Системы и способы с применением настраиваемого дифференциального гравиметра

Системы и способы с применением настраиваемого дифференциального гравиметра

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предпосылки изобретения

Гравиметрия является видом измерений, которые используют для определения характеристик коллектора и мониторинга перемещения газа. Некоторые производимые серийно и имеющиеся в продаже гравиметры созданы на основе гравитационной теории Ньютона. Например, в гравиметрах Лакост-Ромберг применяют пружину нулевой длины для мониторинга гравитационной силы на небольшой контрольной массе. Некоторые гравиметры выполняют мониторинг времени свободного падения тела или периода колебаний маятника. Совсем недавно в некоторых гравиметрических измерениях стали осуществлять мониторинг положения сверхпроводящей ниобиевой сферы, подвешенной в магнитном поле.

В отличие от гравитационной теории Ньютона в гравитационной теории Эйнштейна введена общая зависимость между геометрической структурой пространства и времени и присутствием массивных тел. В теории Эйнштейна вычисляется растяжение времени в присутствии массивного тела. Такое растяжение времени называется "гравитационным красным смещением".

Ядерная спектроскопия предлагает способ, используемый для наблюдения и подтверждения гравитационного красного смещения, вычисляемого в гравитационной теории Эйнштейна. Например, ядро изотопа Fe⁵⁷ может испускать в своем самом нижнем состоянии возбуждения фотон 14,4 кэВ. Данное состояние может иметь приблизительное время существования 140 наносекунд (нс), ширину спектральной линии около 10^-8 эВ или относительную ширину линии около 9,2×10^-13. Эффект Мессбауэра устанавливает, что ядерный переход имеет высокую частотную точность или малую ширину спектральной линии, такую как у ядра Fe⁵⁷. Эффект Мессбауэра успешно используют для измерения/подтверждения гравитационного красного смещения, вычисляемого в гравитационной теории Эйнштейна. Паунд и Ребка в 1960 году первыми использовали эксперимент Мессбауэра для количественного подтверждения гравитационного красного смещения гравитационной теории Эйнштейна.

Сущность изобретения

В общем, описаны системы, способы и методики для определения свойств геологической формации из разности гравитационного потенциала с помощью измерения сдвига частоты радиоактивного излучения в результате разности гравитационного потенциала. Например, можно определить плотность геологической формации.

В одном варианте осуществления предложена система для определения свойства геологической формации. Система включает в себя компонент, размещенный в скважинном инструменте. Компонент измеряет сдвиг частоты гамма-излучения, проходящего от первой позиции компонента ко второй позиции компонента. Сдвиг частоты является результатом разности гравитационного потенциала между первой позицией и второй позицией, которые совпадают с соответствующими точками геологической формации.

Компонент включает в себя источник, установленный на первой позиции. Источник испускает гамма-излучение с первой позиции на вторую позицию. Абсорбер установлен на второй позиции для поглощения гамма-излучения или части гамма-излучения, испущенного из источника. Механизм настройки функционально соединен с источником или абсорбером или тем и другим для компенсации сдвига частоты и наведения резонансного поглощения абсорбером гамма-излучения, испущенного из источника. Детектор или детекторы функционально соединены с абсорбером. Детектор (детекторы) обнаруживает(ют) поглощение гамма-излучения абсорбером и генерирует(ют) сигнал или сигналы, связанные со сдвигом частоты. Процессор или процессоры функционально соединены с детектором (детекторами) для приема генерируемого сигнала или сигналов, определения разности гравитационного потенциала по принятому сигналу или сигналам и определения свойства геологической формации между первой и второй позицией на основе определенной разности гравитационного потенциала.

В другом варианте осуществления предложен способ определения свойства геологической формации. Способ включает в себя генерирование гамма-излучения на первой позиции геологической формации и испускание гамма-излучения с первой позиции на вторую позицию геологической формации. Гамма-излучение, проходящее с первой позиции на вторую позицию, имеет сдвиг частоты в результате разности гравитационного потенциала геологической формации между первой и второй позицией. Способ дополнительно включает в себя компенсацию сдвига частоты гамма-излучения для наведения резонансного поглощения гамма-излучения и поглощение гамма-излучения или части гамма-излучения на второй позиции геологической формации. Способ дополнительно включает в себя обнаружение поглощения гамма-излучения и генерирование сигнала или сигналов, связанных со сдвигом частоты, определение разности гравитационного потенциала на основе генерируемого сигнала или сигналов и определение свойства геологической формации между первой и второй позицией на основе определенной разности гравитационного потенциала.

