RU154865U1

RU154865U1 - POSITIVE SENSITIVE DETECTOR FOR SIMULTANEOUS RECORDING OF NEUTRON AND GAMMA OF RADIATIONS

Info

Publication number: RU154865U1
Application number: RU2015124120/28U
Authority: RU
Inventors: Виталий Иванович Микеров
Priority date: 2015-06-22
Filing date: 2015-06-22
Publication date: 2015-09-10
Also published as: RU154865U8

Abstract

Позиционно-чувствительный детектор для одновременной регистрации нейтронного и гамма излучений, содержащий множество сцинтилляторов, разделенных отражающим материалом, помещенным между сцинтилляторами, каждый сцинтиллятор находится в оптическом контакте с фотоприемником, отличающийся тем, что сцинтиллятор выполнен в виде двух коаксиальных вложенных друг в друга цилиндрических наборов сцинтиллирующих волокон, наружный и внутренний наборы обеспечивают регистрацию, соответственно, нейтронного и гамма излучений, сцинтиллирующие волокна снабжены светоотражающими оболочками и светонепроницаемыми покрытиями, противоположные торцы сцинтиллирующих волокон соединены посредством оптических соединителей с двумя волоконными световодами, находящимися с противоположной стороны в оптическом контакте с двумя матричными фотоприемниками, число фоточувствительных элементов, в каждом из которых равно или больше общего числа всех сцинтиллирующих волокон.A position-sensitive detector for the simultaneous detection of neutron and gamma radiation, containing many scintillators separated by a reflective material placed between the scintillators, each scintillator is in optical contact with a photodetector, characterized in that the scintillator is made in the form of two coaxial cylindrical scintillator sets inserted into each other fibers, the outer and inner sets provide registration, respectively, of neutron and gamma radiation, scintillating waves the windows are equipped with reflective shells and opaque coatings, the opposite ends of the scintillating fibers are connected via optical connectors with two fiber optical fibers, which are on the opposite side in optical contact with two matrix photodetectors, the number of photosensitive elements in each of which is equal to or more than the total number of all scintillating fibers.

Description

Полезная модель относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано в скважинных устройствах, применяемых при каротаже нефтяных и газовых скважин для определения характера насыщения пластов (нефть, вода), их фильтрационно-емкостных свойств и коэффициента нефтенасыщенности.The utility model relates to the field of registration of ionizing radiation and can be used in downhole tools used for logging oil and gas wells to determine the nature of the saturation of formations (oil, water), their filtration-capacitive properties and oil saturation coefficient.

В настоящее время для детальных геологических исследований, проводимых в скважинах, широко используются ядерно-физические методы. К ним относятся, в частности, методы нейтронного каротажа, основанные на применении в качестве источника зондирующего излучения нейтронные источники: ампульные или нейтронные генераторы, излучающие быстрые нейтроны. При этом нейтронные генераторы могут быть непрерывного действия или импульсными.Currently, nuclear physics methods are widely used for detailed geological studies in wells. These include, in particular, neutron logging methods based on the use of neutron sources as probing radiation sources: ampoule or neutron generators emitting fast neutrons. In this case, neutron generators can be continuous or pulsed.

К наиболее информативным методам нейтронного каротажа относится метод импульсного нейтронного каротажа (ИНК), сущность которого заключается в следующем.The most informative methods of neutron logging include the method of pulsed neutron logging (INC), the essence of which is as follows.

В скважину спускают нейтронный генератор, который периодически в течение коротких (несколько мкс) интервалов времени облучает породу вокруг скважины потоком быстрых нейтронов с энергией 14 МэВ. Эти нейтроны распространяются в исследуемой породе практически изотропно, претерпевая при этом упругие и неупругие рассеяния на атомных ядрах породы.A neutron generator is lowered into the well, which periodically for short (several microseconds) time intervals irradiates the rock around the well with a stream of fast neutrons with an energy of 14 MeV. These neutrons propagate in the rock under study almost isotropically, while undergoing elastic and inelastic scattering on the atomic nuclei of the rock.

