Лічильники, які використовуються для вимірювання радіоактивності
Для проведення досліджень розрізів свердловин методами радіометрії використовується одноканальна та двоканальна апаратура.
Двоканальна апаратура дозволяє реєструвати одночасно дві криві – гамма-каротажу та нейтронного гамма-каротажу; гамма-каротажу та нейтрон-нейтронного каротажу за тепловими нейтронами; гамма-каротажу та нейтрон-нейтронного каротажу за надтепловими нейтронами. Одноканальна апаратура дозволяє реєструвати тільки криву гамма-каротажу. В апаратурі гамма-каротажу в якості датчиків використовуються газорозрядні, сцинтиляційні та напівпровідникові лічильники.
Газорозрядні лічильники. Газорозрядний лічильник представляє собою газонаповнений прилад, який забезпечує реєстрацію інтенсивності ядерних частинок за виникненням газового розряду. Газовим розрядом називають явище протікання іонізаційного струму через гази.
Газорозрядний лічильник – це своєрідний конденсатор. Одним електродом (анодом) у ньому служить тонка нитка із вольфраму, заліза або іншого металу діаметром 0,1-0,5 мм, яка натягнута вздовж осі скляного циліндра діаметром 1-3 см, другим електродом (катодом) є внутрішнє металічне покриття даного циліндра (Рис. 3.1). Роль діелектрика виконує суміш газів, яка заповнює під тиском 1,33·104 Па простір між електродами.
1 – скляний балон; 2 – металічний циліндр або металічне покриття (катод); 3 – нитка (анод); 4 – контакти та ізолятори. С – ємність;
R – опір
Рисунок 3.1 – Принципова схема та включення газорозрядних лічильників
Основні переваги газорозрядних лічильників:
стабільність роботи у великому діапазоні зміни температури – від -55 до +300С;
необов’язковість стабільності напруги живлення;
підвищена ефективність до жорсткого гамма-випромінювання при розв’язуванні деяких геолого-промислових задач.
Недоліки газорозрядних лічильників:
висока робоча напруга живлення (700-1600В);
обмежений термін роботи внаслідок розходу багатоатомних молекул на дисоціацію;
мала максимальна швидкість рахунку.
Сцинтиляційні лічильники. Сцинтиляційний лічильник (Рис. 3.2) має два основних елемента: сцинтилятор, який реагує на ядерне випромінювання спалахами світла, і фотоелектронний помножувач (ФЕП), який перетворює дані слабкі спалахи світла в електричний імпульс та підсилює їх у мільйони разів.
1 – сцинтилятор (люмінофор); 2 – відбивач; 3 – ФЕП; 4 – фотокатод; 5 – фокусуючий діод; 6 – діоди; 7 – збираючий електрод (анод);
8 – дільник напруги
Рисунок 3.2 – Принципова схема сцинтиляційного лічильника
Принцип роботи сцинтилятора полягає в наступному. Гамма-квант, який попадає в сцинтилятор, взаємодіє з його атомами (фотоефект, комптон-ефект, утворення електронно-позитронних пар), що приводить до виникнення вільних зарядів (електронів і позитронів). Даним зарядам передається або вся енергія кванта (фотоефект), або її частка (комптон-ефект, утворення пар). Енергія вільних зарядів використовується на іонізацію та збудження атомів сцинтилятора. При переході зі збудженого стану в основний атоми сцинтилятора втрачають енергію, яка отримана при збудженні, у вигляді електромагнітних коливань (світлових фотонів) – люмінесценції.
Із багато чисельних сцинтиляторів найбільш часто використовують монокристали йодистого натрію NaI(Tl), йодистого калію KI(Tl), йодистого цезію CsI(Tl), які активовані талієм Tl з метою створення в решітках неорганічних кристалів додаткових центрів люмінесценції, а також пластмасові сцинтилятори.
Фотоелектронний помножувач (ФЕП) – пристрій, який з’єднує в собі фотоелемент і електронний підсилювач, дія якого базується на явищі вторинної електронної емісії.
Електрони, які вилітають із фотокатода, прискорюються електричним полем і через діафрагму прямують на перший електрод (динод) помножувача. Внаслідок вторинної емісії кожний впавший електрон вибиває із динода декілька вторинних електронів, кількість яких залежить від прикладеної між електродами різниці потенціалів. Дані електрони, знаходячись у полі притягання другого динода, також прискорюються та викликають вторинну електронну емісію на наступному диноді. Таким чином, проходить стрибкоподібне збільшення кількості електронів на кожному диноді ФЕП. Останнім електродом у даній ланці служить анод, який виготовлений у вигляді сітки та оточується екраном, що з’єднаний з передостаннім електродом.
Основні переваги сцинтиляційних лічильників:
висока чутливість (ефективність), в тому числі і до гамма-променів;
велика роздільна здатність;
здатність розділяти частинки за їх енергіями та вимірювати їх, тобто проводити спектрометрію радіоактивних променів.
Недоліки сцинтиляційних лічильників:
висока чутливість до зміни температури навколишнього середовища;
підвищені вимоги до стабільності напруги живлення;
великий розкид параметрів фотопомножувачів і зміна характеристик та параметрів фото помножувачів у процесі їх роботи.
Напівпровідникові лічильники. У напівпровідникових лічильниках використовується властивість детекторів – одностороння провідність електричного струму. Для цього створюють деякий шар, який називається p-n-переходом і володіє високим питомим опором. Дві пластини напівпровідника, одна з електронною провідністю, а друга з дірковою, приводять у тісне доторкання. У місцях їх доторкання починається дифузія електронів, яка нейтралізує частину дірок у тонкому граничному шарі з дірковою провідністю, і даний шар заряджається негативно. Аналогічно тонкий граничний шар з електронною провідністю заряджається позитивно. У результаті утворюється перехід p-n, який перешкоджає подальшій дифузії носія заряду. Такий перехід p-n володіє властивостями детектора. Якщо пластину з електронною провідністю приєднати до катода, а пластину з дірковою провідністю – до аноду, то через перехід іде струм. При зворотній полярності товщина переходу p-n росте і система не проводить струм.
При проходженні іонізуючої частинки через чутливий шар у ньому відбувається іонізація та утворюються вільні носії заряду, які під дією електричного поля дрейфують до відповідних електродів, тобто утворюється імпульс електричного струму.
Для реєстрації гамма-квантів необхідні напівпровідникові лічильники з великою товщиною чутливого шару. Даний ефект досягається використанням літію, який володіє великим коефіцієнтом дифузії, в одному із торців напівпровідника із дірковою провідністю. У результаті чого отримуємо тришаровий детектор з p–i–n-переходом (Рис. 3.3). У шарі I, куди не проникали атоми літію, зберігається діркова провідність. Тонкий шар III, у якому переважає “донор” (літій), набуває електронної провідності. У проміжному шарі II концентрації “донорів” і акцепторів рівні. Даний шар називається i-шаром. Товщину i-шару в окремих випадках вдається довести до 8 мм, що достатньо для отримання доброї енергетичної здатності та непоганої ефективності напівпровідникового лічильника гамма-квантів.
Основні переваги напівпровідникових лічильників:
економія живлення;
компактні;
не чутливі до магнітного поля;
амплітудне розділення в 20-30 разів краще, ніж у сцинтиляційних лічильниках.
Недоліки напівпровідникових лічильників:
використання обмежене порівняно невеликими розмірами;
нестабільність роботи при підвищених температурах
Рисунок 3.3 – Схема напівпровідникового лічильника