Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

РРК

.doc
Скачиваний:
8
Добавлен:
10.02.2015
Размер:
251.39 Кб
Скачать

Ренгенрадиометрический каротаж (РРК)

РРК применяется для элементного и анализа горных пород и руд. В настоящее время, как основной, используется флуоресцентный анализ (су­ще­ствует еще абсорбцион­ный анализ).

Флуоресцентный РРК основан на возбуждении нуклидным источником (или рентгеновским излучением) характеристического излучения элементов, и последующим анализе этого вторичного излучения. Характеристическое излучение элемента имеет определенный спектр фотонов, следовательно, спектр фотонов вторичного излучения свидетельствует об элементном составе породы, а интенсивность характеристического излучения каждого элемента связано с концентрацией данного элемента в породе. Нижний предел определения концентрации элемента зависит от условий проведения анализа, аппаратуры, порядкового номера определяемого элемента (Z), от состава породы и от применяемой методики измерений. Верхний предел определения концентраций не ограничен.

Физические основы. Основные процессы взаимодействия γ-излучения с веществом в интер­вале энергий до первых сотен кэВ – это рассеяние и фо­то­электрическое по­глощение на внутренних электронах атома (фотоэффект).

Рассеяние бывает двух видов: некогерентное (комптоновское) и коге­рентное (томпсоновское). Некогерентное рассеяние наиболее вероятно в том случае, когда энергия γ-кванта значительно больше энергии связи электрона. Наибольшая энергия связи у электронов К-оболочки, для породообразую­щих элементов (Ca, Si и др) с Zэфф ≈ 20 Есв ≈ 15 кэВ, для тяжелых элементов с Z > 50 Есв > 50 кэВ. Следовательно, комптоновское рассеяние будет преобла­даю­щим при энергии γ-квантов выше 100 – 150 кэВ. Для фотонов рентгенов­ского излучения с энергией Е < 30 – 50 кэВ, которое используется в качестве первичного излучения в РРК, наиболее вероятно когерентное рассеяние (без потери энергии γ-кванта).

Фотоэффект сводится к такому взаимодействию γ-кванта с одним из электронов атома, при котором γ-квант целиком поглощается атомом, а его энергия расходуется на преодоление энергии связи электрона Eq и передачи ему кинетической энергии Ek:

E = Eq + Ek (1)

Фотоэффект происходит только на внутренних (не валентных) электро­нах. Если энергия γ-кванта больше энергии связи электрона, то фотоэффект может происходить на любой электронной оболочке атома. Максимальная вероятность поглоще­ния γ-кванта имеют наиболее связанные электроны К-оболочки. В результате приобре­тения кинетической энергии, электрон покидает атом, образуется электрон­ная вакансия, атом находится в возбужденном состоянии. Это возбуждение понижается тем, что с более удаленных оболочек (L или M) электроны запол­няют вакансию на К-оболочке. Разность энергий между K и L оболочками (или K и M оболочками) высвобождается в виде кванта электромагнитной энергии. Так как энергия электронных уровней в каждом веществе строго определена, то и высвобождаемый квант имеет для каждого вещества строго определенную (характерную) энергию. Поэтому излучение, возникающее в результате фотоэффекта, называется характеристическим.

Рис.1. Зависимость вероятности фотоэффекта от энергии γ-кванта. IM, IL и IK – потенциалы ионизации электрона для M, L и K-оболочек элемента.

В зависимости от того, с какой оболочки (L или М) или электронного уровня (2р1-2 [ml=-1], 2р5-6 [ml = +1] для L-уровня, 3р1-2, 3р5-6, 3d1-2 и т.д. для M-уровня) пришел электрон для заполнения вакансии на К-уровне (1s2), различают К-серии (L-серии) характеристического излучения.

Наблюдается резкая зависи­мость вероятности фотоэффекта от энергии гамма-квантов:

τ = k1E-n (2)

где: к1 и n – постоянные величины для данного элемента и данного ин­те­р­вала энергий. Для гамма-кван­тов с энергией менее 100 кэВ n ≈ 3.

На рисунке 1 показана зависимость вероятности фотоэффекта от энергии γ-кванта. IM, IL и IK – потенциалы ионизации электрона для M, L и K-оболочек элемента, характеризует энергию связи электрона в атоме.

