2.2.2 Полупроводниковые детекторы (ппд)

Данный детектор представляет собой твердотелый аналог газовой ионизационной камеры; в том и другом случаях в результате поглощения ионизирующего излучения возникают носители заряда и осуществляется сбор образовавшихся носителей в электрическом поле. Приблизительно через 10^-12 с после взаимодействия первичного кванта с электронами энергия возникающих вторичных электронов уменьшается до порога образования одной пары носителей заряда е. Одна пара носителей формируется на каждые 3,6 эВ поглощенной энергии в кремнии, 2,9 — в германии, 4,2 — в арсениде галлия, 4,4 — в теллуриде кадмия и 6,5 эВ — в йодиде ртути. Указанные материалы наиболее перспективны для рентгеновских ППД.

Согласно зонной теории, в результате акта ионизации происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости с образованием соответствующего количества дырок в заполненной валентной зоне. Электрон и дырка могут снова сталкиваться друг с другом, вследствие рекомбинации число подвижных носителей заряда уменьшается на два. Кроме того, может происходить захват одного типа носителя за счет эффекта «прилипания». Оба процесса характеризуются временем жизни носителей. Без воздействия рентгеновских квантов, в состоянии равновесия, скорость образования и исчезновения электронно-дырочных пар определяется только температурой полупроводника. При внешнем электрическом поле электроны и дырки притягиваются к соответствующим электродам, обусловливая накопление заряда. Величина заряда E_Y/s за время сбора t_cб = d/χμ даст импульс напряжения Е_γ/С_дε, где Е_γ— энергия поглощенного кванта; С_д — емкость детектора; χ — напряженность приложенного электрического поля; μ — подвижность носителей заряда (коэффициент пропорциональности между скоростью движения носителей и полем); d — протяженность рабочей области, измеряемая по нормали к поверхности.

Применяемые в ППД полупроводники должны иметь высокую степень химической чистоты и кристаллической упорядоченности. Использование низких температур работы ППД уменьшает по закону экспоненты с показателем ΔE₃/(kT) число собственных носителей и обеспечивает более полный их сбор на электродах. Величина ΔЕ₃ — ширина запрещенной энергетической зоны; для кремния, германия, арсенида галлия, теллурида кадмия и йодида ртути эта величина составляет примерно 1,1; 0,74; 1,4; 1,5 и 2,1 эВ соответственно; величина kT = 0,03 эВ при 300 К. Влияние несовершенства полупроводника на свойства ППД уменьшается путем наложения обратного смещения на п—р-переход, созданный в монокристалле.

2.2.3 Детекторы излучения на основе метода параллельной регистрации (позиционно-чувствительные и мозаичные детекторы)

Позиционно-чувствительный детектор (ПЧД) может быть создан на базе полупроводникового, пропорционального или сцинтилляционного детекторов. В основе действия ПЧД лежит зависимость функции отклика детектора от координаты поглощения излучения в материале детектора, поэтому иногда ПЧД называют координатным детектором. Например, это может быть изменение величины тока или крутизны фронта нарастания сиг­нала в зависимости от координаты. Пока наибольшее распространение получают ПЧД на основе пропорционального счетчика излучения.

Различают ПЧД одномерного (линейного) и двухмерного (объемного) типа. Одномерные ПЧД по конструкции и принципу работы подобны пропорциональному детектору. В детекторе со стороны цилиндрического или прямоугольного катода имеется герметическое тонкое окно для входа излучения. В центре счетчика размещена анодная нить, к обоим концам которой подсоединяются «предварительные усилители» для съема информации. Заряд, образованный излучением в точке объема с координатой х вдоль окна, под действием высокого напряжения анода умножается в 150—10⁴ раз процессом вторичной ударной ионизации. Окончательный, собранный электродом заряд, распространяясь в обе стороны, создает на нагрузочных сопротивлениях импульсы напряжения, определяемые координатами х и (1-х).

В пропорциональных одномерных ПЧД анод, собирающий заряд, представляет собой RC-цепь с распределенными параметрами (резистивно-емкостный способ кодирования заряда). С помощью данного типа пропорционального ПЧД удалось получить координатное разрешение порядка десятков микрометров при энергии 5,9 кэВ и загрузке 2 имп/с на 25 мкм анодной нити. В настоящее время созданы технически более совершенные пропорциональные ПЧД.

