Области применения ГГМ-П

Области применения ГГМ-П

Содержание

Введение

. Физические основы метода

.1 Сущность метода и его физические основы

.2 Процессы взаимодействия излучения

.3 Схема реализации зондового устройства

.4 Схемы измерения плотности и конструкции зондов

. Методика и техника работ

.1 Метод просвечивания узким пучком γ-излучения

.2 Обработка измерений и вычисление плотности

.3 Метод просвечивания широким пучком γ- излучения. Измерение плотности поверхностных слоев

.4 Измерение плотности слоев на большой глубине

.5 Методы регистрации γ-излучения

.6 Аппаратура применяемая при реализации метода

. Применение метода

.1 Области применения ГГМ-П

.2 Другие возможности применения ГГМ-П

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Ядерно-геофизические методы разведки являются средством анализа горных пород и руд в широком смысле этого слова. С их помощью можно определить вещественный состав горных пород и полезных ископаемых, а также такие свойства, как плотность, влажность, пористость и некоторые другие. Ядерно-геофизические методы применяют при поисках и разведке самых различных полезных ископаемых. По своей сути они являются составной частью геохимических методов разведки, так как их применение и интерпретация результатов базируются на закономерностях распределения и миграции элементов в земной коре.

Ядерно-геофизические методы обладают небольшим радиусом действия (глубинностью) - не более нескольких десятков сантиметров. Эта особенность во многом определяет их возможность и место в геологораз-ведочном производстве: исследование поверхности горных пород, анализ пород в горных выработках и скважинах. Существенное достоинство ядерно-геофизических методов состоит в том, что они являются в большинстве случаев прямыми методами определения тех или иных полезных ископаемых или физических свойств пород.

Ядерно-геофизические методы разведки основаны на использовании излучений естественных и искусственных радиоактивных элементов.

Методы изучения естественной радиоактивности - радиометрия - исторически развивались обособленно и в настоящее время разработаны более детально, чем методы искусственной радиоактивности. Обычно под ядер но-геофизической разведкой понимают методы, основанные на использовании искусственных источников ионизирующего излучения. Методы, основанные на изучении естественной радиоактивности, в на-стоящей книге не рассматриваются.

Существует несколько десятков ядерно-геофизических методов, но на практике применяются не все. Они условно делятся на две группы: гамма-методы, основанные на использовании источников у-излучения и изучении у-полей, и нейтронные методы, в которых изучают поля нейтронов или связанное с нейтронным полем у-излучение. Классификация ядерно-геофизических методов окончательно не разработана, поэтому нередко встречаются различные названия одного метода. Общепризнанной считается классификация, но которой название метода включает обозначение первичного ионизирующего излучения, воздействующего на горную породу, и вторичного излучения, которое испускается горной породой и анализируется детектором: например гамма-гамма-метод (ГГМ), нейтрон-нейтронный метод (НИМ), нейтронный гамма-метод (НГМ).

