1.6 Инверсионные зонды

Основными помехами при использовании ГГМ-С являются изменения плотности пород и колебания мощности промежуточной зоны малой плотности (воздушный промежуток или слой бурового раствора). Теория инверсии полей вторичных излучений в приближении однократного взаимодействия. Положение точки инверсии для однородной среды можно найти из выражения (1.2):

(1.6)

где R_μ — длина инверсионного зонда.

Из формулы (1.6) следует, что длина инверсионного зонда зависит от типа источника, вещественного состава и плотности пород. Эти за­кономерности сохраняются и для поля многократно рассеянного γ-излучения. Например, для ¹³⁷Cs (при Z_эфф=10÷15) Х_max = 13 г/см², а для ⁶⁰Со Х_max = 18 г/см² и так далее.

Экспериментальные исследования зависимости рассеянного γ-излучения от плотности среды показали, что существует не точка, а область инверсии, соответствующая широкому максимуму. Например, при Z_эфф = 10÷15 область инверсии равна 10—16 г/см² для ⁷⁵Se, 12—18 г/см² для ¹³⁷Cs, 14—28 г/см² для ⁶⁰Со. Область Х_max смещается в сторону меньших значений X при уменьшении энергии γ-излучения источника и увеличении Z_эфф пород и руд. Если выбрать длину зонда так, что рабочая точка ρR будет в средней части инверсионной области, такой зонд будет нечувствителен к изменениям плотности на ±20—30%. Кроме того, инверсионный зонд не реагирует на изменения в широких пределах мощности промежуточной зоны (таблица-1.1).

Положение точки инверсии зависимости I^γ от мощности h воздушной промежуточной зоны изучено теоретически для полей однократно рассеянного излучения и экспериментально. Результаты экспериментов, выполненных с источниками ⁶⁰Co и ¹³⁷Cs на средах, имеющих плотность примерно 1,5—2,5 г/см³, приведены в таблице-1.1.

Таблица-1.1

Изменение интенсивности I^γ рассеянного γ-излучения в зависимости от воздушного зазора

ρR, г/см2	Воздушной зазор, мм				ρR, г/см2		Воздушной зазор, мм
	0	6	30			0		6	30
Источник 137Cs					Источник 60Co
10	1,00	0,89	0,30	16		1,00		1,09	0,96
12	1,00	1,03	0,95	32		1,00		1,18	1,86
24	1,00	1,15	2,10

Как и следовало ожидать, для зондов, рабочая точка которых при h=0 лежит в заинверсионной области (ρR>X_max), наблюдается рост I^γ при увеличении h с последующим переходом через максимум.

Теоретический расчет дает следующий результат для воздушной промежуточной зоны h:

(1.7)

где R_h—длина инверсионного зонда, соизмеримого с мощностью зоны h.

1.7 Двойной инверсионный зонд

Кроме инверсионного зонда с одним источником γ-излучения и рабочей точкой в области инверсии можно использовать зонд с двумя и более источниками. При этом хотя бы один из зондов, входящих в сложный инверсионный зонд, должен иметь R_i < R_μ, а остальные — R_f > R_μ или наоборот. В сложном инверсионном зонде используется одновременное действие доинверсионной и заинверсионной областей, компенсирующее изменения плотности пород и мощности промежуточной зоны.

Теория сложных зондов. Условие нечувствительности сложного зонда гамма-гамма-метода к плотности (и промежуточной зоне) можно выразить следующим образом:

(n = 1, …, N),

(1.8)

где N — число простых зондов, входящих в сложный зонд; — интенсивность рассеянного γ-излучения, регистрируемая n-м зондом; ρ — плотность; Δρ = ρ – ρ₀ — интервал компенсации плотности. Очевидно, чтобы удовлетворить условию (1.8), необходимо среди N зондов иметь как доинверсионные (ΔI^γ > 0), так и заинверсионные (ΔI^γ < 0). В частности, если сложный зонд состоит из двух зондов различной длины (R_i и R₂), то один зонд должен быть доинверсионным, а второй — заинверсионным, и в этом случае основное условие будет:

(1.9)

Зависимость рассеянного γ-излучения от плотности в достаточно широких диапазонах изменения плотности можно выразить следующей эмпирической формулой:

(1.10)

где Q и α имеют постоянные значения для конкретного зонда (для доинверсионного зонда коэффициент α берется со знаком плюс, а для заинверсионного—со знаком минус); S — мощность источника γ-излучения; г — расстояние между центрами источника и детектора; R — длина зонда.

