DE3739397A1

DE3739397A1 - Bohrloch-untersuchungsvorrichtung

Info

Publication number: DE3739397A1
Application number: DE19873739397
Authority: DE
Inventors: Richard W Spurney
Original assignee: Bicron Corp
Current assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Priority date: 1986-11-21
Filing date: 1987-11-20
Publication date: 1988-06-01
Also published as: GB8727256D0; GB2198448A; JPS63148188A; US4764677A; FR2607262A1; GB2198448B; NL8702809A

Description

Die Erfindung befaßt sich allgemein mit einer Bohrloch- Untersuchungsvorrichtung, und sie bezieht sich auf Szintillationsdetektoren, die beispielsweise zur Strahlungsmessung in aufeinanderfolgenden Tiefen eines Bohrlochs in der Erde verwendet werden. Im Speziellen befaßt sich die Erfindung mit einem Szintillationsdetektor, der ein verbessertes Leistungsvermögen und eine verbesserte Haltbarkeit hat.

Szintillationsdetektoren enthalten einen Szintillationskristall, der Licht emittiert, wenn er einem ionisierenden Teilchen ausgesetzt wird. Der Kristall ist von einem Reflekor umgeben, auf den das Licht trifft und der das Licht von dem Kristall reflektiert. Der Kristall und der Reflektor sind von einem Gehäuse umgeben, das ein Fenster hat, das für das vom Kristall erzeugte Licht durchlässig ist. Das Licht vom Kristall geht dann durch das Fenster in ein Photoverfielfacherrohr und wird in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses Verfahren kann zur Identifizierung der Art und der Menge der Isotopen benutzt werden, die vorhanden sind.

Die Kristalle, die bei derartigen Detektoren zur Anwendung kommen, sind häufig Metallhalidkristalle, wie thalliumaktivierte Metallhalidkristalle. Es ist bekannt, daß diese Metallhalidkristalle häufig hygroskopisch sind und Wasser an ihren Oberflächen aus der Luft absorbieren. Hierdurch entsteht ein Film auf der Kistalloberfläche, welcher das Reflexionsvermögen der Kristallwände verschlechtert und der zu einer beträchtlichen Abnahme der Lichtabgabe führt. Diese Abnahme der Lichtabgabe beeinträchtigt das Leistungsvermögen des Kristalls. Um dies zu verhindern, werden die Detektoren in einem trockenen Kasten angeordnet, um ein Aussetzen der Feuchtigkeit zu vermeiden, und die Szintillationskristalle sind typischerweise in hermetisch dicht abgeschlossenen Metallbehältern oder -gehäusen untergebracht.

Die der vorliegenden Anmelderin gehörende US-PS 40 04 151, die durch diese Bezugnahme vollinhaltlich hiermit eingeschlossen ist, beschreibt einen Szintillationsdetektor, der eine Bauart hat, auf die sich die Erfindung bezieht. Diese Druckschrift beschreibt einen Detektor, der ein rohrförmiges Gehäuse enthält, das zur Kapselung eines Szintillationskristalls dient. Das rohrförmige Gehäuse ist mittels eines Stopfens oder einer Kappe an einem Ende verschlossen, und der Kristall ist federbelastet in Richtung zu einem Fenster am anderen Ende angeordnet, mit dem der Kristall optisch gekoppelt ist. Diese Federbelastung ermöglicht einen Ausgleich der Wärmedehnung des Kristalls relativ zum Gehäuse, da der Kristall einen höheren Wärmedehnungskoeffizienten als das Gehäusematerial hat. Zusätzlich beschreibt diese Patentschrift detailliert die Typen von Szintillationskristallen, die bei derartigen Einrichtungen zur Anwendung kommen, sowie ihre Arbeitsweise und die jeweiligen Erfordernisse.

Die ebenfalls der vorliegenden Anmelderin gehörende US-PS 41 58 773, die hiermit durch die Bezugnahme miteingeschlossen ist, beschreibt einen Szintillationsdetektor, der eine spezielle Lichtübertragungs- und Reflektoreinrichtung hat, die eine weiche, elastische, Silikonkautschukhülse hat, um die Stoßdämpfung zum Schutz des Kristalls zu verbessern und zugleich die Lichtreflexion des Kristalls zu verstärken.