Важный метод изучения радиоактивных руд и геологического разреза - гамма-каротаж (ГК) - предложили и осуществили в1934 г Г. В. Горшков, Л. М. Курбатов и В. А. Шпак. В 1937 г. Г. В. Горшков обосновал гамма-нейтронный метод анализа бериллиевых руд. В 1941 г. родился еще один метод ядерно-геофизической разведки - нейтронный гамма-каротаж (НГК), предложенный Б. М. Понтекорво. В 1946 г. Г. В. Горшков и Н. М. Лятковская опубликовали статью, в которой были изложены результаты проведенных в 1942-1944 гг. работ по обоснованию нейтрон-нейтронного каротажа (ННК) и соответствующей каротажной аппаратуры. Позже ННК нашел применение как способ определения влажности грунтов (Белчер Д. Дж. и др., 1950). В 1950 г. Бердан, Бернард и Белчер применили гамма-гамма- метод (ГГМ-П) для измерения плотности почв и грунтов. Плотностной гамма-гамма-каротаж на угольных и рудных месторождениях осуществлен в 1954-1957 гг. советскими учеными (Ю. П. Булашевичем, Г. М. Воскобойниковым, А. П. Очкуром, Е. М. Филипповым). Один из важных методов ядер но-геофизической разведки - активационный (AM) - предложил в 1940 г. Фирон; в развитие метода внесли большой вклад советские ученые, работающие над AM с 1950-1953 гг. под руководством Г. Н. Флёрова и Ф. А. Алексеева. В 1957 г. Г. М. Воскобойников предложил гамма-гамма-метод опробования руд тяжелых элементов (селективный гамма-гамма-каротаж - ГГК-С), получивший в последующие годы широкое применение. Советские ученые обосновали и применили импульсный нейтрон-нейтронный каротаж(ИННК), разработка которого начиная с 1958 г. выполнялась под руководством Г. Н. Флёрова. Следует отметить быстро прогрессирующий изотопный рентгеноспектральный (рентгенорадиометрический) метод анализа руд, создание которого связано с именем А. Л. Якубовича (1958 г.).

Советские ученые внесли большой вклад в развитие теории ядерно-геофизических методов. Основополагающими явились работы В. И. Баранова, Ю. П. Булашевича, Г. В. Горшкова, А. Г. Грамматикова. Теория нейтронных методов формировалась в работах С. А. Кантора, Д. А. Кожевникова, А. Л. Поляченко и др. Развитие теории гамма-методов связано с именами Г. М. Воскобойникова, И. Г. Дядьнна, Е. М. Филиппова и др. Из зарубежных исследователей следует отметить Титмана, Колдуэла, Титла.

В СССР сформировались и успешно работают научные коллективы, которые разрабатывают ядерно-геофизические методы. Одной из старейших является лаборатория ядерной геофизики Московского института нефтехимической и газовой промышленности им. И. М. Губкина (В. Н. Дахнов, А. И. Холин), которая занимается разработкой нейтронных методов применительно к разведке нефтяных и рудных месторождений. Здесь же разрабатывался гамма-каротаж как метод исследования осадочного разреза (В. В. Ларионов). На Урале в Институте геофизики УФ АН СССР выполнены работы по развитию гамма-методов ядерной геофизики (Ю. П. Булашевич, Г. М. Воско- бойников). Обширные исследования выполнены во Всесоюзном научно-исследовательском институте ядерной геофизики и геохимии (ВНИИЯГГ) по развитию многих ядерно-геофизических методов (Д. И. Лейпунская, В. М. Запорожец, И. И. Фельдман и др.). Разработка ядерно-геофизических методов применительно к опробованию рудных месторождений проводится во Всесоюзном институте разведочной геофизики (М. М. Соколов, А. П. Очкур). Вопросы применения ядерно-геофизических методов на нефтяных и газовых месторождениях успешно разрабатывались в Волго-Уральском филиале ВНИИ - Геофизики (Ю. А. Гулин и др.). Обширная программа исследований по нейтронным и гамма-методам ядерной геофизики выполнена в Институте геофизики СО АН СССР (Е. М. Филиппов, Е. Б. Бланков, Т. Н. Бланкова) и в Казахском филиале Всесоюзного института разведочной геофизики (И. П. Кошелев). Исследовательские ядерно- геофизические группы имеются в Сверллоеском горном институте (Г. С. Возженников), Ленинградском горном институте (В. А. Арцыбашев), Ленинградском университете (В. А. Мейер) и др.

Ядерно-геофизические методы в настоящее время широко применяются при разведке угольных, нефтяных и рудных месторождений. Особо следует отметить эффективнее применение ядерно-геофизических методов опробования на рудниках черных и цветных металлов, где их внедрение позволяет коренным образом усовершенствовать технологические процессы добычи полезных ископаемых. Применение ядерно- геофизических методов дает ежегодно большой экономический эффект, улучшает качество, повышает темпы геологоразведочных работ.