Распространяясь в среде, быстрые 14 МэВ нейтроны претерпевают упругие и неупругие рассеяния на атомных ядрах среды. В результате упругого рассеяния быстрые нейтроны генератора замедляются и постепенно приходят в тепловое равновесие со средой. Расстояние от мишени генератора, на котором наступает тепловое равновесие, зависит от свойств среды и, в значительной степени, от количества содержащихся в ней водородосодержащих веществ. Тепловые нейтроны диффундируют во все стороны и постепенно поглощаются атомами среды, излучая гамма-кванты радиационного захвата.Propagating in a medium, fast 14 MeV neutrons undergo elastic and inelastic scattering by the atomic nuclei of the medium. As a result of elastic scattering, the fast neutrons of the generator slow down and gradually come into thermal equilibrium with the medium. The distance from the target of the generator at which thermal equilibrium sets in depends on the properties of the medium and, to a large extent, on the amount of hydrogen-containing substances contained in it. Thermal neutrons diffuse in all directions and are gradually absorbed by the atoms of the medium, emitting gamma rays of radiation capture.

Неупругое рассеяние быстрых нейтронов приводит к образованию гамма-квантов неупругого рассеяния, излучаемых во время нейтронных импульсов. Энергия этих гамма-квантов характерна для каждого элемента. Так в результате неупругого рассеяния на ядрах углерода (С) образуется гамма-кванты с энергий 4,43 МэВ, на ядрах кислорода - 6,13 МэВ. Количество гамма-квантов, зарегистрированных в определенных энергетических областях, пропорционально концентрации элементов, испускающих данные гамма-кванты.Inelastic scattering of fast neutrons leads to the formation of gamma rays of inelastic scattering emitted during neutron pulses. The energy of these gamma rays is characteristic of each element. So, as a result of inelastic scattering, gamma rays with energies of 4.43 MeV are formed on carbon (C) nuclei, and 6.13 MeV on oxygen nuclei. The number of gamma rays recorded in certain energy regions is proportional to the concentration of elements emitting these gamma rays.

Регистрация тепловых и/или эпитепловых нейтронов, а также гамма-квантов неупругого рассеяния и радиационного захвата позволяет определить нейтронную пористость, плотность и состав породы. Эти характеристики используются для определения характера насыщения пластов (нефть, вода), их фильтрационно-емкостных свойств и коэффициента нефтенасыщенности.The registration of thermal and / or epithermal neutrons, as well as gamma rays of inelastic scattering and radiation capture, allows one to determine the neutron porosity, density and composition of the rock. These characteristics are used to determine the nature of formation saturation (oil, water), their filtration-capacitive properties and oil saturation coefficient.

Расстояние между мишенью нейтронного генератора и детектором (длина зонда) влияет на размер исследуемой области вокруг скважины (глубинность зондирования) и величину измеряемого эффекта, связанного с ядерно-физическими характеристиками породы.The distance between the target of the neutron generator and the detector (probe length) affects the size of the investigated area around the well (sounding depth) and the size of the measured effect associated with the nuclear physical characteristics of the rock.

Вследствие того, что по мере удаления от оси скважины порода вокруг скважины имеет переменный состав и плотность, для определения радиального распределения ее свойств необходимо применение нескольких зондов различной длины.Due to the fact that the rock around the well has a variable composition and density as it moves away from the axis of the well, it is necessary to use several probes of different lengths to determine the radial distribution of its properties.

Часть каротажной аппаратуры, опускаемая в скважину называется скважинным устройством. Существует большое разнообразие состава и конструкций скважинных устройств.The part of the logging equipment lowered into the well is called a downhole device. There is a wide variety of composition and designs of downhole devices.

Так основными элементами типичного многофункционального скважинного устройства ИНК являются: нейтронный источник в виде нейтронного генератора, нейтронные и гамма зонды, защитный экран, устанавливаемый между нейтронным генератором и детекторами гамма излучения, электронные устройства.So the main elements of a typical multifunctional downhole INC device are: a neutron source in the form of a neutron generator, neutron and gamma probes, a protective screen installed between the neutron generator and gamma radiation detectors, electronic devices.