При больших энергиях γ-квантов Еγ вероятность фотоэффекта ничтож­на, с уменьшением энергии τ растет. Однако при уменьшении Еγ до энергии , равной энергии связи электрона К-уровня, имеет место скачкообразное умень­­шение τ – К-скачок поглощения:

SK = τ’/τ” (3)

где τ’ – значение до скачка; τ” – значение после скачка.

Для элементов с небольшими порядковыми номерами (Z < 20) SK ≈ 10-13. C увеличением порядкового номера, величина SK уменьшается и для тяжелых элементов SK приблизительно равно 3 – 5. Вероятность фотоэффекта при малых энергиях гамма-квантов целиком определяет поглощающие свойства среды (нет конкурирующих процессов). Зависимость массового коэффициента поглощения от атомного номера, при Еγ<120кэВ, описывается формулой:

τ = k2Z4/A (4)

где к2 – постоянная величина, А – атомная масса вещества, Z – порядковый номер.

На рисунке 2 показана схема проведения флуо­рес­центного анализа. Первичное излучение от источника I0 попадает на поверхность пробы. Часть излучения после рассеяния на пробе по­ступает в детектор (Iрас), другая часть

первичного излучения поглощается про­бой, возбуждает характеристическое излучение, часть которого также попадает в детектор (Iх.и.).

Рис.2. Схема проведения флуоресцентного анализа.

Таким образом, в детекторе регистрируются рас­сеянное излучение, энергия которого близка к энергии первичного излуче­ния, потому что для увеличения вероятности фотоэффекта необходимо иметь энергию, близкую к энергии потенциала ионизации К-оболочки. При таких эне­ргиях наиболее вероятно томсоновское рассеяние гамма-квантов.

Рис.3. Спектр вторичного излучения при флуоресцентном анализе.

Iх.и и Iрас – зарегистрирован­ные детектором интенсивно­сти характеристического и рассеянного излучений. Е0 и Ех.и. – энергии первичного (от источника) и характеристи­чес­ко­го излучений.

Таким образом, анализируя энергию характеристического излуче­ния мы можем определить элемент, а интенсивность Iх.и. дает информацию о содержании этого элемента в пробе.

Взаимное расположение источника, пробы и детектора в приборе РРК называется геометрией измерения. Максимальная эффективность возбужде­ния и регистрации характеристического излучения достигается созданием наиболее компактной геометрии измерений с сочетанием условий защиты оператора и экранировки детектора от первичного излучения источника.

Если исследуемую пробу, взятую в виде плоскопараллельного слоя площадью S (см2) с поверхностной плотностью m (г/см2) облучать потоком Iγ рентгеновского излучения с энергией Еγ, то поток фотонов вторичного (характеристического) излучения на расстоянии R от пробы определяется :

(5)

где: μiпр – массовый коэффициент поглощения вторичного излучения самой пробой; Сi – концентрация определяемого элемента в пробе. Индекс i отно­сится к определяемому элементу.

(6)

где Sq – скачок поглощения q-уровня; wq – коэффициент выхода характерис­тического излучения (х.и.) при возбуждении атома определяемого элемента на q-уровень; pi – вероятность перехода атома, возбужденного на q-уровень с излучением х.и.; τi – массовый коэффициент фотоэффекта, I0 – плотность потока первичного излучения .

Коэффициент ki не зависит от концентрации определяемого элемента Сi, ни от состава исследуемой пробы μiпр, при неизменных геометрических параметрах установки и плотности потока первичного излучения I0, является постоянным. Точное аналитическое значение ki рассчитать не возможно, при проведении РРК ki определяется экспериментально при градуировке.

