Аналитический активационный комплекс на основе портативного нейтронного генератора для анализа примесей в металлах

Вид материала

Документы

Содержание Наземный блок согласования Блок градуирования ТБР-911-02 Производственная апробация Многозондовая аппаратура импульсного нейтрон-нейтронного каротажа аинк-89 Общие положения Конструкция скважинного прибора Результаты экспериментальных работ

Подобный материал:

• Апряжения для малогабаритного, транспортабельного генератора рентгеновских квантов, 12.72kb.
• Токи смещения в металлах, диэдектриках и в вакууме Геннадий Ивченков, 336.87kb.
• Правила приемки лрс и методы отбора проб для анализа на складах, базах и промышленных, 204.41kb.
• Аннотация дисциплины «Физика рентгеновских лучей и основы рентгеноструктурного анализа», 10.94kb.
• Ия некоторых примесей в отдельных водоемах и водотоках может превышать величину предельно-допустимых, 136.44kb.
• Под действием нейтронного облучения конструкционные материалы оболочек твэлов реакторов, 169.68kb.
• Реферат отчета по нир на тему: Развитие и сопровождение информационно-аналитического, 19.31kb.
• Програма фахового вступного випробування для навчання за освітньо-професійною програмою, 63.8kb.
• Е. а чвертко московский инженерно-физический институт (государственный университет), 18.26kb.
• Новая технология очистки воды кандидат медицинских наук В. Барабанов, 116.04kb.

Наземный блок согласования

Габаритные размеры, мм…………………….. 145х145х240

Масса, кг……………………………………….. не более 5

Напряжение питания, В …………………… от 187 до 242

Частота, Гц 501

Потребляемая мощность, Вт………………….. не более 11

Диапазон рабочих температур, ⁰С……………. +5 до +30

Блок градуирования ТБР-911-02

Высота, мм……………………………………... не более 235

Внешний диаметр, мм…………………………. не более 255

Масса, кг………………………………………... не более 20

Напряжение питания, В ……………………….. 15010

Потребляемая мощность, Вт…………………… не более 6

В качестве линии связи может использоваться одно-, двух-, трёхжильный бронированный каротажный кабель 3 длиной до 2000 м.





Рис.1 Блок схема аппаратурного комплекса АИНК-60

Производственная апробация


В июне 2001г. сотрудниками ВНИИА выполнена апробация аппаратуры АИНК-60 на одном из месторождений России, где был осуществлен первичный и повторный каротаж контрольной скважины с регистрацией потока мгновенных нейтронов деления и интенсивности естественного γ-излучения. Контрольная скважина пересекает равновесные урановые руды. Каротаж выполнялся при подъеме скважинного прибора со скоростью 30м/ч. В результате были установлены следующие метрические параметры:

• чувствительность прямого определения содержания урана в водозаполненых скважинах диаметром 112,0 мм, толщиной стенок обсадных труб 2,5 мм, влажности руды 20% весовых и выходом генератора 1,2х10⁸н/с составляет 93(имп/мин.)/0,01% U;
  
• порог чувствительности оценивается 0,005%;
  
• погрешность воспроизведения по данным первичного и повторного нейтронного каротажа 6,0%;
  
• расхождения с данными γ-каротажа контрольной скважины, пересекающей равновесные урановые руды, составила 12,0% при средней мощности пересечений 0,8м и среднем содержании урана 0,07%.
  

Для обеспечения такой чувствительности, точности измерений и величины порога необходимо соблюдать низкую скорость подъема скважинного прибора при импульсном нейтронном каротаже 30м/ч.

Из представленных результатов сопоставления КНД-М, выполненного АИНК-60, и стандартного γ-каротажа следует, что прямой метод не уступает косвенному в разрешающей способности и чувствительности и может с успехом применятся там, где косвенный метод имеет недопустимую методическую погрешность(рис.2).




Рис.2. Результаты гамма и нейтронного каротажа контрольной скважины


Широкое применение аппаратуры сдерживается большим диаметром и длиной скважинного прибора, а также низкой скоростью каротажа.

Дальнейшие работы ВНИИА направлены на модернизацию скважинного прибора, позволяющего выполнять высокопроизводительный каротаж по мгновенным нейтронам деления с одновременным литологическим расчленением геологического разреза по данным импульсного нейтрон-нейтронного каротажа. При этом планируется использовать импульсные нейтронные генераторы с повышенным выходом до 6-8х10⁸н/с. Особое внимание уделяется уменьшению диаметра скважинного прибора от 60 до 43 мм.

