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Gerät zur Bohrlochuntersuchung
Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Bohrlochuntersuchung, insbesondere eine verbesserte Sonde zur
Anzeige von Gamma-Strahlen, die von durch ein Bohrloch durchteuften Erdformationen oder/und von der in diesem enthaltenen Flüssigkeit ausgesandt, induziert oder reflektiert werden.
Durch die Untersuchung der Gamma-Strahlen, die beim Beschuss einer Erdformation mit Neutronen entstehen, können Angaben über die Art der Atome und Molekeln in diesen Formationen erhalten werden.
Es ist vorgeschlagen worden, zu diesem Zweck eine Neutronenquelle zusammen mit einem Szintillations- zähler in das Bohrloch einzusenken, wobei der Zähler Impulse erzeugen soll, deren Amplitude ein Mass für die Energie der auffallenden Gamma-Strahlen ist. Diese Impulse werden dann einem normalen Amplitudenmessgerät zugeführt, wodurch Aussagen über die Stärke der Gamma-Strahlung verschiedener Ener - gie erhalten werden.
Es ist bekannt, dass Gamma-Strahlen auf drei Arten mit Materie in Wechselwirkung treten können.
Diese Prozesse sind die fotoelektrische Absorption, der Compton-Effekt und die Paarentstehung. Bei allen drei Prozessen entstehen Impulse mit verschiedenen Amplituden in einem Szintillationsapparat. Die exakte Zerlegung und Auswertung eines Gamma-Strahlenspektrums in den bekannten Szintillatioru. appa- raten ist deshalb mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden.
Die Erfindung betrifft nun ein neues verbessertes Gerät zur Bohrlochuntersuchung mit Hilfe der Radioaktivität, die genauere Angaben über bestimmte Bänder von Gamma-Strahlspektren erlaubt, als es die bislang bekannten Einrichtungen dieser Art ermöglichen.
Die Erfindung betrifft auch ein neues, verbessertes Szintillationsspektrometer zum Gebrauch in Schächten und Bohrlöchern, in dem einer der drei erwähnten Prozesse zwischen Gamma-Strahlung und Szintillationssübstanz ohne wesentliche Störung durch die beiden andern Prozesse gemessen werden kann.
Erfindungsgemäss wird ferner das verbesserte Szintillationsspektrometer in Bohrlöchern verwendet, um insbesondere solche Anzeigen zu erhalten, die, verursacht durch die Strahlung im Bohrloch, bloss auf Grund der Paarerzeugung in einem Szintillationselement entstehen.
Das Gerät zur Bohrlochuntersuchung gemäss der Erfindung umfasst Haupt- und Hilfsstrahlungsempfän- ger, die dicht beeinander liegen. Der Hauptstrahlungsempfänger spricht auf die Strahlungsenergie im Bohrloch an, wobei er eine Sekundärstrahlung aussendet, die vom Hilfsempfänger aufgenommen wird.
Beide Strahlungsempfänger erzeugen dabei elektrische Impulse. Der Apparat umfasst ferner Einrichtuagen, die auf Grund dieser Impulse Koinzidenzimpulse aussenden ; diese Koinzidenzimpulse sind für die Art der Strahlung im Bohrloch charakteristisch.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird ein weiteres Hilfsszintillationselement benutzt, das ebenfalls auf die Strahlung des Hauptelementes anspricht. Es sind dabei Einrichtungen vorgesehen, um die von diesem Hilfsszintillatiol1szähler emittierte Lichtenergie ebenfalls in elektrische Impulse umzuwandeln. Die erwähnten Einrichtungen zur Erzeugung eines Koinzidenzsignals erzeugen in diesem Falle erst bei Koinzidenz aller drei Impulse das Ausgangssignal.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Impulse des Hauptempfängers nur dann zu einem Analysator weitergeleitet, wenn gleichzeitig Impulse eines Hilfselementes auftreten. So sind kontinuierliche Spektralanalysen für die Strahlung des Hauptelementes möglich.
Die Zeichnung veranschaulicht Ausführungsformen des Aufbaus und der Arbeitsweise der Erfindung.
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Flg. 1 ist eine schematische Darstellung eines nach der Erfindung ausgebildeten Geräts vom Szintillationsspektrometer-Typ zur Bohrlochuntersuchung mit Hilfe der Radioaktivität, das sich in einem Bohrloch befindet. Fig. 2 und 3 zeigen Abänderungen des in Fig. 1 dargestellten Gerätes.
