Гамма-каротаж

Не все знакомы с этим словом — «каротаж». Каротаж — что это? Что оно означает?

Обратимся к Википедии:

Каротаж (фр. carottage) — исследование литосферы методами создания (бурение или продавливание) специальных зондировочных скважин и проведения измерений при прохождении электрическими, магнитными, радиоактивными, акустическими и другими методами. Слово «каротаж» произошло от французского глагола carotter, в геологии обозначающего отбор керна

http://ru.wikipedia.org/wiki/Каротаж

Соответственно, гамма-каротаж — это исследование скважин на радиоактивность в диапазоне гамма-излучений.

Моя текущая задача состоит в том чтобы разработать и изготовить прибор для гамма-каротажа. Собственно, прибор состоит из нескольких блоков, и один из них — гамма-детектор. Вот, о нем-то и хотелось бы сказать пару слов.

Для детектирования гамма-излучения вообще существует много приборов. Но согласно специфике моей задачи мне больше подходит метод детектирования гамма-излучения основанный на сцинтилляции (свечении) вещества. Дело в том, что некоторые вещества имеют свойство светиться при прохождении через них частиц с высокой энергией. Таким образом, мы не столько «ловим» сами частицы, сколько их след.

Но обычные фотодиоды и фототранзисторы тут не помогут. Фотодиоды и и фототранзисторы — очень грубые (не чувствительные) приборы. Для улавливания коротких и очень слабых вспышек нужен ФЭУ — фото-электронный умножитель.

ФЭУ улавливает чуть ли ни отдельные кванты света, которые преобразуются в нем в электроные потоки. Эти электронные потоки усиливается в ФЭУ примерно в миллион раз, и потом подаются на схему в виде электрического импульса, который уже можно легко обрабатывать обычными полупроводниковым приборам — операционными усилителями, компараторами, транзисторами и микроконтроллерами.

Почему для этого дела не подходит счетчик Гейгера? Да по той же причине — счетчик Гейгера,хотя тоже способен детектировать гамма-излучение, но это тоже грубый прибор. Для задач гамма-каротажа нужен более чувствительный детектор. Поэтому мне подходит лишь пара — сцинтиллятор плюс ФЭУ.

ФЭУ выглядит вот так:

ФЭУ-102

ФЭУ-102

Это «ФЭУ-102», вы можете прочесть это на его боковой поверхности.

IMG_0446

Торец ФЭУ имеет полупрозрачную плоскость — это катод. Этой плоскостью он упирается в сцинтиллятор (о нем чуть дальше).

Вообще в состав ФЭУ входит катод, анод и несколько динодов. Диноды — это такие электроды, которые одновременно являются и катодами и анодами. Диноды предназначены для усиления тока, на один «упавший» на них электрон они могут «выбросить» до десятка вторичных электронов. Таким образом единственный электрончик, который оказался выбит из катода чрезвычайно слабой вспышкой сцинтиллятора, в конечном итоге превращается в миллиарды вторичных электронов на последнем электроде ФЭУ — на аноде.

Вот тут на фотке хорошо видны диноды этого ФЭУ:

IMG_0447

Вот еще:

IMG_0448

Фотки кликабельны.

Вернемся к сцинтиллятору. В качестве сцинтиллирующего вещества используется кристалл NaI (натрий-йод). Все бы ничего, но это вещество очень гигроскопично. И если не позаботиться об этом моменте, то кристалл быстро натянет в себя влагу и перестанет работать. Поэтому кристалл помещается в специальную капсулу с прозрачным окном:

IMG_0453

IMG_0454

С другого конца капсула имеет герметичную крышку, на которой указан тип сцинтиллятора и нанесен какой-то серийный номер. Честно говоря, я не представляю что эти надписи вообще обозначают.

IMG_0452

Капсула и ФЭУ пристыковываются друг к другу вот этими поверхностями:

IMG_0451

Для того чтобы уменьшить потери света, и без того слабых вспышек, на поверхности сцинтиллятора и ФЭУ перед стыковкой наносится тонкий слой технического вазелина или другого маслянистого вещества:

IMG_0450

ФЭУ — это довольно-таки высоковольтный прибор. Например, конкретно, для работы ФЭУ-102 необходимо подать на его анод-катод напряжение 1500-1700 В.

Моя задача осложняется еще и тем, что у меня на плате присутствуют еще и низковольтные компоненты (компараторы, транзисторы, 431-ый стабилитрон), а так же работает микроконтроллер.

