Способ спектрометрического гамма-каротажа и устройство для его проведения

 

Изобретение относится к спектрометрическим измерениям гамма-излучения, используемым для количественного определения содержания радиоактивных элементов в горных породах. Способ заключается в измерении интенсивностей гамма-излучения, отфильтрованного экраном, выполненным из металла с малым атомным номером, например не больше, чем у титана, регистрации гамма-излучения сцинтилляционным детектором, оцифровке зарегистрированных сигналов, их накоплении в виде амплитудно-временных спектров, передаче на поверхность. Гамма-излучение дополнительно пропускают через экран, выполненный из металла с большим атомным номером, например не меньше, чем у свинца, регистрируют спектр, имеющий характерную форму в области 0,02-0,3 мэВ, запоминают его как опорный, проводят измерения в скважине и каждый полученный спектр приводят в соответствие со спектром, имеющим характерную форму в области 0,02-0,3 мэВ, например, по методу наименьших квадратов. Устройство содержит охранный кожух, изготовленный из титана, в котором размещены детектор гамма-излучения, соединенный с фотоэлектронным умножителем, обеспечиваемым питанием от блока питания высокого напряжения и имеющим выход на вход блока преобразования аналог - код, второй вход которого соединен с выходом блока преобразования вторичных напряжений, а выходы соединены с блоком центрального процессора: один непосредственно, другой через блок накопления амплитудно-временных спектров. Выход блока центрального процессора соединен с блоком питания высокого напряжения, вход которого соединен с выходом блока преобразования вторичных напряжений, выход которого соединен с блоком накопления амплитудно-временных спектров, вход которого соединен с выходом блока коммутации, соединенным с разъемом головки скважинного прибора и проходным разъемом, выход которого соединен с входом блока центрального процессора. Детектор помещен в экран, выполненный из свинца. Использование способа и устройства позволяет стабилизировать энергетическую шкалу спектрометра. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к ядерной геофизике, а более конкретно к области спектрометрических измерений гамма-излучения, используемых для количественного определения содержания радиоактивных элементов в горных породах.

Известен способ стабилизации энергетической шкалы спектрометрического устройства [1] , в котором измерение интенсивностей рассеянного гамма-излучения производят, закрывая не более половины рабочей площади детектора экраном, срезающим мягкую (до 200 кэВ) часть спектра. В этом случае форма зарегистрированного спектра слабо зависит от поглощающих свойств (эффективного атомного номера) исследуемой среды. В качестве опорной величины для стабилизации шкалы используют отношения интенсивностей в двух энергетических областях. Причем один энергетический интервал выбирают в области 240-280 кэВ, где расположен максимум сформированного в результате частичной фильтрации рассеянного гамма-излучения, а второй - в более высокоэнергетической области на ниспадающем участке спектра.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ стабилизации сцинтилляционного гамма-спектрометра [2], в котором в качестве опорной величины используют отношение двух спектральных интенсивностей, выбранных на крутопадающем участке регистрируемого спектра рассеянного гамма-излучения в такой его области, где форма регистрируемого спектра остается постоянной независимо от изменения свойств рассеивающей среды и энергии источников первичного гамма-излучения.

Недостатком этого известного способа является потеря определенной части статистики вследствие использования лишь части гамма-квантов, попадающих в окна спектральных интенсивностей, по которым рассчитывается отношение.

Наиболее близким к заявляемому устройству является скважинный спектрометр [3] , содержащий наземный компьютер, соединенный кабелем со скважинным прибором, представляющим собой металлический (стальной или титановый) кожух, в котором размещена электрическая схема с детектором гамма-излучения.

Недостатком известного устройства является то, что для стабилизации энергетической шкалы используется реперный источник, вкрапленный в дополнительный детектор, оптически соединенный с основным детектором. Для бесфонового выделения реперного спектра используется схема совпадения, регистрирующая факт регистрации основным детектором гамма-кванта и стабилизационным детектором альфа-частицы. Это усложняет устройство и переводит его в разряд устройств, содержащих радиоактивные изотопы.

Новым по отношению к прототипу является то, что в способе спектрометрического гамма-каротажа, заключающемся в измерении интенсивностей гамма-излучения, отфильтрованного экраном, выполненным из металла с малым атомным номером, например титана, регистрации гамма-излучения сцинтилляционным детектором, оцифровке зарегистрированных сигналов, их накоплении в виде амплитудных спектров, передаче на поверхность, гамма-излучение дополнительно пропускают через экран, выполненный из свинца, регистрируют опорный спектр, имеющий характерную форму в области 0,02-0,3 мэВ, запоминают спектр, аналогично проводят измерения в скважине и энергетическую шкалу каждого полученного спектра приводят в соответствие с энергетической шкалой опорного спектра, имеющего характерную форму в области 0,02-0,3 мэВ, например, по методу наименьших квадратов.