. Физические основы метода

.1 Сущность метода и его физические основы

Изучение плотности пород и руд гамма-гамма-методом (ГГМ-П) выполняют, помещая в среду или на поверхность среды источник γ-излучения и детектор, регистрирующий γ-поле на небольших расстояниях от источника ( до 50-70 см). При некоторых условиях поглощение и рассеяние γ-квантов, испускаемых источником, зависит только от плотности среды, поэтому измерение ослабленного γ-излучения позволяет определять плотность.

Существует три модификации ГГМ-П: метод просвечивания узким пучком γ-излучения, или метод первичного γ-излучения; метод просвечивания широким пучком, или метод широкого пучка, и метод регистрации рассеянного γ-излучения.

В методе узкого пучка с помощью свинцовых диафрагм или радио-техническим путем выделяют первичное γ-излучение источника, проходящее через образец или слой горной породы. Метод применяют главным образом в лабораторных условиях.

В методе широкого пучка источник и детектор, не имеющие коллиматоров, помещают в две параллельные скважины и просвечивают слой породы между ними. При этом детектор регистрирует как первичное, так и многократно рассеянное γ-излучение.

В методе рассеянного γ-излучения детектор и источник соединены в единую конструкцию (зонд). Между ними находится свинцовый экран, поглощающий первичное γ-излучение источника. Зонд помещают в скважину или на поверхность горной породы и регистрируют только γ-излучение, рассеянное породой.

С помощью ГГМ-П определяют абсолютные значения плотности пород и руд в лаборатории, в полевых условиях и в скважинах. Точность измерений высокая (погрешность 1-3%), что достаточно при использовании ГГМ-П для изучения плотности горных пород в процессе геофизических исследований (методами гравиразведки и сейсморазведки), при расчленении геологического разреза и идентификации пород, а также для использования значений плотности руд при подсчете запасов полезных ископаемых.

1.2 Процессы взаимодействия γ-излучения с веществом

Существуют 3 основных процесса, которые носят названия фотопоглощения, комптоновского рассеяния и образования пар.

Фотопоглощение (фотоэффект) заключается в поглощении γ-кванта атомом вещества, его энергия уходит на отрыв от атома электрона и сообщение последнему импульса энергии. Атом остается возбужденным и переходит в нормальное состояние, испуская фотон рентгеновского излучения.

Фотоэффект наблюдается при самых малых энергиях γ-квантов. Вероятность поглощения τф, при фотоэффекте сложным образом зависит от энергии γ-кванта Еγ и химического состава вещества.

Комптоновское рассеяние - это неупругое рассеяние γ-квантов на электронах вещества, в результате которого γ-квант теряет часть своей энергии и меняет направление движения. Наблюдается комптон-эффект при более высоких энергиях, условно можно считать Еγ > 0,5 МэВ.

Вероятность комптон-эффекта τγ зависит от сечения комптоновского рассеяния σк, которое, в свою очередь, является функцией энергии и атомного номера элемента, и от числа электронов в единице объема вещества пe.

Рисунок 1- Виды взаимодействия гамма-квантов с веществом:

Фотоэффект (а), комптоновское рассеяние (б), образование пар (в), ядерный фотоэффект (г) .

Образование пар - происходит при взаимодействии γ-кванта с полем ядра атома, γ-квант прекращает свое существование, вместо него образуется пара: электрон и позитрон. Вероятность этого процесса невелика, во-первых, потому, что ядро занимает лишь небольшую часть объема всего атома и, во-вторых, потому, что энергия γ-кванта должна быть достаточной для этой реакции (Eγ > 1,02 МэВ).

Процесс образования пар в ядерно-геофизических методах пока не используют.

Ядерный фотоэффект заключается в поглощении γ-кванта ядром атома, после чего ядро становится возбужденным и переходит в нормальное состояние через испускание нейтрона. Нейтрон имеет тепловую энергию. Эта реакция пороговая - энергия γ-кванта должна быть больше энергии связи нейтрона в ядре, а она зависит от массы последнего.

