Способ гамма-спектрометрического анализа при каротаже скважин для определения содержания цезия-137 по его гамма-излучению

(51) 01 5/04 (2009.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН Изобретение относится к экспериментальной ядерной физике, ядерной геофизике и может быть использовано для контроля за процессами миграции цезия - 137, возникшим в результате подземного ядерного взрыва, в массиве горных пород. В настоящее время определение содержания 137 в скважинах проводится путем анализа проб воды, отобранных из ствола скважины. Однако работы, проведенные в 1966-79 гг. на участке Азгир,где проверялась возможность создания подземных проводятся с помощью 1024-каналыюго стабилизированного спектрометра и скважинного прибора с детекторомразмером 50250 мм с разрешением по линии цезия -137 (661 кэВ) около 8.5, с дополнительной стабилизацией спектра,которая достигается путем перевода шкалы каналов в энергию(кэВ) используя,найденную экспериментальным путем, зависимость положения фотопиков цезия, радия и тория от положения реперного фотопика калия (1460 КэВ), учет изменения геометрических условий измерений осуществляется путем учета фоновой составляющей спектра, а вклад излучения линий тория (584 кэВ) и радия (609 кэВ) в область измерения цезия-137 (661 кэВ), а так же излучения калия учитывается по результатам измерения жестких линий этих элементов, присутствующих в спектре (-1760 кэВ,-2615 кэВ и К-1460 кэВ) и нахождения коэффициентов вкладов этих линий в аналитическую область методом наименьших квадратов, которые используются для нахождения содержания 137 из аналитического выражения-1 , 2 , 3 - коэффициенты вкладов в канал измерения цезия излучения калия, радия и тория,соответственно- чувствительность метода в имп/Бк. полостей в соляных куполах с помощью ядерных взрывов для хранения углеводородов, показали, что содержание 137 в воде скважин, пройденных вблизи ядерных полостей, в основном, не превышает 10 Бк/л, в то же время в нерастворимом остатке его содержание достигает 9000 Бк/кг, т.е. основная масса цезия, возникшая в результате взрыва, находится в нерастворимой форме 1 С.Т. Тлеубергенов. Полигоны Казахстана. Народная академия Казахстана Экология, Алматы, 1997.(72) Гринштейн Юрий Аронович Мурзадилов Тулеген Джанибекович Логвинов Олег Викторович(73) Дочернее государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Институт геофизических исследований Республиканского государственного предприятия на праве хозяйственного ведения Национальный ядерный центр Республики Казахстан Министерства индустрии и новых технологий Республики Казахстан(54) СПОСОБ ГАММАСПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПРИ КАРОТАЖЕ СКВАЖИН ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ЦЕЗИЯ-137 ПО ЕГО ГАММАИЗЛУЧЕНИЮ(57) Способ гамма-спектрометрического анализа при каротаже скважин для определения содержания цезия-137 по его гамма-излучению. Область применения - экспериментальная ядерная физика, ядерная геофизика и может быть использовано для контроля за процессами миграции цезия - 137, возникшим в результате подземного ядерного взрыва, в массиве горных пород. Способ заключается в том, что для определения содержания цезия-137 в скважине и устранения влияния на результаты анализа таких факторов как- излучение естественных радионуклидов (К,,) изменение коэффициента усиления измерительного тракта изменение геометрических условий измерений в скважине, измерения 24018 При отборе водных проб в гидрогеологических скважинах на участке Балапан бывшего Семипалатинского испытательного ядерного полигона было обнаружено только значимое присутствие стронция-90 и трития, цезий-137 найден не был. Однако известно, что при взрыве атомной бомбы образуется 180 Кюри радиоактивного цезия на каждую килотонну мощности взрыва, т.