Сущность изобретения представляет группу концепций, дополнительно описанных ниже. Данная сущность не идентифицирует ключевые или существенные признаки и не ограничивает объем заявленного объекта изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 показана схема примера системы, описанной в данном документе.

На фиг. 2 показана схема одного варианта осуществления системы, описанной в данном документе, включающей в себя измерительное устройство, например инструмент на каротажном кабеле, подвешенный в стволе скважины.

На фиг. 3 показана схема одного варианта осуществления другой системы, описанной в данном документе, включающей в себя измерительное устройство, например инструмент измерений во время бурения или каротажа во время бурения, размещенный в стволе скважины.

На фиг. 4 показана схема примера компонента, включающего в себя дифференциальный гравиметр, описанного в данном документе, с механическим модулятором для компенсации сдвига частоты радиоактивного излучения из источника.

На фиг. 5a показана схема другого примера компонента, включающего в себя дифференциальный гравиметр, описанный в данном документе с магнитным модулятором для компенсации сдвига частоты радиоактивного излучения из источника.

На фиг. 5b показан пример зеемановского расщепления спектральной линии с четырехкратным вырождением (j=3/2).

На фиг. 6 показана блок-схема последовательности операций способа одного варианта осуществления для определения свойства геологической формации.

На фиг. 7 показана блок-схема последовательности операций способа одного варианта осуществления для определения плотности геологической формации.

На фиг. 8 показана схема примера модели концентрической сферической оболочки.

Подробное описание изобретения

В данном документе описаны системы, способы и методики определения свойств геологической формации на основе гравитационной теории Эйнштейна.

Теория Эйнштейна устанавливает растяжение времени в присутствии массивного тела. Например, в присутствии Земли частота радиоактивного излучения на двух позициях геологической формации может отличаться, если имеется разность гравитационного потенциала между данными двумя позициями. Радиоактивное излучение может, например, иметь ядерную спектральную линию некоторой энергии или частоты. Например, ядро изотопа Fe⁵⁷ может испускать фотон 14,4 кэВ с шириной спектральной линии около 10^-8 эВ. На первой позиции геологической формации ядерная спектральная линия радиоактивного излучения имеет частоту f₁, и на второй позиции геологической формации частота может изменяться, представляя собой частоту f₂. Разность частот, σf=f₁-f₂, можно выразить следующим образом:

где r₁ - радиус первой позиции геологической формации; r₂ - радиус второй позиции геологической формации; Φ(Μ,r₁) - гравитационный потенциал на первой позиции; Φ(Μ,r₂) - гравитационный потенциал на второй позиции; f₀ - частота радиоактивного излучения в отсутствие какого-либо тяжелого тела; c - скорость света в вакууме, M - масса Земли.

Аппроксимация уравнения (1) может дать

Уравнение (1) или (2) показывает соотношение между сдвигом частоты и разностью гравитационного потенциала.

Разность гравитационного потенциала, такую как σΦ(Μ,r₁)=[Φ(Μ,r₁)-Φ(Μ,r₂)], можно определить по измеренному сдвигу частоты, такому как σf=f₁-f₂, следующим образом:

где σr=r₁-r₂ - расстояние по вертикали между первой и второй позицией. Расстояние по вертикали в данном документе является расстоянием в направлении гравитационной силы.

Свойство геологической формации, например среднюю плотность пласта между первой и второй позицией, можно определить из разности гравитационного потенциала, определенной, как описано дополнительно ниже.

