МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ
Івано-Франківськийдержавнийтехнічнийуніверситетнафти і газу
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
до виконання лабораторних робіт з курсу "Радіоактивні та інші неелектричні методи дослідження свердловин" для студентів спеціальності 7.070709 — "Геофізика" * МВ 02070855 - 561 - 2000
Розглянуто на засіданнікафедри
геофізичних досліджень свердловин
(протокол №3 від (6 листопада 1999р)
Всіцитати, цифровий і фактичний
матеріалперевірені. Зауваження
рецсн ієн іів ураховані.
С.В. Клібанець
_______________2010р.
Методичні вказівки складені згідно з програмою курсу "Радіоактивні та інші неелектричні методи дослідження свердловин" з спеціальності 7. 070709 — "Геофізика", затверджено деканом ГРФ 1 вересня І999р. і призначеною для самостійної роботи при вивченні дисципліни студентами денної форми навчання.
Автор — доцент, канд. технічних наук……….С.В. Клібанець
Відповідальний за випуск — зав. кафедр. геофізичних досліджень свердловин,
доцент, канд. геол.-мін. Наук…………...........ДД. Федоришин
Ухвалено на засіданні навчально-методичного об'єднання
спеціальності 7.070709 — "Геофізика" (протокол №1 від 2 вересня 1999р.)
Голова методоб'єднання
спеціальності …………………….....ДД. Федоришин
Нормоконтролер……………………..О.Г. Гургула
Коректор ..............................................Н.Ф. Будуйкевич
Заключення члена експертно-рецензійної комісії університету
_____________________________________________________
«___» ____________2000р
Дане видання є власністю ІФНТУНГ. Забороняється тиражування та розповсюдження.
Лабораторна робота №1
Визначення робочих характеристик детекторів гама випромінювання
1.1 Мета роботи
Вивчити роботу, принцип дії та робочі характеристики газорозрядних і сцинтиляційних детекторів гамма-випромінювання.
1.2 Завдання
1. Визначити плато лічильника Гейгера-Мюллера, побудувавши залежність зареєстрованої інтенсивності гама-випромінювання від напруги, що подається на детектор.
2.Визначити чутливість газорозрядного і сцинтиляційного детекторів при оптимальних режимах їх роботи.
1.3 Теоретичні відомості
Дія всіх детекторів ядерного випромінювання, в тому числі і детекторів гама-випромінювання, базується на ефектах іонізації або збудження атомів чутливої речовини.
В газорозрядних детекторах використовується іонізаційний метод реєстрації ядерних випромінювань, який полягає у вимірюванні електричного струму, що виникає після іонізації газу зарядженою частинкою. Конструктивно газонаповнений лічильник (рисі.1) складається із заповненого газом (переважно скляного) балону 1, в якому розташовано два електроди. Внутрішня стінка балону напилюється графітом, вольфрамом чи міддю і служить катодом 2:по осі балону розміщується анод 3 у вигляді металевої нитки.
1-скляний балон; 2-катод; 3-анод.
Рис.1 - Будова і схема ввімкнення газорозрядного детектора
На лічильник подається постійна напруга 300-1200В. В якості газового наповнювача балону використовують інертний газ з парами високомолекулярних органічних сполук (спиртів, ефірів) чи галогенів (хлор,бром). Тиск газу в балоні складає близько 104Па.
При взаємодії гама-квантів з матеріалом катода (фото-, комптон-ефект) утворюються електрони, які під дією електричного поля рухаються до анода, іонізуючи на своєму шляху молекули газу. Заряджені частинки (іони та електрони), рухаючись до відповідних електродів, викликають появу в детекторі іонізаційного струму.
Розглянемо вольт-амперну характеристику газонаповнених детекторів (рис.1.2), яка являє собою залежність іонізаційного струму І від напруги Uміж електродами.
Області: І-рекомбінації, ІІ-насичення, ІІІ-пропорційності, ІV-обмеженої пропорційності, V-Гейгера-Мюллера, VІ -самочинного розряду; частинки з енергіями: 1-високими,2-низькими.
Рис.1.2- Вольт-амперна характеристика газонаповнених детекторів
В першій області внаслідок низької напруги на електродах значна частина заряджених частинок (іонів та електронів) не досягає відповідних електродів, рекомбінуючись(тобто возз'єднуючись) в нейтральні молекули.
Починаючи з деякої напруги Uн іонізаційний струм в детекторі досягає насичення і практично не змінюється при збільшенні Uв певних межах. Це пов’язано із підвищенням кінетичної енергії заряджених частинок, що дозволяє практично всім їм досягати електродів. Лічильники, які працюють в області насичення, називаються іонізаційними камерами.
Подальше збільшення напруги (третя область) приводить до зростання іонізаційного струму за рахунок вторинної іонізації, коли електрони після іонізації одних молекул газу встигають під дією електричного поля набрати швидкість, достатню для іонізації інших молекул газу. Внаслідок вторинної іонізації відбувається лавиноподібне збільшення кількості заряджених частинок. Відношення заряду, що утворився на електродах, до первинного заряду називається коефіцієнтом газового підсилення, який може досягати величин 104 -107 . В цій області працюють пропорційні лічильники.
В четвертій області в інтервалі напруг 1)пропорційність між величиною імпульсу струму на виході детектора і початковою іонізацією порушується: чим більша енергія іонізуючої частинки, тим менший коефіцієнт газового підсилення.
В п'ятій області величина струму стає незалежною від енергії іонізуючих частинок. Детектори, які працюють в такому режимі, називаються лічильниками Гейгера-Мюллера.