е. миграция цезия-137 происходит путем его переноса коллоидными растворами. Таким образом, совершенно очевидно,что необходимо разработать способ, позволяющий определить содержание цезия-137 в стенках скважин. Исходя из условий постановки задачи можно сказать, что единственным способом,позволяющим провести прямое определение 137 в стенках скважины является спектрометрический гамма-каротаж, рассматриваемый как способ гаммаспектрометрического анализа в коренном залегании. При лабораторном анализе проб горных пород и руд на естественные гамма-излучающие радиоактивные элементы (ЕРЭ)- радий, торий и калий широко применяется спектрометрический анализ с использованием в качестве детектора полупроводниковых детекторов (ППД), а в качестве анализаторов - многоканальные амплитудные анализаторы. Однако разработанные для проведения такого анализа способы и устройства не пригодны для решения поставленной задачи в условиях скважинного пространства - так как ППД нуждаются в глубоком охлаждении (применяется жидкий азот), и они имеют низкую эффективность регистрации гамма-излучения, что вызывает необходимость проводить измерения с длительными экспозициями, достигающими нескольких часов. Указанные особенности спектрометрического анализа с использованием ППД не позволяют использовать этот способ при каротаже скважин. В опубликованной литературе имеются источники, в которых описаны способы проведения гаммаспектрометрического каротажа для определения содержания ЕРЭ по разрезу скважин. Однако ни в одном опубликованном источнике не рассматривается способ определения содержания 137, возникшем при проведении ядерного взрыва. В качестве прототипа нами выбран 2 патент 015/042069377, автор, заявитель и патентообладатель Кожевников Дмитрий Александрович. Суть изобретения заключается в том,что по величинам радиальной чувствительности скважинной аппаратуры и геометрического фактора полупространства с учетом скважинных условий измерений находят Геометрические факторы промежуточных зон и пласта, по которым вводят коррекцию за радиальную неоднородность системы приборскважина-пласт, т.е. таким образом повышают точность определения ЕРЭ в скважинах при спектрометрическом гамма-каротаже. При этом расчет содержаний анализируемых элементов ведется известным способом - путем решения системы из трех уравнений, по данным, полученным при измерениях специальных моделей, где присутствуют все анализируемые элементы. Однако, таким способом невозможно определить содержание 137 по разрезу скважины, так как в области расположения фотопика 137 (661 кэВ аналитическая линия цезия) находятся фотопики радия (609 кэВ) и тория (584 кэВ), которые, (как это видно из фиг. 1) плохо разрешаются с аналитической линией цезия. Кроме того, на эту часть спектра оказывает значительное влияние вклад многократно рассеянного жесткого излучения калия (1460 кэВ), радия (1120 и 1760 кэВ) и тория(2615 кэВ), которое, накапливаясь в левой части спектра (фактор накопления), увеличивает фон под аналитической линией цезия, при этом величина этого влияния зависит как от содержания ЕРЭ, так и от геометрических условий измерений в скважине и ее заполнения. Требуемый технический результат достигается следующим способом Измерения проводятся в интервале 0.2-3.0 мэВ 1024-канальным стабилизированным спектрометром, стабильность энергетической шкалы которого обеспечивается использованием дифференциальной системой стабилизации, защищенной патентом 3011/40,52118 (авторы- Гринштейн Ю.А. и др.), и скважинным прибором с детектором , размером 50250 мм с разрешением по линии 137 (661 кэВ) порядка 8.5. Стабилизация спектра осуществляется по реперному фотопику 40 К,практически присутствующему во всех горных породах. Точность стабилизации реперного фотопика составляет около 1 отн. при его расположении на 505 канале спектрометра. Дальнейшее улучшение стабилизации энергетической тпкалы спектрометра достигается путем нахождения энергетической характеристики спектрометра(где-номер канала спектрометра, Е-энергия излучения) индивидуально для каждого измеренного спектра, для чего используется найденная экспериментальным путем,зависимость положения фотопиков цезия, радия и тория от положения реперного фотопика калия(1460 кэВ), и таким образом все спектры приводятся к единому масштабу с точностью до 1 канала спектрометра. Уменьшение влияния изменения геометрических условий измерений на результаты измерений осуществляется путем учета фоновой составляющей спектра. Из рассмотрения фиг. 2, где приведены два спектра, измеренные на модели с содержанием 1371180 Бк/кг и в скважине 104/1 на глубине 98 м, где спектрометрическим гамма-каротажем было определено содержание цезия равное 1182 Бк/кг,видно, что скорость счета в фото-пике цезия в скважине почти на 10 выше, чем в модели, что связано с возрастанием фонового излучения в воде,заполняющей скважину. В тоже время из фиг. 3, где приведены те же спектры, но с учетом фона, видно,что при выполнении этой операции разница в скорости счетов не превышает статистической погрешности измерений, т.