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Einrichtung zur Erzeugung von Neutronen
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Bohrlochuntersuchung, insbesondere richtet sie sich auf einen verbesserten Neutronen-Erzeuger, der besonders zur Verwendung in eng begrenzten Bohrlöchern oder -schächten geeignet ist. Die Erfindung kann aber auch für viele andere Zwecke angewendet werden. Da ein Neutronen-Erzeuger gemäss der Erfindung besonders für die Zwecke der Bohrlochuntersuchung geeignet ist, soll er in dieser Verbindung beschrieben werden.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, einen Generator für Neutronen von hoher Energie in Neutronen- Gammastrahl- oder in Neutronen-Neutronen-Untersuchungen zu verwenden. Im Gegensatz zu einer Radium-Beryllium-Quelle, die gewöhnlich für solche Untersuchungen verwendet wird, kann ein NeutronenGenerator einen vernachlässigbaren Betrag von Nicht-Neutronen-Strahlung aufweisen, sowie eine höhere Neutronenausbeute, eine steuerbare Neutronenausbeute und Neutronen von höherer Energie als früher möglichter kann ferner monoenergetische Neutronen erzeugen, und die Steuerung des Generators kann so eingerichtet sein, dass der Generator ausser Tätigkeit gesetzt werden kann, bevor er aus dem Bohrloch zurückgezogen wird.
Die ersten fünf dieser Eigenschaften sind zur Erzielung inhaltsreicherer Untersuchungsergebnisse wichtig, während die letzte die Gesundheitsgefährdung für das arbeitende Personal verringert.
Die Erfindung ist darauf gerichtet, einen verbesserten Neutronen-Generator zu schaffen, der allen Erfordernissen für die Bohrlochuntersuchung entspricht. Besonders betrifft die Erfindung einen solchen Neutronen-Generator, der klein genug ist, um in ein zylindrisches Bohrloch eingeführt zu werden.
Der Neutronen-Generator nach der Erfindung soll auch während des Untersuchungsganges zuverlässig arbeiten, ohne genaue und ständige Justierungen zu erfordern.
Der Generator soll ferner ohne Schaden für die Untersuchung die hohen Temperaturen in seiner Umgebung, die bei Untersuchungen in tiefen Lagen eintreten, aushalten. Ausserdem soll er genügend stabil sein, um trotz der starken mechanischen Stösse zuverlässig zu bleiben, die auf Untersuchungs-Apparate sowohl während der Beförderung nach und von einem Bohrloch als auch während der Bohrlochuntersuchung ausgeübt werden.
Das Prinzip der Arbeitsweise sowie der allgemeine Aufbau eines Neutronengenerators gemäss der vorliegenden Erfindung sind bereits bekannt (deutsche Patentschrift Nr. 691896, "Review of Scientific Instruments" 24 (1953) 424). Danach besteht der Generator aus einer Ionen-Quelle, einem Ionen-Beschleu- niger und einem Prallkörper, der vorzugsweise ein Element des Beschleunigers sein kann. Der Prallkörper enthält einen Stoff, der mit den auftreffenden Ionen mit genügender Geschwindigkeit reagiert, um Neutronen zu erzeugen. Die lonenquelle liegt in einer Hülle, die ein Gas, z. B. Deuterium, enthält. Ein Teil der Hülle wird von einer Spule umschlossen, die mit Hochfrequenzenergie erregt wird, wobei im Gas eine ständige lonenentladung erzeugt wird.
Durch eine Sonde gelangen positive Ionen von der Quelle in den Bereich des Beschleunigers. Dieser bewirkt durch eine geeignete hohe Potentialdifferenz zwischen der
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Nach den Angaben der angeführten Literatur ist es bekannt, das Tritium mit verschiedenen Methoden auf die Prallplatte aufzubringen. So kann diese aus Zirkon bestehen, das Tritium adsorbiert, sie wird dann vor dem Einsatz des Generators mit Tritium gesättigt. Sie kann aber auch aus einem Material gefertigt werden, durch das Tritium leicht hindurch diffundiert, wobei dieses Tritium auf der Rückseite der Prallplatte erzeugt wird, etwa elektrolytisch.
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Die vorliegende Erfindung hat vor allem einen nach dem zuletzt geschilderten Prinzip arbeiten Neutronengenerator zum Gegenstand, der sich durch besondere Konstruktionsmerkmale auszeichnet. Dieser neuartige konstruktive Aufbau wirkt sich dabei sowohl günstig auf die Strahlungserzeugung als auch auf die spezielle Verwendung des Generators für Bohrlochuntersuchungen aus. Er ist einmal dadurch gekenn-
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Hohlseite angeordneten Tritium-Ionen abgebenden elektrolytischen Zelle bildet. Die so bewirkte Gestal- tung des Beschleunigungsraumes als Halbkugelschale mit den begrenzenden Halbkugeln als Elektroden hat zur Folge, dass unerwünschte Teilchenkollisionen in diesem Raum auf ein Mindestmass zurückgeführt werden können. Dazu muss nur der Elektrodenabstand kleiner gemacht werden als die mittlere freie Weglänge der
Teilchen.
Das ist aber im allgemeinen ohne Gefahr eines Funkeniiberschlags möglich, da bei konzentri- scher Anordnung kugelförmiger Elektroden für einen vorgegebenen Gasdruck ein solcher Überschlag erst bei höherer Spannung eintritt als bei andern Elektrodenanordnungen.
Die geschilderte Ausbildung der elektrolytischen Zelle mit der Prallfläche als einer Elektrode stellt eine besonders einfache und raumsparende Möglichkeit der dauernden Versorgung der Prallfläche mit Tri- tium dar. Der Elektrolyt ist so angeordnet, dass die Tritium-Ionen in Lösung gebildet werden und durch
Zuführung eines elektrischen Potentials zwischen Prallkörperelektrode und einer zweiten Elektrode eine
Ionen-Wanderung verursacht wird. Durch geeignete Polung der Elektroden sammelt sich das Tritium an I der Prallkörperelektrode und diffundiert durch sie hindurch an die dem Beschleunigerraum zugekehrte
Oberfläche. Dort ist es den einfallenden Deuterium-Ionen ausgesetzt.
In der folgenden Beschreibung wird eine genaue Darstellung des Aufbaues eines Neutronen-Genera- tors mit den angeführten Konstruktionsmerkmalen gegeben.
Die Erfindung betrifft ferner die Lösung der Aufgabe, den Neutronenfluss, der von dem Neutronen-
Generator ausgeht, mit Hilfe einer raumsparenden Einrichtung in vorgeschriebenen Grenzen zu halten.
Dazu kann ein Detektor-Integrator verwendet werden, der ein Steuerpotential erzeugt, das eine Charak- teristik des Neutronenflusses darstellt, z. B. die Anzahl der je Zeiteinheit gezählten Neutronen. Diese
Spannung kann nun etwa verwendet werden, um das Beschleunigungspotential einzustellen. Da die Aus- beute von der Energie der positiven Ionen abhängig ist, die auf den Tritium-Prallkörper auftreffen, wird eine selbsttätige Steuerung der Neutronen-Abgabe erreicht.
Die Vorrichtung kann ferner eine Druckregelung enthalten, um den Druck des Deuterium-Gases in der Ionenquelle auf einem vorher gewählten Wert zu halten, ungeachtet der Tatsache, dass Ionen des Ga- ses ständig abgezogen werden. Zu diesem Zweck kann der Ionenquelle ein Druckumwandler zugeordnet werden, der ein dem Druck eindeutig zugeordnetes elektrisches Steuerpotential erzeugt. Dieses Potential stellt selbsttätig den Betrag des Gases ein, das der Ionenquelle von einem Deuterium-Vorratsbehälter zu- strömt.
Der Druckumwandler kann z. B. einen Teil der Umhüllung des Ionisierungsraumes bilden. Zwei ein- ander gegenüberliegende Rohre durchsetzen die Umhüllung und enden in in einem Abstand voneinander liegenden parallelen Kathodenplatten. Jedes Rohr nimmt einen Stabmagneten auf, der ein magnetisches Feld herstellt, das quer zu den Kathodenplatten ausgerichtet ist. Dieses Feld vergrössert wirksam den Weg für die Elektronen, die zwischen den Kathodenplatten und einer zwischen den Platten angebrachten ringförmigen Anode laufen. Durch geeignete Erregung der Anoden- und Kathoden-Elektroden tritt eine ständige Ionenentladung auf, wobei der sich ergebende Anoden-Kathodenstrom von dem Druck des Gases abhängig ist, von diesem Strom wird das vorher erwähnte Drucksteuerpotential abgeleitet.
