Основные элементы радиометрической аппаратуры
Аппаратура для различных радиоактивных методов исследования скважин имеет много общего. Главные различия относятся к конструкциям зондов: источника, фильтров и индикаторов излучения. Учитывая общую функцию всех типов радиометрической аппаратуры, их называют скважинными радиометрами.
1. Блок-схема радиометра
Конструктивно радиометры состоят из скважинного прибора, заключенного в прочную стальную или иногда дюралюминиевую гильзу, и наземного пульта, которые соединены между собой геофизическим (каротажным) кабелем.
Рис. 1. Упрощенная блок-схема радиометра.
1 — скважинный прибор; II — наземный пульт
В скважинном приборе радиометров располагаются детектор излучения, усилитель или усилительно-формирующий каскад, а также блок питания детектора (рис.1). Последний чаще всего содержит блокинг-генератор, вырабатывающий импульсный ток, который после повышения его напряжения трансформатором подается на высоковольтный выпрямитель. Выпрямленное напряжение стабилизируется обычно с помощью стабилитрона.
Детектор излучения является важнейшим элементом радиометра. При попадании ядерной частицы в детектор на его выходе образуется импульс электрического тока и напряжения, который далее усиливается и обрабатывается электронной схемой прибора. В скважинной аппаратуре используются газонаполненные (ионизационные) и сцинтилляционные детекторы, рассматриваемые далее. Исследуется возможность использования полупроводниковых детекторов.
Усиленный сигнал по двум жилам трехжильного (или по жиле и броне одножильного) кабеля передается на поверхность, По тем же проводам в скважинный прибор подается постоянный ток для питания его схемы. Поэтому в скважинном приборе и на поверхности имеются соответственно LC- и RС-фильтры, разделяющие постоянный ток и импульсы сигнала.
В наземной части схемы (см. рис.1) импульсы усиливаются и осуществляется их регистрация измерителем скорости счета (интенсиметром). В большинстве радиометров кроме регистрации интенсиметром предусматривается также счет импульсов с помощью специальных электромеханических или электронных счетчиков.
Калибратор выдает определенное число импульсов за 1 мин (3000, 6000, 12 000 имп/мин) и служит для установления масштаба скорости счета (в импульсах в 1 мин на 1 см шкалы) при регистрации диаграмм.
Между усилителем и интенсиметром обычно включается блок - амплитудный дискриминатор. Дискриминатор — схема, пропускающая лишь те импульсы, амплитуда которых превышает некоторый заданный уровень (порог).
Введение дискриминатора с регулируемым порогом позволяет пропускать полезные сигналы, обусловленные попаданием ядерного излучения в счетчик, и задерживать небольшие шумовые импульсы, возникающие в детекторах. Кроме того, при использовании детекторов, выходные импульсы которых в определенной степени пропорциональны энергии частиц, путем изменения порога дискриминации можно регистрировать лишь излучения с энергией, превышающей некоторое заданное значение. При проведении измерений с несколькими значениями порога дискриминации можно судить об амплитудном распределении импульсов от датчика, а следовательно, и о спектральном составе излучения. Поэтому радиометры, имеющие дискриминатор с переменным регулируемым порогом, называют интегральными спектрометрами.
Существенный недостаток интегральных спектрометров — низкая статистическая точность определения числа импульсов N в узком интервале амплитуд (U1, U2), обусловленная тем, что эта величина вычисляется как разность двух измеряемых величин — количества импульсов N1 и N2 с амплитудами, превышающими соответственно U1 и U2.
Погрешность можно уменьшить, если в процессе измерений с помощью специальных дифференциальных амплитудных анализаторов импульсов выделить импульсы с амплитудой в интервале (U1, U2) и зарегистрировать их число.
Основными частями одноканального дифференциального амплитудного анализатора являются два дискриминатора, включенные параллельно друг другу, и схема антисовпадений (рис.2,а). Если один из дискриминаторов (нижнего уровня) пропускает импульсы с амплитудой выше U, то уровень дискриминации второго дискриминатора (верхнего уровня) устанавливается равным U+ΔU. Величина ΔU называется шириной окна или канала. Импульсы на выходе схемы антисовпадений возникают лишь при поступлении импульса на первый вход (от дискриминатора нижнего уровня) при одновременном отсутствии импульса на втором входе, т. е. схема пропускает лишь импульсы, амплитуда которых лежит в интервале (U, U+ΔU). Посредством синхронного изменения напряжения на обоих дискриминаторах (сохранения их разности ΔU) можно изучать распределение импульсов по амплитуде. Кривая зависимости числа импульсов на выходе анализаторов от порога дискриминации называется дифференциальным спектром (или спектром амплитуд). Установив соответствие между амплитудой импульсов в вольтах и энергией излучения в мегаэлектронвольтах путем эталонирования энергетической шкалы и соответственно разбив ось абсцисс в единицах энергии, получают спектр амплитуд в энергетических единицах, называемый аппаратурным спектром.
Рис.2. Принципиальная схема одноканального (а) и многоканального (б) дифференциальных амплитудных анализаторов
Для сокращения времени исследований строят многоканальные спектрометры (см. рис.2,б). Основной их частью является серия параллельно включенных дискриминаторов. Порог срабатывания каждого из последующего дискриминаторов выше порога предыдущего на некоторую величину ΔU. Выходы любой соседней пары дискриминаторов подключены к входам схемы антисовпадений, которые совместно с последующей усиливающей и регистрирующей схемой составляют один канал спектрометра.