Позиционно чувствительный детектор для одновременной регистрации нейтронного и гамма излучений

 

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

Техническим результатом полезной модели является возможность одновременной регистрации нейтронного и гамма излучений в одном месте на оси скважины.

Технический результат достигается тем, что позиционно чувствительный детектор для одновременной регистрации нейтронного и гамма излучений, содержащий множество сцинтилляторов, разделенных отражающим материалом, помещенным между сцинтилляторами, каждый сцинтиллятор находится в оптическом контакте с фотоприемником, сцинтиллятор выполнен в виде цилиндрического набора сцинтиллирующих волокон двух разных видов, обеспечивающих регистрацию нейтронного и гамма излучения, сцинтиллирующие волокна различного вида располагаются относительно друг друга чередующимся образом, сцинтиллирующие волокна снабжены светоотражающими оболочками и светонепроницаемыми покрытиями, противоположные торцы сцинтиллирующих волокон 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 волокон.

Полезная модель относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использована в скважинных устройствах, применяемых при каротаже нефтяных и газовых скважин для определения характера насыщения пластов (нефть, вода), их фильтрационно-емкостных свойств и коэффициента нефтенасыщенности.

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 нейтронные источники: ампульные или нейтронные генераторы, излучающие 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.

Распространяясь в среде, быстрые 14 МэВ нейтроны претерпевают упругие и неупругие рассеяния на атомных ядрах среды. В результате упругого рассеяния быстрые нейтроны генератора замедляются и постепенно приходят в тепловое равновесие со средой. Расстояние от мишени генератора, на котором наступает тепловое равновесие, зависит от свойств среды и, в значительной степени, от количества содержащихся в ней 2

водородосодержащих веществ. Тепловые нейтроны диффундируют во все стороны и постепенно поглощаются атомами среды, 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) образуется 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 позволяет определить нейтронную пористость, плотность и состав породы. Эти характеристики используются для определения характера насыщения пластов (нефть, вода), их фильтрационно-емкостных свойств и коэффициента нефтенасыщенности.

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.

Часть каротажной аппаратуры, опускаемая в скважину называется скважинным устройством. Существует большое разнообразие состава и конструкций скважинных устройств.

Так основными элементами типичного многофункционального скважинного устройства ИНК являются: нейтронный источник в виде 3

нейтронного генератора, нейтронные и гамма зонды, защитный экран, устанавливаемый между нейтронным генератором и детекторами гамма излучения, электронные устройства.

Длина нейтронных генераторов, применяемых при нейтронном каротаже, обычно составляет не менее 150 см. В то же время длина измерительных зондов обычно не превышает 50-70 см. Поэтому расположение детекторов нейтронного или гамма излучения вдоль оси скважинного устройства за пределами нейтронного генератора существенно уменьшает интенсивность падающего на них гамма излучения и увеличивает, таким образом, время проведения измерений, а также увеличивает длину скважинного устройства, что нежелательно для обеспечения свободной проводки скважинного устройства по скважине.

Длина детекторов, входящего в состав нейтронных или гамма зондов, составляет порядка 10 см и определяет осевое пространственное разрешение применяемых в настоящее время зондов.

Диаметр нейтронных генераторов, применяемых в скважинных устройствах, предназначенных для нейтронного каротажа, составляет не более 34 мм, а внутренний диаметр корпуса скважинного устройства обычно составляет не менее 80 мм, что позволяет разместить между корпусом скважинного устройства и корпусом нейтронного генератора детекторы диаметром до, примерно, 20 мм.

Проблемы нейтронного каротажа в настоящее время сводятся к необходимости создания детектора, обеспечивающего раздельную регистрацию нейтронного и гамма излучений и обладающего осевым (однокоординатным) пространственным разрешением, конструкция которого дает возможность его размещения в зазоре между корпусом скважинного устройства и нейтронного генератора. Длина детектора должна быть порядка расстояния между обычно применяемыми зондами, состоящими из нескольких одинаковых детекторов, например, пропорциональных счетчиков 4

или сцинтилляционных детекторов. Эта расстояние обычно составляет несколько десятков сантиметров.

Такой детектор при достаточно высоком осевом пространственном разрешении позволяет заменить одним устройством несколько зондов, состоящих из нескольких детекторов, снимает задачу выбора числа и длины зондов, числа детекторов в каждом из зондов, уменьшает длину скважинного устройства, повышает точность интерпретации данных за счет одновременного измерения нейтронного и гамма излучения в одном и том же месте скважины.

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 одновременной регистрации нейтронного и гамма излучений в одном и том же месте оси корпуса-катода.

Известен "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 Канады СА 2798070, МПК G01V 5/10. 2011 г. Аналог.

Недостатком аналога является невозможность одновременной регистрации нейтронного и гамма излучений в одном месте на оси скважины.