Die ebenfalls der vorliegenden Anmelderin gehörende US-PS 43 83 175, die hiermit durch die Bezugnahme miteingeschlossen ist, beschreibt wiederum einen ähnlichen Szintillationsdetektor, der ein verbessertes, hermetisch dicht abgeschlossenes Gehäuse und eine Fensteranordnung hat, um die Feuchtigkeitsaussetzung der Kristalle zu reduzieren.

Eines der Hauptanwendungsgebiete für Szintillationsdetekoren ist die Ölbohrindustrie. Die Detektoren werden in das Bohrloch zusammen mit anderen Instrumenten abgesenkt, um geologische Daten über Gesteinsschichten zu sammeln und zu bestimmen, ob die Ölquelle eine effeltive Erzeugung gestattet. Dieses Verfahren wird allgemein als Bohrlochmessung oder Bohrlochuntersuchung bezeichnet. Während seines Weges in das Bohrloch nach unten kann das Instrument Stoßbeanspruchungen in der Höhe von 100 bis 150 g sowie Temperaturen in der Höhe von 200°C ausgesetzt sein. Aus diesen Gründen sind die Kristalle in Behältern mit speziellen stoßdämpfenden Einrichtungen untergebracht, um eine Beschädigung des Kristalls zu vermeiden.

Die vorliegende Erfindung hat sich in getrennter Weise mit der Erfüllung der Hauptschwierigkeiten befaßt, die bei der Anwendung dieser Detektoren auftreten. Diese Schwierigkeiten sind darin zu sehen, daß starke Stoß- und Vibrationsbelastungen dazu führen, daß das reflektierende Medium im Inneren des Detektors sich verlagert und daß bei einem anschließenden längerfristigen Aussetzen des Detektors einer Temperatur von 150°C bis 250°C bewirkt, daß ein brauner Film sich auf der Kristalloberfläche bildet. Hierdurch wird das Leistungsvermögen des Detektors verschlechtert. Ein Grund dafür, daß diese Schwierigkeiten bisher nicht zu verstehen waren, liegt vermutlich darin, daß die Szintillationsdetektoren während der Anwendung völlig unzugänglich sind und es einfach ist, die Verantwortung in allgemeiner Form für die verminderte Leistungsfähigkeit mechanische und thermischen Erscheinungen zuzuweisen, die während der Verwendung und Anwendung dieser Detekoren auftreten.

Der Ölbohrlochuntersuchungskristall hat typischerweise eine lange schmale Auslegung und ist mit dem Austrittsfenster an einem Ende des Gehäuses gekoppelt. Das Fenster ist mit der Photoröhre gekoppelt. Die Leistungsfähigkeit dieser Auslegungsform hängt in starkem Maße von der gleichmäßigen Lichterzeugung über die gesamte Länge hinweg ab. Verlagerungen der Pulverreflektoren infolge von zu starken Vibrationen verlagern den Lichtausgleich und führen zu einer verschlechterten Leistungsfähigkeit. Zur Überwindung dieser Problematik wurde versucht, ein Teflonband, einen Hochtemperaturkunststoff mit guten Reflexionseigenschaften, als Reflektor zu nutzen. Dieses Material ergibt einen äußerst effektiven stationären Reflektor, bei dem eine Kristallexpansion unter Wärme möglich ist und der sich bei Stoß- und Vibrationsbelastungen nicht verlagert. Ein Nachteil dieses Bandes ist jedoch darin zu sehen, daß die langfristige Temperaturverschlechterung verstärkt wird, und die Lichtabgabe kann bis zu 60% abfallen.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, die Verschlechterungen zu vermeiden, die sowohl im Zusammenhang mit Pulverreflektoren als auch mit einem Teflonband auftreten.

Die Erfindung bezieht sich auf neuartige und verbesserte Szintillationsdetektoren. Zusätzlich befaßt sich die Erfindung mit einem verbesserten Verfahren zur Herstellung der Szintillationsdetektoren.

Nach der Erfindung kapselt ein hermetisch dicht abgeschlossenes Gehäuse einen länglichen Szintillationskristall in einer Atmosphäre eines reaktionslosen Gases ein.

Das Gehäuse ist beispielsweise als ein rostfreies Stahlrohr ausgelegt, das an einem Ende ein lichtdurchlässiges Fenster hat. Das Fenster ist in einer Fensteranordnung eingelassen, die das Fenster im Gehäuse dicht abschließt.