Все рассмотренные процессы в горных породах при облучении их γ-квантами искусственного источника происходят не по отдельности, а совместно. Быстрые γ-кванты исчезают в результате образования пар и замедляются в результате комптоновского рассеяния, рассеянные поглощаются в результате фотоэффекта. Преобладание того или иного процесса зависит от энергии γ-квантов и свойств горной породы - ее плотности и эффективного номера.

В зависимости от того, какой из процессов подвергается исследованию, в ГГК выделяют 2 основные разновидности метода: плотностной и селективный γ-γ-каротаж.

Для узкого пучка гамма - квантов суммарное сечение взаимодействия с веществом:

J = J₀ exp ( - μ^∑ * r)       [1.1]

где, μ^∑ = τ_ф^макр + τ_эп^макр + σ_к^макр

μ^∑ - имеет смысл линейного коэффициента ослабления. Для перехода к 4π пространству, введём множитель в формулу 2.1:

J =(1/4πr²) J₀ exp ( - μ^∑ * r) [1.2]

Из приведённых в главе формул микроскопических сечений взаимодействия можно сделать вывод, о том, что только сечения Комптон - эффекта однозначно зависит от плотности среды. Действительно, отношение Z / A_m для породообразующих минералов стабилен и равен 0,5, для водорода = 1, для тяжёлых элементов >0,5, но малое их содержание вносит погрешность, на мой взгляд, меньший, чем погрешность измерений, и ими мы пренебрегаем. Другими словами, сечение Комптон - эффекта пропорционально плотности среды через некоторую const.

Эффект Комптоновского рассеяния имеет смысл некогерентного (рис 3). В среде также возможно упругое (когерентное) рассеяние. Но когерентное рассеяние начинает происходить при энергиях гамма - кванта менее приблизительно 50 кэВ, а гамма - кванты с такой энергией фильтруются.

Из вышесказанного понятно, что для определения плотности информация, полученная в процессе искажения первичного потока гамма - квантов другими видами взаимодействий, является помехой. Для решения этой задачи рассмотрим вероятности протекания различных видов взаимодействий в зависимости от энергии гамма - квантов.

Взаимодействие с образованием электронно - позитронных пар происходит при энергиях больше 1,022 МэВ. Вероятность фотоэффекта дискретна и растёт с коротковолровой стороны, начиная с энергий около 0,2 МэВ. Сечение Комптон - эффекта в энергетическом окне 0,2 , 1 МэВ практически постоянно, и в этом окне крайне мало вероятны другие взаимодействия. Сделаем вывод, что если снимать информацию с гамма - квантов этого энергетического окна, то она будет характеризовать только плотность среды или горной породы. Информация носит характер ослабления потока гамма - квантов, испускаемых источником, в процессе некогерентного Комптоновского рассеяния на электронах среды. Полевые измерения реализуются в измерении скорости счёта гамма - квантов J_yy [имп /сек], пришедших на детектор, но осреднённому по объёму области, в котором существует поле, где изменение скорости счёта происходит прямо пропорционально изменению плотности среды.

Как было показано в главе 1, рис 3 - б при рассеянии гамма - кванты меняют свою первоначальную траекторию на некоторый угол θ, с вероятностью, зависящей от энергии. В интервале рабочих энергий углы рассеяния лежат в области 2π, причем отражения на угол более 90 становятся вероятнее с снижением энергии, таким образом накапливаются. Распределение плотности гамма - квантов зависит от двух параметров - плотности и расстояния от источника.