In Fig. 1 ist ein festes, gegen Druck gedichtetes Gehäuse 9 dargestellt, das von einem armierten Kabel 10 in einem durch die Erdformationen 12 gehenden Bohrloch 11 gehalten wird. Das Bohrloch 11 kann eine Bohrflüssigkeit 13 enthalten, etwa Schlamm auf Wasser- oder Ölbasis. Das Kabel 10 führt zu einer Winde (nicht dargestellt), mit der das Gehäuse 9 in bekannter Art gehoben und gesenktwerdenkann
Am unteren Ende des Gehäuses 9 befindet sich eine Neutronenquelle 14, z. ss. eine bekannte Mischung von Radium und Beryllium. Die Quelle ist von einem für Gamma-Strahlen undurchlässigen Schirm 15 umgeben. Die von 14 ausgehenden Neutronen durchsetzen die Erdformation 12, wobei Gamma-Strahlen auftreten. Die Apparate dienen dazu, die dabei in das Gehäuse 9 einfallenden Gamma-Strahlen zu analysieren.
Das Hauptszintillationselement 16 im Gehäuse 9 soll die anfallende Gamma-Strahlung in Lichtenergie umwandeln. Es kann aus Natrium-Jodid-Kristallen bestehen und von zylindrischer Form sein. Ein Fotovervielfacher 17 ist im Gehäuse 9 so angebracht, dass sein die Fotokathode enthaltendes Ende 17a nach unten gerichtet ist und optisch mit dem oberen flachen Ende 16a des Szinüllationselementes 16 in Verbindung steht.
Unter dem Szintillationskristall 16 ist ein Hilfsszintillationselement 18 angeordnet. Dieser Szintillator 18 ist vorzugsweise dem Szintillator 16 ähnlich und diesem möglichst nahe benachbart, so dass er die unter bestimmten später zu beschreibenden Bedingungen vom Hauptszintillator emittierte Strahlung auffangen kann. Das untere flache Ende 18a des Szintillators 18 stösst unmittelbar unter Gewährleistung optischen Kontakts an das nach oben gerichtete Fotokathodenende 19a eines weiteren Fotovervielfa - chers 19.
Ein weiteres Hilfsszintillationselement 20, das wieder dem Szintillator 16 ähnlich sein kann, ist oberhalb des Fotovervielfachers 17 angeordnet, wobei sein oberes flaches Ende 20a in optischem Kontakt mit dem die Fotokathode enthaltenden Ende 21a eines Fotovervielfachers 21 steht. Der Fotovervielfacher 17 soll vorzugsweise eine solche Länge haben, dass das Szintillationselement 20 dicht genug am Szintillationselement 16 angeordnet werden kann, um von diesem emittierte Gamma-Strahlen zu empfangen.
Da die Szintillatoren 16, 18 und 20 ebenso wie die Fotovervielfacher 17, 19 und 21 von zylindrischer Gestalt sein sollen, können alle leicht längs der Hauptachse des Gehäuses 9 angeordnet werden, wie es Fig. 1 zeigt.
Natürlich können die Szintillatoren in bekannter Weise feuchtigkeitsdicht gekuppelt sein, ferner lässt sich der optische Kontakt zwischen einem Szintillator und seinem Fotovervielfacher durch die für solche Zwecke allgemein benutzten Hilfsmittel verbessern, worauf hier nicht näher eingegangen sei.
Falls erforderlich, können zylindrische Gamma-Strahlenschirme um die Hilfsszintillatoren 18 und 20 gelegt werden, weiter kann eine Gamma-Strahlen-durchlässige Platte zwischen die Szintillatoren 16 und 18 eingeschoben sein.
Zur Energieversorgung der Einrichtung im Gehäuse 9 steht eine Wechselstromquelle 22 über einen Schalter 23 und isolierte Leiter 24 im Kabel 10 mit einem Strcmversorgangsteil 26 bekannter Art im Gehäuse in Verbindung. Dieser Stromversorgungsteil liefert die notwendige Hochspannung für den Betrieb der Fotovervielfacher 17, 19 und 21, und die niederen Spannungen für den Betrieb der andern Aggregate.