Длина нейтронных генераторов, применяемых при нейтронном каротаже, обычно составляет не менее 150 см. В то же время длина измерительных зондов обычно не превышает 50-70 см. Поэтому расположение детекторов нейтронного или гамма излучения вдоль оси скважинного устройства за пределами нейтронного генератора существенно уменьшает интенсивность падающего на них гамма излучения и увеличивает, таким образом, время проведения измерений, а также увеличивает длину скважинного устройства, что нежелательно для обеспечения свободной проводки скважинного устройства по скважине.The length of neutron generators used in neutron logging is usually not less than 150 cm. At the same time, the length of the measuring probes usually does not exceed 50-70 cm. Therefore, the location of neutron or gamma radiation detectors along the axis of the downhole device outside the neutron generator significantly reduces the intensity of the incident the gamma radiation on them and, thus, increases the measurement time, and also increases the length of the downhole device, which is undesirable to ensure free wiring Nogo downhole device.

Длина детекторов, входящего в состав нейтронных или гамма зондов, составляет порядка 10 см и определяет осевое пространственное разрешение применяемых в настоящее время зондов.The length of the detectors included in neutron or gamma probes is about 10 cm and determines the axial spatial resolution of the probes currently used.

Диаметр нейтронных генераторов, применяемых в скважинных устройствах, предназначенных для нейтронного каротажа, составляет не более 34 мм, а внутренний диаметр корпуса скважинного устройства обычно составляет не менее 80 мм, что позволяет разместить между корпусом скважинного устройства и корпусом нейтронного генератора детекторы диаметром до, примерно, 20 мм.The diameter of the neutron generators used in borehole devices designed for neutron logging is not more than 34 mm, and the inner diameter of the body of the borehole device is usually not less than 80 mm, which allows you to place detectors with a diameter of up to about 20 mm.

Проблемы нейтронного каротажа в настоящее время сводятся к необходимости создания детектора, обеспечивающего раздельную регистрацию нейтронного и гамма излучений и обладающего осевым (однокоординатным) пространственным разрешением, конструкция которого дает возможность его размещения в зазоре между корпусом скважинного устройства и нейтронного генератора. Длина детектора должна быть порядка расстояния между обычно применяемыми зондами, состоящими из нескольких одинаковых детекторов, например, пропорциональных счетчиков или сцинтилляционных детекторов. Эта расстояние обычно составляет несколько десятков сантиметров.The problems of neutron logging currently boil down to the need to create a detector that provides separate registration of neutron and gamma radiation and has an axial (single-coordinate) spatial resolution, the design of which makes it possible to place it in the gap between the body of the downhole device and the neutron generator. The length of the detector should be of the order of the distance between commonly used probes consisting of several identical detectors, for example, proportional counters or scintillation detectors. This distance is usually several tens of centimeters.

Такой детектор при достаточно высоком осевом пространственном разрешении позволяет заменить одним устройством несколько зондов, состоящих из нескольких детекторов, снимает задачу выбора числа и длины зондов, числа детекторов в каждом из зондов, уменьшает длину скважинного устройства, повышает точность интерпретации данных за счет одновременного измерения нейтронного и гамма излучения в одном и том же месте скважины.Such a detector with a sufficiently high axial spatial resolution makes it possible to replace several probes consisting of several detectors with one device, removes the problem of choosing the number and length of probes, the number of detectors in each probe, reduces the length of the downhole device, improves the accuracy of data interpretation by simultaneously measuring neutron and gamma radiation at the same location in the well.

Известен «Скважинный позициоино-чувствительный счетчик гамма-излучения», состоящий из корпуса-катода, по оси симметрии которого на опорных изоляторах размещен анод, выполненный в виде нити с жестко закрепленными на ней перегородками в виде стеклянных бусинок диаметром не менее 1 мм, которые разделяют анодную нить на участки-секции. Патент RU 2152105, МПК G01T 1/18, G01V 5/06. 2000 г. Аналог.The well-known "borehole position-sensitive gamma-ray counter", consisting of a cathode body, along the axis of symmetry of which an anode is placed on the supporting insulators, made in the form of a filament with partitions rigidly fixed on it in the form of glass beads with a diameter of at least 1 mm, which divide anode thread into sections sections. Patent RU 2152105, IPC G01T 1/18, G01V 5/06. 2000, Analog.

Недостатками аналога является невозможность одновременной регистрации нейтронного и гамма излучений в одном и том же месте оси корпуса-катода.The disadvantages of the analogue is the impossibility of simultaneously registering neutron and gamma radiation in the same place on the axis of the cathode body.

