RU2574322C1 - Spectrometric position-sensitive detector - Google Patents

Spectrometric position-sensitive detector Download PDF

Info

Publication number
RU2574322C1
RU2574322C1 RU2014147344/28A RU2014147344A RU2574322C1 RU 2574322 C1 RU2574322 C1 RU 2574322C1 RU 2014147344/28 A RU2014147344/28 A RU 2014147344/28A RU 2014147344 A RU2014147344 A RU 2014147344A RU 2574322 C1 RU2574322 C1 RU 2574322C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
scintillating
elements
sets
scintillating elements
axis
Prior art date
Application number
RU2014147344/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виталий Иванович Микеров
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА")
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА")
Application granted granted Critical
Publication of RU2574322C1 publication Critical patent/RU2574322C1/en

Links

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: spectrometric position-sensitive detector comprises a scintillator consisting of three sets of scintillating elements embedded in each other and arranged in parallel to the axis of the device; the outer and middle sets are formed by scintillating fibres made of material which enables to detect slow neutrons, and scintillating elements of the inner set form a cylinder and are in the form of angular sectors of the same size and enable detection of gamma radiation; the number of angular sectors is two or more; each angular sector is provided with a spectrum-shifting fibre which passes through the centre of the angular sector in parallel to the axis of the device; scintillating elements of the middle set are placed inside a tubular neutron retarder which fills the space between the outer and inner sets; a shield which absorbs slow neutrons is placed on the outer surface of the neutron retarder; scintillating elements of all sets and spectrum-shifting fibres of the inner set are provided with light-reflecting covers; the surface of the scintillating elements is coated with a light-permeable coating; opposite ends of each scintillating element of the outer and middle sets, as well as opposite ends of each spectrum-shifting fibre of the inner set are connected by optical connectors to two fibre-optic guides, situated at 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 number of scintillating elements.
EFFECT: simultaneous detection of slow neutrons, epithermal neutrons and gamma radiation at one point on the axis of a downhole device.
1 dwg

Description

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано при создании радиационных детекторов, применяемых, например, в геофизической аппаратуре нейтронного и гамма-каротажа для регистрации и определения пространственного распределения нейтронного и гамма-излучений.The invention relates to the field of registration of ionizing radiation and can be used to create radiation detectors used, for example, in the geophysical apparatus of neutron and gamma-ray logging for registration and determination of the spatial distribution of neutron and gamma radiation.

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 нейтронных источников: ампульных или нейтронных генераторов, излучающих 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 ampoule radiation probes: 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.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.

Распространяясь в породе, быстрые 14 МэВ нейтроны претерпевают упругие и неупругие рассеяния на атомных ядрах породы. В результате упругого рассеяния быстрые нейтроны генератора замедляются и постепенно приходят в тепловое равновесие с породой. Расстояние от мишени генератора, на котором наступает тепловое равновесие, зависит от свойств породы и, в значительной степени, от количества содержащихся в ней водородосодержащих веществ. Тепловые нейтроны диффундируют во все стороны и постепенно поглощаются атомами породы, излучая гамма-кванты радиационного захвата.Propagating in the rock, fast 14 MeV neutrons undergo elastic and inelastic scattering on the atomic nuclei of the rock. As a result of elastic scattering, the fast neutrons of the generator slow down and gradually come into thermal equilibrium with the rock. The distance from the target of the generator at which thermal equilibrium occurs depends on the properties of the rock 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 rock atoms, 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) образуются 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 в определенном месте скважины позволяет определить в этом месте 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 at a specific location in the well, makes it possible to determine the neutron porosity, density and composition of the rock at this location. These characteristics are used to determine the nature of formation saturation (oil, water), their filtration-capacitive properties and oil saturation coefficient.

Часть каротажной аппаратуры, опускаемая в скважину, называется скважинным устройством. Основными элементами типичного многофункционального скважинного устройства ИНК являются: нейтронный источник в виде нейтронного генератора, нейтронные и гамма-детекторы, защитный экран, устанавливаемый между мишенью нейтронного генератора и детекторами гамма-излучения, электронные устройства.The part of the logging equipment lowered into the well is called a downhole device. The main elements of a typical INC multifunctional downhole device are: a neutron source in the form of a neutron generator, neutron and gamma detectors, a protective screen installed between the neutron generator target and gamma radiation detectors, electronic devices.

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.