Der Ausgang des Fotovervielfachers 17 steht in Verbindung mit einem Amplitudenanalysator 27 bekannter Bauart, der nur dann Ausgangsimpulse mit gleicher Höhe und Zeit erzeugt, wenn die Amplituden der ihm zugeführten Impulse in einem bestimmten Grössenintervall liegen. Der Analysator 27 steht mit einem der Eingänge eines Koinzidenzmessgerätes 28 in Verbindung, an dessen beide andern Eingänge die Fotovervielfacher 19 und 20 angeschlossen sind. Das Gerät 28 erzeugt in bekannter Weise nur dann einen Ausgangsimpuls, wenn in allen seinen drei Eingängen gleichzeitig Impulse einlaufen. Dieses Ausgangssignal wird über die Leitungen 29 im Kabel 10 zu einem Impulszähler 30 bekannter Bauart auf der Erdoberfläche geführt, der mit einem Schreiber 31 gekoppelt ist.
Der Schreiber kann in bekannter Weise durch die Bewegung des Gehäuses 9 durch das Bohrloch 11 gesteuert werden, so dass die Anzeigen eine Funktion der Position der Sonde 9 im Bohrloch werden.
Die Ausgangssignale der Fotovervielfacher 17,19 und 21 können in einzelnen Verstärkern (nicht gezeigt) verstärkt werden, bevor sie den Elementen 27 und 28 zugefultrt werden. Vor einer Erklärung der Wirkungsweise der beschriebenen Apparatur soll das Problem erörtert werden, das die vorliegende Erfindung zu lösen gestattet.
Wie oben erwähnt, kann Gamma-Strahlung mit Materie, etwa mit dem Material eines Szintillations-
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elementes auf drei Arten in Wechselwirkung treten : durch fotoelektrische Absorption, in Form des Compton-Effektes und durch Paarerzeugung.
Bei einer fotoelektrischen Absorption verliert der auffallende Gamma- Strahl seine gesamte Energie, die Intensität des entsprechenden Lichtblitze ist ein Mass für diese Energie. Im allgemeinen erfolgt bei den heute gebräuchlichen Szintillationsmaterialien, etwa Natrium-Jodid, eine solche Wechselwirkung mit hoher Wahrscheinlichkeit bei relativ kleinen Energien, die unter einer Million Elektronenvolt liegen. Für die vorliegende Erfindung spielt dieser Effekt keine Rolle, da sie sich mit der Messung von Gamma-Strah- len höherer Energien beschäftigt.
. Gamma-Strahlen höherer Energie können bei ihrem Auftreffen auf Atome zum Compton-Effekt oder zur Paarerzeugung führen. Beim Compton-Effekt erzeugt der auffallende Gamma-Strahl ein Elektron und einen Sekundärstrahl, dessen Energie von dem Winkel abhängt, den Elektronenflugbahn und Sekundärstrahlrichtung mit der Richtung des einfallenden Gamma-Strahlphotons bilden. Wenn das Elektron das
Szintillationsmaterial durchfliegt, verliert es seine Energie unter Aussendung eines Lichtblitzes. Wenn der Sekundärstrahl vom Szintillator ebenfalls unter Lichterzeugung absorbiert wird, stellt die gesamte
Lichtenergie ein Mass für die Energie des primär einfallenden Strahls dar.
Ist jedoch das Szintillationselement nicht ausgedehnt genug, um alle Elektronen und Sekundärstrahlen zu absorbieren, stellt die Intensität der erzeugten Lichtblitze kein verlässliches Mass für die Energie der einfallenden Strahlen dar.
Dies ist im allgemeinen bei Szintillatorea für Bohrlochuntersuchungen der Fall, deren Durchmesser unter 50 mm bleibt und die etwa 50 mm lang sind ; zur völligen Absorption müssen Szintillationselemente etwa fünf mal so gross sein.
Bei der Paarerzeugung entstehen für jeden auf den Szintillatcr auffallenden Gamma-Strahl mit einer Energie über 1 MeV (Millionenelektronenvolt) ein Positron und ein Elektron, wobei die gesamte Energie des Gamma-Strahls verbraucht wird. Positron und Elektron durchfliegen den Szintillator und erzeugen Licht von einer Intensität, die etwa der Energie des auffallenden Gamma-Strahls minus 1 Me V entspricht.
Trifft das Positron auf ein Elektron, findet zusätzlich die Aussendung zweier Photonen von je 0,5 MeV statt. Die Photonen, gewöhnlich als Rekombinationsstrahlung bezeichnet, fliegen in entgegengesetzte Richtungen, sie sind kennzeichnend für die Paarerzeugung. In der vorliegenden Erfindung werden sie dazu benutzt, die Paarerzeugung von andern Arten der Wechselwirkung zu unterscheiden.
Im Betrieb wird der Schalter 23 geschlossen, so dass der Stromversorgungsteil 26 arbeitet, wobei das Gehäuse 9 in bekannter Weise durch das Bohrloch 11 geführt wird. Die von der Quelle 14 ausgesandten Neutronen erzeugen bei ihrem Auftreffen auf die Bestandteile der Erdformationen 12 Gamma-Strahlen, von denen einige auf die Sonde 9 auftreffen und in den Hauptszintillator 16 einfallen.
Jedes auf den Szintillator 16 auftreffende Gamma-Strahl-Quant, das eine Paarerzeugung bewirkt, verursacht damit die Aussendung von Licht, dessen Intensität der Energie des auffallenden Quants minus 1 MeV entspricht. Die Lichtenergie wird im Fotovervielfacher 17 in einen elektrischen Impuls umgewandelt, dessen Amplitude ein Mass für die Lichtenergie ist.
Alle Impulse mit Amplituden, die in einem bestimmten Bereich liegen, werden vom Amplitudenanalysator 27 zum Koinzidenzgerät 28 weitergeleitet.
Wie oben erwähnt, wird eine Paarerzeugung von der Emission entgegengesetzter Rekombinationsstrahlen begleitet, von denen einige so gerichtet sind, dass sie auf die Szintillationselemente 18 und 20 treffen. Jede Paarerzeugung führt so zu Lichtblitzen, die in den Fotovervielfacher 19 und 21 in elektrische Impulse umgewandelt werden. Diese Impulse werden mit dem Impuls vom Analysator 27 in das Koinzidenzgerät 28 eingespeist, das einen Ausgangsimpuls erzeugt, der zum Zähler 30 auf der Erdoberfläche läuft.
Treten im Szintillator 1G andere Wechselwirkungen zwischen Gamma-Strahlung und Szintillatormaterial auf als Paarerzeugung, werden keine Rekombinationsstrahlen erzeugt und folglich keine Impulse vom Koinzidenzgerät 28 abgegeben. Die dem Zähler 30 zugeleiteten Impulse können demnach nur durch Paarerzeugung verursacht sein.
Im Zähler 30 wird auf Grund der eingehenden Impulse eine Spannung erzeugt, die den Schreiber 31 steuert und die kennzeichnend für die Stärke der Gamma-Strahlung ist, deren Energie innerhalb der doch den Amplitudenanalysator 27 fixierten Grenzen liegt. Diese Spannung wird als Funktion des Abstandes der Sonde 9 von der Erdoberfläche aufgezeichnet.
Offenbar kann durch Einstellung des vom Analysator 27 erfassten Amplitudenintervalls die Stärke der Gamma-Strahlung jedes gewünschten Spektralbereiches aufgezeichnet werden.
Derd & Fig. l dargestellte Apparat kann auf die in Fig. 2 gezeigte Weise modifiziert werden, in der die einzelnen Elemente durch die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet sind. Das Szintilla. tions-
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element 20 und der Fotovervielfacher 21 sind hiebei nicht notwendig, dafür ist der Fotovervielfacher 19 mit einem Amplitudenanalysator 40 gekoppelt, der wiederum mit dem Eingang eines Doppelkoinzidenzmessers 41 in Verbindung steht, dessen zweiter Eingang vom Amplitudenanalysator 27 gespeist wird.
Der Analysator 40 ist so eingestellt, dass er nur Impulse weiterleitet, die im wesentlichen auf die bei einer Paarerzeugung auftreffende Rekombinationsstrahlung zurückgehen. Nur wenn also ein Rekombinationsquant, ausgehend vom Szintillationselement 16, in den Szintillator 18 einfällt, wird ein Impuls zum Koinzidenzgerät 41 geschickt, der dort gleichzeitig mit dem Impuls eintrifft, der durch den Lichtblitz im Szintillator 16 verursacht vira.
Da nur ein Rekombinationsquant im Szintillationselement 18 benötigt wird, kann das restliche Quant im Szintillator 16 absorbiert werden. Demgemäss verursachen Primärstrahlen einer Energie zwei Impulse von zwei Amplituden. Da jedoch das Verhältnis der Zahl der Impulse mit verschiedener Amplitude zueinander konstant ist, kann nach seiner Bestimmung durch Messung oder Rechnung leicht auf die GammaStrahlung im gewählten Energieintervall geschlossen werden.
In Apparaten gemäss der vorliegenden Erfindung kann auch eine kontinuierliche Aufnahme des gesamten Spektrums durchgeführt werden. Z. B. kann, wie Fig. 3 zeigt, ein Doppelkoinzidenzmesser 50 mit den Fotovervielfachern 19 und 21 der Fig. 1 in Verbindung stehen. Die Impulse von diesem Gerät 50 steuern einen elektrischen Schalter 51 bekannter Bauart, dessen Eingang mit dem Fotovervielfacher 17 und dessen Ausgang mit einem Amplitudenspektrometer 52 auf der Erdoberfläche in Verbindung stehen.
Das Spektrometer 52 kann etwa während aufeinanderfolgender Anzeigeperioden jeweils eine variable Spannung entwickeln, welche die Amplitudenhäufigkeit repräsentiert. Diese Verteilungskurven werden im Schreiber 53 aufgezeichnet, wodurch eine Folge von Spektrogrammen für verschiedene Sondentiefen entsteht. Das Koinzidenzgerät 50 steuert den elektronischen Schalter 51 so, dass nur beim Auftreten koinzidenter Rekombinationsstrahlen Impulse von den Fotovervielfachern durchgelassen werden, so dass wiederum nur eine Paarerzeugung angezeigt wird. Diese Impulse, derer. Amplitude ein Mass für die Strahlenenergie darstellt, werden vom Analysator 52 verarbeitet, und das gesamte Spektrum wird periodisch im Schreiber 53 aufgezeichnet.
Statt Natrium-Jodid können selbstverständlich auch andere Substanzen als Szintillationsmaterialien verwendet werden, etwa Kalium-Jodid, Anthracen oder Naphthalin. Darüber hinaus ist es nicht notwendig, dass alle Szintillationseleinente gleich sind. Es ist nur erforderlich, dass das Hauptelement (Nr. 16 in Fig. 1) auf'die Gamma-Strahlung von den untersuchten Erdformationen anspricht, während die Hilfselemente 18 und 20 auf die vom Hauptelement ausgehende Rekombinationsstrahlung reagieren sollen.
Statt der in der obigen Beschreibung erwähnten Szintillationselemente können auch andere Energieempfänger verwendet werden. So lassen sich z. B. drei Ionisationskammern einbauen. Darüber hinaus sind Kombinationen verschiedenartiger Empfänger möglich. So kann ein Szintillator mit dem zugehörigen Fotovervielfacher als Hauptempfänger angeordnet werden, während Geigerzähler als Hilfsempfänger zur Registrierung der bei der Paarerzeugung im Szintillator auftretenden Rekombinationsstrahlungdienen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gerät zur Untersuchung der von einem Bohrloch durchteuften Erdformationen, dadurch gekennzeichnet, dass in einer in das Bohrloch einzusenkenden Sonde zwei Strahlungsempfänger (16, 17, 18, 10) dicht nebeneinander vorhanden sind, von denen der erste (16, 17) auf die Strahlung im Bohrloch und der zweite (18, 19) auf die vom ersten erzeugte Sekundärstrahlung anspricht, dass die beiden Empfänger gemäss der einfallenden Strahlung elektrische Impulse aussenden, dass ferner in der Sonde Einrichtungen (27, 40, 41, 20, 21, 28) vorhanden sind, in denen bei Koinzidenz der Impulse der beiden Empfänger ein Koinzidenzimpuls erzeugt wird, und dass ferner Einrichtungen (30, 31, 52, 53) bestehen, um diese Koinzidenzimpulse in Grössen umzuwandeln,
die kennzeichnend für die im Bohrloch vorhandene Strahlung sind.