Известен «Метод и аппаратура для нейтронного каротажа, использующая позиционно чувствительный нейтронный детектор», который содержит сцинтиллятор с осью параллельной оси корпуса прибора и фотоумножители на противоположных концах сцинтиллятора, каждый фотоумножитель подключен к соответствующему амплитудному анализатору и через него к контроллеру, служащему для определения осевого положения зарегистрированного нейтрона по отношению амплитуд оптических сигналов, зарегистрированных фотоумножителями. Патент Канады СА 2798070, МПК G01V 5/10. 2011 г. Аналог.The well-known "Method and apparatus for neutron logging using a positionally sensitive neutron detector", which contains a scintillator with an axis parallel to the axis of the instrument body and photomultipliers at opposite ends of the scintillator, each photomultiplier connected to a corresponding amplitude analyzer and through it to the controller, which serves to determine the axial position registered neutron in relation to the amplitudes of optical signals recorded by photomultipliers. Canadian Patent CA 2798070, IPC G01V 5/10. 2011. Analog.

Недостатком аналога является невозможность одновременной регистрации нейтронного и гамма излучений в одном месте на оси скважины.The disadvantage of the analogue is the impossibility of simultaneously registering neutron and gamma radiation in one place on the axis of the well.

Известны «Азимутально чувствительные гамма детекторы», включающие сцинтиллятор, форма которого обеспечивает азимутальную чувствительность относительно оси скважины, или множество сцинтилляторов, разделенных отражающим материалом, помещенном между сцинтилляторами, каждый сцинтиллятор находится в оптическом контакте с фотодетектором. Заявка Норвегии №20120033, МПК: G01V 5/10, 2012. Прототип.Known "Azimuthally sensitive gamma detectors", including a scintillator whose shape provides azimuthal sensitivity relative to the axis of the well, or a plurality of scintillators separated by reflective material placed between the scintillators, each scintillator is in optical contact with the photodetector. Application of Norway No. 201320033, IPC: G01V 5/10, 2012. Prototype.

Недостатком прототипа является невозможность одновременной регистрации нейтронного и гамма излучений в одном месте на оси скважины.The disadvantage of the prototype is the inability to simultaneously register neutron and gamma radiation in one place on the axis of the well.

Техническим результатом полезной модели является возможность одновременной регистрации нейтронного и гамма излучений в одном месте на оси скважины.The technical result of the utility model is the ability to simultaneously record neutron and gamma radiation in one place on the axis of the well.

Технический результат достигается тем, что позиционно чувствительный детектор для одновременной регистрации нейтронного и гамма излучений, содержащий множество сцинтилляторов, разделенных отражающим материалом, помещенным между сцинтилляторами, каждый сцинтиллятор находится в оптическом контакте с фотоприемником, сцинтиллятор выполнен в виде двух коаксиальных вложенных друг в друга цилиндрических наборов сцинтиллирующих волокон, наружный и внутренний наборы обеспечивают регистрацию, соответственно, нейтронного и гамма излучений, сцинтиллирующие волокна снабжены светоотражающими оболочками и светонепроницаемыми покрытиями, противоположные торцы сцинтиллирующих волокон соединены посредством оптических соединителей с двумя волоконными световодами, находящимися с противоположной стороны в оптическом контакте с двумя матричными фотоприемниками, число фоточувствительных элементов в каждом из которых равно или больше общего числа всех сцинтиллирующих волокон.The technical result is achieved by the fact that a position-sensitive detector for simultaneous detection of neutron and gamma radiation, containing many scintillators separated by reflective material placed between the scintillators, each scintillator is in optical contact with the photodetector, the scintillator is made in the form of two coaxial cylindrical sets inserted into each other scintillating fibers, the outer and inner sets provide registration of, respectively, neutron and gamma radiation scintillating fibers are provided with reflective claddings and opaque coatings, the opposite ends of the scintillating fibers are connected via optical connectors with two fiber optical fibers, which are on the opposite side in optical contact with two photodetector arrays, the number of photosensitive elements in each of which is equal to or greater than the total number of all scintillating fibers .