Der Druck in der Umhüllung kann mittels einer fadenartigen Deuteriumquelle gesteuert werden, die aus einem Metall besteht, in dem Deuteriumgas absorbiert ist. Man kann aber auch einen Stoff, in dem Deuterium absorbiert ist, durch einen nicht absorbierenden Faden erhitzen.
Eine andere Deuteriumquelle enthält eine Anode mit einer Deuterium absorbierenden Oberfläche.
Der Anode ist eine Kathode zugeordnet, wobei der von den Elektronen gebildete Anoden-Kathodenstrom gesteuert werden kann. Mittels dieses Stromes kann die Erwärmung der Anode und damit der Betrag des Deuteriumgases, das von der Anode abgegeben wird, geregelt werden.
Eine andere Art des Drucksteuersystems enthält eine Deuteriumquelle von genügender Kapazität, um ein Druckgleichgewicht zu erzeugen. Z. B. sendet die Quelle bei einer gegebenen Arbeitstemperatur Deuterium aus, wenn der Deuteriumdruck in der Umhüllung unter eine gewünschte Grenze sinkt. Wenn dagegen der Druck über einen gegebenen Wert steigt, absorbiert die Quelle das Deuterium.
Da der Neutronen-Generator ein geschlossenes, zusammenhängendes System ist, ist es notwendig,
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zwei einander entgegenstehende Erfordernisse auszugleichen. Der Gasdruck in der Ionenquelle muss hoch genug sein, um eine genügende Ionisation zu gewährleisten. anderseits muss er niedrig genug sein, um eine merkliche Ionisation imBeschleunigungsraum auszuschalten. Ein stetiger Ausgleich kann dadurch erzielt werden, dass die mittlere freie Weglänge in der Ionenquelle im Verhältnis zur mittleren freien Weglänge im Beschleunigungsraum gross ist, was oben bereits angedeutet wurde.
Die Zeichnungen zeigen als Beispiel Ausführungsformen der Erfindung, u. zw. zeigen :
Fig. IA und IB schematisch den oberen bzw. den unteren Teil der Neutronen-Bohrschachtuntersuchungsvorrichtung gemäss der Erfindung, Fig. 2A und 2B zeigen Längsschnitte durch den oberen bzw. den unteren Teil der Vorrichtung gemäss Fig. lB in grösserem Massstab, Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch einen Montage-Sockel, der zum Tragen des Neutronen-Generators gemäss Fig. 2A und 2B verwendet wird, Fig. 4 und 5 sind schaubildliche Darstellungen der aufeinanderfolgenden Schritte bei der Herstellung der Deuterium aussendenden Fäden gemäss Fig. 2A, Fig. 6 stellt eine abgeänderte Deuteriumquelle dar, wie sie in Fig. 2A verwendet werden kann, Fig.
7 ist ein Längsschnitt durch eine andere Deuteriumquelle, Fig. 8 ist ein schematisches Diagramm eines elektrischen Stromkreises, in dem die Deuteriumquelle nach Fig. 7 verwendet werden kann, Fig. 9 Ist ein Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Deuteriumquelle gemäss Fig. 7.
In Fig. IA der Zeichnungen ist eine Bohrschachtuntersuchungsvonrichtung gemäss der Erfindung darge-
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enthält gewöhnlicheine wasserstoffhaltige Bohrflitssigkeit 12, z. B. einen Schlamm auf Wasser-oder Ölbasis, und es kann mit einer oder mehreren nicht dargestellten metallischen Gehäusen ausgekleidet, aber auch, wie in der Zeichnung dargestellt, ohne Auskleidung sein.
Die Neutronen-Bohrschachtuntersuchungsvorrichtung weist ein gegenDruck widerstandsfähiges Gehäuse 13 auf, das einen Neutronen-Generator 14 (Fig. lB), ferner eine auf Radioaktivität ansprechende Vorrichtung 15 zum Feststellen der zu beobachtende Erscheinungen und die zugehörige elektronische Ausrüstung enthält, die für eine ordnungsmässige Arbeit des Neutronen-Generators und des Detektors notwendig ist.
Oberhalb des Detektors 15 kann eine Schirmplatte 16 angeordnet sein, um den Detektor gegen Strahlungen abzuschirmen, die von dem Generator 14 ausgehen. Wenn die Vorrichtung benutzt wird, um Neutronen-Gammastrahlen-Untersuchungen vorzunehmen, kann die Schirmplatte aus Blei bestehen, wenn Neutronen-Neutronen-Untersuchungen erfolgen sollen aus Borkarbid. Natürlich kann man auch einen aus Blei und Borkarbid zusammengesetzten Schirm verwenden, wenn mit der gleichen Ausrüstung beide Arten von Untersuchungen entweder hintereinander oder gleichzeitig gemacht werden sollen.
Das Gehäuse 13 ist mit Hilfe eines armierten Kabels 17 in dem Bohrloch aufgehängt. Das Kabel steht mit einer nicht dargestellten auf der Erdoberfläche angeordneten Winde in Verbindung, mit der man die Vorrichtung in dem Bohrloch in der üblichen Weise heben und senken kann. Das Kabel 17 enthält mehrere isolierte Leiter, die die Vorrichtung innerhalb des Gehäuses 13 elektrisch mit der Ausrüstung 9 auf der Erdoberfläche verbinden.
Der Neutronen-Generator 14 (Fig. 1B) wird durch einen nicht dargestellten stosssicheren Sockel in dem Gehäuse 13 gehalten. Er besitzt eine evakuierte Umhüllung 18, die vorzugsweise aus einem-entgasten, keramischen Werkstoff besteht, z. B. einer Magnesium-Silikat-Verbindung, und mit Deuteriumgas unter einem gewünschten Druck gefüllt ist, der in der Nahe von 1 bis 10 Mikron Quecksilber liegt.
Wie am besten aus Fig. 2A zu ersehen, teilt eine Metallscheibe 19, die vorzugsweise aus einer ChromEisenlegierung - sogenanntem Chromstahl - besteht und einen Temperaturausdehnungskoeffizienten hat, der ungefähr demjenigen des keramischen Stoffes in der Umhüllung 18 gleich kommt, den oberen Teil der Umhüllung in einen Druckmesserteil 20 und einen Deuteriumquellenteil 21, die im einzelnen später beschrieben wenden.
Die Umhüllung 18 ist mit der Scheibe 19 verschmolzen oder sonst gasdicht mit ihr verbunden, wobei jedoch die Abteilungen 20 und 21 über mehrers kreisförmig auf der Scheibe 19 verteilte Öffnungen 22 miteinander in Verbindung stehen. Auf die Metallscheibe und die keramische Umhüllung kann in bekannter Weise z. B. ein Metalloxyd aufgeschmolzen sein. Es kann aber auch ein Überzug aus einem Metallhydrid, z. B. Zirkonium-Hydrid, auf die Keramik aufgeschmolzen und die Scheibe an den Überzug mit
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irgendeineden.
Unter der Scheibe 19 ist in einem gewissen Abstand parallel zu der Scheibe eine keramische Teilwand 23 vorgesehen, die die Abteilung 21 von einer eine Ionenquelle enthaltenden Abteilung 24 trennt.
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Mehrere Öffnungen 25, die ringsherum über die Teilwand 23 verteilt sind, verbinden die Abteilungen 21 und 24. Um eine Ionisation des Deuteriumgases vorzunehmen, ist eine Hochfrequenzspule 26 um die Umhüllung 18 gewickelt, u. zw. in der Nähe der Abteilung 24. Die Umhüllung hat einen so grossen Durchmesser, dass Elektronen, die infolge des durch die Spule 26 induzierten Feldes kreisförmige Bahnen durchlaufen, Wege zurücklegen, die grösser sind als die mittlere freie Weglänge der Teilchen in der Kammer, wodurch die Ionisation gewährleistet ist.
Wie am besten aus Fig. 2B zu sehen, schliesst eine weitere keramische Querwand 27 die untere Seite der Abteilung 24 für die Ionenquelle ab, sie ist mit einer mittleren Bohrung 28 versehen, in die eine Quarzhülse 29 eingesetzt ist, die sich in die Abteilung 24 hinein erstreckt. Das untere Ende der Hülse 29 ist nach aussen umgestülpt und bildet so einen Kranz 30, der sich gegen die äussere Fläche einer halbkugelförmigen Kappe 31 aus Chromstahl legt. Eine mittlere Bohrung 32 in der Kappe nimmt eine hohle Aluminiumsonde 33 auf, deren unteres Ende so eingenietet ist, dass eine mechanische und elektrische Verbindung mit der Kappe hergestellt wird. Die Sonde 33 erstreckt sich aufwärts gleichachsig mit der Hülse 29 und endet unter dem oberen Rand der letzteren.