Во ВНИИА проводятся работы по созданию метрологического обеспечения КНД-М, что позволит учесть вещественный состав, влажность руд и конструкцию скважины, а также даст возможность разделить рудные зоны с различной степенью окисленности.

Таким образом, аппаратура АИНК-60 в производственных условиях позволит оперативно управлять процессом добычи урановых руд способом подземного выщелачивания, вести литологическое расчленение пластов по времени жизни тепловых нейтронов, определять коэффициент радиоактивного равновесия между радием и ураном в рудах. Все это открывает возможности повышения эффективности процесса добычи урана методом подземного выщелачивания.

Литература

1. Инструкция по каротажу методом мгновенных нейтронов деления при изучении урановых месторождений гидрогенного типа. - Л.: Министерство геологии СССР, научно-производственное объединение «Рудгеофизика», 1986.
   
2. Шумилин М.В., Муромец Н.И., Бровкин К.Г., Грабовников В.А., Казариков В.В., Уваров Э.Ф. Разведка месторождений урана для отработки методом подземного выщелачивания. – М.: Недра, 1985.
   

УДК 550.832.5


МНОГОЗОНДОВАЯ АППАРАТУРА ИМПУЛЬСНОГО НЕЙТРОН-НЕЙТРОННОГО КАРОТАЖА АИНК-89


Амурский А.Г., к.т.н, Боголюбов Е.П., Титов И.А., Шипунов М.В.


В статье приведены результаты исследований по созданию новой многозондовой аппаратуры импульсного нейтронного каротажа. Обоснована ее высокая эффективность по сравнению с существующими типами аппаратуры для геофизических исследований нефтегазовых скважин нейтронными методами.


Введение


С целью повышения точности, производительности и радиационной безопасности измерения при каротаже нефтегазовых скважин двух физических параметров горных пород - водородосодержания  и сечения поглощения тепловых нейтронов _а -разработана аппаратура многозондового импульсного нейтрон-нейтронного каротажа (ИННК). Новая аппаратура, получившая шифр АИНК-89, позволяет в рамках одного высокопроизводительного метода исследований скважин совместить функции двух геофизических методов – нейтронного каротажа (НК) и импульсного нейтронного каротажа.

Скважинные генераторы нейтронов позволяют получать на порядок более высокий нейтронный выход по сравнению с выходом ампульных источников нейтронов, используемых в аппаратуре НК. Это позволяет обеспечить сравнительно высокую точность измерений нейтронных параметров горных пород аппаратурой импульсного нейтронного каротажа. Однако до настоящего времени не было разработано серийной аппаратуры с генераторами нейтронов, способной конкурировать по методическим, эксплуатационным и экономическим показателям с аппаратурой стационарного НК. В последнее время во ВНИИА разработаны скважинные генераторы нейтронов нового поколения с повышенными техническими параметрами. Появилась практическая возможность создания на их основе новых высокоинформативных модификаций скважинной аппаратуры импульсного нейтронного каротажа.


Общие положения


Регистрация при ИННК пространственно-временного распределения нейтронов обеспечивает возможность одновременного определения двух физических параметров горных пород - водородосодержания в единицах водонасыщенной пористости  (по пространственному распределению тепловых нейтронов) и макроскопического сечения поглощения тепловых нейтронов _а (по временному распределению тепловых нейтронов). Ранее возможность измерения  и _а была реализована в рамках аппаратурно-методического комплекса двухзондового ИННК – АИНК-43 [1]. Однако для этой аппаратуры точность и производительность измерения ограничена из-за нестабильности нейтронного выхода импульсного генератора нейтронов и существенного влияния искажений регистрируемых скоростей счета нейтронов при высокой импульсной загрузке блока детектирования. Указанные проблемы, а также ограничения ресурса излучателей с вакуумной нейтронной трубкой на уровне 50-100 ч, не позволили реализовать методические возможности многозондового ИННК в полном объеме. Для преодоления ограничений, присущих существующим типам аппаратуры, предложено использовать новую информационно-измерительную систему многозондового ИННК.