На фиг. 1 показан пример системы 100 для определения свойства геологической формации. Система 100 может связываться с контрольно-измерительными приборами, например скважинным инструментом, но может не ограничиваться скважинным инструментом. Система 100 включает в себя компонент 110 и по меньшей мере один процессор 108, функционально соединенный с компонентом 110. Компонент 110 может иметь дифференциальный гравиметр, включающий в себя источник 102, генерирующий радиоактивное излучение, абсорбер 104, поглощающий радиоактивное излучение из источника 102, и механизм 106 настройки. Процессор 108 функционально соединен с компонентом 110 для приема и/или передачи сигнала (сигналов) с/на компонент 110 и обработки данных сигнала (сигналов). Процессор 108 может включать в себя один или несколько модулей, например позиция 108a, для помощи в обработке данных измерений и/или сигналов.

Источник 102 генерирует радиоактивное излучение, например гамма-излучение, испущенное на абсорбер 104. Радиоактивное излучение, проходящее из источника 102 на абсорбер 104, может иметь сдвиг частоты в результате разности гравитационного потенциала между местом источника 102 и местом абсорбера 104. Данный сдвиг частоты можно компенсировать механизмом 106 настройки, функционально соединенным по меньшей мере с одним источником 102 или абсорбером 104, так что радиоактивное излучение может резонансно поглощать абсорбер 104. Резонансное поглощение, описанное в данном документе, может относиться к процессу поглощения, где частота входящих фотонов, подлежащих поглощению, совпадает с характеристичной резонансной частотой абсорбирующего материала. Например, если две частоты совпадают в ширине спектральной линии фотонов, может возникать резонансное поглощение. Вероятность процесса резонансного поглощения можно измерять с помощью поперечного сечения резонансного поглощения, которое можно отнести к длине волны фотонов.

Детектор 105 может функционально соединяться с абсорбером 104 для обнаружения поглощения и генерирования одного или нескольких сигналов, связанных со сдвигом частоты. Сигнал (сигналы) принимает(ют)ся и обрабатывает(ют)ся процессором 108. Процессор 108 может передавать сигналы управления на компонент 110 для управления его работой. Понятно, что можно использовать один или несколько процессоров. Процессор 108 может включать в себя один или несколько модулей, например 108a, дополнительно описанных ниже, для помощи в обработке данных измерений и/или сигналов.

Систему 100 можно использовать для определения свойства геологической формации. В одном варианте осуществления можно определять плотность геологической формации с помощью системы 100. Понятно, что другие свойства геологической формации можно определять отдельно от и/или в дополнение к плотности пласта, например составы текучей среды, изменение плотности пласта и/или разность (разности) гравитационных потенциалов. Например, систему 100 можно использовать для мониторинга изменений состава текучей среды геологической формации. На плотность пласта может влиять, например, содержание текучей среды, минералогия и/или литология. Изменение плотности может являться следствием, например, изменения содержания текучей среды, например, относительного содержания газа и воды и/или уплотнения породы в процессе истощения.

Источник 102 и абсорбер 104 может включать в себя по меньшей мере один изотоп, например Fe⁵⁷, Zn⁶⁷, Ag¹⁰⁹, Ag¹⁰⁷, Rh¹⁰³ и Оs¹⁸⁹ и т.д. Термин "изотоп" в данном документе может включать в себя ядерный изомер, который является, например, ядром атома в метастабильном состоянии, обусловленном возбуждением одного или нескольких его нуклонов. В таблице 1 приведены свойства некоторых примеров изотопов, которые можно применять. Следует понимать, что другие изотопы, подходящие для резонансного поглощения, можно также использовать. В одном варианте осуществления источник 102 и абсорбер 104 может включать в себя одинаковый изотоп (изотопы), например абсорбер 104 может являться кристаллом, включающим в себя одинаковый радиоактивный материал или изотоп (изотопы) с источником 102.

Таблица 1Свойства изотопов
Изотоп	Энергия(кэВ)	Времясущест-вования	Естественнаяшириналинии (эВ)	Разрешение	Безот-катноеделение	Периодполура-спада
Fe57	14,4	140 нс	1,3×10-8	9,2×10-13	0,7*	270 дней
Zn67	93,3	9,4 мс	1,4×10-11	1,5×10-15	0,0212	78 часов
Ag107	93,5	63 с	1,05×10-17	1,1×10-22	0,0377	6,5 часов
Ag109	88	57 с	1,16×10-17	1,3×10-22	0,0535	464 дня
Rh103	39,75	81 мин	1,35×10-19	3,4×10-24	0,756	11,96 дней
Оs189	30,8	8,7 часов	2,1×10-20	6,8×10-25	0,905	13 дней
*при комнатной температуре (около 300 K).Ссылка (ссылки): A. Davydov, Hyperfine Interactions, 135 (2001), 125-153.

