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Verfahren zum Bestimmen der Natur der von einem Bohrloch durchteuften
Erdschichten und Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens I)ie Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Bestimmen der Natur der von einem Bohrloch durchteuften Erdschichten
mittels einer in das Bohrloch absenkbaren Neutronenquelle und Messung der in den
Erdschichten durch die ausgesendeten Neutronen ausgelösten Gammastrahlen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kennzeichnet sich dadurch, daß die
Koinzidenzen ausgelöster Gammastrahlen aufgenommen und aus der Zahl der Koinzidenzen
Rückschlüsse auf das Vorhandensein bestimmter Elemente in den Erdschichten gezogen
werden.
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Die zur Ausführung des Verfahrens bestimmte Vorrichtung kennzeichnet
sich durch mehrere Detektoren für Gammastrahlen, in deren jedem ein ankommender
Gammastrahl einen Stromstoß erzeugt, und durch einen Koinzidenzstromkreis, der auf
die Stromstöße aus diesen Detektoren anspricht und so angeordnet ist, daß er ein
Signal auslöst, sobald eine vorbestimmte Zahl von Stromstößen der einzelnen Detektoren
in Koinzidenz sind.
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Durch ständiges Durchführen dieser Messungen in verschiedenen Tiefen
des Bohrloches können Tabellen hergestellt werden, die die Veränderungen in den
Relativmengen der einzelnen leichteren und schwereren Elemente, die in den Erdschichten
in verschiedenen Tiefen vorhanden sind, wiedergeben.
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Es sind bereits viele Messungen mit Strahlungen und besonders Gammastrahlungen
ausgeführt worden.
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Diese Gammastrahlungen rühren für gewöhnlich von natürlichen radioaktiven
Stoffen her, die in den Erdschichten vorhanden sind, oder sie rühren von der Wirkung
von Bestrahlungen der Erdschichten mit einem Strom von Neutronen her. Das Messen
dieser Strahlungen ist bei dem Erforschen von geologischen Lagerstellen vorteilhaft.
In vielen Fällen hat das Messen der von diesen geologischen Erdschichten ausgehenden
Strahlungen oder das Messen von Strahlungen aus aus dieser Erdschicht entnommenen
Proben wertvolle Tnformationen über die Natur dieser Erdschichten ergeben. Um nur
ein bestimmtes Beispiel zu erwähnen sei ausgeführt, daß eine Ionisationskammer,
entweder allein oder zusammen mit einer Neutronenquelle, in ein Bohrloch eingesenkt
worden ist und dann Messungen an verschiedenen Ebenen von aus den Erdschichten austretenden
Gammastrahlungen vorgenommen worden sind. Diese Messungen zeigten, wenn sie mit
den Messungen der Tiefe, in der sie aufgenommen wurden, abgestimmt wurden, genau
die Zusammenhäncre zwischen den verschiedenen Erdschichten an und geben auch gute
Hinweise über die Art der jeweiligen Schichten.
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Es geniigt jedoch nicht, lediglich eine Messung der gesamten Gammastrahlung
zu erhalten, die sich in einer bestimmten Schicht, Formation oder Prohe hefindet.
In vielen Fällen ist die Gesamtgröße der Strahlung für mehrere Schichten gleich
groß, obgleich die Schichtbildungen und die Proben in ihrer Natur weit voneinander
abweichen. Es ist daher erwünscht, eine bestimmtere Information über die Strahlung
zu erhalten, die in der jeweilig unter Beobachtung stehenden geologischen Formation
auftritt.
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Die Erfindung beruht auf der bekannten Tatsache, daß in den an das
Bohrloch angrenzenden Erdschichten eine nukleare Erregung oder Kernerregung mittels
einer Neutronenquelle bewirkt wird, die in das Bohrloch gesenkt und diesen Erdschichten
nahegebracht wird. Die von dieser Quelle in die Erdschichten eintretenden Neutronen
halten zahlreiche Zusammenstöße, so daß ihre Geschwindigkeit langsam abnimmt und
sie schließlich von den in den Formationen vorhandenen verschiedenen Elementen absorbiert
werden. Es ist bekannt, daß jeder dieser Kerne nach der Aufnahme eines Neutrons
eine Kernverbindung in einem hocherregten Zustande bildet und daß diese Kernverbindung
zum ursprünglichen Zustand unter Ausstrahlung eines Gammastrahles oder mehrerer
Gammastrahlen zurückkehrt. Die Bildungsenergie einer Keruverbindung hängt von der
Eigenart des ursprünglichen Kernes, der das Neutron aufnahm, ab und schwankt ungefähr
zwischen 6 und ß MeV. Die einzige Ausnahme bildet der Wasserstoff, der nach der
Aufnahme des Neutrons eine Kernverhindung bildet, die eine Bildungsenergie von etwa
2,3 MeV hat.
