стабилизация коэффициента усиления гамма-сцинтилляционного детектора

Формула изобретения

1. Способ стабилизации коэффициента усиления гамма-сцинтилляционного детектора, содержащий:

формирование светового излучения, соответствующего гамма-лучам, обнаруженным во время работ по каротажу скважины, используя сцинтиллятор, имеющий естественную радиоактивность;

формирование электрического сигнала, соответствующего световому излучению; и

стабилизацию коэффициента усиления электрического сигнала, основанного на естественной радиоактивности сцинтиллятора.

2. Способ по п.1, в котором генерация света включает использование сцинтиллятора, содержащего лютеций или лантан.

3. Способ по п.1, в котором стабилизация коэффициента усиления электрического сигнала основана, по меньшей мере частично, на дифференцировании фонового спектра, при этом фоновый спектр представляет собой спектр, обнаруженный сцинтиллятором в отсутствие внешней радиации в рассматриваемом энергетическом диапазоне.

4. Способ по п.3, в котором стабилизация коэффициента усиления электрического сигнала содержит определение ошибочного сигнала от пика в дифференцировании фонового спектра.

5. Способ по п.4, в котором стабилизация коэффициента усиления электрического сигнала содержит определение ошибочного сигнала, при этом ошибочный сигнал основан на различии между двумя или больше окнами, окружающими канал регулирования пика.

6. Способ по п.1, в котором стабилизация коэффициента усиления электрического сигнала основана, по меньшей мере частично, на сравнении с фоновым спектром, при этом фоновый спектр представляет собой спектр, обнаруженный сцинтиллятором в отсутствие внешнего источника радиации.

7. Способ по п.6, в котором стабилизация коэффициента усиления электрического сигнала содержит коррекцию коэффициента усиления электрического сигнала, основанную, по меньшей мере частично, на сравнении с фоновым спектром.

8. Способ по п.1, в котором стабилизация коэффициента усиления электрического сигнала основана, по меньшей мере частично, на полиноминальной кривой, согласующейся с фоновым спектром, причем фоновый спектр представляет собой спектр, обнаруженный сцинтиллятором в отсутствие внешнего источника радиации в представляющем интерес энергетическом диапазоне для регулирования коэффициента усиления.

9. Способ по п.1, содержащий испускание пульсирующей радиации от внешнего радиационного источника в окружающую геологическую формацию, чтобы сформировать гамма-лучи.

10. Способ по п.9, в котором испускаемая пульсирующая радиация от внешнего радиационного источника содержит испускаемую пульсирующую радиацию от нейтронного источника.

11. Способ по п.9, в котором испускаемая пульсирующая радиация от внешнего радиационного источника содержит испускаемую пульсирующую радиацию от источника рентгеновских лучей.

12. Система гамма-спектроскопии, содержащая:

сцинтиллятор, имеющий естественную радиоактивность, сконфигурированный для обнаружения гамма-лучей и генерирования светового излучения, соответствующего гамма-лучам;

фотодатчик, сконфигурированный для обнаружения света и генерирования электрического сигнала, соответствующего световому излучению; и

схему обработки сигнала, сконфигурированную для стабилизации коэффициента усиления электрического сигнала, основанного на естественной радиоактивности сцинтиллятора.

13. Система по п.12, в которой сцинтиллятор содержит лютеций, лантан или окись германия и висмута.

14. Система по п.13, в которой схема обработки сигнала сконфигурирована для стабилизации коэффициента усиления электрического сигнала на основе, по меньшей мере частично, дифференцирования фонового спектра, при этом фоновый спектр представляет собой спектр, обнаруженный сцинтиллятором в отсутствие внешнего источника радиации.

15. Система по п.14, в которой схема обработки сигнала сконфигурирована для определения ошибочного сигнала от пика в дифференцировании фонового спектра.

16. Система по п.15, в которой ошибочный сигнал основан на различии между двумя или больше окнами, окружающими канал регулирования пика.

17. Система по п.12, в которой схема обработки сигнала сконфигурирована для сравнения спектра, представленного электрическим сигналом, с фоновым спектром, где фоновый спектр представляет собой спектр, обнаруженный сцинтиллятором в отсутствие внешнего источника радиации.

18. Система по п.17, в которой схема обработки сигнала сконфигурирована для корректировки коэффициента усиления электрического сигнала, основанной, по меньшей мере частично, на сравнении спектра, представленного электрическим сигналом, с фоновым спектром.

19. Система по п.12, в которой схема обработки сигнала сконфигурирована для стабилизирования коэффициента усиления, основанного, по меньшей мере частично, на полиноминальной кривой, согласующейся с фоновым спектром, где фоновый спектр представляет собой спектр, обнаруженный сцинтиллятором в отсутствие внешнего источника радиации.

