DE1011537B

DE1011537B - Neutronen-Erzeugungssystem

Info

Publication number: DE1011537B
Application number: DESCH16944A
Authority: DE
Inventors: Sidney Soloway
Original assignee: Schlumberger Well Surveying Corp
Current assignee: Schlumberger Well Surveying Corp
Priority date: 1954-03-08
Filing date: 1954-12-20
Publication date: 1957-07-04

Description

Neutronen-Erzeugungssystem Die Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung von Neutronen (im folgenden Neutronengenerator genannt), das als Bohrschacht-Untersuchungsvorrichtung besonders zum Durchqueren der engen Umgrenzungen eines Bohrschachtes oder Bohrlolches geeignet ist, aber auch für verschiedene andere Zwecke gebraucht werden kann. Da ein Neutronengenerator gemäß der Erfindung vorzüglich für die Erfordernisse einer Bohrschachtuntersuchung geeignet ist, soll er in dieser Verbindung beschrieben werden.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, einen Generator für Neutronen von hoher Energie bei Neutronen-Gammastrahlen- oder bei Neutronen-Neutronen-Untersuchungen zu verwenden. Im Gegensatz zu einer Radium-Beryllium-Quelle, die gewöhnlich für solche Untersuchungen verwendet wird, kann man mit einem Neutronengenerator eine zu vernachlässigende Menge anderer Strahlung als die gewünschten Neutronen, eine höhere Neutronenausbeute, eine gesteuerte Neutronenausbeute, Neutronen von höherer Energie als bisher möglich, monoenergetische Neutronen und eine Steuerung der Generatorquelle erreichen, um dessen Deaktivierung vor dem Herausnehmen aus einem bohrschacht zu ermöglichen.. Die ersten fünf dieser Eigenschaften sind zur Erzielung genauerer Untersuchungen wichtig, während die letzte zur Verringerung der gesundheitlichen Gefährdung der Arbeiter von Bedeutung ist.
Die früheren Neutronengeneratoren waren nur für Laboratoriumszwecke und nicht für die strengen Erfodernisse einer Bohrschacht-Untersuchungsausrüstung geeignet. Die gegenwärtig erhältlichen Neutronengeneratoren sind viel zu groß, um durch eine Bohrloch hindurchzugehen. Ihre Bestandteile sind nicht an die Erfordernisse bezüglich des Ahstands zwischen Neutronenquelle und Detektor bei einer Bohrschachtuntersuchung anpaßbar. Darüber hinaus sind diese Neutronengeneratoren. in ihrer Arbeitsweise zu empfindlich und für betriebsmäßige Untersuchungen zu zerbrechlich.
Es ist daher Hauptzweck der vorliegenden Erfindung, einen Neutronengenerator zu schaffen, der allen Erfordernissen einer Bohrlochuntersuchung gerecht wird.
Besonders betrifft die Erfindung einen verbesserten Neutronengenerator, der so klein ist, daß er in ein von Natur aus zylindrisches Bohrloch eingeführt werden kann. Er soll nach der Erfindung während eines Untersuchungsganges zuverlässig betätigt werden können, ohne empfindliche und fortlaufende Arbeitseinstellungen zu erfordern.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, den Neutronengenerator so zu gestalten, daß er zuverlässig bei den hohen Außentemperaturen arbeiten kann die bei Untersuchungsvorgängen in der Tiefe auftreten. Auch soll der Neutronengenerator fest genug sein, um trotz der starken physikalischen Erschütterungen. denen eine Untersuchungsvorrichtung gewöhnlich während des Transportes nach und von einem Bohrschacht wie: auch während eines Untersuchungsvorganges unterworfen ist, wirksam und zuverlässig zu arbeiten.
Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung ein Neutronen-Erzeugungssystem mit einem Prallkörper vorgesehen., der zur Erzeugung von Neutronen. ein mic Elementarteilchen reagierendes Element enthält, wobei dieses Element in einer Verbindung mit einem zweiten Element enthalten ist, welches nach den dic-Neutronen. erzeugenden. Reaktionen zurückbleibt, und die Verbindung einen Schmelzpunkt hat, der höher ist als die Arbeitstemperatur des Prallkörpers, und da zweite Element einen Schmelzpunkt, der niedriger ist als die erwähnte Arbeitstemperatur.
Der Prallkörper kann ein Metall enthalten, dessen Schmelzpunkt niedriger ist als der seines Hydrids. So kann ein Alkalimetall, z. B. Lithium, mit Tritium chemisch verbunden und das sich ergebende Hydrid als Prallkörper verwendet werden. Nachdem beim Betrieb das Tritium in der Deuterium-Tritium-Reaktion verbraucht ist, schmilzt das restliche Lithium in den einzelnen Molekülen weg oder verdampft be@ der Arbeitstemperatur des Prallkörpers, so daß eine frische Hydridfläche freiliegt.
Der Generator kann auch eine Anzahl von Ablenkplatten enthalten, die sich innerhalb der Hülle zwischen der Ionenquelle und der Sonde befinde.
Durch eine geeignete Erregung dieser Ablenkplatten kann der Ionenstrahl veranlaßt werden, eine gewünschte Bahn auf der Prallplatte zu durchqueren. um dadurch eine Erschöpfung oder ein Ausbrennen einer örtlichen Stelle zu verh.indern,.
Um den von der Prallplatte ausgehenden Neutronens trom innerhalb vorgeschriebener Grenzen zu halten, kann ein integrierender Detektor zur Erzeugung eines Steuerpotentials verwendet werden, das ein Charakteristikum des Neutronenstromes, z. B. die Zahl der pro Zeiteinheit gezählten Neutronen, stellt. Dieses Potential dient zur Einstellung der Ionenzahl, die von der Ionenquelle durch die Sonde abgezogen werden, so daß dadurch eine selbsttätige Steuerung der Neutronenabgabe bewirkt wird, da die Ausbeute von der Zahl der positiven Ionen abhängt. die auf den Tritiumprallkörper auftreffen.
Die Vorrichtung kann ferner ein Steuersystem aufweisen, um trotz der Tatsache, daß Ionen des Gases fortlaufend abgezogen werden, die Aufrechterhaltung der Ionenkonzentration von Deuteriumgas in der Ionenquelle bei einem vorhergewählten Wert sicherzustellen. Das System weist auch eine Vorrichtung zur Strombegrenzung oder Konstantlialtung des Stromes auf, die in Reihe mit der Anode und der Kathode der loneuquelle geschaltet ist. Daher ändert sich, obwohl der Druck innerhalb der Ionenquelle schwanken kann, so daß sich die Stromkreisimpedanz der Quelle ändert, der Spannungsabfall an dem Strombegrenzer so, daß der Stromkreisstrom konstant bleibt. Demzufolge bleibt auch die Ionenkonzentration innerhalb der Ionenquelle konstant.
Das Steuersystem arbeitet ferner selbsttätig entsprechend dem Ionisationsstrom und stellt die Gasmenge ein, die von einer Deuteriumquelle kommt. Die Deuteriumquelle kann vorzugsweise ein Stoff sein, der das Gas enthält un.d von der Anode der Ionenquelle umschlossen wird. Demzufolge kann das Deuteriumgas fast unmittelbar nach dem Ausstrahlen ionisiert werden. Ferner kann das Steuersystem auf den Ionisationsstrom zur Einstellung der Gasabsorption eines Gasabsorbierers ansprechen.
Da der Neutronengenerator ein geschlossenes, zusammenhängendes System bildet, müssen zwei entgegengesetzte Erfordernisse ausgeglichen werden. Der Gasdruck in der Ionenquelle muß hoch genug sein, um ein ei ausreichende Ionisierung zu ermöglichen, die einen angemessenen Ionenstrom für den Betrieb erzeugt. Andererseits muß der Gasdnich so gering sein, daß eine merkliche Ionisierung in der 13 eschleunigungsstrecke vermieden wird. Ein stabiler Ausgleich kann erreicht werden, wenn diese beiden Bauteile so ausgeführt werden, daß die mittlere freie Weglänge in der Ionenquelle im Vergleich zur mittleren freien Weglänge in der Beschleunigungsstrecke groß ist.
Der Ausdruck »mittlere freie Weglänge« soll die Durchschnittsentfernung bedeuten, die die Elektronen in einem besonderen Gas zwischen Zusammenstößen mit Atomen oder Ionen dieses Gases durchlaufen.
Wenn eine ausreichende Anzahl solcher Zusammeinstöße stattfindet, ist die erzeugte Ionisielang kumulativ und hat eine fortlaufende Ionenentladung zur Folge.
Der Abstand zwischen den Elektroden in der Beschleunigungsstrecke ist so klein, daß die Weglänge, die von den Elektronen in diesem Bereich durchlaufen wird, auf ein Geringstmaß beschränkt wird. Auf diese Weise wird eine Ionisierung verhütet, trotz des äußerst hohen Beschleunigungspotentials, das d.er Strecke zugeleitet wird.
Der Abstand zwischen. den Elektroden in der loneaquelle wird so groß gemacht, daß die Weglänge der Elektronen. auf ein Höchstmaß gebracht und dadurch das Auftreten einer starken Ionisierung gewährleistet wird. Zusätzlich bewirkt das mager tisch.e Hilfsfeld in der Ionenquelle, daß die Elektronen nichtlineare Bahnen, z. B. Spiralen, beschreiben., um die Weglänge wirksam zu verlängern.
Um die Aufrechterhaltung der starken. Ionisierung in der Ion.enquelle zu unterstützen und dabei die Ionisierung in der Beschleunigungsstrecke zu verhäuten, kann der Generator mit einer außerhalb der Hülle befindlichen. Leitung versehen sein, der eine Pumpe zugeordnet ist, um den Bereich der Beschleunigungsstrecke mit dem Bereich der Ionenquelle durchströmbar zu verbinden. Die Pumpe erzeugt einen Gasstrom durch die Leitung in. Richtung von der Beschleunigungsstrecke zur Ionenquelle und sorgt dadurch. für einen möglichst kleinen Druck in der Strecke, während in der Quelle ein möglichst großer Druck erzeugt wird. Vorzugsweise ist die Pumpe eine solche, bei der das Gas ionisiert und eine Strömung mittels einer Reihe geeignet erregter Elektroden erzeugt wird.
Eine starke haltbare Neutronen-Erzeugungsvorrichtung wird dadurch. ermöglicht, daß verschiedene Elektroden der Vorrichtung von Haltestangen ge tragen werden, die sich längs durch die Hülle der Vorrichtung erstrecken. Diese Stangen werden von Hülsen aus elektrisch isolierendem Stoff umschlossen, und elektrisch isolierende Abstandstücke halten die Elektroden im richtigen räumlichen. Abstand.
