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Neutronen-Erzeugungssystem, insbesondere für Bohrlochuntersuchungen
Die Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung von Neutronen (im folgenden Neutronengenerator genannt), das als Bohrschacht-Untersuchungsvorrichtung, insbesondere einen Neutronengenerator, der besonders zum Durchqueren der engen Umgrenzungen eines Bohrschachtes oder Bohrloches geeignet ist, aber auch für verschiedene andere Zwecke gebraucht werden kann. Da ein Neutronengenerator gemäss der Erfindung vorzüglich für die Erfordernisse einer Bohrschachtuntersuchung geeignet ist, soll er in dieser Verbindung beschrieben werden.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, einen Generator für Neutronen von hoher Energie bei NeutronenGammastrahlen oder bei Neutronen-Neutronen-Untersuchungen zu verwenden. Im Gegensatz zu einer Radium-Beryllium-Quelle, die gewöhnlich für solche Untersuchungen verwendet wird, kann man mit einem Neutronengenerator eine zu vernachlässigende Menge anderer Strahlung als die gewünschten Neutronen, eine höhere Neutronenausbeute, eine gesteuerte Neutronenausbeute, Neutronen von höherer Energie als bisher möglich, monoenergetische Neutronen und eine Steuerung der Generatorquelle erreichen, um dessen Deaktivierung vor dem Herausnehmen aus einem Bohrschacht zu ermöglichen. Die ersten fünf dieser Eigenschaften sind zur Erzielung genauerer Untersuchungen wichtig, während die letzte zur Verringerung der gesundheitlichen Gefährdung der Arbeiter von Bedeutung ist.
Die früheren Neutronengeneratoren waren nur für Laboratoriumszwecke und nicht für die strengen Erfordernisse einer Bohrschacht-Untersuchungsausrüstung geeignet. Die gegenwärtig erhältlichen Neutronengeneratoren sind viel zu gross, um durch ein Bohrloch hindurch zu gehen. Ihre Bestandteile sind nicht an die Raumerfordernisse bezüglich des Abstands zwischen Neutronenquelle und Detektor bei einer Bohrschacht-Untersuchung anpassbar. Darüber hinaus sind diese Neutronengeneratoren in ihrer Arbeitsweise zu empfindlich und für betriebsmässige Untersuchungen zu zerbrechlich.
Es ist daher Hauptzweck der vorliegende Erfindung, einen Neutronengenerator zu schaffen, der allen Erfordernissen einer Bohrlochuntersuchung gerecht wird.
Besonders betrifft die Erfindung einen verbesserten Neutronengenerator, der so klein ist, dass er in ein
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Bohrlochtersuchungsganges zuverlässig betätigt werden können, ohne empfindliche und fortlaufende Arbeitseinstellungen zu erfordern.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, den Neutronengenerator so zu gestalten, dass er zuverlässig bei den hohen Aussentemperaturen arbeiten kann, die bei Untersuchungsvorgängen in der Tiefe auftreten.
Auch soll der Neutronengenerator fest genug sein, um trotz der starken physikalischen Erschütterungen, denen eine Untersuchungsvorrichtung gewöhnlich während des Transportes nach und von einem Bohrschacht wie auch während eines Untersuchungsvorganges unterworfen ist, wirksam und zuverlässig zu arbeiten.
Diese und andere Zwecke der Erfindung werden durch ein Neutronen-Erzeugungssystem, insbesondere für Bohrlochuntersuchungen erzielt, mit einem zweiteiligen, mit Gas erfüllen, verschlossenen Gehäuse, in dessen einem Teil eine Ionenquelle angeordnet ist, die von zwei Kathoden und einer zwischen diesen angeordneten, von einem Magneten umschlossenen Anode gebildet wird und in dessen anderem Teil eine Beschleunigungsstrecke sowie ein Prallkörper zur Erzeugung von Ionen vorgesehen ist, dem die lonenbahn steuernde Platten od. dgl.
Steuerorgane vorgeschaltet sind, in welchem Neutronen-Erzeugungssystem erfindungsgemäss der Teil des Gehäuses, welcher die Ionenquelle enthält, mit jenem Teil, in dem die Beschleunigungsstrecke vorgesehen ist, ausserhalb des in ihnen herrschenden elektrischen Feldes durch eine
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strecke mit dem Bereich der Ionenquelle durchströmbar zu verbinden. Die Pumpe erzeugt einen Gasstrom durch die Leitung in Richtung von der Beschleunigungsstrecke zur Ionenquelle und sorgt dadurch für einen möglichst kleinen Druck in der Strecke, während in der Quelle ein möglichst grosser Druck erzeugt wird, Vorzugsweise ist die Pumpe eine solche, bei der das Gas ionisiert und eine Strömung mittels einer Reihe geeignet erregter Elektroden erzeugt wird.
Eine starke haltbare Neutronen-Erzeugungsvorrichtung wird dadurch ermöglicht, dass verschiedene Elektroden der Vorrichtung von Haltestangen getragen werden, die sich längs durch die Hülle der Vorrichtung erstrecken. Diese Stangen werden von Hülsen aus elektrisch isolierendem Stoff umschlossen und elektrisch isolierende Abstandstücke halten die Elektroden im richtigen räumlichen Abstand.
Die Zeichnungen zeigen als Beispiel eine Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1A, 1B und 1C zeigen schaubildlich den oberen, mittleren bzw. unteren Teil der NeutronenBohrschacht-Untersuchungsvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung, Fig. 2 ist eine vergrösserte schaubildliche Darstellung des in Fig. 1B gezeigten Neutronengenerators, wobei Teile der Vorrichtung fortgebrochen und im Schnitt gezeigt sind, um verschiedene innere Einzelteile zu zeigen, Fig. 3 und 4 sind Teilschnitte längs der Linien 3-3 und 4-4 in einem gegenüber Fig. 2 vergrösserten Massstab, Fig. 5 und 6 sind elektrische Schaltbilder und zeigen die Einzelheiten gewisser in Fig. 1A gezeigter Teile, Fig. 7 stellt eine Reihe von Kurven dar, die bestimmte Arbeitscharakteristiken der in Fig. 6 gezeigten Schaltung darstellen und zur Erläuterung der Arbeitsweise dienlich sind.
Fig. 8 ist eine vergrösserte, teilweise im Schnitt dargestellte Längsansicht einer Ionenpumpe zur Verwendung mit dem in Fig. 2 gezeigten Neutronengenerator, und Fig. 9 ist ein Schnitt längs der Linie 9-9 von Fig. 1B in vergrössertem Masstab.
In Fig. 1A ist die Bohrschacht-Untersuchungsvorrichtung gemäss der Erfindung in einem Bohrloch 10 angeordnet, das eine Anzahl von Erdformationen 11 durchquert. Das Bohrloch 10 enthält gewöhnlich eine wasserstoffhaltige Bohrflüssigkeit 12, z. B. einen Schlamm, auf Wasser-oder Ölgrundlage, und es kann mit einer oder mehreren nicht gezeigten metallischen Verkleidungen ausgekleidet oder auch unverkleidet sein.
Die Neutronen-Bohrschacht-Untersuchungsvorrichtung kann ein druckfestes Gehäuse 13 aufweisen, das einen Neutronengenerator 14 (Fig. 1B), eine auf Strahlung ansprechende Vorrichtung 15 (Fig. IC) zur Ermittlung der zu beobachtenden Erscheinungen und eine dazugehörige elektronische Ausrüstung umschliesst, die für die richtige Arbeit des Neutronengenerators und des Detektors erforderlich ist ; wie später noch genauer beschrieben werden soll.