20. Система по п.12, содержащая внешний источник, сконфигурированный для испускания пульсирующей радиации в окружающую геологическую формацию, чтобы сформировать гамма-лучи, при этом схема обработки сигнала сконфигурирована для стабилизирования коэффициента усиления во время интервалов, когда внешняя испускаемая радиация низка.

21. Способ стабилизации коэффициента усиления гамма-сцинтилляционного детектора, содержащий:

измерение спектра ядерной радиации в окружающей среде с низким фоном, используя сцинтиллятор, имеющий естественную радиоактивность; и

стабилизацию коэффициента усиления измеренного спектра, основанного на естественной радиоактивности сцинтиллятора, причем для измерения спектра используют сцинтиллятор, содержащий лантан.

22. Способ по п.21, в котором стабилизация коэффициента усиления измеренного спектра содержит выполнение грубого регулирования коэффициента усиления до выполнения уточненного регулирования коэффициента усиления с алгоритмом окон, включающим два или больше окон.

23. Способ по п.21, в котором стабилизация коэффициента усиления измеренного спектра содержит стабилизацию коэффициента усиления вокруг канала регулирования приблизительно 1470 кэВ.

24. Схема обработки сигнала для системы спектроскопии, содержащая:

процессор, сконфигурированный для обработки сигнала спектра сцинтиллятора, имеющего естественную радиоактивность; и устройство памяти, сконфигурированное для направления инструкций процессору,

чтобы стабилизировать коэффициент усиления сигнала спектра, основанного на естественной радиоактивности сцинтиллятора.

25. Схема обработки сигнала по п.24, в которой устройство памяти сконфигурировано для направления инструкций процессору, чтобы стабилизировать коэффициент усиления сигнала спектра, основанного, по меньшей мере частично, на дифференцированном фоновом спектре, при этом фоновый спектр представляет собой спектр, обнаруженный сцинтиллятором в отсутствие внешнего источника радиации.

Описание изобретения к патенту

Уровень техники изобретения

Данное изобретение в целом относится к гамма-сцинтилляции, имеющей место в работах по бурению скважин или работах по радиоактивному каротажу и, в частности, к стабилизации коэффициента усиления гамма-сцинтилляционного детектора, используемого в работах по бурению скважин или работах по радиоактивному каротажу.

Спектроскопический анализ данных работ по радиоактивному каротажу может предоставить количественную или качественную информацию, связанную с геологической формацией, окружающей буровую скважину. Измеряя спектры ядерного излучения (например, гамма-лучей), испускаемого формацией, и сравнивая измеренные спектры с известными химическими компонентами, общий состав формации может быть распознан. Состав формации может характеризовать определенные петрофизические характеристики, связанные с формацией, такие как пористость, матричную литологию и минерализацию воды. Альтернативно, гамма-излучение или рентгеновское излучение, испускаемое источником, установленным в приборе для проведения каротажа, может быть измерено одним или более детекторами в приборе для проведения каротажа после того, как излучение было рассеяно в формации таким образом, чтобы оно могло быть обнаружено детектором. Количество отраженного от формации или буровой скважины излучения и его энергетический спектр может дать количественную информацию об электронной плотности и фотоэлектрическом факторе формации.

Излучение, испускаемое или рассеянное формацией, может быть измерено с помощью сцинтилляционного детектора. Когда излучение формации попадает в сцинтилляционный детектор, детектор может произвести электрический сигнал, соответствующий энергии, накопленной излучением в сцинтилляторе. Поскольку сцинтилляционный детектор может не работать при прогнозируемом постоянном коэффициенте усиления, были разработаны способы для стабилизации коэффициента усиления. Такие способы могут включать в себя помещение радиоактивного источника с четкой энергией гамма-излучения около датчика, в то время как обнаруживается рентгеновское излучение и гамма-излучение, испускаемые или отраженные от формации или буровой скважины. Пик гамма-излучения источника стабилизации в обнаруженном спектре после этого может использоваться для определения и стабилизации коэффициента усиления системы. Зависимость от радиоактивного источника, помещенного около детектора, может иметь множество недостатков, поскольку использование радиоактивных источников может подразумевать обременительные инструкции, источники имеют ограниченные сроки использования (например, 1-15 лет), сила источников может нуждаться в контроле, а герметизация источников не может быть гарантирована больше заранее заданного времени с момента изготовления.

Сущность изобретения

Определенные аспекты, охарактеризованные в объеме с первоначально заявленным изобретением, сформулированы ниже. Следует подразумевать, что эти аспекты представлены для обеспечения читателю краткого изложения определенных форм, которые может принимать изобретение, и что эти аспекты не предназначены для ограничения объема изобретения. Действительно, изобретение может охватывать множество аспектов, которые не сформулированы ниже.