Die Zeichnungen zeigen als Beispiel eine Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1 A, 1B und 1 C zeigen schaubildlich den oberen, mittleren bzw. unteren Teil der Neutronen-Bohrschacht-Untersuchungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 ist eine vergrößerte schaubildliche Darstellung des in Fig. 1B gezeigten Neutronengenerators, wobei Teile der Vorrichtung fortgebrochen und im Schnitt gezeigt sind, um verschiedene innere Einzelteile zu zeigen; Fig. 3 und 4 sind Teilschnitte längs der Linien 3-3 und 4-4 in einem gegenüber Fig. 2 vergrößerten Maßstab; Fig. 5 und 6 sind elektrische Schaltbilder und zeigen die Einzelheiten gewisser in Fig. 1 A gezeigter Teile; Fig. 7 stellt eine Reihe von Kurven dar, die bestimmte Arbeitscharakteristiken der in Fig. 6 gezeigten. Schaltung darstellen und zur Erläuteri der Arbeitsweise dienlich sind; Fig. 8 ist eine vergrößerte, teilweise im Schnitt dargestellte Längsansicht einer Ionenpumpe zur Verwendung mit dem in Fig. 2 gezeigten Neutronengenerator, und Fig. 9 ist ein Schnitt längs der Linie 9-9 von Fig. 1B in vergrößertem Maßstab.
In Fig. 1 A ist die Bohrschacht-Untersuchungsvorrichtung gemäß der Erfindung in einem Bohrloch 10 angeordnet, das eine Anzahl von Erdformationen 11 durchquert. Das Bohrloch 10 enthält gewöhnlich eine wasserstoffhaltige Bohrflüssigkeit 12, z. B. einen Schlamm, auf Wasser- oder Ölgrundlage, und es kann mit einer oder mehreren nicht gezeigten metallischen Verkleidungen ausgekleidet oder auch unverkleidet sein.
Die Neutronen-Bohrschacht-Untersuchungsvorrichtung kann ein druckfestes Gehäuse 13 aufweisen, das einen Neutronengenerator 14 (Fig. 1B), eine auf Strahlung ansprechende Vorrlchtung 15 (Fig. l C) zur Ermittlung der zu beobachtenden Erscheinungen und eine dazugehörige elektronische Ausrüstung umschließt. die für die richtige Arbeit des Neutronengenerators und des Detektors erforderlich ist, wie später noch genauer beschrieben werden soll.
Eine Abschirmplatte 16 die über dem Detektor 15 angeordnet ist, dient dazu, den Detektor gegen Strahlung abzuschirmen, die von dem Generator 14 ausgeht. Wenn die Vorrichtung für Neutronen-Gamma,strahlen-Untersuchungen verwendet werden soll, kann der Schirm aus Blei bestehen, und wenn Neutronen-Neutronen-Untersuchungen gewünscht werden, kann der Schirm aus einer Borverbindung hergestellt sein, z. 13. aus Borkarbid, das in Paraffin eingebettet ist. Es kann auch eine zusammengesetzte Schicht aus Blei und Bor enthaltendem Paraffin verwendet werden, wenn geeignete Detektoren vorgesehen sind, um beide Arten von Untersuchungen gleichzeitig oder nacheinander vorzunehmen.
Das Gehäuse 13 ist in dem Bohrloch mittels eines armierten Kabels 17 a,ufgehängt, das in Verbindung mit einer nicht gezeigten, an der Erdoberfläche aufgestellten Winde dazu verwendet wird, um die Vorrichtung in das Bohrloch in üblicher Weise herabzulassen und aus ihm heraufzuholen. Das Kabell 17 besteht aus einer Anzahl isolierter Leiter, die: die Vorrichtung innerhalb des Gehäuses 13 mit der Oberflächenausrüstung 18 elektrisch verbinden.
Der Neutronengenerator 14 (Fig. 1B) wird in geeigneter Weise durch eine übliche nicht gezeigte Vorrichtung stoßsicher innerhalb des Gehäuses 13 gehalten. Er weist einen luftleeren Mantel 19 auf, der vorzugsweise aus entgastem Pyrelxglas hergestellt un.d mit Deuteriumgas unter einem gewählten Druck gefüllt ist, der in der Nähe von 1 bis 10 Mikron Quecksilbersäule liegen kann.
Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich umschließt der Mantel 19 die einzelnen Teile einer Ion.enquellle 20 und eine Beschleunigungsstrecke 21. Diel Quelle 20 enthält obere und untere metallische Kathodenelektroden 22 und 23 von scheibenartiger Form, die in ein.em Abstand parallel zueinander gehalten werden. Die Sch!eibe 22 ist mit einer Anzahl von )ffnungen 24 versehen, die, über einen Kreis verteilt, in einem gewissen radialen Abstand von dem Mittelpunkt der Scheibe liegen, wogegen die Scheibe 23 eine Mittelöffnung 25 aufweist, die in koaxialer Lage zu dem Mantel 19 angeordnet ist.
Die Ionenquelle 20 weist ferner eine metallische Anodenelektrode 26 auf, die zwischen den Kathoden 22 und 23 liegt und aus einem hoh.len zylindrischen Teil 27 besteht, der durch obere und untere Platten 28 und. 29 begrenzt wird, die mit Öffnungen 30 und. 31 versehen sind. Diese Öffnungen haben einen etwas größeren Durchmesser als die Öffnung 25, und die Anode 26 liegt so, daß der Zylinder 27 und die Öffnungen 30 und 31 koaxial mit dem Mantel 19 sind.
Eine ringförmige Metallplatte 32 mit einer Mittelöffnung 33 nimmt den Zylinder 27 auf und ist mit diesem mechanisch und elektrisch verbunden.
Ein zylindrischer Teil 34 aus magnetischem Stoff, z. 13. einer Legierung aus Aluminium, Nickel und Kobalt, gewöhnlich als Alniko bezeichnet, weist eine zylindrisch.e Öffnung 35 auf, die den Mantel 19 aufnimmt. Seine Lage und Länge stimmt im we!sentlichen mit dem Zylinder 27 der Anode 26 überein.
Das Glied 34 ist permanentmagnetisch, so; daß seine oberen und unteren Enden von entgegengesetzter magnetischer Polarität sind und dadurch ein axiales magn.etisches Feld innerhalb des Mantels 19 erzeugen.
Die Stärke dieses magnetischen Feldes wird im Hin- blick auf den Abstand zwischen der Anode 26 und den Kathoden 22 und 23 so gewählt, daß für die sich infolge des Feldes spiralförmig bewegenden Elektronen eine mittlere freie Weglänge erzielt wird, die ausreicht, um eine starke Isolielrung des Deuterium gases innerhalb des Mantels 19 zu fördern Beispiel weise hat sich eine Stärke von 500 Gaull bei einem Elektrodenabstand von 7,5 cm als geeignet gezeigt.
Gegebenenfalls kann ein nicht gezeigtes Kügelchen aus radioaktivem Material, z. B. Radiium, der Ionenquelle 20 beigegeben werden, um die Ionisierung des Gases in Gang zu setzen.
Die Beschleunigungsstrecke 21 wird durch eine Metallsonde 36 von etwa zylindrischegr Form mit einer unteren halbkugelförmigen Aussparung 37 gebildet. die in eine koaxial zu dem nichtleitenden Mantel 19 liegende Mittelöffnung 38 endet. Der untere Teil des Mantels 19 ist nach innen gerichtet und bildet einen einspringenden, kegelartigen Rohrteil 39, der in einem Metallprallkörper 40 von halbkugeliger Form endet und durch diesen abgeschlossen wird. Der Prallkörper besteht aus einer Legierung von Nickel, Kobalt, Mangan und Eisen, gewöhnlich »Kova,r« genannt.
Der Abstand zwischen dem Prallkörper 40 und der Fläche der Öffnung 37 in der Sonde 36 ist kleiner als die mittlere freie Weglänge. Daher tritt keine Ionisierung des Deuteriumgases ein, obwohl die Elektroden zur Wirkung als Beschleunigungsstrecke für die Deuteriumionen geeignet erregt sind.
Der Prallkörper 40 ist mit einer Schicht 41 aus Lithium oder einem anderen Metall plattiert, das in bekanntes Weise mit Tritium hydriert werden kann, um eine chemische Verbindung mit einem Schmelzpunkt herzustellen, der höher ist als die Temperatur des in Tätigkeit befindlichen Prallschirmes. Natürlich kann Deuterium an die Stelle des Tritiums treten, wenn eine Deuterium-Deuteriulll-Reaktion an Stelle einer Deuterium-Tritium-Rea'ktion gewünscht wird.
Der Neutronengenerator enthält fe!rner eine Anzahl von Metallablenkplatten 42 bis 45, die zwischen der Kathodenplatte 23 und der Sonde 36 liegen. Diese Ablenkplatten sind gegenüber der Längsachse des Mantels 19 so ausgerichtet, daß die Ionen, die die Bahn zwischen den Öffnungen 25 und 38 durchqueren, in zwei Richtungen abgelenkt werden können, um dadurch die Stelle, an der diese Ionen auf die Prallkörperschicht 41 auftreffen, zu steuern. Ferner können, wie hierin. später noch besonders erläutert werden soll, diese Platten' zur Steuerung des Fokus des Ionenstrahles dienen,, der auf den Prallkörper auftrifft.
Die einzelnen Ablenkplatten 42 bis 45 werden durch je einen elektrisch leitenden Streifen 46 bis 49 gehalten. Die Streifen verlaufen von der zugehörigen Ablenkplatte in radialer Richtung gegenüber der Längsachse des Mantels 19 und werden durch die Sonde 36, aber von dieser isoliert, an zwei gleichen Befestigungsvorrichtungen' 50' gehalten. Beispielsweise weist, wie in Fig. 3 gezeigt, die Befestigungsvorrichtung 50 einen Bolzen 51 auf, der in eine Bohrung 52 an der Oberseite der Sonde 36 eingeschraubt ist. Der Körper des Bolzens 51 wird von einem dünnen, isolierenden Rohr oder einer Muffe 53 aufgenommen, die aus entgastem Glas hergestellt sein kann und ihrerseits von einem weiteren dünnen, entgasten Glasrohr 54 aufgenommen wird. Die unteren Enden der Rohre 53 und 54 enden an der Oberfläche der Sonde 36, während. das obere Ende des Rohres 54 an der Unterfläche des Streifens 46 endet. Der Streifen 46 ist mit einer Öffnung 55 versehen, die das Rohr 53 aufnimmt, und dieses Rohr endet an de:r Oberfläche des Streifens 46. Eine Glasscheibe 56 ist zwischen der Oberfläche des Streifens 46 und dem Kopf 57 des Bolzens 51 eingelegt, so daß der Bolzen 51 zwar zur Befestigung des Streifens 46 gegenüber der Sonde 36 festgezogen werden kann, aber elektrisch von dem Streifen isoliert ist. Feuer wird, da der Streifen fest zwischen der Unterfläche der Scheibe 56 und dem oberen Ende des äußeren Rohres 54 festgeklemmt ist, eine starre mechanische Verbindung erreicht.