Из-за разности диаметров скважинного устройства и скважины между их стенками имеется полость, размер которой различен в различных азимутальных направлениях и меняется в процессе каротажа случайным образом. Это приводит к изменению счета детектора зонда, не связанному с характеристиками породы вокруг скважины. Для учета влияния полости используются зонды, содержащие несколько детекторов, расположенные равномерно по окружности вокруг оси скважинного устройства (заявка на патент US 2013/0187035, МПК: G01V 5/08, G01V 5/10, 2013 г.).Due to the difference in diameters of the borehole device and the borehole, there is a cavity between their walls, the size of which is different in different azimuthal directions and varies randomly during logging. This leads to a change in the probe detector count, which is not related to the characteristics of the rock around the well. To account for the influence of the cavity, probes are used that contain several detectors located uniformly around the circumference around the axis of the borehole device (patent application US 2013/0187035, IPC: G01V 5/08, G01V 5/10, 2013).

Применение большого количества многодетекторных зондов разного типа в скважинном устройстве практически неосуществимо. Выходом из положения в данном случае является применение позиционно чувствительного детектора, обеспечивающего одновременно регистрацию нескольких видов излучения, обладающего осевым (однокоординатным) и угловым пространственным разрешением.The use of a large number of multi-detector probes of various types in a downhole device is practically impracticable. The way out in this case is the use of a positionally sensitive detector that simultaneously records several types of radiation with axial (single-coordinate) and angular spatial resolution.

Длина такого детектора должна быть порядка расстояния между обычно применяемыми зондами, состоящими из нескольких одинаковых детекторов, например пропорциональных счетчиков или сцинтилляционных детекторов. Это расстояние обычно составляет несколько десятков сантиметров.The length of such a 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.

Применение детектора, протяженного вдоль оси скважинного устройства, обладающего осевым пространственным разрешением, а также угловым разрешением, обеспечивающим регистрацию нескольких видов излучений в одном месте, позволяет заменить несколько зондов, состоящих из нескольких детекторов, одним устройством, уменьшает длину скважинного устройства. При достаточном пространственном разрешении такой детектор снимает задачу выбора числа и длины зондов, числа детекторов в зондах, повышает точность измерений за счет: измерения нейтронного и гамма-излучений в одном и том же месте скважины, обеспечения осевого и углового разрешения, обеспечения коррекции положения скважинного устройства относительно оси скважины (заявка US 2013/0187035, МПК: G01V 5/08, G01V 5/10, 2013 г.).The use of a detector extended along the axis of a borehole device with an axial spatial resolution and also with an angular resolution that allows recording several types of radiation in one place allows replacing several probes consisting of several detectors with one device, and reduces the length of the downhole device. With sufficient spatial resolution, such a detector removes the problem of choosing the number and length of probes, the number of detectors in the probes, improves the accuracy of measurements by: measuring neutron and gamma radiation at the same location in the well, providing axial and angular resolution, providing correction of the position of the downhole device relative to the axis of the well (application US 2013/0187035, IPC: G01V 5/08, G01V 5/10, 2013).

Известен «Скважинный позиционно-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 "downhole position-sensitive gamma-ray counter", consisting of a cathode casing, along the axis of symmetry of which an anode is placed on the supporting insulators, made in the form of a filament with baffles 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 определить направление, под которым излучение приходит на детектор в плоскости, перпендикулярной оси корпуса-катода (отсутствие азимутального углового разрешения), невозможность одновременной регистрации нескольких видов излучений.The disadvantages of the analogue are the inability to determine the direction under which the radiation arrives at the detector in a plane perpendicular to the axis of the cathode body (lack of azimuthal angular resolution), the inability to simultaneously register several types of radiation.

Известны "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 СА 2798070, МПК G01V 5/10. 2011 г. Аналог.The well-known "Method and apparatus for neutron logging using a position-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 is connected to a corresponding amplitude analyzer and through it to the controller, which serves to for determining the axial position of a detected neutron in relation to the amplitudes of optical signals recorded by photomultipliers Patent CA 2798070, IPC G01V 5/10 2011 A tax.

Недостатком аналога является невозможность определения направления, под которым излучение приходит на детектор в плоскости, перпендикулярной оси детектора (отсутствие азимутального углового разрешения), а также невозможность одновременной регистрации нескольких видов излучений.The disadvantage of the analogue is the impossibility of determining the direction under which the radiation arrives at the detector in a plane perpendicular to the axis of the detector (lack of azimuthal angular resolution), as well as the impossibility of simultaneously registering several types of radiation.

Известны «Азимутально чувствительные гамма-детекторы», включающие сцинтиллятор, форма которого обеспечивает азимутальную чувствительность относительно оси скважины, или множество сцинтилляторов, разделенных отражающим материалом, помещенным между сцинтилляторами, каждый сцинтиллятор находится в оптическом контакте с фотодетектором. Заявка Норвегии NО 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 20120033, IPC: G01V 5/10, 2012. Prototype.

