режимі, - лічильником Гейгера—Мюллера. При подальшому збільшенні напруги (область VI) спостерігається пробій газу — самостійний газовий розряд, що виникає навіть без випромінювання завдяки вириванню могутнім електричним полем електронів з металу електродів.

Хоча, в принципі, один і той же індикатор залежно від напруги може працювати в різних режимах, проте практично це недоцільно. Залежно від типу індикатора раціональні різні конструктивні рішення.

Іонізаційні камери в ядерній геології і геофізиці використовують в основному для реєстрації а-частиц. Поширені циліндрові камери з розмірами біля довжини пробігу а-частинки в газі (приблизно 10 см при нормальному тиску).

За допомогою іонізаційних камер можна визначати середній струм від дії великого числа частинок або ж роздільно реєструвати імпульси від кожної частинки, що пройшла через камеру. У першому випадку говорять про інтегральну іонізаційну камеру, в другому — про імпульсну. Остання визначає не тільки число частинок, що пройшли через камеру, але і їх розподіл по амплітуді. Проте для реєстрації кожної частинки імпульсною камерою потрібне вельми велике посилення.

Використання імпульсних камер для рахунку легких частинок (електронів, позитронів) неефективно, оскільки вони забезпечують малу щільність іонізації. Для імпульсних камер (так само як і для розглянутих пропорційних лічильників і лічильників Гейгера—Мюллера) важливою характеристикою є ефективність, рівна відношенню числа частинок, зареєстрованих детектором, до повного числа частинок, що потрапляють в об'єм детектора. Ефективність камер біля 100%. Для всіх детекторів, що працюють в імпульсному режимі, ще однією характеристикою є вирішуючий час рівний мінірисьному часу, через який схема відновлюється після реєстрації частинок і готова до реєстрації нової частинки.

Рис 2.3 – Схема включення (а) приладу (б) циліндричного лічильника: 1 – анод, 2 – катод, 3 – ізолятор, 4 – скляний балон, 5 – електричний вивід катода.

Лічильники Гейгера—Мюллера володіють високим газовим посиленням (в окремих випадках до 10¹⁰) і забезпечують високу амплітуду вихідного імпульсу (одиниці і навіть десятки вольт). Конструкцію лічильників Гейгера—Мюллера вибирають таку, щоб при порівняно невеликих розмірах і напрузі на електродах отримати високий коефіцієнт газового посилення. Для цього застосовують циліндрові лічильники з дуже тонким анодом. Такий лічильник складається (рис 2.3) з катода — корпуси, по осі якого натягнутий металевий дріт — збираючий електрод.

Напруженість Еелектричного поля між електродами в циліндровому лічильнику міняється обернено пропорційно до відстані rвід його осі

(2.1)

де r_k, r_a— радіуси катода і анода відповідно; U — напруга на лічильнику.

У невеликому об'ємі навколо нитки анода, званому критичним, напруженість поля стає достатньою для лавиноподібної вторинної іонізації. Вибираючи анод достатньо топким, можна створити критичну область і велике газове посилення при помірному U. Напруга живлення лічильників Гейгера зазвичай не перевищує 103 В, а у деяких типів (галогенових) навіть 250—400 В.

За час збору електронів на аноді (біля 10^-7 з) важкі позитивні іони встигають піти у напрямі катода на дуже малу відстань. Чохол позитивних зарядів навколо анода ослабляє напруженість поля поблизу останнього. Якщо в цей час пролетить нова заряджена частинка, то в критичному об'ємі не відбуватиметься газового посилення зарядів і ця частинка не буде зареєстрована лічильником. Час (t_м 10^-4 c), протягом якого неможливе газове посилення, називається мертвим часом лічильника. Через час, декілька більше t_м, всі іони досягають катода і лічильника повністю відновлює свої властивості. 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 (див. підпункт 2.1).

Оскільки при кожному розряді лічильника дисоціює 10¹⁰ молекул, лічильники з багатоатомними гасячими речовинами недовговічні, можуть реєструвати не більш за 10¹⁰ розрядів. Лише в галогенових лічильниках термін служби значно більше, оскільки два атоми галогену, що утворюються при дисоціації його молекули, надалі можуть з'єднатися в молекулу, постійно відновлюючи таким чином кількість гасячого газу.

Рис.2.4 – Рахункова характнристика Лічильника Гейгера.

