книги из ГПНТБ / Викторов Г.Г. Мюонный метод определения плотности горных пород
.pdfесть функция глубины h, соответствующая узлу интегрирова ния Pi (t'=l, 2,...,6), а
|
271 ( /? - /? ,) |
|
л+i |
Pi |
ТЯ |
|
|
|
|
|
к |
м« |
|
||||
F y (/,) = |
N |
Bj |
|
3 п |
ф |
|
(1.67) |
|
|
|
верт |
||||||
[?Г + llKj 1 2
есть функция глубины Іг, соответствующая узлу интегрирова ния pj (/ = 7, '8,..., 12).
На рис. 1.5 показаны графики функций FI-S-FB и F7^-F]2> рассчитанные при следующих предположениях:
1)показатель углового распределения мюонов п равен 2;
2)количество лучей N равно 12;
3)fti = 500 м в. э.; . f t = 3000 м в. э.
Таким образом, зная значения высот в узловых точках квадратурных формул и определив по функциям F\^F& и Fj-i-Fn значения плотности потока для каждого из узлов, не трудно рассчитать плотность потока мюонов под землей на разных глубинах при любом рельефе дневной поверхности.
2.1. Детекторы мюонов
Система для регистрации излучения, в том числе и мюон ного, обычно состоит из двух частей: детектора и .измеритель ного устройства. Детектор является чувствительным элемен том, ів котором происходит взаимодействие излучения с системой. Измерительное устройство воспринимает сигнал с выхода детектора и выполняет функции, необходимые для производета иэмеремий.
Работа детекторов основана на различных видах взаимо действия излучений с веществом. Один тип детекторов осно ван на ионизации, которая возникает при прохождении мюона или другой заряженной частицы. К таким детекторам отно сятся ионизационные камеры, пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера—Мюллера, кристаллические счетчики и ка меры Вильсона.
В других детекторах важную роль играют процессы ів о з- буждения и диссоциации молекул. Эти явления в сочетании с ионизацией являются причиной возникновения люминесцен ции в сцинтилляционных счетчиках и образования скрытого изображения в фотографических эмульсиях.
Другим важным первичным процессом, который может служить индикатором факта прохождения релятивистской частицы, ЯіВляется испускание черенковского излучения в счетчиках Черенкова.
По типу получаемой выходной информации детекторы ус ловно делятся на три основные группы [37]. К первой относят ся детекторы, у которых выходным сигналом является элек трический сигнал в виде заряда, напряжения или тока (иони зационные камеры, пропорциональные счетчики, полупровод никовые детекторы, сцинтилляционные й черепковские счетчики). Выходной сигнал может содержать информацию о среднем значении измеряемого параметра потока частиц (например, средний ток в интегрирующих ионизационных ка мерах) или об измеряемом параметре отдельных частиц (на пример, импульсы тока на выходе сцинтилляционного счетчи ка).
Вторая Проппа объединяет детекторы, при помощи кото рых определяются траектории тех или иных элементарных частиц. К ним относятся камера Вильсона, искровая камера, ядерная эмульсия, пузырьковая .камера. Подобные детекторы используют.в основном при изучении ядерных (взаимодействий и свойств элементарных частиц.
И, наконец, в третью группу входят детекторы, у которых под .воздействием .излучения меняются какие-либо из,меря емые свойства, например светопроницаемость, цвет. Эти де текторы служат в основном для дозиметрических целей.
При регистрации 'космических мюонов под землей нашли применение в основном детекторы первой группы — счетчики Гейгера—Мюллера, сцинтилляцтюнные и черепковские. В от дельных случаях для регистрации мюонов используют также детекторы второй группы. Так, в работе [69] изложены ре зультаты применения искровой камеры для обнаружения древних усыпальниц в египетских пирамидах.