Недостатком прототипа является невозможность одновременной регистрации тепловых и эпитепловых нейтронов, а также гамма-излучения в одном месте вдоль оси скважинного устройства.The disadvantage of the prototype is the inability to simultaneously register thermal and epithermal neutrons, as well as gamma radiation in one place along the axis of the downhole device.

Техническим результатом изобретения является возможность одновременной регистрации тепловых и эпитепловых нейтронов, а также гамма-излучения в одном месте на оси скважинного устройства.The technical result of the invention is the ability to simultaneously register thermal and epithermal neutrons, as well as gamma radiation in one place on the axis of the downhole device.

Технический результат достигается тем, что в спектрометрическом позиционно-чувствительный детекторе, содержащем сцинтиллятор, находящийся в оптическом контакте с фотоприемником, сцинтиллятор состоит из трех вложенных друг в друга наборов сцинтиллирующих элементов, расположенных параллельно оси устройства, внешний и средний наборы образованы сцинтиллирующими волокнами из материала, обеспечивающего регистрацию тепловых нейтронов, а сцинтиллирующие элементы внутреннего набора образуют цилиндр и выполнены в форме одинаковых по размеру угловых секторов и обеспечивают регистрацию гамма-излучения, количество угловых секторов составляет два и более, каждый угловой сектор снабжен спектросмещающим волокном, проходящим через центр углового сектора параллельно оси устройства, сцинтиллирующие элементы среднего набора помещены внутрь нейтронного замедлителя трубчатой формы, заполняющего пространство между внешним и внутренним наборами, на внешней поверхности нейтронного замедлителя расположен экран, поглощающий тепловые нейтроны, сцинтиллирующие элементы всех наборов и спектросмещающие волокна внутреннего набора снабжены светоотражающими оболочками, на поверхность сцинтиллирующих элементов нанесено светонепроницаемое покрытие, противоположные торцы каждого сцинтиллирующего элемента внешнего и среднего наборов, а также противоположные торцы каждого спектросмещающего волокна внутреннего набора 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 числа сцинтиллирующих элементов.The technical result is achieved in that in a spectrometric position-sensitive detector containing a scintillator in optical contact with the photodetector, the scintillator consists of three sets of scintillating elements nested in parallel to each other, the outer and middle sets are made up of scintillating fibers of material providing registration of thermal neutrons, and the scintillating elements of the internal set form a cylinder and are made in the form of identical size ru of angular sectors and ensure registration of gamma radiation, the number of angular sectors is two or more, each angular sector is equipped with a spectroscopic fiber passing through the center of the angular sector parallel to the axis of the device, scintillating elements of the middle set are placed inside a neutron moderator of a tubular shape filling the space between the external and internal screens, on the outer surface of the neutron moderator is a screen that absorbs thermal neutrons, scintillating elements of all s and the spectroscopic fibers of the inner set are provided with reflective sheaths, a lightproof coating is applied to the surface of the scintillating elements, the opposite ends of each scintillating element of the outer and middle sets, as well as the opposite ends of each spectroscopic fibers of the inner set are connected via optical connectors with two fiber optical fibers located on the opposite side in optical contact with two matrix photodetectors, the number of photosensitive nyh elements each of which is equal to or greater than the number of scintillator elements.

На чертеже схематично показано устройство детектора для одновременной регистрации тепловых и эпитепловых нейтронов, а также гамма-излучения, где:The drawing schematically shows a detector device for the simultaneous registration of thermal and epithermal neutrons, as well as gamma radiation, where:

1, 5 - внешний и средний наборы сцинтиллирующих элементов для регистрации тепловых нейтронов;1, 5 - external and average sets of scintillating elements for detecting thermal neutrons;

2 - волоконные световоды;2 - fiber optical fibers;

3 - матричные фотоприемники;3 - matrix photodetectors;

4 - оптические соединители;4 - optical connectors;

6 - внутренний набор сцинтиллирующих элементов для регистрации гамма-излучения;6 - an internal set of scintillating elements for detecting gamma radiation;

7 - спектросмещающие волокна;7 - spectroscopic fibers;

8 - нейтронный замедлитель;8 - neutron moderator;

9 - экран для поглощения тепловых нейтронов.9 is a screen for absorbing thermal neutrons.

Справа на чертеже показано поперечное сечение устройства.The right side of the drawing shows a cross section of the device.