Die halbkugelförmige Kappe 31 hat einen Durchmesser, der etwa gleich demjenigen der keramischen Umhüllung 18 ist, die Umhüllung endet oberhalb der Kappe. Die Umhüllung 18 und die Kappe 31 werden gut passend von einer ringförmigen Chromstahlhülse 34 eingefasst, die um ihren oberen Umfang herum mit der Umhüllung 18 verschmolzen ist, während ihr unterer Umfang an die Kappe 31 angelötet oder angeschweisst ist. Um den Druck auf beiden Seiten der Kappe 31 auszugleichen, ist sie mit mehreren Löchern 35 versehen.
Von der Kappe 31 aus erstreckt sich ein zylindrischer Teil 36 nach abwärts, dessen unteres Ende einen keramischen Isolierring 37 aufnimmt und mit ihm verschmolzen ist. Die oberen und unteren Flächen des Ringes 37 sind mit 38 und 39 bezeichnet. Diese Flächen sind mit geeigneten Nuten oder sonstigen Verformungen versehen, durch die die radiale Entfernung zwischen dem Zylinder 36 und einem inneren Metalli zylinder 40 längs der Oberflächen 38 und 39 vergrössert wird. Das untere Ende des Zylinders 40 ist gut passend in den Ring 37 eingefasst und mit ihm verschmolzen. Der Zylinder 40 ist vorzugsweise aus einem Metall hergestellt, durch das Tritium-Ionen diffundieren können, z. B. Eisen, auch Nickel, Molybdän oder Platin.
Der Zylinder erstreckt sich gleichachsig zu dem Zylinder 36 und liegt innerhalb desselben, sein oberes Ende wird durch eine fest mit ihm verbundene halbkugelförmige Kappe 41 abgeschlossen, die in einer gewissen Entfernung konzentrisch zu der Kappe 31 liegt. Die Kappe 41 bildet einen Prallkörper für den Neutronen-Generator, und das Rohr 33 und die Prallplatte 41 bilden eine Beschleunigungsstrecke, wenn eine geeignete Spannung angelegt wird.
In die Teile 40, 41 ist ein Einsatz aus elektrischem Isoliermaterial eingefügt, z. B. ein keramischer Einsatz 42, der der Form der Innenwand der Teile 40 und 41 entspricht und an seinem unteren Ende gei genüber dem Zylinder 40 abgedichtet ist. Er ist mit einer axialen Bohrung 43 versehen, deren oberer Teil einen kleineren Durchmesser hat. In eine ringförmige Aussparung am unteren Ende der Bohrung 43 ist eine Chromstahlplatte 45 eingepasst. Diese Platte ist mit dem Einsatz 42 so verbunden, dass die Verbindung gegen eine Elektrolytlösung, die durch ein metallisches Röhrchen 46 eingeführt werden kann, dicht ist. Das Röhrchen 46 erstreckt sich von der Platte aus abwärts. Ein Schraubstopfen 47 schliesst es nach der Einführung des Elektrolyten, der aus einer schwachen Lösung von Schwefelsäure in Wasser bestehen kann, zu.
Der Wasserstoff in der Schwefelsäure oder in dem Wasser ist ein Isotop vom Atomgewicht 3, das als Tritium bekannt Ist. Es können auch beide Verbindungen dieses Isotop enthalten. In jedem Fall muss Tritium in einer ausreichenden Menge vorhanden sein, so dass, wenn die elektrolytische Zelle in den Bohrungen 43,44 Flüssigkeit enthält und an die Elektroden 41 und 45 in geeigneter Weise eine Spannung gelegt wird, Tritium durch das obere Ende der Wand der Prallplatte 41 diffundiert.
Gegebenenfalls kann ein Katalysator in der elektrolytischen Zelle vorgesehen sein, um eine Wiederverbindung von Tritium und Sauerstoff zu veranlassen, die durch die Zersetzung von Tritiumoxyd unter dem Einfluss der Beta-Strahlen gebildet werden, die beim Betrieb des-Generators vom Tritium ausgehen.
Z. B. kann fein verteiltes Platin, sogenanntes Platinschwarz, als Katalysator verwendet werden.
Wie ans Fig. 2A ersichtlich, ist der obereDmckmessteil 20 der Umhüllung 18 mit zwei diametral einander gegenüberliegenden Bohrungen 50 und 51 versehen, in die keramische Rohre 52 bzw. 53 eingesetzt sind. Die äusseren Enden der Rohre 52 und 53 passen sich im wesentlichen der äusseren zylindrischen Form der Umhüllung 18 an und sind mit dieser dicht verbunden. Ihre Inneren Enden werden durch metallische. an ihnen angeschmolzen Kathodenplatten 54 bzw. 55 abgeschlossen. Auf diese Welm wird die Umhül- lung druckdicht gehalten. Die Kathoden 54 und 55 stehen in einem Abstand voneinander und parallel zueinander an den beiden Seiten eine : ringförmigen metallischen Anode 56, die durch eine metallische Tragstange 57 elektrisch und mechanisch mit der Scheibe 19 verbunden ist.
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Um die Umhüllung 18 ist ein Ring 58 aus magnetischem Werkstoff gelegt, der mit Bohrungen 59 und 60 versehen ist, die mit den Bohrungen der Rohre 52 und 53 fluchten. Die Bohrungen 59 nehmen einen zylindrischen Stabmagneten 61 auf. der in dasRohr 52 hineinragt. Er wird durch eine Druckfeder 52 und eine in die Bohrung 59 eingeschraubte Stellschraube 63 in elektrischem Kontakt mit der Platte 54 gehalten.
Die Bohrung 60 und das Rohr 53 sind in ähnlicher Weise mit einem Stabmagneten 64 versehen, und eine Druckfeder 65, zusammen mit einer Stellschraube 66 hält den Magneten 64 in Berührung mit der Platte 55. Die Pole der Magneten 61 und 64, die einander gegenüber liegen, haben entgegengesetzte magnetische Polarität, so dass ein magnetisches Feld entsteht, das eine senkrecht zu den Kathodenplatten 54 und 55 und der Anode 56 verlaufende Komponente aufweist. Der Ring 58 bildet den Rückweg für das magnetische Feld und dient auch als elektrische Anschlussklemme für die Platten 54 und 55. Der Zwischenraum zwischen den Platten 54 und 55 und die Stärke des durch den Magneten 61 und 64 erzeugten magnetischen Feldes sind in bekannter Weise so angeordnet, dass das Eintreten einer ständigen funkenentladung in der Druckmessabteilung 20 sichergestellt ist.
Das obere Ende der Umhüllung 18 wird durch einen schalenförmigen Deckel 67 abgeschlossen, der aus i Chromstahl hergestellt und an die Umhüllung angeschmolzen oder dicht mit ihr verbunden ist. Der Dekkel ist mit einer Evakuierungsröhre 68 versehen, und es können elektrisch isolierende keramische Einsätze 69 und 70 vorgesehen sein, durch die Leitungen 71 und 72 in die Umhüllung so eingeführt werden können, dass der druckdichte Abschluss aufrechterhalten wird.
Die Teile der Leitungen 71 und 72, die durch die Abteilung 20 hindurchgehen, werden von Glashülsen 73 bzw. 74 umschlossen und sind so gebogen oder geformt, dass sie an einer Seite des Zylinders vorbeigehen, der durch die ringförmige Elektrode 56 definiert wird. In Fig. 2A gehen diese Leitungen hinter dem so begrenzten Zylinder vorbei. Sie erstrecken sich durch elektrisch isolierende keramische Einsätze 75 und 76 in der Scheibe 19 hindurch und sind mit den Enden von schraubenförmigen Drähten 77 bzw. 78 verbunden, die in den Umhüllungsteil 21 hineinragen. Diese Drähte, die in Verbindung mit Fig. 6 und 7 genauer beschrieben werden sollen, bestehen aus einem metallischen Deuterid, z. B. Zirkonium-Deuterid, und sind so angeordnet, dass der Druck über ihren Oberflächen mit der Temperatur zunimmt oder abnimmt.