Счетчики Гейгера—Мюллера получили широкое рас пространение в устройствах, известных шод общим названием телескопы [1, 7, 8, 23]. Телескоп представляет собой набор групп счетчиков, расположенных по вертикали друг над дру гом. В 'Каждой группе счетчики размещаются в горизонталь ной плоскости 'И(включаются в схему совпадений. Счетные схемы с такими детекторами регистрируют лишь случаи, ког да частицы одновременно проходят через все группы счетчи ков. Схема совпадений позволяет исключать влияние естественного радиоактивного фона горных пород при под земной (регистрации мюонов [II].
Основные преимущества счетчиков Гейгера — Мюллера за ключаются в простоте регистрирующей аппаратуры (ввиду большой величины выходных импульсов) и высокой эффек тивности регистрации, достигающей по отношению к реляти вистским частицам (мюонам) 100% [32]. Мертвое время счет чика Гейгера—Мюллера также невелико и лежит в пределах
МО-4-*-2-ІО*4 сек.
Среди сцинтилляторов наиболее широко применяется для регистрации частиц высоких энергии Nal(Tl) (примесь Т1— 0,1%). обладающий малым временем высвечивания нвысокой конверсионной эффективностью. Основными преиму ществамъ сцинтилляционных счетчиков являются высокая разрешающая способность по времени (до 10-10 сек) [1] и ли нейная зависимость амплитуды выходного импульса от анер гии, потерянной регистрируемой частицей в сцинтилляторе.
Однако эти счетчики обладают высокой эффективностью регистрации ионизирующих излучений, в частности у-кван- тов, что создает дополнительные трудности при идентифика ции мюонов. Но благодаря высокой плотности сцинтиллятора пробег у-квантов значительно меньше размеров кристалла.
Следовательно, амплитуды импульсов, обусловленных этими двумя группами частиц, существенно различаются, что поз воляет успешно осуществлять дискриминацию y-фона. К не достаткам сцинтнлляционных счетчиков следует отнести так же заметное изменение эффективности регистрации в зависи мости от колебаний температуры. Так, увеличение темпера туры на Г приводит к уменьшению светового выхода на 0,06—0,1%.
Сцинтилляцнонные счетчики были успешно использованы при регистрации космических мюонов в скважинах [8, 79], где вследствие ограниченного объема невозможно разместить те лескопы на газоразрядных счетчиках.
Для регистрации мюонов широко применяют также счет чики Черенкова [28, 32, 48], обычно состоящие из радиатора, в котором возникает черепковское излучение; оптической сис темы, с помощью которой свет, излучаемый радиатором, на правляется в регистрирующий прибор, и самого регистрирую щего прибора, которым служит фотоэлектронный.умножитель. В зависимости от особенностей оптической системы различа ют счетчики с фокусировкой и без фокусировки. Последние используют для сосчитываиия частиц, проходящих через ра диатор, по числу вызываемых ими световых вспышек.
Основными достоинствами черепковских счетчиков явля ются их весьма высокое разрешающее время (до ІО-11 сек) [22], высокая селективность к скорости регистрируемых час тиц, что делает их незаменимыми при работе в условиях вы сокого у-фона, и, наконец, слабая зависимость их свойств от колебаний температуры.
Недостатком этих счетчиков является малый световой вы ход (световая вспышка в 30—50 раз слабее, чем в большин стве сцинтилляторов) [22], что влечет за собой повышение требований к тщательности изготовления систем, собирающих свет, а также к качеству фотоумножителей.
Аппаратура для регистрации космических мюонов с целью определения плотности горных пород по условиям работы де лится на две группы: шахтную и скважинную.
Аппаратура, предназначенная для измерений в шахтах и горных выработках, обычно имеет большую эффективную площадь регистрации и в то же время является легко тран спортабельной.
При конструировании шахтной аппаратуры широко при меняют счетчики Гейгера — Мюллера. Телескопы, созданные на их базе, позволяют простыми средствами исключать влия ние радиоактивного фона горных пород, а на больших глуби нах под землей уменьшать вклад случайных совпадений.
К скважинной аппаратуре предъявляются более высокие требования в отношении ее герметизации и стабильности в работе. Наращивание эффективной площади обычно произ-
3 Заказ НЮ7 |
33 |
водят за счет серии детекторов, расположенных вдоль оси скважинного зонда.