Устройство содержит: наборы сцинтиллирующих элементов 1, 5 и 6, спектросмещающие волокна 7, проходящие через центры сцинтиллирующих элементов набора 6, волоконные световоды 2, оптические соединители 4, матричные фотоприемники 3, каждый из которых состоит из набора фоточувствительных элементов (на чертеже не показаны), нейтронный замедлитель 8 и экран 9 для поглощения тепловых нейтронов.The device contains: sets of scintillating elements 1, 5 and 6, spectroscopic fibers 7 passing through the centers of scintillating elements of set 6, fiber optical fibers 2, optical connectors 4, photodetector arrays 3, each of which consists of a set of photosensitive elements (not shown in the drawing) , neutron moderator 8 and screen 9 for absorption of thermal neutrons.

Сцинтиллирующие элементы в наборах 1, 5 и 6 располагаются параллельно оси устройства.Scintillating elements in sets 1, 5 and 6 are parallel to the axis of the device.

Сцинтиллирующие элементы в наборах 1 и 5 изготавливаются из сцинтиллирующего волокна, обеспечивающего регистрацию тепловых нейтронов, например из литиевого стекла. Количество сцинтиллирующих элементов в наборах 1 и 5 определяется отношением длины окружности, на которой они находятся к поперечному сечению используемого сцинтиллирующего волокна.The scintillating elements in sets 1 and 5 are made of scintillating fiber, which provides registration of thermal neutrons, for example, lithium glass. The number of scintillating elements in sets 1 and 5 is determined by the ratio of the circumference on which they are to the cross section of the scintillating fiber used.

В настоящее время изготавливаются волоконные сцинтиллирующие элементы различного поперечного сечения: круглые, квадратные и прямоугольные. Размер поперечного сечения обычно не превышает нескольких миллиметров.Currently, fiber scintillating elements of various cross sections are manufactured: round, square and rectangular. The cross-sectional size usually does not exceed a few millimeters.

Возможная длина устройства определяется минимальной длиной ослабления света в волоконных сцинтиллирующих элементах или спектросмещающих волокнах, которая достигает около 100 см.The possible length of the device is determined by the minimum length of attenuation of light in fiber scintillating elements or spectroscopic fibers, which reaches about 100 cm.

Сцинтиллирующие элементы внутреннего набора 6 образуют цилиндр, выполнены в форме одинаковых по размеру угловых секторов этого цилиндра, изготавливаются из сцинтиллятора, обеспечивающего регистрацию гамма-излучения, например, NaI, BGO и др.The scintillating elements of the inner set 6 form a cylinder, are made in the form of equal-sized angular sectors of this cylinder, are made of a scintillator that provides registration of gamma radiation, for example, NaI, BGO, etc.

В случае, когда диаметр цилиндра, составленного из сцинтиллирующих элементов, входящих в набор 6, составляет не менее 2,5 см, возможно определение энергии гамма-квантов путем суммирования сигналов, поступивший со всех сцинтиллирующих элементов внутреннего набора 6 практически в одно и то же время (от одного и того же гамма-кванта).In the case when the diameter of the cylinder composed of scintillating elements included in set 6 is at least 2.5 cm, it is possible to determine the energy of gamma rays by summing the signals received from all the scintillating elements of the inner set 6 almost at the same time (from the same gamma ray).

Минимальное количество угловых секторов, обеспечивающее информацию об азимутальном распределении гамма-излучения, приходящего из стенок скважины на устройство, составляет два. Использование большего количества сцинтиллирующих элементов повышает точность определения азимутального распределения.The minimum number of angular sectors providing information about the azimuthal distribution of gamma radiation coming from the walls of the well to the device is two. The use of more scintillating elements increases the accuracy of determining the azimuthal distribution.

Сцинтиллирующие элементы внутреннего набора 6 снабжены спектросмещающими волокнами 7, проходящими в каждом угловом секторе через его центр параллельно оси устройства, что требуется для более полного сбора фотонов от сцинтилляционной вспышки, возникшей с сцинтиллирующем элементе.The scintillating elements of the inner set 6 are equipped with spectroscopic fibers 7 passing in each corner sector through its center parallel to the axis of the device, which is required for a more complete collection of photons from the scintillation burst that arose with the scintillating element.

