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Einrichtung zur Anzeige von Strahlungsenergie in einem Bohrloch
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Gewinnung von Aufzeichnungen über die Radioaktivität von durch ein Bohrloch durchteuften Erdformationen und bezieht sich im besonderen auf eine Apparatur dieser allgemeinen Art, bei der von der Stärke der einfallenden Strahlungsenergie abhängige Anzeigewerte gewonnen werden.
Zu allgemeinen Informationszwecken sind bereits Messungen der Intensität von Strahlungsenergie, wie Gammastrahlen, die in Erdformationen entweder natürlich oder unter willkürlich herbeigeführten Bedingungen auftreten, durchgeführt worden. Weiterhin ist bereits vorgeschlagen worden, dass man nützliche Erkenntnisse dadurch gewinnen kann, dass man die Strahlungsenergie in einem oder mehreren ausge-
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pelt ist, der seinerseits elektrisch mit einem oder mehreren auf die Impulsstärke ansprechenden Auswahlkreisen gekoppelt ist.
Bei den vielen zur Zeit auf dem Markt befindlichen Energiewählerdetektoren dieser Art wird im allgemeinen eine gute Justierbarkeit angestrebt. Unter den besonders erschwerenden Bedingungen im Bohrloch können jedoch zahlreiche Unstabilitäten auftreten. Zum Beispiel kann sich die Verstärkung in dem Photomultiplier oder in dazugehörigen Kreisen mit der Umgebungstemperatur entweder unmittelbar oder als Ergebnis von Änderungen der Betriebsspannungen ändern, die als Folge von Temperaturänderungen eintreten. Da die Energiebereichwahl von der Impulsstärke gesteuert ist, ist es klar, dass eine Änderung in der Verstärkung, ob sie nun von einer Temperaturänderung herrührt oder eine andere Ursache hat, das Messergebnis des Systems unmittelbar beeinträchtigt, so dass genaue Messungen nicht immer möglich sind.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist unter anderem, ein neues und verbessertes Bohrlochgerät zur Gewinnung vonRadioaktivitätsaufzeichnungen über ausgewählte Energiebereiche zu schaffen, bei dem die vorerwähnten Mängel der früheren Anordnungen fortfallen, so dass sich genaue Anzeigen über die in bestimmten Bereichen einfallende Strahlungsenergie ergeben.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Anzeige von Strahlungsenergie in einem Bohrloch, insbesondere zur Anzeige von Gammastrahlen, die von den Erdformationen ausgehen oder in diesen, z. B. durch Neutronenbestrahlung, induziert werden, versehen mit einem durch das Bohrloch hindurchführbaren Träger und einer von diesem getragenen Strahlungsanzeigevorrichtung, die ein elektrisches Signalliefert, das von der Energie der einfallenden Strahlung abhängig ist, wobei zur Überwachung von Instabilitäten der Anzeigevorrichtung eine Kontrollstrahlungsquelle bekannter Energie vorgesehen ist und ist im wesentlichen gekennzeichnet, durch eine derartige Anordnung der Kontrollstrahlungsquelle, dass deren Strahlung auf die Strahlungsanzeigevorrichtung für die aus der Formation kommende Strahlung fällt,
um in dem elektrischen Signal eine Bezugskomponente zu erzeugen, sowie durch Anordnung eines Kontrollkreises, der nur auf die Bezugskomponente anspricht und ein Signal liefert, das Instabilitäten der Einrichtung kompensiert.
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Erläuterung der Zeichnung hervor, auf der Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Bohrlochgerät gemäss der Erfindung darstellt, wobei die verschiedenen elektrischen Teile der Apparatur schematisch in Blockform dargestellt sind, Fig. 2 und 3 zeigen detaillierte Blockdiagramme der Teile des Schaltsystems gemäss Fig. 1, Fig. 4 ist ein Energiedia-
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gramm entsprechend der Arbeitsweise der Apparatur gemäss Fig. 1-3. Fig. 5 zeigt eine Abänderung, die an der Apparatur gemäss Fig. 1 vorgenommen werden kann und zu einer andem Ausführungsform der Er- findung führt, Fig. 6 ist ein Energiediagramm entsprechend der Arbeitsweise der abgeänderten Ausfüh- rungsform gemäss Fig. 5.
Wie aus Fig. 1 der Zeichnung hervorgeht, ist die Apparatur gemäss der Erfindung in ein Gehäuse 10 eingeschlossen, das an einem Kabel 11 aufgehängt ist und sich in einem Bohrloch 12 befindet, von dem
Erdschichten 13 durchteuft werden. Das Kabel 11 kann mit der üblichen Armierung ausgestattet sein und besitzt eine Anzahl isolierter elektrischer Leitungen, um die elektrischen Verbindungen zwischen der Aus- rüstung an der Erdoberfläche und den Teilen innerhalb des Gehäuses 10 herzustellen. Das Kabel 11 kann in
Verbindung mit einer üblichen nicht dargestellten Winde benutzt werden, um das Gehäuse 10 in dem
Bohrloch 12 in bekannter Weise heraufzuziehen und hinabzusenken.