В соответствии с одним вариантом осуществления способ стабилизации коэффициента усиления системы гамма- или рентгеновской спектроскопии может включать в себя формирование светового излучения, соответствующего гамма-лучам, обнаруженным в геологической формации, используя сцинтиллятор, имеющий естественную радиоактивность, формирование электрического сигнала, соответствующего световому излучению, и стабилизацию коэффициента усиления электрического сигнала, основанного на естественной радиоактивности сцинтиллятора. Сцинтиллятор может содержать, например, естественно радиоактивные элементы, такие как лютеций или лантан.

Краткое описание чертежей

Преимущества изобретения могут стать очевидными после прочтения следующего подробного описания с ссылками на чертежи, где:

Фиг.1 - блок-схема системы гамма-спектроскопии в соответствии с вариантом осуществления;

Фиг.2 - диаграмма спектра, иллюстрирующая фоновый спектр, обнаруженный сцинтиллятором системы гамма-спектроскопии фиг.1 в отсутствие внешнего источника излучения;

Фиг.3 - диаграмма спектра, представляющая типичный спектр, связанный с бета-эмиссией;

Фиг.4 - схематическое представление схемы распада ¹⁷⁶Lu в ¹⁷⁶Hf;

Фиг.5 - диаграмма спектра, иллюстрирующая фоновый спектр фиг.2 и дифференцированный фоновый спектр;

Фиг.6 - диаграмма спектра, иллюстрирующая способ стабилизации коэффициента усиления, используя алгоритм четырех окон;

Фиг.7 - блок-схема, описывающая способ для стабилизации коэффициента усиления системы гамма-спектроскопии фиг.1 в соответствии с вариантом осуществления;

Фиг.8 - диаграмма спектра, иллюстрирующая спектр, измеренный в присутствии внешнего излучения, с энергией меньше 360 кило-электрон-вольт (кэВ);

Фиг.9 - блок-схема, описывающая другой способ для стабилизации коэффициента усиления системы гамма-спектроскопии фиг.1 в соответствии с вариантом осуществления;

Фиг.10 - блок-схема, описывающая другой способ для стабилизации коэффициента усиления системы гамма-спектроскопии фиг.1 в соответствии с вариантом осуществления; и

Фиг.11 - блок-схема, описывающая другой способ для стабилизации коэффициента усиления системы гамма-спектроскопии фиг.1 в соответствии с вариантом осуществления.

Подробное описание характерных вариантов осуществления

Ниже описан один или более характерных вариантов осуществления данного изобретения. Чтобы предоставить краткое описание этих вариантов осуществления, не все особенности фактического выполнения описаны в спецификации. Следует понимать, что при разработке любого фактического выполнения, как в любой разработке или дизайн-проекте, должны быть осуществлены многочисленные решения характерных выполнений, чтобы достигнуть определенных целей разработчиков, таких как совместимость с ограничениями, связанными с системой и с бизнесом, которые могут меняться от одного выполнения к другому. Кроме того, следует понимать, что такие исследовательские работы могут оказаться сложными и трудоемкими, но, тем не менее, будут задачей дизайна, производства и выпуска для средних специалистов, обладающих преимуществом этого раскрытия.

Фиг.1 иллюстрирует систему 10 гамма-спектроскопии, выполненную с возможностью использования в работах по радиоактивному каротажу. Система 10 гамма-спектроскопии может обеспечить спектроскопический анализ гамма-лучей или рентгеновских лучей окружающей геологической формации или буровой скважины, чтобы, среди прочего, определить общий состав формации. Вместо того чтобы поддерживать внешний радиационный источник около сцинтиллятора для стабилизации коэффициента усиления, система 10 гамма-спектроскопии может использовать сцинтиллятор 12, имеющий естественную радиоактивность. Используя методы, описанные ниже, система 10 гамма-спектроскопии может стабилизировать коэффициент усиления системы, используя естественную радиоактивность сцинтиллятора 12.

Сцинтиллятор 12 может представлять любой сцинтиллятор, имеющий естественную радиоактивность. Таким образом, сцинтиллятор 12 может представлять, например, сцинтиллятор, основанный, по меньшей мере частично, на лантане и силикате (LSO), лютеции, алюминии и перовските (LuAP), лютеции, алюминии и гарнете (LuAG), или на лантане (La). Такие сцинтилляторы могут быть производства Saint Gobain или General Electric, как описано в патентах США № 7067816 и 7084403. Альтернативно, сцинтиллятор 12 может представлять любой другой сцинтиллятор, содержащий естественный радиоактивный изотоп, такой как, например, окись германия висмута (BGO), содержащую ²⁰⁷Bi.