Eine Abschirmplatte 16, die über dem Detektor 15 angeordnet ist, dient dazu, den Detektor gegen Strahlung abzuschirmen, die von dem Generator 14 ausgeht. Wenn die Vorrichtung für Neutronen-Gammastrahlen-Untersuchungen verwendet werden soll, kann der Schirm aus Blei bestehen, und wenn Neutronen-Neutronen-Untersuchungen gewünscht werden, kann der Schirm aus einer Borverbindung hergestellt sein, z. B. aus Borkarbid, das in Paraffin eingebettet ist. Es kann auch eine zusammengesetzte Schicht aus Blei und Bor enthaltendem Paraffin verwendet werden, wenn geeignete Detektoren vorgesehen sind, um beide Arten von Untersuchungen gleichzeitig oder nacheinander vorzunehmen.
Das Gehäuse 13 ist in dem Bohrloch mittels eines armierten Kabels 17 aufgehängt, das in Verbindung mit einer nicht gezeigten, an der Erdoberfläche aufgestellten Winde dazu verwendet wird, um die Vorrichtung in das Bohrloch in üblicherWeise herabzulassen und aus ihm heraufzuholen. Das Kabel 17 besteht aus einer Anzahl isolierter Leiter, die die Vorrichtung innerhalb des Gehäuses 13 mit der Oberflächenausrüstung 18 elektrisch verbinden.
Der Neutronengenerator 14 (Fig. IB) wird in geeigneter Weise durch eine übliche nicht gezeigte Vorrichtung stosssicher innerhalb des Gehäuses 13 gehalten. Er weist einen luftleeren Mantel 19 auf, der vorzugsweise aus entgastem Pyrexglas hergestellt und mit Deuteriumgas unter einem gewählten Druck gefüllt ist, der in der Nähe von 1 bis 10 Mikron Quecksilbersaule liegen kann.
Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich, umschliesst der Mantel 19 die einzelnen Teile einer Ionenquelle 20 und eine Beschleunigungsstrecke 21. Die Quelle 20 enthält obere und untere metallische Kathodenelektroden 22 und 23 von scheibenartiger Form, die in einem Abstand parallel zueinander gehalten werden. Die Scheibe 22 ist mit einer Anzahl von Öffnungen 24 versehen, die über einen Kreis verteilt in einem gewissen radialen Abstand von dem Mittelpunkt der Scheibe liegen, wogegen die Scheibe 23 eine Mittelöffnung 25 aufweist, die in koaxialer Lage zu dem Mantel 19 angeordnet ist.
Die Ionenquelle 20 weist ferner eine metallische Anodenelektrode 26 auf, die zwischen den Kathoden 22 und 23 liegt und aus einem hohlen zylindrischen Teil 27 besteht, der durch obere und untere Platten 28 und 29 begrenzt wird, die mit Öffnungen 30 und 31 versehen sind. Diese Öffnungen haben einen etwas grösseren Durchmesser als die Öffnung 25, und die Anode 26 liegt so, dass der Zylinder 27 und die
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Eine ringförmigeisolierender Abstandsstücke 63,64, 65 beträgt, die aus dünnen entgasten Glasrohren hergestellt sind.
Das Abstandsstück 63 erstreckt sich zwischen der oberen Fläche des Streifens 46 und der unteren Fläche der Scheibe 23 ; das Abstandsstück 64 erstreckt sich von der oberen Fläche der Scheibe 23 zur Unterseite der Platte 32, und das Abstandsstück 65 erstreckt sich zwischen der Platte 32 und der Scheibe 22. Eine isolierende Scheibe 66, z. B. aus entgastem Glas, trennt und isoliert elektrisch eine Mutter 67 von der Kathodenscheibe 22. Die Mutter 67 ist auf die Stange 58 aufgeschraubt und kann angezogen werden, um die verschiedenen Teile zu einem festen einheitlichen Aufbau zu verbinden.
Die Stange 59 ist in ähnlicher Weise wie die Stange 58 angeordnet, aber, wie in Fig. 4 gezeigt, ist ihr unteres Ende in eine Bohrung 68 in der Sonde 36 eingeschraubt. Sie wird von einer langen, dünnen Glasmuffe 69 aufgenommen, die ihrerseits eine Reihe von Glasabstandsstücken aufnimmt, von denen eines mit 70 bezeichnet ist und zwischen der oberen Fläche der Sonde 36 und der unteren Fläche der Kathodenplatte 23 liegt. Das obere Ende der Stange ist mit einer Anordnung ähnlich der isolierenden Scheibe 66 und der Mutter 67 versehen, um die verschiedenen Teile an Ort und Stelle zu halten.
Die oberen Enden der Stangen 58 und 59 erstrecken sich durch eine übliche Kopfplatte 71 hindurch, die den Mantel 19 abschliesst. Sowohl für diese Leitungen als auch für die übrigen metallischen Leitungen 72-81 werden druckfeste Dichtungen verwendet. Auf diese Weise können zu den verschiedenen Elementen innerhalb des nicht leitenden Mantels 19 Verbindungen eingeführt werden.
Die Leitung 72 ist an ihrem unteren Ende mit der Kathodenscheibe 23 verbunden und mit einer dünnen Hülse aus isolierendem Stoff versehen. Sie geht durch eine nicht gezeigte Öffnung in der Platte 32 und eine in der gleichen Richtung liegende Öffnung 82 in der Kathodenplatte 22 hindurch. In ähnlicher Weise sind die Leitungen 74,75, 76 und 79 mit dem Haltestreifen 47 für die Ablenkplatte 43, dem Haltestreifen 48 für die Ablenkplatte 44, der Anodenplatte 32 und dem Haltestreifen 49 für die Ablenkplatte 45 elektrisch verbunden. Jede Leitung ist natürlich mit einer isolierenden Hülle versehen, so dass auch an den Stellen, an denen sie durch in einer Richtung liegende Bohrungen in andere Elektroden gehen, keine elektrischen Verbindungen hergestellt werden. Die Leitung 73 ist unmittelbar mit der obersten Kathodenscheibe 22 verbunden.
Die Leitungen 77 und 78 werden durch besondere Glashüllen umschlossen und sind nach dem Durchtritt durch entsprechende Öffnungen ein der Kathodenplatte 22 mit den Enden einer Drahtwicklung 83 verbunden, die in einer zylindrischen Schicht 84 aus Deuterium aussendendem Stoff eingebettet ist, mit dem die innere Wand des Zylinders 27 überzogen ist. Die Schicht 84 kann beispielsweise aus einer Mischung von granuliertem Zirkoniumdeuterid und einem geeigneten feuerfesten Werkstoff bestehen. Wenn daher die Temperatur der Schicht infolge der Erregung des Drahtes 83 ansteigt, wächst der Druck des Deuteriums auf der Oberfläche der Schicht. Die Schicht 84 wird so mit Deuterium geladen, dass, wenn die Schicht durch den Draht 83 auf eine Temperatur in der Grössenordnung von 200 bis 3500C erwärmt wird, Deuterium ausgesendet wird.
Ein weiterer Heizdraht 85 wird durch die Leitungen 80 und 81 innerhalb des Teiles des Mantels 19 gehalten, der durch die Kopfplatte 71 und die Kathodenplatte 22 begrenzt wird. Dieser Heizdraht besteht aus einem absorbierenden Stoff, z. B. Zirkonium, und ist so angeordnet, dass bei einer Temperatur im Bereich von 350 bis 4500C Gas absorbiert wird.