An dem unteren Ende des Gehäuses 10 befindet sich eine Neutronenquelle 14. Der Neutronenerzeu- ger 14 kann von einer Art sein, bei der positive Ionen zu einem Prallkörper aus geeignetem Material hin beschleunigt werden. Ein Stromversorgungs-und Steuerkreis 15, der mit dem Neutronenerzeuger 14 ver- bunden ist, wird über isolierte Leiter 17 und 18 des Kabels 11 durch eine Stromquelle 16 an der Erdober- fläche mit Energie versorgt. Selbstverständlich können auch andere Typen von Neutronenerzeugem, die für Bohrlochzwecke geeignet sind, Verwendung finden. Ebenso wie auch die sogenannten natürlichen
Quellen. Zum Beispiel können die Neutronen von einem Gemisch aus Radium und Beryllium ausgesandt werden.
Der Erzeuger 14 der vorerwähnten Art erzeugt Neutronen in einer Energiestärke von 14 Millionen
Elektronenvolt (MEV), die die Erdformationen 13 bestrahlen. Ein solches Bomdardement durch Neutro- nen kann zufolge an sich bekannter Erscheinungen, eine Gammastrahlung auslösen. Die sich ergebende
Gammastrahlung kann in ihren Energien, die beispielsweise von der Natur des Materials, aus dem die zu untersuchenden Erdschichten bestehen, beeinflusst werden, verschiedenartig sein.
Ein Teil der induzierten Strahlungsenergie kehrt zum Gehäuse 10 zurück und kann durch ein auf
Strahlungsenergie ansprechendes Mittel aufgefangen werden, das beispielsweise aus einem Strahlungs- wandler bestehen kann, der aus einem bei Bestrahlung aufleuchtenden Kristall 19, welcher optisch mit einem Photomultiplier 20 gekoppelt ist, besteht. Von einer mit den Leitern 17 und 18 verbundenen Ener- giequelle 21 werden die notwendigen Spannungen für den Photomultiplier 20 geliefert.
Die auf dem Kristall 19 auftreffende Gammastrahlung erzeugt Lichtimpulse von einer Stärke, die die
Energie der Gammastrahlung wiedergibt. Diese Impulse werden durch den Photomultiplier 20 in entspre- chende elektrische Impulse umgewandelt.
Die elektrischen Impulse werden einem üblichen regelbaren Verstärker 22 zugeleitet, der von einer ihm über Leiter 23 zugeleiteten Spannung gesteuert wird. Die Art und Weise, wie dieses Steuerpotential erhalten wird, wird später noch beschrieben werden. Der Ausgangskreis des Verstärkers 22 ist über Lei- ter 24 mit einem Energiebereichwähler 25 gekoppelt, der durch Leiter 26 und 27 im Kabel 11 an eine
Integrier- und Registriereinheit 28 an der Erdoberfläche angeschlossen ist.
Der Energiebereichwähler 25 kann eine Ausbildung gemäss Fig. 2 besitzen, nach der er mit einem
Paar üblicher auf die Impulshöhe bzw. -stärke ansprechender Einrichtungen 29 und 30 ausgestattet ist, de- nen die Leiter 24 das Signal zuführen. Jede dieser Einrichtungen 29 und 30 ist in bekannter Weise so ein- gestellt, dass sie alle Impulse, die eine Amplitude oberhalb einer bestimmten Höhe besitzen, die durch eine angelieferte Gegenspannung bestimmt wird, passieren lassen. Die Gegenspannung wirdvon einem ge- meinsamen Leiter 31 und Leitern 32 und 33 abgeleitet, die zu einzelnen Anzapfungen eines Spannung- teilers 34 (Fig. 1) führen. Der Spannungsteiler 34 ist mit einer eigenen Spannungsquelle 35 verbunden, die ihrerseits über die Leiter 17 und 18 durch die Quelle 16 mit Energie versorgt wird.
Der Ausgang jeder der auf die Impulshöhe ansprechenden Einrichtungen 29 und 30 ist an einen Anti- koinzidenzkreis 36 üblicher Bauart angeschlossen. Der Kreis 36 arbeitet in bekannter Weise so, dass nur dann für einen aus der Einrichtung 29 kommenden Impuls ein Ausgangsimpuls weitergegeben wird, wenn nicht zugleich einimpuls aus derEinrichtung30 eintrifft. Demgemäss gibt derAusgang desAntikoinzidenz- kreises 36 Impulse wieder, die in einem vorbestimmten Amplitudenbereich liegen, die also anzeigen, dass die auf dem Detektor 19, 20 einfallende Strahlungsenergie ebenfalls innerhalb eines bestimmten Be- reiches liegt.
Das sich in den Leitern 26, 27 ergebende Impulssignal wird dem integrierenden Teil einer Einheit 28 zugeleitet, um daraus eine Spannung abzuleiten, die das Ausmass des Auftretens der Impulse wiedergibt.
Das Aufzeichnungsmittel in der Einheit 28 wird in Übereinstimmung mit der Bewegung des Gehäuses 10 durch das Bohrloch 12 verschoben, so dass eine fortlaufende Aufzeichnung der Gammastrahlung in dem er-
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wünschten Bereich der Energiestärken erhalten wird.
Beim Hinabsenken des Gehäuses 10 in ein Bohrloch können verschiedene Instabilitäten auftreten. Zum Beispiel kann sich der Verstärkungsgrad des Photomultipliers 20 unmittelbar mit der Zeit und/oder der Temperatur ändern. Darüber hinaus kann sich die durch die Energiequelle 21 gelieferte Spannung ändern,
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auf die Amplitude der angelieferten Impulse anspricht, ist es klar, dass jede Änderung der Verstärkung in dem Detektorsystem den Bereich der zur Untersuchung ausgewählten Energiehöhen unerwünscht ändert.