Как следует из выражения (5), плотность потока аналитической линии Ii зависит от поверхностной плотности m и коэффициента поглощения μiпр пробы. Коэффициент поглощения μiпр, в свою очередь, зависит от энергии фотонов характеристического излучения Ехи. При значениях Ехи < 20кэВ реализуется ситуация насыщенного слоя - толщина анализируемого слоя мала, потому что вторичное излучение (х.и.) интенсивно поглощается самой пробой. В этом случае μiпрm > 5, exp(-μiпрm)<<1 и выражение (5) преобразуется в . (7)

При Ехи > 100кэВ реализуется ситуация тонкого слоя - толщина анали­зируемого слоя значительно больше, потому что вторичное излучение (х.и.) менее интенсивно поглощается самой пробой. Для тонкого слоя μiпрm < 0.5, можно принять exp(-μiпрm) ≈ 1 - μiпрm, и выражение (5) преобразуется:

(8)

Если пробу представить в виде наполнителя (рудовмещающая порода) с поглощающими свойствами μн и руды, соответственно μр, то μiпр будет зависеть от концентрации рудного элемента. μн < μр, потому что рудовме­щающая порода обладает значительно меньшей плотностью и Zэфф, чем руда. Однако концентрация рудного элемента в породе, для большинства руд, незначительна – не более единиц процентов. Поэтому значение m будет определяться, в основном, свойствами наполнителя. В отношении μiпр: вклад μр будет зависеть от типа рудного элемента – если Z и ρ мало, то поглощаю­щие свойства пробы будут определяться наполнителем; если Z и ρ рудного элемента велико (например свинец), то вклад μр в μiпр будет значителен даже при малых содержаниях.

Для большинства определяемых рудных элементов реализуется ситуа­ция насыщенного слоя, т.е.. Теперь представим, что при пос­то­янном содержании рудного элемента и неизменной геометрии измере­ний (т.е. Ci и ki постоянны) изменился литологический состав рудовмещаю­щей породы. Следовательно, изменится величина μiпр, что приведет к измене­нию Ii, т.е. мы будем это интерпретировать это как увеличение (уменьшение) кон­центрации рудного элемента. Такой эффект называется матричным – т.е. из­ме­нение интенсивности х.и. за счет свойств наполнителя. При больших зна­че­ниях Ci этот эффект незначителен – относительная погрешность измере­ний не превысит допустимых значений. А вот при малых концентрациях руд­ного элемента относительная погрешность определения Ci может достигать 100%.

Мешающие излучения.Помимо характеристического излучения в детектор могут попасть раз­личные мешающие излучения. Природа мешающих излучений:

  1. Фоновое излучение

  2. Рассеянные от первичного и вторичного излучений

  3. Характеристическое излучение от других элементов, полностью не разрешенное данным спектрометром

  1. Фоновое излучение Iф обусловлено, в основном, рассеянием излучения от источника в воздухе или на стенках камеры блока возбуждения. Iф дает не­большой вклад в измеряемые потоки фотонов. При постоянных геомет­ричес­ких условиях измерений значение этой компоненты не зависит от состава исследуемой пробы. Учет фонового значения проводится доста­точно точно при эталонировке прибора.

  2. Рассеянное излучение пробой обусловлено наложением когерентного и некогерентного рассеянного излучений источника на аналитическую линию определяемого элемента. Интенсивность рассеянного излучения не является постоянным и зависит от поглощающих свойств элементов, вхо­дя­щих в пробу. Значение вклада рассеянного излучения можно опреде­лить по кривой, которая определяется по результатам анализа проб, раз­личающихся по составу (литологии), но не содержащих анализируемого элемента. Компенсация (учет) вклада рассеянного излучения проводится выбором методик измерения.

  3. Наибольшую сложность при проведении анализа представляет учет меша­ю­щего излучения, обусловленного наложением на аналитическую линию определяемого элемента характеристического излучения других элемен­тов, присутствующих в пробе. Вклад этого мешающего излучения зависит от содержания «мешающего» элемента и степени перекрытия спектра «мешающего» и определяемого элементов. К мешающим элементам, при проведении анализа по К-серии характеристического излучения с пропор­ци­ональным или сцинтилляционными счетчиками, относятся элементы, различающиеся по Z меньше чем на 5-7 единиц. Типичным примером является пара железо (Z =26) и медь (Z=28) при анализе сульфидных медных месторождений, где основным минералом является халькопирит (FeCuS2). Кроме того, мешающее влияние могут оказывать более тяжелые элементы, если анализ по ним ведется по L-серии. При работе на свин­цо­во-цинковые руды (галенит PbS – сфалерит ZnS) с источником Cd109 ( Е0 = 22.5 кэВ) анализ цинка ведется по его К-серии (Ехи = 8.6 кэВ), определение содержания свинца – по L-серии (Ехи = 11.6 кэВ). При работе с пропорцио­нальными счетчиками эти аналитические линии полностью не разрешают­ся, поэтому при определении цинка мешающим является линия свинца и наоборот. Число мешающих элементов уменьшается при работе с аппара­турой, имеющей более высокое разрешение. Например, при работе с полу­проводниковым детектором, который разрешает характеристические излу­чения соседних элементов, мешающее излучение отсутствует.