So wird bei einer Temperatur in einem ersten Temperaturbereich Deuteriumgas ausgesendet, während das Deuterium bei einer Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich absorbiert wird. Um Energie zu sparen, sind die Fäden 77 und 78 in einzelnen rohrartigen Wärmeschirmen 79 und 80 angeordnet, die aus einem reflektierenden Stoff von hohem Schmelzpunkt, z. B. aus Tantal oder Molybdän, hergestellt sind. Die oberen Enden der Schirme 79 und 80 sind an die Scheibe 19 angelötet oder angeschweisst, und die unteren Enden sind mit Böden 81 bzw. 82 versehen, an die die unteren Enden der Drähte 77 und 78 angeschlossen sind. Bohrungen 83 und 84 an den Schirmen 79 und 80 verbinden die durch die Wärmeschutzschirme begrenzten Abteilungen mit der Abteilung 21.
Bei dem Bau des Generators 14 sind die erforderlichen Vorsichtsmassregeln zu beachten, die für die Herstellung von Entladungsröhren gelten. Z. B. werden für die verschiedenen Elektroden die Metalle so gewählt, dass sie verhältnismässig frei von Gasen sind, die vor oder während des Herstellungsverfahrens absorbiert und später bei der Arbeit ausgetrieben werden könnten und dadurch den Generator verunreinigen.
Ferner werden mit Ausnahme der Elektroden 54 und 55 der Druckmessvorrichtung 20, die aus einem Metall hergestellt werden soll, das ein guter Sekundär-Elektronen-Aussender ist, Elektrodenmetalle gewählt, die eine niedrige Sekundär-Elektronen-Emissionscharakteristik besitzen, um die Möglichkeit eines Versagens zu verhindern. Das ursprüngliche Entgasen erfolgt über die Evakuierungsröhre 68, über die dann die erforderliche Menge von Deuterium eingeführt wird, bevor sie verschlossen wird.
Die Energieversorgung des Generators 14 und der zugehörigen Einrichtungen über die Leiter des Kabels 17 (Fig. lA) mit ihren Stromführungsmöglichkeiten erfolgt von einer Dreiphasenwechselstromquel- le 100 aus, die an der Erdoberfläche aufgestellt ist. Z. B. kann diese Quelle 600 Volt bei 400 Perioden in jeder ihrer Phasen liefern, die über einen dreipoligen Schalter 101 und die Kabelleiter 102, 103 und 104 einem in dem Gehäuse 13 angeordneten, abspannenden Transformator 105, 106 und 107 in Dreieckschaltung zugeführt werden. Durch die Verwendung von Transformatoren mit einem geeigneten Abspannungsverhältnis wird an den Leitern 108, 109 und 110 ein Dreiphasenstrom von 115 Volt erhalten.
Eine Phase dieses Stromes wird über Leitungen 108 und 109 einem üblichen Stromversorger 111 zugeleitet, der die zugeführte Wechselspannung in eine höhere gleichgerichtete Spannung verwandelt. Letztere wird über Leitungen 112 dem nicht dargestellten Anodenkreis eines Hochfrequenzgenerators 113 zugeführt, der bei einer Frequenz im Bereich von 10 bis 100 MH/sec arbeitet. Die Hochfrequenzquelle Ist ihrerseits durch Leitungen 115 und 116 mit den Anschlüssen der Spule 26 (Fig. lB) verbunden, die der Ionenquelle 24 zugeordnet ist. Die Heizenergie für den Hochfrequenzgenerator 113 wird von einem ab-
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spannenden Transformator 118, der von einer andern Phase des an den Leitern 109 und 110 vorhandenen
Stromes erregt wird, über Leitungen 117 zugeführt.
Um den Neutronenfluss zu steuern, der durch den Generator 14 erzeugt wird, ist in dem Gehäuse 13 in der Nähe derPrallkörperelelirode41 einDetektor inForm eines Proportionalzählrohres 125 angeordnet.
Der Detektor besitzt eine in Wasserstoff erhitzte Zirkoniumumhüllung und ist mit Argon-Gas mit geeigne- tem Zusatz gefüllt. Natürlich können auch andere Metalle, z. B. Titan oder Tantal als Umhüllung benutzt werden. Das in Wasserstoff erhitzte Metall kann an der Innenfläche mit einer Glas- oder keramischen Hül- le ausgekleidet sein, oder es kann eine keramische Hülle mit dem erforderlichen Metallhydrid versehen werden. Eine Ausgangsleitung der Röhre 125 ist an dem Gehäuse 13 geerdet, die zweite Ausgangsleitung ist durch eine Leitung 127 mit einem Koppelkondensator 128 (Fig. lA) verbunden, der seinerseits mit einem üblichen Impulsverstärker und einer Integratoreinheit 129 verbunden ist.
Die notwendige Spannung für das Zählrohr 125 wird durch einen üblichen Stromumformer 130 erzeugt, der durch die Leitungen 109 und 110 gespeist wird. Sie wird über eine Leitung 131 und einen Entkopplungswiderstand 132 abgeleitet.
Der Stromversorgungskreis wird durch eine Verbindung 133 mit dem Gehäuse 13 vervollständigt.
. Der Ausgang der Einheit 129, der eine Charakteristik des erzeugten Neutronenflusses darstellt, z. B. als Zählungen in der Zeiteinheit, wird dem Eingangskreis eines Spannungssteuerkreises 119 über eine Lei- tung 134 und Verbindungen 135 und 136 mit dem Gehäuse 13 zugeleitet. Der Kreis 119 kann von der übli- chen Bauart sein. z. B. kann er einen magnetischen Verstärker enthalten, der in einen Servo-Kreis eingeschal- tet ist, der die Spannung von dem Verstärker-Integrator 129 mit einer Bezugsspannung vergleicht, um eine Steuergrösse abzuleiten. Diese Steuergrösse kann die Einstellung des Wertes einer Impedanz sein, die wirk- sam zwischen die Leitungen 110 und 120 eingeschaltet ist.
Dementsprechend ist die Spannung, welche die
Hochspannungsversorgung 121 erzeugt, abhängig von dem erzeugten Neutronenfluss, so dass dieser Fluss selbsttätig auf einem bestimmten gleichbleibenden Wert gehalten wird.
Über einen Leiter 137, der durch das Kabel 17 hindurchgeht, werden verstärkte Impulse von der Ein- heit 129 einer Anzeigevorrichtung 138, z. B. einem an der Erdoberfläche angeordneten integrierenden
Voltmeter zugeführt. Der Anzeigekreis wird durch eine Verbindung 139 zwischen dem Gehäuse 13 und dem Schirm 140 des Kabels und eine Erdverbindung 141 an der Erdoberfläche zwischen dem Schirm und dem Anzeiger 138 vervollständigt.
Um die Druckmessvorrichtung in dem Umhüllungsabschnitt 20 mit Energie zu versorgen (Fig. lB), ist die Scheibe 19, mit der die Anode 56 verbunden ist, über einen Widerstand 142 und eine Verlängerung der Leitung 131, mit der Stromversorgung 130 verbunden. Ein Magnet 58, der mit den Kathoden 54 und
55 verbunden ist, ist an dem Gehäuse 13 mittels eines Widerstandes 143 geerdet. Die Grösse des Widerstan- des 143 wird in bekannter Weise so gewählt, dass er den negativen Widerstandscharakteristiken der Glüh- entladung zwischen Anode 56 und Kathoden 54 und 55 der Druckmessvorrichtung entgegenwirkt und einen
Spannungsabfall bewirkt, der zum Anoden-Kathodenstrom führt.
Ein in die Leitung 131 eingeschalteter Widerstand 142 wird in ähnlicher Weise verwendet, um der Wirkung der negativen Widerstandscharakteristik der Ionenentladung entgegenzuwirken, die in der Ionenquelle 24 stattfindet.
Die Verbindung des Widerstandes 143 mit der Leitung zum Ring 58 steht über eine Leitung 144 mit einer Eingangsklemme des Drucksteuerkreises 145 in Verbindung, dessen zweite Eingangsklemme durch eine Leitung 146 mit dem Gehäuse 13 verbunden ist. Der Kreis 145 kann von üblicher Bauart sein, er kann z. B. einen magnetischen Servo-Verstärker aufweisen, der zum Vergleichen der an dem Widerstand 143 entwickelten Spannung mit einer Bezugsspannung dient und zwischen den Ausgangskreisleitungen 147 und
148 eine Impedanz aufweist, die durch den Unterschied zwischen der entwickelten und der Bezugsspannung selbsttätig gesteuert wird.