Eine sich durch den einspringenden Mantelteil 39 erstreckende Leitung 86 ist an den Prallkörper 40 angelötet oder angeschweisst. Sie geht durch eine U-förmige Führung 87, die an der einen Seite des einspringenden Teiles 39 befestigt Ist.
Um die Sonde 36 koaxial mit dem Mantel 19 zu halten, ist ein ringförmiger Zentrierteil 88 am Umfang der Sonde befestigt. Der Teil 88 weist eine Anzahl gekrümmter Finger 89 aus einem nachgiebigen Stoff auf, die nachgiebig mit der inneren Fläche des Mantels 19 in Eingriff sind. Eine solche nicht starre Verbindung gestattet eine geringe Relativbewegung zwischen dem Sondenende des Elektrodenaufbaues und dem Mantel.
Gegebenenfalls kann der Neutronengenerator 14 mit einer Leitung 90 versehen werden, deren eines Ende mit dem unteren Ende des Mantels 19 durch einen ringförmigen Verschluss 91 verbunden ist. Das andere Ende der Leitung 90 ist durch einen ringförmigen Verschluss 92 mit der Kopfplatte 71 verbunden. Eine Pumpe 93, z. B. eine gewöhnliche Diffusionspumpe, eine mechanische Pumpe oder eine solche, wie sie später in Verbindung mit Fig. 8 beschrieben wird, ist in die Leitung 90 eingesetzt und bewegt das Gas in Richtung des Pfeiles 94.
In der Nähe der Verbindungsstelle 91 ist eine ringartige Hilfselektrode 95 angeordnet. Sie wird durch eine dünne leitende Stange S6 gehalten, die von der Sonde 36 nach unten ragt. Der Abstand zwischen der Hilfselektrode 95 und dem Prallkörper 40 verhindert eine Ionisierung, die sonst infolge des langen Wegs der Elektronen von dem Prallkörper 40 durch das Rohr 90 zur Kathodenplatte 22 auftreten könnte.
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An einer Öffnung 35 des Magneten 34 ist ein Ausschnitt 97 vorgesehen, um den Durchgang des Roh- res 90 zu ermöglichen. So kànn der Magnet einfach über den Aufbau von Mantel 19 und Rohr 90 überge- schoben werden.
Bei der Herstellung des Generators 14 werden die gewöhnlichen Vorsichtsmassnahmen beachtet, wie sie für die Herstellung von Entladungsvorrichtungen beachtet werden. Beispielsweise werden die Metalle für die verschiedenen Elektroden so gewählt, dass sie verhältnismässig frei von Gasen sind, die vor oder während des Herstellungsvorganges absorbiert und später bei der Arbeit des Generators herausgetrieben werden können und diesen verunreinigen. Mit Ausnahme der Elemente de.'lonenquelle können die Elek- trodenmetalle im Sinne niedriger Sekundärelektronenemission gewählt we ... en, um die Möglichkeit eines Durchschlags auf ein Geringstmass herabzusetzen.
Auch kann ein leicht en gastes Metall verwendet wer- den, wenn es mit einer dünnen Schicht eines Stoffes von geringer thermic sr Emissionsfähigkeit überzo- gen ist. Die Elektroden der Ionenquelle können aus Nickel oder einer Lei, srung aus Nickel und Chrom, gewöhnlich als Nichrom bezeichnet, oder einem beliebigen andern Metal. gestehen, vorausgesetzt, dass es eine gute Sekundäremission zur Unterstützung der Ionisierung besitzt. Die ursprüngliche Entgasung wird i durch eine gewöhnliche, nicht gezeigte Röhre erreicht, die aus der Kopfp. tte 71 nach aussen ragt. Die erforderliche Menge Deuterium wird durch das Rohr eingeführt, bevor es vue schlossen wird.
Gemäss Fig. lA wird, um die für den Betrieb des Generators 14 und der dt. ugehörigen Kreise erforder- liche Energie vorzusehen und trotzdem innerhalb der Spannungs-und Stromleitungs-Fähigkeiten der Lei- ter in dem Kabel 17 zu bleiben, die Energie durch eine in der Mitte angezapfte Einphasen-Wechselstrom- quelle 100, die an der Erdoberfläche in der Ausrüstung 18 angeordnet ist, zugeleitet. Beispielsweise kann die Stromquelle 100 an den Leitern 101 und 102 eine Spannung von 600 Volt bei 400 Perioden haben. Die
Leiter 101 und 102 sind über einen Schalter 103 mit den Leitern 104, 105, 106 und 107 des Kabels 17 so verbunden, dass sie parallele Zweidrahtleitungen bilden.
Damit die Spannung zwischen irgend welchen der Leiter 104-107 und der Abschirmung 108 des Kabels 17 den Betrag von ungefähr 300 Volt nicht über- schreitet, ist die Abschirmung 108 durch einen Leiter 109 und einen Schalter 103 mit einer in der Mitte angezapften Leitung 110 der Stromquelle 100 verbunden, die an einer Stelle liegt, die gleiches Potential gegenüber den Leitungen 101 und 102 hat.
Parallele Leitungen 104, 106 und 105, 107 sind mit der Primärwicklung eines die Spannung herabset- zenden Transformators 111 verbunden, der innerhalb des Gehäuses 13 angebracht ist. Die Primärwicklung des Transformators 111 ist in der Mitte angezapft und durch eine Leitung 112 mit dem Schirm 108 und dem Gehäuse 13 verbunden. Unter normalen Belastungsbedingungen beim Betrieb des Neutronengenerators 14 und der dazugehörigen Kreise wird die Spannung, die dem Oberflächenende des Kabels 17 zugeleitet wird, infolge des Leiterwiderstandes vor dem Erreichen des Gehäuseendes des Kabels erheblich gemindert. Demzufolge wird der Primärwicklung des Transformators 111 eine Spannung von ungefähr 300 Volt zugeleitet, und das Wicklungsverhältnis dieses Transformators ist so, dass eine Spannung von ungefähr 115 Volt in den Leitern 113 und 114 vorhanden ist.
Natürlich kann der Transformator in jeder bekannten Art einstellbar sein, so dass die erforderliche Spannung abgeleitet werden kann.
Die Leitungen 113 und 114 verlaufen in der Längsrichtung durch das Gehäuse 13 und sind, wie in Fig. 1B gezeigt, mit einer Mittelspannungsstromquelle 115 verbunden. Die Stromquelle 115 liefert Gleichstrom bei ungefähr 1500 Volt und an ihren Anschlussklemmen liegt im Nebenschluss ein Widerstand 116 als Spannungsteiler. Der positive Anschluss der Stromquelle ist am Gehäuse 13 geerdet und der negative Anschluss ist mit der Leitung 59 verbunden, die zur Sonde 36 des Generators 14 führt. Eine Anzapfstelle 117 des Spannungsteilers 116 bei ungefähr 100 Volt von dem negativen Anschluss der Stromquelle 115 ist mit der Leitung 72 verbunden, die zur Kathode 23 der Ionenquelle 20 führt.