Сущность полезной модели поясняется на чертеже, гдеThe essence of the utility model is illustrated in the drawing, where

1 - наружный и внутренний цилиндрические наборы сцинтиллирующих волокон;1 - outer and inner cylindrical sets of scintillating fibers;

2 - волоконные световоды;2 - fiber optical fibers;

3 - матричные фотоприемники;3 - matrix photodetectors;

4 - оптические соединители;4 - optical connectors;

5, 6 - сцинтиллирующие волокна из разных материалов для регистрации нейтронов и гамма излучения.5, 6 - scintillating fibers from different materials for detecting neutrons and gamma radiation.

Справа на разрезе А-А изображено сечение позиционно чувствительного детектора.On the right, section AA shows a cross section of a positionally sensitive detector.

При реализации нейтронного каротажа с использованием в качестве нейтронного источника нейтронного генератора цилиндрическая форма устройства делает возможным его размещение в зазоре между корпусами нейтронного генератора и скважинного устройства, а длина в несколько десятков сантиметров позволяет заменить им несколько зондов, обеспечивая высокое, порядка 1 см, пространственное разрешение вдоль оси скважинного устройства (В.Н. Дубинина, В.Е. Ковтун, «Концепция радиационного портального монитора нового поколения», Вестник Харьковского университета №845 (2009) 108-121; патент РФ №2351954, МПК: G01T 3/06, 2009 г.).When implementing neutron logging using a neutron generator as a neutron source, the cylindrical shape of the device makes it possible to place it in the gap between the neutron generator and the borehole device, and a length of several tens of centimeters allows you to replace several probes with it, providing a high spatial resolution of about 1 cm along the axis of the borehole device (V.N. Dubinina, V.E. Kovtun, “The concept of a new generation radiation portal monitor”, Vestnik Kharkivskog University No. 845 (2009) 108-121; RF patent No. 2351954, IPC: G01T 3/06, 2009).

Позиционно чувствительный детектор содержит два коаксиальных, вложенных друг в друга, цилиндрических набора 1, каждый из которых содержит сцинтиллирующие волокна одного вида и обеспечивает регистрацию одного вида излучения. Снаружи располагается цилиндрический набор 1, предназначенный для регистрации нейтронов. Внутренний набор 1 служит для регистрации гамма излучения. Известно, что сечение рассеяния и поглощения нейтронного излучения обычно значительно выше тех же сечений для гамма излучения. Поэтому указанное взаимное расположение предпочтительно с точки зрения предотвращения излишних потерь нейтронов, возможных при их прохождении через наружный цилиндрический набор.The position-sensitive detector contains two coaxial, nested into each other, cylindrical sets 1, each of which contains scintillating fibers of the same type and provides registration of one type of radiation. Outside is a cylindrical set 1, designed to detect neutrons. Internal kit 1 is used to register gamma radiation. It is known that the cross section for scattering and absorption of neutron radiation is usually much higher than the same cross sections for gamma radiation. Therefore, the indicated mutual arrangement is preferable from the point of view of preventing excessive neutron losses that are possible when they pass through the outer cylindrical set.

Торцы сцинтиллирующих волокон 5 и 6 соединены с торцами двух волоконных световодов 2 с оптическим контактом посредством двух оптических соединителей 4.The ends of the scintillating fibers 5 and 6 are connected to the ends of two fiber optical fibers 2 with optical contact by means of two optical connectors 4.

Противоположные торцы волоконных световодов 2 соединены с оптическим контактом с фоточувствительными элементами (на чертеже не показаны) двух матричных фотоприемников 3.The opposite ends of the optical fibers 2 are connected with an optical contact with photosensitive elements (not shown) of two matrix photodetectors 3.

В каждом цилиндрическом наборе 1, сцинтиллирующие волокна 5 и 6 располагаются параллельно оси устройства на одном расстоянии от нее. Сцинтиллирующие волокна 5 и 6 изготавливаются из материалов, обеспечивающих регистрацию разного вида излучения: нейтронов или гамма квантов, например: из литиевого стекла или йодистого натрия.In each cylindrical set 1, scintillating fibers 5 and 6 are parallel to the axis of the device at the same distance from it. Scintillating fibers 5 and 6 are made of materials that provide registration of different types of radiation: neutrons or gamma rays, for example: lithium glass or sodium iodide.