В одном варианте осуществления бета-радиоактивный изотоп элемента, такой как один из изотопов, приведенных в таблице 1, можно включить в состав источника 102 и/или абсорбера 104. Изотоп может существовать, например, в монокристаллической форме, в форме керамики или металлов. Бета-распад изотопа может испускать связанный фотон из состояния возбуждения со временем существования, τ. Ширина линии, Г=ћ/τ (ћ постоянная планка), может иметь значение до значений ширины линии, например, приведенных в таблице 1, и гравиметр может иметь разрешение, сравнимое с разрешениями, приведенными в таблице 1. Как показано в таблице 1, значение разрешения можно получить как частное от деления естественной ширины линий на энергию.

На фиг. 2 и 3 показаны варианты реализации систем, например, в скважинных инструментах. В некоторых вариантах осуществления скважинные инструменты могут иметь в составе систему 100 фиг. 1. В других вариантах осуществления скважинный инструмент может сам представлять собой систему 100 фиг. 1. На фиг. 2 показана схема одного варианта осуществления системы 200, включающей в себя компонент 220 для определения свойства геологической формации 202. Система 200 может определять разность гравитационного потенциала между двумя позициями геологической формации 202 по измеренному сдвигу частоты радиоактивного излучения, проходя между двумя позициями, на основе соотношения описанного, например, в уравнении (3). Свойство геологической формации 202 можно определить по определенной разности гравитационного потенциала. Например, плотность геологической формации 202 можно вывести из разности гравитационного потенциала, как рассмотрено дополнительно ниже. Понятно, что другие свойства геологической формации 202, например уплотнение пласта вследствие истощения и/или изменения в составе текучей среды геологической формации, такие как изменения в составе текучей среды от газа к воде, можно также определить из определенной разности гравитационного потенциала.

Система 200 включает в себя измерительное устройство 210 и компонент 220, установленный в измерительном устройстве 210. Компонент 220 может являться компонентом 110 фиг. 1. В данном варианте осуществления измерительное устройство 210 может являться скважинным инструментом, например инструментом, подвешиваемым на каротажном кабеле в стволе 204 скважины. Ствол 204 скважины может являться вертикальным, более или менее отклоненным от вертикали или даже по существу горизонтальным. Следует понимать, что измерительное устройство 210 не ограничено инструментом на каротажном кабеле и может являться инструментом измерений во время бурения, инструментом каротажа во время бурения, инструментом на гибкой насосно-компрессорной трубе, испытательным инструментом, инструментом заканчивания, эксплуатационным инструментом или их комбинациями в зависимости от вариантов применения. Например, на фиг. 3 показан инструмент измерений во время бурения/каротажа во время бурения, установленный в стволе скважины, который рассмотрен ниже.

В одном варианте осуществления, когда скважинный инструмент 210 проходит увеличенный глубинный интервал в стволе 204 скважины, инструмент 210 может служить для идентификации и мониторинга изменений плотности, возможных вследствие, например, вытеснения фронтами текучей среды газа или воды, вторгающейся асимметрично в направлении глубинного интервала. Увеличенный глубинный интервал относится, например, к толщине углеводородного коллектора, возможно составляющей несколько десятков метров, которая может значительно превышать интервал измерения инструмента 210. В одном варианте осуществления инструмент 210 можно использовать для определения в увеличенном глубинном интервале положения изменения плотности пласта, например изменения от низкой плотности газовой зоны к высокой плотности водной зоны ниже нее, где поверхность раздела может изменяться, например, из года в год по мере истощения коллектора добываемого газа.

Процессор 230 функционально соединен c компонентом 220 для приема/передачи сигнала (сигналов) с/на компонент 220 и обработки данных сигнала (сигналов). В данном варианте осуществления процессор 230 установлен в скважинном инструменте 210. В других вариантах осуществления процессор 230 можно устанавливать за пределами скважинного инструмента 210. Например, на фиг. 3 показан процессор, установленный над стволом скважины, например, на поверхности. Следует понимать, что один или несколько процессоров можно использовать.