Приращение интенсивности рассеянного у-излучения для доинвер-сионного зонда

(1.11)

а для заинверсионного –

(1.12)

Используя основное условие (1.9), получаем следующую связь между параметрами двойного инверсионного зонда:

(1.13)

Анализ формулы (1.13) показывает, что в инверсионном зонде существует определенное соотношение между мощностью Q источников γ-излучения, длинами R зондов и расстояниями r от центра источника до центра детектора.

Чтобы оценить степень компенсации плотностных помех и выбрать оптимальные параметры инверсионного зонда, необходимо знать зависимость (3.10) для конкретных условий. На рисунке-1.2 показаны поля рассеянного γ-излучения источников ⁷⁵Se, ¹³⁷Cs и ⁶⁰Со, используемых при опробовании руд тяжелых (Z > 50) элементов. В доинверсионной области зависимость рассеянного γ-излучения от плотности установлена расчетом; она оказалась близкой для разных источников и поэтому представлена одним графиком; в заинверсионной области γ-поля установлены экспериментально, причем расчеты в доинверсионной области и эксперименты в заинверсионной согласованы между собой.

Рисунок-1.2 – Поля рассеянного γ-излучения для доинверсионных и заинверсионных зондов

Длину доинверсионного зонда для трех рассматриваемых типов источников можно выбрать в диапазоне

г/см2,

(1.14)

а длина заинверсионного зонда должна быть

г/см2

(1.15)

Соотношение определяется выражением

(1.16)

то есть зависит от параметров инверсионного зонда и компенсируемого значения плотности. В таблице-1.2 показаны значения для некоторых зондов.

Чувствительность двойных инверсионных зондов близка к чувст­вительности одиночных инверсионных зондов и не меняется при изменении длин зондов.

Таблица 1.2

Характеристики двойного инверсионного зонда с источником ¹³⁷Cs [кристалл Nal(Tl) размером 30x20 мм]

Зонд		S2/S1
			ρ=2,0 г/см3	ρ=3,0 г/см3
R1 = 2см R2 = 20см	5,05 S1	88	0,24	0,07
R1 = 2см R2 = 10см	5,05 S1	12	0,39	0,20
R1 = 2 см R2 = 6см	5,05 S1	5,3	0,69	0,46
R1 = 0,2см R2 = 20см	270 S1	4,7·103	0,73	0,13

Конструкция двойного инверсионного зонда. Примерная конструкция двойного зонда показана на рисунке-1.3. Ее особенностью является воздушный промежуток между кожухом и свинцовым экраном, разделяющим детектор и источник в доинверсионном зонде. Благодаря такой конструкции эффективная длина зонда R₁ близка к расстоянию между центрами коллимационных каналов, а расстояние между источником и детектором (r₁) и толщина свинцового экрана значительно больше R₁, что обеспечивает поглощение первичного излучения источника.

Рисунок-1.3 – Двойной инверсионный зонд

Кроме 2 π-зонда целесообразно применять двойные 4 π-зонды для каротажа сухих подземных скважин малого диаметра. Примером является двойной зонд, в котором источники (⁷⁵Se) имели активность 0,25 и 2,5 мКи, а длина зондов составляла 1,9 и 19,0 см (по А. Ю. Большакову, А. П. Очкуру). Зонд был нечувствителен к изменению диаметра скважины в пределах от 40 до 230 мм и плотности пород от 1,5 до 3,0 г/см3.