Однією з основних характеристик лічильника Гейгера є рахункова характеристика (рис. 2.4), що показує залежність швидкості рахунку імпульсів від напруги між електродами при постійній інтенсивності випромінювання. До напруги U₁лічильник працює в області обмеженої пропорційності. Амплітуда імпульсів різна завдяки відмінності в енергії частинок і в їх шляху в робочому об'ємі лічильника. Оскільки будь-яка реєструюча схема має деякий поріг, реєструються лише імпульси, що мають амплітуду вище за цей поріг. В області Гейгера всі частинки реєструються, оскільки вони утворюють однакові імпульси. У деякій області напруги U₁<U<U₂, званою платом лічильника, швидкість рахунку майже не залежить від напруги.

Протяжність плато досягає декількох сотень вольт. Якщо робочу напругу вибрати в середині плато, то швидкість рахунку не залежить від зміни напруги в декілька десятків вольт. Це разом з великою амплітудою імпульсів дозволяє створювати на основі лічильників Гейгера прості і надійні радіометри.

Єдиним недоліком лічильників Гейгера є їх мала чутливість γ-квантам. Поглинання γ-квантів відбувається в основному в корпусі лічильника, внаслідок чого утворюються швидкі електрони (фотоефект і комптон-ефект) або пара электрон-позитрон. Щоб ці частинки могли потрапити всередину лічильника і реєструватися, товщина стінки повинна бути не більше декількох міліметрів. При такій малій товщині стінок вірогідність поглинання в них γ-квантів виявляється не более 1—2 %. При постійній товщині катода ефективність лічильника при енергії більше декілька десятих МеВ із збільшенням енергії γ-квантів (рис 2.4). Проте при дуже малій енергії спостерігається зворотна картина, особливо різко виражена для лічильників з важким катодом (див. рис. 2.5, а, крива для лічильників ВС-4 з вольфрамовим катодом). Збільшення ефективності для них в області Е_γ<0,6МеВ пов'язане з різким зростанням поглинання квантів завдяки фотоефекту. На рис. 2.5видно, що в області 0,7—0,8 МеВ ефективність всіх типів лічильників приблизно однакова. При 0,7 МеВ ефективність лічильників з важким катодом (ВС) значно вища, ніж для лічильників з алюмінієвим (АС), графітовим (ГС), сталевим (СТС) і мідним (МС) катодами.

Рис 2.5 – Залежність ефективності ε газонаповнених лічильників від енергії γ-кванта (а) і від товщини катода (б).

Вірогідність реєстрації а- і β-частинок за умови їх попадання в робочий об'єм лічильника практично складає 100 %. Ефективність їх реєстрації обмежується лише поглинанням в стінках лічильника. Для підвищення ефективності реєстрації бічну стінку циліндрових лічильників β-випромінювання роблять з тонкої алюмінієвої або сталевої фольги. Крім того, для реєстрації α- і β-частинок виготовляють так звані лічильники торців з великим діаметром і тонким віконцем (із слюди, тефлонової плівки і т. д.) в одному з торців лічильника.

Імпульси на виході пропорційних лічильників менш потужні, чим у лічильників Гейгера, але в 10³—10⁴ разів сильніші, чим у імпульсних камер. Тому для них необхідні простіші схеми посилення, чим для імпульсних іонізаційних камер. Конструктивно пропорційні лічильники подібні до лічильників Гейгера — Мюллера, але відрізняються меншою напруженістю поля в критичній області. Перевага цих лічильників — пропорційність імпульсу первинному заряду, що дозволяє визначати тип частинок і, їх енергетичний спектр, а недостаток— мала амплітуда імпульсу і її залежність від напруги живлення.

Для вивчення енергетичного спектру γ-квантів, α- і часткових β-частинок в ядерній геофізиці використовують сцинтеляційні лічильники, а пропорційні лічильники для цього використовуються рідко. Проте останні широко застосовуються для реєстрації повільних нейтронів.

Електрична схема підключення пропорційних лічильників і лічильників Гейгера до підсилювача приведена на рис. 2.3. Електрони, утворені в результаті первинної і вторинної іонізації, збираючись на аноді лічильника, викликає на нім негативний імпульс напруги. Останній через роз'єднувальну ємність З подається на вхід підсилювача.

Щоб усунути недоліки лічильників, в даному курсовому проекті я використаю лічильники з галогеновим заповнювачем (Неон з невеликою добавкою аргону і одного з галогенів — хлора або брому — до 5%). 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).

В даному проекті газорозрядний лічильник використовується для вивчення природньої радіоактивності гамма-поля в навколосвердловинному просторі. Пропонується використати систему з шести лічильників Гейгера. Дана система дозволить підвищити чутливість сприйняття гамма-поля, дозволить чіткіше вивчати радіоактивність, а також забезпечить механічну міцність, довговічність, термостійкість і невисоку вартість приймача.

Дата добавления: 2017-02-01; Просмотров: 84; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!