Методики проведения РРК. Существуют множество методик поведения РРК. Наиболее распространенные следующие:

  1. Способ интенсивности (способ спектральной разности).

  2. Способ спектральных отношений

Способ интенсивности.В данном способе измеряется интенсивность аналитической линии, из значения которого может вычитаться фоновое значение (способ спектраль­ной разности). Способ интенсивности используется при работе в насыщен­ных и промежуточных слоях, т.е. в области малых энергий характеристи­ческого излучения Ехи <30 кэВ. Из выражения (7) следует, что Ii = кС/μiпр , откуда следует С = Iiμiпр/к. При использовании эталонов определяемое содержание будет рассчитываться из выражения:

(9)

В случае, когда μпр ≈ μэт ≈ const для различных типов пород или изменения­ми поглощающих свойств можно пренебречь, тогда Ci = kIi. Однако даже при неизменном составе наполнителя проб значение μпр зависит от Сi, поэтому линейная зависимость будет только в ограниченном интервале малых содер­жаний. Такая методика измерений применяется при анализе руд, характери­зу­ю­щихся постоянным составом и при определении низких концентраций элемента.

Способ спектральных отношений. Поглощающие свойства породы μпр определяют интенсивность анали­ти­ческой линии определяемого элемента Ii, но μпр определяет и интенсив­ность рассеянного излучения Iрас. На рисунке представлены спектры характе­ри­стического и рассеянного излучений при различных содержаниях элемен­та. Пунктирная линия – нуле­вое содержание элемента, 0 < Сi1 < Ci2.

С увеличением содержания элемента интен­сивность характеристи­ческого излучения растет, а интенсив­ность рассеянного излучения умень­шается. Объяснить это просто – с увеличением содер­жания элемента растет вероятность фотоэффекта, следовательно, уменьшает­ся доля рассеянного излучения и растет интен­си­вность характеристического излучения.

Рис.4. Изменение спектров втори­чного излучения при различных со­держаниях определяемого эле­ме­нта.

0 – пустая порода; 1 – малое соде­р­жание; 2 – большое содержание определяемого элемента. Iхи – интенсивность характеристичес­кого излучения; Iрас – рассеян­ного излучения.

Однако при оди­наковом содержании элемен­та, но при изменении состава породы, картина иная: рассея­нное излучение на изменение состава породы практически не реагирует, а Iхи, благодаря матричному эффекту, изме­няется значительно.

В способе отноше­ний к рассе­янному излучению вычисляется отноше­ние η = Iхи/Iрас, что в значительной степени компенсирует влияние изменения состава пробы на точность измере­ний. Однако способ отношений не полностью устраняет влияние матрицы, он используется только при определении относительно низких концентраций элементов и при небольших вариациях состава проб. Определение концен­тра­ций по парамет­ру η осуществляется через градуировочный график (по эталонам с известным содержанием элемента).

Одной из модификаций способа отношений является способ спектраль­ных отношений, который отличается от способа отношений:

  1. В данном способе параметр η определяется отношением Iхи не к макси­мальному значению Iрас, а к рассеянному излучению I’рас, определяемо­му в интервале Е1 – Е2. Энергетический интервал рассеянного излуче­ния определяется экспериментально, чтобы максимально учесть влияя­ние состава породы.

  2. Содержание определяемого элемента находят по градуировочной зависимости С = f(ηi0) где ηi – отношение Ii/I’рас при Сi > 0, η0 – отношение Ii/I’рас при Сi = 0.

Помимо более точного учета матричного эффекта, способ спектраль­ных отношений позволяет привести к общему эталонировочному графику при измерении с различной геометрией, а также уменьшить влияние аппа­ратурных эффектов.