В двухмерном пропорциональном ПЧД используется многонитевая пропорциональная камера. Конструкция ПЧД данного типа состоит из трех последовательных плоскостей регистрирующих электродов. Центральная плоскость представлена анодными нитями толщиной 20 мкм, натянутыми параллельно друг другу с шагом 2 мм; катодные плоскости состоят из металлических нитей диаметром до 100 мкм, натянутых с шагом 1—2 мкм в противоположном направлении; расстояние между анодной и катодными плоскостями равно 4—10 мм. Газовая смесь на основе гелия или аргона постоянно протекает через камеру. Информацию о координате заряда определяют с помощью сигналов либо с анодной сетки и ортогональной ей катодной, либо с двух катодных сеток, в последнем случае все анодные нити соединяются.

Снятие информации с многонитевого пропорционального ПЧД осуществляется в аналоговой либо в цифровой форме. В случае аналогового съема информации координату события находят путем определения временного интервала между сигналами с разных концов линии задержки и обработки на ЭВМ. При цифровом съеме каждая нить имеет свой тракт «усилитель — дискриминатор — триггер». По номерам сработавших триггеров специальный процессор вычисляет координаты х и д точки поглощения кванта с передачей информации в память ЭВМ.

Мозаичные детекторы представляют собой совокупность миниатюрных самостоятельных детекторов сцинтилляционного, пропорционального или полупроводникового типов. Характеристиками мозаичного детектора являются число элементов-детекторов на единицу длины (угла) и размеры «мертвого» пространства между отдельными детекторами. Каждый элемент мозаичного детектора имеет свой канал регистрации «усилитель – дискриминатор — триггер». Кодирование номера детектора осуществляется с помощью диодной матрицы, вносимой в соответствующую ячейку памяти ЭВМ. Загрузки блоков детектирования с набором до первых сотен мозаичных детекторов составляют порядка 10⁵ имп/с при обычной рентгеновской трубке, 10⁶ имп/с при трубке, имеющей вращательный анод, и 10⁷ имп/с при использовании синхронного излучения.

Внедрение ПЧД и мозаичных детекторов позволит ускорить в сотни раз время измерения, регистрировать быстропротекающие процессы изменения структуры и состава вещества и осуществлять мгновенный анализ внутренней структуры тел. В рентгеноспектральном анализе ПЧД в сочетании с кристаллом-монохроматором может дать на порядок лучшее разрешение, чем ППД, без применения криогенной техники для понижения температуры [1, 2].

3 Применение гамма-метода

Кривая ГМ характеризует естественную гамма-активность пересеченных скважиной горных пород. Концентрация радиоактивных элементов в определенных литологических разностях изменяется в нешироком диапазоне, что позволяет по показаниям интенсивности гамма-излучения проводить литологическое расчленение разрезов скважин.

Породы, содержащие промышленные скопления минералов урана и тория, отмечаются на кривой ГМ очень высокими показаниями. Из осадочных пород, типичных для нефтяных и газовых месторождений, наиболее радиоактивны чистые глины, высокая интенсивность гамма-излучения которых фиксируется па диаграммах гамма-метода. Менее радиоактивны песчаные и известковистые глины, за ними идут глинистые пески, песчаники, чистые пески и карбонатные породы. Наименьшую радиоактивность имеют гидрохимические осадки (за исключением калийных солей) и большая часть каменных углей. Но такая закономерность не всегда выдерживается. Встречаются песчаные (глауконитовые, монацитовые и полевошпатовые пески) и карбонатные породы, обогащенные радиоактивными веществами. Радиоактивность различных глин также неодинакова, что определяется физико-химической обстановкой, в которой они образовались и переносились. В связи с этим интерпретацию диаграмм гамма-метода следует проводить с учетом геологических особенностей разреза.