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Die Erfindung beruht nun auf der Entdeckung, daß nicht alle Kernverbindungen
ihre Bildungsenergie in
der gleichen Weise verlieren und daß in
dieser Hinsicht das Verhalten von leichteren Kernen und schwereren Kernen unterschiedlich
betrachtet werden muß.
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Ein leichter Kern zerfällt nach dem Einfangen eines Neutrons auf dem
Grunde in einer einzigen Stufe, bei Abstrahlung nur eines einzigen Gammastrahls
oder einer demgemäßen in Lichtquanten ausdrückbaren Energie, wobei die in solchen
Lichtquanten meßbare Energie die gesamte Bildungsenergie der Kernzusammensetzung
darstellt. Bei einem schweren Kern dagegen wird die gesamte Bildungs energie nicht
in Form eines einzigen Quants abgegeben, sondern es werden üblicherweise verschiedene
Quanten gleichzeitig ausgestrahlt. Um das Verhalten eines schweren Kernes zu verstehen,
wird ein bestimmtes Beispiel gegeben und angenommen, daß dieser Kern nach der Aufnahme
eines Neutrons eine Keinverbindung ergibt, die eine Bildungsenergie von 7 MeV hat.
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Diese Kernverbindung zerfällt zuerst zu einem Zwischenzustand mit
einer Bildungsenergie von 6 wies. Sie strahlt dabei einen Gammastrahl aus, der eine
Energie hat, die gleich dem Unterschied zwischen dem ursprünglichen Energieniveau
von 7 MeV und dem neuen Energieniveau von 6 MeV ist. Dann kann der Zwischenkern
zu einem noch niedrigeren Energieniveau fallen, das eine Energie von 4 MeV hat,
wobei ein zweiter Gammastrahl emittiert wird, der eine Energie von 2 MeV aufweist.
Diese Energie stellt den Unterschied zwischen dem vorhergehenden Energieniveau von
6 MeV und dem neuen Energieniveau von 4 MeV dar. Nachdem das neue Energieniveau
von 4 MeV erreicht worden ist, kann die Keruverbindung durch Emittieren eines Gammastrahles
von 4 MeV weiter zerfallen. Der Verlust der Bildnngsenergie erfolgt also nicht in
einer einzigen Stufe, wie im Falle eines leichten Elementes, sondern es sind drei
Stufen für die Kernverbindung erforderlich, um durch zwei Energiezwischenniveaus
in den ursprünglichen Zustand zurückzufallen, wobei jeder Schritt von dem Ausstrahlen
eines Gammastrahles begleitet wird. Diese drei Stufen erfolgen für gewöhnlich praktisch
gleichzeitig, so daß eine praktisch gleichzeitige Emission von drei Gammastrahlen
mit Energien von 1, 2 und 4 MeV auftritt.
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Es ist also offensichtlich, daß zwischen leichten Kernen und schweren
Kernen der Erdschicht dadurch unterschieden werden kann, daß das Verhalten der Kerne
nach der Aufnahme von Neutronen bestimmt wird. Nach der Aufnahme eines Neutrons
sendet ein leichtes Element nur einen einzigen Gammastrahl aus, dessen Energie die
gesamte Bildungsenergie der Kernverbindung darstellt. Nach der Aufnahme eines Neutrons
strahlt ein schweres Element praktisch gleichzeitig in Reihe zwei oder mehr Gammastrahlen
aus, deren gesamte Energie die Bildungsenergie der Kernverbindung darstellt. In
diesem Zusammenhange sei erwähnt, daß je schwerer das Element, desto mehr Gammastrahlen
entsprechend der Aufnahme eines einzigen Neutrons ausgestrahlt werden. Die Zahl
der infolge einer Neutronaufnahme gleichzeitig ausgestrahlten Gammastrahlen kann
infolgedessen als Hilfe zur Bestimmung der Aufnahmeelemente dienen. Da die Erdschicht
viele Elemente enthält, werden bei der Bestrahlung durch Neutronen eine große Zahl
von Gammastrahlen erhalten, die sich aus der Rückkehr der verschiedenen Kernverbindungen
zu ihren ursprünglichen Zuständen ergeben. Einige dieser Gammastrahlen treten koinzidierend
auf, d. h. zwei oder drei Gammastrahlen werden zur gleichen Zeit emittiert. Diese
Koinzidenzen ergeben sich aus dem Vorhandensein von
schweren Elementen und die Doppel-,
Dreifach- und Vierfachkoinzidenzen werden durch die immer schwerer werdenden Elemente
hervorgerufen. Die Gammastrahlen, die nicht koinzidierend auftreten, rühren von
den in der Erdschicht vorhandenen leichteren Elementen her.
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Zum weiteren Verständnis der Lehren der Erfindung, insbesondere der
Anwendung dieser Lehre und der mit der Erfindung erzielten zahlreichen Vorteile
wird nachstehend eine bestimmte Vorrichtung an Hand der Zeichnung, die schematisch
ein Bohrloch darstellt, das geologische Schichten der Erde durchdringt, und eine
Anordnung zum Messen von Koinzidenzen beschrieben, die aus Neutronenbestrahlungen
der Erdschichten in verschiedenen Tiefen innerhalb des Bohrloches entstehen.
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Das Bohrloch 9 durchdringt die zu erforschende Erdschicht und ist
in üblicher Weise mit einem rohrförmigen Metallgehäuse 10 ausgekleidet. Zum Erforschen
der Erdschicht längs des Bohrloches wird eine Vorrichtung verwendet, die aus einem
Gehäuse 11 be steht, das mittels eines Kabels 12 in das Bohrloch 9 gesenkt wird.
Das Kabel 12 enthält vorzugsweise isolierte Leitungen. Das Kabel 12 hat eine Länge,
die etwas größer als die Tiefe des zu erforschenden Bohrloches ist. und ist für
gewöhnlich um eine Trommel 13 gewickelt, die oberhalb der Bohrlochöffnung aufgestellt
ist. Das Kabel 12 kann von der Trommel 13 abgewickelt werden, um die Erforschungsvorrichtung
in das Bohrloch 9 zu senken, und kann auf die Trommel 13 wieder aufgewickelt werden,
um die Erforschungsvorrichtung in dem Bohrloch zu heben.
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Um jederzeit die Tiefe der Erforschungsvorrichtung innerhalb des
Bohrloches 9 bestimmen zu körben, berührt das Kabel 12 oberhalb des Bohrloches eine
Meßwalze 14, die auf dem Kabel 12 so abrollt, daß die Zahl der Umdrehungen der Meßwalze
14 der Kabellänge entspricht. die an der WIeßwalze 14 in beiden Richtungen vorbeibewegt
worden ist. Die Walze 14 ist auf einerWelle15 hefestigt. Die Drehung der Walze 14
und der Welle 15 wird über einen Getriebekasten 16 auf eine Welle 17 übertragen,
die mit der Aufwickelspule 18 durch Getriebe verbunden ist und einen photographischen
Film 19 von einer Vorratsspule 20 auf die Aufwickelspule 18 wickelt.
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In der dargestellten Ausführung ist das Gehäuse der Erforschungsvorrichtung
in drei Kammern 21, 22 bzw. 23 unterteilt. In der Kammer 21 befindet sich ein vollwandiger
Träger 24, auf den eine geeignete Neutronenquelle 25 aufgestellt ist, beispielsweise
ein Radium-Beryllium-Präparat, das in einem Behälter aus geeignetem Material, beispielsweise
Glas, eingeschlossen ist. An Stelle des Radium-Beryllium-Präparates kann die Neutroneuquelle
beispielsweise aus einer Entladungsröhre bestehen, die eine Beryllium-oder Lithiummasse
mit Deuteronen bombardiert, wodurch in bekannter Weise Neutronen erzeugt werden.
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Die Neutronenquelle 25 liegt innerhalb eines Mantels aus einem Material,
beispielsweise Blei, das die Neutronenstrahlen vollständig oder zum größten Teil
hindurchtreten läßt.
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Die Kammer 22 enthält vier Detektoren 30, 31, 32 bzw. 33. Jeder Detektor
ist ein Szintillationszähler und besteht aus einem fluoreszierenden Körper in Verbindung
mit einer lichtelektrischen Zelle. Die in den Detektoren 30, 31, 32 bzw. 33 vorhandenen
fluoreszierenden Körper sind mit 40, 41, 42 bzw. 43 und die entsprechenden lichtelektrischen
Zellen mit 50, 51, 52 bzw. 53 bezeichnet. Die fluoreszierenden Körper wandeln die
ankommenden Gammastrahlen in Lichtimpulse
um, die anschließend
auf die zugehörigen lichtelektrischen Zellen auftreffen, welche an eine zweckdienliche
Spannungsquelle angeschlossen sind.
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Es wird auf diese Weise an den Ausgangsklemmen jedes Detektors ein
elektrischer Stromstoß erhalten, der zeitlich mit der Ankunft eines Gammastrahles
zusammenfällt. Die fluoreszierenden Körper können aus Anthracen oder irgendeinem
anderen Stoff bestehen, der bei der Belichtung mit Gammastrahlung ein ultraviolettes
Licht ausstrahlt, beispielsweise aus Glas mit einer 1'0/obigen Lösung von p-Terphenyl
in m-Xylol.
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Die lichtelektrischen Zellen haben Kathoden mit einer lichtempfindlichen
Oberfläche aus Cäsium oder wahlweise eine Oberfläche, die nur auf Strahlungen im
ultravioletten Bereich anspricht. In dem letzterwähnten Falle wird die lichtempfindliche
Fläche aus Nickel hergestellt, da Nickel eine höhere Elektronenaustrittsarbeit als
Cäsium hat.
