Устройство датчиков. Устройство сцинтилляционного детектора гамма-излучения с фотоэлектронным умножителем

 

Сцинтилляционный детектор (счетчик) включает в себя собственно сцинтиллятор, в качестве которого используется кристалл NaJ (или CsJ) активированный кадмием, и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Последний состоит из стеклянный колбы с расположенными в ней фотокатодом, к которой приложена разность потенциалов U порядка 1500B. Напряжение на диоды подают с делителя.

 

Рис. 3. Сцинтилляционный детектор

 

При попадании частицы радиоактивного излучения в сцинтиллятор в нём возникает световая вспышка, под воздействием которой фотокатод излучает электроны. Ускоряясь в электрическом поле ФЭУ, каждый электрон из первого динода несколько вторичных электронов. Процесс повторяется на последующих динодах, что приводит в возникновению электронной лавины; резко увеличивается проводимость ФЭУ. В цепи питания ФЭУ возникает импульс тока, вызывающий падение напряжения на резисторе, которое подаётся на измеритель скорости.

 

3. Принцип действия аппаратуры

 

Блок-схема скважинного прибора СГК-1024Т приведена на рис. 3. Прибор состоит из следующих блоков:

1 – разъем головки скважинного прибора (к нему происходит подсоединение трех жил и брони каротажного геофизического кабеля);

2 – блок коммутации (предназначен для подключения прибора к первой и второй жилам кабеля в случае подачи 24 В по третьей жиле);

3 – блок центрального процессора (служит для связи скважинного прибора с бортовым компьютером и одновременно буферизирует данные для передачи по кабелю);

4 – блок преобразования вторичных напряжений (предназначен для получения внутри скважинного прибора требуемых вторичных напряжений, ±5 В, ±12 В, +24 В);

5 – блок накопления амплитудных спектров;

6 – блок преобразования «аналог-код» (предназначен для оцифровки входных импульсов с системы «ФЭУ+детектор»);

7 – фотоэлектронный умножитель;

8 – детектор гамма-излучения;

9 – блок питания высокого напряжения (предназначен для питания ФЭУ);

10 – проходной разъем (к нему происходит подсоединение последующих модулей);

11 – охранный кожух скважинного прибора.

 

 

Рис. 4. Блок-схема скважинного прибора СГК-1024Т

 

Скважинный прибор работает следующим образом. К каротажной станции скважинный прибор подключается через геофизический каротажный кабель, сочлененный с головкой скважинного прибора (1). В положении «по умолчанию» первая и вторая жилы кабеля проходят транзитом на проходной разъем (10) и не имеют гальванической связи с электронными блоками спектрометра. Это предназначено для возможности подключения этих жил к другим устройствам, например, к электродвигателю. Подача на третью жилу каротажного кабеля +24 В относительно брони коммутирует 1 и 2 жилы к электронному блоку спектрометра. При подаче питания скважинного прибора начинает работать блок преобразования вторичных напряжений (4) и блок питания высокого напряжения (9). При появлении вторичных напряжений внутри скважинного прибора блок центрального процессора (3) сбрасывает в состояние «по умолчанию» блок накопления амплитудно-временных спектров (5), блок преобразования «аналог-код» (6) и блок питания высокого напряжения (9). Блок питания высокого напряжения программно-управляемый – т.е. его выходным напряжением, которое запитывает ФЭУ (7), можно управлять по командам с наземного компьютера, изменяя тем самым коэффициент усиления информационного сигнала. При установке «по умолчанию» напряжение питания ФЭУ (7) устанавливается блоком питания высокого напряжения (9) на значение, полученное по результатам настройки скважинного прибора. Обычно при температуре 20°С состояние «по умолчанию» обеспечивает положение энергетической шкалы скважинного прибора в заданной рабочей области.

В результате взаимодействия гамма-квантов с люминофором сцинтилляционного детектора (8) последний преобразует энергию гамма-излучения в световые вспышки - сцинтилляции. При этом суммарная энергия испускаемых фотонов пропорциональна энергии, оставленной гамма-квантом в детекторе. Далее фотоэлектронный умножитель (7) конвертирует световой импульс в импульс электрический. Заряд, собираемый с выхода ФЭУ (7), при прочих равных условиях, пропорционален суммарной энергии сцинтилляций люминофора детектора (8), и, следовательно, энергии, оставленной гамма-квантом в детекторе. В традиционных схемах включения ФЭУ являются источниками тока, на выход которых подключены преобразователи «ток-напряжение». В силу конечного значения времени высвечивания сцинтиллятора и пролета электронов между электродами ФЭУ, наличия паразитных емкостей в конструкции ФЭУ и входных каскадов усилителей, импульс напряжения, получаемый с системы «детектор+ФЭУ+усилитель» может быть описан некоторой функцией (в первом приближении гауссоидой). Амплитуда этого импульса, при сохранении неизменности вышеперечисленных параметров, будет пропорциональна энергии зарегистрированного гамма-кванта.

Токовый импульс с анода ФЭУ (7) поступает на вход преобразователя «ток-напряжение», с выхода импульс напряжения подается на соответствующие входы аналого-цифрового преобразователя. В результате преобразования на выходе блока преобразования «аналог-код» (6) появляется цифровой код, пропорциональный энергии, оставленной гамма-квантом в сцинтилляционном детекторе.

С выхода блока преобразования «аналог-код» (6) данные поступают на вход блока накопления амплитудно-временных спектров (5). Режим работы блока накопления спектров (6) определяется процессором блока памяти.

Таким образом, в приборе происходит накопление амплитудных спектров. Причем весь спектр занимает 256 ячеек памяти – 128 для «мягкой» области (каждый из первых 128 каналов 1024 канального спектра) и 128 для «жесткой» области. Каждый из 128 каналов спектра «жесткой» области содержит 8 каналов первичного 1024-канального спектра.

Передача накопленных спектров осуществляется по командам с блока центрального процессора (3), поступающим по линии последовательного интерфейса в блок накопления спектров (5). Связь скважинного прибора с бортовым компьютером поддерживает блок центрального процессора (3), выполненный традиционным образом, который по команде от наземного измерительного комплекса осуществляет выдачу в линию связи следующих информационных сигналов:

- количество зарегистрированных импульсов в каждом из 128 каналах мягкой части спектра СГК (128 слов),

- количество зарегистрированных импульсов в каждом из 128 каналов жесткой части спектра СГК (128 слов),

- температуру в блоке электроники скважинного модуля (два слова),

- температуру в блоке детектирования скважинного модуля либо показания одноосного акселерометра (одно слово),

- технологические параметры канала СГК (4 слова).

По отдельному запросу дополнительно выдается «электронный» номер прибора, дата прошивки программного обеспечения и его версия.

 

4. Подготовка аппаратуры к работе

Методика калибровки

Калибровка аппаратуры СГК-1024 осуществляется аккредитованными метрологическими службами геофизического предприятия в соответствии с прилагаемой к комплекту аппаратуры инструкцией, в которой регламентированы условия, средства и операции калибровки, описана методика определения метрологических параметров аппаратуры.

Калибровка осуществляется при вводе аппаратуры в эксплуатацию и периодически один раз в квартал в процессе эксплуатации, а также после смены детектора гамма-излучения или ремонта механических узлов зондового устройства аппаратуры. Данные калибровки являются основанием для оценки качества и проведения количественной интерпретации результатов каротажа.

Сопроводительная документация на аппаратуру СГК-1024 должна содержать сведения о первичной калибровке.