Eine zweite Anzapfstelle 118, die um ungefähr 25 Volt von der Anzapfstelle 117 in positiver Richtung verschoben ist, ist durch die Leitung 73 mit der Kathode 22 der Stromquelle verbunden. Um den Kreis für die Ionenquelle 20 zu vervollständigen, ist die Anode 26 durch Leitungen 76 und 119 mit einer strombsgrenzenden veränderlichen Impedanz in einem Steuerkreis 120 (Fig. 1A) verbunden, der später genauer beschrieben wird. Die veränderliche Impedanz des Kreises 120 ist ihrerseits mit dem Gehäuse 13 verbunden, so dass eine Ionisierungsspannung in der Nähe von 1500 Volt zwischen der Anoden- und der Kathodenelektrode der Ionenquelle 20 zugeführt wird.
Die Leitungen 58und 75von den Ablenkplatten 42 und 44 sind mit der Sekundärwicklung eines Transformators 121 verbunden, dessen Primärwicklung mit Wechselstrom zuführenden Leitungen 113 und 114 verbunden ist. Die Leitungen 74 und 79, die zu den Ablenkplatten 45 und 43 führen, sind mit der Sekun- därwicldung des Transformators 121 über ein Phasenverschiebungsnetz 99 gekuppelt, das dem zugeleiteten Potential, das eine Periodenzahl von 400 Perioden pro Sekunde hat, eine Phasenverschiebung von unge-
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fähr 900 erteilt.
Eine mittlere Anzapfstelle für die Sekundärwicklung des Transformators 121 ist durch eine
Leitung 122 mit einem später genauer zu beschreibenden elektronischen Spannungsteiler eines Steuerkrei- ses 123 für die abgegebene Leistung (Fig. 1A) verbunden. Die Leitungen 124 und 125 verbinden den nega- tiven Pol der Speiseleitung 115 bzw. die Zapfstelle 117 des Spannungsteilers 116 mit den beiden wirksa- men Enden des Spannungsteilers innerhalb des Kreises 123.
Wie in Fig. 10 gezeigt, sind die Speiseleitungen 113 und 114 mit einer Hochspannungsquelle 126 ver- bunden, die von üblicher Bauart sein kann. Sie erzeugt ein gleichgerichtetes Potential in der Nähe von
100 KV, das der Beschleunigungsstrecke 21 mittels einer Verbindung zwischen dem Gehäuse 13 und der positiven Klemme der Spannungsquelle und einer Verbindung zwischen der negativen Klemme und der I Prallkörperleitung 86 zugeführt wird.
Um den Neutronenstrom zu steuern, der durch den Generator 14 erzeugt wird, ist ein Überraschungs- detektor 127 (Fig. 1B), z. B. ein mit Argon gefülltes Proportionalzählrohr mit einer Auskleidung aus was- serstoffhaltigem Stoff, in dem Gehäuse 13 in der Nähe des Prallkörper-Elektrodenteiles des Generators an- geordnet. Eine Leitung der Röhre 127 ist mit dem negativen Anschluss der Mittelspannungsstromquelle 115 i und die zweite Leitung über einen Widerstand 128 mit dem Gehäuse 13 verbunden. Die Verbindungsstelle der Leitung von der Röhre 127 und dem Widerstand 128 ist durch eine Leitung 129 mit einem Kopplung- kondensator 130 (Fig. 1A) verbunden, der seinerseits mit einer gewöhnlichen Impulsverstärker- und Inte- griereinheit 131 verbunden ist.
Die in gewöhnlicher Weise ausgebildete Spannungsquelle 132, die von den Leitungen 113 und 114 ge- speist wird, liefert ein gleichgerichtetes Betriebspotential für die Einheit 131, die nach Verstärkung und
Integrierung ankommender Impulse dem Eingangskreis des Ausgangssteuerkreises 123 über eine Leitung 133 ein Ausgangspotential zuleitet, das ein Charakteristikum des erzeugten Neutronenflusses, z. B. die Anzahl von Zählstössen pro Zeiteinheit, darstellt.
Wie später in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben werden soll, steuert das Potential in der Leitung 133 den elektronischen Spannungsteiler des Steuerkreises 123 derart, dass das über die Leitung 122 den Ablenk- platten 42 - 45 zugeführte Potential gegenüber der Kathode 23 der Ionenquelle 20 negativ ist und seine absolute Grösse sich umgekehrt mit dem Neutronenstrom ändert, um eine selbsttätige Ausgangssteuerung zu bewirken.
Die Impulse, die der Einheit 131 zugeleitet werden, entsprechen dem Neutronenstrom, der von dem
Generator 14 ausgeht. Nach der Verstärkung in der Stufe 131 werden diese Impulse über einen Leiter 134 des Kabels 17 einem Anzeiger 135 der Oberflächenausrüstung 18 zugeführt. Der Anzeigerkreis wird durch eine Erdverbindung 136 vervollständigt, die auch zu der Abschirmung 108 des Kabels 17 läuft. Der An- zeiger 135 kann beispielsweise einen Integrator und ein Spitzenspannungsvoltmeter aufweisen, so dass eine fortlaufende Anzeige des Neutronenstromes erzielt wird.
Um den Gasdruck innerhalb des Mantels 19 (Fig. 1B) zu steuern, ist der mit einer wasserstoffabgeben- den Substanz 84 versehene Faden 83 über seine Leitungen 77 und 78 mit der Sekundärwicklung eines spannungserniedrigenden Transformators 138 verbunden. Eine Klemme der Primärwicklung der beiden Trans- formatoren 137 und 138 ist mit einer Kraftleitung 114, und die zweite Anschlussklemme dieser Transfor- matoren ist über Leitungen 139 bzw. 140 mit einem Drucksteuerkreis 120 (Fig. 1A) verbunden.
Wie in
Verbindung mit Fig. 6 genauer beschrieben werden soll, weist der Drucksteuerkreis 120 eine Relaiseinrichtung zur wahlweisen Verbindung einer der Leitungen 139 und 140 mit der Kraftleitung 113 entsprechend dem Strom auf, der in dem Anoden-Kathodenkreis der Ionenquelle 20 fliesst, d. h. wenn dieser Strom infolge eines Ansteigens des Druckes in dem Mantel 19 über einen ersten Wert ansteigt, wird der Transformator 138 erregt, so dass durch den Faden 85 Gas absorbiert wird.
Umgekehrt bewirkt ein Druckabfall eine
Enterregung des Fadens 85, und wenn der Druck unter einen zweiten Wert sinkt, der niedriger als der erste ist, tritt eine Erregung des Transformators 137 ein und der Faden 83 sendet Deuterium aus. Ähnliche Formen von Gasdruck-Steuersystem sollen im einzelnen in Verbindung mit Fig. 10-13 beschrieben werden.
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ergebenden Gammastrahlung, zu erreichen, sind Mittel vorgesehen, um den Detektor 15 (Fig. IC) zu erregen und eine Kenngrösse seiner Ausgangsleitung zu registrieren. Dazu ist eine Wechselstromquelle 150 in der Oberflächenausrüstung 18 mit einem Transformator 151 gekuppelt, dessen einer Anschluss mit der geerdeten Abschirmung 108 und dessen anderer Anschluss über eine isolierende Drossel 152 mit einem Leiter 153 des Kabels 17 verbunden ist.
