DE1036414B

DE1036414B - Neutronenquelle fuer Bohrschachtuntersuchungen

Info

Publication number: DE1036414B
Application number: DESCH12119A
Authority: DE
Inventors: John Tierney Dewan
Original assignee: Schlumberger Well Surveying Corp
Current assignee: Schlumberger Well Surveying Corp
Priority date: 1952-04-09
Filing date: 1953-03-26
Publication date: 1958-08-14
Also published as: US2769096A

Description

DEUTSCHES

Es ist bereits vorgeschlagen worden, Neutronenquellen für Bohrschachtuntersuchungen mit einer Ionenquelle, einem Ionenstrahl-Beschleuniger, einem Prallkörper mit einer mit den auffallenden Ionen reagierenden und dadurch Neutronen erzeugenden Masse und einem Gehäuse zu versehen, das die Ionenquelle, den Beschleuniger und den Prallkörper umschließt, wobei die Ionenquelle eine Kathode, eine Anode und Mittel zur Verlängerung des Weges der sich zwischen Kathode und Anode bewegenden Elektronen aufweist, und das Gehäuse mit ionisierbarem Gas gefüllt ist. Von diesem Vorschlag unterscheidet skh der Anmeldungsgegenstand dadurch, daß erfindungsgemäß die Elektrode eine erste Kathode enthält, die von dem Prallkörper in einer gewissen Entfernung liegt, eine zweite Kathode, die zwischen der ersten und dem Prallkörper angeordnet ist und eine öffnung aufweist, durch welche Ionen hindurchgehen können, und die Einrichtung zur Verlängerung des Weges der Elektronen Mittel enthält, um ein axiales magnetisches Feld in dem Gehäuse herzustellen, wobei die Anode etwa gleichachsig mit der magnetischen Achse und die Kathoden in einer gewissen Entfernung voneinander entlang der magnetischen Achse liegen. Hierdurch wirkt die Neutronenquelle besonders vorteilhaft für Bohrlochuntersuchungen. Die Anode und Kathode liefern in Verbindung mit dem Feld eine Ionenzufuhr, die für den beschränkten eingenommenen Raum stark erhöht ist.

Abgesehen von der Einfachheit, Festigkeit und Gedrungenheit der Einrichtung, die durch, die Erfindung erreicht wird, ist für Bohrlochuntersuchungen noch der zusätzliche große Vorteil vorhanden, daß nach einer weiteren vorzugsweisen Ausführung der Erfindung, der dichte Abschluß des Gehäuses die Unbequemlichkeit der Anordnung einer Pumpe vermeidet, die bei allen früheren Einrichtungen notwendig war.

Die Zeichnung zeigt als Beispiel eine Ausführungsform der Erfindung, sie ist eine teilweise geschnittene Darstellung einer Neutronenquelle gemäß der Erfindung, die in einem Gehäuse liegt, das durch ein die Erdformation durchquerendes Bohrloch geführt werden kann.

In der Figur ist ein zylindrisches druckfestes Gehäuse 11 gezeigt, das von einem elektrischen Kabel 12 gehalten wird¹ und eine Neutronenquelle 13, einen Detektor 14 für radioaktive Strahlungen und eine elektronische Ausrüstung 15 mit einer Hochspannungsquelle enthält. Die Neutronenquelle 13 besteht aus einer Ionenquelle. 16, einem Ionenstrahl-Beschleuniger 17 und einem Prallkörper 18, die in einem Gehäuse 19 enthalten sind, das mit einem ionisierbaren Gas von sehr geringem Druck gefüllt ist, Vorzugs-Neutronenquelle
für Bohrschachtuntersuchungen

Anmelder:

Schlumberger Well Surveying Corporation, Ridgefield, Conn. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Marsch, Patentanwalt,
Schwelm (Westf.), Drosselstr. 31

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 9. April 1952

John Tierney Dewan, Houston, Tex. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

weise mit Deuterium mit einem Druck in der Größenordnung von 10—⁴ mm Hg.