При подальшому збільшенні напруги (шостаобласть) відбувається самочинний безперервний газовий розряд, який виникає без впливу зовнішнього іонізуючого випромінювання тільки за рахунок наявності потужного електричного поля.
В геофізичній апаратурі для вимірювання інтенсивності нейтронного і гама-випромінювання використовують газорозрядні детектори, які працюють в областях пропорційності і Гейгера-Мюллера.
Основна робоча характеристика газорозрядного детектора - це його лічильна характеристика, що являє собою залежність кількості зареєстрованих детектором імпульсів від поданої на електроди напруги. В інтервалі напруг, який носить назву плато лічильника, швидкість рахунку практично не залежить від величини поданої напруги. В газорозрядних детекторах Гейгера-Мюллера протяжність плато складає 200-300 В з кутом його нахилу 5-10% на 100 В. Робоча напруга детектора відповідає напрузі середини плато.
Ефективність детектора - це відношення кількості зареєстрованих частинок до загальної кількості частинок, що досягли детектора. Підвищення ефективності детектора досягається збільшенням робочої поверхні катода, наприклад, паралельним з'єднанням декількох газорозрядних детекторів.
Мертвий час детектора - це проміжок часу,протягом якого неможлива реєстрація наступної зарядженої частинки, що зв'язано з низькими швидкостями руху важких катіонів (на відміну від електронів) в напрямку від аноду до катоду і, значить,відносно повільним розформуванням чохла позитивних іонів біля анода. Мертвий час газорозрядних детекторів становить біля 104 с.
До переваг газорозрядних лічильників слід віднести:
- високу термостабільність:
- достатньо високу потужнієш амплітуда імпульсів на виході може досягати десятків вольт);
- незначну залежність показів від нестабільності напруги живлення . (завдяки достатньо широкому плато).
Недоліки газорозрядних лічильників:
- невисока ефективність рахунку(декілька відсотків): мала роздільна спроможність;
- недовговічність (через розпад молекул катодного покриття і високомолекулярних газових наповнювачів).
Сцинтиляційний детектор (рис.1.З конструктивно складається із сцинтилятора 1 і фотоелектронного помножувача.2.
1- сцинтилятор;
2- фотоелектронний помножувач:
3- фотокатод;
4- диноди;
5- анод.
Рис.1.3 - Принципова схема сцинтиляційного детектора .
Сцинтилятором служить неорганічний напівпрозорий монокристал (в основному NaІ, активований Тl), який випромінює світловий квант при проходженні крізь нього елементарної частинки чи гама-кванта. Фотони із сцинтилятора попадають на фотокатод і вибивають з нього фотоелектрони, які під дією електричного поля спрямовуються до одного з динодів. Внаслідок вторинної електронної емісії кожний електрон вибиває з динода вторинні електрони, які,в свою чергу, при попаданні на наступний динод також викликають вторинну електронну емісію. Таким чином, кількість вторинних електронів лавиноподібно збільшується, і при попаданні їх на анод реєструється відповідний електричний імпульс.
Лічильна характеристика сцинтиляційного детектора, на відміну від газорозрядного, має коротке плато, і тому дляживлення детектора використовується високостабілізована напруга.
Переваги сцинтиляційних лічильників над газорозрядними:
- висока ефективність лічби (до20-40%);
- менший мертвий час (біля 10-7 с),і, як наслідок, більша швидкість рахунку;
- залежність амплітуди імпульсів на виході детектора від енергії гамма-випромінювання, що дозволяє проводити спектрометричні дослідження;
- невеликі розміри.
Недоліки сцинтиляційних детекторів - низька термостабільність а також висока гігроскопічність сцинтилятора, яка призводить до його помутніння.
1.4 Порядок виконання роботи
Встановивши еталонне джерело гамма-випромінювання на робочій поверхні детектора, визначити плато обох типів лічильників шляхом побудови залежностей зареєстрованих інтенсивностей гамма-випромінювання від напруги живлення детекторів.
При робочих напругах, що відповідають серединам плато, провести вимірювання інтенсивностей гама-випромінювання, що досягає детекторів, при послідовній зміні відстані джерела від робочих поверхонь лічильників від 1см до 25см з кроком 4см. Час кожного виміру - 1-2хв.
Побудувати для обох типів лічильників залежність зареєстрованої інтенсивності (кількості імпульсів за одиницю часу) гамма-випромінювання від відстані еталонного джерела від поверхні детектора.
Використовуючи отримані результати, зробити висновки про робочі характеристики газорозрядного та сцинтиляційного детекторів.
1.5 Контрольні питання
1. На яких ефектах базується дія детекторів ядерного випромінювання?
2.Будова і принцип дії газонаповнених лічильників.
3.Вольт-амперна характеристика газорозрядних детекторів.
4.Характеристики роботи газорозрядних детекторів.
5.Переваги та недоліки газорозрядних лічильників.
6.Будова і принцип дії сцинтиляційних детекторів.
7. Порівняльна характеристика газорозрядних і сцинтиляційних детекторів.
1.6 Література
1. Резванов P.A. Радиоактивные и другие неэлектрические методы исследования скважин. - М., Недра. 1982.
2. Кривко H.H., Шароварин В.Д., Широков В.Н. Промыслово-геофизическая аппаратура и оборудование. - М., Недра. І981.
3. Дьяконов Д.И., Леонтьев Е.Й., Кузнецов С,С, Общий курс геофизических исследований скважин. - М., Недра. 1984.