Исследования патентно-технической информации показали, что неизвестны случаи, когда гамма-излучение дополнительно пропускают через экран, выполненный из свинца, регистрируют спектр, имеющий характерную форму в области 0,02-0,3 мэВ, запоминают спектр, проводят измерения в скважине и каждый полученный спектр приводят в соответствие со спектром, имеющим характерную форму в области 0,02-0,3 мэВ, например, по методу наименьших квадратов. Предлагаемое решение соответствует критерию "Новизна".

Новым по отношению к прототипу в устройстве для проведения спектрометрического каротажа является то, что в охранном кожухе, изготовленном из титана, размещены детектор гамма-излучения, оптически соединенный с фотоэлектронным умножителем, обеспечиваемым питанием от блока питания высокого напряжения и имеющим выход на вход блока преобразования аналог - код, второй вход которого соединен с выходом блока преобразования вторичных напряжений, а выходы соединены с блоком центрального процессора и с блоком накопления амплитудных спектров, который связан двунаправленной линией связи с блоком центрального процессора, выход блока центрального процессора соединен с блоком питания высокого напряжения, вход которого соединен с выходом блока преобразования вторичных напряжений, выход которого соединен с блоком накопления амплитудных спектров, вход преобразователя вторичных напряжений соединен с выходом блока коммутации, соединенным с разъемом головки скважинного прибора и проходным разъемом, и выход блока коммутации соединен с входом блока центрального процессора, блок центрального процессора своим входом соединен с выходом преобразователя вторичных напряжений, детектор помещен в экран, выполненный из свинца.

Исследования патентно-технической информации показали, что неизвестны случаи, когда детектор помещен в экран, выполненный из свинца, а для повышения выхода реакции образования рентгеновского излучения свинца охранный кожух скважинного прибора делается из материала с низким атомным номером, например из титана. Благодаря этому в практически неизменной форме спектра рассеянного гамма-излучения появляется устойчивая дополнительная линия гамма-излучения, образующегося вследствие характеристического излучения свинца. Предлагаемое решение соответствует критерию "Новизна".

Известно, что форма спектра гамма-излучения вследствие многократного рассеяния гамма-излучения при энергиях ниже 0,2-0,5 МэВ определяется, в первую очередь, эффективным атомным номером исследуемых горных пород. Этот эффект положен в основу методов определения эффективного атомного номера среды по измерению интенсивности гамма-излучения в мягкой области [3]. Однако, если сцинтилляционный детектор гамма-излучения окружить фильтром из материала, имеющего высокий атомный номер (например, свинца), то форма спектра рассеянного гамма-излучения в интервале энергий 0,02-0,20 мэВ остается неизменной практически для всех пород, реально встречающихся в пересекаемых скважинах [1, 2]. Выбирая по той или иной методике дифференциальные окна в этом спектре, можно стабилизировать по их отношению энергетическую шкалу спектрометра.

На фиг.1 изображена блок-схема скважинного прибора.

На фиг. 2 изображена функциональная блок-схема преобразователя аналог - код.

На фиг. 3 изображена функциональная схема блока накопления амплитудных спектров.

Устройство для проведения спектрометрического каротажа состоит из охранного кожуха 1, изготовленного из титана, детектора гамма-излучения 2, оптически соединенного с фотоэлектронным умножителем 3, который обеспечивается питанием от блока питания высокого напряжения 4. Фотоэлектронный умножитель 3 имеет выход на второй вход блока преобразования аналог - код 5, который предназначен для оцифровки входных импульсов с системы "фотоэлектронный умножитель 3 + детектор 2". Первый вход блока преобразования аналог - код 5 соединен с первым выходом блока преобразования вторичных напряжений 6. Первый выход блока преобразования аналог - код 5 соединен с первым входом блока центрального процессора 7, а второй выход - с вторым входом блока накопления амплитудных спектров 8. Первый вход блока накопления амплитудных спектров 8 двунаправленной линией связи соединен с первым выходом блока центрального процессора 7, второй выход блока центрального процессора 7 соединен с первым входом блока питания высокого напряжения 4, второй вход которого соединен с вторым выходом блока преобразования вторичных напряжений 6, третий выход которого соединен с третьим входом блока накопления амплитудных спектров 8. Вход преобразователя вторичных напряжений 6 соединен с четвертым выходом блока коммутации 9, первый, второй и третий выходы которого соединены с первым, вторым и третьим контактами разъема головки 10. Первый, второй и третий выходы блока коммутации 9 соединены с первым, вторым и третьим контактами проходного разъема 11, и пятый выход блока коммутации 9 соединен с вторым входом блока центрального процессора 7, к третьему входу которого подсоединен четвертый выход блока преобразования вторичных напряжений 6. Детектор 2 помещен в экран 12, выполненный из свинца.