Существует окно значений, в котором изменения ρ * r не ведёт к изменению плотности гамма - квантов, эту область называют инверсионной. Она образуется из - за возврата гамма - квантов. Она представляет в однородной, изотропной среде область, ограниченную сферами, радиусы которых зависят от плотности изменяются с её изменением, т. е. эта область сужается в среде с большей плотностью и наоборот. Совершенно понятно, что данные, полученные из инверсионной области для данной модификации некондиционны. Поэтому перед проведением каротажа плотностей необходимо априори иметь представление об величинах плотностей в разрезе для корректного выбора типоразмера зонда. При бурении скважин стенки скважины и около скважинное пространство испытывают различные измерения, обусловленные размывами, обрушениями, сальниками, проникновением бурового раствора, воздействием ПРИ. Это главная и безусловная помеха. Данные, полученные из доинверсионной области будут характеризовать плотность близ стеночного пространства, с искажённой плотностью. Поэтому, для повышения глубинности снятия информации используются заинверсионные зонды.

1.3 Схема реализации зондового устройства

Для плотностной модификации ГГК применяют зонды различного аппаратно - технологического решения, но объединённые одной характеристикой - длинной зонда, т. е. расстоянием между приёмником и источником.

От длины зонда зависит относительная интенсивность регистрируемых гамма - квантов, рисунок 1.1. Из этих графиков видно, что по мере роста длинны зонда при одинаковых значениях плотности, различия в скорости счета то же увеличивается. Т. о. разрешающая способность растёт по мере увеличения длинны зонда.

Рисунок 1.1- График регистрируемых гамма квантов.

излучение зондовый геофизический разведка

Для экранированного от скважины прибора относительная дифференциация, за которую принято отношение показаний I против пласта с плотностью 2 или 2,325 г/см³ к значению J₀ в пласте с плотностью 2,65 г/см³, растет с увеличением длины зонда z. Из сопоставления I / I₀ и I₂ / I₀ следует, что зависимость Ln(I / I₀) = f(ρ) близка к линейной при z> 20 см

Геометрическая глубинность R, увеличивается с уменьшением плотности ρ, и ростом длины зонда z, в среднем составляет около 7-12 см.Таким образом, информация при ПГГК усредняется по достаточно большому объему горных пород. Однако по сравнению с данными, полученными из керна, наши данные более представительны и кондиционны, т.к. получены при глубинных условиях.

.4 Схемы измерения плотности и конструкции зондов

Зонды различных конструкций, применяемые для изучения скважин и поверхности методом рассеянного γ-излучения, показаны на рисунке - 2.5;

Зонд типа а используют для изучения скважин малого (30-60 мм) диаметра при инженерно-геологических изысканиях и почвенных исследованиях. Это так называемый 4 π-зонд с симметричным испусканием и регистрацией γ-квантов [4, 6].

Рисунок 2.5- Схемы зондов метода рассеянного γ-излучения:

-источник v-излучения; 2 - детектор; 3 - свинцовый экран

Зонд типа б применяют на рудных и угольных месторождениях для изучения скважин диаметром от 59 до 110 мм. Он относится к 2π-зондам с односторонним испусканием и регистрацией γ-излучения. Пружина, прижимающая зонд к стенке скважины, и свинцовые экраны, закрывающие источник и детектор со стороны бурового раствора, исключают влияние переменного диаметра скважины и больших каверн.

В зонде типа в, который используется для изучения скважин большего диаметра (более 150-200 мм) на нефтяных месторождениях, имеются коллиматоры испускаемого и регистрируемого γ-излучения. Кроме того, с помощью фильтров или пороговой дискриминации отсе-кается длинноволновое у-излучение, что в сочетании с коллимацией обеспечивает регистрацию однократно рассеянного γ-излучения. При измерениях по этой схеме увеличивается глубинность исследования и уменьшаются помехи, вызываемые мелкими кавернами и глинистой коркой. Недостаток зонда-большой диаметр и низкая скорость счета по сравнению с другими схемами.

Зонд типа г применяют для изучения наклонных скважин большого диаметра (на нефтяных и газовых месторождениях). Источник и детектор вращаются вокруг эксцентричной оси. Зонд обладает лучшей проходимостью в скважине, чем зонд с фонарем.