Die Leitung 147 ist mit der Zuführungsleitung 109 und die Leitung 148 mit einem Pol der Primärwindung eines nach unten spannenden Transformators 149 verbunden. Die zweite Primärklemme ist mit der Zuführleitung. 110 verbunden, Die Sekundärwirkung des Transformators 149 ist durch Leitungen 150, 151 über die Scheibe 19 und die Leitungen 71,72 mit den parallel geschalteten Drahtwindungen 77 und 78 verbunden.
Da das am Widerstand 143 entwickelte Potential ein Mass für den Druck in der Umhüllung 18 ist, wird dieses Potential auch durch ein Kabel 152 einer Anzeigevorrichtung 153, z. B. einem Voltmeter in der Ausrüstung 9 auf der Erdoberfläche zugeführt. Gegebenenfalls kann ein den Druck darstellendes Potentia], das in dem Steuerkreis 145 abgeleitet wird, dazu verwendet werden, die Anzeigevorrichtung 153 zu betätigen.
Die Stromversorgung 130 liefert auch eine Spannung zur Erregung der Einheiten 119, 129 und 145.
Diese Spannung wird über eine Leitung 154 und verschiedene Verlängerungen derselben zugeführt.
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Der bisher beschriebene Teil der Bohrschacht-Untersuchungsvorrichtung bezieht sich auf die Erzeugung von Neutronen zur Bestrahlung der Formation 11. Um ein Untersuchungsergebnis z. B. für die sich ergebende Gamma-Bestrahlung zu erhalten, sind Mittel vorgesehen, um den Detektor 15 zu erregen, der ein Geiger-Müller-Rohr (Fig. 1B) sein kann und eine Aufzeichnungsvorrichtung für eine Charakteristikdessen Ausgangs. Zu diesem Zweck ist eine Quelle von Wechselstrom 160 in der Ausrüstung 9 auf der Erdoberfläche mit einem Transformator 161 gekoppelt. Der eine Pol der Sekundärspule dieses Transformators ist mit einem geerdeten Schirm 140 verbunden, während der andere Pol über eine Isolierdrossel 162 mit einem Leiter 163des Kabels 17 verbunden ist.
Der Leiter 163 durchquert das Gehäuse 13 und ist mit ihm über die in Reihe geschalteten Primärspule der Transformatoren 164 und 165 verbunden. Der Transformator 164 ist ein Versorgungstransformator für eine übliche Stromversorgung 166, die eine Verbindung 167 mit dem Gehäuse 13 aufweist.
Die Stromversorgung 166 entwickelt die hohe Spannung für die Betätigung der Röhre 15, die ihr über einen Isolierwiderstand 168 zugeführt wird. Der zweite Pol der Röhre 15 ist mittels einer Leitung 169 mit dem Gehäuse 13 verbunden. Die Verbindung des Widerstandes 168 mit der Leitung zum Rohr 15 ist durch i einen Koppelkondensator 170 mit dem Eingangskreis eines üblichen Impulsverstärkers 171 verbunden. Der Eingangskreis wird durch eine Verbindung 172 mit dem Gehäuse vervollständigt, es wird von der Stromversorgung 166 über die Leitung 173 eine Spannung von geeigneter Grösse geleitet, um den Verstärker zu betätigen. Der Transformator 165 ist ein Impulstransformator, dem das Ausgangssignal des Verstärkers 171 zugeführt wird.
Dieses Ausgangssignal wird in der an der Erdoberfläche befindlichen Ausrüstung 9 durch einen Impulstransformator 174 abgeleitet. Die Primärwicklung des Transformators ist mit einem Filter verbunden, das einen Kondensator 175 und eine Nebenschlussdrossel 176 zur Abschwächung der Spannungen von der Frequenz der Quelle 160 aufweist. Die Sekundärwicklung des Transformators ist mit einem üblichen Integra- tor und einer Registriereinheit 177 verbunden. Letztere kann z. B. eine Kapazität enthalten, die eine die i Zahl der in der Zeiteinheit zugeführten Impulse darstellende Spannung ableitet, und ein Registrier-Voltmeter, dem diese Spannung zugefUhrt wird. DieRegistr1ervorrichtung des Voltmeters wird in üblicher Weise synchron zu der Bewegung des Gehäuses 13 durch das Bohrloch 10 so verschoben, dass eine dauernde Aufzeichnung des Untersuchungsergebnisses erhalten wird.
Im Betrieb wird dasGehäuse 13 in das Bohrloch 10 versenkt, bevor der Schalter 101 geschlossen wird.
Auf diese Weise wird das Arbeitspersonal gegen jede gefährliche Strahlung geschützt, die von dem Neutronen-Generator 14 durch die Erdformationen 11 und die Bohrflüssigkeit 12 ausgesandt werden. Wenn der Schalter 101 geschlossen ist, wird der Hochfrequenz-Generator 113 erregt und seine Spannung der Spule 26 zugeführt, die der Ionenquelle 24 zugeordnet ist. Zusätzlich liefert die Hochspannungsversorgung 121 ihre Ausgangsspannung an die Beschleunigungsstrecke, die durch das Rohr 33 und den Prallkörper 41 begrenzt ist. Darüber hinaus wird durch die Quelle 139 der Anode 56 eine im Verhältnis zu den Kathoden 54 und 55 der Druckmessvorrichtung 20 positive Spannung zugeführt.
Der Hochfrequenzstrom in der Spule 26 erzeugt ein Hochfrequenzfeld, und Elektronen durchlaufen infolge des Potentialabfalls entlang den einzelnen Windungen der Spule Kreisbahnen. Das Hochfrequenzfeld hat eine so grosse Amplitude, dass die Zusammenstösse der Elektronen mit Molekülen des Deuteriumgases zu deren Ionisation führen. Auf diese Weise werden Deuterium-Ionen erzeugt, und da das Verfahren kumulativ ist, wird eine ständige Ionenentladung in der Ionenquelle aufrecht erhalten.
Soweit die Scheibe 19 und die Schirme 79 und 80 gegenüber der Sonde 30 eine positive Spannung haben, haben Ionen in der Quelle 24 das Bestreben, sich nach der Sonde zu anzuhäufen. Einige von diesen Ionen gehen durch die Bohrung in der Sonde und werden auf diese Weise in die Beschleunigungslücke hineingeführt. Infolge der hohen Spannung, die zwischen der Sonde 31,33 und dem Prallkörper 41 liegt, werden positive Ionen zu hohen Geschwindigkeiten beschleunigt, bevor sie auf den Prallkörper auftreffen.
Die hoch beschleunigten positiven Deuterium-Ionen reagieren auf diese Weise mit dem Tritium in dem Prallkörper, und es werden Neutronen von Energien in einer Höhe von 14 Millionen Elektron-Volt erzeugt.
Der Strom der Beschleunigungsstrecke fliesst durch den Elektrolyten innerhalb des Raumes 43, 44, dem der Widerstand 124 zukommt. Durch geeignete Konzentration des Elektrolyten wird sein Widerstand 124 so eingestellt, dass eine gewünschte Spannungsdifferenz zwischen dem Prallkörper 41 und der Platte 45 entsteht. Mit andern Worten, der Stromfluss zwischen den Elektroden 41 und 45 der elektrolytischen Zelle ist auf einen vorher bestimmten Wert eingestellt, bei dem Elektrolyse eintritt, und Tritium-Ionen wan- dern durch den Elektrolyten nach der Innenfläche des Prallkörpers 41. Da der Prallkörper aus einem Material besteht, durch welches solche Ionen diffundieren können, wandert das Tritium nach der Aussen-
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fläche des Prallkörpers, an der Reaktionen mit beschleunigten Deuterium-Ionen eintreten können.
Wenn demnach der Neutronengenerator 14 arbeitet, wird ständig Tritium auf die Oberfläche des Prallkörpers 41 gebracht, und der Generator kann über lange Zeiträume arbeiten, ohne dass sich eine Materialerschöpfung an Tritium zeigt.
Wenn positive Ionen auf den Prallkörper 41 treffen, können sie Sekundärelektronen erzeugen, die in der Beschleunigungsstrecke in einer Richtung entgegen der Bewegung der positiven Ionen beschleunigt werden. Die meisten dieser Elektronen gehen durch das Sondenrohr 33 und durchqueren die Quelle 24 ohne
Zusammenstoss und treffen schliesslich auf die Teilwand 23, die ihre Energien absorbiert, indem sie sie in
Wärme verwandelt, die sich zerstreut. Da ausserdem die Teilwand 23 aus einem keramischen Stoff ge- wöhnlich von niedrigem Atomgewicht besteht, werden nur weiche Röntgenstrahlen durch die Elektronenbeschiessung erzeugt.
Es ist somit klar, dass die beschleunigten Elektronen daran verhindert werden, in unerwünschter Weise eine örtliche Erwärmung des Elektrodenmetalls in dem Generator und/oder die Abgabe von absorbierten Gasen, zu veranlassen. Zusätzlich dient die Teilwand 23 zur Verringerung von Wiedervereinigungen von Elektronen und Ionen an der Oberfläche der Metallscheibe 19 und der Metallschirme 79 und 80 der Abteilung 21.
Neutronen von hoher Energie, die von der Prallplatte 41 ausgehen, bestrahlen sowohl die Formation 11 als auch den Detektor 125. Ein kleiner Bruchteil der schnellen Neutronen, die auf den Detektor treffen, erzeugen in seiner wasserstoffhaltigen Auskleidung Rückprall-Protonen. Einige dieser Protonen veranlassen eine Ionisation in dem Argon, und die sich ergebenden Impulse werden verstärkt und in der Vorrichtung 129 integriert, so dass sie eine Steuerspannung entwickeln, die dem Steuerspannungskreis 119 zugeführt wird. Wenn der Neutronenfluss zunimmt, nimmt auch die Zahl der Zählungen in der Sekunde zu, und der Spannungssteuerkreis verringert die Spannungszufuhr zu der Hochspannungs-Kraftzufuhr 121. Dementsprechend wird der Beschleunigungsstrecke eine niedrigere Spannung zugeführt, wodurch der Neutronenfluss vermindert wird.
Umgekehrt verursacht die Abnahme in dem Neutronenfluss ein Ansteigen der Hochspannung an der Beschleunigungsstrecke. Auf diese Weise bleibt die Neutronenausbeute über einen weiten Bereich von Arbeitsbedingungen etwa konstant.
Bei dem Drucksteuersystem werden in der Lücke zwischen den Magneten 61 und 64 durch eine Spiralbewegung ausführende Elektronen positive Ionen geschaffen, wobei die Elektronen von den Kathoden 54 und 55 ausgesandt werden, wenn positive Ionen auf diese Kathoden auftreffen. Ferner werden Elektronen ausgesandt, die ihrerseits weitere positive Ionen erzeugen, und es entsteht eine ständige Entladung. Der sich ergebende Strom ist eine Funktion des Gasdruckes, da dieser Druck die Zahl der positiven Ionen bestimmt, die erzeugt werden können. Die an dem Widerstand 143 entwickelte Spannung steuert den Drucksteuerkreis 145, und auf diese Weise wird die den Windungen 77 und 78 zugeführte Spannung eingestellt.
Diese Windungen können in einem ersten Temperaturbereich von ungefähr 300 bis 6000C arbeiten, und der Steuerkreis 145 ist so ausgeführt, dass die Windungstemperatur zunimmt, wenn eine verminderte Spannung an dem Widerstand 143 eine Abnahme des Druckes in der Umhüllung 18 anzeigt. Umgekehrt nimmt die Windungstemperatur ab, wenn der Druck in der Umhüllung zunimmt, so dass der Druck auf diese Weise bei einem gewünschten Wert konstant gehalten werden kann.'
Der Drucksteuerkreis 145 kann ferner eine solche Energie an die Windungen 77 und 78 liefern, dass sie auf eine Arbeitstemperatur in einem zweiten Temperaturbereich unterhalb des ersterwähnten Bereichs gebracht werden, bei dem sie Deuterium absorbieren. Infolgedessen kann eine Zunahme an Druck ausgeglichen werden.
Bei einer Verringerung des Druckes bringt der Kreis 145 die Windungen wieder auf Emissionstemperaturen.
Die Bestrahlung der Formationen 11 durch die in dem Generator 14 erzeugten Neutronen mit hoher
Energie ergeben eine Kernstrahlung, die auf eine Geiger-Müller-Röhre 15 fällt. Dies erfolgt durch einen Prozess, bei dem die Neutronenenergie so verringert wird, dass Gamma-Strahlen erzeugt werden. Der Detektor spricht auf die Gamma-Strahlen an, sein Ausgang hat die Form von Impulsen, die in der Verstärkerstufe 171 verstärkt werden, bevor sie dem Integrator und der Registriereinheit 177 an der Erdoberfläche zugeführt werden. Es geht hieraus hervor, dass ein Neutronen-Gammastrahl-Untersuchungsergebnis erhalten wird. Dieses Ergebnis zeigt nützliche Informationen bezüglich der durch das Bohrloch durchquerten Erdformation.
Da für den Druck und den Neutronenfluss selbsttätige Steuerungen vorgesehen sind, kann der Neutronen-Generator gemäss der Erfindung in zuverlässiger Weise während eines vollständigen Untersuchungsganges arbeiten. Der Bedienende braucht nicht ständig irgendwelche wesentliche Justierungen an der Vorrichtung vorzunehmen.
Infolge der Bauart des Generators 14 gemäss Fig. 2A und 2B ist so die Herstellung einer verhältnismässig
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robusten Vorrichtung möglich. Darüber hinaus hat der Generator 14 einen so geringen äusseren Umfang, dass er in das längliche zylindrische Gehäuse von kleinem Durchmesser eingepasst werden kann, wie es durch ein übliches Bohrloch im Ölfeld hindurchgeführt wird. Der übrige Teil der Vorrichtung kann leicht der Grösse und den Festigkeitsbedingungen einer Bohrlochvorrichtung angepasst werden.
Infolgedessen entspricht die Bohrschacht-Untersuchungsvorrichtung gemäss der Erfindung allen Erfordernissen des Untersuchungsverfahrens.
Natürlich können auch andere Arten von Untersuchungen damit vorgenommen werden. Z. B. kann die Detektorröhre 15 ein Proportionalzähler sein, der mit wasserstoffhaltigem Stoff oder einer Bor-Verbindung
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ein Neutronen-Neutronen-Untersuchungsergebnis gleichzeitig erhalten werden.
Gegebenenfalls kann der Generator 14 periodisch ein-und ausgeschaltet werden, wobei das dem
Rohr 15 zugeordnete Detektorsystem komplementär dazu ein-und ausgeschaltet wird, um eine Aktivie- rungsuntersuchung durchzuführen. Z. B. kann die Stromversorgung für die Beschleunigungsstrecke des Gei nerators 14 so angeordnet sein, dass sie die Hochspannung in Impulsen abgibt und nicht ständig. In diesem
Impulsverfahren können höhere Spitzenspannungen verwendet werden, ohne einen Überschlag in der Be- schleunigungslücke zu erhalten, als bei der Verwendung einer stetigen Spannung.
Gegebenenfalls kann ein Kügelchen aus radioaktivem Stoff, z. B. Radium, der Ionenquelle 24 zuge- ordnet sein, um das Ingangsetzen der Ionisierung von Gas in der Quelle zu unterstützen.
Bei der dargestellten Ausführungsform wird ein Schwefelsäure-Elektrolyt zur Verwendung in der Kam- mer 43, 44 zur Erzeugung von Tritium vorgeschlagen. Natürlich können auch andere geeignete Elektroly- ten für diesen Zweck verwendet werden. Z. B. kann man, um den Aufbau eines Gasdruckes innerhalb der elektrolytischen Zelle während der Elektrolyse auszuschliessen, eine Mischung verwenden, in der Wasser enthalten ist, dessen Wasserstoff das Isotop Tritium ist, ferner Natrium-Jodid, Stärke und ein Puffer, be- stehend aus Borsäure und Natrium-Borat. Die Elektrolyse von Natrium-Jpdid erzeugt positive Natrium-
Ionen in der Kathode des Prallkörpers 41 der Zelle, die mit Wasser reagiert, um Natriumhydroxyd und positive Wasserstoff-Ionen zu erzeugen.
Dieser Wasserstoff (Tritium) wandert in die Kathode und wird zum
Zweck der Reaktion mit den beschleunigten Deuterium-Ionen auf die Aussenfläche geführt.
An der Anode (Platte 45) wird Jod frei und durch die Stärke absorbiert. Der Borsäure-Natrium-Borat-
Puffer reagiert mit dem Natriumhydroxyd, das so gebildet ist, dass die Lösung nicht zu sehr alkalisch wird.