В качестве детекторов нашли применение сцинтилляциопные и черепковские счетчики.
2,2. Шахтный телескоп
Измерительные схемы шахтного телескопа типа ИИКЛ-1 (измеритель интенсивности космических лучен) собраньи па полупроводниковых и газонаполненных приборах, что-обеспе чивает высокую эксплуатационную надежность, долговеч ность, экономичность, автономность питания и малогабарит ность установки в целом [II].
Блок-схема телескопа включает следующие основные эле менты: детектор, электронный блок, предназначенный для стабилизации и преобразования питающего напряжения, крммутации, формирования и счета электрических импульсов, и блок питания (рис. 2.1).
В качестве детектора мюонов используют газоразрядные счетчики типа СГІ-5Г, собранные в кассеты (всего 16 кассет). Каждая кассета имеет девять счетчиков, включенных парал лельно. Электрические импульсы, возникающие на нагрузоч ных сопротивлениях после прохождения заряженных частиц через счетчики, дифференцируются и через диоды подаются на общую шину и далее на вход предварительного усилителя. Предварительный усилитель, ■смонтированный в кассете, включает входной эмиттерный повторитель, собственно .уси литель напряжения и выходной эмиттерный повторитель.
Далее, импульсы отрицательной полярности от каждой кассеты подаются па входы 16 идентичных усилителей-фор мирователей. Входные импульсы, амплитуда которых равна (пли больше) некоторому пороговому значению, усилившись по мощности во входном эмнттерном повторителе, запушкают дискриминатор, выполненный на туннельном диоде. Сформи рованные дискриминатором по амплитудам и фронтам, но имеющие малую амплитуду импульсы далее усиливаются по напряжению и мощности. На выходе возникают импульсы положительной полярности с длительностью не более 2,5 X X ІО-6 сек и с фронтами 3- ІО-7 сек.
Выходы усилителей-формирователей объединены шестью схемами четырехкратных совпадений. Все схемы совпадений идентичны и имеют разрешающее время совпадений не более 2,5- ІО-6 сек и коэффициент отбора не менее 10.
Выходные импульсы схем совпадений поступают на вхо ды двух идентичных счетных каналов. Каждый канал состоит из быстродействующего электронного пересчетного устрой ства, собранного иа семи триггерах, включенных по двоичной системе, усилителя-формирователя и электромеханического
Hf P
о Л
=ü sS“ Säl o. ] 5;
(1)0“ s tJ 5
ШaPro.
>-uC I
|
.»*5 |
|
|
^3&2 |
|
|
ЧO“ |
|
|
ü 0.4 |
|
|
н о = |
|
|
= “\o |
|
|
c. , ca |
|
|
gè |
|
|
~ що |
|
|
srg g |
|
|
SSy |
тока. |
|
= §° |
|
|
? ue- |
|
|
« CJ |
|
|
ÜO 5постоянного |
|
|
?■ >> |
|
|
t= 2 |
|
|
ËJJ a |
|
|
Kgt; |
питания |
|
|
|
|
= xÜ |
|
__ |
- JJ Hисточник |
|
ca *- |
|
|
S |
f- e.. |
|
^ |
— /-1*. |
|
|
~ e; а |
|
|
».О) 3* |
|
|
- H U |
— |
|
=Гч — |
|
|
ca S ’SЦП |
|
|
H>,2 |
|
|
П^fJ |
|
|
L)^\ : |
напряжения; |
"•S ;
що : преобразователь
S lg s g<T)
счетчика импульсов и самопишущего прибора. Емкость счет ного канала 1-28-106 импульсов. При необходимости пересчетиое устройство можно выключить полностью или частично.
Питание всего прибора осуществляется от автономного источника постоянного тока (батареи сухих элементов или аккумуляторов) напряжением 15—20 в. Потребляемый ток не превышает 0,3 а.