Когда гамма-луч ударяется о сцинтиллятор 12, энергия, отложенная гамма-лучом, может быть преобразована в свет и получена фотодатчиком, таким как фотоумножитель 14 или любым другим устройством, подходящим для того, чтобы преобразовать свет в электрический сигнал, такой как лавинный фотодиод (APD). Гамма-лучи, обнаруженные сцинтиллятором 12, могут возникать от внешней радиации или от внутренней радиоактивности сцинтиллятора 12. Таким образом, как описано ниже, можно избежать упомянутого внешнего источника радиации с целью стабилизации коэффициента усиления системы 10 гамма-спектроскопии. Кроме того, источник радиоактивности внутри сцинтиллятора 12 может быть однородно распределен по сцинтиллятору 12. Также, ответ сцинтиллятора 12 на внутренний радиационный источник может быть нечувствительным к неоднородностям при генерации света или переносах в сцинтилляторе 12, обеспечивая другое преимущество перед дискретным внешним радиационным источником.

После того, как светоотдача сцинтиллятором 12 получена фотоумножителем 14, фотоумножитель 14 может преобразовать свет из сцинтиллятора 12 в электрический сигнал 16. Следует подразумевать, что система 10 гамма-спектроскопии может альтернативно использовать умножитель с многоканальной пластиной, канальный электронный умножитель или полупроводниковые приборы, такие как лавинные фотодиоды вместо фотоумножителя 14. Электрический сигнал 16 может быть усилен схемой усиления 18, которая может обеспечить усиленный сигнал 20 схеме 22 обработки сигнала. Схема 22 обработки сигнала может включать в себя общий процессор или процессор специального назначения, такой как микропроцессор или логическая микросхема, программируемая в условиях эксплуатации, и может выполнить спектроскопический анализ электрического сигнала, который может включать методы стабилизации коэффициента усиления, описанные здесь. Схема 22 обработки сигнала может дополнительно включать в себя устройство памяти или машиночитаемый носитель, такой как флэш-память, EEPROM, ROM, CD-ROM или другие оптические носители данных, или любой другой носитель данных, который может хранить данные или команды для того, чтобы выполнять следующие методы.

Поскольку выход сцинтиллятора 12, фотоумножитель 14 и схема усиления 18 зависят от внешних факторов, таких как температура, возраст внутренних компонентов или скорость счета гамма-луча, чтобы назвать некоторых, схема 22 обработки сигнала может стабилизировать коэффициент усиления усиленного сигнала 20. Стабилизация коэффициента усиления усиленного сигнала 20 может гарантировать последовательное усиление через переменные условия, такие как различия в температуре или возрасте системы 10 гамма-спектроскопии, то есть у электрического сигнала будет та же самая амплитуда для данного количества энергии, отложенной в сцинтиллирующем кристалле независимо от температуры, возраста, скорости счета датчика и других факторов, которые могут повлиять на общий коэффициент усиления системы. Подходы стабилизации коэффициента усиления, используемые схемой 22 обработки сигнала, могут опираться не на внешний радиационный источник, а скорее на естественную радиоактивность сцинтиллятора 12.

Как отмечено выше, сцинтиллятор 12 может включать в себя естественно радиоактивный материал, который может служить упомянутым источником излучения. Для пояснения, сцинтиллятор 12 может быть сцинтиллятором с лютецием, алюминием и перовскитом (LuAP). LuAP сцинтиллятор может иметь естественную радиоактивность как определенный изотоп распадов лютеция в сцинтилляторе LuAP. Распад лютеция производит бета- и гамма- излучение, которое может взаимодействовать со сцинтиллятором 12, чтобы произвести соответствующий сцинтилляционный сигнал, и получающийся энергетический спектр может использоваться, чтобы стабилизировать коэффициент усиления системы 10 гамма-спектроскопии.

Множество свойств могут сделать LuAP подходящим для каротажных работ. LuAP является негигроскопическим и имеет очень высокую тормозную способность из-за высокой плотности и эффективного Z. Дополнительно, LuAP имеет превосходные температурные характеристики и показывает малое количество потерь светоотдачи с температурой. Существует два изотопа лютеция: ¹⁷⁵LU (97,4%) и ¹⁷⁶Lu (2,6%). Последний, будучи радиоактивным, распадается с периодом полураспада 2,6×10¹⁰ лет на ¹⁷⁶ Hf. Радиоактивность приводит приблизительно к 450 количеству в секунду на кубический сантиметр (к×c/см³) материала LuAP. С известной радиоактивностью LuAP в сцинтилляторе 12, схема 22 обработки сигнала может стабилизировать коэффициент усиления усиленного сигнала 20.

Фиг.2 изображает диаграмму 24 фонового спектра радиоактивного распада лютеция в сцинтилляторе 12 из LuAP, когда нет никакого внешнего радиационного источника. Энергетический спектр, изображенный на диаграмме 24 фонового спектра, был получен из цилиндрического сцинтиллирующего кристалла LuAP 12 мм диаметром и 12 мм длиной без источника стабилизации. Ордината 26 диаграммы 24 фонового спектра обозначает наблюдаемое множество количества на канал, а абсцисса 28 иллюстрирует энергетический уровень, наблюдаемый в единицах кило-электрон-вольт (кэВ).