Die Szintillationskristalle arbeiten, indem sie die Energie der ionisierenden Teilchen der Gammastrahlung in Licht umwandeln. Hierfür geeignete Kristalle umfassen Alkalimetallhalidkristalle, die durch den Einschluß von Thallium, Zäsiumhalidkristallen, Bismutgermanat aktiviert sind, sowie Kunststoffszintillatoren.

Da das Leistungsvermögen des Kristalls davon abhängig ist, wie effektiv das erzeugte Licht gesammelt werden kann, ist der Kristall von einem Reflektor für Licht im Wellenlängenbereich von 300 nm bis 500 nm umgeben. Zusätzlich unterstützt dieser Reflektor die Isolierung des Kristalls vor Stoßbeanspruchungen. Daher ist es erwünscht, reflektierende Pulver aus Metalloxiden, wie Al₂O₃ oder MgO, als Reflektor zu verwenden. Ein Polytetrafluorethylenband (bekannt unter dem Warenzeichen "Teflon" von DuPont), das um die Kristalloberfläche gewickelt ist, ist ebenfalls wirksam.

Der Kristall, der von dem Reflektor-Stoßdämpfer umgeben ist, ist dicht verschlossen im Gehäuse in einer Atmosphäre angeordnet, die im wesentlichen die Feuchtigkeitsaussetzung des Kristalls und die Aussetzung von reaktiven Gasen, wie Sauerstoff, reduziert. Gemäß einer Ausbildungsform nach der Erfindung ist der Kristall in einer Atmosphäre eines reaktionslosen Gases, wie Stickstoff, CO₂ oder irgendein Edelgas, dicht eingeschlossen.

Die Erfindung bezieht sich auch auf Verfahrensweisen zur Herstellung des Detektors. Bei einer ersten Ausbildungsform wird der Kristall in eine reaktionslose Atmosphäre im Gehäuse verkapselt. Eine derartige Verkapselung kann dadurch erfolgen, daß man gereinigte Komponenten in einen Arbeitskasten einbringt, der mit dem reaktionslosen Gas gefüllt ist.

Gemäß einer anderen Ausbildungsform wird der Detektor dadurch gebildet, daß der Detektor angeordnet wird und anschließend das Gehäuse evakuiert wird und dann wiederum das Gehäuse mit einem reaktionslosen Gas aufgefüllt wird. Alternativ kann bei dieser Ausbildungsform nach der Anordnung die Atmosphäre im Detektor mit einem reaktionslosen Gas gereinigt werden.

Diese Techniken ermöglichen die Herstellung von Ölbohrloch- Untersuchungsdetektoren, die sowohl temperaturstabil als auch umempfindlich gegen Änderungen bezüglich Reflektorverlagerungen im Inneren des Behälters sind.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin zeigt:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Längsschnittes eines montierten Szintillationsdetektors nach der Erfindung, wobei eine erste Ausführungsform dargestellt ist, bei der das reflektierende Medium ein reflektierendes Pulver ist, und
Fig. 2 eine Seitenansicht eines Längsschnittes eines montierten Szintillationsdetektors gemäß der Erfindung, wobei eine erste Ausführungsform nach der Erfindung dargestellt ist, bei der eine Teflonschicht als reflektierendes Medium verwendet wird.

Fig. 1 zeigt einen typischen Szintillationsdetektor, der nach der Erfindung ausgelegt ist. Der Detektor weist ein rohrförmiges, rostfreies Stahlgehäuse 10 auf, das einen zylindrischen Szintillationskristall 11 umgibt.

Der Kristall kann aus einem Alkalimetallhalid bestehen, das durch den Einschluß von Thallium, Natrium oder Seltenen Erden, wie NaI(T1), KBr(T1), KI(T1) und KCl(T1); CsI(T1) und CsI(T1); und LiI(Eu) Bismutgermanat aktiviert ist, oder es kann sich um einen Kunststoffszintillator handeln, wie z. B. NE 102 Polyvinyltoluolkunststoff. Kunststoffszintillatoren sind Molekularkristalle, bei denen die intermolekulare Bindung sehr schwach im Vergleich zu der Bindung von ionischen Metallen ist und bei denen die Photolumineszenz von der Abregung des ersten angeregten Elektronenzustandes ausgeht. Moleküle, die eine hohe Resonanzenergie haben, wie ungestättigte zyklische Moleküle und insbesondere Benzol oder Benzolderivate, haben ausgezeichnete organsiche Szintillationseigenschaften. Ein Kunststoffszintillator kann aus einer Matrix von ein oder mehreren fluoreszierenden organischen Verbindungen bestehen, die in einer Feststoff- Kunststoffbasis gelöst sind. Einige Beispiele von fluoreszierenden Verbindungen, wodurch aber keine Beschränkung beabsichtigt ist, sind POPOP, Tetraphenylbutadien, Butyl-PBD und Naphthalen. Beispiele der Kunststoffmaterialien sind Polyvinyltoluol, Polystyrol, Polymethylmethycrylat, Polyethylmethacrylat und Copolymere hiervon. Diese Kunststoffe können ebenfalls vernetzende Zusätze, wie Vinylbenzol, enthalten. Hierdurch erfolgt aber keine Beschränkung hierauf. Die der vorliegenden Anmelderin gehörende US-PS 39 60 765 befaßt sich mit organischen Szintillationsmatrizes und durch die Bezugnahme ist dieses vollinhaltlich miteingeschlossen.

Das Gehäuse 10 weist einen rohrförmigen Metallkörper 12 auf, der an einem Ende durch eine Fensteranordnung 13 verschlossen ist und dessen anderes Ende durch einen Metallstopfen oder eine Kappe 14 verschlossen ist. Sowohl die Fensteranordnung 13 als auch der Stopfen 14 sind an den jeweiligen Enden des Körpers 12 dichtverschließend mit Hilfe von Umfangsschweißungen vorgesehen, die bei 17 und 18 jeweils angedeutet sind.

Der Kristall 11 ist zugeschnitten oder bearbeitet, daß man einen geraden Zylinder erhält, der eine Platte, zylindrische Außenfläche 21 und flache und parallele Stirnflächen 22 und 23 hat. Die Stirnfläche 22 befindet sich in der Nähe der Fensteranordnung 13, und es ist ein Federsystem 24 zwischen der Endkappe oder dem Stopfen 14 und der anderen Stirnfläche vorgesehen, um den Kristall 11 in Richtung zu der Fensteranordnung 13 federunterstützt zu drücken. Hierdurch wird eine optische Kopplung über eine Schicht aus einem geeigneten optischen Kopplermaterial 26 zwischen dem Kristall 11 und der Fensteranordnung 13 aufrechterhalten. Zwischen dem Federsystem 24 und der Stirnfläche 23 des Kristalls 11 ist eine Rückplatte 27 angeordnet, die von einem szintillierenden, lichtreflektierenden Material gebildet wird. Bei der dargestellten Ausbildungsform umfaßt das Federsystem einige Wellenfedern und Distanzscheiben. Natürlich können auch andere Bauformen von Federsystemen gegebenenfalls zur Anwendung kommen.

Die Fensteranordnung 13 wird von eienm zylindrischen Glasstück 31 gebildet, das hermetisch dicht schließend in einem Fensterhaltering 32 angeordnet ist. Das Glasmaterial ist für die Lichtart durchlässig, die von dem zugeordneten Szintillationskristall 11 erzeugt wird, wenn ein solcher Kristall mit ionisierender Strahlung beaufschlagt wird.

Ein Beispiel einer Glasart, die im Zusammenhang mit der Fensteranordnung 13 verwendet werden kann, ist ein Kronglas (Natronkalkglas), das einen Wärmedehnungskoeffizienten bei Raumtemperatur von etwa 8 × 10^-6 bis 10 × 10^-6 µm/m°C (8 × 10^-6 bis 10 × 10^-6 inches per inch per degree centigrade) hat. Der Ring 32 kann beispielsweise ein rostfreier Stahlring mit einem Wärmedehnungskoeffizienten von etwa 9 × 10^-6 bis 12 × 10^-6 µm/m°C (9 × 10^-6 bis 12 × 10^-6 inches per inch per degree centigrade) sein. Bei einer speziellen Auslegungsform und wenn eine Kompressionsdichtung erwünscht ist, wird der Ring 32 derart gewählt, daß er einen geringfügig größeren Wärmedehnungskoeffizientten als das Glas 31 hat, und diese Differenz bei der Wärmedehnung wird genutzt, um eine Kompressionsdichtung an der Grenzfläche 33 zwischen dem Glas 31 und dem Ring 32 zu verwirklichen.