Схему д используют в приставных плотномерах, применяемых для изучения поверхностных слоев пород и руд.

Основной геометрической характеристикой зонда является его длина R, равная расстоянию между центрами источника и детектора. В методе рассеянного у-излучения оптимальный размер зонда, выраженный в массовых единицах, равен рR - 40-f-100 г/см², так что в зависимости от плотности пород следует менять длину зонда R. Зонды указанной длины обеспечивают использование нисходящей (заинверсионной) части графика основной зависимости, расположенной справа от максимума.

Длина свинцового экрана должна быть не менее 5-7 см, если применяется источник ¹³⁷Cs, и 10-12 см для источника ⁶⁰Со. Длина экрана может быть меньше расстояния между источником и детектором. В таком случае его следует разделить на две части и приблизить их к источнику (1/3) и детектору (2/3 длины экрана), оставив между ними промежуток.

В методе рассеянного излучения интенсивность регистрируемого у-излучения при одинаковом источнике примерно на порядок меньше, чем в методе широкого пучка. Так как использование мощных источников нежелательно по соображениям безопасности работ, рекомендуется применять источники ¹³⁷Cs и ⁶⁰Со активностью 1-5 мг-экв. Ra и сцинтилляционные счетчики с кристаллом Nal (Т1).

. Методика и техника работ

.1 Метод просвечивания узким пучком γ-излучения

Схема установки, используемой для измерения плотности образцов методом просвечивания узким пучком, показана на рисунок 1.2. Узкий пучок γ-излучения создают свинцовым коллиматором. Оптимальные размеры коллимационного канала: диаметр 5-10 мм, общая длина 6-7 см для ¹³⁷Cs и 10-15 см для ⁸⁰Со. Примерно ²/₃ общей длины приходится на коллиматор, расположенный перед детектором. Расстояние между источником и детектором равно 20-50 см в зависимости от размеров образцов.

В установках с коллиматорами можно использовать как газоразрядные, так и сцинтилляционные счетчики. Предпочтение заслуживают последние из-за высокой эффективности регистрации γ-излучения.

Основная зависимость, используемая в методе узкого пучка:

₀/A = ехр (-η k₀рd),       (1.6)

где η - поправка на неполную коллимацию. Произведение ηk₀= с₀ называют массовым эффективным коэффициентом ослабления первичного γ-излучения. Поправка обычно равна 0,8-0,9.

Она слабо зависит от Z_эфф среды. Например, для источника ¹³⁷Cs и детектора NaI (Тl) при работе на установке со свинцовыми коллиматорами (диаметр коллимационного отверстия   10 мм) получены следующие данные:

Рекомендуется для той или иной аппаратуры определять поправку η экспериментально с помощью образцов, плотность которых известна.

Нормальный цикл операций при измерении плотности образцов следующий. После включения радиометра и его настройки измеряют фон I_ф, удалив источник. Интенсивность А измеряют в отсутствие образца. Затем помещают образец, измеряют его толщину d по оси коллимационного канала и ослабленную интенсивность I₀. I_ф можно не учитывать, если

I_ф < 0,01 I₀

Предложена методика ускоренного анализа с помощью эталонов плотности. Эталонами служат пять-десять железных и свинцовых пластинок толщиной 3-5 г/см² каждая. Выполнив определение η и нормальный цикл измерений, определяют X_әi - массовую толщину каждой пластинки. При этом из-за различия в вещественном составе горных пород и материала эталонов значения X_әi отличаются от про-изведения плотности эталонов на их толщину. С помощью эталонов получают зависимость

N = φ (X), (1.7).

где N - показания радиометра; Х=ƩX_әi - толщина эталонов. Для определения плотности образцов измеряют только N и толщину d, при этом I_ф и А остаются постоянными и на результаты определения плотности не влияют. Измерения эталонов периодически повторяют, чтобы исключить влияние нестабильной работы аппаратуры.