Bei der aus der'USA-Patentschrift Nr. 2, 659, 011 (Youmans) bekanntgewordenen Anordnung ist, unterschiedlich zur Erfindung, ausser einem Strahlungswandler, der auf die betrachtete Strahlungsenergie anspricht, ein Kontroll-Strahlungswandler vorgesehen, der an einen eigenen Kanal gekoppelt ist und von einer Kontrollquelle bestrahlt wird. Erfindungsgemäss ist dagegen das gleiche, auf Strahlungsenergie ansprechende Organ sowohl der in dem Bohrloch vorhandenen Strahlungsenergie, als auch direkt der Strahlungsenergie der Vergleichsquelle ausgesetzt.
Da gemäss dieser Patentschrift die Kontrollquelle an ihren eigenen Anzeigekanal gekoppelt ist, müssen alle zur Anzeige, Verstärkung, Unterscheidung und Integrierung der Impulse erforderlichen Teile doppelt vorgesehen sein, was höhere Kosten und einen höheren Raumbedarf bedingt.
Noch wichtiger für die vorgehaltene Lösung sind die funktionellen Nachteile der Einrichtung. Wie an Hand der Fig. 4 beschrieben, hat diese Ausführungsform den Zweck, die Wirkungen von Temperatur- und Spannungsschwankungen auf den Strahlungswandler zu kompensieren. Zu diesem Zweck wird der Ausgang
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aussen wirkenden Faktoren, insbesondere die Temperatur, beide Systeme genau in demselben Masse beeinflussen. Die Erfahrung zeigt, dass jedoch keine dieser Bedingungen wirklich erfüllt wird, besonders wenn es sich um Kristalle, Vervielfacherphotozellen und Verstärker handelt. Das heisst aber, dass der Ausgang des einen Kanals nicht zu einer zuverlässigen Steuerung des Ausganges des andern verwendet werden kann.
Um diesen Fehler auszuschalten, ist in dem Gehäuse 10 zusätzlich zu der Hauptquelle 14 eine zweite Strahlungsquelle 37 vorgesehen, die dicht an dem Kristall 19 angeordnet ist. Die Quelle 37 kann beispielsweise ein Gammastrahlensender sein, der vorzugsweise eine Gammastrahlung mit einer niedrigeren Energiehöhe erzeugt als die gewählte Energiehöhe, von der in der Einheit 28 Aufzeichnungen gemacht werden. Ein typischer Gammastrahlensender der benützt werden kann, ist Zink 65 mit einer Halbwertzeit von 250 Tagen. Er sendet Gammastrahlen mit 1, 11 MEV aus, die den Kristall 19 bestrahlen. Viele der sich hieraus ergebenden Lichtblitze haben eine Amplitude, die der Energie der einfallenden Strahlungsenergie entspricht und werden durch den Photomultiplier 20 in ein elektrisches Signal umgewandelt und schliesslich dem Verstärker 22 zugeleitet.
Die Impulse, die die Strahlung von der Quelle 37 wiedergeben, werden dem Energiebereichwähler 25 entnommen und in einem Kontrollkreis 38 nutzbar gemacht, der mit demAusgangskreis des Verstärkers 22 durch Leiter 24 verbunden ist.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, umfasst der Kontrollkreis 38 drei auf die Impulshöhe ansprechende Einrichtungen 39,40, 41, die an die Leiter 24 angeschlossen sind. Die Vergleichsspannung für jede dieser Einrichtungen wird über Leiter 42,43 und 44 geliefert, die zu den einzelnenAnzapfungen des Spannungs-
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reguliert werden, wird noch beschrieben wer-den. Die Einrichtungen 39 und 40 sind mit einem Antikoinzidenzkreis 45 verbunden, während die Einrichtungen 40 und 41 mit einem andern Antikoinzidenzkreis 46 in Verbindung stehen. Diese arbeiten im wesentlichen in der gleichen Weise, wie es in Verbindung mit dem Antikoinzidenzkreis 36 der Fig. 2 beschrieben ist.
Die Ausgangsimpulse von den Antikoinzidenzkreisen45 und 46 werden entsprechenden Integriereinrichtungen 47 und 48 angeliefert, die an einen üblichen Subtraktionskreis 49 angeschlossen sind, aus dem die arithmetische Differenz der Spannungen aus den Integriereinrichtungen zu den Leitern 23 gelangt.
Um eine Aufzeichnung eines andern Charakteristikums der Erdformationen 13 zu erhalten, ist der Ausgang der Einrichtung 41 mittels der Leiter 50 und 51 an eine Integrier-und Aufzeichnungseinheit 52 (Fig. 1) an der Erdoberfläche angeschlossen. Das Aufzeichnungsmittel in der Einheit 52 ist so angeordnet, dass es sich in Übereinstimmung mit der Verschiebung des Gehäuses 10 durch das Bohrloch 12 verschiebt.
Für die Einstellung der in den Fig. 1-3 dargestellten Apparatur zum Zwecke der Durchführung von Untersuchungen wird ein Schalter für die Stromquelle 16 geschlossen, während sich das Gehäuse 10 noch an der Erdoberfläche befindet. Man lässt dann zunächst eine Anwärmzeit verstreichen. Die Klemmen des
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Spannungsteilers 34, an die die Leitungen 42, 43 und 44 angeschlossen sind, werden dann so eingestellt, dass jede der auf die Impulshöhe ansprechenden Einrichtungen 39,40 und 41 alle die Impulse passieren lässt, die Energien über den Energiewerten E, E , E wiedergeben, welche sich auf der Energieskala der Fig. 4 dargestellt finden.