Um die Elektroden 36, 23, 32 und 22 im richtigen Längs abstand zu halten,, sind zwei lange Metallstangen 58 und 59 und geeignete Abstandsstücke vor gesehen. Wie in Fig. 3 gezeigt, geht die Stange 58 durch eine Bohrung 60 in dem Streifen 46 hindurch, und ihr Kopf 61 berührt die Unterseite dieses Streifens mechanisch und elektrisch, Eine Innenmuffe 62 aus einem elektrisch isolierenden Stoff, z,B. ein Rohr aus entgastem Glas, erstreckt sich zwischen der oberen Fläche des Streifens 46 und der oberen Fläche der Kathodenplatte 22 und geht durch in gleicher Richtung liegende Bohrungen in den Platten 23, 32 und 22 hindurch. Diese Bohrungen hahen einen kleineren Durchmesser als der Außendurchmesser einer Anzahl isolierender Abstandsstücke 63, 64, 65 beträgt, die aus dünnen, entgasten Glasrohren hergestellt sind. Das Abstandsstück 63 erstreckt sich zwischen der oberen Fläche des Streifens 46 und der unteren Fläche der Scheibe 23; das Abstandsstück 64 erstreckt sich von der oberen Fläche der Scheibe 23 zur Unterseite der Platte 32, und das Abstandsstiick 65 erstreckt sich zwischen der Platte 32 und der Scheibe 22. Eine isolierende Scheibe 66, z. 13. aus entgastem Glas, trennt und isoliert elektrisch eine Mutter 67 von. der Kathodenseheibe 22. Die Mutter 67 ist auf die Stange 58 aufgeschraubt und kann angezogen werden. um die verschiedenen Teile zu einem festen einheitlichen Aufbau zu verbinden.
Die Stange 59 ist in ähnlicher Weise wie die Stange 58 angeordnet, aber, wie in Fig. 4 gezeigt, ist ihr unteres Ende in eine Bohrung 68 in der Sonde 36 eingeschraubt. Sie wird von einer langen, dünnen Glasmuffe 69 aufgenoininen, die ihrerseits eine Reihe von Glasabstandsstücken aufnimmt, von denen. eines mit 70 bezeichnet ist und zwischen der oberen Fläche der Sonde 36 und der unteren Fläche der Kathoden platte 23 liegt. Das obere Ende der Stange ist mit einer Anordnung ähnlich der isolierenden Scheibe 66 und der Mutter 67 versehen, um die verschiedenen Teile an Ort und Stelle zu halten.
Die oberen Enden der Stangen 58 und 59 erstrecken sich. durch eine übliche Kopfplatte 71 hindurch, die den. Mantel 19 abschließt. Sowohl für diese Leitungen als auch für die übrigen metallischen. Leitungen 72 bis 81 werden druckfeste Dichtungen verwendet. Auf diese Weise können zu den verschiedenen. Elementen innerhalb des nichtleitenden Mantels 19 Verbindungen eingeführt werden.
Die Leitung 72 ist an ihrem unteren Ende mit der Kathodenscheibe 23 verbunden und mit einer dünnen Hülse aus isolierendem Stoff versehen. Sie geht durch eine nicht gezeigte Öffnung in der Platte 32 un.d eine in der gleichen Richtung liegende Öffnung 82 in. der Kat'.iodenplatte 22 hindurch. In ähnh.cher Weise sind die Leitungen 74, 75, 76 und 79 mit dem Haltestreifen 47 für die Ablenkplatte 43, dem Haltestreifen 48 für die Ablenkplatte 44, der Anodeuplatte 32 und dem Haltestreifen 49 für die Ablenkplatte 45 elektrisch verbunden. Jede Leitung ist natürlich iit einer isolierenden Hülle versehen, so daß auch an den Stellen, @@ denen sie durch in einer Richtung liegende Bohrungen in andere Elektroden gehen, keine elektrischen Verbindungen hergestellt werden. Die Leitung 73 ist unmittelbar mit der obersten Kathodenscheibe 22 verbunden.
Die Leitungen 77 und 78 werden durch besondere Glashüllen umschlossen. und sind nach dem Durchtritt durch entsprechende Öffnungen in der Kathodenplatte 22 mit den Enden einer Drahtwicklung 83 verbunden, die in einer zylindrischen Schicht 84 aus Deuterium aussendendem Stoff eingebettet ist, mit dem die innere Wand des Zylinders 27 überzogen ist. Die Schicht 84 kann beispielsweise aus einer Mischung von grannliertem Zirkoniumdeuterid und einem geeigneten feuerfesten Werkstoff bestehen. Wenn daher 'die Temperatur der Schicht infolge der Erregung des Drahtes 83 ansteigt, wächst der Druck des Denterinins auf der Oberfläche der Schicht. Die Schicht 84 wird so mit Deuterium geladen., daß, wenn die Schicht durch den Draht 83 auf eine Temperatur in der Größenolrdnung von 200 bis 3500 C erwärmt wird, Deuterium ausgesendet wird.
Ein weiterer Heizdraht 85 wird durch die Leitungen 80 und 81 innerhalb des Teiles des Mantels 19 gehalten, der durch die Kopfplatte 71 und die Kathodenplatte 22 begrenzt wird. Dieser Heizdraht besteht aus einem absorbierenden Stoff, z. 13.
Zirkonium, und ist so angeordnet, daß bei einer Temperatur im Bereich von 350 bis 45&O C Gas absorbiert wird.
Eine sich durch den einspringen den Mantelteil 39 erstreckende Leitung 86 ist an den Prallkörper 40 angelötet oder angeschweißt. Sie geht durch eine U-förmige Führung 87, die an der einen Seite des einspringenden Teiles 39 befestigt ist.
Um die Sonde 36 koaxial mit dem Mantel 19 zu halten, ist e!in ringförmiger Zentrierteil 88 am Umfang der Sonde befestigt. Der Teil 88 weist eine Anzahl gekrümmter Finger 89 aus einem nachgiebigen Stoff auf, die nachgiebig mit der inneren Fläche des Mantels 19 im Eingriff sind. Eine solche nicht starre Verbindung gestattet ein.e geringe Relativbewegung zwischen dem Sonden ende des Elektroden aufbaues und dem Mantel.
Gegebenenfalls kann der Neutronengenerator 14 mit einer Leitung 90 versehen werden, deren eines Ende mit dem unteren En.de des Mantels 19 durch einen ringförmigen Verschluß 91 verbunden ist. Das andere Ende der Leitung 90 ist durch einen ringförmigen Verschluß 92 mit der Kopfplatte 71 verhunden. Eine Pumpe 93, z.B. eine gewöhnliche Diffusionspumpe, eine mechanische Pumpe oder eine solche, wie sie später in Verbindung mit Fig. 8 beschrieben wird, ist in die Leitung 90 eingesetzt und bewegt das Gas in Richtung des Pfeiles 94.
In der Nähe der Verbindungsstelle 91 ist eine ringartige Hilfselektrode 95 angeordnet. Sie wird durch eine dünne leitende Stange 96 gehalten. die von der Sonde 36 n.ach unten ragt. Der Abstand zwischen. der Hilfselektrode 95 und dem Prallkörper 40 verhindert eine lonisierung die sonst infolge des langen Wegs der Elektronen von dem Prallkörper 40 durch das Rohr 90 zur Kathodenplatte 22 auftreten könn@@ An einer Öffnung 35 des Magneten 34 ist ein Ausschnitt 97 vorgesehen, um den Durchgang des Rohres 90 zu ermöglichen. So kann der Magnet einfach über den Aufbau von Mantel 19 und Rohr 90 übergeschoben werden.
Bei der Herstellung des Generators 14 werden die gewöhnlichen Vorsichtsmaßnahmen beachtet, wie sie für die Herstellung von Entladungsvorrichtungen beachtet werden. Beispielsweise werden die: Metalle für die verschiedenen. Elektroden so gewählt, daß s.ie verhältnismäßig frei von. Gasen sind, die vor odSe!r während des Herstellungsvorganges absorbiert und später bei der Arbeit des Generators herausgetrieben werden können und diesen verunreinigen. Mit Ausnahme der Elemente der Ionenquelle können die Elektrodenmetalle im Sinne niedriger Sekundärelektronenemission gewählt werden, um die Möglichkeit eines Durchschiags auf ein Geringstmaß herabzusetzen.
Auch kann ein leicht entgastes Metall verwendet werden, wenn es mit einer dünnen Schicht eines Stoffes von geringer th.ermischer Emissionsfähigkeit überzogen ist.. Die Elektroden der Ionenquelle können aus Nickel oder einer Legierung aus Nickel und Chrom, gewöhnlich als Nichrom bezeichnet, oder einem beliebigen anderen Metall bestehen, vorausgesetzt, daß es eine gute Sekundäremission zur Unterstützung der Ionisierung besitzt. Die ursprüngliche Entgasung wird durch eine gewöhnliche nicht gezeigte Röhre erreicht, die aus der Kopfplatte 71 nach außen ragt. Die erforderliche Menge Deuterium wird durch das Rohr eingeführt, bevor es verschlossen wird.
Gemäß Fig. 1A wird, um die für den Betrieb des Generators 14 und der dazugehörigen Kreise erforderliche Energie vorzusehen und trotzdem innerhalb der Spannungs- un.d. Stromleitungs-Fähigkeiten der Leiter in dem Kabel 17 zu bleiben, die Energie durch eine in der Mitte angezapfte Einphasen-Wechselstromquelle 100, die an der Erdoberfläche in der Ausleistung 18 angeordnet ist, zugeleitet. Beispielsweise kann die Stromquelle 100 an den. Leitern 101 und 102 eine Spannung von 600 Volt bei 400 Perioden haben.