2.2 Обработка измерений и вычисление плотности

Плотность вычисляют по формуле

р = [1/(η k₀d)] LnK, (1.8)

где К = (А - I_ф)/(I_о - I_ф).

Если канал регистрации γ-излучения не линеен, то значения I₀, А,I_Ф предварительно выражают с помощью обычного градуировочного графика в условных единицах. Значения коэффициентов k₀, нормированных на m_γ = 1, приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Нормированные значения массовых коэффициентов ослабления γ-излучения к₀, г^-1,см³

Чтобы вычислить k₀ по данным табл. 2.1, необходимо знать коэффициент электронной плотности m_γ. Таким образом, в методе узкого пучка, как и в общем случае поля многократно рассеянного γ-излучения, вещественный состав учитывают по известным значениям Z_эфф и m_γ.

При использовании эталонов плотности для k₀ = const и η = const строят график зависимости (2.7) и по измеренному N определяют с помощью графика толщину образца X. Плотность равна р = X/d.

2.3 Метод просвечивания широким пучком γ- излучения Измерение плотности поверхностных слоев

В инженерно-геологических исследованиях применяют метод про- свечивания широким пучком для определения плотности рыхлых сред (почв, грунтов и т. д.) в поверхностных слоях мощностью до 50 см.

этих целей служат зонды, схемы которых показаны на рис. 1.3. Вилочный зонд а применяют в тех случаях, когда необходимо измерить плотность на некоторой глубине, исключив самый верхний слой. Из трех схем (б, в, г) с размещением детектора на поверхности среды наиболее удобен штыревой зонд b, в котором длину стержня с радионуклидом можно менять в некоторых пределах.

Экспериментально доказано [ l ], что угол между линией источник - детектор и перпендикуляром к поверхности среды не влияет на результаты измерений, если он не превышает 60°, поэтому измерения плотности можно выполнять при наклонном положении стержня с источником. Неоднородность среды (слоистость, мелкие включения материала повышенной плотности) не влияют на правильное определение средней плотности).

Оптимальная толщина просвечиваемого слоя равна pd = 40/80 гсм². Рекомендуется использовать интегральные радиометры на газоразрядных счетчика типа СТС и источники ⁶⁰Со и ¹³⁷Сs активностью 0,5- 1,5мг-экв Ra. Поскольку серийные плотномеры промышленностью в настоящее время не выпускаются, зонды обычно изготовляются, используя радиометры общего назначения. Для вычисления плотности по зависимости (1.3) необходимо знать I, А и d. Жесткая конструкция зонда обеспечивает постоянное расстояние между источником и детектором и, следовательно, интенсивность излучения при отсутствии поглощающей среды А ~ const и толщина поглощающего слоя d - const, поэтому достаточно определить ослабленное γ-из- лучение I. Фон I_ф может влиять на определение плотности. Так как он обычно мало меняется в пределах конкретного участка, его принимают постоянным, определяя по нескольким измерениям. Чтобы учесть нелинейность канала регистрации радиометра и устранить аппаратурные погрешности, радиометр градуируют с помощью того же источника, который используют при измерении плотности ,мощность источника принимают равной S = - 1000 усл. ед.

Рисунок 1.3- Схемы измерения плотности поверхностных слоев методом широкого пучка

I - источник γ- излучения 2 - детектор

При измерении плотности штыревым или другим зондом можно применить систему контроля и воспроизводства основной зависимости (1.3) с помощью эталонов плотности аналогично тому, как это делается в методе узкого пучка. Для этого зонд помещают в контейнер-калибратор, где источник и детектор закрыты свинцом, в котором имеется коллимационный канал. Последовательно перекрывая канал эталонами (пластинки железа или свинца различной толщины), можно воспроизвести зависимость

I - f (р)        (1.9)

в заданном диапазоне р. Номинальные значения плотности р_эi ( эталона устанавливаются с помощью известной зависимости (1.3) по величинам I_эi выраженным в условных единицах. В дальнейшем, когда р_эi,( определены, зависимость (1.9) строят для значений I , выраженных в делениях шкалы стрелочного индикатора или в импульсах в 1 мин. Номинальные значения р_эi, эталонов справедливы только для определенной толщины d просвечиваемого слоя и расстояния r между центрами источника и детектора. При изменении параметров зонда их определяют заново.