IMG_0449

Кроме того, это высокое напряжение мне нужно еще и удерживать в заданном диапазоне, грубо говоря — стабилизировать. В моей задаче масла в огонь подливает и то обстоятельство, что гамма-детектор должен иметь умеренный аппетит. Иначе я не смогу из глубокой скважины передавать данные на поверхность.

Глубина скважины — 2.5 км (и это не предел!), сигналы и питание поступают по одной жиле специального геологического кабеля, чем-то напоминающего телевизионный, только вместо медной оплетки — броня.

Броня нужна и как защита от трения о стенки скважины, и часть силовой конструкции кабеля. Например, бухта кабеля длиной 2.5 км весит примерно 400 кг. Понятно, что конец кабеля, который находится на поверхности земли должен испытывать именно такое жуткое натяжение. Медь порвется, сталь — держит.

Задача не из простых. На фото — макет гамма-детектора. Трансформатор я пока не запаиваю на плату, я все еще подбираю наиболее подходящие параметры (витки, соотношение витков, диаметр провода…) с целью уменьшить потери при получении высокого напряжения.

Я принципиально ушел от блокинг-генераторов, и собрал схему на базе внешнего управляемого генератора, ключа и трансформатора с высоковольтной обмоткой. Блокинг-генераторы, конечно, хороши были для своего времени — времени ламповых конструкций и начала транзисторной техники. Но сейчас на дворе 2013 год.

Проблема уже не состоит в том, чтобы вообще хоть как-то получить высокое напряжение. Сейчас этого мало. Нужно уметь получать высокое напряжение с хорошей эффективностью (с высоким к.п.д.).

На данный момент я получаю высокое напряжение вплоть до 2.2 кВ. Это без нагрузки. Нагрузку, то есть ФЭУ, я еще не подключал, там свои заморочки. Я это сделаю чуть позже. Я могу регулировать высокое напряжение плавно в диапазоне от 1200 до 1800 В, стабилизацией у меня занимается микроконтроллер.

Я где-то читал, знаменитый физик Фейнман утверждал, что человеческий глаз способен увидеть отдельные кванты света. Сколько я ни сидел в темной комнате, ни смотрел в окно сцинтиллятора, я так и не увидел ни одной вспышки. Посмотрим, что покажет гамма-детектор…

Да, совсем забыл напомнить, что разработка прибора ведется исключительно под Линуксом. Конкретно — в Debian-7.1.

Update 30.03.2014

Подключил UV-Scope как счетчик импульсов с модуля гамма-каротажа. На фотке — естественный фон у меня на столе:

DSC00610

Что-то многовато наверно, да? В среднем получается около 80 импульсов в секунду. Напряжение на ФЭУ 1500 В.

Забавно отметить! Решил сфотать показания UV-scop-а. Достал 4 штуки Ni-Cd АА-аккуумуляторов, положил на стол. Чтобы они не укатились положил рядом с гамма-блоком. Но получилось так, что аккумуляторы оказались рядом с кристаллом. Пока открывал фотик, вставлят SD-карту, заметил, что уровень фона немного упал. Примерно процентов на 15-20. Удивился. Убрал — уровень фона восстановился. Хм? Однако!

У меня есть тяжелая железная шайба, диаметром сантимов 20, толщиной сантимов 5. Я на ней молотком рихтую разные железки. Осторожно положил ее на кристалл. Уровень фона снизился примерно на треть или четверть. Хе-хе! Работает!

 

Реклама

10 responses to “Гамма-каротаж

  1. А на кремниевые фотоумножители не смотрели?

    • Да, я при первом же разговоре предложил, но заказчик категорически отказался. Я ранее ни с кремнием, ни с вакуумными ФЭУ не работал. Так что аргументировать мне было нечем. Да и я подозреваю, что HAMMAMATSU дорого запросит. А ФЭУ-102 мне просто положили на стол. Я его даже не покупал.

      Вы, видимо, какое-то имеете отношение к этой теме, поскольку, я смотрю, Вы осведомлены, что существуют кремниевые приборы?

      • Извините, не подписался. Да немного в теме. У кремниевых большая температурная зависимость.
        Из заметки не понял, Вы по кабелю из скважины собираетесь передавать аналоговый сигнал, энергию каждого импульса или спектр?
        Про оксолиновую мазь. Одна из проблем при разработке и изготовлении детектора — обеспечить сбор всех фотонов на фотоприемник. Потери фотонов приводят к расширению пика полного поглощения. Но для отладки электроники и софта это не важно.