Угловое разрешение устройства для того или иного излучения (тепловых или эпитепловых нейтронов, гамма-излучения) определяется отношением поперечного сечения сцинтиллирующего элемента соответствующего набора к радиусу окружности, на которой находятся сцинтиллирующие элементы. При поперечном сечении сцинтиллирующих элементов набора 1 или набора 5, составляющем 1 мм, и радиусе окружности, на которой эти элементы находятся, например, 20 мм угловое разрешение при регистрации тепловых или эпитепловых нейтронов составляет 1/20 радиана или лучше 3°.The angular resolution of the device for a particular radiation (thermal or epithermal neutrons, gamma radiation) is determined by the ratio of the cross section of the scintillating element of the corresponding set to the radius of the circle on which the scintillating elements are located. With a cross section of scintillating elements of set 1 or set 5 of 1 mm and the radius of the circle on which these elements are located, for example, 20 mm, the angular resolution for detecting thermal or epithermal neutrons is 1/20 radian or better than 3 °.

Для улучшения светосбора и увеличения доли света, переносимого на торцы сцинтиллирующих элементов наборов 1 и 5, а также на торцы спектросмещающих волокон 7, сцинтиллирующие элементы наборов 1 и 5, а также спектросмещающие волокна 7 снабжены отражающей оболочкой (одно- и двухслойной), из материала с меньшим, чем у них, 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, MПK:G01T 1/20, 2008 г.).To improve light collection and increase the proportion of light transferred to the ends of the scintillating elements of sets 1 and 5, as well as to the ends of the spectroscopic fibers 7, the scintillating elements of sets 1 and 5, as well as the spectroscopic fibers 7, are equipped with a reflective sheath (single and double layer), made of material with a lower refractive index than theirs, 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 .. Rostranstvennogo, spectrometric and temporal resolution radiation detectors Izvestiya RAN: Physics, 2009, Volume 73, №10, from 1451-1456, the Russian Patent №2411543, MPK:. G01T 1/20, 2008).

Для предотвращения попадания света от сцинтилляционной вспышки, возникшей в сцинтиллирующем элементе наборов 1, 5 и 6, в соседние сцинтиллирующие элементы их поверхность дополнительно покрывают светонепроницаемым тонким покрытием, например, из алюминия, двуокиси титана, окиси магния.To prevent light from the scintillation burst that occurred in the scintillating element of kits 1, 5 and 6 from entering the neighboring scintillating elements, their surface is additionally coated with a light-proof thin coating, for example, aluminum, titanium dioxide, magnesium oxide.

Противоположные торцы каждого сцинтиллирующего элемента наборов 1 и 5, а также противоположные торцы каждого спектросмещающего волокна 7 внутреннего набора 6 соединены с помощью оптических соединителей 4 с двумя волоконными световодами 2 с оптическим контактом. Оптические соединители 4 обеспечивают механическую связь торцов сцинтиллирующих элементов, а также торцов спектросмещающих волокон с торцами волоконных световодов.The opposite ends of each scintillating element of sets 1 and 5, as well as the opposite ends of each spectroscopic fiber 7 of the inner set 6 are connected using optical connectors 4 with two optical fibers 2 with an optical contact. Optical connectors 4 provide a mechanical connection of the ends of the scintillating elements, as well as the ends of the spectroscopic fibers with the ends of the optical fibers.

Волоконные световоды 2 изготавливаются обычно из стекла или пластмассы со светоотражающими и светопоглощающими покрытиями, выполняющими ту же роль, что и в случае волоконных сцинтиллирующих элементов или спектросмещающих волокон. Торцы каждого из волоконных световодов 2 соединены с матричными фотоприемниками 3 с оптическим контактом.Fiber optical fibers 2 are usually made of glass or plastic with reflective and light-absorbing coatings that fulfill the same role as in the case of fiber scintillating elements or spectroscopic fibers. The ends of each of the optical fibers 2 are connected to the matrix photodetectors 3 with an optical contact.

Матричные фотоприемники 3 содержат фоточувствительные элементы, в качестве которых могут использоваться фотодиоды, например кремниевые фотоумножители или элементы двухкоординатных фотоумножителей. Общее число фоточувствительных элементов в каждом матричном фотоприемнике 3 должно быть не меньше числа сцинтиллирующих элементов.Matrix photodetectors 3 contain photosensitive elements, which can be used photodiodes, such as silicon photomultipliers or elements of two-coordinate photomultipliers. The total number of photosensitive elements in each matrix photodetector 3 should be not less than the number of scintillating elements.

Фоточувствительные элементы матричных фотоприемников 3 и сцинтиллирующие элементы, входящие в наборы 1, 5, 6, заранее пронумерованы. Также заранее определено, к каким двум фоточувствительным элементам двух противоположно установленных матричных фотоприемников приходят фотоны от того или иного сцинтиллирующего элемента.The photosensitive elements of the matrix photodetectors 3 and the scintillating elements included in sets 1, 5, 6 are numbered in advance. It is also predetermined which two photosensitive elements of two oppositely mounted matrix photodetectors receive photons from one or another scintillating element.

Сцинтиллирующие элементы, входящие в средний набор 5, помещены в нейтронный замедлитель 8 трубчатой формы, заполняющим пространство между внешним набором 1 и внутренним набором 6. На внешней поверхности нейтронного замедлителя расположен экран 9, поглощающий тепловые нейтроны. Толщина слоя нейтронного замедлителя 8 выбирается из условия замедления эпитепловых нейтронов до энергии тепловых нейтронов и в случае полиэтилена составляет около 1 см.The scintillating elements included in the middle set 5 are placed in a tube-shaped neutron moderator 8 filling the space between the external set 1 and the internal set 6. A screen 9 is absorbed by the thermal neutrons on the outer surface of the neutron moderator. The thickness of the layer of neutron moderator 8 is selected from the condition of deceleration of epithermal neutrons to the energy of thermal neutrons and in the case of polyethylene is about 1 cm

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

На детектор падают тепловые и эпитепловые нейтроны, а также гамма-излучение, выходящие из стенок скважины. Интенсивность этих излучений имеет осевое и азимутальное распределение. Осевое распределение связано с слоевой структурой породы, окружающей скважину. Азимутальное распределение вызвано в основном несимметричным положением скважинного устройства по отношению к скважине.Thermal and epithermal neutrons are incident on the detector, as well as gamma radiation coming out of the borehole walls. The intensity of these emissions has an axial and azimuthal distribution. The axial distribution is associated with the layer structure of the rock surrounding the well. The azimuthal distribution is caused mainly by the asymmetric position of the downhole device with respect to the well.

Тепловые нейтроны, попавшие в сцинтиллирующие элементы внешнего набора 1, поглощаются в них, вызывая сцинтилляционные вспышки. Те тепловые нейтроны, которые прошли через сцинтиллирующие элементы внешнего набора 1 внутрь детектора не поглотившись, поступают на экран 9 и поглощаются в нем.Thermal neutrons trapped in the scintillating elements of external set 1 are absorbed in them, causing scintillation bursts. Those thermal neutrons that passed through the scintillating elements of the external set 1 into the detector without being absorbed enter the screen 9 and are absorbed in it.

Эпитепловые нейтроны в основном проходят через сцинтиллирующие внешнего набора 1 и экран 9 не поглотившись из-за того, что их энергия существенно больше энергии тепловых нейтронов, а сечение захвата, соответственно, меньше. Эпитепловые нейтроны поступают в замедлитель 8, где, рассеиваясь, теряют энергию (замедляются) и становятся тепловыми, распространяются во все стороны и частично попадают на сцинтиллирующие элементы среднего набора 5, где регистрируются.Epithermal neutrons mainly pass through scintillating outer set 1 and screen 9 without being absorbed due to the fact that their energy is significantly higher than the thermal neutron energy, and the capture cross section is correspondingly smaller. Epithermal neutrons enter the moderator 8, where they dissipate, lose energy (slow down) and become thermal, propagate in all directions and partially fall on the scintillating elements of the middle set 5, where they are recorded.

Фотоны от сцинтилляционных вспышек, возникших в сцинтиллирующих элементах наборов 1 и 5 наборов, с помощью светоотражающей оболочки транспортируются к их торцам.Photons from scintillation flares that have arisen in the scintillating elements of sets 1 and 5 of the sets are transported by means of a reflective shell to their ends.

Гамма-излучение мало ослабляется в сцинтиллирующих элементах наборов 1 и 5, а также в экране 9 и замедлителе 8 и проходит на сцинтиллирующие элементы внутреннего набора 6, предназначенные для регистрации гамма-квантов. Фотоны от сцинтилляционных вспышек, возникших в сцинтиллирующих элементах внутреннего набора 6 под действием гамма квантов, распространяются во всех стороны, отражаются от стенок сцинтиллирующих элементов внутреннего набора 6 и частично попадают на спектросмещающие волокна 7, где поглощаются. При поглощении квантов света от сцинтилляционной вспышки спектросмещающее волокно 7 излучает кванты света несколько меньшей энергии, которые с помощью светоотражающей оболочки транспортируются к торцам спектросмещающего волокна 7.Gamma radiation is slightly attenuated in the scintillating elements of sets 1 and 5, as well as in the screen 9 and moderator 8, and passes to the scintillating elements of the internal set 6, designed to detect gamma rays. Photons from scintillation flashes arising in the scintillating elements of the inner set 6 under the action of gamma quanta propagate in all directions, are reflected from the walls of the scintillating elements of the inner set 6 and partially fall on the spectroscopic fibers 7, where they are absorbed. When absorbing light quanta from a scintillation flash, the spectroscopic fiber 7 emits light quanta of slightly lower energy, which are transported by means of a reflective sheath to the ends of the spectroscopic fiber 7.

Светопоглощающее покрытие, нанесенное на сцинтиллирующие элементы наборов 1 и 5, и светоотражающее покрытие, нанесенное на сцинтиллирующие элементы внутреннего набора 6, препятствуют прохождению сцинтилляционных фотонов из одного сцинтиллирующего элемента в другой, предотвращая связанное с этим прохождением ухудшение пространственного разрешения устройства.The light-absorbing coating applied to the scintillating elements of sets 1 and 5 and the light-reflecting coating applied to the scintillating elements of the inner set 6 prevent the scintillation photons from passing from one scintillating element to another, preventing the spatial resolution of the device associated with this passage.

Фотоны, дошедшие до торцов сцинтиллирующих элементов наборов 1 и 5 и торцов спектросмещающих волокон 7, через оптические соединители 4, соединенные с оптическим контактом с волоконными световодами 2, переносятся по ним на фоточувствительные элементы матричных фотоприемников 3, где и регистрируются, вызывая электрический сигнал.Photons reaching the ends of the scintillating elements of sets 1 and 5 and the ends of the spectroscopic fibers 7, through optical connectors 4 connected to the optical contact with the optical fibers 2, are transferred through them to the photosensitive elements of the matrix photodetectors 3, where they are recorded, causing an electrical signal.

При регистрации электрический сигнал, поступивший с противоположных торцов сцинтиллирующих элементов наборов 1 и 5 и спектросмещающих волокон 7, анализируется и затем суммируется. По соотношению амплитуд сигналов, полученных с противоположных торцов, определяется осевая координата взаимодействия излучения. 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, the electrical signal from the opposite ends of the scintillating elements of sets 1 and 5 and the spectroscopic fibers 7 is analyzed and then summed. The ratio of the amplitudes of the signals received from opposite ends determines the axial coordinate of the radiation interaction. 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 азимутальному распределению суммарного сигнала, поступившего с различных сцинтиллирующих элементов наборов 1, 5 и 6, определяется азимутальное распределение соответствующих излучений, которое используется для определения положения скважинного устройства по отношению к скважине, а затем для коррекции интенсивности сигналов от сцинтиллирующих элементов (заявка на патент US 2013/0187035, МПК: G01V 5/08, G01V 5/10, 2013 г.).The azimuthal distribution of the total signal from various scintillating elements of sets 1, 5 and 6 determines the azimuthal distribution of the corresponding radiation, which is used to determine the position of the downhole device relative to the well, and then to correct the intensity of the signals from the scintillating elements (US patent application 2013/0187035, IPC: G01V 5/08, G01V 5/10, 2013).

Сигнал, полученный суммированием сигналов, поступивших со всех сцинтиллирующих элементов внутреннего набора 6 от одного гамма-кванта, т.е практически одновременно, используется для оценки энергии гамма-кванта и определения спектра гамма-излучения.The signal obtained by summing the signals received from all the scintillating elements of internal set 6 from one gamma quantum, i.e., almost simultaneously, is used to estimate the energy of the gamma quantum and determine the spectrum of gamma radiation.

Claims (1)

Спектрометрический позиционно-чувствительный детектор, содержащий сцинтиллятор, находящийся в оптическом контакте с фотоприемником, отличающийся тем, что сцинтиллятор состоит из трех вложенных друг в друга наборов сцинтиллирующих элементов, расположенных параллельно оси устройства, внешний и средний наборы образованы сцинтиллирующими волокнами из материала, обеспечивающего регистрацию тепловых нейтронов, а сцинтиллирующие элементы внутреннего набора образуют цилиндр и выполнены в форме одинаковых по размеру угловых секторов и обеспечивают регистрацию гамма-излучения, количество угловых секторов составляет два и более, каждый угловой сектор снабжен спектросмещающим волокном, проходящим через центр углового сектора параллельно оси устройства, сцинтиллирующие элементы среднего набора помещены внутрь нейтронного замедлителя трубчатой формы, заполняющего пространство между внешним и внутренним наборами, на внешней поверхности нейтронного замедлителя расположен экран, поглощающий тепловые нейтроны, сцинтиллирующие элементы всех наборов и спектросмещающие волокна внутреннего набора снабжены светоотражающими оболочками, на поверхность сцинтиллирующих элементов нанесено светонепроницаемое покрытие, противоположные торцы каждого сцинтиллирующего элемента внешнего и среднего наборов, а также противоположные торцы каждого спектросмещающего волокна внутреннего набора 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 числа сцинтиллирующих элементов. A spectrometric position-sensitive detector containing a scintillator in optical contact with a photodetector, characterized in that the scintillator consists of three sets of scintillating elements nested in each other parallel to the axis of the device, the outer and middle sets are made up of scintillating fibers made of a material that records thermal neutrons, and the scintillating elements of the internal set form a cylinder and are made in the form of equal-sized angular sectors and provide registration of gamma radiation, the number of angular sectors is two or more, each angular sector is equipped with a spectroscopic fiber passing through the center of the angular sector parallel to the axis of the device, scintillating elements of the middle set are placed inside the tube-shaped neutron moderator, filling the space between the external and internal sets, on the outer surface of the neutron moderator is a screen that absorbs thermal neutrons, scintillating elements of all sets and spectroscopic the loca of the inner set are provided with reflective shells, a lightproof coating is applied to the surface of the scintillating elements, the opposite ends of each scintillating element of the outer and middle sets, as well as the opposite ends of each spectroscopic fiber of the inner set, are connected via optical connectors to two optical fibers located on the opposite side in optical contact with two matrix photodetectors, the number of photosensitive elements in each of which is equal to or greater than the number of scintillating elements.
RU2014147344/28A 2014-11-25 Spectrometric position-sensitive detector RU2574322C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2574322C1 true RU2574322C1 (en) 2016-02-10

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2262720C1 (en) * 2004-02-20 2005-10-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Оренбургский государственный университет" Spectrum-zonal x-ray detector
US7521686B2 (en) * 2007-08-17 2009-04-21 Trinity Engineering Associates, Inc. Intrinsically directional fast neutron detector
US20100127177A1 (en) * 2008-11-24 2010-05-27 Schmitt William M Discrimination-enhanced fiber-optic scintillator radiation detector
RU2441256C2 (en) * 2010-04-29 2012-01-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Scintillation detector electronic and beta-radiation

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2262720C1 (en) * 2004-02-20 2005-10-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Оренбургский государственный университет" Spectrum-zonal x-ray detector
US7521686B2 (en) * 2007-08-17 2009-04-21 Trinity Engineering Associates, Inc. Intrinsically directional fast neutron detector
US20100127177A1 (en) * 2008-11-24 2010-05-27 Schmitt William M Discrimination-enhanced fiber-optic scintillator radiation detector
RU2441256C2 (en) * 2010-04-29 2012-01-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Scintillation detector electronic and beta-radiation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6580079B1 (en) Method to measure hydrogen-bearing constituent in a material using neutron spectroscopy
WO2018005940A1 (en) Pixelated gamma detector
NO346014B1 (en) Apparatus and method for detecting radiation comprising neutrons and gamma rays
KR102010151B1 (en) Muon detector and muon detecting system having the same
Abbas et al. Calibration of а single hexagonal NaI (Tl) detector using a new numerical method based on the efficiency transfer method
CN112997102A (en) Radiation detection system and method
Aguilar-Arevalo et al. Detector for measuring the π+→ e+ νe branching fraction
US20220381942A1 (en) Methods and Means for Neutron Imaging Within a Borehole
Madden et al. An imaging neutron/gamma-ray spectrometer
RU2008152191A (en) DEVICE AND METHOD FOR GAMMA RADIATION REGISTRATION
US3602713A (en) Passive moisture meter
RU2574322C1 (en) Spectrometric position-sensitive detector
Jackson et al. Testing of a scintillator and fibre optic based radiation sensor
JP6014388B2 (en) Radioactive leakage water monitoring system and radioactive leakage water monitoring method
RU153278U1 (en) POSITIVE SENSITIVE DETECTOR FOR SIMULTANEOUS RECORDING OF NEUTRON AND GAMMA OF RADIATIONS
RU154865U1 (en) POSITIVE SENSITIVE DETECTOR FOR SIMULTANEOUS RECORDING OF NEUTRON AND GAMMA OF RADIATIONS
US9702984B1 (en) Long-distance transmission of light in a scintillator-based radiation detector
RU2574415C1 (en) Spectrozonal position-sensitive gamma radiation detector
RU2574323C1 (en) Cylindrical position-sensitive detector
RU2308056C1 (en) Scintillation detector
JP2012242369A (en) Radiation detector
RU166127U1 (en) POSITIVE-SENSITIVE DETECTOR
RU2190240C2 (en) Scintillation detector
RU2578048C1 (en) Device for radiation density measurement
Hennig et al. Digital pulse shape analysis with phoswich detectors to simplify coincidence measurements of radioactive xenon