Dic Leiter 101 un.d 102 sind über einen Schalter 103 mit den Leiterii 104, 105, 106 und 107 des Kaheis 17 so verbunden, daß sie parallele Zweidrahtleitungen leiden. Damit die Spannung zwischen. irgendwelchen der Leiter 104 bis 107 und de.r Abschirmung 108 des Kabels 17 den Betrag von ungefähr 300 Volt nicht überschreitet, ist die Abschirmung 108 durch einen Leiter 109 und einen Schalter 103 mit einer in. der Mitte angezapften Leitung 110 der Stromquelle 100 verbunden, die an einer Stelle liegt, die gleiches Potential gegenüber den Leitungen. 101 und 102 hat.
Parallele Leitungen. 104, 106 und 105, 107 sind mit der Primärwicklung eines die Spannung herabsetzenden Transformators 111 verbunden, der innerhalb des Gehäuses 13 angebracht ist. Die Primärwicklung des Transformators 111 ist in der Mitte angezapft und durch eine Leitung 112 mit dem Schirm 108 und den Gehäuse 13 verbunden. Unter normalen Belastungsbedingungen beim Betrieb des Neutronengenerators 14 und der dazugehörigen Kreise wird die Spannung, die dem Oberflächenende des Kabels 17 zugeleitet wird, infolge des Lelterwiderstandes vor dem Erreichen des Gehäuseendes des Kabels erheblich gemindert. Demzufolge wird der Primärwicklung des Transformators 111 eine Spannung von ungefähr 300 Volt zugeleitet, und das Wicklungsverhältnis dieses Transformators ist so, daß eine Spannung von ungefähr 115 Volt in den Leitern 113 und 114 vorhanden ist. Natürlich. kann der Transformator in jeder bekannten Art einstellbar sein, so daß die erford erl iche Spannung abgeleitet werden kann.
Die Leitungen. 113 und 114 verlaufen in. der Längsrichtung durch das Gehäuse 13 und sin.d, wie in Fig. 1 13 gezeigt, mit einer Mittelspannungs-Stromquelle 115 verbunden. Die Stromquelle 115 liefert Gleichstrom bei ungefähr 1500 Volt, und an ihren Anschlußklemmen liegt im Nchenschluß ein Widerstand 116 als Spannungsteiler. Der positive Anschluß der Stromquelle ist am Gehäuse 13 geerdet, und der negativ Anschluß ist mit der Leitung 59 verbunden, die zur Sonde 36 des Generators 14 führt. Eine Anzapfstelle 117 des Spannungsteilers 116 bei ungefähr 100 Volt von dem negativen Anschluß der Stromquelle 115 ist mit der Leitung 72 verbunden, die zur Kathode 23 der Ionenquelle 20 führt. Eine zweite Anzapfstelle 118, die: um ungefähr 25 Volt von der Anzapfstelle 117 in positiver Richtung verschoben ist, ist durch die Le.itung73 mi@ der Kathode 22 der Stromquelle verbunden. Um den Kreis für die Ionenquelle 20 zu vervollständigen, ist die Anode 26 durch Leitungen 76 und 119 mit einer strombegrenzenden veränderlichen Impedanz in einem Steuerkreis 120 (Fig. 1 A) verbunden, der später genauer beschrieben wird. Die veränderliche Impedanz des Kreises 120 ist ihrerseits mit dem Gehäuse 13 verbunden so daß eine Ionisicrungsspannung in der Nähe von 1500 Volt zwischen der Anoden- und der Kathodenelektrode der Ionenquelle 20 zugeführt wird.
Die Leitungen 58 und 75 von den Ablenkplatten 42 und 44 sind mit der Sekundärwicklung eines Transformators 121 verbunden, dessen Primärwicklung mit Wechselstrom zuführenden Leitungen 113 und 114 verbunden ist. die Leitungen 74 und 79, die zu den Ablenkplatten. 45 und 43 führen, sind mit der Sekundärwicklung des Transformators 121 über ein Phasenverschiebungsnetz 99 gekuppelt, das dem zugeleiteten Potential, das eine Periodenzahl von 400 Perioden pro Sekunde hat, eine Phasenverschiebung von. ungefähr 900 erteilt. Eine mittlere Anzapfstelle für die Sekundärwicklung des Transformators 121 ist durch eine Leitung 122 mit einem später genauer zu beschreibenden elektronischen Spannungsteiler eines Steuerkreises 123 für die abgegebene Leistung (Fig. 1A) verbunden. Die Leitungen 124 und 125 verbinden den negativen Pol der Speiseleitung 115 bzw. die Zapfstelle 117 des Spannungsteiler 116 mit den beiden wirksamen Enden des Spannungsteilers innerhalb des Kreises 123.
Wie in Fig. 10 gezeigt, sind die Speiseleitungen 113 und 114 mit einer Hochspannungsquelle 126 verbunden, die von üblicher Bauart sein kann. Sie erzeugt ein gleichgerichtetes Potential in der Nähe von 100 kV, das der Beschleunigungsstrecke 21 mittels einer Verbindung zwischen dem Gehäuse 13 und der positiven Klemme der Spannungsquelle und einer Verbindung zwischen der negativen Klemme und der Prallkörperleitung 86 zugeführt wird.
Um den Neutronenstrom zu steuern, der durch. den Generator 14 erzeugt wird, ist ein Überwachungsdetektor 127 (Fig. 1B), z. B. ein mit Argon gefülltes Proportionalzählrohr mit einer Auskleidung aus wasserstoffhaltigem Stoff, in dem Gehäuse 13 in der Nähe des Prallkörper-Elektrodenteiles des Generators angeordnet. Eine Leitung der Röhre 127 ist mit dem negativen Anschluß der Mittelspannungsstromquelle 115 und die zweite Leitung über einen Widerstand 128 mit dem Gehäuse 13 verbunden. Die Verbindungsstelle der Leitung von der Röhre 127 und dem Widerstand 128 ist durch eine Leitung 129 mit einem Kopplungskondensator 130 (Fig. 1A) verbunden, der seinerseits mit einer gewöhnlichen Impulsverstärker-und Integriereinheit 131 verbunden ist.
Die in gewöhnlicher Weise ausgebildete Spannungsquelle 132, die von den Leitungen 113 und. 114 gespeist wird, liefert ein gleichgerichtetes Betriebspotential für die Einheit 131, die nach Verstärkung und Integrierung ankommender Impulse dem Eingangskreis des Ausgangssteuerkreises 123 über eine Leitung 133 ein Ausgangspotential zuleitet, das ein Charakteristikum des erzeugten Neutronenflusses, z. B. die Anzahl von Zählstößen pro Zeiteinheit, darstellt.
Wie später in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben werden. soll, steuert das Potential in der Leitung 133 den elektronischen Spannungsteiler des Steuerkreises 123 derart, daß das über die Leitung 122 den, Ablenkplatten 42 bis 45 zugeführte Potential gegenüber der Kathode 23 der Ionenquelle 20 negativ ist und seine absolute Größe sich umgekehrt mit dem Neutronenstrom ändert, um eine selbsttätige Ausgangsstenerung zu bewirken.
Die Impulse, die der Einheit 131 zugeleitet werden, entsprechen dem Neutronenstrom, der von - dem Gene rator 14 ausgeht. Nach der Verstärkung in der Stufe 131 werden diese Impulse über einen Leiter 134 des Kabels 17 einem Anzeiger 135 der Oherflächenausriistung 18 zugeführt. Der Anzeigerkreis wird durch eine Erdverbindung 136 vervollständigt, die: auch zu der Abschirmung 108 des Kabels 17 läuft. Der Anzeiger 135 kann beispielsweise einen. Integrator und ein Spitzenspannungsvoltmeter aufweisen, so daß eine fortlaufende Anzeige des Netttronenstro,mes erzielt wird.
Um den Gasdruck innerhalb des Mantels 19 (Fig. 1B) zu steuern, ist der mit einer wasserstoff abgebenden Substanz 84 versehene Faden 83 über seine Leitungen 77 und 78 mit der Sekundärwicklung eines sp aunnngs erniedrigenden Transformators 138 verbunden.. Eine Klemme der Primärwicklung der beiden Transformatoren 137 und 138 ist mit einer Kraftleitung 114, und die zweite Anschlußklemme dieser Transformatoren ist über Leitungen 139 bzw. 140 mit einem Drucksteuerkreis 120 (Fig. 1A) verbunden. Wie in Verbindung mit Fig. 6 genauer beschrieben werden soll, weist der Drucksteuerkreis 120 eine Relaiseinrichtung zur wahlweisen Verbindung einer der Leitungen 139 und 140 mit der Kraftleitung 113 entsprechend dem Strom auf, der in dem Anoden-Kathoden-Kreis der Ionenquelle20 fließt; d. h., wenn dieser Strom infolge eines Ansteigens des Druckes in dem Mantel 19 über einen, ersten Wert ansteigt, wird der Transformator 138 erregt, so. daß durch den Faden. 85 Gas absorbiert wird. Umgekehrt bewirkt ein Druckabfall eine Enterregung des Fadens 85, und wenn der Druck unter einen zweiten Wert sinkt, der niedriger als der erste ist, tritt eine Erregung des Transformators 137 ein, und der Faden 83 sendet Deuterium aus. Ähnliche Formen von Gasdrucksteuersystemen sollen im einzelnen in Verbindung mit Fig. 10 bis 13 beschrieben werden.
Der Teil der Bohrschacht-Untersuchungsvorrichtung, der bisher beschrieben wurde, bezieht sich auf die Erzeugung von Neutronen zur Bestrahlung der Formationen 11. Um eine Untersuchung, z. B. der sich ergebenden Gammastrahlung, zu erreichen, sind Mittel vorgesehen, um den Detektor 15 (Fig. 1 C) zu erregen und eine Kenngröße seiner Ausgangsleistung zu registrieren. Dazu ist eine Wechselstromquelle 150 in der Oberflächenausrüstung 18 mit einem Transformator 151 gekuppelt, dessen einer Anschluß mit der geerdeten Abschirmung 108 und dessen anderer Anschluß über eine isolierende Drossel 152 mit einem Leiter 153 des Kabels 17 verbunden ist. Der Leiter 153 durchquert das Gehäuse 13 und ist mit dem Gehäuse über die in Reihe geschalteten Primär- wicklungen der Transformatoren. 154 und 155 verbunden. Der Transformator 154 ist ein Leistungstransformator für eine Spannungsquelle 156 von üblicher Bauart, deren negativer Ausgangsanschluß mit dem Gehäuse 13 verbunden. ist. Die Spannungsquelle 156 erzeugt die Hochspannung für die Röhre 15, der sie über einen Isolierwiderstand 157 zugeleitet wird Der zweite Anschluß der Röhre 15 ist durch eine Leitung mit dem Gehäuse 13 verbunden.
Die Verbindungsstelle des. Widerstandes 157 mit der Leitung zu der Röhre 15 ist durch einen. Kopplungskondensator 158 mit dem Eingangskreis eines gewöhnlichen Impulsverstärkers 159 verbunden. Der Eingangskreis des Verstärkers wird durch eine Verbindung mit dem Gehäuse 13 vervollständigt, und es wird eine Spannung von der richtigen Höhe zur Betätigung des, Verstärkers von der Spannungsquelle 156 über eine Leitung 160 abgeleitet. Der Transformater 155 ist ein Impulstransformator, dem das Ausgangssignal des Verstärkers 159 zugeleitet wird.
Dieses Ausgangssignal wird an der Oberflächen. ausrüstung 18 durch einen Impulstransformator 161 entnommen. Die Primärwicklung des Transformators ist mit einem Filterglied verbunden, das einen Serienkondensator 162 und eine Nebenschlußdrossel-163 umfaßt, um Spannungen von der Frequenz der Spannungsquelle 150 zu verringern. Die Sekundärwicklung des Umformers ist mit einer Integrier- und Registriereinheit 164 von üblicher Bauart verbunden.
Die Einheit 164 kann beispielsweise aus einer Kapazität zur Entnahme eines Potentials bestehen, das die Zahl der Impulse darstellt, die pro Zeiteinheit zuges leitet werden, und aus einem Registriervoltmeter, dem dieses Potential zugeleitet wird. Der Vorschub der Registriereinrichtung des. Voltmeters erfolgt in iiblicher Weise synchron. mit der Bewegung des GeX häuses 13 durch das Bohrloch 10, so daß eine fortlaufende Untersuchung erreicht wird.
Beim Betrieb wird das Gehäuse 13 in das Bohrloch 10 gesenkt, bevor der Schalter 103 geschlossen wird. Dadurch sind die Arbeiter vor jeder gefahrliehen Strahlung ges,'chützt, die von dem Neutronengenerator 14 durch die Erdformationen' 11 und die Bohrflüssigkeit 12 ausgesendet wird.
Wenn der Schalter 103 geschlossen ist, erregt die Spannungsquelle 115 die Ionenquelle 20 (Fig. 1B), und die Elektronen laufen infolge des Einflusses des Magneten 34 spiralartig von den Kathoden 22 und 23 nach der Anode 26. Auf diese Weise tritt eine starke Ionisierung des Gases innerhalb der Anode 26 auf, und bei der sich ergebenden ununterbrochenen Ionenentladung wird eine große Zahl positiver Ionen des Deuteriums erzeugt.
Infolge der Art, in der die Kathoden 22 und 23 mit dem Spannungsteiler 116 verbunden sind, hat die Kathode 23 gegenüber der Kathode 22 ein negatives Potential, und es tritt ein Ionenstau innerhalb der Ionenquelle 20 in Richtung der Kathode 23 auf. Einige dieser positiven Ionen gehen durch die Öffnung 25 in der Kathode 23, und wenn die Ablenkplatten 42 bis 45 auf einem mittleren Potential liegen, das gegenüber der Kathode 23 negativ ist, werden die Ionen durch diese Platten in Richtung der Sonde 36 gezogen.
Dieser Ionenstrom wird durch das negative Potential der Sonde 36 gegenüher den Ablenkplatten 42 bis 45 unterstützt, und einige Ionen gehen durch die Öffnung 38 in der Sonde. Da die Spannungsquelle 126 ein hohes Potentialgefälle zwischen die Sonde und den Prallkörper 40 bringt, werden die positiven Ionen zu sehr hohen Geschwindigkeiten beschleunigt. bevor sie auf den PrallkölrperstofE 41 auftreffen. Die hoch beschleunigten positiven Deuteriumionen reagieren so mit dem Tritium in dem Pralllrperstoff, und es werden Neutronen mit Energien in der Nähe von 14 Millionen Elektron-Volt erzeugt.
Da die Ionen vor der Beschleunilgung unter dem Einfluß des elektrostatischen Feldes stehen, das durch die Ablenkplatten 42 bis 45 erzeugt wird, trifft der Ionenstrahl auf den Prallkörperstoff 41 nicht nur an einer Stelle auf; vielmehr bewirken die zugeleiteten Spannungen, die in ihrer Phase um 900 verschoben sind, daß der Strahl eine kreisartige Bahn auf dem Prallkörperstoff beschreibt. Durch diese Verteilung des Ionenstrahles über eine größere Fläche des Prallkörpers wird eine örtliche Überhitzung und ein Ausbrennen des Prallkörperstoffes verhütet. Gegebenenfalls kann natürlich auch ein geeigneter Frequenzvervielfacher an Stelle des Phasenschiebers 99 treten, so daß in bekannter Weise Figuren von anderer als kreisartiger Form auf dem Prallkörperstoff 41 beschrieben werden können.
Positive Ionen erzeugen beim Auftreffen auf den Prallkörperstoff 41 Sekundärelektronen, die in der Beschleunigungsstrecke 21 in der der Ionenbahn entgegengesetzten Richtung beschleunigt werden. Die meisten dieser Elektronen gehen durch die Öffnungen 38, 25, 31 und 30, durchqueren die Ionenquelle 20 ohne Zusammenstoß und treffen auf die Kathode 22. Gegebenenfalls kann eine nicht gezeigte Platte aus feuerfestem Werkstoff von niedriger Ordnungszahl, z. B.
Quarz oder Berylliumoxyd, in der Bahn dieser Elektronen an der Platte 22 angeordnet sein. Die Elektronen können so am Auftreffen auf die Kathode 22 gehindert werden, wo sie eine unerwünschte örtliche Erwärmung und Aussendung von absorbierten Gasen verursachen können. Zusätzlich kann eine solche Platte dazu dienen, die mögliche Wiedervereinigung von Elektronen und Ionen an der Oberfläche der Kathode zu verhüten.
Die Neutronen von hoher Energie, die von dem Prallkörperstoft 41 ausgehen, bestrahlen die Erdschichten 11 und den Detektor 127. Ein geringer Teil der einfallenden Neutronen erzeugt Rückstoßprotonen in der wasserstoffhaltigen Verkleidung des Detektors.
Einige dieser Protonen bewirken eine Ionisierung in dem Gas des Detektors, und die sich ergebenden Impulse werden verstärkt und in der Stufe 131 integriert. So wird ein Steuerpotential entwickelt und dem Ausgangssteuerkreis 123 zugeleitet, der das relative mittlere Potential zwischen der Kathode 23 und den Ablenkplatten 42 bis 45 steuert. Wenn der Neutronenstrom ansteigt, wächst die Zahl der Zählimpulse pro Sekunde, und der Ausgangssteuerkreis 123 mindert das Potential zwischen der Ktahode 23 und den Ablenkplatten 42 bis 45, so daß weni.ger Ionen von der Ionenquelle 20 zur Beschleunigungsstrecke 21 gezogen werden und dadurch der Neutronenstrom verringert wird. Umgekehrt bewirkt ein Absinken des Neutronenstromes ein Ansteigen der negativen Spannun.g, die zwischen der Kathode 23 und den Ablenkplatten 42 bis 45 liegt. Auf diese Weise bleibt der Neutronenfluß über einen weiten Bereich verschiedener Arbeitsbedingungen etwa konstant.
Das Steuersystem 120 hat zwei wesentliche Funktionen. An erster Stelle hält es die Ionenkonzentration innerhalb des Plasmas der ständigen lonenentladung in der Ionenquelle 20 im wesentlichen konstant. Dies wird durch die Strombegrenzungsimpedanz (nicht gezeigt), die in Reihe mit der Anode und Kathode der loneuquelle geschaltet ist, erreicht. Wenn daher der Anoden-Kathoden-Strom ansteigen will, verringert der Strombegrenzer das Potential an der Ionenquelle.
Dadurch wird der Ionisierungsstrom vermindert, und die Ionenkonzentration kann nicht ansteigen. Umgekehrt hat ein Ansteigen des Potentials an der Ionenquelle 20 ein Absinken des Stromes zur Folge.
Zweitens, wenn der Gasdruck innerhalb des Mantels 19 unter eine vorgeschriebene Grenze sinkt und der Ionenquellenstrom absinkt, schließt ein nicht gezeigtes Relais des Kreises 120 einen Erregungskreis für den Transformator 137, wodurch der Draht 83 erwärmt wird. Dieser Draht erwärmt den Stoff 84 auf seine Deuterium-Abgabetemperatur. Oberhalb dieser Grenze wird der Draht 83 entregt, und wenn 4er Gasdruck über einen gewählten höheren Wert ansteigt, erregt die Relaiseinrichtung des Kreises 120 den Transformator 138. Auf diese Weise wird der Absorbierdraht 85 auf seine Arbeitstemperatur erwärmt. Es versteht sich, daß der Druck innerhalb des Mantels 19 bei einem gewünschtenWert konstant gehalten werden kann.
Die Pumpe 93 arbeitet ständig, so daß das Gas durch die Röhre 90 in Richtung 94 aus der Beschleunigungsstrecke 21 nach der Ionenquelle 20 gezogen wird. Demzufolge wird der Druck in der Ionenquelle etwas höher als in der Beschleunigungsstrecke gehalten. Dies gestattet eine größere Wirksamkeit bei der Bildung von Ionen in der Ionenquelle, während die Möglichkeit eines Durchschlags in der Beschleunigungsstrecke vermindert wird.
Die Bestrahlung der Formationen 11 durch die in dem Generator 14 erzeugten Neutronen ergibt eine Kernstrahlung, die auf die Detektorröhre 15 auftrifft.
Der Detektor spricht auf Gammastrahlen an und gibt Impulse ab, die in der Stufe 159 verstärkt werden, bevor sie der Integrier- und Registriervorrlchtung der Einheit 164 der Oberflächenausrüstung 18 zugeleitet werden. Es wird daher eine Neutronen-Gammastrahlen-Untersuchung erzielt, die nützliche Informationen hinsichtlich der von dein Bohrloch durchquerten Erdformation gibt. Es können auch andere Arten von Untersuchungen vorgenommen werden. Beispielsweise kann die Röhre 15 ein Proportionalzählrohr sein, das mit einem wasserstoffhaltigen Stoff oder einer Borverbindung ausgekleidet ist. Auf diese Weise kann eine Neutronen-Neutronen-Untersuchung erzielt werden. Darüber hinaus ist unter geeigneten Voraussetzungen eine Kombination von Neutronen-Gammastrahlen- und Neutronen- Neutronen-Untersuchung möglich. Wenn man den Generator impulsweise, beispielsweise durch Steuerimpulse von positiver Polarität in Leitung 122, ansprechen läßt und den Detektor 15 sperrt, kann auch eine Aktivierungsuntersuchung erreicht werden.