      • 1. Ага! Теперь становится ясно про кремний — почему его не «любят» в геологоразведке. В глубоких скважинах температура может достигать 200°С и более.

        2. По кабелю бежит не аналоговый сигнал, а — цифровой, кодированный. Информационные пакеты содержат оцифрованные данные по многим видам измерений, не только по гамма-излучению. Каждый информационный пакетик снабжен контрольной суммой (CRC16) и другой служебной информацией.

        3. Смазка. Да, я немного в курсе, зачем нужно смазывать стык ФЭУ и сцинтиллятора. Но в доме (время — за полночь) не оказалось ни вазелина, ни касторового масла. Поэтому взял то, что на мой взгляд могло подойти лучше всего. Судя по осциллограммам (я их не сегодня-завтра опубликую) — вроде как подошло.

        Спасибо Вам за комментарии и за ссылку. Вернусь домой, обязательно почитаю.

  2. Я как раз недавно писал статейку про фотоэлементы где выкладывал фотку огромного фотоумножителя
    http://lab115.com/?p=269
    Буду признателен фотографии законченного прибора для включения в статью в раздел примеров применения. Эта статья — лишь начало цикла статей по техническим средствам автоматизации для замены древних страшных методичек. Хочется максимально наглядным сделать материал, при этом лицензионно безупречно чистом 🙂

    • Заглянул на страничку по Вашей, Павел, ссылке и хочу сказать, что очень полезное дело делаете!

      Можете у меня и впредь забирать у меня из блога фотки и другие мои материалы. Я не требую ни от Вас, ни от кого-то другого обязательного при цитировании указания моего блога, а тем более моего имени. Всё это (земная слава) — вторично и не имеет никакого физического смысла. Какая разница, кто открыл-бы Закон Ома — сам Георг Ом, Андрэ Ампер, Джейм Уатт, Джеймс Джоуль или кто-то другой. Физическая сущность от этого не изменится.

      На счет фотографий законченного прибора не могу обещать. Этот прибор делается в кооперации с другими исполнителями, например — механиками, конструкторами. Но результаты своего труда по возможности буду выкладывать.

      Сегодня наконец-то получил красивые гамма-импульсы. С радости нафотал осциллограмм, штук 50 наверно. Красотень! Теперь надо как-то найти время снабдить хоть каким-то описанием и опубликовать.

      Сама конструкция гамма-детектора далеко некоммерческая — это две коробки из-под сока, немного гофрокартона и упаковочный скот. Но самое забавное наверно — это то, что в доме не нашлось вазелина и я использовал Оксолиновую мазь против насморка для стыковки осциллятора и ФЭУ. Смешно, конечно, но ведь работает! В общем, я так думаю, что даже такую конструкцию все-равно нужно показывать людям. А то ничего подобного в интернете нет.

      Не важно из чего ты делаешь, важно что у тебя что-то получается!

  3. Решив изучит Ваш блог, добрался и до этой статьи.
    Могу сказать только спасибо, что не пожалели времени на качественный материал.

  4. Здравствуйте!
    Скажите пожалуйста,а зачем Вам все это??,я смотрю у вас на столе плата( ГК) от геофиз.прибора, это же все уже давно серийно выпускается…..?

    • И это очень хорошо, что давным давно серийно выпускается! Мы тоже выпускаем 1001-ый клон этого прибора.

      А если посмотреть на проблему с другого ракурса, то, с одной стороны, ведь чем-то или как-то в этом мире нужно кормиться. Для этого нужно что-то делать и продавать. А с другой стороны — есть оплачиваемые заказы. Так почему бы нет? Ну а с третьей — просто интересно.

      Хорошо. Допустим, мы этой фигнёй не будем заниматься. Тогда, подскажите, что нам следует делать, чем заниматься. И с Вашей стороны будет очень солидно, если подскажите заказчика.

      Всякий кормится как умеет. Один зарабатывает сидя на трубе, другой — ставя печати на бумагах, третий — клепает никому-ненужные интернет-сайты. Я, вот, зарабатываю себе на жизнь разработкой таких вот приборов. Тружусь, как умею. И буду Вам искренне благодарен, если Вы наставите меня на путь истинный.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s