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An Stelle der Szintillationszähler können die Detektoren 30, 31,
32, 33 durch andere hochwirksame Gammastrahienzähler, beispielsweise Kristallzähler
oder Geigerzähler von sehr hoher Leistung ersetzt werden.
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Die Kammer 23 enthält die Verstärker 60, 61, 62, 63, die Koinzidenzstromkreise
64, 65, 66 und einen Antikoinzidenzstromkreis 67. Die Verstärker 60, 61> 62,
63 sind mit den Detektoren 30, 31, 32, 33 verbunden. Der Doppelkoinzidenzstromkreis
64 hat zwei Paare von Eingangsklemmen. die mit den Ausgängen der Verstärker 60,
61 verbunden sind und an den Ausgangsklemmen einen Stromimpuls erzeugen, wenn die
zu den Verstärkern 60, 61 geführten Stromimpulse gleichzeitig oder in Koinzidenz
stattfinden. Der Dreifachkoinzidenzstromkreis 65 hat drei Paare von Eingangsklemmen.
die mit den Ausgangsklemmen der Verstärker 60, 62, 63 verbunden sind, und kann an
seinen Ausgangsklemmen einen Stromstoß erzeugen, wenn die von den Verstärkern 60,
62, 63 gelieferten Stromstöße gleichzeitig auftreten. Der Vierfachkoinzidenzstromkreis
66 hat vier Paare von Eingangsklemmen, die mit den Ausgangsklemmen der Verstärker
60, 61, 62 bzw. 63 verbunden sind, und kann an den Ausgangsklemmen einen Stromstoß
erzeugen, wenn die von den Verstärkern 60, 61, 62, 63 gelieferten Stromstöße gleichzeitig
auftreten. Der Antikoinzidenzstromkreis 67 hat vier Paare von Eingangsklemmen, die
mit den Ausgangsklemmen der Verstärker 60, 61, 62, 63 verbunden sind, und kann an
seinen Ausgangsklemmen einen Stromstoß erzeugen, sobald ein von einem der Verstärker
60, 61, 62, 63 gelieferter Stromkreis nicht mit einem anderen Stromstoß, der von
einem dieser Verstärker geliefert wird, zusammenfällt.
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Die Doppel-, Dreifach- und Vierfachkoinzidenzstromkreise 64, 65,
66 und der Antikoinzidenzstromkreis 67 sind bekannt und sind bereits in der Literatur
beschrieben worden. Hierzu wird beispielsweise hingewiesen auf Curran und Craggs,
»Counting Tubes«, Butterworth's Scientific Publications, London, 1949, S. 134, 135.
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Die Ausgangsleistungen der Koinzidenzstromkreise 64, 65, 66 und des
Antikoinzidenzstromkreises 67 werden an die Zählerstromkreise 70, 71, 72 und 73
angelegt. Die Netze zur Impulszählung sind von bekannter Ausführung und erzeugen
Ausgangsleistungen, die die Frequenzen von Impulsen oder Stromstößen darstellen.
die von den Stromkreisen 64, 65, 66
bzw. 67 abgeleitet sind. Die Ausgangsleistung
des Zählstromkrei&es 70 stellt die Zahl der Dreifachkoinzidenzen dar; die Leistung
von 72 stellt die Zahl der Vierfachkoinzidenzen dar, und die Leistung von 73 stellt
die Zahl der Antikoinzidenzen dar.
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Die Ausgangsleistungen der Zählstromkreise 70, 71, 72 und 73 werden
über isolierte Leitungen, die dem Kabel 12 zugeordnet sind, zur Oberfläche des Bohrloches
geleitet. Die Ausgangsleistungen werden dann in den Verstärkern 74, 75, 76 bzw.
77 verstärkt.
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Diese Verstärker liegen oberhalb der Öffnungen des Bohrloches und
sind mit den Galvanometerspulen 78, 79, 80 bzw. 81 verbunden. An den Galvanometerspulen
sind in bekannter Weise Spiegel befestigt, die die von der Lichtquelle 82 ausgehenden
Lichtstrahlen reflektieren, wodurch auf dem lichtempfindlichen Film 19 eine Aufzeichnung
erfolgt, die aus vier Spuren 90 91, 92 bzw. 93 besteht, welche die Änderungen der
den Galvanometern 78, 79, 80 bzw. 81 zugeführten Spannungen wiedergeben. Diese Spuren
stellen also die der Tiefe entsprechenden Änderungen der Relativmengen von in der
Erdschicht befindlichen leichten und in der Reihenfolge der Spuren 91, 92, 93 die
Änderungen in den Relativmengen der immer schwereren Elemente dar.