Der Leiter 153 durchquert das Gehäuse 13 und ist mit dem Gehäuse über die in Reihe geschalteten Primärwicklungen der Transformatoren 154 und 155 verbunden. Der Transformator 154 ist ein Leitungstransformator für eine Spannungsquelle 156 von üblicher Bauart, deren nega-
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tiver Ausgangsanschluss mit dem Gehäuse 13 verbunden ist. Die Spannungsquelle 156 erzeugt die Hochspannung für die Röhre ; 15, die dieser über einen Isolierwiderstand 157 zugeleitet wird. Der zweite Anschluss der Röhre 15 ist durch eine Leitung mit dem Gehäuse 13 verbunden. Die Verbindungsstelle des Widerstandes 157 mit der Leitung zu der Röhre 15 ist durch einen Kopplungskondensator 158 mit dem Eingangskreis eines gewöhnlichen Impulsverstärkers 159 verbunden.
Der Eingangskreis des Verstärkers wird durch eine Verbindung mit dem Gehäuse 13 vervollständigt, und es wird eine Spannung von der richtigen Höhe zur Betätigung des Verstärkers von der Spannungsquelle 156 über eine Leitung 160 abgeleitet. Der Transformator 155 ist ein Impulstransformator, dem das Ausgangssignal des Verstärkers 159 zugeleitet wird.
Dieses Ausgangssignal wird an der Oberflächenausrüstung 18 durch einen Impulstransformator 161 entnommen. Die Primärwicklung des Transformators ist mit einem Filter verbunden, das einen Serienkondensator 162 und eine Nebenschlussdrossel163 umfasst, um die Spannungen von der Frequenz der Spannungsquelle 150 zu verringern. Die Sekundärwicklung des Umformers ist mit einer Integrier- und Regi- striereinheit 164 üblicher Bauart verbunden. Die Einheit 164 kann beispielsweise aus einer Kapazität zur Entnahme eines Potentiales bestehen, das die Zahl der Impulse darstellt, die pro Zeiteinheit zugeleitet werden, und aus einem Registrier-Voltmeter, dem dieses Potential zugeleitet wird.
Der Vorschub der Registriereinrichtung des Voltmeters erfolgt in üblicher Weise synchron mit der Bewegung des Gehäuses 13 durch das Bohrloch 10, so dass eine fortlaufende Untersuchung erreicht wird.
Beim Betrieb wird das Gehäuse 13 in das Bohrloch 10 gesenkt, bevor der Schalter 103 geschlossen wird. Dadurch sind die Arbeiter vor jeder gefährlichen Strahlung geschützt, die von dem Neutronengenerator 14 durch die Erdformationen 11 und die Bohrflüssigkeit 12 ausgesendet werden.
Wenn der Schalter 103 geschlossen ist, erregt die Spannungsquelle 115 die Ionenquelle 20 (Fig. IB) und die Elektronen laufen infolge des Einflusses des Magneten 34 spiralartig von den Kathoden 22 und 23 nach der Anode 26. Auf diese Weise tritt eine starke Ionisierung des Gases innerhalb der Anode 26 auf und bei der sich ergebenden ununterbrochenen lonenentladung wird eine grosse Zahl positiver Ionen des Deuteriums erzeugt.
Infolge der Art, in der die Kathoden 22 und 23 mit dem Spannungsteiler 116 verbunden sind, hat die Kathode 23 gegenüber der Kathode 22 ein negatives Potential und es tritt ein Ionenstau innerhalb der Ionenquelle 20 in Richtung der Kathode 23 auf. Einige dieser positiven Ionen gehen durch die Öffnung 25 in der Kathode 23, und wenn die Ablenkplatten 42 - 45 auf einem mittleren Potential liegen, das gegen- über der Kathode 23 negativ ist, werden die Ionen durch diese Platten in Richtung der Sonde 36 gezogen. Dieser Ionenstrom wird durch das negative Potential der Sonde 36 gegenüber den Ablenkplatten 42 - 45 unterstützt, und einige Ionen gehen durch die Öffnung 38 in der Sonde.
Da die Spannungsquelle 126 ein hohes Potentialgefälle zwischen die Sonde und den Prallkörper 40 bringt, werden die positiven Ionen zu sehr hohen Geschwindigkeiten beschleunigt, bevor sie auf den Prallkörperstoff 41 auftreffen. Die hoch beschleunigten positiven DeuteriujiLnsn reagieren so mit dem Tritium in dem Prallkörperstoff und es werden Neutronen mit Energien in der Nähe von 14 Millionen Elektron-Volt erzeugt.
Da die Ionen vor der Beschleunigung unter dem Einfluss des elektrostatischen Feldes stehen, das durch die Ablenkplatten 42-45 erzeugt wird, trifft der Ionenstrahl auf den Prallkörperstoff 41 nicht nur an einer Stelle auf, vielmehr bewirken die zugeleiteten Spannungen, die in ihrer Phase um 900 verschoben sind, dass der Strahl eine kreisartige Bahn auf dem Prallkörperstoff beschreibt. Durch diese Verteilung des Ionen-
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wirdPrallkörperstoffes verhütet. Gegebenenfalls kann natürlich auch ein geeigneter Frequenzvervielfacher an Stelle des Phasenschiebers 99 treten, so dass in bekannter Weise Figuren von anderer als kreisartiger Form auf dem Prallkörperstoff 41 beschrieben werden können.
Positive Ionen erzeugen beim Auftreffen auf den Prallkörperstoff 41 Selundärelektronen, die inder Beschleunigungsstrecke 21 in der der Ionenbahn entgegengesetzten Richtung beschleunigt werden. Die meisten dieser Elektronen gehen durch die Öffnungen 38, 25,31 und 30, durchqueren die lonenquelle 20 ohne Zusammenstoss und treffen auf die Kathode 22. Gegebenenfalls kann eine nicht gezeigte Platte aus feuerfestem Werkstoff von niedriger Ordnungszahl, z. B. Quarz oder Berylliumoxyd, in der Bahn dieser Elektronen an der Platte 22 angeordnet sein. Die Elektronen können so am Auftreffen auf die Kathode 22 gehindert werden, wo sie eine unerwünschte örtliche Erwärmung und Aussendung von absorbierten Gasen verursachen können.
Zusätzlich kann eine solche Platte dazu dienen, die mögliche Wiedervereinigung von Elektronen und Ionen an der Oberfläche der Kathode zu verhüten.
Die Neutronen von hoher Energie, die von dem Prallkörperstoff 41 ausgehen, bestrahlen die Erdschichten 11 und denDetektor 127. Ein geringer Teil der einfallenden Neutronen erzeugt Rückstossproto-n
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in der wasserstoffhaltigen Verkleidung des Detektors. Einige dieser Protonen bewirken eine Ionisierung in dem Gas des Detektors, und die sich ergebenden Impulse werden verstärkt und in der Stufe 131 integriert.
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ansteigt, wächst die Zahl der Zählimpulse pro Sekunde, und der Ausgangssteuerkreis 123 mindert das Potential zwischen der Kathode 23 und den Ablenkplatten 42 - 45, so dass weniger Ionen von der Ionenquelle 20 zur Beschleunigungsstrecke 21 gezogen werden und dadurch der Neutronenstrom verringert wird.
Umgekehrt bewirkt ein Absinken des Neutronenstromes ein Ansteigen der negativen Spannung, die zwischen der Kathode 23 und den Ablenkplatten 42-45 liegt. Auf diese Weise bleibt der Neutronenfluss über einen weiten Bereich verschiedener Arbeitsbedingungen etwa konstant.
Das Steuersystem 120 hat zwei wesentliche Funktionen. An erster Stelle hält es die Ionenkonzentration innerhalb des Plasmas der ständigen lonenentladung in der Ionenquelle 20 im wesentlichen konstant. Dies wird durch die Strombegrenzungsimpedanz (nicht gezeigt), die in Reihe mit der Anode und Kathode der Ionenquelle geschaltet ist, erreicht. Wenn daher der Anoden-Kathodenstrom ansteigen will, verringert der Strombegrenzer das Potential an der Ionenquelle. Dadurch wird der Ionisierungsstrom vermindert und die Ionenkonzentration kann nicht ansteigen. Umgekehrt hat ein Ansteigen des Potentials an der Ionenquelle 20 ein Absinken des Stromes zur Folge.
Zweitens, wenn der Gasdruck innerhalb des Mantels 19 unter eine vorgeschriebene Grenze sinkt und der Ionenquellenstrom absinkt, schliesst ein nicht gezeigtes Relais des Kreises 120 einen Erregungskreis für den Transformator 137, wodurch der Draht 83 erwärmt wird. Dieser Draht erwärmt den Stoff 84 auf seine Deuterium-Abgabetemperatur. Oberhalb dieser Grenze wird der Draht 83 enterregt, und wenn der Gasdruck über einen gewählten höheren Wert ansteigt, erregt die Relaiseinrichtung des Kreises 120 den Transformator 138. Auf diese Weise wird der Absorbierdraht 85 auf seine Arbeitstemperatur erwärmt. Es versteht sich, dass der Druck innerhalb des Mantels 19 bei einem gewünschten Wert konstant gehalten werden kann.
Die Pumpe 93 arbeitet ständig, so dass das Gas durch die Röhre 90 in Richtung 94 aus der Beschleunigungsstrecke 21 nach der Ionenquelle 20 gezogen wird. Demzufolge wird der Druck in der Ionenquelle etwas höher als in der Beschleunigungsstrecke gehalten. Dies gestattet eine grössere Wirksamkeit bei der Bil- dung von Ionen in der lonenquelle, während die Möglichkeit eines Durchschlags in der Beschleunigungsstrecke vermindert wird.
Die Bestrahlung der Formationen 11 durch die in dem Generator 14 erzeugten Neutronen ergibt eine Kernstrahlung, die auf die Detektorröhre 15 auftrifft. Der Detektor spricht auf Gammastrahlen an und gibt Impulse ab, die in der Stufe 159 verstärkt werden, bevor sie der Integrier-und Registriervorrichtung der Einheit 164 der Oberflächenausrüstung 18 zugeleitet werden. Es wird daher eine Neutronen-Gammastrahlen-Untersuchung erzielt, die nützliche Informationen hinsichtlich der von dem Bohrloch durchquerten Erdformationen gibt. Es können auch andere Arten von Untersuchungen vorgenommen werden. Beispielsweise kann die Röhre 15 ein Proportional-Zählrohr sein, das mit einem wasserstoffhaltigen Stoff oder einer Borverbindung ausgekleidet ist. Auf diese Weise kann eine Neutronen-Neutronen-Untersuchung erzielt werden.
Darüber hinaus ist unter geeigneten Voraussetzungen eine Kombination von Neutronen-Gammastrahlen- und Neutronen-Neutronen-Untersuchung möglich. Wenn man den Generator impulsweise, beispielsweise durch Steuerimpulse von positiver Polarität in Leitung 122 ansprechen lässt und den Detektor 15 sperrt, kann auch eine Aktivierungsuntersuchung erreicht werden.
Da selbsttätige Steuerungen für den Gasdruck und den Neutronenfluss vorgesehen sind, kann der Neutronengenerator gemäss der Erfindung während eines ganzen Untersuchungsganges zuverlässig betätigt werden. Der Arbeiter braucht sich nicht mit irgendeiner schwierigen und ständigen Einstellung der Ausrüstung zu befassen.
Auf Grund der besonderen und eigenartigen Bauart des Generators 14 (Fig. 2) ist eine verhältnismässig robuste Konstruktion möglich. Ferner hat der Generator 14 eine so kleine Form, dass er für die länglichen zylindrischen Gehäuse mit kleinem Durchmesser geeignet ist, die durch die üblichen mit Öl gefüllten Bohrlöcher hindurchgehen. Der übrige Teil der Bohrlochvorrichtung kann leicht den Grössen- und Festigkeitserfordernissen einer Einrichtung angepasst werden, die durch ein Bohrloch gehen kann.
Daher entspricht die Bohrschacht-Untersuchungsvorrichtung gemäss der Erfindung allen Erfordernissen einer betriebsmässigen Untersuchung.
Da der Ionenstrahl eine Öffnung durchquert, die durch die Ablenkplatten 42 - 45 und die Öffnung 38 der Sonde 36 begrenzt wird, können diese Elektroden als elektrostatische Linse arbeiten. So kann durch Einstellung des zwischen der Sonde 36 und den Ablenkplatten 42 - 45 eingeführten Potentials die Fläche
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Eine Relaisspule 190 ist in den Stromkreis zwischen der Anode 187, der Diode 185und dem Gehäuse 13 eingeschaltet. Dieser Relaisspule sind zwei gewöhnlich geschlossene Kontakte 191 zugeordnet, die mit der Speiseleitung 113 und der Leitung 139 verbunden sind, die zu dem Transformator 137 führt.
Zwei gewöhnlich geöffnete Kontakte 192 sind mit der Speiseleitung 113 und der Leitung 140 verbunden, die zu dem Transformator 138 führt. Die Kontakte gehören zu einer Relaisspule 193, die im Nebenschluss zu der Diode 185 liegt. Ein Strombegrenzungswiderstand 194 ist in Reihe mit der Spule 193 geschaltet.
Die Arbeitsweise des Stromkreises 120 lässt sich am besten aus Fig. 7 ersehen, bei der die Kurve 198 die Stromspannungs-Charakteristik für die Diode 185 und die Kurve 199 die Spannungs-Strom-Charakteristik für die Ionenquelle 20 darstellt. Es ist ersichtlich, dass, auch wenn die Spannung an der Diode 185 über die mit E bezeichnete Spannung ansteigen kann, der durch die Diode fliessende Strom ziemlich konstant bleibt. Diese Charakteristik ist nützlich, um die Ionenkonzentration innerhalb der Ionenquelle 20 aufrecht zu halten, ungeachtet der Druckschwankungen, die innerhalb des Mantels 19 auftreten können, wie aus dem folgenden hervorgeht.
Wie aus Fig. 7 ersichtlich, schneidet die Kurve 198 der Dioden-Charakteristik die Belastungslinie 199 für die Ionenquelle 20 bei einer mit V1 bezeichneten Spannung. Demzufolge beträgt der Spannungsabfall an der Diode 185 V1 Volt und die Spannung an der Ionenquelle 20 kann als Spannung V, bei der die Belastungslinie 199 die Spannungsachse schneidet, minus V1 bestimmt werden. Wenn der Druck innerhalb des Mantels 19 steigt, verschiebt sich die Belastungslinie der Ionenquelle in die mit 199'bezeichnete Lage. Da die Diode 185 als Strombegrenzer wirkt, schneidet die Belastungslinie 199'die Kurve 198 bei der Spannung V'l'die höher als die Spannung V1ist. Mit andern Worten, der Spannungsabfall an der Diode 185 steigt und der Spannungsabfall an der Ionenquelle 20 sinkt auf den Wert V,-V..
Da ein Druckanstieg von einem Absinken in der der Ionenquelle 20 zugeleiteten Spannung begleitet ist, bleibt die lonenkonzentration im wesentlichen unverändert.