Da selbsttätige Steuerungen für den Gasdruck und den Neutronenfluß vorgesehen sind, kann der Neutronengenerator gemäß der Erfindung während eines ganzen Untersuchungsganges zuverlässig betätigt werden. Der Arbeiter braucht sich nicht mit irgendeiner schwilerigen und ständigen Einstellung der Ausrüstung zu befassen.
Auf Grund der besonderen und eigenartigen Bauart des Generators 14 (Fig.2) ist eine verhältnismäßig robuste Konstruktion möglich. Ferner hat der Generator 14 eine so kleine Form, daß er für die länglichen zylind.risch'en Gehäuse mit kleinem Durchmesser geeignet ist, die durch die üblichen mit t)l gefüllten Bohrlöcher hindurchgehen. Der übrige Teil der Bohrloehvorrichtung kann leicht den Größen- und Festigkeitserforderuissen einer Einrichtung angepaßt werden, die durch ein Bohrloch gehen kann.
Daher entspricht die Bohrschacht-Untersuchungsvorrichtung gemäß der Erfindung allen Erfordernissen einer betriebsmäßigen Untersuchung.
Da der Ionenstrahl eine Öffnung durchquert, die durch die Ablenkplatten 42 bis 45 und die Öffnung 38 der Sonde 36 begrenzt wird, können diese Elektroden als elektrostatische Linse arbeiten; So kann durch Einstellung des zwischen der Sonde 36 und den Ablenkplaften 42 bis 45 eingeführten Potentials die Fläche des Ionenstrahles an der Prallkörpe.rschicht 41 so gesteuert werden, daß ein gewünschter Fokus erhalten wird. Zum Beispiel kann der Strahl so zerstreut werden, daß eine verhältnismäßig große Prallkörperfläche mit Deuterinmionen beschossen wird. Auf diese Weise kann die Geschwindiglçeit, mit der sich der Prallkörper an Tritium erschöpft, vermindert werden, im Vergleich mit einem schmalen Strahl, der auf eine kleine Fläche des Prallkörpers auftrifft.
In Fig. 5 ist eine Möglichkeit einer Schaltung dargestellt, die als Ausgangssteuerkreis 123 von Fig. 1 A verwendet werden kann. Die Impulse von der Einheit 131 werden über die Leitung 133 zu einem Impulstransformator 170 geleitet, dessen Sekundärwicklung mit einem Integrator 171 verbunden ist, der ein negatives Potential an einer mit dem Steuergitter einer Elektronenentladungsvorrichtung 173 der Triodenart verbundenen Ausgangs leitung 172 hervorruft. Die zweite Ausgangsleitung 174 des Integrators 171 ist durch einen Kathodensviderstand 175 mit der Kathode der Vorrichtung 173 verbunden. Die Leitung 174 ist auch mit der Leitung 124 verbunden und erstreckt sich daher zu dem negativen Anschluß der Mittelspannungsstromquelle 115 (Fig. 1B). Ein Anodenbelastungswiderstand 176 verbindet die Anode der Vorrichtung 173 mit der Anzapfstelle 117 des Spannungsteilers 116 und bildet dadurch eine Quelle des Anoden-Kathoden-Stromes für die Vorrichtung 173. Die Leitung 122, die zur Anzapfsbelle des Transformators 121 verläuft, ist mit der Verbindungsstelle der Anodenbelastung 176 und der Anodenleitung der Vorrichtung 173 verbunden.
Der Steuerkreis 123 enthält ferner eine weitere Elektronenentladungsvorrichtung 177 nach Triodenart, deren Kathode mit der Kathode der Vorrichtung 173 und deren Anode durch einen Anodenbelastungswiderstand 178 mit der Leitung 125 verbunden ist. Ihr Steuergitter ist mit der beweglichen Anzapfstelle eines Potentiometers 179 verbunden. Der eine Anschluß des Widerstandselementes des Potentiometers 179 ist mit der Leitung 124 und der andere Anschluß durch einen Widerstand 180 mit der Leitung 125 verbunden.
Um die Schaltungsanordnung für den Betrieb einzustellen, wird die positive Gittervorspannung an der Triode 170 mittels dles Potentiometers 179 eingestellt, um einen Anoden-: athoden-Strom zu erhalten, der einen gewünschten Spannungsabfall an dem Kathodenwiderstand 175 zur Folge hat. Da der Widerstand 175 für die Kathodenkreise der Trioden 173 und 177 gemeinsam ist, bildet diese Spannung eine negative Gittervorspannung für die Triode 173. Vorzugsweise ist die Triode 173 für den in Frage kommenden Bereich der ihr zugeleiteten Gitterspannungen so vorgespannt, daß sie praktisch im linearen Teil ihrer Gifterspannungs -Anodenstrom - Charakteristik arbeitet.
Entsprechend den über den Transformator 170 zugeleiteten Impulsen erzeugt der Integrator 171 eine negative Spannung, deren Amplitude proportional der zeitlichen Impulsdichte ist. Demzufolge steigt, wenn die Impuls dichte ansteigt, der absolute Wert der nega- tiven Spannung, die über die Leitungen 172 und 174 dem Gitterkreis der Elektronenröhre 173 zugeführt wird. Als Folge hiervon sinkt der Anodenstrom der Röhre 173, der durch den Anodenwiderstand 176 fließt, und der Spannungsabfall an diesem Widerstand nimmt ab, so daß das Potential zwischen den Leitungen 122 und 125 vermindert wird. Umgekehrt ergibt ein Absinken der Tmpulsdichte ein Absinken der negativen Spannung, die dem Gitterkreis der Vorrichtung 173 zugeleitet wird. Dies bewirkt, daß der Spannungsahfall an dem Anoden-Belastungswiderstand 176 steigt und die Spannung zwischen den Leitungen 125 und 122 anwächst.
Da die Spannung zwischen den Leitungen 122 und 125 den Mittelwert der Spannung zwischen den Ablenkplatten 42 bis 45 und der Kafilodeuplatte 23 bestimmt, versteht es sich, daß di!e mittlere Spannung an den Ablenkplatten mittelbar mit der Intensität des erzeugten Neutroneuflusses schwankt und eine selbsttätige Ausgangssteuerung in der vorher beschriebenen Art und Weise erzielt wird. Der ruhige, stabile Neutronenfluß kann mittels des Potentiometers 179 eingestellt werden.
Gegebenenfalls kann ein dritter nicht gezeigter Draht aus 7,Zirkonium innerhalb des Mantels 19 (Fig. 1 13 und 2) angebracht werden. Dieser Draht kann so eingerichtet sein, daß er bei einer Temperatur von ungefähr 12000 C arbeitet und als Getter dient, indem er mit Gasen chemisch reagiert. Der eben besch riebene Ausgangsstetierkrei 5 kann so abgeändert werden, daß bei einem Absinken der Neutronenfluß-Ausgangsleistung des Generators 14 unter eine vorgeschriebene Grenze der Getterdrabt erregt wird.
Eine Schaltungsanordnung, die als Drucksteuerkreis 120 (Fig. 1 A) geeignet ist, ist in Fig. 6 gezeigt. Dieser Steuerkreis weist einen Dioden-Gleichrichter 185 auf, dessen Kathode 186 mit der Leitung 119 verbunden ist, die zur Anode 26 der Ionenquelle 20 führt. Die Anode 187 ist mit dem Gehäuse 13 verbunden, und ihre Kathode 188 wird von den Speiseleitungen 113 und 114 über einen die Spannung herabsetzenden Transformator 189 erregt. Das Wicklungsverhältnis dieses Abwärtstransformators 189 ist so gewählt daß die Heizspannung für die Diode 185 unter dem normalen Wert liegt. Da die Emission der Diode auf diese Weise begrenzt wird, ist das Strommaximum in dem Anoden-Kathoden-Kreis der Ionenquelle20 und der Diode 185 festgelegt.
Eine Relais spule 190 ist in den Stromkreis zwischen der Anode 187 der Diode 185 und dem Gehäuse 13 eingeschaltet. Dieser Relaisspuie sind zwei gewöhnlich geschlossene Kontakte 191 zugeordnet, die mit der Speiseleitung 113 und der Leitung 139 verbunden sind, die zu dem Transformator 137 führt.
Zwei gewöhnlich geöffnete Kontakte 192 sind mit der Speiseleitung 113 und der Leitung 140 verbunden, die zu dem Transformator 138 führt. Die Kontakte gehören zu einer Relaisspule 193, die im Nebenschluß zu der Diode 185 liegt. Ein Strombegrenzungswiderstand 194 ist in Reihe mit der Spule 193 geschaltet.
Die Arbeitsweise des Stromkreises 120 läßt sich am besten aus Fig. 7 ersehen, bei der die Kurve 198 die Strom-Spannungs-Charakteristik für die Diode 185 und die Kurve 199 die Sp annungs-S trom-Charakteri stik für die Ionenquelle 20 darstellt. Es ist ersichtlich, daß, auch wenn die Spannung an der Diode 185 über die mit E bezeichnete Spannung ansteigen kann, der durch die Diode fließende Strom ziemlich konstant bleibt.
Diese Charakteristik ist nützlich, um die Ionenkonzentration innerhalb der Ionenquelle20 aufrechtzuhalten, ungeachtet der Druckschwankungen, die innerhalb des Mantels 19 auftreten können, wie aus dem folgenden hervorgeht.
Wie aus Fig. 7 ersichtlich, schneidet die Kurve 198 der DiodencharakteriXstik die Belastungslinie 199 für die Ionenquelle 20 bei einer mit V1 bezeichneten Spannung. Demzufolge beträgt der Spannungsabfall an der Diode 185 Vl Volt, und die Spannung an der Ionenquelle 20 kann als Spannung V2, bei der die Belastungslinie 199 die Spannungsachse schneidet. minus V, bestimmt werden. Wenn der Druck innerhalb des Mantels 19 steigt, verschiebt sich die Belastungslinie der Ionenqulelle in die mit 199' bezeichnete Lage. Da die Diode 185 als Strombegrenzer wirkt, schneidet die Belastungslinie 199' die Kurve 198 bei der Spannung V', die höher als die Spannung V1 ist. Mit anderen Worten, der Spannungsabfall an der Diode 185 steigt und der Spannungsabfall an der Ionenquelle 20 sinkt auf den Wert V2-V1,. Da ein Druckanstieg von einem Absinken in der der Ionenquelle 20 zugeleiteten Spannung begleitet ist, bleibt dile Ionenkonzentration im wesentlichen unverändert.