Наблюдаемая спектральная форма диаграммы 24 фонового спектра, может быть объяснена радиоактивным распадом, происходящим в пределах сцинтиллирующего кристалла LuAP. ¹⁷⁶Lu распадается на ¹⁷⁶Hf в возбужденном состоянии, испускаются бета-частица (электрон) и нейтрино; однако, только энергия бета-частицы может быть обнаружена сцинтиллятором LuAP. Так как бета-эмиссия происходит в сцинтиллирующем кристалле, большинство бета-частиц может быть остановлено в сцинтилляторе. Соответственно, энергия, связанная с остановленными бета-частицами, может откладывается в сцинтилляторе, производя соответствующий сигнал сцинтилляции. Дополнительно, производство ¹⁷⁶Hf в возбужденном состоянии может вызвать гамма-эмиссию, которая может быть также обнаружена сцинтиллятором LuAP. Спектральная форма диаграммы 24 фонового спектра, таким образом, может отражать сумму энергии бета-эмиссии и энергии гамма-лучей, обнаруженных сцинтиллятором LuAP.

В зависимости от комбинации обнаруженных бета-частиц и гамма-лучей, сигнал сцинтилляции диаграммы 24 фонового спектра показывает множество "бугров", но ни одного четкого пика, как можно было бы наблюдать при использовании внешнего источника излучения. Вместо этого диаграмма 24 фонового спектра показывает ряд переходов, приводящих к пиковой энергии. Такие переходы включают переход 30 приблизительно в 88,4 кэВ, переход 32 приблизительно в 290 кэВ, переход 34 приблизительно в 307 кэВ и переход 36 приблизительно в 597 кэВ. Форма диаграммы 24 фонового спектра, представляющая обнаружение бета-частицы и гамма-лучей, лучше описана на фиг.3 и 4, которые более подробно описывают бета-эмиссию и гамма-эмиссию, соответственно, связанных с радиоактивным распадом лютеция.

Обращаясь к фиг.3, диаграмма 38 спектра бета-эмиссии иллюстрирует общий характер спектра бета-эмиссии, который может возникать, когда бета-частицы обнаружены сцинтиллятором. Ордината 40 диаграммы 38 спектра бета-эмиссии иллюстрирует множество количества, которое может наблюдаться сцинтиллирующим кристаллом, и абсцисса 42 иллюстрирует соответствующую относительную наблюдаемую энергию. Как изображено на диаграмме 38 спектра бета-эмиссии, кривая 44 спектра бета-эмиссии может сформировать непрерывное распределение по диапазону возможных бета-энергий. Кривая 44 может закончиться в энергии конечной точки 46, представляющей максимальную бета-энергию, доступную при распаде. Следует подразумевать, что кривая 44 спектра бета-эмиссии является непрерывным множеством, потому что полная энергия распада бета-эмиссии разделена между бета-частицей и связанным нейтрино во время распада. Нейтрино не обнаружимо в сцинтилляторе 12. Таким образом, может наблюдаться только энергия бета-частицы, которая может изменяться в зависимости от энергии не обнаруживаемого нейтрино. Конечная точка энергетического спектра представляет полную энергию, доступную для бета-радиации, то есть вся кинетическая энергия передается бета-частице (электрон) и ничего не передается нейтрино.

Фиг.4 - схема 48 распада, описывающая радиоактивный распад ¹⁷⁶Lu на ¹⁷⁶Hf, который может быть одним изотопом лютеция, найденного в сцинтилляторе LuAP. Как показано схемой 48 распада, ¹⁷⁶Lu может распасться на ¹⁷⁶Hf в возбужденном состоянии через бета-эмиссию. Когда бета-распад происходит в ¹⁷⁶LU, под цифрой 50, ¹⁷⁶LU может быть на энергетическом уровне 1162 кэВ выше основного состояния ¹⁷⁶Hf. Приблизительно 0,9% радиоактивного распада ^l76Lu может привести к бета-эмиссии приблизительно 164 кэВ, как проиллюстрировано под цифрой 52. Однако следует подразумевать, что, так как небольшая часть всего радиоактивного распада может произвести такую бета-эмиссию, энергия от такой эмиссии не может быть отражена на диаграмме 24 фонового спектра фиг.2.

После маловероятной бета-эмиссии под цифрой 52, ¹⁷⁶ Lu может превратиться в ¹⁷⁶Hf в возбужденном состоянии приблизительно 998 кэВ выше его основного состояния, как показано под цифрой 54. Следующий энергетический уровень ¹⁷⁶ Hf приблизительно 597 кэВ выше основного состояния, как показано под цифрой 56. Когда ¹⁷⁶Hf в возбужденном состоянии под цифрой 54 (приблизительно 998 кэВ выше основного состояния) спадает до энергетического уровня цифры 56 (приблизительно 597 кэВ выше основного состояния), может произойти самопроизвольная гамма-эмиссия, имеющая полную энергию приблизительно 401,1 кэВ, как показано под цифрой 58. Однако так как только приблизительно 0,9% бета-эмиссии может произвести такую самопроизвольную эмиссию, появление гамма-луча при 401,1 кэВ не может также быть отражено на диаграмме 24 фонового спектра фиг.2.