Рис. 2.2. |
Геометрия детекторов установок ИИКЛ-1А (а) и |
ИИКЛ-1Б |
(б). |
Схемы электронного блока питаются от источника стаби лизированного напряжения, а газоразрядные счетчики детек тора— от высоковольтного преобразователя.
Контроль входного, стабилизированного и высокого на пряжения и величины потребляемого тока осуществляется стрелочными приборами, размещенными на внешней панели
блока регистрации.
Установка ИИКЛ-1 конструктивно выполнена в двух ва риантах А и Б'. Вариант А объединяет работу 16 кассет с газоразрядными счетчиками, электронного блока и блока питания. 16 кассет расположены в отдельных четырех стой ках. В каждой стойке находятся по четыре кассеты, образую
щие независимо четыре «телескопа». Стоики укреплены на подвижной ферме, которая может вращаться вокруг горизон тальной оси в одной плоскости на угол ±45° от вертикальаого направления. Установка легко разбирается на отдельные
Параметр Вариант А
Эффективная |
пло- |
11188 см2 |
|
щадь |
|
0Ѵ =40°; |
0.,=38° |
Максимальные уг- |
|||
лы с вертикалью |
0Ѵ =64°; |
0Ѵ=63° |
|
Аппаратурный фак- |
0 = 4 0 ° : |
|
|
тор (при п = 2) |
/<=4190 см2 ■стер |
||
|
|
0Ѵ =64°: |
см2 • стер |
Разрешающее |
вре- |
А = 8600 |
|
2,5 • 10—6 сек |
|||
мя схемы совпа |
|
|
|
дении |
|
15—20 в |
|
Напряжение |
пн- |
||
тания |
|
0,28—0,3 а |
|
Потребляемый ток |
|||
Допустимая |
тем- |
10—35° С |
|
пература |
окру |
|
|
жающей среды |
2105X1655X1550 мм |
||
Габаритные |
раз- |
||
меры |
|
514 кг |
|
Масса (без тары) |
|
||
|
|
Т А Б л И Ц А 2.1 |
|
Вариант Б |
|
|
2970 |
см2 |
<=; |
II О |
< II СО СО |
|
о |
о |
и «.=61°; |
0Ѵ=58° |
|
‘ о |
’ o' О II |
|
|
ТС=1005 см2 • стер |
|
0Ѵ- =61°:
/(=2150 см2 ■стер
1320X1000x620 мм.
146 кг
элементы, легко транспортируемые в условиях горных выра боток.
Вариант Б объединяет работу шести кассет с газоразряд ными счетчиками, электронный блок и блок питания. Все шесть кассет укладываются в одну стойку. Кассеты и элек тронный блок соединяются кабельной сетью. В обоих вариан тах установки ИИКЛ-1 предусмотрена возможность реги страции потока мюонов в двух телесных углах.
На рис. 2.2 показана геометрия детекторов установок ИИКЛ-1А и ИИКЛ-1Б. Технические характеристики установ ки в целом приведены в табл. 2.1.
2.3. Скважинная установка
Установка ІІИКЛ-2 для измерения интенсивности мюон ной компоненты космического излучения в скважинах также собрана-на полупроводниковых схемах и состоит из скважин ного зонда /, наземного регистрирующего блока II и спуско подъемного устройства III (рис. 2.3) [15].
В скважинном снаряде / расположены детекторы мюо нов 1, фотоэлектронные умножители 2/3, предварительные усилители 4, 5, усилители 6, 7, дискриминаторы 8, 9, схемы совпадении 10, формирователь выходных импульсов 11.
Детекторами мюонов являются черепковские счетчики с радиатором из тяжелого флинта, имеющие форму цилиндра диаметром 8 и высотой 10 см. Показатель преломления тяже-
Рис. 2.3. Блок-схема скважинной аппаратуры типа ИИКЛ-2:
/ — скважинный |
зонд; // — наземный |
электронный |
блок |
регистрации; |
/ / / — |
|||||||
спуско-подъемное |
устройство; / — черепковский счетчик; |
2, 3 — фотоэлектрон |
||||||||||
ные |
умножители; |
4. |
5 — предварительные |
усилители; |
6, 7 — усилители; |
8, |
9— |
|||||
дискриминаторы; |
10 — схемы совпадений; |
// — формирователь |
выходных |
им |
||||||||
пульсов; 12— входной стабилизатор; |
13 — стабилизатор опорного напряжения: |
|||||||||||
14— высоковольтный |
преобразователь; |
15 — стабилизаторы |
высокого |
напряже |
||||||||
ния; |
16 — кабель; |
17 — предварительный |
усилитель: |
18— пересчетное |
устрой |
|||||||
ство; 19 — усилитель |
мощности; 20 — электромеханический |
счетчик; 21 — само |
||||||||||
пишущее устройство; |
22 — стабилизатор |
источника |
постоянного напряжения: |
|||||||||
23 — стабилизатор |
электронного блока; 24— источник |
питания. |
|
|
|
|
||||||
лого |
флинта |
1,61, |
плотность 3,55 г/см3. Счетчик |
работает без |
||||||||
фокусировки на диффузном отражении света, что обеспечи вает практически однородную чувствительность по всему объему радиатора. Эффективная геометрическая площадь од ного детектора около 295 см2.
Принцип работы установки ИИКЛ-2 сводится к следую щему. Мюон космического излучения с энергией выше поро говой (в данном случае Епор =35 Мэв), проходя через детек тор, вызывает появление в нем световой вспышки. Кванты
света попадают на фотокатод ФЭУ, и, на выходе последнего возникает электрический импульс напряжения. Электрические импульсы подаются далее на входы сдвоенных эмиттериых повторителей, назначение которых состоит в том, чтобы сог ласовать высокое выходное сопротивление фотоумножителей с довольно низким входным сопротивлением импульсных кор ректированных усилителей, собранных по каскадной схеме.
Усиленный ймпульс поступает на схему амплитудного дис криминатора, собранного на туннельном диоде типа ЗИЗОІ В, работающего в режиме одновибратора. При этом, если ам плитуда импульса превышает уровень дискриминации, рав ный-напряжению смещения, подаваемому на диод, на выходе диода появится стандартный импульс напряжения, который после усиления импульсным усилителем подается на схему совпадений. Схема совпадений, примененная в аппаратуре (схема Росси) обеспечивает надежное срабатывание порого вого устройства лишь в том случае, если импульсы от мюона возникают одновременно на двух диодах схемы совпадений. Аналогично работает и второй канал.
Применение двух фотоумножителей и схемы совпадений вызвано тем обстоятельством, что световая вспышка, возни кающая в черепковском счетчике при прохождении через него мюона, имеет слабую интенсивность и соответствующий ей электрический импульс на выходе ФЭУ также мал по ампли туде и соизмерим с собственными шумами фотоумножителя. ГІри прохождении через счетчик мюона космического излуче ния возникающая световая вспышка регистрируется двумя фотоумножителями одновременно « электрические импульсы, подаваемые на вход схемы совпадений, вызывают срабатыва ние последней. Собственные же шумы фотоумножителей, хао тически распределенные во времени, через схему совпадений не проходят.
Импульс, 'возникший на выходе схемы совпадений, усили вается по мощности эмнттерным повторителем и через схему собирания коммутатора подается на схему формирователя выходных импульсов и далее по кабелю в наземный блок ре гистрации.
Чтобы устранить факторы, вызывающие нестабильность ■счета (изменение температуры, старение ФЭУ, изменение коэффициента усиления и других), в аппаратуре применена автоматическая калибровка усиления всего тракта измерения в целом, включающего фотоумножители и усилители.
Кроме перечисленных выше элементов в скважинном сна ряде расположены также входной стабилизатор 12 (см. рис. 2.3), стабилизатор опорного напряжения 13, высоковольтный преобразователь 14, стабилизаторы высокого напряжения 15. Выходное стабилизированное напряжение равно 14 в и питает все электронные схемы. Для питания схем дискриминаторов