Напівпровідникові лічильники
У напівпровідникових лічильниках використовується властивість детекторів – одностороння провідність електричного струму. Для цього створюють шар, який називається p-n-переходом і володіє високим питомим опором. Дві пластини напівпровідника, одна з електронною провідністю, а друга з дірковою, приводять у тісне доторкання. У місцях їх доторкання починається дифузія електронів, яка нейтралізує частину дірок у тонкому граничному шарі з дірковою провідністю, і даний шар заряджається негативно. Аналогічно тонкий граничний шар з електронною провідністю заряджається позитивно. У результаті утворюється перехід p-n, який перешкоджає подальшій дифузії носія заряду. Такий перехід p-n володіє властивостями детектора. Якщо пластину з електронною провідністю приєднати до катода, а пластину з дірковою провідністю – до аноду, то через перехід іде струм. При зворотній полярності товщина переходу p-n росте і система не проводить струм.
При проходженні іонізуючої частинки через чутливий шар у ньому відбувається іонізація та утворюються вільні носії заряду, які під дією електричного поля дрейфують до відповідних електродів, тобто утворюється імпульс електричного струму.
Для реєстрації гамма-квантів необхідні напівпровідникові лічильники з великою товщиною чутливого шару. Даний ефект досягається використанням літію, який володіє великим коефіцієнтом дифузії, в одному із торців напівпровідника із дірковою провідністю. У результаті чого отримуємо тришаровий детектор з p–i–n-переходом (Рис. 1.3). У шарі I, куди не проникали атоми літію, зберігається діркова провідність. Тонкий шар III, у якому переважає “донор” (літій), набуває електронної провідності. У проміжному шарі II концентрації “донорів” і акцепторів рівні. Даний шар називається i-шаром. Товщину i-шару, в окремих випадках, вдається довести до 8 мм, що достатньо для отримання доброї енергетичної здатності та непоганої ефективності напівпровідникового лічильника гамма-квантів.
Основні переваги напівпровідникових лічильників:
- економія живлення;
- компактні;
- не чутливі до магнітного поля;
- амплітудне розділення в 20-30 разів краще, ніж у сцинтиляційних лічильниках.
Рисунок 1.3 – Схема напівпровідникового лічильника
Недоліки напівпровідникових лічильників:
- використання обмежене порівняно невеликими розмірами;
- нестабільність роботи при підвищених температурах.
1.3 Гамма-каротаж сумарної радіоактивності (ГК)
Метод ГК вимірює інтенсивність радіоактивного випромінювання гірських порід в свердловинах за допомогою індикатора γ-випромінювання. В якості індикатора використовують лічильник Гейгера-Мюллера, або більш ефективні і сучасні сцинтиляційні лічильники.
Гамма-випромінювання, що реєструється при гамма-каротажі, включає випромінювання від пластів гірських порід і фонове випромінювання. Фонове випромінювання викликане забрудненням радіоактивними речовинами матеріалів, з яких виготовлений прилад.
При дослідженні розрізів свердловин гамма-каротажем отримують безперервну криву гамма-поля випромінювання гірських порід у заданих масштабах запису та глибини.
Конфігурації кривих інтенсивності гамма-випромінювання Ig спотворюються із-за наявності інтегруючої комірки у вимірювальній апаратурі. Внаслідок цього криві Ig на діаграмах ГК набувають асиметричної форми відносно середини пласта та зсуваються у напрямку руху приладу, а максимальна величина інтенсивності Ig max занижується, особливо в пластах обмеженої потужності (Рис. 1.4).
Границі пласта підвищеної радіоактивності можна визначити з достатньою для практики точністю за точками, які відповідають початку підйому кривої ГК у підошві пласта і початку її спаду в його покрівлі.
Шифр кривих – Vτ в м·с/год
Рисунок 1.4 – Конфігурація кривих гамма-каротажу
Крива радіоактивного каротажу (будь-якого, не тільки ГК) має спотворення не пов’язані із зміною фізичних властивостей пластів гірських порід, які називаються статистичними флуктуаціями. Статистична флуктуація – це коливання інтенсивності радіоактивного випромінювання навколо деякої середньої величини в одних і тих же умовах.
У загальному випадку інтенсивність γ-випромінювання від пластів, що реєструється, пропорційна дійсній їх гамма-активності.
Проте, при однаковій гамма-активності породи з більшою густиною відмічаються меншими показами ГК через більш інтенсивне поглинання γ -променів. Таким чином, покази ГК є функцією радіоактивності, густини гірських порід та умов вимірювань (діаметра свердловини, густини промивної рідини, її радіоактивності, товщини обсадної колони, властивостей цементного каменю та ін.).
Ефективний радіус дії установки гамма-каротажу відповідає приблизно 30 см. Випромінювання від більш віддалених ділянок гірської породи поглинається навколишнім середовищем, не досягнувши індикатора.
Гамма-каротаж знаходить широке застосування для вивчення літології гірських порід, виділення глинистих порід, якісної та кількісної оцінки їх глинистості, при кореляції розрізів свердловин. Гамма-каротаж використовується також для виявлення радіоактивних (калієвих або уранових) і нерадіоактивних руд, включаючи і вугільні пласти.
Гамма-каротаж проводиться в будь-яких свердловинах: обсаджених, необсаджених, з розчином або без нього.
Прилади гамма-каротажу суміщають часто з іншими видами досліджень в свердловинах: гамма-гамма-каротажем (ГГК), нейтрон-нейтронним каротажем (ННК), індукційним або боковим каротажем і ін.
Недоліки методу ГК: на покази гамма-каротажу істотно впливає діаметр свердловини, товщина металевої обсадної колони і товщина цементного каменя.