Как показано на фиг. 2 (и также на фиг. 3), скважинный инструмент 210/310 установлен в сухопутной буровой установке. Понятно, что скважинный инструмент 210/310 можно также развертывать другими способами, например с морской буровой платформы.

На фиг. 3 показана схема одного варианта осуществления другой системы 300, включающей в себя компонент 320 для определения свойств геологической формации. Аналогично системе 200, показанной на фиг. 2, система 300 включает в себя измерительное устройство 310, например, скважинный инструмент и компонент 320, установленный в измерительном устройстве 310. Компонент 320 может представлять собой компонент 110 фиг. 1 или компонент 220 фиг. 2. В данном варианте осуществления измерительное устройство 310 является скважинным инструментом, например, измерений во время бурения или каротажа во время бурения, который можно устанавливать в стволе скважины 304 на интервале геологической формации 302.

Процессор 330 функционально соединен c компонентом 320 для приема/передачи сигнала (сигналов) c/на компонент 320 и обработки данного сигнала (сигналов). В данном варианте осуществления процессор 330 установлен на поверхности. Понятно, что процессор 330 может являться частью компонента 320 и/или скважинного инструмента 310. Также понятно, что один или несколько процессоров можно использовать.

В вариантах осуществления фиг. 2 и 3 геологическая формация 202, 302 является подземным пластом, в котором проходит ствол 204, 304 скважины. Понятно, что не обязательно геологическая формация 202, 302 должна являться подземным пластом. Систему 200, 300 можно применять для других геологических формаций над грунтом и/или под грунтом. Например, геологическая формация 202, 302 может являться морским дном, и компоненты 220, 320 можно устанавливать на морском дне.

На фиг. 4 и 5 показаны примеры компонентов, включающих в себя дифференциальный гравиметр для измерения свойства геологической формации. Дифференциальный гравиметр, описанный в данном документе, основан на применении гравитационной теории Эйнштейна для определения разности гравитационного потенциала между позициями в геологической формации. Каждый дифференциальный гравиметр фиг. 4 и 5 может включать в себя механизм настройки, такой как механизм 106 настройки фиг. 1. На фиг. 4 механизм настройки является механическим модулятором. На фиг. 5a механизм настройки является магнитным модулятором.

На фиг. 4 показана схема одного примера компонента, такого как компонент 110 фиг. 1. Являющийся примером компонент включает в себя дифференциальный гравиметр, указанный позицией 400 в данном документе, с механическим модулятором для компенсации сдвига частоты радиоактивного излучения из источника. Дифференциальный гравиметр 400 может являться частью инструмента 210 на каротажном кабеле фиг. 2 или частью инструмента 310 измерений/каротажа во время бурения фиг. 3. Понятно, что дифференциальный гравиметр 400 может являться частью других скважинных инструментов, в том числе инструмента на гибкой насосно-компрессорной трубе, испытательного инструмента, инструмента заканчивания, эксплуатационного инструмента или их комбинаций в зависимости от вариантов применения. В одном варианте осуществления гравиметр 400 можно установить над зондом каротажа сопротивлений, который может присутствовать в скважинном инструменте и являться его частью, таком как инструмент на каротажном кабеле фиг. 2 или инструмент измерений/каротажа во время бурения фиг. 3. Зонды каротажа сопротивлений скважинных инструментов являются известными в технике.

Дифференциальный гравиметр 400 фиг. 4 включает в себя источник 410, установленный в направлении к одному концу кожуха 450. Абсорбер 420 может устанавливаться на противоположном конце кожуха 450, в общем обращенном к источнику 410 для приема по меньшей мере части радиоактивного излучения, генерируемого источником 410. В одном варианте осуществления кожух 450 сконструирован в виде трубки или трубы для обеспечения контакта между источником 410 и абсорбером 420 по линии визирования. Понятно, что источник 410 и абсорбер 420 можно устанавливать в других местах кожуха 450 при условии, что радиоактивное излучение, испущенное источником 410, может передаваться на абсорбер 420.

Источник 410 и абсорбер 420 могут включать в себя по меньшей мере один изотоп, например, Fe⁵⁷, Zn⁶⁷, Ag¹⁰⁹, Ag¹⁰⁷, Rh¹⁰³ или Оs¹⁸⁹. В одном варианте осуществления источник 410 и абсорбер 420 включают в себя одинаковые изотопы. Изотоп может иметь форму, например, кварцевой пластины, которая может служить для поглощения энергии отдачи эмиссии испущенных фотонов. Понятно, что изотоп может иметь другие подходящие формы. Например, в источнике 410 и абсорбере 420 могут применяться металлическая полупроводниковая пластина, выполненная из изотопа или подходящего сплава, в котором изотоп встроен в кристаллическую структуру металла, так что металлическая полупроводниковая пластина или сплав могут служить целиком для поглощения энергии отдачи эмиссии. В некоторых вариантах осуществления источник 410 и абсорбер 420 может включать в себя один кристалл (кристаллы) с термической диффузией изотопа (изотопов), металлическую пленку (пленки), обогащенную(ые) изотопом (изотопами), и/или кварцевые порошки, содержащие изотоп (изотопы).

Источник 410 может генерировать радиоактивное излучение, например гамма-излучение требуемой узкой спектральной линии. Понятно, что радиоактивное излучение может приходить из различных источников. Например, выше в таблице 1 приведены примеры естественной ширины спектральных линий эмиссии ядерных изотопов. Следует понимать, что ширина спектральной линии гамма-излучения не ограничена значениями, приведенными в таблице 1. В других вариантах осуществления можно использовать радиоактивное излучение с частотой/энергией, отличающейся от соответствующих параметров гамма-излучения при условии, что такие параметры радиоактивного излучения могут являться сравнимыми с параметрами гамма-излучения, например ширина спектральной линии может являться сравнимой с шириной линий, приведенной в таблице 1.

Гамма-излучение, генерируемое источником 410, передается в абсорбер 420, который может поглощать по меньшей мере часть гамма-излучения. В одном варианте осуществления кожух 450 может включать в себя трубку или трубу, заполненную средой передачи данных для уменьшения поглощения радиоактивного излучения до прихода гамма-излучения на абсорбер 420. Легкие газы, например гелий или водород, можно использовать как среду передачи данных для удаления относительно тяжелых элементов, например, аргона. В другом варианте осуществления в пространстве между источником 410 и абсорбером 420 можно создавать вакуум для уменьшения поглощения радиоактивного излучения во время передачи.

Детектор может функционально соединяться с абсорбером 420 для обнаружения поглощения гамма-излучения. Понятно, что один или несколько детекторов можно использовать. В варианте осуществления фиг. 4 детектор сконструирован как компоновка 430 детекторов, включающая в себя детектор 432 передачи и два детектора 434 бокового рассеяния для обнаружения поглощения. В других вариантах осуществления компоновка 430 может включать в себя детектор 432 передачи без включения в состав детектора 434 бокового рассеяния. Понятно, что один или несколько детекторов передачи и/или один или несколько детекторов бокового рассеяния можно использовать в любых подходящих комбинациях.

В варианте осуществления фиг. 4 детектор 432 передачи может устанавливаться в направлении вперед, сзади абсорбера 420 относительно источника 410 для обнаружения уменьшенного фотонного потока или уменьшения гамма-излучения вследствие поглощения абсорбером 420. Направление вперед в данном документе относится к направлению радиоактивного излучения, проходящего из источника к абсорберу. В некоторых вариантах осуществления с поглощением гамма-излучения абсорбер 420 может переизлучать фотоны, которые можно обнаруживать в стороне от направления вперед детектора бокового рассеяния, например, детектором 434 бокового рассеяния. В данном варианте осуществления два детектора 434 бокового рассеяния установлены с каждой стороны абсорбера 420. Следует понимать, что один или несколько детекторов бокового рассеяния можно устанавливать, например, с одной стороны абсорбера 420. В другом варианте осуществления поглощение можно обнаруживать одним или несколькими детекторами передачи без использования детектора бокового рассеяния. Детектор передачи и/или детектор бокового рассеяния может включать в себя, например, сцинтилляционный кристалл, соединенный с трубкой фотоумножителя, и/или, например, твердотельный детектор фотонов.

Гамма-излучение, генерируемое источником 410, проходит из источника 410 на абсорбер 420. Например, частота гамма-излучения сдвигается вследствие разности гравитационного потенциала между позициями источника 410 и абсорбера 420. Например, если источник 410 и абсорбер 420 расположены на позициях с разным гравитационным потенциалом, они сталкиваются с разным растяжением времени. В соответствующем гамма-излучении, например, ядерные спектральные линии источника 410 и абсорбера 420 имеют незначительный сдвиг по частоте относительно друг друга, и имеется относительно уменьшенное резонансное поглощение и/или переизлучение в сравнении с ситуацией без такого сдвига частоты.

Такие сдвиги частоты можно компенсировать механизмом настройки, таким как механический модулятор 440 фиг. 4, так что может иметь место резонансное поглощение радиоактивного излучения абсорбером 420. В одном варианте осуществления механический модулятор 440 может функционально соединяться с источником 410 так, что источник 410 может перемещаться относительно абсорбера 420. Перемещение источника 410 может генерировать сдвиг частоты гамма-излучения, испущенного им. В одном варианте осуществления сдвиг частоты может являться допплеровским сдвигом, который можно использовать для компенсации сдвига частоты вследствие разности гравитационного потенциала. Здесь допплеровский сдвиг относится к изменению частоты волны для объекта, перемещающегося относительно источника волны. Например, относительные перемещения между источником и абсорбером генерируют допплеровский сдвиг, где частота радиоактивного излучения, испущенного из источника или принятого абсорбером, может изменяться. В варианте осуществления фиг. 4 источник 410 может устанавливаться на платформе и приводиться в действие поршнем, имеющим эксцентричное колесо. Понятно, что модулятор 440 не ограничен конкретной конструкцией фиг. 4, и модуляторы другого типа, которые могут создавать относительные перемещения между источником 410 и абсорбером 420, достаточные для наведения сдвига (например, допплеровского сдвига) на частоте гамма-излучения, можно использовать. Скорость перемещения источника 410 относительно абсорбера 420 может иметь величину, например, в диапазоне от нм/сек до мм/сек. Понятно, что относительная скорость может меняться согласно естественной ширине спектральной линии изотопа источника 410 и/или абсорбера 420. В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрический модулятор можно также использовать для перемещения источника и/или абсорбера. Понятно, что относительные перемещения между источником и абсорбером можно создавать различными средствами. Например, постоянный магнит внутри индукционной катушки, возбуждаемой переменным током, можно также использовать в качестве исполнительного механизма модулятора.

Источник 410 и/или абсорбер 420 могут перемещаться, например, другу к другу и друг от друга, совершая колебания. Данное перемещение обуславливает сдвиг (например, допплеровский сдвиг) в фотонной энергии и частоте. Скорости колебания в диапазоне, например, от 10 нм/сек до 10 мм/сек могут являться достаточными для свипирования испущенных и резонансно поглощенных спектральных линий мимо друг друга. Понятно, что другие скорости колебания могут являться подходящими.

Понятно, что механический модулятор 440 может функционально соединяться с абсорбером 420 для перемещения абсорбера 420 относительно источника 410 для генерирования сдвига (например, допплеровского сдвига) так, что сдвиг частоты радиоактивного излучения вследствие разности гравитационного потенциала можно компенсировать.

Понятно, что абсорбер 420 и источник 410, каждый, может функционально соединяться с одним или несколькими механическими модуляторами, такими как механический модулятор 440 и абсорбер 420, и источник 410 может перемещаться независимо или одновременно с генерированием относительных перемещений и генерировать сдвиг (например, допплеровский сдвиг), так что сдвиг частоты радиоактивного излучения вследствие разности гравитационного потенциала можно компенсировать.

На фиг. 5a показана схема другого примера компонента 110 фиг. 1, включающего в себя дифференциальный гравиметр 500, описанный в данном документе, с магнитным модулятором для компенсации сдвига частоты радиоактивного излучения в результате разности гравитационного потенциала. Дифференциальный гравиметр 500 может включать в себя источник 510, абсорбер 520 и компоновку детекторов 530, в том числе детектор 532 передачи и два детектора 534 бокового рассеяния, которые могут размещаться в кожухе 550. Структура и функции дифференциального гравиметра 500 могут являться аналогичными дифференциальному гравиметру 400 фиг. 4 за исключением, например, магнитного модулятора 540, который используется вместо механического модулятора.