В комплексе с материалами других методов промысловой геофизики данные исследования скважин гамма-методом используются для решения следующих геологических задач: литологического расчленения разреза; корреляции геологического разреза; выделения полезных ископаемых (урановых, ториевых, марганцевых, железных и свинцовых руд, бокситов, апатитов, фосфоритов, кварцевых жил, зон окварцевания, антрацитов и др.); выделения пород-коллекторов; оценки глинистости пород; косвенного определения при благоприятных условиях пористости, остаточной водонасыщенности и проницаемости пород-коллекторов. Подсчет запасов урановых и ториевых место­рождений основан на данных гамма-метода. Выделение полезных ископаемых. Среди полезных ископаемых, однозначно выделяемых по данным гамма–метода, в первую очередь следует назвать радиоактивные руды (уран, радий и торий), а также калийные соли.

В скважинах, бурящихся с целью поисков и разведки месторождений радиоактивных руд, гамма–метод является основным геофизическим методом исследования, на основании данных которого осуществляется не только выделение в разрезе рудных пластов и пропластков, но и количественная оценка содержания в этих рудах радиоактивных элементов. Эти данные широко используются при подсчете месторождений радиоактивных руд.

Во многих случаях по кривым гамма–метода в разрезе скважин уверенно выделяются скопления фосфоритов, марганца, свинца и других редких цветных металлов. На указанных кривых все эти полезные ископаемые отмечаются аномально повышенными интенсивностями I. Работа с радиоактивными изотопами. Существуют различные методы работы с радиоактивными изотопами. Этот вид каротажа редко служит для оценки характера пород. В зависимости от поставленной задачи пользуются различными радиоактивными изотопами: в виде газообразных, жидких и твердых веществ. Газообразные радиоактивные изотопы.Тритий (Тритий dH3) — изотоп водорода — был использован фирмой «Электрокемикал леброториз инк» для изучения путей распространения закачиваемого в пласт газа при вторичных методах эксплуатации. Применяемая методика по существу не является каротажем. Для определения мест поглощения закачиваемого в нагнетательные скважины газа и прослеживания его дальнейшего движения был также использован раствор радиоактивного йодистого этила в эфире. Жидкие радиоактивные изотопы. Используются растворы радиоактивных изотопов в воде, нефти и других растворителях. Водные растворы радиоактивных изотопов. Для приготовления водных растворов служат радиоактивные изотопы иридия (Irш), рубидия (Rb86) и йода (J131). Водные растворы изотопов применяют для определения высоты подъема цементного кольца при цементировании колонн или интервала затрубного пространства, в который закачан цементный раствор. Нефтяные растворы радиоактивных изотопов. Из перечисленных выше радиоактивных изотопов изготовляют также и растворы на нефти. Твердые изотопы Профиль приемистости при законтурном заводнении обычно получают, используя радиоактивный иридий (Ir¹⁹²), осажденный на частицах гидрофильных смол. Активированные частицы вводят в поток нагнетаемой в скважину жидкости, с которой они перемещаются до поглощающих песков. Здесь активированные частицы задерживаются на стенках скважины. Поглощающие зоны выделяют по наибольшим отклонениям на гамма-каротажной кривой, снятой после закачки активированных частиц. Местонахождение искусственно созданных трещин может быть установлено, если в песок, служащий для заполнения трещин, добавить меченые зерна песка такого же размера. Меченый песок получают, осаждая на зернах его радиоактивный иридий. Места ухода циркуляции и зоны разрыва колонны обсадных труб могут быть установлены путем добавления в буровой раствор частиц гидрофильных смол, активированных радиоактивным иридием 1г^ш, и последующим проведением гамма-каротажа.

Кривая ГМ характеризует естественную гамма-активность пересеченных скважиной горных пород. Концентрация радиоактивных элементов в определенных литологических разностях изменяется в нешироком диапазоне, что позволяет по показаниям интенсивности гамма-излучения проводить литологическое расчленение разрезов скважин.