Преобразователь аналог - код 5 состоит из преобразователя ток - напряжение 13, на который подается сигнал с анода фотоэлектронного умножителя 3. Импульс напряжения с преобразователя ток - напряжение 13 передается на определитель "качества" импульса 14, определитель максимума импульса 15 и цифроаналоговый преобразователь 16.

Блок накопления амплитудных спектров 8 состоит из процессора блока памяти 17, дешифратора адреса 18, входных регистров 19 и 20, собственно памяти 21.

Устройство содержит: - охранный кожух 1 (служит для защиты электронных блоков скважинного прибора от внешних воздействий давления и является дополнительным конвертором гамма-излучения); - сцинтилляционный детектор 2 (предназначен для регистрации гамма-излучения и конвертации его в световые импульсы); - фотоэлектронный умножитель 3 (предназначен для конвертации световых импульсов со сцинтилляционного детектора в импульсы электрические); - блок питания высокого напряжения 4 (предназначен для питания ФЭУ высоким напряжением, например, отрицательным относительно корпуса); - блок преобразования аналог - код 5 (предназначен для преобразования аналоговых импульсов в соответствующий цифровой код); - блок преобразования вторичных напряжений 6 (предназначен для получения внутри скважинного прибора требуемых вторичных напряжений, например +5 В, -5 В, +12 В, -12 В, +24 В); - блок центрального процессора 7 (служит для связи скважинного прибора с бортовым компьютером и одновременно буферизирует данные для передачи по кабелю, управляет работой программных блоков электроники скважинного прибора); - блок накопления амплитудных спектров 8 (производит накопление регистрируемых спектров); - блок коммутации 9 (предназначен для подключения или отключения электронных блоков скважинного прибора от жил кабеля);
- разъем головки скважинного прибора 10 (к нему происходит подсоединение трех жил и брони каротажного геофизического кабеля);
- проходной разъем 11 (к нему происходит подсоединение последующих модулей);
- свинцовый экран 12.

Устройство для проведения спектрометрического каротажа работает следующим образом.

К каротажной станции устройство для проведения спектрометрического каротажа, помещенное в охранный кожух 1, выполненный из титана, подключается через геофизический каротажный кабель, сочлененный с головкой скважинного прибора 10. Количество жил каротажного кабеля на способ проведения каротажа не влияет, для примера рассмотрен вариант с тремя жилами. 1-я и 2-я жилы - питание скважинного прибора и одновременно линия приема-передачи информации, 3-я жила - управляющая и служит для коммутации электронных блоков скважинного прибора непосредственно к 1-ой и 2-ой жилам. При подаче на третью жилу относительно брони геофизического каротажного кабеля положительного потенциала (25-30 В) блок коммутации 9 подключает 1-ю и 2-ю жилы геофизического каротажного кабеля к электронным блокам скважинного прибора. Далее на 1-ю и 2-ю жилы подается относительно брони каротажного кабеля питание (в зависимости от модификации прибора это может быть либо постоянное, либо переменное напряжение). При этом начинают работать блок преобразования вторичных напряжений 6 и блок питания высокого напряжения 4. При появлении вторичных напряжений внутри скважинного прибора блок центрального процессора 7 сбрасывает в состояние "по умолчанию" блок накопления амплитудных спектров 8, блок преобразования аналог - код 5 и блок питания высокого напряжения 4. Блок питания высокого напряжения 4 выполнен программно управляемым, т.е. его выходным напряжением, которое запитывает фотоэлектронный умножитель 3, можно управлять по командам с наземного компьютера, изменяя тем самым коэффициент усиления информационного сигнала. При установке "по умолчанию" напряжение питания фотоэлектронного умножителя 3 устанавливается блоком питания высокого напряжения 4 на значение, полученное по результатам настройки устройства. Обычно при температуре 20^oС состояние "по умолчанию" обеспечивает положение энергетической шкалы устройства в заданной рабочей области.

