Аппаратура и методика гамма каротажа

Схема построения различных  скважинных приборов радиоактивного каротажа приведена на рис. 1.

Рисунок 1.  Схема скважинных приборов радиоактивного каротажа, где:

а – ГК; б – ГГК; в – НГК; г – НК (НК–Н или НК–Т); д – АГК; 1– стальной экран; 2 – свинцовый экран; 3 – парафин (или другой материал с высоким водородосодержанием); L₃ – длина зонда; О – точка записи результатов измерений; I – индикатор γ – излучения; II – источник γ – излучения; III – индикатор плотности нейтронов; IV – источник нейтронов.

Аппаратура для различных радиоактивных методов исследования имеет много общего. Её основная функция– измерение интенсивности нейтронов или гамма–квантов, и потому она содержит электронные схемы для различных методов исследования, базирующиеся, в общем, на одних и тех же принципах. Главные отличия аппаратуры для различных методов связаны с конструкцией зондов, источника, фильтров и детекторов излучения. Как правило, каротажные радиометры являются двухканальными и, кроме канала ГК, содержат еще один канал, предназначенный для одновременной записи еще одной диаграммы – НГК, ГГК или ГНК. Запись показаний производится в единицах мощности экспозиционной дозы излучения (МЭД), выраженных в мкР/час.

Детекторы излучения – важнейшие элементы радиометров. В качестве детекторов излучения в, скважинной аппаратуре применяют газоразрядные или сцинтилляционные счетчики.

Газоразрядные счетчики конструктивно представляют собой цилиндрический баллон, по оси которого натянута металлическая нить, служащая анодом (рис. 2). Металлическая боковая поверхность баллона служит катодом. Между катодом и анодом подается постоянное напряжение, равное для разных типов счетчиков от 300 — 400 В до 2 – 3 кВ.

Рисунок 2.  Устройство и схема включения газоразрядного счетчика, где: 1 – анод, 2 – катод, 3 – изолятор,4 – стеклянный баллон, 5 – электрический вывод катода.

Счетчики для регистрации гамма–квантов заполняются смесью инертного газа с парами высокомолекулярных органических соединений или с галогенами. При взаимодействии гамма–излучения с катодом из него выбивается электрон. Электрон, попадающий в заполненный газом объем счетчика, осуществляет ионизацию газа, т. е., в свою очередь, вырывает электроны из атомов газа, превращая их в положительно заряженные ионы. Эти электроны, называемые первичными, ускоренные электрическим полем, по пути к аноду вызывают вторичную ионизацию и т. д. В результате число электронов лавинообразно возрастает, превышая число первичных электронов в тысячи и сотни тысяч раз – в счетчике возникает разряд. При относительно небольшом напряжении общее число электронов пропорционально числу первичных электронов, а, следовательно, энергии ядерной частицы, регистрируемой счетчиком – такие счётчики называются пропорциональными. При большом напряжении между анодом и катодом общее число электронов перестает зависеть от числа первичных электронов и от энергии регистрируемой частицы – такие называют счетчиками Гейгера–Мюллера. Преимущество счетчиков Гейгера–Мюллера — большая термостойкость, надежность в работе, менее жесткие требования к стабильности питающего напряжения.

Сцинтилляционный детектор (СД) состоит из сцинтиллятора, сопряженного с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), рис.3. При падении гамма–кванта в сцинтиллятор происходит возбуждение атомов последнего. Возбужденные атомы испускают электромагнитное излучение, часть которого лежит в световой области. Кванты света от сцинтиллятора попадают на фотокатод ФЭУ и выбивают из него электроны.

Рисунок 3.  Схема сцинтилляционного детектора; где:

1 – сцинтиллятор, 2 – корпус, 3 – отражатель, 4 – фотон, 5 – корпус ФЭУ, 6 – фотокатод, 7 – фокусирующий электрод, 8 – диноды, 9 – собирающий электрод (анод), R₁–R_N – делитель напряжения.

Фотоэлектронный умножитель кроме фотокатода содержит анод и систему электродов (динодов), размещенную между анодом и катодом. На диноды подается положительное (относительно катода) напряжение от делителя напряжения R_l – R_N, при этом чем дальше анод от катода, тем его потенциал выше. В результате электроны, испускаемые фотокатодом при попадании на него света, ускоряются, бомбардируют первый из динодов и выбивают из него вторичные электроны. В дальнейшем эти электроны ускоряются под действием разности потенциалов, приложенной между первым и вторым динодами, бомбардируют второй динод и выбивают из него «третичные» электроны. Так происходит на каждом из динодов, вследствие чего общее количество электронов возрастает в геометрической прогрессии. Общее усиление потока в ФЭУ может достигать 106 раз и более. Таким образом, при попадании вспышки света на фотокатод на входе ФЭУ образуется импульс напряжения, через емкость С подаваемый на вход усилителя.

В качестве сцинтилляторов для регистрации гамма–квантов в скважиной аппаратуре используют кристаллы йодистого натрия.

Сцинтилляционный детектор (счетчик) гамма–квантов имеет ряд преимуществ перед разрядным: обладает высокой эффективностью, т. е. регистрирует больше гамма–квантов, проходящих через счетчик (для сцинтилляционного 60 – 70 % и менее 1 – 2% для разрядных счетчиков). Сцинтилляционные счетчики также позволяют определять энергию регистрируемых гамма–квантов. Последнее обусловлено тем, что интенсивность световой вспышки люминофора пропорциональна энергии кванта. Их недостатком является низкий диапазон температур (не выше 100⁰ С), поэтому в глубоких скважинах необходимо из термостатирование.