Сцинтиллирующие волокна 5 и 6 могут быть различного поперечного сечения: круглые, квадратные и прямоугольные. Размер поперечного сечения обычно не превышает нескольких миллиметров и определяет угловое разрешение устройства.Scintillating fibers 5 and 6 can be of different cross sections: round, square and rectangular. The cross-sectional size usually does not exceed a few millimeters and determines the angular resolution of the device.

Угловое разрешение устройства определяется отношением поперечного сечения сцинтиллирующего волокна к радиусу цилиндрического набора, в котором этот элемент находится. Диаметр генератора нейтронов, применяемого в скважинном устройстве, составляет обычно не более 34 мм, а внутренний диаметр корпуса скважинного устройства составляет не менее 80 мм. При диаметре сцинтиллирующего волокна, составляющем 1 мм (диаметр обычно применяемых сцинтилляторов составляет порядка 1 см), и радиусе окружности, например, 20 мм угловое разрешение составляет 1/20 радиана или лучше 3°.The angular resolution of the device is determined by the ratio of the cross section of the scintillating fiber to the radius of the cylindrical set in which this element is located. The diameter of the neutron generator used in the downhole device is usually not more than 34 mm, and the inner diameter of the body of the downhole device is not less than 80 mm. With a scintillating fiber diameter of 1 mm (the diameter of commonly used scintillators is about 1 cm) and a circle radius of, for example, 20 mm, the angular resolution is 1/20 radian or better than 3 °.

Максимальная длина сцинтиллирующих волокон 5 и 6 определяется длиной ослабления в них света, испускаемого во время сцинтилляционной вспышки, и может достигать нескольких метров.The maximum length of scintillating fibers 5 and 6 is determined by the length of attenuation of the light emitted during the scintillation burst in them, and can reach several meters.

Для улучшения светосбора и увеличения доли света, переносимого на торцы сцинтиллирующих волокон 5 и 6, их поверхность покрывают светоотражающим покрытием (одно- или двухслойным) с меньшим, чем у материала волокна, коэффициентом преломления, либо выращивают волокна с заданным радиальным градиентом состава. (Н.В. Классен, В.Н. Курлов, С.Н. Россоленко, О.А. Кривко, А.Д. Орлов, С.З. Шмурак. Сцинтилляционные волокна и наносцинтилляторы для улучшения пространственного, спектрометрического и временного разрешения радиационных детекторов. Известия РАН. Серия Физическая, 2009, том 73, №10, с. 1451-1456; Патент РФ №2411543, МПК: G01T 1/20, 2008 г.).To improve light collection and increase the proportion of light transferred to the ends of scintillating fibers 5 and 6, their surface is coated with a reflective coating (single or double layer) with a lower refractive index than the fiber material, or fibers with a given radial composition gradient are grown. (N.V. Klassen, V.N. Kurlov, S.N. Rossolenko, O.A. Krivko, A.D. Orlov, S.Z. Shmurak. Scintillation fibers and nanoscintillators to improve spatial, spectrometric and temporal resolution of radiation detectors. Proceedings of the Russian Academy of Sciences. Physical Series, 2009, Volume 73, No. 10, pp. 1451-1456; RF Patent No. 2411543, IPC: G01T 1/20, 2008).

Для предотвращения попадания света от сцинтилляционной вспышки, возникшей в любом из сцинтиллирующих волокон 5 и 6, в соседние волокна его поверхность покрывают дополнительно светонепроницаемым тонким покрытием, например, из алюминия, двуокиси титана, окиси магния. Толщина покрытия, обеспечивающая полное поглощение света, составляет не более 1 мкм.To prevent light from the scintillation flash occurring in any of the scintillating fibers 5 and 6 from entering the adjacent fibers, its surface is additionally coated with an opaque thin coating, for example, aluminum, titanium dioxide, magnesium oxide. The coating thickness, providing complete absorption of light, is not more than 1 μm.