In diesem Beispiel befindet sich die EnergieE auf einer Höhe von 1, 11 m. e. v. der Höhe der Bezugsenergie, die von der Quelle 37 geliefert wird. Auf diese Weise geben die Ausgangsimpulse der Antikoinzidenzkreise 45 und 46 zwei aneinandergrenzende Bereiche von Energiehöhen wieder, die in Fig. 4 mit W, und W2 bezeichnet sind. Es sei erwähnt, dass die auf die Impulshöhe ansprechenden Einrichtungen 29 und 30 (Fig. 2) auf Energiehöhen E4 und Es eingestellt werden können. um einen Bereich von Energiehöhen Wc zu begrenzen, der höher liegt als beide der Bereiche W, und W,.
Es ist so einleuchtend, dass die Integrïereinrichtungen 47 und 48 zwei Spannungen ergeben, von de-
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Vdarstellt. Wenn diese Spannungen gleich sind, d. h., sich die Bereiche Wl und Wz im Energiewert E treffen, erzeugt der Differenzkreis 49 keine Regelspannung an den Leitungen 23, und der Verstärkungsgrad des Verstärkers 22 bleibt unverändert. Wenn hingegen in dem System irgendwo eine der vorerwähnten In-
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genommenen Spannungen grösser als die andere, und der Differenzkreis 49 legt eine Spannung an die Leiter 23 an, die in ihrer Grösse und Polarität den Betrag und die Richtung der Verschiebung wiedergibt.
Diese Spannung erzeugt eine kompensierende Änderung in der Verstärkung des Verstärkers 22 und die Relationen der Energiebereiche W und W werden in bezug auf die Bezugsenergie E wieder hergestellt.
Da grössere Instabilitäten in dem Detektorsystem durch Änderungen in der Verstärkung bedingt sind, führt diese Kompensationsart deren Auswirkungen, ebenso wie diejenigen von andem Instabilitäten, auf ein Minimum zurück. Daher kann die Messanordnung durch das Bohrloch 12 hindurchgeführt und genaue Messungen der Gammastrahlung innerhalb des Energiebereiches Wu, ausgesandt durch die Erdformation 13 unter dem Neutronenbombardement aus der Quelle 14, gemacht und in der Einheit 28 registriert werden. ohne dass Verfälschungen der Messungen zu befürchten sind.
Das Ausmass des Auftretens aller Impulse oberhalb der Energie wird gleichzeitig in der Einheit 52 registriert werden. Dieses schafft eine Anzeige der gesamten von den Erdformationen aufgenommenen Strahlungsenergie. Wenn erwünscht kann diese Anzeige dazu benutzt werden, um die Anzeige in der Einheit 28 zu ergänzen und damit weitere Energiemessungen zu ermöglichen.
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Yttrium 91 mit 1, 5 MEV, Strontium 89 mit 1, 5 MEV oder auch noch viele andere geeignete Stoffe, Ausserdem können auch Alphastrahler nützlich angewendet werden, wie z. B. Aktinium 227 mit einer Strahlung von 4, 93 MEV. Natürlich können auch andere Gammastrahler verwendet werden, wie Silber 110 von 1, 48, 0, 9 und 0, 6 MEV.
Im allgemeinen sollte eine Quelle von langem Halbwertzeit benutzt werden, damit ein häufiger Austausch vermieden wird. Die Wirkungsweise des Systems gemäss den Fig. 1-3 ist jedoch im wesentlichen unabhängig von der Stärke der Quelle mit Ausnahme von statistisch festgestellten Schwankungen, die starker ins Gewicht fallen, wenn die Stärke der Quelle abnimmt. Die Stärke der Bezugsstrahlenquelle kann also sehr klein sein. Zum Beispiel erzeugen 0, 01-0, 1 Mikrocurie einen genügenden Betrag an Strahlungsenergie für ein gutes Arbeiten des Untersuchungskreises.
Gemäss einer andern Ausführungsform der Erfindung kann der Ausgang des Neutronen-Erzeugers 14 so angeordnet werden, dass er zur gleichen Zeit, wie er Neutronen zur Bestrahlung der zu untersuchenden Erdschichten aussendet, auch eine Bezugsenergie schafft. Zum Beispiel können gewisse Neutronen, verzögert durch die thermische Energie der üblicherweise im Bohrloch 12 enthaltenen Bohrlochspülung eine Aktivität im Kristall 19 induzieren. Wenn ein Natrium-Jodit-Kristall benutzt wird, kann die durch die thermischen Einwirkungen auf Jod induzierte Gammastrahlung mit 0, 428 MEV. die Bezugsenergie E bil- den. Alternativ kann eine geringe Menge einer Borverbindung dem Kristall 19 zugeführt und die Bezngsenergie mit etwa 0, 4 MEV durch Neutroneneinfang in dem Bor abgeleitet sein.
Selbstverständlich kann für die Eichung an der Erdoberfläche ein Neutronenmoderator, wie Paraffin, verwendet werden.
Da auf Temperaturen zurückgehende Änderungen sich gewöhnlich relativ langsam bemerkbar machen, erfordert der Untersuchungskreis lediglich langsame Verschiebungen, um korrekt zu arbeiten. Die Erfordernisse brauchen nicht so streng gehalten zu werden, wie bei einer Anordnung, wo schnelle Wechsei stattfinden.
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Obgleich ein System beschrieben worden ist, bei dem der Ausgang des Verstärkers 22 unter dem Ein- fluss einer Kontrolleinheit 38 steht, können natürlich auch andere Kontrollarten Anwendung finden. Zum
Beispiel kann die Energiezufuhr 21 in bekannter Weise so angeordnet werden, dass ihre Ausgangsspannung einer Steuerspannung entspricht. Demgemäss kann die Einheit 38 durch Leiter 23 mit der Energiezufuhr anstatt mit dem Verstärker 22 verbunden sein. Die Wirkungsweise dieser alternativen Ausführungsform der
Erfindung ist im wesentlichen die gleiche, wie sie bereits in Verbindung mit der dargestellten Anordnung beschrieben worden ist.
Wenn erwünscht, kann die Erfindung auch in einem Detektorsystem verwirklicht werden, bei dem ein fortlaufendes Spektrum von Energiewerten aufgezeichnet wird. Zum Beispiel können die Klemmen, die die über Leiter 32 und 33 zu den auf die Impulshöhe ansprechenden Einrichtungen 29 und 30 geführte
Spannung steuern, zyklisch verschoben werden. Bei dieser in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform ist die
Quelle 37 von dem Kristall 19 durch einen Schirm 60 getrennt, der beispielsweise aus Blei bestehen kann.
Der Schirm nimmt normal die dargestellte Lage ein und ist durch ein Getriebesystem 61 mechanisch mit einem Motor 62 verbunden. Der Motor kann je nach Wahl über Leiter 63 unter Strom gesetzt werden, wo- durch er den Schirm aus seiner normalen Lage zurückzieht.
Unter den Arbeitsbedingungen gemäss Fig. 5 kann ein Energiespektrum gewonnen werden, wie es in
Fig. 6 durch die Kurve 64 veranschaulicht ist. Wenn der Motor 62 unter Strom gesetzt ist, um den
Schirm 60 in seine zurückgezogene Lage zu bringen, trifft die Strahlung aus der Quelle 37 auf den Kri- stall 19, wodurch eine Spitze 65 in dem Energiespektrum entsteht, die als Bezugsmarke dienen kann.
Nachdem dieses Energiespektrum 64 mit der Spitze 65 aufgezeichnet ist, wird der Schirm 60 in die in
Fig. 5 dargestellte Lage zurückgeführt, woraufhin die Spitze 65 aus dem Bild verschwindet.
Alternativ kann die Quelle 37 selbst beweglich sein. In diesem Fall ist ein Schirm nicht erforderlich.
Der Motor bewegt die Quelle von einer entfernten Lage, in der ihre Strahlungsenergie den Kristall 19 nicht erreichen kann, in eine dem Kristall eng benachbarte Lage, wodurch dann die Bezugsspitze erhal- ten wird.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit einem Messsystem auf der Basis der Radioaktivität beschrie- ben worden ist, bei dem Erdformationen durch Neutronen bestrahlt werden und die sich daraus ergebende
Gammastrahlung gemessen wird. kann sie auch anderweitig Anwendung finden. Zum Beispiel kann sie bei einer Anordnung zur Messung der natürlich vorkommenden Gammastrahlung benutzt werden.
Die Erfindung ist auch in einem Messsystem brauchbar, bei dem die Formation durch Neutronen be- strahlt und Neutronen ausgewählter Energien gemessen werden. Die Art der Bezugsquelle, die benutzt wird, hängt von der Natur des Neutronendetektors ab. Wenn z. B. der Detektor nur auf Neutronen an- spricht, sollte eine Bezugsquelle von monoenergetischen Neutronen verwendet werden. Für den Fall, dass der Detektor auch auf andere Arten von Strahlungsenergie, wie Neutronen anspricht, wäre die Bezugsquel- le entsprechend auszuwählen. Unter dem Ausdruck"Strahlungsenergie", wie er im Vorausgegangenen be- nutzt worden ist, soll Wellen-und Teilchenenergie verstanden werden. Demgemäss fallen Gammastrah- len, Neutronen und geladene Teilchen in den Rahmen d,'s Ausdrucks "Strahlungsenergie".
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Anzeige von Strahlungsenergie in einem Bohrloch, insbesondere zur Anzeige von
Gammastrahlen, die von den Erdformationen ausgehen oder in diesen, z. B. durch Neutronenbestrahlung, induziert werden, versehen mit einem durch das Bohrloch hindurchführbare ! 1 Träger und einer von diesem getragenen Strahlungsanzeigevorichtung. die-ein elektrisches Signal liefert, das von der Energie der ein- fallenden Strahlung abhängig ist, wobei zur Überwachung von Instabilitäten der Anzeigevorrichtung eine KontrollstrahIungsque ! 1e bekannter Energie vorgesehen ist, gekennzeichnet durch eine derartige Anord- nung der Kontrollstrahlungsque11e (37),
dass deren Strahlung auf die Strahlungsanzeigevorrichtung (19,20) für die aus der Formation kommende Strahlung fällt, um in dem elektrischen Signal eine Bezugskompo- nente zu erzeugen, sowie durch Anordnung eines Kontrollkreises (38), der nur auf die Bezugskomponente anspricht und ein Signal liefert, das Instabilitäten der Einrichtung kompensiert.
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Device for displaying radiant energy in a borehole
The present invention relates to a device for obtaining records of the radioactivity of earth formations drilled by a borehole and relates in particular to apparatus of this general type in which readings are obtained as a function of the strength of the incident radiant energy.
For general information purposes, measurements of the intensity of radiant energy, such as gamma rays, which occur either naturally or under arbitrarily induced conditions in earth formations, have been made. It has also been suggested that useful knowledge can be obtained by dividing the radiant energy into one or more selected
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is pelt, which in turn is electrically coupled to one or more selection circles responsive to the pulse strength.
In the many energy meter detectors of this type currently on the market, good adjustability is generally sought. However, numerous instabilities can occur under the particularly aggravating conditions in the borehole. For example, the gain in the photomultiplier or in associated circuits can change with ambient temperature, either immediately or as a result of changes in operating voltages that occur as a result of temperature changes. Since the energy range selection is controlled by the pulse strength, it is clear that a change in the gain, whether it is due to a temperature change or something else, directly affects the measurement result of the system, so that accurate measurements are not always possible.
It is an object of the present invention, inter alia, to provide a new and improved downhole device for obtaining radioactivity records over selected energy ranges which overcomes the aforementioned shortcomings of the prior arrangements to provide accurate indications of the radiant energy incident in specific areas.
The invention relates to a device for displaying radiant energy in a borehole, in particular for displaying gamma rays emanating from the earth formations or in them, e.g. B. by neutron irradiation, provided with a passable through the borehole carrier and a radiation display device carried by this, which supplies an electrical signal which is dependent on the energy of the incident radiation, a control radiation source of known energy is provided for monitoring instabilities of the display device is and is essentially characterized by such an arrangement of the control radiation source that its radiation falls on the radiation display device for the radiation coming from the formation,
in order to generate a reference component in the electrical signal, and by arranging a control circuit which responds only to the reference component and which supplies a signal which compensates for instabilities in the device.
Further details of the invention emerge from the following explanation of the drawing, on which FIG. 1 shows a longitudinal section through a downhole device according to the invention, the various electrical parts of the apparatus being shown schematically in block form, FIGS. 2 and 3 show detailed block diagrams of FIG Parts of the switching system according to Fig. 1, Fig. 4 is an energy diagram
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gram according to the operation of the apparatus according to Fig. 1-3. FIG. 5 shows a modification that can be made to the apparatus according to FIG. 1 and leads to a different embodiment of the invention; FIG. 6 is an energy diagram corresponding to the mode of operation of the modified embodiment according to FIG.
As can be seen from Fig. 1 of the drawing, the apparatus according to the invention is enclosed in a housing 10 which is suspended from a cable 11 and is located in a borehole 12 from which
Earth layers 13 are penetrated. The cable 11 can be provided with the usual armouring and has a number of insulated electrical lines in order to establish the electrical connections between the equipment on the earth's surface and the parts within the housing 10. The cable 11 can be in
Connection with a conventional winch, not shown, are used to the housing 10 in the
Borehole 12 to pull up and down in a known manner.
At the lower end of the housing 10 there is a neutron source 14. The neutron generator 14 can be of a type in which positive ions are accelerated towards an impact body made of a suitable material. A power supply and control circuit 15, which is connected to the neutron generator 14, is supplied with energy via insulated conductors 17 and 18 of the cable 11 by a power source 16 on the earth's surface. Of course, other types of neutron generators which are suitable for borehole purposes can also be used. As well as the so-called natural ones
Sources. For example, the neutrons can be emitted from a mixture of radium and beryllium.
The generator 14 of the aforementioned type generates neutrons with an energy strength of 14 million
Electron volts (MEV) that irradiate the earth formations 13. According to known phenomena, such a bombardement by neutrons can trigger gamma radiation. The resulting
Gamma radiation can vary in its energies, which are influenced, for example, by the nature of the material from which the earth layers to be examined are made.
Part of the induced radiant energy returns to the housing 10 and can through a
Radiant energy-responsive means are collected, which can for example consist of a radiation converter which consists of a crystal 19 which lights up when irradiated and which is optically coupled to a photomultiplier 20. The voltages required for the photomultiplier 20 are supplied by an energy source 21 connected to the conductors 17 and 18.
The incident on the crystal 19 gamma radiation generates light pulses of a strength that the
Represents the energy of gamma radiation. These impulses are converted into corresponding electrical impulses by the photomultiplier 20.
The electrical pulses are fed to a customary controllable amplifier 22 which is controlled by a voltage fed to it via conductor 23. The manner in which this control potential is obtained will be described later. The output circuit of amplifier 22 is coupled via conductor 24 to an energy range selector 25, which is connected to an energy range selector 25 through conductors 26 and 27 in cable 11
Integrating and registering unit 28 is connected to the earth's surface.
The energy range selector 25 can have a design according to FIG. 2, after which it is with a
A pair of conventional devices 29 and 30, which respond to the pulse height or strength, are provided to which the conductors 24 supply the signal. Each of these devices 29 and 30 is set in a known manner in such a way that they allow all pulses to pass which have an amplitude above a certain level, which is determined by a counter-voltage supplied. The counter voltage is derived from a common conductor 31 and conductors 32 and 33, which lead to individual taps of a voltage divider 34 (FIG. 1). The voltage divider 34 is connected to its own voltage source 35, which in turn is supplied with energy by the source 16 via the conductors 17 and 18.
The output of each of the pulse height-responsive devices 29 and 30 is connected to an anti-coincidence circuit 36 of conventional design. The circuit 36 works in a known manner such that an output pulse is only passed on for a pulse coming from the device 29 if a pulse from the device 30 does not arrive at the same time. Accordingly, the output of the anti-coincidence circle 36 reproduces pulses which lie in a predetermined amplitude range, which therefore indicate that the radiation energy incident on the detector 19, 20 is also within a certain range.
The pulse signal resulting in the conductors 26, 27 is fed to the integrating part of a unit 28 in order to derive a voltage therefrom which reflects the extent to which the pulses have occurred.
The recording medium in the unit 28 is displaced through the borehole 12 in accordance with the movement of the housing 10, so that a continuous recording of the gamma radiation in the
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desired range of energy levels is obtained.
Various instabilities can occur when the housing 10 is lowered into a borehole. For example, the gain of the photomultiplier 20 can change immediately with time and / or temperature. In addition, the voltage supplied by the energy source 21 can change,
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is responsive to the amplitude of the pulses supplied, it will be understood that any change in gain in the detector system undesirably changes the range of energy levels selected for investigation.
In the arrangement known from US patent specification No. 2, 659, 011 (Youmans), different from the invention, apart from a radiation converter that responds to the radiation energy under consideration, a control radiation converter is provided which is coupled to its own channel and is irradiated by a control source. According to the invention, on the other hand, the same organ responsive to radiation energy is exposed both to the radiation energy present in the borehole and directly to the radiation energy of the reference source.
Since, according to this patent specification, the control source is coupled to its own display channel, all parts required for display, amplification, differentiation and integration of the pulses must be provided twice, which results in higher costs and greater space requirements.
Even more important for the proposed solution are the functional disadvantages of the facility. As described with reference to FIG. 4, the purpose of this embodiment is to compensate for the effects of temperature and voltage fluctuations on the radiation converter. To this end, the exit
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External factors, especially the temperature, influence both systems to the same extent. Experience shows, however, that none of these conditions are really met, especially when it comes to crystals, multiplier photocells and amplifiers. However, this means that the output of one channel cannot be used to reliably control the output of the other.
In order to eliminate this error, a second radiation source 37, which is arranged close to the crystal 19, is provided in the housing 10 in addition to the main source 14. The source 37 can be, for example, a gamma ray transmitter which preferably generates gamma radiation with a lower energy level than the selected energy level from which records are made in the unit 28. A typical gamma-ray transmitter that can be used is zinc 65 with a half-life of 250 days. It emits gamma rays with 1.11 MEV which irradiate the crystal 19. Many of the light flashes resulting therefrom have an amplitude that corresponds to the energy of the incident radiation energy and are converted into an electrical signal by the photomultiplier 20 and finally fed to the amplifier 22.
The pulses which reproduce the radiation from the source 37 are taken from the energy range selector 25 and made usable in a control circuit 38 which is connected to the output circuit of the amplifier 22 by conductor 24.
As can be seen from FIG. 3, the control circuit 38 comprises three devices 39, 40, 41 which are responsive to the pulse height and which are connected to the conductors 24. The comparison voltage for each of these devices is supplied via conductors 42, 43 and 44, which lead to the individual taps of the voltage
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are regulated, will be described later. The devices 39 and 40 are connected to an anticoincidence circuit 45, while the devices 40 and 41 are connected to another anticoincidence circuit 46. These operate in essentially the same manner as described in connection with the anticoincidence circuit 36 of FIG.
The output pulses from the anti-coincidence circuits 45 and 46 are supplied to corresponding integrating devices 47 and 48, which are connected to a conventional subtraction circuit 49 from which the arithmetic difference of the voltages from the integrating devices reaches the conductors 23.
In order to obtain a record of another characteristic of the earth formations 13, the output of the device 41 is connected by means of the conductors 50 and 51 to an integrating and recording unit 52 (FIG. 1) on the earth's surface. The recording medium in the unit 52 is arranged to translate in accordance with the displacement of the housing 10 through the borehole 12.
To set the apparatus shown in FIGS. 1-3 for the purpose of carrying out investigations, a switch for the power source 16 is closed while the housing 10 is still on the surface of the earth. A warm-up time is then allowed to pass. The terminals of the
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Voltage divider 34, to which lines 42, 43 and 44 are connected, are then set so that each of the devices 39, 40 and 41 responsive to the pulse height allows all the pulses to pass which reflect energies above the energy values E, E, E. which can be found on the energy scale of FIG.
In this example, the energy E is at a height of 1.11 m. e. v. the level of reference energy supplied by the source 37. In this way, the output pulses of the anti-coincidence circles 45 and 46 reproduce two adjacent regions of energy levels, which are designated in FIG. 4 by W and W2. It should be mentioned that the pulse height-responsive devices 29 and 30 (FIG. 2) can be set to energy levels E4 and Es. to limit a range of energy levels Wc that is higher than both of the ranges W, and W ,.
It is so evident that the integrators 47 and 48 give two voltages from which
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V represents. When these voltages are equal, i.e. That is, the areas Wl and Wz meet in the energy value E, the differential circuit 49 does not generate any control voltage on the lines 23, and the gain of the amplifier 22 remains unchanged. If, on the other hand, one of the aforementioned in-
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The voltages taken are greater than the other, and the differential circuit 49 applies a voltage to the conductors 23, the magnitude and polarity of which reflects the magnitude and direction of the displacement.
This voltage produces a compensating change in the gain of the amplifier 22 and the relations of the energy ranges W and W with respect to the reference energy E are restored.
Since greater instabilities in the detector system are caused by changes in the gain, this type of compensation reduces their effects, as well as those of other instabilities, to a minimum. The measuring arrangement can therefore be passed through the borehole 12 and precise measurements of the gamma radiation within the energy range Wu, emitted by the earth formation 13 under the neutron bombardment from the source 14, can be made and recorded in the unit 28. without fear of corruption of the measurements.
The extent of the occurrence of all impulses above the energy will be registered in the unit 52 at the same time. This provides an indication of the total radiant energy absorbed by the earth formations. If desired, this display can be used to supplement the display in the unit 28 and thus to enable further energy measurements.
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Yttrium 91 with 1.5 MEV, strontium 89 with 1.5 MEV or many other suitable substances. In addition, alpha emitters can also be used usefully, such as. B. Actinium 227 with a radiation of 4.93 MEV. Of course, other gamma emitters can also be used, such as silver 110 from 1, 48, 0, 9 and 0, 6 MEV.
In general, a source with a long half-life should be used to avoid frequent replacement. The mode of operation of the system according to FIGS. 1-3 is, however, essentially independent of the strength of the source, with the exception of statistically determined fluctuations which are more significant when the strength of the source decreases. The strength of the reference radiation source can therefore be very small. For example, 0.01-0.1 micro-curies generate a sufficient amount of radiant energy for the study group to work properly.
According to another embodiment of the invention, the output of the neutron generator 14 can be arranged in such a way that it also creates a reference energy at the same time as it emits neutrons to irradiate the strata of the earth to be examined. For example, certain neutrons, delayed by the thermal energy of the borehole fluid usually contained in the borehole 12, can induce activity in the crystal 19. If a sodium iodite crystal is used, the gamma radiation induced by the thermal effects on iodine can be 0.428 MEV. the reference energy E form. Alternatively, a small amount of a boron compound can be added to the crystal 19 and the reference energy of about 0.4 MEV dissipated by neutron trapping in the boron.
Of course, a neutron moderator such as paraffin can be used for the calibration on the earth's surface.
Since changes due to temperature are usually noticeable relatively slowly, the study circle requires only slow shifts to function correctly. The requirements need not be kept as strict as in an arrangement where rapid changes take place.
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Although a system has been described in which the output of the amplifier 22 is under the influence of a control unit 38, other types of control can of course also be used. To the
For example, the energy supply 21 can be arranged in a known manner so that its output voltage corresponds to a control voltage. Accordingly, the unit 38 may be connected to the power supply instead of the amplifier 22 by conductors 23. The operation of this alternative embodiment of the
The invention is essentially the same as has already been described in connection with the illustrated arrangement.
If desired, the invention can also be embodied in a detector system in which a continuous spectrum of energy values is recorded. For example, the terminals that lead via conductors 32 and 33 to the pulse height-responsive devices 29 and 30 can be used
Control voltage, be shifted cyclically. In this embodiment shown in Fig. 5 is the
Source 37 separated from crystal 19 by a screen 60 which may for example consist of lead.
The screen normally assumes the position shown and is mechanically connected to a motor 62 by a gear system 61. Depending on the choice, the motor can be energized via conductor 63, whereby it withdraws the screen from its normal position.
Under the working conditions according to FIG. 5, an energy spectrum can be obtained as shown in FIG
6 is illustrated by curve 64. When the motor 62 is energized to the
To bring the screen 60 into its retracted position, the radiation from the source 37 hits the crystal 19, as a result of which a peak 65 arises in the energy spectrum which can serve as a reference mark.
After this energy spectrum 64 has been recorded with the tip 65, the screen 60 is turned into the in
5 returned position, whereupon the tip 65 disappears from the image.
Alternatively, the source 37 can itself be movable. In this case a screen is not required.
The motor moves the source from a distant position in which its radiant energy cannot reach the crystal 19 to a position closely adjacent to the crystal, whereby the reference point is then obtained.
Although the invention has been described in connection with a measuring system based on radioactivity, in which earth formations are irradiated by neutrons and the resulting formations
Gamma radiation is measured. it can also be used elsewhere. For example, it can be used in an arrangement for measuring naturally occurring gamma radiation.
The invention can also be used in a measuring system in which the formation is irradiated by neutrons and neutrons of selected energies are measured. The type of supply source that is used depends on the nature of the neutron detector. If z. For example, if the detector only responds to neutrons, a source of monoenergetic neutrons should be used. In the event that the detector also responds to other types of radiation energy, such as neutrons, the reference source should be selected accordingly. The expression “radiation energy”, as it was used above, is to be understood as meaning wave and particle energy. Accordingly, gamma rays, neutrons and charged particles fall within the scope of the expression "radiant energy".
PATENT CLAIMS:
1. Device for displaying radiant energy in a borehole, in particular for displaying
Gamma rays emanating from or in the earth formations, e.g. B. by neutron irradiation, provided with a passable through the borehole! 1 carrier and a radiation display device carried by this. which supplies an electrical signal which is dependent on the energy of the incident radiation, with a control radiation source for monitoring instabilities of the display device. 1e of known energy is provided, characterized by such an arrangement of the control radiation source (37),
that their radiation falls on the radiation display device (19, 20) for the radiation coming from the formation in order to generate a reference component in the electrical signal, and by arranging a control circuit (38) which responds only to the reference component and a signal that compensates for instabilities in the device.