Die Kompressionsdichtung alleine kann für eine hermetische Abdichtung gegebenenfalls ausreichen. Wenn beispielsweise der Ring aus einem nickelplattierten, kaltgewalzten Stahl ausgebildet ist, geht das Glas keine nennenswerte chemische Verbindung mit dem Nickelplattierungsmaterial ein. Wenn aber die Wärmedehnungskoeffizienten beispielsweise die vorstehend genannte Zuordnung haben und die Kühlung in entsprechender Weise gesteuert wird, steht der Ring unter Materialspannung und das Glas unter Kompressionsbelastung, so daß man zwischen beiden eine Kompressionsdichtung erhält.

Die Kompressionsdichtung kann man dadurch erhalten, daß das Glas 31 und der Ring 32 über die Arbeitstemperatur des Glases erwärmt werden, so daß das Glas in Kontakt mit dem Ring fließt, wie dies in der US-PS 43 83 175 beschrieben ist, die derselben Anmelderin gehört. Diese Druckschrift, die vorangehend bereits genannt ist und mit zur Offenbarung gehört, beschreibt auch Auslegungsformen und Verfahren zum Befestigen der Fensteranordnung 13 an dem rohrförmigen Körper 12, wobei eine solche Vorgehensweise miteingeschlossen ist, bei der der metallische, rohrförmige Körper 12, der Ring 32 und die Kappe 14 zusammengeschmolzen werden. Ähnliche Verfahrensweisen können zur Abdichtung der Kappe 14 an dem anderen Ende des rohrförmigen Körpers 12 zur Anwendung kommen.

Nach der Beendigung des Abkühlens wird gegebenenfalls das Glas 31 geschliffen und poliert, um die gewünschten Szintillationslichtübertragungseigenschaften zu erreichen.

Um die äußere Fläche 21 des Kristalls 11 ist ein reflektierendes Medium 28 angeordnet, das zwei Aufgaben hat. Die Hauptaufgabe ist, das Licht zu reflektieren und die Leistungsfähigkeit des Detektors durch ein verbessertes Sammeln des vom Kristall erzeugten Lichtes zu verbessern. Eine zweite Aufgabe des reflektierenden Mediums 28 ist darin zu sehen, unterstützend dahingehend zu wirken, daß der Kristall vor starken Stoßbelastungen geschützt wird denen der Detektor während seiner Anwendung angesetzt sein kann. Bei der ersten Ausbildungsform nach der Erfindung ist das reflektierende Medium 28 ein lichtreflektierendes Pulver, wie z. B. aus Metalloxiden, wie Al₂O₃ oder MgO. Das Pulver ist zwischen dem Kristall 11 und das rohrförmige Gehäuse 12 gepackt. Eine Schmierschicht, wie z. B. ein abgeschliffenes Teflonflächenstück, kann zwischen der Kristalloberfläche 21 und dem reflektierenden Medium 28 angeordnet werden, um die auf den Kristall 11 wirkenden Belastungskräfte infolge der unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten zu reduzieren.

An jedem Ende des Kristalls 11 ist ein O-Ring 29, 30 um den Kristall 11 angeordnet. Diese O-Ringe halten den Kristall 11 in fluchtgerechter Lage und schließen die Pulverpackung über die Länge des Kristalls hinweg ein, um das Pulver in Kontakt mit der Kristalloberfläche zu halten. Auf diese Weise ist das Pulver im wesentlichen ähnlich einer massiven Hülse angeordnet.

Bei einer alternativen Ausbildungsform der Erfindung, die in Fig. 2 gezeigt ist, ist das reflektierende Medium 128 Polytetrafluorethylen ("Teflon"), und besteht beispielsweise aus ein oder mehreren Teflonbandlagen. Das Band wird um die gekrümmte Kristalloberfläche gewickelt, so daß sich die Bandränder überlappen. In der Ansicht nach Fig. 2 ist der Kristall 11 mit dem Band umwickelt, so daß drei Teflonschichten bzw. Lagen 135 gebildet werden. Eine 0,025 mm (0,001 inch) Schicht aus Aluminiumfolie 136 bedeckt diese, und diese ist schließlich durch eine weitere einzige Teflonbandschicht 137 bedeckt. Eine zusätzliche Schicht aus stoßabsorbierendem Material 150, wie eine Vergußmasse oder Pulver, kann bei dieser Ausbildungsform verwendet werden, um den Kristall vor Stoßbelastungen zu schützen und eine zusätzliche Abstützung zu ermöglichen. Die planare Endfläche 123 kann ebenfalls umwickelt sein. Die planare Endfläche 122 ist nicht umwickelt, um die Lichtmessung über das Fenster 131 zu ermöglichen.