.4 Измерение плотности слоев на большой глубине

Рисунок 1.4- Схема измерений в параллельных шпурах (скважинах):

γ-излучения:

2 - детектор; 3 - гильза радиометра;       

- держатель источника

Плотность пород и руд в горных выработках и на поверхности в целиках размером до 2м определяют методом широкого пучка, выполняя измерения в параллельных шпурах (скважинах). Хотя шпуры проходят, используя кондукторы (в виде двух жестко соединенных параллельных труб), шпуры получаются не строго параллельные. В полевые измерения входят определение ослабленной интенсивности γ-излучения I, фона I_ф и геометрические измерения для определения расстояния r между центрами источника и детектора (рис. 1.4). Рассмотрим подробнее учет непараллельности шпуров.

Обычно перекос скважин не превышает 1-2°. В этом случае для его учета измеряют расстояния a₁ и а₀ между осями двух шаблонов, вставленных в шпуры, и, зная базисное расстояние b, рассчитывают r на глубине h₀:

r = а₀ + (а₀ - a₁,) (h₀/b). (1.10)

Толщина поглощающего слоя

d = r - D,    (1.11)

если при бурении шпура весь материал из его объема удаляется. Если же во время проходки происходит уплотнение стенок шпура (например, ломиком), то для правильного определения плотности следует принимать

d = r. (1.12)

Более общий случай перекоса шпуров в нескольких плоскостях на большие углы рассматривается в работе [l].

Диаметр шпуров обычно равен 30-50 мм. Расстояние между центрами шпуров выбирают такое, чтобы pd = 504-100 г/см² (это оптимальная толщина поглощающего слоя). Плотность определяют вдоль оси шпуров в отдельных точках с шагом 10-20 см. При определении плотности руд для использования в подсчете запасов шпуры располагают группами: один центральный и четыре - шесть шпуров вокруг него.

.5 Методы регистрации γ-излучения

В ядерной геофизике применяют ионизационные детекторы γ-излучения (ионизационные камеры, газоразрядные счетчики, полупроводниковые счетчики) и сцинтилляционные (сцинтилляционные счетчики). Наиболее широкое применение находят газонаполненные ионизационные детекторы и сцинтилляционные счетчики.

Рисунок 1.3- Схема счетчика γ-квантов:

- анод; 2 - катод; 3 - стеклянный баллон.

Рисунок 1.4 - Зависимость эффективности газоразрядных счетчиков от энергии γ-квантов.

Счетчики Гейгера - Мюллера. Газоразрядные счетчики Гейгера - Мюллера являются широко распространенным видом детекторов у-излучения. Они обладают высокой чувствительностью. Благодаря большому значению выходного сигнала (1-10 В) радиотехническая схема, в которую включается счетчик, отличается простотой и надежностью. Недостаток счетчиков Гейгера - Мюллера в том, что их нельзя применить для измерения энергии частиц.

Схема газоразрядного счетчика показана на рисунке 1.3. Материалом катода служат медь, вольфрам, сталь, алюминий или графит. Анод делают из вольфрама. Обычно счетчик заполнен инертным газом (аргон, неон, гелий) под давлением 0,009-0,026 МПа.

На рисунке 1.4 показана зависимость эффективности

£₀ = Р₁Р₂                           (1.24)

газоразрядных счетчиков от энергии регистрируемого γ-излучения (Р₁- вероятность взаимодействия у-кванта с катодом; Р₂ - вероятность выхода вторичного электрона из катода в объем счетчика).