5

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 невозможность одновременной регистрации нейтронного и гамма излучений в одном месте на оси скважины.

Техническим результатом полезной модели является возможность одновременной регистрации нейтронного и гамма излучений в одном месте на оси скважины.

Технический результат достигается тем, что позиционно чувствительный детектор для одновременной регистрации нейтронного и гамма излучений, содержащий множество сцинтилляторов, разделенных отражающим материалом, помещенным между сцинтилляторами, каждый сцинтиллятор находится в оптическом контакте с фото приемником, сцинтиллятор выполнен в виде цилиндрического набора сцинтиллирующих волокон двух разных видов, обеспечивающих регистрацию нейтронного и гамма излучения, сцинтиллирующие волокна различного вида располагаются относительно друг друга чередующимся образом, сцинтиллирующие волокна снабжены светоотражающими оболочками и светонепроницаемыми покрытиями, противоположные торцы сцинтиллирующих волокон соединены посредством оптических соединителей с двумя волоконными световодами, находящимися с противоположной стороны в оптическом контакте с двумя матричными фотоприемниками, число фоточувствительиых элементов в каждом из которых равно или больше числа сцинтиллирующих волокон.

Сущность полезной модели поясняется на Чертеже, где

1 - цилиндрический набор сцинтиллирующих волокон;

6

2 - волоконные световоды;

3 - матричные фотоприемники;

4 - оптические соединители;

5, 6 - сцинтиллирующие волокна из разных материалов для регистрации нейтронов и гамма излучения.

Справа на разрезе А-А изображено сечение позиционно чувствительного детектора.

При реализации нейтронного каротажа с использованием в качестве нейтронного источника нейтронного генератора цилиндрическая форма устройства делает возможным его размещение в зазоре между корпусами нейтронного генератора и скважинного устройства, а длина в несколько десятков сантиметров позволяет заменить им несколько зондов, обеспечивая высокое, порядка 1 см, пространственное разрешение вдоль оси скважинного устройства (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.).

Позиционно чувствительный детектор содержит цилиндрический набор 1, состоящий из сцинтиллирующих волокон 5 и 6, предназначенных для регистрации разных видов излучений: нейтронного и гамма.

Торцы сцинтиллирующих волокон 5 и 6 соединены с торцами двух волоконных световодов 2 с оптическим контактом посредством двух оптических соединителей 4.

Противоположные торцы волоконных световодов 2 соединены с оптическим контактом с фоточувствительными элементами (на чертеже не показаны) двух матричных фотоприемников 3.

В каждом цилиндрическом наборе 1, сцинтиллирующие волокна 5 и 6 располагаются параллельно оси устройства на одном расстоянии от нее. Сцинтиллирующие волокна 5 и 6 изготавливаются из материалов, 7

обеспечивающих регистрацию разных видов излучений: гамма квантов или нейтронов, например: из йодистого натрия или литиевого стекла.

Для обеспечения осевой (по углу вокруг оси) симметрии устройства сцинтиллирующие волокна 5 и 6 в цилиндрическом наборе 1 располагаются относительно друг друга чередующимся образом (см. сечение А-А на чертеже).

Сцинтиллирующие волокна 5 и 6 могут быть различного поперечного сечения: круглые, квадратные и прямоугольные. Размер поперечного сечения обычно не превышает нескольких миллиметров и определяет угловое разрешение устройства.

Угловое разрешение устройства к нейтронам или гамма излучению определяется отношением поперечного сечения сцинтиллирующего волокна 5 или 6 к радиусу цилиндрического набора 1. 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 сцинтиллирующего волокна 5 или 6, составляющем 1 мм (диаметр обычно применяемых сцинтилляторов составляет не менее 1 см), и радиусе окружности, например, 20 мм угловое разрешение составляет 1/20 радиана или лучше 3°.

Максимальная длина сцинтиллирующих волокон 5 и 6 определяется длиной ослабления в них света, испускаемого во время сцинтилляциониой вспышки, и может достигать нескольких метров.

Для улучшения светосбора и увеличения доли света, переносимого на торцы сцинтиллирующих волокон 5 и 6, их поверхность покрывают светоотражающим покрытием (одно- или двухслойным) с меньшим, чем у материала волокна, 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.

8

Известия РАН. Серия Физическая, 2009, том 73, 10, с. 1451-1456; Патент РФ 2411543, МПК:G01T 1/20, 2008 г.).

Для предотвращения попадания света от сцинтилляционной вспышки, возникшей в любом из сцинтиллирующих волокон 5 и 6, в соседние волокна его поверхность покрывают дополнительно светонепроницаемым тонким покрытием, например, из алюминия, двуокиси титана, окиси магния. Толщина покрытия, обеспечивающая полное поглощение света, составляет не более 1 мкм.