Gegebenenfalls kann ein nicht dargestellter Nebenschluss-Widerstand parallel zu der Zelle gelegt werden, die in Fig. 1B durch den Widerstand 124 dargestellt wird. Auf diese Weise kann die Erzeugung und
Wiederzuführung von Tritium zu dem Prallkörper so eingestellt werden, dass sie einem festen Bruchteil des
Prallkörperstromes proportional ist.
Das Verhältnis der Durchmesser der Bohrungen 43 und 44 der elektrolytischen Zelle ist so gewählt, dass ein gewünschtes Volumen des Elektrolyts vorhanden ist, während die Diffusion von Tritium durch unbenutzte Teile des Prallkörpers 41 verhindert wird, d. h. die Bohrung 43 kann so gross sein, dass das erforderliche Volumen an Elektrolyt hineinpasst, während die Bohrung 44 so klein sein muss, dass das Tritium nur auf die verhältnismässig kleine Oberfläche des Prallkörpers 41, auf die der Ionenstrahl auftrifft, diffundert. Dementsprechend tritt etwa das ganze Tritium, das auf diese Weise diffundiert, in die Deuterium-
Tritium-Reaktionen ein.
In Fig. 3 ist ein Querschnitt durch einen Montagesockel dargestellt, der für den beschriebenen Neutronen-Generator geeignet ist. Er besteht aus einer zylindrischen Hülse 180, deren lichte Weise etwas grösser ist als der äussere Durchmesser des Zylinders 36 (Fig. 2B). Die Hülse 180 besteht aus einem elektrisch leitenden, nachgiebigen Stoff, z. B. einer Legierung von Kupfer und Zinn (Phosphorbronze), das obere Ende ist mit mehreren Längsschlitzen 181 versehen, die eine Anzahl von Greiffingern 182 bilden. Letztere nehmen den Zylinder 36 mit Reibung und nachgiebig auf. Ein keramischer Isolator 183, von etwa Scheibenform, liegt gleichachsig mit der Hülse 180 in ihr, und seine obere Fläche 184 entspricht der Gestaltung der unteren Fläche 39 des Isolators 37, wenn der Neutronen-Generator in den Sockel nach Fig. 3 eingefügt ist.
Die untere Fläche 185 ist in ähnlicher Weise geformt, so dass der Abstand zwischen den Innenflächen der Hülse 180 und einer mittleren Bohrung 186 im Isolator 183 verhältnismässig gross ist. Die Bohrung 186 hat an ihrem unteren Ende eine ringförmige Schulter, in der eine leitende Scheibe 187 befestigt ist. Ein an der Scheibe 187 angebrachtes Verbindungsstück oder eine federnde Klemme 188 enthält mehrere leitende Finger, die sich durch die Öffnung 186 hindurch aufwärts erstrecken. Die Klemme 188 liegt so, dass sie das Rohr 46 des Neutronen-Generators aufnimmt, und von der Scheibe 187 geht eine Leitung 189 aus.
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Um den Neutronen-Generator 14 mit dem Sockel von Fig. 3 zu vereinigen, wird er einfach in den
Sockel eingesteckt, so dass zwischen den Fingern 182 und der Aussenfläche des Zylinders 36 eine mecha- nische, lösbare Verbindung entsteht. Auf diese Weise wird die elektrische Verbindung mit dem Zylinder 36 über die Hülse 180 hergestellt. Gleichzeitig wird das Rohr 46 von der Klemme 188 aufgenommen.
Bei dieser Sockelbauart können die hohen Spannungen, die für die Beschleunigungsstrecke des Neu- tronen-Generators 14 verwendet werden müssen, ohne die Gefahr eines Versagens sicher verwendet wer- den. Natürlich kann für den Sockel gemäss Fig. 3 ein geeigneter Stossschutz vorgesehen sein.
Die Deuterium aussendenden Windungen 77 und 78 nach Fig. 2A können in der in Fig. 6 und 7 gezeig- ten Weise gebaut sein. Auf einenDrahtkem oder Träger 230 aus Molybdän, rostfreiem Stahl oder mit Oxyd überzogenem Stahl werden zwei Drähte 231 und 232 parallel mit einem Zwischenraum zwischen sich so aufgewickelt, dass sie einen zusammengesetzten Draht 232 ergeben. Der Draht 231 kann aus Wolfram oder
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Der zusammengesetzte Draht 233 wird dann auf einen Dorn gewickelt, so dass sich die in Fig. 7 gei zeigte Spirale ergibt. Sodann wird der Draht 233 in einer Wasserstoffatmosphäre auf eine Temperatur von ungefähr 10000C erhitzt, um die kristallische Struktur der Kristalle wieder auszurichten und zu festigen.
Hierauf wird der Draht 233 von dem Dorn abgenommen und in die Umhüllung des Neutronen-Generators gebracht, in der er benutzt werden soll. Die Umhüllung wird evakuiert und der Faden 233 auf eine Tem- peratur oberhalb des Schmelzpunktes von Zirkoniumdraht 232 erhitzt, um ihn vollständig zu entgasen.
Zwar ist das Zirkonium in diesem Zustand bestrebt, zu fliessen, infolge der räumlichen Entfernung zwi- schen den Drähten 231 und 232 jedoch bleibt das Zirkonium im wesentlichen in seiner Anfangslage.
Schliesslich wird der Draht 233 abwechselnd in einer Atmosphäre von Deuterium erhitzt und abgekühlt, um ein Hydrieren zu bewirken.
Gegebenenfalls können die Windungen 77 und 78 von Fig. 2A, die aus dem Draht 233 gebildet sind, in Wärmeschirmen 79 und 80 angebracht werden, die innen mit einem Zirkoniumuberzug versehen sind.
In dieser Weise dient der Bestrahlungsschirm gleichzeitig als ein Getter, wenn die Windung als Quelle für
Wasserstoffgas arbeitet. Dementsprechend kann eine verbesserte Getter- und Erzeugungs-Charakteristik von Windung und Schild erhalten werden, wodurch eine bessere Steuerung der Änderungsgeschwindigkeit des Druckes in der Umhüllung erreicht wird.
Eine andere Form einer Deuteriumquelle ist in Fig. 8 gezeigt. Sie kann an der Scheibe 19 des Neu- tronengenerators gemäss Fig. 2A und 2B angebracht werden. Ein hohler zylindrischer Wärmeschirm 235, der aus einem stark reflektierenden Metall, z. B. Molybdän oder Nickel besteht, ist an der unteren Flä- che der Scheibe 19 befestigt. Der Schirm 235 endet in einer metallischen Kappe 236, die mit mehreren Öffnungen 237 versehen ist. In der Kappe 236 ist eine ringförmige Nute vorgesehen, die das Ende eines hohlen zylindrischen Behälters 239 aufnimmt, der aus einem feuerfesten Material, z. B. gepresstem und gesintertem Quarz, besteht. Der Behälter 239 liegt konzentrisch innerhalb des Wärmeschirms 235 und'en- det an der unteren Seite der Scheibe 19, an der er befestigt ist.
Der Behälter ist mit gepulvertem Zirkonium-Hydrid 240 gefüllt, das das Isotop Deuterium enthält, um die Aussenfläche ist ein Heizdraht 241 ge- wickelt. Das untere Ende des Drahtes 241 ist mit der Kappe 236 verbunden, während das obere Ende mit einer Leitung 242 in Verbindung ist, die sich durch einen keramischen Isolator 243 hindurch erstreckt, der in einer Bohrung der Platte 19 befestigt ist.
Der Behälter 239 kann auch aus gepresstem und gesintertem rostfreiem Stahl oder Nickel bestehen. In diesem Fall kann ein elektrisch isolierender Überzug, z. B. aus feuerfestem Aluminiumoxyd, auf die Ober- fläche des Drahtes 241 gebracht werden.
Bei der Arbeit wird zwischen Platte 19 und Leitung 242 eine Spannung angelegt, um den Draht 241 auf eine ausreichende Arbeitstemperatur zu erhitzen, bei der das Zirkonium-Hydrid-Pulver 240 auf eine Temperatur gebracht wird, bei der Deuterium ausgesandt wird. Der Draht 241 kann unter der Steuerung des Drucksteuerkreises 145, gemäss Fig. lA stehen, so dass eine selbsttätige Drucksteuerung innerhalb der die beschriebene Form der Deuteriumquelle aufnehmenden Umhüllung erhalten wird.