Основными особенностями новой аппаратуры АИНК-89 являются:

• применение стабильного скважинного излучателя с газонаполненной нейтронной трубкой в среднечастотном режиме работы;
  
• обеспечение регистрации нейтронов без просчетов в широком диапазоне задержек, включая момент начала излучения быстрых нейтронов;
  
• измерительная установка из четырех детекторов с гелиевыми счетчиками медленных нейтронов;
  
• оптимизированные размеры зондов для одновременного измерения двух параметров горных пород  и _а.
  

Конструкция скважинного прибора


В работе [2] представлены результаты теоретического моделирования показаний многозондового ИННК и выполнена оптимизация зондовой установки и режимов измерений. С использованием этих данных был разработан макет скважинной аппаратуры, программное обеспечение обработки результатов измерений и выполнен цикл экспериментальных работ. Конструкция зондов скважинного прибора аппаратуры многозондового ИННК изображена схематически на рис.1. Ниже представлены некоторые параметры аппаратуры:

• тип генератора нейтронов ИНГ-06;
  
• частота запуска генератора 400 Гц;
  
• длительность импульса излучения 100 мкс;
  
• средний нейтронный выход 1,5х10⁸ нейтронов в секунду;
  
• средняя наработка на отказ 300 ч.;
  
• максимальная рабочая температура 120С;
  
• максимальное рабочее давление 80 мПа;
  
• диаметр скважинного прибора 90 мм.
  

Аппаратура содержит четыре детектора нейтронов, включающих счетчики нейтронов типа СНМ-56 и СНМ-16, и образует четыре измерительных зонда, состоящих из источника быстрых и детектора медленных нейтронов. Ключевым элементом аппаратуры является генератор нейтронов ИНГ-06, обладающий повышенным ресурсом и стабильностью.

Полученные с помощью теоретического расчета данные позволили оптимизировать размеры зондов и определить назначение детекторов аппаратуры типа АИНК-89 (см. рис.1).

Детекторы Д1 и Д3, расположенные на расстояниях около 20 и 50 см от мишени нейтронной трубки, предназначены для измерения . При этом непосредственно измеряемым параметром является отношение скоростей счета детекторов Д1 и Д3 во временном окне 0-250 мкс относительно начала импульса излучателя. Первый детектор имеет относительно небольшую чувствительность к нейтронам из-за малого размера счетчика типа СНМ-16, что обеспечивает регистрацию нейтронов без значительных просчетов (не более 15%). Детектор Д3 имеет чувствительность большую, чем детектор Д1, что необходимо для компенсации падения счета нейтронов с расстоянием от источника нейтронов. Предусмотрены экраны, препятствующие распространению нейтронов по скважинному прибору вдоль его оси.




Рис. 1. Схема зондовой установки АИНК-89:

Д1-Д3 – детекторы со счетчиками медленных нейтронов СНМ-16 и СНМ-56; Д4 – детектор с кассетой счетчиков медленных нейтронов СНМ-56; М-мишень нейтронной трубки генератора нейтронов ИНГ-06


Детектор Д2 при зондовом расстоянии около 35 см предназначен для измерения _a. Он имеет увеличенный, по сравнению с первым детектором Д1, размер. Влияние просчетов нейтронов при измерении _a несущественно, так как для вычисления этого параметра используются счета нейтронов при задержках более 200 мкс. При таких временах задержки импульсная загрузкa канала детектирования нейтронов относительно малa. Детектор Д2 имеет наилучшее из всех четырех детекторов соотношение чувствительности измеряемого параметра к _a и статистической погрешности измерения.

Детектор Д4 используют для получения дополнительной информации при измерении  в условиях присутствия газонасыщения или вариации литологического строения пласта. Он имеет повышенную чувствительность к нейтронам за счет применения кассеты счетчиков. При этом обеспечивается относительно высокая статистическая точность измерений на большом расстоянии (65-75см) от источника нейтронов.

Временное распределение нейтронов регистрируется для всех четырех детекторов во временных окнах длительностью 64 мкс в интервале времени задержки 0-1984 мкс. Такая исходная информация обеспечивает возможность определения основных измеряемых параметров  и _a , а также дополнительных параметров пространственно-временного распределения нейтронов для контроля с их помощью качества измерения основных параметров.


Результаты экспериментальных работ


Экспериментальные работы с образцом АИНК-89 проведены для разработки основ методики измерений, экспериментальной оценки погрешностей измерения и сравнения точности измерения АИНК-89 с аппаратурой нейтронного каротажа и аппаратурой двухзондового ИННК.