Anderseits verschiebt ein Absinken des Gasdruckes die Belastungslinie der Ionenquelle in die Lage 199", die die Kurve 198 bei einer Spannung V1" schneidet, die kleiner als V1 ist. Da die Spannung an der Ionenquelle 20 dadurch auf den Wert V-Vl"steigt, vermindert ein solches Sinken des Druckes die Ionenkonzentration in der Ionenquelle nicht wesentlich.
Solange der in dem Anoden-Kathodenkreis der Diode 185 fliessende Strom eine Spannung über der Spannung E erzeugt, reicht der Strom durch die Spule 190 aus, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, das die gewöhnlich geschlossenen Kontakte 191 geöffnet hält. Demzufolge wird dem Draht 83 kein Strom zugeführt. Gleichzeitig kann die Spannung an der Diode 185 zu gering sein, als dass die Spule 193 die gewöhnlich geöffneten Kontakte 192 beeinflusst, die also geöffnet bleiben, und es wird dem Absorbierdraht 85 kein Strom zugeführt.
Wenn aus irgend einem Grunde der Strom in dem Diodenkreis unter den Wert sinkt, bei dem die Spannung E auftritt, wird die Spule 190 völlig aberregt, und dadurch werden die Kontakte 191 geschlossen, und dem Draht 83, der, wie vorher ausgeführt, mit Deuterium aussendendem Werkstoff 84 versehen ist, wird Strom zugeleitet. Daher wird Gas ausgesendet und der Druck in dem Mantel 19 steigt allmählich an.
Der durch die Ionenquelle 20 und die Diode 185 fliessende Strom wächst so, bis die Stromstärke erreicht ist, bei dem die Spannung E eintritt. An diesem Punkte wird die Relaisspule 190 wieder erregt. Wenn der Druck in dem Mantel 19 auf einen zuvor gewählten Wert ansteigt, z. B. auf den Wert, bei dem die Spannung V. erreicht wird, reicht die Spannung an der Diode 185 für das Feld der Spule 193 aus, um die Kon-
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die Spule 193 enterregt. Es wird also durch den Steuerkreis 120 eine selbsttätige Drucksteuerung gebildet.
Natürlich kann gegebenenfalls ein dritter, nicht gezeigter Draht, der chemisch mit Gasen reagiert, mit dem Draht 85 parallel geschaltet sein und als Getter arbeiten.
In Fig. 8 sind die Einzelheiten der Ionenpumpe 93 dargestellt. Sie weist eine Anzahl ringförmiger Elektroden 200 auf, die durch jeweils eine von einer Anzahl von Leitungen 201 in Längsabständen voneinander innerhalb des Rohres 90 gehalten werden. Die betreffenden Leiter gehen durch die Wand des Rohres 90 hindurch und sind darin eingeschmolzen oder eingedichtet. In dieser Weise kann eine elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Ringen 200 und jeweils einem von einer Anzahl aufeinanderfolgender Anzapfungen 202 eines Spannungsteilers 203 hergestellt werden, dessen einer Anschluss 204 mit dem Ge- häuse 13unddessenanderer Anschluss 205 mit dem negativen Anschluss der Mittelspannungsquelle 115 verbunden ist.
Natürlich kann eine beliebige Anzahl von Ringen 200 zusammen mit einer entsprechenden Zahl von Anzapfungen 202 an dem Spannungsverteiler 203 verwendet werden.
Innerhalb des Rohres 90 wird eine stabartige axial verlaufende Elektrode 206 durch Endverbindungen 207
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und 208 getragen, von denen 207 mit dem Anschluss 204 verbunden ist, so dass die Elektrode 206 ein positives Potential gegenüber allen Ringelektroden 206 hat.
Um die Aussenwand des Rohres 90 ist ein Solenoid 209 so gewickelt, dass es räumlich getrennt und elektrisch isoliert von allen Leitungen 201 liegt. Das Solenoid 209 kann eine beliebige Anzahl von Lagen aufweisen. Der Einfachheit der Darstellung wegen ist nur eine Schicht gezeigt. Eine seiner Endleitungen ist an dem Anschluss 204 mit der Erde und die gegenüberliegende Endleitung ist mit dem positiven Anschluss der Spannungsquelle 132 verbunden. Dadurch kann das Solenoid erregt werden und es erzeugtein axiales magnetisches Feld innerhalb des Rohres 90.
Die von der Stabelektrode 206 ausgehenden Elektronen werden durch das den Ringelektroden 200 erteilte positive Potential nach diesen zu beschleunigt. Als Folge des Einflusses des durch das Solenoid 209 erzeugten magnetischen Feldes bewegen sich diese Elektronen in spiraligen Bahnen zu den Ringelektroden und es treten ionisierende Zusammenstösse mit den Gasmolekülen auf. Die Elektrodenabstände und Spannungen werden so gewählt, dass eine starke Ionisierung gefördert wird, und da die Spannung der Ringelektroden 200 inRichtung vom unteren zum oberen Ende der Pumpe 93 aufeinanderfolgend einen höheren negativen Wert hat, werden die positiven Ionen in Richtung des Pfeiles 94 gedrängt. Demzufolge wird Gas in Gestalt positiver Ionen transportiert zusätzlich zu der Strömung neutraler Moleküle, die einfach infolge der Strömung der positiven Ionen erfolgt.
Häufig kann ein ausreichender Ionenstrom aus dem oberen Ende des Rohres 90 in den Mantel 19 hinein vorhanden sein, so dass die Ionenquelle 20 nicht notwendig ist. Folglich dient die Pumpe 93 sowohl als Pumpe wie auch als lonenquelle und verbessert dadurch die Ausbeute der Ionenerzeugung. Die Ausschaltung der Ionenquelle 20 vereinfacht natürlich die Gesamtkonstruktion des Neutronengenerators 14 erheblich.
Der Schnitt nach Fig. 9 zeigt die inneren Einzelteile der Überwachungs-Detektorröhre 127. Die Röhre weist eine äussere Elektrodenhülle 210 auf, die aus einem Zylinder aus elektrisch leitendem Stoff, z. B. dünnem Stahl, besteht, der für Neutronen durchlässig ist. Die Hülle 210 ist von einer isolierenden Muffe 211 umgeben, die ebenfalls für Neutronen durchlässig ist. Beispielsweise kann ein Fluorkohlenstoff, gewöhnlich als Teflon bezeichnet, für diesen Zweck verwendet werden.
Eine stabförmige Elektrode 22 liegt koaxial innerhalb der Hülle 210, und die Hülle ist verschlossen und mit Argon oder einer geeigneten Kombination von Argon und Methangasen gefüllt.
Damit der Detektor 127 Richtungseigenschaften hat, ist eine Schicht aus wasserstoffhaltigem Mate- rial 213, z. B. Polyäthylen, auf der Innenfläche der Hülle 210 angebracht. Diese Schicht erstreckt sich über weniger als die Hälfte des Umfanges der Hülle an deren einer Seite in der Nähe des Neutronengene- rators 14. Um die Temperaturabhängigkeit der Polyäthylen-Auskleidung zu verbessern, kann sie vor dem
Einsetzen des Detektors 127 in das Gehäuse einer intensiven Bestrahlung ausgesetzt werden.
Beim Betrieb bewegen sich einige der schnellen Neutronen, die von dem Generator 14 ausgesendet werden, in der Richtung des Pfeiles 214 und dringen in das wasserstoffhaltige Material 213 ein. Einige von ihnen reagieren mit dem genannten Stoff und erzeugen Rückstossprotonen, die eine Ionisierung des Gases innerhalb der Hülle 210 verursachen. So werden durch den Detektor 127 dem erzeugten Neutronenfluss ent- sprechende Impulse hervorgebracht.