Приблизительно 99,1% радиоактивного распада на схеме 48 распада может привести к бета-эмиссии приблизительно 565 кэВ, как показано цифрой 60. Следует подразумевать, что полная энергия бета-эмиссии под цифрой 60 разделена между обнаружимой бета-частицей и не обнаружимым нейтрино. Также, когда серия таких бета-эмиссий обнаружена сцинтиллятором 12, получающийся спектр может принимать форму непрерывного распределения, описанного фиг.3. Однако, как отмечено ниже, гамма-эмиссия от ¹⁷⁶Hf в возбужденном состоянии может также влиять на форму обнаруженного спектра.

После бета-эмиссии, отмеченной цифрой 60, ^l76Lu становится ¹⁷⁶ Hf в возбужденном состоянии, отмеченным цифрой 56, приблизительно 597 кэВ выше основного состояния. Следующий энергетический уровень ¹⁷⁶Hf - приблизительно 290 кэВ выше основного состояния, как показано цифрой 62. Когда ¹⁷⁶Hf в возбужденном состоянии под цифрой 56 (приблизительно 597 кэВ) спадает до возбужденного состояния цифры 62 (приблизительно 290 кэВ), может произойти самопроизвольная гамма-эмиссия 64, имеющая энергию приблизительно 306,9 кэВ. Точно так же, когда ¹⁷⁶Hf в возбужденном состоянии под цифрой 62 (приблизительно 290 кэВ) спадает до возбужденного состояния, проиллюстрированного цифрой 66 (приблизительно 88,4 кэВ), может произойти самопроизвольная гамма-эмиссия 68, имеющая энергию приблизительно 201,8 кэВ. Наконец, ¹⁷⁶Hf в возбужденном состоянии под цифрой 66 (приблизительно 88,4 кэВ) может спасть до основного состояния, вызывая самопроизвольную гамма-эмиссию 70, имеющую энергию приблизительно 88,4 кэВ.

Гамма-эмиссия 64, 68 и 70 может быть обнаружена сцинтиллятором LuAP. Таким образом, с ссылкой на фиг.2, гамма-эмиссия 64, 68 и 70 фиг.4 может быть представлена переходами 30, 32, 34 и 36 диаграммы 24 фонового спектра. Определенно, переход 30, появляющийся приблизительно при 88,4 кэВ, может соответствовать гамма-эмиссии 70 (88,4 кэВ); переход 32, появляющийся приблизительно при 290 кэВ, может соответствовать сумме гамма-эмиссии 70 (88,4 кэВ) и 68 (201,8 кэВ); переход 34, появляющийся приблизительно при 307 кэВ, может соответствовать гамма-эмиссии 64 (306,9 кэВ); и переход 36, появляющийся приблизительно при 597 кэВ, может соответствовать сумме гамма-эмиссии 64, 68 и 70.

В то время как многие из гамма-лучей, полученных в результате радиоактивного распада, могут быть обнаружены сцинтиллятором LuAP, описанным выше, некоторые гамма-лучи могут выйти из сцинтилляторующего кристалла LuAP не обнаруженными. Рассматривая сначала гамма-эмиссию 70 (88,4 кэВ), переход 30, соответствующий гамма-эмиссии 70 (88,4 кэВ), происходит в значительной степени через внутреннее преобразование (86%). Поэтому из-за низкой энергии гамма-эмиссии 70 (88,4 кэВ) гамма-эмиссия 70 (88,4 кэВ) маловероятно избежит сцинтиллирующего кристалла LuAP. Таким образом, гамма-эмиссия 70 (88,4 кэВ), вероятно, будет обнаружена сцинтиллятором LuAP. По тем же причинам, если гамма-эмиссия 68 (201,8 кэВ) обнаружена сцинтиллятором LuAP, гамма-эмиссия 70 (88,4 кэВ) также вероятно будет поглощена, и если гамма-эмиссия 64 (306,9 кэВ) обнаружена сцинтиллятором LuAP, то гамма-эмиссии 68 (201,8 кэВ) и 70 (88,4 кэВ) также вероятно будут поглощены. Следует подразумевать, что в большем кристалле LuAP, обнаружение гамма-луча при переходе 36, возникающем приблизительно при 597 кэВ, таким образом становятся доминирующими, поскольку вероятность сбегающих из кристалла гамма-лучей, существенно уменьшится.