Породы, содержащие промышленные скопления минералов урана и тория, отмечаются на кривой ГМ очень высокими показаниями. Из осадочных пород, типичных для нефтяных и газовых месторождений, наиболее радиоактивны чистые глины, высокая интенсивность гамма-излучения которых фиксируется па диаграммах гамма-метода. Менее радиоактивны песчаные и известковистые глины, за ними идут глинистые пески, песчаники, чистые пески и карбонатные породы. Наименьшую радиоактивность имеют гидрохимические осадки (за исключением калийных солей) и большая часть каменных углей. Но такая закономерность не всегда выдерживается. Встречаются песчаные (глауконитовые, монацитовые и полевошпатовые пески) и карбонатные породы, обогащенные радиоактивными веществами. Радиоактивность различных глин также неодинакова, что определяется физико-химической обстановкой, в которой они образовались и переносились. В связи с этим интерпретацию диаграмм гамма-метода следует проводить с учетом геологических особенностей разреза.

В комплексе с материалами других методов промысловой геофизики данные исследования скважин гамма-методом используются для решения следующих геологических задач: литологического расчленения разреза; корреляции геологического разреза; выделения полезных ископаемых (урановых, ториевых, марганцевых, железных и свинцовых руд, бокситов, апатитов, фосфоритов, кварцевых жил, зон окварцевания, антрацитов и др.); выделения пород-коллекторов; оценки глинистости пород; косвенного определения при благоприятных условиях пористости, остаточной водонасыщенности и проницаемости пород-коллекторов. Подсчет запасов урановых и ториевых место­рождений основан на данных гамма-метода. Выделение полезных ископаемых. Среди полезных ископаемых, однозначно выделяемых по данным гамма–метода, в первую очередь следует назвать радиоактивные руды (уран, радий и торий), а также калийные соли.

В скважинах, бурящихся с целью поисков и разведки месторождений радиоактивных руд, гамма–метод является основным геофизическим методом исследования, на основании данных которого осуществляется не только выделение в разрезе рудных пластов и пропластков, но и количественная оценка содержания в этих рудах радиоактивных элементов. Эти данные широко используются при подсчете месторождений радиоактивных руд.

Во многих случаях по кривым гамма–метода в разрезе скважин уверенно выделяются скопления фосфоритов, марганца, свинца и других редких цветных металлов. На указанных кривых все эти полезные ископаемые отмечаются аномально повышенными интенсивностями I. Работа с радиоактивными изотопами. Существуют различные методы работы с радиоактивными изотопами. Этот вид каротажа редко служит для оценки характера пород. В зависимости от поставленной задачи пользуются различными радиоактивными изотопами: в виде газообразных, жидких и твердых веществ. Газообразные радиоактивные изотопы.Тритий (Тритий dH³) — изотоп водорода — был использован фирмой «Электрокемикал леброториз инк» для изучения путей распространения закачиваемого в пласт газа при вторичных методах эксплуатации. Применяемая методика по существу не является каротажем. Для определения мест поглощения закачиваемого в нагнетательные скважины газа и прослеживания его дальнейшего движения был также использован раствор радиоактивного йодистого этила в эфире. Жидкие радиоактивные изотопы. Используются растворы радиоактивных изотопов в воде, нефти и других растворителях. Водные растворы радиоактивных изотопов. Для приготовления водных растворов служат радиоактивные изотопы иридия (Ir^ш), рубидия (Rb⁸⁶) и йода (J¹³¹). Водные растворы изотопов применяют для определения высоты подъема цементного кольца при цементировании колонн или интервала затрубного пространства, в который закачан цементный раствор. Нефтяные растворы радиоактивных изотопов. Из перечисленных выше радиоактивных изотопов изготовляют также и растворы на нефти. Твердые изотопы Профиль приемистости при законтурном заводнении обычно получают, используя радиоактивный иридий (Ir¹⁹²), осажденный на частицах гидрофильных смол. Активированные частицы вводят в поток нагнетаемой в скважину жидкости, с которой они перемещаются до поглощающих песков. Здесь активированные частицы задерживаются на стенках скважины. Поглощающие зоны выделяют по наибольшим отклонениям на гамма-каротажной кривой, снятой после закачки активированных частиц. Местонахождение искусственно созданных трещин может быть установлено, если в песок, служащий для заполнения трещин, добавить меченые зерна песка такого же размера. Меченый песок получают, осаждая на зернах его радиоактивный иридий. Места ухода циркуляции и зоны разрыва колонны обсадных труб могут быть установлены путем добавления в буровой раствор частиц гидрофильных смол, активированных радиоактивным иридием 1г^ш, и последующим проведением гамма-каротажа.