В результате взаимодействия гамма-квантов с люминофором сцинтилляционного детектора 2 последний преобразует энергию гамма-излучения в световые вспышки - сцинтилляции. При этом суммарная энергия испускаемых фотонов пропорциональна энергии, оставленной гамма-квантом в детекторе 2. Сцинтилляционный детектор 2 гамма-излучения окружен экраном 12 из материала, имеющего высокий атомный номер (например, свинца), в результате чего форма спектра рассеянного гамма-излучения остается неизменной практически для всех пород, реально встречающихся в пересекаемых скважиной разрезах.

Далее фотоэлектронный умножитель 3 конвертирует световой импульс в импульс электрический. Заряд, собираемый с выхода фотоэлектронного умножителя 3, при прочих равных условиях, пропорционален суммарной энергии сцинтилляций люминофора детектора 2 и, следовательно, энергии, оставленной гамма-квантом в детекторе 2. В традиционных схемах включения фотоэлектронный умножитель 3 является источником тока, на выход которого подключен преобразователь ток - напряжение 13. В силу конечного значения времени высвечивания сцинтиллятора и пролета электронов между электродами фотоэлектронного умножителя 3, наличия паразитных емкостей в конструкции фотоэлектронного умножителя 3 и во входных каскадах преобразователя ток - напряжение 13 импульс напряжения, получаемый с системы "детектор 2 + фотоэлектронный умножитель 3 + преобразователь ток - напряжение 13", может быть описан некоторой функцией, например, в первом приближении, гауссоидой. Амплитуда этого импульса, при сохранении неизменности вышеперечисленных параметров, будет пропорциональна, в конечном итоге, энергии зарегистрированного гамма-кванта.

Токовый импульс с анода фотоэлектронного умножителя 3 поступает на вход преобразователя ток - напряжение 13, с выхода импульс напряжения подается на соответствующие входа цифроаналогового преобразователя 16, определителя максимума импульса 15, определителя "качества" импульса 14. Определитель "качества" импульса 14 служит для выборки импульсов, не осложненных какими-либо наводками и другими сигналами. В случае, если это условие выполняется, он дает разрешение на работу цифроаналогового преобразователя 16. Определитель максимума импульса 15 дает команду на выборку и хранение для цифроаналогового преобразователя 16 и, соответственно, запускает тем самым его в работу. В результате преобразования на выходе блока преобразования аналог - код 5 появляется цифровой код, пропорциональный энергии, оставленной гамма-квантом в сцинтилляционном детекторе 2. Цифровой сигнал "конец преобразования" подтверждает наличие на выходе блока 5 устойчивых данных преобразования.

С выхода блока преобразования аналог - код 5 данные поступают на вход блока накопления амплитудных спектров 8. Режим работы блока накопления спектров 8 определяется процессором блока памяти 17. Тот, в свою очередь, получает команды по последовательному интерфейсу (линии связи T•D и R•D) от блока центрального процессора 7 и по линии управления CSb разрешает работу дешифратору адреса 18 DA. Сигналом "конец преобразования" параллельный код, результат преобразования в блоке преобразования аналог - код 5, защелкивается во входных регистрах 19 RG1, 20 RG2 и в дешифраторе адреса 18 DA. Причем на регистр 19 RG1 подаются 7 младших бита результата преобразования, на регистр 20 RG2 - 7 старших бита, на дешифратор 18 DA - три старших бита. Дешифратор 18 DA выполнен таким образом, что в случае наличия хотя бы одной логической единицы в коде преобразования в трех старших разрядах (AD7-9) на шину адреса AD0-7 подключается регистр 20 RG2, в противном случае - регистр 19 RG1. Одновременно сигнал "конец преобразования" приходит на процессор блока памяти 17 и инициализирует процедуру инкрементирования выбранной ячейки памяти. Таким образом, в приборе происходит накопление амплитудных спектров. Причем весь спектр занимает 256 ячеек памяти - 128 для "мягкой" области (каждый из первых 128 каналов 1024-канального спектра) и 128 для всего спектра (7 старших разрядов преобразования). Таким образом, осуществляется избирательная разрядность регистрируемого спектра. Так, для сигналов, код, амплитуды которых находятся в диапазоне 0-127 разрядов 10-разрядного спектра, адресация к необходимой ячейке памяти происходит через регистр 20 RG1 соответственно с 10-разрядной дискретностью. Для сигналов, код, амплитуды которых находятся в диапазоне 128-1024 разрядов 10-разрядного спектра, адресация к необходимой ячейке памяти происходит через регистр 20 RG2 соответственно с 7-разрядной дискретностью. В итоге зарегистрированный 256-канальный (8-разрядный) спектр состоит из двух областей:
- полный спектр всех входных сигналов из 128 каналов (7-разрядный);
- "мягкая" часть спектра из 128 каналов, но оцифрованная с 10-разрядной дискретностью.