Произведено сравнение данных о влиянии скважинных условий измерений и статистической погрешности для одинаковых условий измерения параметра  с АИНК-89 и аппаратурой НК. Исследования проводились с использованием физических моделей горных пород метрологического центра ”ВНИИЯГГ”. Диапазон изменения  составлял 0-36% абс., диапазон изменения _a составлял 7,4-22х10^-3 см. В таблице представлены диапазоны влияния условий измерения в этих моделях, а также значения влияющих факторов, принятые для расчета погрешностей измерения.

Наименование влияющего фактора	Диапазон изменения	Значение для расчета суммарной погрешности
Отклонение прибора от стенки необсаженной скважины, мм	0-20	10
Изменение толщины цементного камня в точке прижатия прибора в обсаженной скважине, мм	0-50	25
Изменение минерализации промывочной жидкости, г/л NaCl	0-200	50
Скорость каротажа , м/ч	-	600

Н
а рис.2 представлен пример данных, зарегистрированных с АИНК-89 в одной из моделей горных пород.

Рис.2.Зависимость нормированной скорости счета в дифференциальных временных окнах от времени задержки в модели известняка пористостью 14.9 % абс., оборудованной скважиной диаметром 200 мм и обсадной колонной, заполненной соленой водой (200 г/л NaCl)

На этапе обработки зарегистрированного временного распределения тепловых нейтронов ИННК задаются моделью сигнала, состоящей из двух экспоненциальных компонент. Параметром временного спада долгоживущей компоненты является асимптотический декремент временного затухания тепловых нейтронов _пласта. С его помощью определяют физический параметр пласта – макроскопическое сечение поглощения тепловых нейтронов _а. Для определения водородосодержания используют отношение скоростей счета нейтронов, зарегистрированных на двух расстояниях от источника быстрых нейтронов.

На рис.3,4 приведены примеры зависимостей, характеризующих чувствительность измеряемых функционалов пространственного и временного распределения тепловых нейтронов к физическим параметрам пластов.


Р
ис.3. Зависимость нормированного на показания в баке с водой отношения скоростей счета от коэффициента пористости моделей известняка, оборудованных обсаженной скважиной диаметром 200 мм:

J1 – скорость счета нейтронов во временном окне 0-128 мкс детектора Д1;

J3 - скорость счета нейтронов во временном окне 0-128 мкс детектора Д3


Вычислены погрешности, вызываемые вариациями условий измерений, статистическими флюктуациями зарегистрированных скоростей счета нейтронов, и др. Ниже приводятся некоторые результаты обработки экспериментальных данных. Суммарная погрешность измерения  минимальна для пары зондов 1 и 3 при малых временах начальной задержки (0-200 мкс). Погрешность измерения  с парой зондов 1 и 3 для временного окна в диапазоне задержек 0-128 мкс при времени накопления данных 6 с составляет около 1,0% абс. при =5% абс. и 2,5% абс.при =35% абс. Указанное время накопления соответствует интервалу пластов мощностью 1 м при скорости каротажа 600 м/ч. Другие задержки и пары зондов могут быть использованы для получения дополнительных и контрольных параметров при измерениях .

Р
ис.4. Зависимость измеренного декремента _пласт для детектора Д2 АИНК-89 и параметра сечения поглощения тепловых нейтронов _а от коэффициента пористости моделей известняка, оборудованных обсаженной скважиной диаметром 200 мм


Было выполнено сравнение погрешностей измерения с аппаратурой АИНК-89 и двухзондовой аппаратурой стационарного нейтронного каротажа СРК, из которого следует, что аппаратура АИНК-89 не уступает по точности измерений параметра  аппаратуре стационарного НК. При этом статистическая погрешность измерения с АИНК-89 меньше в 1,5-2 раза, что обеспечивает более высокую (до 600 м/ч для типичных условий) скорость каротажа с АИНК-89.

Было выполнено сравнение АИНК-89 и двухзондовой аппаратуры импульсного нейтронного каротажа АИНК-43. Получено, что скорость каротажа при измерении параметра  со случайной составляющей погрешности менее 1,5% абс. не превышает 120 м/ч для аппаратуры АИНК-43 в типичных условиях, а для АИНК-89 соответствующая скорость составляет около 600 м/ч.

