巖心元素掃描儀的設計

□ 張增旺

中國電波傳播研究所 河南新鄉 453003

1 設計背景

巖屑元素錄井技術的發展與應用為地質錄井對復雜巖性和地層的識別提供了可靠的數據,滿足了地質錄井定量化的需求,近年來日益受到油田用戶的重視。目前市場上的巖屑元素錄井儀都是針對鉆井巖屑進行分析作業的[1],主要將鉆井巖屑制成巖屑壓片后分析組成元素,在分析巖心的組成元素時需要將巖心局部破碎成巖屑,并制成巖屑壓片,由此破壞了巖心的完整性,并且不利于巖心的保存,因為巖心是重要的地質資料,相比巖屑能夠更加準確地反映地層信息,而且巖心取樣成本較高,妥善保存完整的巖心可以便于日后做其它檢測分析。筆者從實際使用和功能要求出發,設計了一種新型巖屑元素錄井儀,稱為巖心元素掃描儀。這一巖心元素掃描儀設計緊湊,造型美觀,可靠性高,可以在不破壞巖心的情況下分析完整的巖心組成元素,同時也可以分析巖屑壓片的組成元素。

2 工作原理

巖心元素掃描儀基于X射線熒光分析技術進行工作[2]。當X射線發生器發射的X射線照射到巖心樣品上時,X射線與巖心樣品中原子內層電子作用,產生光電效應,逐出內層電子形成光電子,并在電子層形成空穴。這一空穴使原子處于不穩定狀態,導致原子外層的高能電子向內層躍遷。在此過程中,電子的能差轉化為二次X射線,稱為X射線熒光[3]。X射線熒光的能量與入射的能量無關,等于原子外層高能電子向內層躍遷時兩能級之間的能量差。由于原子兩能級之間的能量差完全由原子的電子層能級決定,因此X射線熒光又可稱為元素的特征X射線,通過測定特征X射線的能量,就可以確定樣品中微量元素的種類[4]。如鐵的特征X射線能量為6.4 keV,銅的特征X射線能量為8.0 keV,據此可以進行定性分析。另一方面,特征X射線熒光光子數量與對應元素的含量成正比,由此可以進行元素含量的定量分析。

3 結構

巖心元素掃描儀由X射線熒光錄井檢測單元、視頻監控單元、樣品運動控制單元、氣路單元、控制電路、分析軟件組成,各組成部分配合運行,以完成元素的分析工作。巖心元素掃描儀組成功能框圖如圖1所示。

巖心元素掃描儀整體結構如圖2所示。

4 設計考慮因素

(1) 控制腔體與裝樣腔體需要設計為兩個獨立的結構。將控制腔體和裝樣腔體分開,巖心元素掃描儀在正常使用時不需要打開控制腔體,避免在更換檢測樣品時對控制元器件造成影響或損壞。

▲圖1 巖心元素掃描儀組成功能框圖▲圖2 巖心元素掃描儀整體結構

(2) 在巖心元素掃描儀對樣品檢測的過程中,做到在不打開裝樣腔體的狀態下對被檢測樣品的各個部位完成檢測,并能做到根據檢測效果實時調整被檢測樣品的位置。

(3) 實現在不破壞巖心樣品完整性的前提下對巖心樣品進行檢測,同時實現一次裝樣操作對多個巖屑壓片樣品進行檢測。

(4)為提高檢測的精度,裝樣腔體需要進行抽真空處理。

(5) 巖心元素掃描儀作為一款新產品,除了具有整體結構緊湊、移動便利、使用方便等優點外,造型也應美觀,給人耳目一新的感覺。

5 設計安全計算

X射線的電離輻射對人體是有傷害的[5],可以使生物細胞受到抑制、破壞甚至壞死,致使機體發生不同程度的生理、病理、生化等方面改變。接觸射線的時間越長,致病的危險性就越大[6]。因此,使用X射線發生器時,需要采取屏蔽防護措施[7]。

在設計X射線屏蔽防護措施時[8],首先要確定X射線的屏蔽透射量,然后對照由試驗測量得到的X射線減弱曲線,求得所需要的X射線屏蔽層厚度。

B=PR2/(WUT)

(1)

式中:B為1 m處射線屏蔽透射量,R/(mA·min);P為每周最大允許受到X射線輻射的劑量當量值,rem,對于職業性照射,P取值為0.1 rem,對于放射性工作場所鄰近人員,P取值為0.01 rem;R為X射線源到操作者的距離,m;T為居留因子,經常有人員停留情況為全居留,T取值為1,部分時間內有人員停留情況為部分居留,T取值為1/4,偶爾有人員經過的情況為偶然居留,T取值為1/16;U為使用因子,直接受X射線照射時為充分使用,U取值為1,不直接受X射線照射時為部分使用,U取值為1/4,基本上不受到X射線有效照射時為不常使用,U取值為1/16;W為每周工作負荷,mA·min。

W=It

(2)

式中:I為管電流,mA;t為每周工作時間,min。

巖心元素掃描儀使用的是50 kV X射線發生器,管電流I為0.08 mA。

設定工作人員每天工作8 h,每周工作5 d,t為2 400 min。工作地點與X射線管焦點距離為1 m,R為1 m。工作人員為職業性照射,P為0.1 rem。工作人員在工作場所長期停留,T為1。X射線接受程度為直接照射,U為1。