Передача накопленных спектров осуществляется по командам с блока центрального процессора 7, поступающим на блок накопления амплитудных спектров 8 по линии последовательного интерфейса R•D. По этой команде процессор блока памяти отключает от шины А0-А9 регистры 19 RG1 и 20 RG2 и, перебирая адреса от 00Н до FFH, считывает содержимое памяти и высылает по линии T•D на плату телеметрии 256 16-разрядных слов, одновременно записывая в считываемые ячейки нули, после чего снова включается в режим накопления спектров.

Связь скважинного прибора с бортовым компьютером поддерживает блок центрального процессора 7, выполненный традиционным образом.

Очередной накопленный спектр S(n), где n - номер канала, сравнивается с опорным спектром С(n), находят, например, по методу наименьших квадратов коэффициент преобразования энергетической шкалы а текущего спектра:

по зависимости Δu= F(a) определяют корректировочное значение высокого напряжения на фотоэлектронном умножителе, проводят корректировку (при необходимости) высокого напряжения с целью стабилизации энергетической шкалы спектрометра.

Источники информации
1. А.С. СССР 1343380, МПК G 01 V 5/00, 1987, БИ 37.

2. А.С. СССР 393706, МПК G 01 T 1/36, 1974, БИ 43 [прототип].

3. Патент США 4717825, НКИ 250/256, МПК G 01 V 5/00, 05.01.88 [прототип] .

Формула изобретения

1. Способ спектрометрического гамма-каротажа, заключающийся в измерении интенсивностей гамма-излучения, отфильтрованного экраном, выполненным из металла с малым атомным номером, например, не больше, чем у титана, регистрации гамма-излучения сцинтилляционным детектором, оцифровке зарегистрированных сигналов, их накоплении в виде амплитудных спектров, передаче на поверхность, отличающийся тем, что гамма-излучение дополнительно пропускают через экран, выполненный из металла с большим атомным номером, например, не меньше, чем у свинца, регистрируют спектр, имеющий характерную форму в области 0,02-0,3 мэВ, запоминают его как опорный спектр, аналогично проводят измерения в скважине и энергетическую шкалу каждого полученного спектра приводят в соответствие с энергетической шкалой опорного спектра, имеющего характерную форму в области 0,02-0,3 мэВ, например, по методу наименьших квадратов.

2. Устройство для проведения спектрометрического каротажа, содержащее охранный кожух, изготовленный из металла с малым атомным номером, например, не больше, чем у титана, в котором размещены детектор гамма-излучения, оптически связанный с фотоэлектронным умножителем, блок центрального процессора, первый выход которого соединен двунаправленной линией связи с первым входом блока накопления амплитудных спектров, а первый вход соединен с первым выходом блока преобразования аналог - код, первый вход которого соединен с первым выходом блока преобразования вторичных напряжений, второй вход соединен с выходом фотоэлектронного умножителя, а второй выход соединен с вторым входом блока накопления амплитудных спектров, отличающееся тем, что второй выход блока центрального процессора соединен с первым входом блока питания высокого напряжения, выход которого соединен с входом фотоэлектронного умножителя, а второй вход соединен с вторым выходом блока преобразования вторичных напряжений, третий выход которого соединен с третьим входом блока накопления амплитудных спектров, вход блока преобразования вторичных напряжений соединен с четвертым выходом блока коммутации, первый, второй и третий входы которого соединены с первым, вторым и третьим контактами разъема головки, первый, второй и третий выходы блока коммутации соединены с первым, вторым и третьим контактами проходного разъема и пятый выход блока коммутации соединен с вторым входом блока центрального процессора, к третьему входу которого подсоединен четвертый выход блока преобразования вторичных напряжений, а детектор помещен в экран, выполненный из металла с большим атомным номером, например, не меньше, чем у свинца.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3