Andererseits verschiebt ein Absinken des Gasdruckes die Belastungsliinie der Ionenquelle in die Lage 199", die die Kurve 198 bei einer Spannung V" schneidet, die kleiner als V1 ist. Da die Spannung an der Ionenquielle 20 dadurch auf den Wert V2.-V1,, steigt, vermindert ein solches Sinken des Druckes die Ionenkonzentration in der Ionenquelle nicht wesentlich.
Solange der in dem Aneden-Kathoden-Kreis der Diode 185 fließende Strom eine Spannung über der Spannung E erzeugt, reicht der Strom durch die Spule 190 aus, um ein magnetisches Feld zu erzeugen das die gewöhnlich geschlossenen Kontakte 191 geöffnet hält. Demzulfolge wird dem Draht 83 kein Strom zugeführt. Gleichzeitig kann die Spannung an der Diode 185 zu gering sein, als das die Spule 193 die gewöhnlich geöffneten Kontakte 192 beeinflußt, die also geöffnet bleiben, und es wird dem Absorhierdraht 85 kein Strom zugeführt.
Wenn aus irgendeinem Grunde der Strom in dem Diodenkreis unter den Wert sinkt, bei dem die Spannung E auftritt, wird die Spule 190 völlig aberregt, und dadurch werden die Kontakte 191 geschlossen und dem Draht 83, d;er, wie vorher ausgeführt, mit Deuterium aussendendem Werkstoff 84 versehen ist, wird Strom zugeleitet. Daher wird Gas ausgesendet, und der Druck in dem Mantel 19 steigt allmählich an.
Der durch die Ionenquelle 20 und die Diode 185 fließende Strom wächst so, bis die Stromstärke erreicht ist, bei dem die Spannung E eintritt. An diesem Punkte wird die Relaisspule 190 wieder erregt. Wenn der Druck in dem Mantel 19 auf einen zuvor gewählten Wert ansteigt, z. B. auf den Wert, bei dem die Spannung V1, erreicht wird, reicht die Spannung an der Diode 185 für das Feld der Spule 193 aus, um die I(ontakte 192 zu schließen, und der Draht 185 wird erregt. Er absorbiert Gas, und wenn der Druck sinkt, wird die Spule 193 entregt. Es wird also durch den Steuerkreis 120 eine selbsttätige Drucksteuerung gebildet.
Natürlich kann gegebenenfalls ein dritter, nicht gezeigter Draht, der chemisch mit Gasen reagiert, mit dem Draht 85 parallel geschaltet sein und als Getter arbeiten.
In Fig, 8 sind die Einzelheiten der lonenpumpe 93 dargestellt. Sie weist eine Anzahl ringförmiger Elektroden 200 auf, die durch jeweils eine von einer Anzahl von Leitungen 201 in Längsabständen voneinander innerhalb des Rohres 90 gehalten werden.
Die betreffenden Leiter gehen durch die Wand des Rohres 90 hindurch und sind darin eingeschmolzen oder eingedichtet. In dieser Weise kann eine elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Ringen 200 und jeweils einem von einer Anzahl aufeinanderfolgendferAnzapfungen 202 eines Spannungsteilers 203 hergestellt werden, dessen einer Anschluß 204 mit dem Gehäuse 13 und dessen anderer Anschluß 205 mit dem negativen Anschluß der Mittelspannungsquelle 115 verbunden ist. Natürlich kann eine beliebige Anzahl von Ringen 200 zusammen mit einer entsprechenden Zahl von Anzapfungen 202 an dem Spannungsverteiler 203 verwendet werden.
Innerhalb des Rohres 90 wird eine stabartfge axiai verlaufende Elektrode 206 durch Endverbindungen 207 und 208 getragen, von denen 207 mit dem Anschluß 204 verbunden ist, so daß die Elektrode 206 ein positives Potential gegenüber allen Ringelektroden 206 hat.
Um die Außenwand des Rohres 90 ist ein Solenoid 209 so gewickelt. daß es räumlich getrennt und elektrisch isoliert von allen Leitungen 201 liegt. Das Solenoid 209 kann eine beliebige Anzahl von Lagen aufweisen. Der Einfachheit der Darstellung wegen ist nur eine Schicht gezeigt. Eine seiner Endleitungen ist an dem Anschluß 204 mit Erde und die gegenüber liegende Endleitung ist mit dem positiven Anschluß der Spannungsquelle 132 verbunden. Dadurch kann das Solenoid erregt werden, und es erzeugt ein axiales magnetisches Feld innerhalb des Rohres 90.
Die von der Stabelektrode 206 ausgehenden Elektronen werden durch das den Ringelektroden 200 erteilte positive Potential nach diesen zu beschleunigt.
Als Folge des Einflusses des durch das Solenoid 209 erzeugten magnetischen Feldes bewegen sich diese Elektronen in spiraligen Bahnen zu den Ringelektroden und es treten ionisierende Zusammenstöße mit den Gasmolekülen auf. Die ElJektrodenabstände und Spannungen werden so gewählt, daß eine starke Ionisierung gefördert wird, und da die Spannung der Ringelektroden 200 in Richtung vom unteren zum oberen Ende der Pumpe 93 aufeinanderfolgend einen höheren negativen Wert hat, werden die positiven Ionen in Richtung des Pfeiles 94 gedrängt. Demzufolge wird Gas in Gestalt positiver Ionen transportiert zusätzlich zu der Strömung neutraler Moleküle, die einfach infolge der Strömung der positiven Ionen erfolgt.
Häufig kann ein ausreichender Ionenstrom aus dem oberen Ende des Rohres 90 in den Mantel 19 hinein vorhanden sein, so daß die Ionenquelle 20 nicht notwendig ist. Folglich dient die Pumpe 93 sowohl als Pumpe wie auch als Ionenquelle und verbessert dadurch die Ausbeute der Ionenerzeugung. Die Ausschaltung der Ionenquelle 20 vereinfacht natürlich die Gesamtkonstruktion des Neutronengenerators 14 erheblich.
Der Schnitt nach Fig. 9 zeigt die inneren Einzelteile der Überwachungs-Detektorröhre 127 dar. Die Röhre weist eine äußere Elektrodenhülie 210 auf, die aus einem Zylinder aus elektrisch leitendem Stoff, z. B. dünnem Stahl, besteht, der für Neutronen durchlässig ist. Die Hülle 210 ist von einer isolierenden Muffe 211 umgeben, die ebenfalls für Neutronen durchlässig ist. Beispielsweise kann ein Fluorkohlenstoff, gewöhnlich als Teflon bezeichnet, für diesen Zweck verwendet werden.
Eine stabförmige Elektrode 22 liegt koaxial innerhalb der Hülle 210, und die Hülle ist verschlossen und mit Argon oder einer geeigneten Kombination von Argon und Methangasen gefüllt.
Damit der Detektor 127 Richtungseigenschaften hat, ist eine Schicht aus wasserstoffhaltigem Material 213, z. B. Polyäthylen, auf der Innenfläche der Hülle 210 angebracht. Diese Schicht erstreckt sich über weniger als die Hälfte des Umfanges der Hülle an deren einer Seite in der Nähe des Neutronengenerators 14. Um die Temperaturabhängigkeit der Polyäthylenauskleidung zu verbessern, kann diese vor dem Einsetzen des Detektors 127 in das Gehäuse einer intensiven Bestrahlung ausgesetzt werden.
Beim Betrieb bewegen sich einige der schnellen Neutronen, die von dem Generator 14 ausgesendet werden, in der Richtung des Pfeiles 214 und dringen in das wasserstoffhaltige Material 213 ein. Einige von ihnen reagieren mit dem genannten Stoff und erzeugen Rückstoßprotonen, die eine lonisierung des Gases innerhalb der Hülle 210 verursachen. So werden durch den Detektor 127 dem erzeugten Neutronenfluß entsprechend Impulse hervorgebracht.
Andererseits dringen Neutronen von hoher Energie, die von den Formationen 11 oder von der Flüssigkeit 12 des Bob-rloches 10 herkommen, in dlen Detektor in einer anderen Richtung als 214, nämlich in einer der Richtungen 215, 216 oder 217 ein. Da der Teil des Detektors, auf den diese Neutronen treffen, nicht mit wasserstoffhaltigem Material versehen ist, werden keine Rückstoßp rotonen erzeugt. Außerdem haben, nachdem die Neutronen den Innenraum des Detektors durchquert haben und auf die wasserstoffhaltige Schicht 213 aufgetroffen sind, alle sich ergebenden Protonen eine maximale Bewegungsenergie, die vol: dem Gas innerhalb der Hülle 210 fortgerichtet ist, und lösen daher den Detektor nicht aus. Es versteht sich somit, daß der Detektor 127 richtungsempfindlich ist und derAusgangssteuerkreis 123 nur auf die Neutronen anspricht, die von dem Neutronengenerator 14 ausgesendet werden.
Gegebenenfalls kann innerhalb des Gehäuses 13 an der dem Detektor 127 gegenüberliegenden Seite des Generators 14 eine Schicht aus wasserstoffhaltigem Material angebracht sein, so daß Neutronen mit hoher Energie, die aus den Formationen an der gegenüberliegenden Seite des Bohrloches zurückkehren, absorbiert werden können, um zu verhüten, daß sie gezählt werden.
Um eine symmetrische Beschießung der Erdformationen durch die von dem Aufprallkörper 40 des Generators 14 ausgesendeten Neutronen zu erreichen, kann der tÇblennrachungscl!etektor 127 iiber oder unter dem Generator angebracht sein. Bei einer solchen Anordnung können natürlich geeignete Schirme aus wasserstoffhaltigem Material für den Detektor vorgesehen sein.
An Stelle von Polyäthylen in der Schicht 213 kann auch Zirkonium verwendet werden, in dem Wasserstoff absorbiert ist. Dies ist möglich, da die Bindung des Wasserstoffes an Zirkonium bei hohen Temperaturen stabil ist.
Um eine andere Art von Untersuchung zu erzielen, kann der Überwachungsdetektor 127 auch anders ausgeführt und innerhalb eines Schuhes angebracht werden, der gegenüber dem Gehäuse 13 eine Vorspannung hat, so daß er an der Seitenwand des Bohrloches gehalten wird. Ein solcher Überwacbungsdetektor wird in bekannter Weise so angeordnet, daß er nur auf die thermischen Neutronen anspricht, die an der Seitenwand aus den Erdformationen kommen.