Die Ionenquelle 16 hat die Form einer Phillips-Ionisationslehre, deren Theorie in »Vacuum Equipment and Techniques« von Guthrie und Wakerling (Mc Graw-Hill 1949) auf Seite 128 bis 137 genau beschrieben ist. Die Ionenquelle 16 weist zwei scheibenförmige Kathoden 21 und 22 auf, die in einem Abstand voneinander in der Achse eines magnetischen Feldes liegen, das durch einen an der Außenseite des Gehäuses 19 angebrachten permanenten Magneten 23 gebildet wird. Eine hohle zylindrische Anode 24 liegt etwa koaxial mit der magnetischen Achse zwischen den beiden Kathoden 21 und 22 und erstreckt sich vorzugsweise über etwa den ganzen Abstand zwischen diesen. Die Anode 24 wird durch einen mit der Spannungsquelle in der elektronischen Ausrüstung 15 verbundenen Leiter 25 bei einem mäßigen positiven Poential, z. B. 500 Volt, gegenüber den Kathoden 21 und 22 gehalten. Die Kathoden 21 und 22 sind mit der Spannungsquelle durch Leiter 26 und 27 verbunden. Die Elektrode 22 wird vorzugsweise bei einem etwas größeren negativen Potential,

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Claims

z.B. 10 Volt mehr, gehalten als das Potential an der Elektrode 21 und weist eine öffnung 28 auf, durch die positive Ionen gegen den Beschleuniger 17 geschleudert werden können. Bei der Arbeit der Ionenquelle 16 wird ein freies Elektron nahe der Kathode 21 das Bestreben haben, unter der Wirkung des dazwischen befindlichen elektrischen Feldes nach der Anode 24 hin beschleunigt zu werden. Das axiale magnetische Feld lenkt jedoch das Elektron ab und veranlaßt es, sich in einer engen Spirale zu bewegen, deren Achse parallel zur Richtung des magnetischen Feldes liegt. Demgemäß erreicht das Elektron nicht die Anode 24, sondern nähert sich der gegenüberliegenden Kathode 22, wo es umkehrt und zur ersten Kathode 21 zurückkehrt, an der es erneut umkehrt. Durch diese Oszillation wird der Weg des Elektrons vielfach langer als der Kathodenabstand und ermöglicht dem Elektron, Gasmoleküle zu ionisieren auch wenn der Gasdruck so gering ist, daß die mittlere freie Weglänge des Elektrons sehr lang ist. Die Öffnung 28 der Kathode 22 ermöglicht, daß viele positiv geladene Ionen, die im Falle von Deuteriumgas Deuteronen sind, aus der Ionenquelle 16 in den Beschleuniger austreten. Der Ionenstrahlbeschleuniger 17 in der Bahn des von der Ionenquelle 16 ausgehenden Ionenstrahles hat die Form einer oder mehrerer zylindrischer Elektroden 29 und 31, die in Richtung der Bahn des Strahles durch mit der Kraftzufuhr in der Ausrüstung 15 verbundene Leiter 32 und 33 bei fortschreitend höheren negativen Potentialen gehalten werden. Ähnlich wie die Elektroden 29 und 31 dient zur Einstellung des Tonenstrahlbeschleunigers 17 eine Kathode 34, die tassenartig ausgebildet ist und deren offene Seite der öffnung 28 in der Kathode 22 zugekehrt ist. Das der Elektrode 34 durch einen Leiter 35 von der Spannungsquelle zugeleitete Potential ist gegenüber der Kathode 22 negativ, z. B. in der Größenordnung von 20 bis 100 Kilovolt. Der Prallkörper 18 ist in der Elektrode 34 angebracht, die von der Kathode 22 30 cm oder mehr entfernt sein kann, wenn der Druck in der Größenordnung von 10~* mm Hg ist. Der Zwischenraum zwischen der Ionenquelle 16 und dem Prallkörper 18 darf die freie mittlere Weglänge der Ionen kaum ül>ersteigen, um eine übermäßige Verzögerung des Ionenstrahles zu vermeiden. Die freien mittleren Weglängen betragen ungefähr 150 cm bzw 15 cm bei einem Druck von 10^4 mm bzw. 10~3 mm Hg. Der Prallkörper 18 enthält eine Masse, die mit den auftreffenden Ionen zur Erzeugung von Neutronen reagiert und vorzugsweise Tritium enthält, das auf den Beschüß mit Deuteronen reagiert. Der Prallkörper 18 kann beispielsweise aus einer Wolframscheibe bestehen, die mit mit Tritium imprägniertem Zirkonium überzogen ist. Die Reaktion der beschleunigten Deuteronen auf das Tritium ergibt im wesentlichen monoenergetische Neutronen mit Energien von ungefähr 14 MeV. Die Reaktion von Deuteronteilchen, die einen Tritium tragenden Prallkörper beschießen, wird vorzugsweise angewendet, aber es können auch andere Reaktionen, die Neutronen erzeugen, 1>enutzt werden. Deuteronteilchen beispielsweise, die einen Deuterium tragenden Prallkörper beschießen, erzeugen im wesentlichen monoenergetische Neutronen von ungefähr 2,5 MeV. Die Intensität des Neutronenstromes jedoch ist geringer als bei der vorzugsweise angewendeten Reaktion mit dem gleichen Ionenstrom und der gleichen Beschleunigungsspannung. Die Intensität des Neutronenstromes hängt von der Anzahl der Deuteronen in dem beschießenden Strahl ab und kann auch durch Vergrößerung des negativen Potentials an der Kathode 34 gesteigert werden. Da die Ionenquelle 16, wenn sie erregt ist, die Gasmoleküle in dem Gehäuse 19 verbraucht und unerwünschtes Gas einsickern kann, muß das Gehäuse gelegentlich wieder evakuiert und mit dem gewünschten Gas von geeignetem Druck wieder gefüllt werden. Zu diesem Zweck ist ein Stopfen 36 in dem Gehäuse 11 gegenüber einem Nippelventil 37 in dem Gehäuse 19 vorgesehen. Um einen Abgang eines merklichen Teiles der Gasmoleküle während eines einzigen Untersuchungsganges in einem Bohrloch zu !5 verhüten, ist das Gasvolumen am besten so groß wie möglich zu machen. Je größer das Gasvolumen ist, desto langsamer wächst der Gasdruck an und die sich daraus ergebende Verlangsamung des Ionenstrahles, die durch eine Undichtigkeit in dem Gehäuse hervorgerufen wird. Die Neutronenquelle 13 ist nur dann in Tätigkeit, wenn sich das Gehäuse 11 innerhalb eines Bohrloches gegenüber Erdformationen befindet, die man zu untersuchen wünscht. In einem solchen Zeitpunkt wird die elektronische Ausrüstung 15 durch eine nicht dargestellte Wechselstromkraftquelle außerhalb des Bohrloches erregt. Zwischen dem Prallkörper 18 und dem Detektor 14 für radioaktive Strahlung liegt ein Schirm 38. Die schwache Beta-Ausstrahlung, die mit dem Zerfall des Tritiums zusammen auftritt, wird leicht durch das Gehäuse 11 absorbiert. P Λ Τ Ε Ν Τ Λ XSPRCCHE:

1. Neutronenquelle für Bohrschachtuntersuchungen, bestehend aus einer Ionenquelle, einem Ionenstrahlbeschleuniger, einem Prallkörper mit einer mit den auffallenden Ionen reagierenden und dadurch Neutronen erzeugenden Masse und einem Gehäuse, das die Ionenquelle, den Beschleuniger und den Prallkörper umschließt, wobei die Ionenquelle eine Kathode, eine Anode und Mittel zur Verlängerung des W⁷eges der sich zwischen Kathode und Anode bewegenden Elektronen aufweist, und das Gehäuse mit ionisierbarem Gas gefüllt ist, dessen Druck hoch genug ist, um eine Ionenzufuhr zu bewirken, aber andererseits niedrig genug, um eine nur geringe Verlangsamung des auf den Prallkörper auftreffenden Ionenstrahls zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode eine erste Kathode (21) enthält, die von dem Prallkörper in einer gewissen Entfernung liegt, eine zweite Kathode (22), die zwischen der ersten und dem Prallkörper angeordnet ist und eine öffnung (28) aufweist, durch welche Ionen hindurchgehen können, und die Einrichtung zur Verlängerung des Weges der Elektronen Mittel enthält, um ein axiales magnetisches Feld in dem Gehäuse herzustellen, wobei die Anode etwa gleichachsig mit der magnetischen Achse und die Kathoden in einer gewissen Entfernung voneinander entlang der magnetischen Achse liegen.

2. Neutronenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse dicht abgeschlossen ist.

3. Neutronenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der zweiten Kathode (22) stärker negativ ist aJs die Spannung der ersten Kathode (21).

4. Neutronenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als

Gasfüllung des Gehäuses Deuterium dient, so daß die Ionen Deuteronen sind, und der Prallkörper Tritium enthält.

5. Neutronenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschleunigung der Ionen eine oder mehrere zylin-

drische Elektroden dienen, die in Richtung der Ionenbeschleunigung bei allmählich höheren Spannungen gehalten werden, und eine dritte Kathode (34) vorgesehen ist, die den Prallkörper trägt und der öffnung (28) in der zweiten Kathode (22) der Ionenquelle gegenüberliegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen