CC BY
144
УДК 543.54 + 550.8
СТАБИЛИЗАЦИЯ ОТКЛИКА ПОЛЕВОГО ГАММА-СПЕКТРОМЕТРА
Борис Григорьевич Титов
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, старший научный сотрудник лаборатории 408, тел. (383)333-26-04, e-mail: TitovBG@ipgg.sbras.ru
Владимир Матвеевич Грузное
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, доктор технических наук, заместитель директора по научной работе, тел. (383)333-27-11, e-mail: GruznovWM@ipgg.sbras.ru
Приведен анализ необходимых параметров портативного гамма-спектрометра для полевой радиометрической съемки. Реализована стабилизация отклика гамма-спектрометра на основе BGO кристалла при изменении температуры окружающей среды в интервале от -30 до +40 оС. Достигнутая стабильность работы прибора обеспечивает режим съемки в движении в полевых условиях, что экспериментально подтверждено картированием съемки на площадях в Советском районе г. Новосибирска и Алтайском крае.
Ключевые слова: гамма-спектрометр, естественная радиоактивность, радиометрическая съемка.
STABILIZATION OF THE FIELD GAMMA SPECTROMETER RESPONSE
Boris G. Titov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Senior Research Scientist, lab. 408, tel. (383)333-26-04, e-mail: Ti-tovBG@ipgg.sbras.ru
Vladimir M. Gruznov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Doctor of Science, Deputy Director for Science, tel. (383)333-27-11, e-mail: GruznovWM@ipgg.sbras.ru
Parameters of a portable gamma spectrometer required for conducting field radiometric survey are analyzed. Response of the BGO crystal-based gamma spectrometer with the ambient temperature changed from - 30 to +40 о С is stabilized. The device stability achieved allows one to conduct field survey on the move, which is verified by mapping the results of the survey conducted within Novosibirsk, Soviet district, and the Altai Territory.
Key words: gamma spectrometer, natural radioactivity, radiometric survey.
Анализ результатов радиометрических съемок показывает высокую прогнозно-оценочную эффективность применения этих методов при поиске углеводородных месторождений. Данные о содержании радиоактивных элементов в приповерхностном слое могут служить критерием для прогноза нефтегазонос-ности геологических структур. Набор и качество радиационных признаков, указывающих на месторождение, варьируются от месторождения к месторожде-
нию и до конца не изучены. Постоянным параметром является повышенная аномальность радиационных полей и совпадение контуров радиационных аномалий на поверхности с контурами нефтеносных коллекторов [1].
Изучение связи распределения радиоактивных элементов в приповерхностном слое с нефтегазовыми месторождениями возможно при использовании высокоточной аппаратуры (гамма-спектрометров, термолюминесцентных дозиметров и др.).
С помощью высокочувствительного гамма-спектрометра выявлена отрицательная аномалия урана, тория и калия над месторождениями Хелец и Кохов в Израиле. То же самое выявлено и для ряда месторождений в Сибири.
Выпускаемые в России и за рубежом портативные гамма-спектрометры, например, Гамма- 1С^, РГП-301, ОЯ-Ш (БвО), и GR-130G (№1) ориентированы в основном на использование в атомной энергетике для определения высокоактивных искусственных изотопов и не оптимизированы для проведения геофизических работ, как технически, так и функционально.
В настоящее время есть все предпосылки к созданию современных полевых портативных гамма-спектрометров для геофизического применения с лучшими характеристиками, чем у существующих отечественных и зарубежных аналогов.
Полевой гамма-спектрометр должен представлять собой функционально законченное изделие, оптимизированное для проведения радиационной съемки при выполнении геофизических работ по поиску залежей углеводородов.
В современных условиях при радиометрической съемке необходимо обеспечивать измерение значений интегральной и удельных активностей радионуклидов и, ТИ, К в условиях естественного залегания, топографическую и временную привязку результатов измерений по системе ОРБ/ГЛОНАС с одновременным отображением на экране оператора энергетических спектров, распределения общей и удельной радиоактивности И, ТИ, К на маршруте и их соотношений.
Современный гамма-спектрометр для геофизических работ должен обеспечивать пешеходную и автомобильную съемку в движении и на точках стояния, иметь постоянство метрологических характеристик в расширенном диапазоне температур (от -40 до +50 °С).
Особое внимание должно уделяться минимизации его энергопотребления и массогабаритных характеристик.
Условия эксплуатации накладывают дополнительные требования к чувствительности и точности измерения кларковых содержаний при пешеходной и автомобильной съемках и отображению результата съемки на экране оператора.
В статье приведены результаты исследований по созданию и опробованию в полевых условиях программно-алгоритмического макета современного гамма-спектрометра с компенсацией температурной зависимости отклика сцин-тиллятора. Разработано и отлажено программное обеспечение макета, реализующее алгоритм компенсации температурной зависимости отклика и управления работой модуля сцинтиблока и модуля определения координат по проводной и
беспроводной линиям передачи данных с помощью внешнего управляющего компьютера.
Помимо стандартных технических решений, имеющихся в типовых спектрометрах, в программно-алгоритмический макет спектрометра введены новые технические решения, обеспечивающие адаптивную компенсацию температурной зависимости сцинтиллятора, отображение результата съемки в виде карты с нанесенными значениями интенсивности гамма-поля и его компонент (содержания урана, тория и калия) и интерпретационных параметров поиска залежей углеводородов. Новые принципы, заложенные в техническое решение, такие как тип и размер сцинтилляционного кристалла, модульный принцип построения, наличие проводного и беспроводного каналов связи, совместное отображение топографической карты и карты измеренных параметров гамма-поля, позволили улучшить эксплуатационные параметры макета спектрометра и качество выдаваемой информации непосредственно в полевых условиях.