В данном варианте осуществления магнитный модулятор 540 включает в себя катушку магнитного поля, которая может функционально соединяться с источником 510 для генерирования внешнего магнитного поля (полей). Генерируемое внешнее магнитное поле (поля) может помочь компенсировать сдвиг частоты гамма-излучения, испущенного источником 510, настраивая его. В некоторых вариантах осуществления внешнее магнитное поле (поля) может сдвигать спектральную частоту гамма-излучения с использованием квантовомеханического эффекта зеемановского расщепления, где энергия взаимодействия соединения между ядерными магнитными моментами атомов изотопа и внешним магнитным полем (полями) может модулироваться. Такая магнитная модуляция может расщеплять спектральные линии на несколько энергетических подуровней и обеспечивать энергетическую разность магнитных расщеплений для учета гравитационного сдвига частоты, так что фотоны могут резонансно поглощаться. Эффект зеемановского расщепления является известным в технике.

В одном варианте осуществления, как показано на фиг. 5b, гамма-излучение, проходящее из источника на абсорбер, имеет сдвиг частоты (f_absorber-f_source). Спектральная линия источника или абсорбера может иметь четырехкратное вырождение с общим ядерным моментом импульса j=3/2. В присутствии внешнего магнитного поля B_zeeman одну спектральную линию источника/абсорбера можно расщеплять на четыре подспектральные линии, указанные z-компонентом m (m=+3/2,+1/2,-1/2,-3/2) полного момента импульса. Абсолютная величина магнитного расщепления может являться функцией внешнего магнитного поля, B_zeeman. Например, когда B_zeeman=B_1bias, расщепление спектральной линии с m=-3/2 может компенсировать гравитационный сдвиг частоты. В качестве другого примера, когда B_zeeman=B_2bias, расщепление спектральной линии с m=-1/2 может компенсировать гравитационный сдвиг частоты.

Таким внешним магнитным полем (полями) можно управлять для настройки частоты гамма-излучения без перемещения источника 510 или абсорбера 520. В одном варианте осуществления магнитное поле можно генерировать, например, внутри индукционной катушки вокруг источника 510 электрическим током. Интенсивность электрического тока можно регулировать для определения напряженности магнитного поля. Электрический ток можно регулировать с относительной точностью, например одна часть на 1000 или выше. Например, ток в 1 мA можно регулировать с точностью ±1 мкΑ или выше.

Генерируемое магнитное поле (поля) может включать в себя наложение двух компонентов, например основного компонента и осциллирующего компонента. Основной компонент может являться по существу постоянным полем, которое может накладывать отклонение на сдвиг спектральной линии радиоактивного излучения на определенную величину против отсчета по нулевому полю. В одном варианте осуществления основной компонент может обеспечивать расщепление спектральной линии соединением ядерных магнитных моментов с электронными магнитными моментами. Основной компонент может составлять, например, несколько сот гаусс или миллитесла. Понятно, что основные компоненты с другими абсолютными величинами можно использовать для расщепления спектральной линии.

Основной компонент может служить для компенсации большинства сдвиговых частот вследствие разности гравитационного потенциала между позициями источника и абсорбера, например источника 510 и абсорбера 520. Например, если позиция источника 510 имеет гравитационный потенциал ниже позиции абсорбера 520, гамма-излучение, проходящее из источника 510 на абсорбер 520, имеет красное смещение по частоте. Магнитный модулятор, например магнитный модулятор 540, может функционально соединяться с источником 510, и постоянный основной компонент генерируемого магнитного поля может сдвигать частоту радиоактивного излучения из источника 510 вверх для компенсации красного смещения.

Разность гравитационного потенциала может зависеть от угла наклона гравиметра к гравитационной вертикали. Для компенсации сдвига частоты основной компонент можно регулировать, например, регулируя электрический ток согласно углу наклона гравиметра к гравитацион