Торцы сцинтиллирующих волокон 5 и 6 соединены с помощью оптических соединителей 4 с двумя волоконными световодами 2 с оптическим контактом. Оптические соединители 4 обеспечивают механически оптическую связь торцов сцинтиллирующих волокон 5 и 6 с торцами волоконных световодов. Поперечное сечение волоконных световодов 2 обычно равно или больше поперечного сечения сцинтиллирующих волокон 5 и 6 для того, чтобы уменьшить потери света в месте сопряжения их торцов. Волоконные световоды изготавливаются обычно из стекла или пластмассы со светоотражающими и светопоглощающими покрытиями, выполняющими ту же роль, что и в случае сцинтиллирующих волокон.The ends of the scintillating fibers 5 and 6 are connected using optical connectors 4 with two optical fibers 2 with an optical contact. Optical connectors 4 provide mechanically optical coupling of the ends of the scintillating fibers 5 and 6 with the ends of the optical fibers. The cross section of the optical fibers 2 is usually equal to or greater than the cross section of the scintillating fibers 5 and 6 in order to reduce light loss at the junction of their ends. Fiber optic fibers are usually made of glass or plastic with reflective and light-absorbing coatings that play the same role as in the case of scintillating fibers.

Противоположные торны волоконных световодов 2 соединены с фоточувствительными элементами матричных фотоприемников 3 с оптическим контактом.Opposite torn fiber optic fibers 2 are connected to the photosensitive elements of the array photodetectors 3 with an optical contact.

Фоточувствительными элементами матричных фотоприемников 3 могут быть, например, так называемые, кремниевые фотоумножители или двухкоординатные фотоумножители. Число фоточувствительных элементов в каждом из матричных фотоприемников 3 равно или больше полного числа сцинтиллирующих волокон 5 и 6.The photosensitive elements of the matrix photodetectors 3 can be, for example, the so-called silicon photomultipliers or two-coordinate photomultipliers. The number of photosensitive elements in each of the matrix photodetectors 3 is equal to or greater than the total number of scintillating fibers 5 and 6.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Нейтронное и гамма излучения, выходящие внутрь скважины, имеют осевое и угловое распределения, которые связаны с составом и структурой породы, окружающей скважину. Частично эти излучения попадают на наружный и внутренний цилиндрические наборы 1 сцинтиллирующих волокон 5 и 6.Neutron and gamma radiation coming out into the well have axial and angular distributions that are related to the composition and structure of the rock surrounding the well. Partially, these emissions fall on the outer and inner cylindrical sets 1 of scintillating fibers 5 and 6.

Нейтронное излучение в основном поглощается в волокнах 5 наружного набора 1. Доля поглощенных нейтронов определяется материалом сцинтиллирующих волокон 5 и их поперечным сечением. Гамма излучение проходит через волокна 5 практически без ослабления и в основном поглощается в сцинтиллирующих волокнах 6 внутреннего набора 1. Доля поглощенного гамма излучения также определяется материалом сцинтиллирующих волокон 6 и их поперечным сечением. Не поглотившиеся нейтроны и гамма излучение уходят в стенки скважины.Neutron radiation is mainly absorbed in the fibers 5 of the outer set 1. The fraction of absorbed neutrons is determined by the material of the scintillating fibers 5 and their cross section. Gamma radiation passes through the fibers 5 with virtually no attenuation and is mainly absorbed in the scintillating fibers 6 of the inner set 1. The fraction of absorbed gamma radiation is also determined by the material of the scintillating fibers 6 and their cross section. Non-absorbed neutrons and gamma radiation go into the borehole walls.

Поглощенные в сцинтиллирующих волокнах 5 и 6 ней троны и гамма излучение вызывают в них сцинтилляционные вспышки.Thrones and gamma radiation absorbed in scintillating fibers 5 and 6 of it cause scintillation bursts in them.

Фотоны от сцинтилляционной вспышки, возникшей в одном из сцинтиллирующих волокон 5 и 6 с помощью светоотражающей оболочки транспортируются к его торцам.Photons from a scintillation flash arising in one of the scintillating fibers 5 and 6 are transported to its ends by means of a reflective shell.

Светопоглощающее покрытие, нанесенное на сцинтиллирующие волокна 5 и 6, препятствует прохождению сцинтилляционных фотонов, возникших в одном из сцинтиллирующих волокон, в соседние сцинтиллирующие волокна, предотвращая связанное с этим прохождением ухудшение углового пространственного разрешения.A light-absorbing coating deposited on scintillating fibers 5 and 6 prevents the scintillation photons arising in one of the scintillating fibers from passing into neighboring scintillating fibers, preventing a deterioration in angular spatial resolution associated with this passage.