При исследовании возможности измерения параметра _a получено, что влияние вариаций скважинных условий измерения не превышает 2-3%. Значения поправок =_пласта-_a зависят, в первую очередь, от зондового расстояния и водородосодержания пластов. Нелинейность связи параметров _a и _пласта растет с увеличением длины зонда. Наименьшая полная погрешность измерения _а получена для второго зонда АИНК-89. В обсаженной скважине, заполненной пресной водой, среднее квадратическое отклонение параметра _а для всего диапазона водородосодержания моделей не превышает 3% отн. при времени одного измерения 6 с.


Выводы


Новая аппаратура многозондового ИННК позволяет расширить круг решаемых геофизических задач, обеспечить высокую технологичность и безопасность работ по исследованию нефтегазовых скважин ядерно-геофизическими методами. В комплексе методов геофизических исследований скважин многозондовый импульсный нейтрон-нейтронный каротаж с аппаратурой типа АИНК-89 может замещать аппаратуру нейтронного каротажа с ампульными источниками нейтронов.


Литература

1. 1.Амурский А.Г., Боголюбов Е.П., Бабкин И.В., Титов И.А., Блюменцев А.М., Поляченко А.Л., Цейтлин В.Г. Информационно-измерительная система многозондового ИННК. // Научно-технический вестник. Каротажник.  Тверь, 2000, № 72.
   
2. 2.Амурский А.Г., Блюменцев, А.М., Боголюбов Е.П., Прилепухов В.М., Титов И.А., Цейтлин В.Г. Метрологическая аттестация и сертификация аппаратуры двухзондового импульсного нейтрон-нейтронного каротажа. // Научно-технический вестник. Каротажник.  Тверь, 1997, вып.35.
   

УДК 621.039.546


Контроль делящихся материалов в багаже импульсным нейтронным методом


Е.П. Боголюбов, С.А. Коротков, Л.А. Корытко, к.ф.-м.н, В.Г. Моруков,
В.И. Назаров, к.ф.-м.н, Ю.Г. Полканов, Т.А. Хасаев, (ВНИИА),
Б.Д. Воденников, к.ф.-м.н, Г.Н. Игнатьев, к.т.н. (НИИИТ).


В статье рассмотрена проблема обнаружения делящихся материалов (ДМ) в багаже пассажиров. Проведен анализ различных методов контроля несанкционированного провоза ДМ. Для решения поставленной задачи обосновано применение метода дифференцированного затухания. Описана экспериментальная демонстрационная установка на базе портативного нейтронного генератора с чувствительностью определения урана U²³⁵ 5 г за 5 с времени облучения. Предложен метод обнаружения умышленной маскировки ДМ нейтронопоглощающими экранами. Обсуждены проблемы создания промышленного прототипа установки.


Введение


Актуальность задачи обнаружения делящихся материалов (ДМ) в багаже пассажиров определяется, прежде всего, обеспечением реальных гарантий нераспространения ядерного оружия. Эта проблема связана с целым комплексом организационно-технических мероприятий контроля, среди которых важное место занимает обнаружение попыток несанкционированного перемещения ДМ через пропускные пункты различного рода.

Данная задача была сформулирована совместно со специалистами из Ливерморской Национальной лаборатории США им. Лоуренса (ЛАНЛ) и ее практическая разработка проводилась в рамках партнерского проекта МНТЦ «Разработка технологии обнаружения делящихся материалов в багаже пассажиров на основе активных методов».

Отметим некоторые факторы, которые необходимо учитывать при разработке технологии контроля ДМ в багаже:

- объем контролируемого багажа ~ 200 л;

- чувствительность и время обнаружения являются основными параметрами, определяющими области применения установки (минимально обнаруживаемая масса U²³⁵ должна быть 5 - 50 г за время 5-20 с), обязателен низкий уровень ложных тревог;

- возможность умышленной экранировки ДМ при несанкционированном провозе;

- установка должна быть безопасна и проста в управлении и обслуживании; эти качества важны для ее успешной реализации в виде промышленного образца.

При контроле багажа не ставятся задачи выявления характеристик ДМ, т. е. определения вида, изотопного состава, химического соединения, формы и массы. Это, однако, не снимает вопроса о дальнейшей идентификации подозрительного объекта, обнаруженного по наличию признаков ДМ или попыток их маскирования.