Торцы сцинтиллирующих волокон 5 и 6 соединены с помощью оптических соединителей 4 с двумя волоконными световодами 2 с оптическим контактом. Оптические соединители 4 обеспечивают механически оптическую связь торцов сцинтиллирующих волокон 5 и 6 с торцами волоконных световодов 2. Поперечное сечение волоконных световодов 2 обычно равно или больше поперечного сечения сцинтиллирующих волокон 5 и 6 для того, чтобы уменьшить потери света в месте сопряжения их торцов. Волоконные световоды 2 изготавливаются обычно из стекла или пластмассы со светоотражающими и светопоглощающими покрытиями, выполняющими ту же роль, что и в случае сцинтиллирующих волокон.

Противоположные торцы волоконных световодов 2 соединены с фоточувствительными элементами матричных фотоприемников 3 с оптическим контактом.

Фоточувствительными элементами матричных фотоприемников 3 могут быть, например, так называемые, кремниевые фотоумножители или двухкоординатные фотоумножители. Число фоточувствительных элементов в каждом из матричных фотоприемников 3 равно или больше полного числа сцинтиллирующих волокон 5 и 6.

Устройство работает следующим образом.

На устройство падают нейтроны и гамма излучение, выходящие из стенок скважины. Интенсивность этих излучений имеет осевое и угловое 9

распределения, которые связаны с составом и структурой породы, окружающей скважину. Излучение того или иного вида, попавшее в сцинтиллирующие волокна 5 и 6, поглощаются в них, вызывая сцинтилляционные вспышки.

Фотоны от сцинтилляционной вспышки, возникшей в одном из сцинтиллирующих волокон 5 и 6, с помощью светоотражающей оболочки транспортируются к его торцам.

Светопоглощающее покрытие, нанесенное на сцинтиллирующие волокна 5 и 6, препятствует прохождению сцинтилляционных фотонов, возникших в одном из сцинтиллирующих волокон, в соседние сцинтиллирующие волокна, предотвращая связанное с этим прохождением ухудшение углового пространственного разрешения.

Фотоны, дошедшие до торцов одного из сцинтиллирующих волокон 5 и 6, проходят через оптические соединители 4 и далее по волоконным световодам 2 на матричные фотоприемники 3, расположенные на противоположных концах устройства, где регистрируются, вызывая электрический сигнал в соответствующих фоточувствительных элементах матричных фотоириемников 3.

Сцинтиллирующие волокна 5 и 6, а также фоточувствительные элементы матричных фотоприемников 3 заранее пронумерованы. Также заранее установлено соответствие номеров сцинтиллирующих волокон 5 и 6 номерам фоточувствительных элементов.

При регистрации нейтронного и гамма излучений сцинтилляционные фотоны, возникшие в одном из сцинтиллирующих волокон 5 и 6, вызывают электрический сигнал в фоточувствительных элементах с соответствующими номерами, расположенными в матричных фотоприемниках 3 на противоположных концах устройства. Осевая координата взаимодействия излучения с одним из сцинтиллирующих волокон 5 и 6 определяется по соотношению амплитуд сигналов, полученных практически одновременно с противоположных концов этого волокна. Точность определения осевой 10

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 сцинтиллирующих волокон, 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 сцинтиллирующих волокон, с учетом найденного положения.

Позиционно чувствительный детектор для одновременной регистрации нейтронного и гамма излучений, содержащий множество сцинтилляторов, разделенных отражающим материалом, помещенным между сцинтилляторами, каждый сцинтиллятор находится в оптическом контакте с фотоприемником, отличающийся тем, что сцинтиллятор выполнен в виде цилиндрического набора сцинтиллирующих волокон двух разных видов, обеспечивающих регистрацию нейтронного и гамма излучения, сцинтиллирующие волокна различного вида располагаются относительно друг друга чередующимся образом, сцинтиллирующие волокна снабжены светоотражающими оболочками и светонепроницаемыми покрытиями, противоположные торцы сцинтиллирующих волокон 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 волокон.

РИСУНКИ



 

Похожие патенты:

Полезная модель относится к устройствам каротажа нефтяных и газовых скважин и, в частности, к ядерно-физическим устройствам измерения плотности и пористости породы с использованием нейтронного излучения и может быть использована в скважинных устройствах, применяемых при каротаже нефтяных и газовых скважин

Полезная модель относится к устройствам каротажа нефтяных и газовых скважин и, в частности, к ядерно-физическим устройствам измерения плотности и пористости породы с использованием нейтронного излучения и может быть использована в скважинных устройствах, применяемых при каротаже нефтяных и газовых скважин

Полезная модель относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано при создании радиационных детекторов, применяемых в геофизической аппаратуре нейтронного и гамма каротажа для определения пространственного распределения нейтронного и гамма излучений
Наверх