Установлено, что сцинтиллятор BGO имеет максимальный световыход, равный 1 отн. ед. при температуре -80 °С, это соответствует максимальному световыходу сцинтиллятора при температуре +30 °С.
В интервале температур от -30 °С до +50 °С световыход J(Т) BGO изменяется от 0,83 отн. ед. до 0,33 отн. ед. и хорошо описывается линейной функцией типа J(Т) = Ы^+Ь, где J0 - световыход при температуре +20 °С, Т= текущая температура в градусах Цельсия, k = - 0,0129, Ь = 1,2605.
Такое изменение световыхода приводит к сдвигу положения регистрируемых фотопиков в спектре и вносит ошибку в измерения, проведенные при разных температурах. Наибольшие искажения в спектр вносятся при резком изменении температуры сцинтиллятора во время длительных измерений, при этом ухудшается энергетическое разрешение детектора, появляются ложные пики.
Стабилизация работы гамма-спектрометра в этом случае должна происходить по трем каналам путем:
• облучения области фотокатода и динодной системы ФЭУ нормированным импульсом света от светодиода, сравнения амплитуды электрического импульса на выходе ФЭУ с эталонным, заранее установленным значением, занесенным в память электронной схемы. В случае расхождения автоматически изменяется коэффициент усиления предусилителя ФЭУ, так, чтобы амплитуда импульса, полученного от светодиода, была постоянна и соответствовала эталонному значению (оптической канал стабилизации);
• измерения температуры сцинтиллятора специальным температурным датчиком и установления по его показаниям из заранее определенной таблицы такого коэффициента усиления предусилителя ФЭУ, при котором положение линий в спектре было бы постоянно (температурный канал стабилизации);
• вычисления в процессе работы спектрометра каждые 5 минут положения линий калия Е=1452 кэВ и тория Е=2600 кэВ в спектре и при их смещении производство корректировки (программный канал стабилизации).
Для дополнительного уменьшения температурных искажений спектра целесообразно ограничивать теплообмен сцинтиллятора BGO с внешней средой
путем помещения его в защитный кожух из теплоизолирующего материала толщиной 10-20 мм.
Введение такой стабилизации в экспериментальный макет гамма-спектрометра со сцинтиллятором BGO размером 63х63 мм позволило обеспечить энергетическое разрешение спектрометра для линии E=662 кэВ изотопа Cs-137, равным 9,8 % для интервала температур от -30 °С до +50 °С. Относительное смещение линии Cs-137 (E=662 кэВ) в набираемом спектре при этом составило менее 1 % .
Темп охлаждения гамма-спектрометра m для перепада температур от + 27 °С до -11°С составил 9,06х10-5 1/c, что обеспечивает стабильную работу спектрометра в полевых условиях.
В результате полевых испытаний получены карты интенсивности гамма-поля естественной радиоактивности на территории Советского района и Алтайского края, подтверждена высокая стабильность работы макета спектрометра и работоспособность заложенных в макет алгоритмов стабилизации, измерения и отображения. Повторяемость результата измерения по одному и тому же маршруту в пределах статистической погрешности измерения. Карта изменения интенсивности гамма поля и его компонент, а также интерпретационные параметры отображались непосредственно в процессе измерения в режиме on-line. Отчет по результатам измерений получен сразу по окончанию съемки на маршруте.
Экспериментально подтверждена возможность гамма-съемки с автомобиля в движении со скоростями от 10 до 80 км/час. Дискретность съемки маршрута в движении составила: для пешеходной съемки со скоростью 3,6 км/час от 10 до 100 м; для автомобильной съемки со скоростями от 36 км/час до 72 км/час дискретность измерения не более 100 - 2000 метров. Для более детальной съемки требуется измерение при малых скоростях. При этом в зоне тория за время единичного измерения набиралось не менее 100 импульсов, что достаточно для вычисления интерпретационных параметров Th/U и DRAD [2].
На примере измерения интенсивности гамма-поля естественной радиоактивности и его компонент (U, Th, K) вдоль профиля длиной 50 км показана перспективность отображения параметров гамма-поля и интерпретационного параметра DRAD в режиме on-line. Результат измерений показан на рис. 1. Положительные значения DRAD показывают области с аномальными значениями естественной радиоактивности, которые могут быть порождены залежами углеводородов. Измерения проводились c помощью макета гамма-спектрометра, расположенного на автомобиле в движении. Средняя скорость движения -80 км/час. Усреднение величины гамма-поля осуществлялось для участков длиной 2,5 км.
В качестве экспресс-оценки в программно-алгоритмическом макете созданного гамма-спектрометра могут быть использованы и другие интерпретационные параметры, получаемые из измеряемых величин гамма-поля, например, нарушение корреляционных связей между U и K, наличие кольцевых аномалий и осциллирующих отклонений от среднего для измеряемого гамма-поля.
0 10 20 30 40 50 (км)
INT DRAD
Рис. 1. Результат изменения интенсивности поля естественной радиоактивности (INT), его компонент (U, Th, K) и параметра DRAD
вдоль профиля длиной 50 км
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Соболев И.С. Методы радиогеохимии при наземных поисках месторождений нефти и газа // Известия Томского политехнического университета. - 2007. - Т. 311, № 1. - С. 90-96.
2. Saunders D.F., Burson K.R., Branch J.F., Thomson C.K. Relation of thorium-normalized surface and aerial radiometric data to subsurface petroleum accumulations // Geophysics. - 1993. -V. 58, Issue 10. - P. 1417-1427.
© Б. Г. Титов, В. М. Грузное, 2015