Der Behälter 239 kann ferner länglich ausgebildet und mit einem Absorptionsmittel 240 gefüllt sein, z. B. Uran-Deuterid, das eine hinreichend grosse Deuteriumkapazität hat, um einen Dissoziationsdruck in dem gewünschten Druckbereich zu erzeugen ; Die zwischen der Leitung 242 und der Platte 19 zugeführte Spannung kann vorher eingestellt oder nach dem Ansprechen eines Thermostaten gesteuert werden, der innerhalb eines Behälters 239 angebracht ist, so dass man eine im wesentlichen konstante Arbeitstemperatur erhält, bei der das Pulver 240 Deuteriumüberschuss in der Umhüllung absorbiert, während beim Fallen des Deuterium-Druckes innerhalb der Umhüllung unter eine gewünschte Grenze das Pulver 240 Deuterium aussendet.
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In Fig. 9 ist eine durch Elektronen-Entladung betriebene Deuteriumquelle gezeigt. Sie weist einen hohlen zylindrischen Wärmeschirm 250 auf, der an der unteren Fläche der Platte 19 befestigt ist und in einer metallischen Kappe 251 endet, die mit mehreren Löchern 252 versehen ist. Ein scheibenförmiger keramischer Isolator 253 liegt an dem oberen Ende des Wärmeschirms 250 ; er weist einen Teil mit geringerem Durchmesser auf, der durch ein Loch 254 in der Platte 19 hindurchragt. Der Isolator 253 ist mit einer mittleren Bohrung 255 versehen, durch welche eine metallische, gleichachsig mit dem Wärmeschild 250 angeordnete Anode 256 hindurchragt.
Die Aussenfläche der Anode 256 ist mit einer Schicht 257 von Zirkonium-Hydrid bedeckt, die das Isotop Deuterium enthält, am oberen Ende ist an der Anode ein Ansatz 258 befestigt, der dazu dient, eine elektrische Verbindung mit ihr herzustellen. In der Nähe des Endes der Anode 256 liegt ein durch zwei Leiter 260 und 261 gehaltener Heizfaden 259. Die Leiter 260 und 261 erstrecken sich durch keramische Isolatoren 262 und 263 hindurch, die in diametral einander gegenüberliegenden Bohrungen in dem Wärmeschirm 250 befestigt sind. Die Leitungen 260 und 261 laufen an der Aussenwand des Wärmeschirms entlang und gehen durch keramische Isolatoren 264 bzw. 265 in der Platte 19 hindurch.
Ein elektrischer Stromkreis zur Verbindung der Deuteriumquelle nach Fig. 9 mit dem Neutronen-Generator gemäss Fig. lA und IB ist in Fig. 10 gezeichnet. Der Faden 259 ist mit der Sekundärwindung eines abspannenden Transformators 266 verbunden, dessen primäre Windungen an Wechselstromleitungen 109 und 110 angeschlossen sind. Der nicht dargestellte Teil des Drucksteuerkreises 145 mit veränderlicher Impedanz ist mit der Leitung 109 und durch Leitung 148 und Ansatz 258 mit der Anode 256 der Deuteriumquelle verbunden. Der Anoden-Kathoden-Kreis für die Diode 256,259 wird durch eine Verbindung 267 vervollständigt, die von der Fadenleitung 260 ausgeht und zur Stromzuleitung 110 führt.
Im Betrieb wird die Windung 259 auf eine gegebene Arbeitstemperatur erhitzt, der Anoden-KathodenStrom der Vorrichtung 256,259 ist abhängig von der Impedanz zwischen den Leitungen 147 und 148 des Drucksteuerkreises 145. Da diese Impedanz auf die Drucksteuerspannung in der Leitung 144 anspricht, ist es klar, dass der Anoden-Kathoden-Strom der Vorrichtung 256,259 von der Drucksteuerspannung abhängig ist. Wenn der zu steuernde Gasdruck in der Umhüllung abnimmt, nimmt auch die Impedanz zwischen den Leitungen 147 und 148 ab, wodurch der Anoden-Kathoden-Strom der Deuteriumquelle ansteigt. Hieraus ergibt sich, dass die Anode 256 auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der die Schicht 257 Deuterium aussendet.
Umgekehrt bewirkt eine Druckzunahme ein Absinken des Anoden-Kathoden-Stromes der Vorrichtung 256,259, die Temperatur der Anode 256 nimmt ab, und der Betrag des von der Schicht 257 ausgesandten Deuteriums vermindert sich. Auf diese Weise wird eine selbsttätige Drucksteuerung erreicht.
In dem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 256,259 in Verbindung mit einer Quelle von wechselnder Anoden-Kathoden-Spannung dargestellt. Es kann aber auch eine gleichgerichtete Spannung für diesen Zweck benutzt werden. In diesem Fall enthält der Drucksteuerkreis 145 zwischen den Leitungen 147, 148 einen veränderlichen Widerstand, der auf die Drucksteuerspannung anspricht.
Natürlich kann zwischen die Kathode 259 und Anode 256 der Deuteriumquelle ein Steuergitter eingefügt werden, das nicht dargestellt ist. Bei einer solchen Ausführung wird zwischen Anode 256 und Kathode 259 eine feststehende Spannung angelegt, und, der Drucksteuerkreis 145 steuert zweckmässig die Spannung zwischen der Kathode und dem Gitter und stellt dadurch den Anoden-Kathoden-Strom in bekannter Weise ein.
Eine andere Ausführung der diodenartigen Deuteriumquelle ist in Fig. 11 gezeigt, die in der gleichen Weise arbeiten kann, wie die in Fig. 9 dargestellte Diode. Bei dieser Ausführung ist eine metallische zylindrische Umhüllung 268 vorhanden, die in einer gewissen Entfernung von der Platte 19 parallel zu dieser angeordnet und mit Endkappen 269 und 270 versehen ist, die aus einem elektrisch isolierenden, z. B. einem keramischen Stoff bestehen. In der Umhüllung liegt gleichachsig mit ihr ein schraubenförmig gewundener Heizfaden 271, der durch zwei Leiter 272 und 273 gehalten wird, die durch die Endkappen 269 und 270 und durch keramische Isolatoren 274 und 275 in der Platte 19 hindurchgehen. Durch einen keramischen Isolator 277 in der Platte 19 geht noch eine weitere Leitung 276 hindurch, die an der Aussenfläche der metallischen Umhüllung 268 angelötet oder angeschweisst ist.
Auf die Innenfläche der Umhüllung 268 ist eine Schicht 278 von Zirkonium-Hydrid aufgetragen, die die Isotope Deuterium enthält, und es sind in den Endkappen 269 bzw. 270 eine Anzahl von Löchern 279 und 280 vorgesehen.
DieDeuteriumquelle nachFlg. ll arbeitet etwa in der gleichen Weise wie die in Fig. 9 gezeigte Quelle, und sie kann in Verbindung mit dem in Fig. 10 gezeigten Kreis verwendet werden.
Gegebenenfalls kann man auch eine elektrclytische Zelle ähnlich der in Fig. 2B gezeigten als Deuteriumquelle verwenden. Zu diesem Zweck kann die Zelle, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, innerhalb der Abteilungen 21 des in Fig. 2A gezeigten Hallenteils angeordnet und mit einem das Isotop Deuterium enthaltenden Elektrolyten versehen sein.
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Durch Steuerung des den Elektroden zugeführten Potentials können der durch die Zelle hindurchgehende Strom und die sich ergebende Elektrolyse dadurch geregelt werden, dass der Betrag des erzeugten und durch einen in geeigneter Weise gebauten Teil der Metallwand der Deuteriumquelle diffundierenden Deuteriums eingestellt wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Erzeugung von Neutronen durch Aufprall beschleunigter schwerer Wasserstoffionen (D2) auf einen Prallkörper, der mit schweren Wasserstoffionen (DZ oder T3) beladen ist und durch den
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gen, dadurch gekennzeichnet, dass der Prallkörper (41) einen Teil einer Kugelschale bildet und in einem gewissen Abstand mit seiner vorgewölbten Seite einer Öffnung eines die Wasserstoffionen liefernden Rau- mes (24) gegenübersteht, sowie mit einem gewissen Abstand von einer kugelig gewölbten Elektrode (31) konzentrisch umgeben ist, die eine mit der Öffnung des Raumes sich deckende Öffnung hat, wobei der Abstand zwischen Elektrode und Prallkörper die Beschleunigungsstrecke für die aus dem Raum (24) austretenden Ionen ist,
während der Prallkörper gleichzeitig eine Elektrode einer an seiner Hohlseite angeordneten, schwere Wasserstoffionen abgebenden elektrolytischen Zelle (43) darstellt.