Da der erzeugte Fluß von Neutronen hoher Energie unter der Steuerung des Überwachungsdetektors steht, wird der Fluß thermischer Neutronen an der Seiten- wand des Bohrloches auf einem gewünschten konstanten Wert gehalten. Demzufolge werden die Wirkungen der Bohrflüssigkeit und der Durchmesseränderungen des Bohrloches bei der mittels des Detektors 15 durchgeführten Untersuchung auf ein Geringstmaß herabgesetzt.
Gegebenenfalls kann auch ein weiterer richtung abhängiger Zähler 127 an Stelle des Detektors 15 verwendet werden, um unbeeinflußt von den Neutronen aus dem Generator 14 die Neutronen von hoher Energie zu zählen, die aus den Erdformationen zurückkehren. Auf diese Weise kann eine Untersuchung mit schnellen Neutronen durchgeüNhrt werden.
Eine andere Prallkörperbauart mit einer Schicht eines Metallhydrids, dessen Schmelzpunkt höher ist als der Schmelzpunkt des Metalls selbst, beruht auf einer Kovar-Basis. In diesem Falle wird Lithiumhydrid verwendet. Das Lithium wird auf ein Grundmetall im Vakuum aufgedampft und darauffolgend Tritium eingeführt, wobei das Lithium mäßig erwärmt wird. Dieses Hydrid hat einen höheren Schmelzpunkt als die gewöhnliche Arbeitstemperatur des Prallkörpers. Wenn jedoch infolge der Reaktionen mit aufprallenden Neutronen unter Erzeugung von Neutronen Wasserstoff (Tritium) aus dem Prallkörper entfernt wird, verbleibt Lithium. Der Dampfdruck des verbleibenden Lithiums bei der üblichen Prallkörpertemperatur und dem Druck in der Hülle ist so, daß es aus dem Prallkörper verdampft und dadurch eine frische Hydridfläche frei wird. Die Menge des verdampften Metalls ist, verglichen mit dem Gewicht des Prallkörpers, äußerst gering. Daher hat seine Ansammlung auf der Innenwand der Glashülle und den Außenflächen metallischer Bauteile keinen unerwünschten Einfluß auf die Arbeitsweise des Neutronengenerators.
Es ist somit klar, daß während des Betriebs des Neutronengenerators in dem Maße, wie Tritium verbraucht wird, ständig frisches Hydrid freigelegt und daher eine hohe Wirksamkeit für lange Zeitspamlen aufrechterhalten wird.
An Stelle von Lithium können bei dieser Prallkörperbauart auch andere Metalle mit den gewünschten Eigenschaften verwendet werden, z. B. andere Alkalimetalle, wie Kalium, Natrium, Rubidium und Cäsium, die niedrigere Schmelzpunkte haben als ihre Hydride und daher geeignet sind.
Gegebenenfalls kann eine Hilfselektrode dem Prallkörper 40, 41 beigeordnet und mit einem Potential von negativer Polarität gegenüber dem Prallkörper versehen werden, was z. B. durch einen Vorspannungswiderstand in Reihe mit dem Prallkörper erreicht werden kann. Diese Elektrode unterdrückt das Entstehen von Sekundäreiektronen an dem Prallkörper, und bei der Ausführung der Erfindung mit Lithium im Prallkörper dient sie als Auffangkörper für das Lithium, das bei den Deuterium-Tritium-Reaktionen frei wird.
Ferner kann eine Kühlung des Prallkörpers durch Einführen einer nicht gezeigten Röhre in den konischen Teil 86 der Hülle an einer Stelle nahe der Kappe 40 vorgenommen werden. Ein Kühlmittel, z. B.
Druckluft, kann der Kappe 40 durch die Röhre zugeleitet werden, und das Kühlmittel kann dann auf seinem Wege zu einer geeigneten nicht gezeigten Wärmeübertragungsvorri chtung zwischen der Außenfläche der Röhre und dem Teil 86 hindurchgehen.
Es können natürlich von der Einrichtung innerhalb des Gehäuses 13 den Anzeigevorrichtungen an der Erdoberfläche durch die üblichen Multiplexschaltungen zusätzliche Informationen zugeführt werden, ohne daß die Verwendung von mehr Leitern in dem Kabel 17 erforderlich ist. Beispielsweise kann ein Detektor für langsame Neutronen vorgesehen sein, so daß gleichzeitig Neutronen - Gamma- und Neutronen-Neutronen-Untersuchungen vorgenommen werden können. Auch kann ein geeignetes Voltmeter zum Feststellen der Ausgangsspannung der Spannungsquelle 126 vorgesehen sein. Insbesondere kann ein Zeitteiler für den Multiplexbetrieb verwendet werden, oder es kann ein »Phantom«-Kreis zwischen die Kabelleiter 134 und 153 und Erde eingeschaltet werden. Auch kann eine abgeglichene »Phantom«-Anordnung durch Verwendung der Leiter 134 und 153 und der Leiter 104, 106 und 105, 107 vorgesehen sein.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Neutronen - Erzeugungssystem mit einem Prallkörper, der zur Erzeugung von Neutronen ein mit Elementarteilchen reagierendes Element enthält, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Element in einer Verbindung mit einem zweiten Element enthalten ist, welches nach den die Neutronen erzeugenden Reaktionen zurückbleibt, und die Verbindung einen Schmelzpunkt hat, der höher ist als die Arbeitstemperatur des Prallkörpers (40), und das zweite Element einen Schmelzpunkt, der niedriger ist als die erwähnte Arbeitstemperatur.
2. Neutronen-Erzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung ein Metallhydrid und das erste, das Hydrid bildende Element ein Isotop des Wasserstoffs ist.
3. Neutronen-Erzeugungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Lithium ist.
4. Neutronen-Erzeugungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Prallkörper (40) in ein Gehäuse (13) eingeschlossen ist, das ein ionisierbares Gas enthält, und die reagierenden Elementarteilchen aus Ionen dieses Gases bestehen und das System Mittel aufweist, um Ionen dieses Gases abzuleiten und die abgeleiteten Ionen nach dem Prallkörper hin bis zu einer Geschwindigkeit zu beschleunigen, die ausreicht, um die Neutronen erzeugenden Reaktionen hervorzurufen.
5. Neutronen-Erzeugungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Ableitung der Ionen aus einem Elektrodenpaar bestehen, das innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, und Mittel zur Zuführung einer elektrischer Spannung zu dem Elektrodenpaar vorgesehen sind, und ferner das System eine Stromkonstanthalteeinrichtung aufweist, die in Reihe mit den Elektroden geschaltet ist.
6. Neutronen-Erzengungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkonstanthalteeinrichtung eine in ihrer Emissionsfähigkeit begrenzte Elektronen-Entladungsvorrichtung ist.
7. Neutronen - Erzeugungssystem nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine steuerbare Quelle des erwähnten Gases, die mit dem Gehäuse in Verbindung steht, und eine Steuerung, die mit dieser Gasquelle verbunden und elektrisch mit der Stromkonstanthalteeinrichtung gekuppelt ist, um die Abgabe von Gas aus der Quelle entsprechend einer gewählten elektrischen Einstellung an der Vorrichtung zu steuern.
8. Neutronen-Erzeugungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine steuerbare Gasabsorptionsvorrichtung mit dem Gehause in Verbindung steht und die Steuervorrichtung die Absorption des Gases durch die genannte Vorrichtung steuert.
9. Neutronen - Erzeugungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Ableitung von Ionen zwei Elektroden umfassen. die in dem Gehäuse angeordnet sind, und das System ferner einen Stoff enthält, der das genannte Gas bei einer gewählten Temperatur aussendet und im wesentlichen von einer der Elektroden eingeschlossen ist, und Mittel vorhanden sind, um den Elektroden ein elektrisches Potential zuzuführen sowie Mittel zum Erhitzen des Stoffes auf die gewählte Temperatur zur Steuerung seiner Gasabgabe.
10. Neutronen - Erzeugungssvstem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus einem Teil besteht, der eine Ionenquelle darstellt, und einem Teil, der eine Beschleunigungsstrecke bildet, und das System ferner eine Leitung enthält. die eine durchströmbare Verbindung zwischen dem Ionenquellenteil und dem Beschleunigungsstreckenteil des Gehäuses bildet.
11. Neutronen-Erzeugungssystem nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine mit der Leitung zur Bewirkung eines Fließens des Gases durch die Leitung in Richtung von der Beschleuniguugsstrecke zu der Ionenquelie in Verbindung stehende Pumpe.
12. Neutronen - Erzeugungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumple einen Entladungsraum, mehrere entlang einer Bahn durch diesen Raum verteilte Elektroden und Mittel enthält, um in dem Raum eine elektrische Entladung zu erzeugen und die Elektroden zu erregen, damit sie den erwähnten Gasfluß hervorrufen.
13. Neutronen-Erzeugungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beschleunigte Ionen in einem Strahl auf den Prallkörper gerichtet werden und ein Ablenksystem so angeordnet ist, daß es vor der Beschleunigung von Tonen wirksam wird, um die Stelle zu wählen, an weicher der Strahl auf den Prallkörper trifft, und Mittel vorhanden sind, um dem Ablenksystem ein Ablenksignal zuzuführen zum Zwecke der Änderung der Stellung des Strahles in einer vorher gewählten Weise.
14. Neutroiien-Erzeugungssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Ablenken der Ionen und zu ihrer Beschleunigung aus einer ersten und einer zweiten Elektrodeneinrichtung bestehen und das Ablenksystem die Form von Elektroden hat, die zwischen der ersten und der zweiten Efektrodeneinrichtung angeordnet sind, und das System ferner Mittel aufweist, um zwischen den Ahlenkelektroden und einer der erwähnten ersten und zweiten Elektrodeneinrichtung ein Steuerpotential zuzuführen, um eine bestimmte Kenngröße des Strahles in einer vorher gewählten Art einzustellen.
15. Neutronen-Erzeugungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet. daß das Steuerpotential zwischen der Ablenkelektrode und der ersten Elektrodeneinrichtung zugeführt wird, so daß die Strahldichte eingestellt wird.
16. Neutronen - Erzeugungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerpotential zwischen den Ablenkelektroden und der zweiten Elektrodenei.nrichtung zugeführt wird, so daß der Strahlquerschnitt in der Nähe des Prallkörpers eingestellt wird.
17. Neutronen-Erzeugungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerpotential eine Höhe hat, die dem Neutronenfluß entspricht, der an dem Prallkörper erzeugt wird, so daß dieser Neutronenfluß geregelt wird.