Особенности, рассмотренные на диаграмме 24 фонового спектра фиг.2, могут использоваться для стабилизации коэффициента усиления системы 10 гамма-спектроскопии. Однако так как на диаграмме 24 фонового спектра не хватает единственного пика, традиционный подход без дополнительной обработки, чтобы получить регулирование, не подходит. Как описано ниже, один способ дополнительной обработки, чтобы позволить наблюдаемому спектру диаграммы 24 использоваться для регулирования коэффициента усиления, может включать дифференцирование измеренного спектра, как показано ниже на фиг.5.

Фиг.5 - схема дифференцированного 72 фонового спектра, которая иллюстрирует и измеренный спектр схемы 24 фонового спектра, и дифференцированный спектр, полученный при дифференцировании относительно энергии измеренного спектра схемы 24 фонового спектра. В дифференцированной схеме 72 фонового спектра первая ордината 74 может представить измеренный спектр в единицах количества в секунду (к/с), и вторая ордината 76 может представить дифференцированный спектр в единицах количества в секунду на кило электрон-вольт - (к/кэВ×с). Абсцисса 78 представляет энергию в единицах кэВ от 0 до 1000 кэВ. Цифра 80 обозначает измеренный спектр, а цифра 82 обозначает дифференцированный спектр.

Как показано на схеме дифференцированного 72 фонового спектра фиг.5, дифференцированный спектр 82 может включать серию пиков 84, 86 и 88. Следует понимать, пики 84, 86 и 88 соответствуют переходам 30, 32 и 34, и 36, соответственно. Так как переходы происходят на конкретных энергетических уровнях, по причинам, описанным выше, пики 84, 86 и 88 могут также произойти на тех же самых конкретных энергетических уровнях. Таким образом, изолируя один из пиков дифференцированного спектра 82, такой как пик 86, может позволить регулирование коэффициента усиления, используя традиционный подход.

Фиг.6 изображает использование алгоритма четырех окон для стабилизации коэффициента усиления на схеме 90. Схема 90 включает в себя ординату 92, представляющую количества на канал, и абсциссу 94, представляющую номера каналов. Как показано на схеме 90, сетка пиков 96 может окружать канал 97 регулирования, который может представить особую энергию, которая предназначена для использования в регулировании коэффициента усиления. Линейный фон 98 может быть расположен ниже сетки пиков 96. Используя четыре окна LL, LU, UL и UU, которые делят сетку пиков 96, ошибочный сигнал может быть определен следующим образом:

(1).

Ошибочный сигнал уравнения (1) представляет различие между областями двух внутренних окон, LU и UL, которые окружают канал 97 регулирования, после вычитания линейного фона. Следует понимать, что ошибочный сигнал уравнения (1) может использоваться для стабилизации коэффициента усиления.

Обратимся к фиг.7, блок-схема 100 описывает способ выполнения регулирования коэффициента усиления системы гамма-лучевой спектроскопии 10. В первом шаге 102 может быть измерен спектр, произведенный сцинтиллятором 12 с внешним существующим источником. Такой спектр может быть кратко показан на фиг.8. Фиг.8 изображает схему 104 спектра, которая может представить спектр, полученный датчиком сцинтилляции в присутствии внешней радиации, которая будет измерена. Схема 104 включает в себя ординату 106, представляющую количество в секунду на кэВ, и абсциссу 108, представляющую энергию в кэВ. Внешний спектр 110 иллюстрирует ответ на внешнюю радиацию, и внутренний спектр 112 иллюстрирует ответ на внутреннюю радиацию от радиоактивных компонентов сцинтиллятора 12. Область 114 представляет область спектра, не затронутого внешней радиацией. Как показано на схеме 104, спектральная область, представляющая интерес для регулирования коэффициента усиления, четко отделена от спектра внешних рентгеновских лучей, так как обнаруженные внешние рентгеновские лучи имеют более низкую энергию.

В следующем шаге 116 измеренный сигнал спектра может быть дифференцирован, как показано схемой дифференцированного 72 фонового спектра на фиг.5. В шаге 118 пики 84, 86 или 88 дифференцированного спектра сигнала 82 могут быть использованы в традиционных методах регулирования коэффициента усиления (например, используя два или четыре окна) или в любом другом подходящем методе обнаружения пиков, способом, описанным выше на схеме 90 фиг.6. В качестве примера, так как пик 86, который соответствует переходу 32, практически отдельный, может использоваться канал 97 регулирования приблизительно 290 кэВ. Следует понимать, однако, что любые другие традиционные методы могут дополнительно или альтернативно использоваться, чтобы выполнить регулирование коэффициента усиления, как только дифференцированный спектр сигнала был получен. Те же самые подходы могут использоваться к спектру, показанному на фиг.8.