由式(2)計算得到每周工作負荷W為192 mA·min。

由式(1)計算得到X射線屏蔽透射量B為5.2×10-4R/(mA·min)。

X射線屏蔽透射量曲線如圖3所示。在縱坐標中查到B值,并從該點作水平線與50 kV曲線相交,在交點處作垂直線與橫坐標相交,交點即為鉛板屏蔽厚度。由上述步驟得到鉛板屏蔽厚度為0.04 cm。

▲圖3 X射線屏蔽透射量曲線

考慮兩倍安全因數,將計算得到的鉛板屏蔽厚度再加半價層厚度[9]。X射線的近似半價層厚度見表1,得到當峰值電壓為50 kV時,半價層厚度為0.006 cm,合計總鉛板屏蔽厚度為0.046 cm。

由文獻[10]可知,當峰值電壓為100 kV時,0.09 cm鉛板屏蔽厚度相當于0.5 cm鋼板屏蔽厚度,即0.5 cm厚的鋼板與0.09 cm厚的鉛板屏蔽效果一致。由圖3可知,當X射線的屏蔽透射量一定時,X射線發生器峰值電壓越高,要求鉛板屏蔽厚度越厚。峰值電壓為50 kV時所需的鉛板屏蔽厚度小于0.09 cm,計算得到的鉛板屏蔽厚度為0.046 cm,小于0.09 cm,因此,0.09 cm鉛板屏蔽厚度滿足設計防護要求,即0.5 cm鋼板屏蔽厚度滿足設計防護要求。

表1 X射線近似半價層厚度

6 工作流程

(1) 準備工作。將待檢測的巖心樣品或巖屑壓片樣品放置于對應的支架上,檢查巖心元素掃描儀各管線是否連接正常,運行是否正常。

(2) 放樣工作。打開裝樣腔體裝樣端艙門,將待檢測樣品及支架放入裝樣腔體內樣品平臺上,關閉艙門,保證密封性。

(3) 檢測工作。操控軟件對裝樣腔體進行抽真空操作,達到真空要求后,操控軟件開始對被檢測樣品進行檢測。

(4) 取樣工作。樣品檢測完畢后,操控軟件恢復裝樣腔體內的氣壓,打開艙門并取出樣品,完成檢測工作。

7 設計實現

7.1 控制單元

控制單元安裝于裝樣腔體頂部的控制腔體內,由框架、頂蓋、前后面板組成。控制腔體內部裝有開關電源、控制電路、真空過濾器、電磁閥,前面板配裝按鈕開關,后面板配裝連接器、電源插座、交流風扇、電源過濾器、固態繼電器,頂蓋側端開有散熱孔,并裝有過濾棉板。控制單元配合軟件操作,可操作控制巖心元素掃描儀的整個檢測過程。

7.2 檢測單元

檢測單元位于控制腔體的檢測腔內,與裝樣腔體相連接處加裝硅膠墊板進行密封處理。檢測腔外部裝有X射線發生器和X射線探測器,檢測腔內部裝有激光測距傳感器和高清攝像頭。設計要求激光測距傳感器、X射線發射器、X射線探測器的端口延長線交于一點,并且相交點與待測樣品表面距離需要滿足X射線探測器的使用距離要求。巖心元素掃描儀工作時,高清攝像頭能對被檢測樣品進行實時監控。

7.3 裝樣單元

裝樣單元采用一個壁厚0.55 cm的不銹鋼矩形鋼管作為裝樣腔體,裝樣腔體兩端安裝有厚1 cm的不銹板鋼艙門,裝樣腔體與艙門之間加裝硅膠墊板進行密封處理。裝樣腔體內底部安裝有水平電子尺、電動水平位移臺、電動豎直位移臺。在電動豎直位移臺上安裝樣品平臺,樣品平臺上放置擺放巖心樣品的巖心支架或擺放巖屑壓片的壓片支架。不同型號支架放置在電動豎直位移臺上使用時,需要滿足裝樣腔體對不同外形尺寸巖心樣品或多個巖屑壓片的檢測放置要求。電動水平位移臺和電動豎直位移臺配合使用,能夠實現被檢測樣品水平與豎直方向的二維連續運動。配合使用水平電子尺和檢測單元的激光測距傳感器,可以實現對被檢測樣品檢測面與X射線探測器之間的精準定位。裝樣腔體底部裝有自鎖式滑輪,便于巖心元素掃描儀的移動運輸。

7.4 氣路單元

為了保證被檢測樣品中輕元素的檢測精度,被檢測樣品的分析需要在真空環境下進行。氣路單元可以實現對裝樣腔體的抽真空功能。氣路單元包括真空泵、抽氣控制電磁閥、充氣控制電磁閥,以及相應的管線和接頭。

8 結束語

所設計的巖心元素掃描儀已投入使用。由專業機構檢測這一巖心元素掃描儀的屏蔽效果,滿足輻射安全要求。經應用表明,這一巖心元素掃描儀結構簡潔,便于拆裝,便于操作和控制,檢測效果好,可以適應不同規格尺寸的巖心樣品檢測和巖屑壓片檢測,對操作人員和維修人員的技術水平要求不高,符合現場使用的實際需求。