Anderseits dringen Neutronen von hoher Energie, die von den Formationen 11 oder von der Flüssig- keit 12 des Bohrloches 10 herkommen, in den Detektor in einer andern Richtung als 214, nämlich in einer der Richtungen 215, 216 oder 217 ein. Da der Teil des Detektors, auf den diese Neutronen treffen, nicht mit wasserstoffhaltigem Material versehen ist, werden keine Rückprallprotonen erzeugt. Ausserdem haben, nachdem die Neutronen den Innenraum des Detektors durchquert haben und auf die wasserstoffhaltige
Schicht 213 aufgetroffen sind, alle sich ergebenden Protonen eine maximale Bewegungsenergie, die von dem Gas innerhalb der Hülle 210 fortgerichtet ist, und lösen daher den Detektor nicht aus.
Es versteht sich somit, dass der Detektor 127 richtungsempfindlich ist und der Ausgangssteuerkreis 123 nur auf die Neutro- nen anspricht, die von dem Neutronen-Generator 14 ausgesendet werden.
Gegebenenfalls kann innerhalb des Gehäuses 13 an der dem Detektor 127 gegenüberliegenden Seite des Generators 14 eine Schicht aus wasserstoffhaltigem Material angebracht sein, so dass Neutronen mit hoher Energie, die aus den Formationen an der gegenüberliegenden Seite des Bohrloches zurückkehren, absorbiert werden können, um zu verhüten, dass sie gezählt werden.
Um eine symmetrische Beschiessung derErdformationen durch die von dem Aufprallkörper 40 des Generators 14 ausgesendeten Neutronen zu erreichen, kann der Übervrachungsdetektor 127 über oder unter dem Generator angebracht sein. Bei einer solchen Anordnung können natürlich geeignete Schirme aus wasserstoffhaltigem Material für den Detektor vorgesehen sein.
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An Stelle von Polyäthylen in der Schicht 213 kann auch Zirkonium verwendet werden, in dem Wasserstoff absorbiert ist. Dies ist möglich, da die Bindung des Wasserstoffes an Zirkonium bei hohen Temperaturen stabil ist.
Um eine andere Art von Untersuchung zu erzielen, kann der Überwachungsdetektor 127 auch anders ausgeführt und innerhalb eines Schuhes angebracht werden, der gegenüber dem Gehäuse 13 eine Vorspannung hat, so dass er an der Seitenwand des Bohrloches gehalten wird. Ein solcher Überwachungsdetektor wird in bekannter Weise so angeordnet, dass er nur auf die thermischen Neutronen anspricht, die ander Seitenwand aus den Erdformationen kommen. Da der erzeugte Fluss von Neutronen von hoher Energie unter der Steuerung des Überwachungsdetektors steht, wird der Fluss thermischer Neutronen an der SeitenI wand des Bohrloches auf einem gewünschten konstanten Wert gehalten. Demzufolge werden die Wirkungen der Bohrflüssigkeit und der Durchmesseränderungen des Bohrloches bei der mittelsdesDetektors 15 durchgeführten Untersuchung auf ein Geringstmass herabgesetzt.
Gegebenenfalls kann auch ein weiterer richtungsabhängiger Zähler 127 an Stelle des Detektors 15 verwendet werden, um unbeeinflusst von den Neutronen aus dem Generator 14 die Neutronen von hoher i Energie zu zählen, die aus den Erdformationen zurückkehren. Auf diese Weise kann eine Untersuchung mit schnellen Neutronen durchgeführt werden.
Eine andere Prallkörperbauart beruht auf einer Kovarbasis, aber an Stelle von Zirkoniumhydrid wird eine Schicht eines Metallhydrides benutzt, dessen Schmelzpunkt höher als der des Metalls selbst ist. Z. B. kann mit Tritium hydriertes Lithium verwendet werden, z. B. durch Aufdampfen von Lithium auf ein Grundmetall im Vakuum und darauffolgendes Einführen von Tritium, wobei das Lithium mässig erwärmt wird. Dieses Hydrid hat einen höheren Schmelzpunkt als die gewöhnliche Arbeitstemperatur des Prallkörpers. Wenn jedoch infolge der Reaktionen mit aufprallenden Deutronen unter Erzeugung von Neutronen Wasserstoff (Tritium) aus dem Prallkörper entfernt wird, verbleibt Lithium. Der Dampfdruck des verbleibenden Lithiums bei der üblichen Prallkörpertemperatur und dem Druck in der Hülle ist so, dass es aus dem Prallkörper verdampft und dadurch eine frische Hydridfläche frei wird.
Die Menge des verdampften Metalls ist, verglichen mit dem Gewicht des Prallkörpers, äusserst gering. Daher hat seine Ansammlung auf der Innenwand der Glashülle und den Aussenflächen metallischer Bauteile keinen unerwünschten Einfluss auf die Arbeitsweise des Neutronengenerators.
Es ist somit klar, dass während des Betriebs des Neutronengenerators in dem Masse, wie Tritium verbraucht wird, ständig frisches Hydrid freigelegt und daher eine hohe Wirksamkeit für lange Zeitspannen aufrecht erhalten wird.
An Stelle von Lithium können bei dieser Prallkörperbauart auch andere Metalle mit den gewünschten Eigenschaften verwendet werden, z. B. andere Alkalimetalle, wie Kalium, Natrium, Rubidium und Cäsium, die niedrigere Schmelzpunkte haben als ihre Hydride und daher geeignet sind.
Gegebenenfalls kann eine Hilfselektrode dem Prallkörper 40, 41 beigeordnet und mit einem Potential von negativer Polarität gegenüber dem Prallkörper versehen werden, was z. B. durch einen Vorspannungswiderstand in Reihe mit dem Prallkörper erreicht werden kann. Diese Elektrode unterdrückt das Entstehen von Sekundärelektronen an dem Prallkörper, und bei der Ausführung der Erfindung mit Lithium im Prallkörper dient sie als Auffangkörper für das Lithium, das bei den Deuterium-Tritium-Reaktionen frei wird.
Ferner kann eine Kühlung des Prallkörpers durch Einführen einer nicht gezeigten Röhre in den konischen Teil 86 der Hülle an einer Stelle nahe der Kappe 40 vorgenommen werden. Ein Kühlmittel, z. B.
Druckluft, kann der Kappe 40 durch die Röhre zugeleitet werden, und das Kühlmittel kann dann auf seinem Wege zu einer geeigneten, nicht gezeigten Wärmeübertragungsvorrichtung zwischen der Aussenfläche der Röhre und dem Teil 86 hindurchgehen.
Es können natürlich von der Einrichtung innerhalb des Gehäuses 13 den Anzeigevorrichtungen an der Erdoberfläche durch die üblichen Multiplexschaltungen zusätzliche Informationen zugeführt werden, ohne dass die Verwendung von mehr Leitern in dem Kabel 17 erforderlich ist. Beispielsweise kann ein Detektor für langsame Neutronen vorgesehen sein, so dass gleichzeitig Neutronen-Gamma- und Neutronen-Neutro- nen-Untersuchungen vorgenommen werden können. Auch kann ein geeignetes Voltmeter zum Feststellen der Ausgangsspannung der Spannungsquelle 126 vorgesehen sein. Insbesondere kann ein Zeitteiler für den
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