е. чувствительность метода становится независимой от условий измерений. 24018 Калибровка аппаратуры проводится на специально изготовленных моделях скважин,насыщенных по спектру, но не насыщенных по интенсивности излучения, что позволило изготовить их небольшого размера с весом не превышающем 20 кг, т.е. они мобильны и используются для контрольно-настроечных операций непосредственно при проведении работ на скважинах. Модели представляют собой полые цилиндры,изготовленные из жести, длиной 350 мм, диаметр внутреннего отверстия 100 мм, внешний диаметр 200 мм. В качестве наполнителя использовался цемент марки 400, который после добавки в него заданного количества радионуклидов, затворялся водой и заливался в подготовленные формы. Всего было изготовлено 6 моделей. Параметры моделей приведены в таблице 1. Таблица 1 Заданные содержания радионуклидов в моделях скважин Расчетное содержание радионуклидов в Бк/кг Модели выполняют несколько функций-служат для нахождения начальной калибровки энергетической шкалы спектрометра, т.е. по результатам их измерений находится зависимость, гдеэнергия излучения ( кэВ),- номер канала-используются для нахождения вкладов излучения радия, гория и калия в область излучения цезия-используются для контрольно-измерительных операций до и после каротажа для определения стабильности работы аппаратуры. Вклад излучения тория (584 кэВ) и радия (609 кэВ) и калия (1460 кэВ) в область измерения цезия 137 (661 кэВ) учитывается по результатам измерения жестких линий этих элементов,присутствующих в спектре (К-1460 кэВ,-1760 кэВ, Т-2615 кэВ) и нахождения коэффициентов вкладов этих линий в аналитическую область методом наименьших квадратов. Найденные коэффициенты используются для нахождения содержания 137 из аналитического выражения-1 , 2, 3 - коэффициенты вкладов в канал измерения цезия излучения калия, радия и тория,соответственно- - чувствительность метода в имп/Бк. Результаты применения описанного способа гамма-спектрометрического анализа в моделях скважин приведены в таблице 1, из которой видно,что результат анализа вполне удовлетворительный даже при значительных содержаниях ЕРЭ, которые совместно довольно редко встречаются в природе. Для получения низкого порога чувствительности(порядка 3-5 Бк/кг при вероятности Р 0.67) каротаж проводится дискретным методом с шагом 0.5 м и экспозицией 100 сек. С использованием описанного метода был проведен каротаж в гидрогеологических скважинах на бывшем Семипалатинском ядерном полигоне. Результаты гамма-спектрометрического каротажа представлены на фиг. 4, где четко выделяется зона,со значимыми содержаниями 137, на фиг. 5 приведен спектр, измеренный в этой скважине на глубине 121 м. Статистическая обработка результатов измерений в интервале 20-50 м, где присутствие цезия не отмечается, показала, что среднеквадратическая погрешность определенияпри его содержании близком к нулю равна 5 Бк/кг при вероятности Р 0.67, что вполне достаточно для проведения поисковых и обзорных работ. При необходимости улучшения порога чувствительности необходимо увеличивать экспозицию измерений. Перечень фигур Фиг. 1 - представлены три спектра гаммаизлучения, измеренные на моделях скважин,содержании цезий-137 (1180 Бк/кг), радий-226 (1073 Бк/кг) и торий-228 (1007 Бк/кг). Фиг. 2 - приведены полные спектры гаммаизлучения. Один из них измерен на модели цезия 137 (1180 Бк/кг), второй - в скважине на глубине 98 м. содержание цезия составляет 1182 Бк/кг. 24018 Фиг. 3 - приведены спектры, изображенные на фиг. 2, с учетом фонового излучения. Фиг. 4 приведен результат определения 137 в скважине 104/2, расположенной на бывшем Семипалатинском ядерном полигоне, с помощью описанного способа. Фиг. 5 - приведен спектр, измеренный на глубине 121 м в скважине 104/2, приведенной на фиг. 4. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ гамма-спектрометрического анализа при каротаже скважин для определения содержания цезия-137 по его гамма-излучению, включающий измерение спектрального распределения гаммаизлучения горных пород по разрезу скважины,коррекцию показаний на скважинные условия,нахождение градуировочной характеристики спектрометра, отличающийся тем, что каждый измеренный спектр разделяют на фоновую и информационную часть,градуировочную характеристику получают для каждого спектра индивидуально,а содержание цезия-137 рассчитывают по формуле-1 , 2, 3 - коэффициенты вкладов в канал измерения цезия излучения калия, радия и тория,соответственно