Фотоны, дошедшие до торцов одного из сцинтиллирующих волокон 5 и 6, проходят через оптические соединители 4 и далее по волоконным световодам 2 на матричные фото приемники 3, расположенные на противоположных концах устройства, где регистрируются, вызывая электрический сигнал в соответствующих фоточувствительных элементах матричных фотоприемников 3.Photons reaching the ends of one of the scintillating fibers 5 and 6 pass through optical connectors 4 and then through fiber optic fibers 2 to matrix photodetectors 3 located at opposite ends of the device, where they are recorded, causing an electrical signal in the corresponding photosensitive elements of matrix photodetectors 3.

Сцинтиллирующие волокна 5 и 6, а также фоточувствительные элементы матричных фотоприемников 3 заранее пронумерованы. Также заранее установлено соответствие номеров сцинтиллирующих волокон 5 и 6 номерам фоточувствительных элементов.Scintillating fibers 5 and 6, as well as the photosensitive elements of the matrix photodetectors 3 are pre-numbered. Also, the correspondence of the numbers of scintillating fibers 5 and 6 to the numbers of photosensitive elements is pre-established.

При регистрации нейтронного и гамма излучений сцинтилляционные фотоны, возникшие в одном из сцинтиллирующих волокон 5 и 6, вызывают электрический сигнал в фоточувствительных элементах с соответствующими номерами, расположенными в матричных фотоприемниках 3 на противоположных концах устройства. Осевая координата взаимодействия излучения с одним из сцинтиллирующих волокон 5 и 6 определяется по соотношению амплитуд сигналов, полученных практически одновременно с противоположных концов этого волокна. Точность определения осевой координаты составляет порядка 1 см (В.Н. Дубинина, В.Е. Ковтун, «Концепция радиационного портального монитора нового поколения», Вестник Харьковского университета №845 (2009) 108-121; патент РФ №2351954, МПК: G01T 3/06, 2009 г.).When registering neutron and gamma radiation, scintillation photons arising in one of the scintillating fibers 5 and 6 cause an electric signal in photosensitive elements with corresponding numbers located in the matrix photodetectors 3 at opposite ends of the device. The axial coordinate of the interaction of radiation with one of the scintillating fibers 5 and 6 is determined by the ratio of the amplitudes of the signals received almost simultaneously from opposite ends of this fiber. The accuracy of determining the axial coordinate is about 1 cm (V.N. Dubinina, V.E. Kovtun, “The concept of a new generation radiation portal monitor”, Bulletin of Kharkov University No. 845 (2009) 108-121; RF patent No. 2351954, IPC: G01T 3/06, 2009).

По интенсивности сигналов, поступивших с сцинтиллирующих волокон, расположенных при различных азимутальных углах по отношению к оси скважинного устройства, определяется азимутальное распределение поступившего излучения, которое в предположении однородности породы вокруг скважины используется для определения положения скважинного устройства по отношению к скважине, а также для коррекции интенсивности сигналов (заявка на патент US 2013/0187035, МПК: G01V 5/08, G01V 5/10, 2013 г.), поступивших с различных сцинтиллирующих волокон, с учетом найденного положения.The intensity of the signals received from scintillating fibers located at different azimuthal angles with respect to the axis of the borehole device determines the azimuthal distribution of incoming radiation, which, assuming rock uniformity around the borehole, is used to determine the position of the borehole device relative to the borehole, as well as to correct the intensity signals (patent application US 2013/0187035, IPC: G01V 5/08, G01V 5/10, 2013) received from various scintillating fibers, taking into account the polo zheniya.

Claims

A position-sensitive detector for the simultaneous detection of neutron and gamma radiation, containing many scintillators separated by a reflective material placed between the scintillators, each scintillator is in optical contact with a photodetector, characterized in that the scintillator is made in the form of two coaxial cylindrical scintillator sets inserted into each other fibers, the outer and inner sets provide registration, respectively, of neutron and gamma radiation, scintillating waves the windows are equipped with reflective shells and opaque coatings, the opposite ends of the scintillating fibers are connected via optical connectors with two fiber optical fibers, which are on the opposite side in optical contact with two matrix photodetectors, the number of photosensitive elements in each of which is equal to or more than the total number of all scintillating fibers.