Критерии оценки анализа РРК. Основные критерии:

  1. Чувствительность измерений (основной параметр) εi = dIi/dCi

  2. Для оценки условий проведения анализа, с точки зрения вклада меша­ю­ще­го излучения в аналитическую линию определяемого элемента, ис­пользу­ет­ся параметр приведенной контрасности аналитической линии: Fп = εi/Iм. При заданной относительной точности учета мешающего из­лу­­чения δ абсолютная погрешность анализа ΔСi определяется значе­ни­ем приведен­ной контрастности ΔСi = δ/Fп. Например, при относитель­ной точности уче­та мешающего излучения δ = ±10% абсолютная погре­шность анализа ΔСi находится в пределах ±0.01% при значении Fп = 10. Значение Fп, в основном, определяется энергетическим разрешением аппаратуры: для сцинтилляционной аппаратуры Fп не более первых единиц, для пропор­ционального детектора Fп достигает 100 – 200.

  3. По точности измерений анализ РРК оценивается как химанализ 3 класса. По­э­тому методика оценки относительной погрешности РРК взята из хим­анализа. Например, для полиметаллических руд (цинк-свинцовое орудене­ние) вес интервал содержаний разбит на классы, в каждом классе содержа­ний свои допустимые относительные погрешности определения: Сi (0–2)% → δ<60%; (2–5)% → δ<10%; (5-15)% → δ<5%; >15% → δ<1%. Для каждо­го элемента (или типа руд) – индивидуальные допустимые относительные погрешности определения.

Влияние промежуточной среды при проведении РРК. Наряду с вли­я­нием вещественного состава и неоднородности распре­деления анали­зи­руемого и мешающих элементов на результат анализа, в сква­жинах сущест­венно влияют непостоянство геометрии измерений, обус­ло­вленное кавер­на­ми в стенке скважины, и особенно наличие промежуточ­ной среды между рабочей поверхностью каротажного зонда и стенкой сква­жи­ны. Влияние про­межуточной среды будет больше, чем меньше энергия втори­чного излу­чения (растет поглощение).

Промежуточная среда, находящаяся между зондовым устройством и стенкой скважины, может быть: защитный кожух из беррилия (Z=4), на­де­вае­мый на входное окно зондового устройства и обеспечивающий его герметичность; промывочная жидкость; глинистая корка; антивибрационная смазка и другие вещества, которые могут на­капливаться в кавернах или покрывать стенки скважины.

Так как измере­ния при проведении РРК в обводненных скважинах проводятся в геометрии прямой видимости, входное окно зондового уст­рой­ства прижимается к стенке скважины, то бериллий также располага­ется в зоне прямой видимости. В этом случае рассеяние бериллием излучения создает дополнительный фон во вторичном спектре. При Еi >50 кэВ этот фон незначителен и составляет первые про­центы от плотности потока Ns рассеянного излучения. С уменьшением Еi, фон от бериллиевой вставки уве­личивается и в длинноволновой области спектра (Еi <20 кэВ) со­ставляет 100 % и более.

Рис.5.Схема геометрии зондового устрой­ства РРК: AB – поверх­ность скважин­ного прибора; CD – поверхность стен­ки скважины, находящейся на рассто­я­нии h от поверхности прибора; L – расстоя­ние между источником (И) и дете­ктором (Д); l – расстояние вдоль поверхности скважинного прибо­ра между внутренними образую­щи­ми коллимационных каналов.

При исследовании скважин, не заполненных промывочной жид­костью, уменьшения фона от бериллиевой вставки можно до­биться путем увеличения расстояния между коллиматорами источника и детектора l. Эксперименты с показывают, что при увеличении l от 1 до 3 мм фон уменьшается примерно в 5 раз. При дальнейшем увеличении l фон практически не меняется. Однако при увеличении l происходит смещение максимума инверсии в сторону больших h. По­этому для обеспечения измерений в геометрии прямой видимо­сти в области максимума инверсионной зависимости необходимо создать определенный отрыв рабочей поверхности бериллиевой вставки от стенки скважины. Величину этого отрыва находят пу­тем определения максимума на кривой зависимости плотности потока характеристического рентгеновского излучения, снятой на образце, содержащем анализируемый элемент. Для стан­дартных зондовых устройств, используемых в скважинных прибо­рах типа ПС-РРК-П, отрыв составляет обычно 5—7 мм при l = 4 мм. В этом случае выполняются два условия: достигается минимальный уровень фонового излучения на бериллии; измере­ния осуществляются в области максимума инверсии.