Обращаясь к фиг.9, блок-схема 120 описывает другой способ выполнения стабилизации коэффициента усиления для системы 10 гамма-спектроскопии. В шаге 122 может быть измерен спектр, произведенный сцинтиллятором 12 без внешнего радиационного источника. В качестве примера схема 24 фонового спектра фиг.2 может представить такой измеренный спектр. В последующем шаге 124 измеренный спектр может использоваться в качестве стандартного спектра для подходящих процедур, когда система 10 гамма-спектроскопии используется для обнаружения внутрискважинной радиации. В шаге 126 спектральный коэффициент усиления может быть приспособлен, чтобы соответствовать известному стандартному сигналу спектра, стабилизируя коэффициент усиления. Такая техника описана более подробно в патенте США № 5360975.

Обращаясь к фиг.10, блок-схема 128 описывает другой способ выполнения стабилизации коэффициента усиления для системы 10 гамма-спектроскопии. В первом шаге 130 может быть измерен спектр, произведенный сцинтиллятором 12 в присутствии внешнего радиационного источника. В качестве примера схема спектра 104 фиг.8 может представить такой измеренный спектр. В последующем шаге 132 полиноминальная кривая, такая как многочлен второго или третьего порядка, может согласовываться с измеренным спектром, чтобы получить определение положения определенных характеристик и пиков. В шаге 134 полиноминальная кривая, полученная в шаге 132, может использоваться, чтобы определить фактическое положение определенных характеристик. Сравнение фактического положения характеристик и желаемого положения может использоваться для получения ошибочного сигнала для выполнения регулирования коэффициента усиления, используя традиционный подход.

Как отмечено выше, сцинтиллятор 12 может включать материалы, имеющие естественную радиоактивность кроме лютеция, такие как лантан. Лантан может быть найден в двух естественных изотопах: ¹³⁸La (0,09%) и ¹³⁹La (99,91%). Изотоп ¹³⁸La распадается с периодом полураспада 1,1×10¹¹ лет на ¹³⁸ Ba через электронный захват. В результате фоновый спектр, обнаруженный сцинтиллятором, содержащим лантан, может обеспечить единственный, четкий пик.

В частности, гамма-энергия, связанная с распадом лантана, составляет 1435,8 кэВ. Поскольку распад сопровождается захватом невалентного электрона (как правило, K-электрона), однако, могут быть испущены K-рентгеновские лучи 33,4 кэВ или реже, 37,8 кэВ. Самопроизвольное обнаружение гамма-луча (1435,8 кэВ) и K-рентгеновского луча (33,4 кэВ) может произвести спектр, который достигает максимума в приблизительно 1470 кэВ.

Обращаясь к фиг. 11, блок-схема 136 может описать другой способ выполнения регулирования коэффициента усиления в системе гамма-спектроскопии 10 в окружающей среде низкого фона (то есть, окружающая среда с минимальным фоновым излучением), который может быть особенно эффективным, когда сцинтиллятор 12 содержит материал, такой как лантан. В первом шаге 138 спектр, произведенный сцинтиллятором 12, может быть измерен в окружающей среде низкого фона. Следует понимать, что сцинтиллятор 12 может использоваться для обнаружения естественных гамма-лучей, даже при том, что естественная радиоактивность сцинтиллятора 12 может привести к инфляции статистической ошибки. Регулирование коэффициента усиления может иметь место на стадиях 140 и 142. На стадии 140 схема 22 обработки сигнала может выполнять грубое регулирование коэффициента усиления. Грубое регулирование коэффициента усиления более подробно описано в патенте США № 7081616. На стадии 142 алгоритм окон может использоваться, чтобы выполнить обработку регулирования коэффициента усиления. Алгоритм окон в общих чертах обрисован в патенте США № 3922541, который включен в настоящее описание путем ссылки в полном объеме. Альтернативно, может использоваться подход, использующий полный спектр, то есть все детали спектральной формы как описано в патенте США № 5360975.

В некоторых окружающих средах, включающих высокие показатели количества от внешней радиации, регулирование коэффициента усиления, использующее слабый источник, может быть сложным или непрактичным, в особенности, если энергетический спектр внешней радиации накладывается с существенными характеристиками спектра, используемого для регулирования коэффициента усиления. Если источник внешней радиации пульсирует (то есть, внешняя радиация включается и выключается через регулярные интервалы времени), стабилизация коэффициента усиления может быть выполнена во время интервалов, во время которых внешняя радиация отсутствует или очень мала. Такая пульсирующая окружающая среда может быть найдена, когда используется пульсирующий нейтронный источник, чтобы вызвать гамма-лучи в материале, окружающем инструмент, или если используется пульсирующий источник рентгеновских лучей.

В то время как здесь были проиллюстрированы и описаны только определенные особенности изобретения, множество модификаций и изменений возникнут у специалистов в данной области техники. Поэтому, следует подразумевать, что приложенная формула изобретения предназначена, чтобы учесть все подобные модификации и изменения, которые находятся в пределах истинной сущности изобретения.