В отличие от защитной вставки, являющейся частью конструк­ции скважинного прибора, и создающей постоянный фон рассеян­ного излучения который можно учесть, влияние на плотность потока вторичного излучения промежуточной среды, характерной для каждой отдельной скважины и зависящей от ее технического состояния, носит случайный характер. Толщи­на слоя такой среды определяется, как правило, размерами каверн в стенках скважины, и соответственно эта среда в большей или меньшей степени искажает поток первичного и вторичного излучения. Характер искажений потоков характеристического рентге­новского Ni и рассеянного Ns излучения различен, что требует раздельного их изучения. Поток Ni ослабляется проме­жу­точной средой, и степень его ослабления зависит как от состава и толщи­ны промежуточного слоя, так и от энергий первичного и флуоресцентного излучения.

Рис.6. Рассчитанные зависимости плотности потоков Ni от из­менения толщины h проме­жуточного слоя воды. Жир­ная кривая - вода в проме­жу­точном слое отсутствует.

Видно, что слой воды существенно искажает характер инверсионной зави­симости и значительно ослабляет плотность потока флуоресцентного излуче­ния, особенно при Ei <20 кэВ, где инверсия по оси h исчезает и ослаб­ление происходит по закону, близкому к экспоненциальному. В связи с этим неров­ности стенок скважин, заполненных про­мывочной жидкостью, могут вносить наибольшие искажения в ре­зультаты РРК при измерениях в длинно­волновой области спектра, так как здесь полная потеря сигнала рентгенов­ской флуоре­с­цен­ции происходит уже при h= 1- 2 мм. При анализе в средне- и коротково­л­­­новой областях энергий, где проникающая способность излуче­ния выше, мо­­жно использовать инверсионный характер кривой Ni(h), расширив облас­ти сохранения полезного сигнала, уменьшить тем самым погрешности РРК.

Вклад рассеянного промежуточной средой излучения Nsп за­висит от соот­ношения атомных номеров и плотностей промежу­точной и исследуе­мых сред, от толщины слоя промежуточной среды и энергии первичного излучения.

Рис.7. Зависимости плотности по­токов Ns рассеянного излу­чения от толщины промежу­точного слоя воды h(см) между поверхностями датчика и среды.

Nsu – рассеянное излучение от породы;

Nsп – рассеянное излучение от промежуточной среды (буровой раствор);

Ns – суммарное рассеянное излучение

Как видно из рисунка 7, основную роль в формировании потока рассеян­ного излучения при Eо = 25 кэВ играет рассеянное излу­чение от воды Nsп.

Если между поверхностями зондового устройства и стенки скважины находится промежуточная среда с большим атомным номером и большей плотностью, чем вода (например, промывоч­ная жидкость, глинистая корка или антивибрационная смазка), то влияние ее на формирование плотности потока вторичного из­лучения будет иметь тот же характер, как и для воды, но прояв­ляться гораздо сильнее. Кроме того, в промежуточной среде может накапливаться рудный шлам, что приводит к появлению лож­ных аномалий на диаграммах РРК. Поэтому при поста­новке и проведении РРК особенно важно иметь досто­верную информацию о техническом состоянии скважины.

Таким образом, промежуточная среда оказывает существенное влияние на формирование плотности потока вторичного излуче­ния. Для учета влия­ния промежуточной среды на результаты РРК необходима разработка спосо­бов контроля расстоя­ния между рабочей поверхностью зонда и стенкой скважины не­посредственно в процессе проведения каротажа.

Зондовые устройства рентгенрадиометрического каротажа. На рис.8. показаны зондовые устройства скважинных приборов.

Рис.8. Зондовые устройства скважинных приборов со сцинтилляционным де­тек­то­ром (ПС-РРК-С) (а) и пропорциональным счетчиком (ПС-РРК-П) (б)

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.