Der Kristall ist in dem rohrförmigen Gehäuse in einer im wesentlichen reaktionslosen Atmosphäre dicht eingeschlossen angeordnet. Bisher war es nicht bekannt, daß die Atmosphäre im Gehäuse die Leistungsfähigkeit und die Langlebigkeit der Szintillationsdetektoren beeinflussen kann, und die Kristalle waren in Luft dicht verschlossen.

Die Schwierigkeiten, die sich bei der Anwendung einer Luftatmosphäre ergeben, werden insbesondere augenscheinlich, wenn der Detektor in das Bohrloch abgesenkt ist. Obgleich man bisher wußte, daß die Leistungsfähigkeit des Detektors sich in situ verschlechtern könnte, wurden aber keine Untersuchungen dieser Probleme vorgenommen, und man stützte sich auf die folgenden Kenntnisse. Während des Absenkvorganges und während des Verweilens an Ort und Stelle kann der Detektor starken Stoßbeanspruchungen und hohen Temperaturen ausgesetzt sein. Diese Bedingungen führen offensichtlich zu Veränderungen bei der reflektierenden gepackten Schicht 28, die zu der Degradation des Kristalls führen. Wenn reflektierende Pulver verwendet werden, bewirken die starken Stoß- und Vibrationsbeanspruchungen, daß sich das reflektierende Pulver verlagert. Als Folge hiervon ergibt sich nach einer Zeitdauer und dem verlängerten Ausgesetztsein einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre in dem geschlossenen Behälter des Kristalls bei diesen hohen Temperaturen von 100°C bis 200°C, daß sich ein brauner Film auf der Kristalloberfläche bildet. Dieser Film verschlechtert das Leistungsvermögen des reflektierenden Mediums, das den Kristall umgibt.

Der Szintillationsdetektorkristall 11 ist ein langer, schmaler, senkrechter Zylinder, der optisch an einem Ende mit einem Photovervielfacher gekoppelt ist. Eine gleichmäßige Lichterzeugung über die gesamte Länge des Kristalls hinweg ist notwendig, um ein gutes Leistungsvermögen des Kristalls sicherzustellen. Die Verlagerung des reflektierenden Mediums verändert die Balance der Lichterzeugung und führt zu einem verschlechterten Leistungsvermögen. Diese Schwierigkeit verstärkt sich, wenn die Kristalloberfläche 21 in verstärktem Maße einer Sauerstoffatmosphäre ausgesetzt ist und sich der lichtbehindernde Film auf der Kristalloberfläche ausbildet. Diese Verschlechterung des Detektors, der ein reflektierendes Pulvermedium und eine Luftatmosphäre hat, hat bei Untersuchungen zu einer Abnahme der Lichtabgabe zwischen 10% und 20% geführt.

Es wird angenommen, daß die Verschlechterungsprobleme weitestgehend aus der Verlagerung des reflektierenden Pulvermediums 28 resultieren. Eine Lösung für diese Problematik bestand darin, zusätzlich die O-Ringe 29, 30 vorzusehen, um das Pulver an der entsprechenden Stelle in Kontakt mit der Kristalloberfläche 21 zu halten. Ein weiterer Versuch zur Überwindung dieser Schwierigkeit bestand darin, als Ersatz hierfür ein Teflonband (wie in Fig. 2 gezeigt) als reflektierendes Medium 28 zu verwenden. Teflon wurde gewählt, da es sich um einen Hochtemperaturkunststoff mit guten reflektierenden Eigenschaften handelt. Andere Kunststoffe mit ähnlichen Eigenschaften können natürlich als Ersatz dienen. Man glaubte, daß Teflon so weich würde, daß eine Kristallexpansion möglich ist, daß es sich aber nicht unter Stoß- und Vibrationsbeanspruchungen verlagert. Der Ersatz des Teflonbandes anstelle des reflektierenden Pulvermediums stellt aber keine Lösung des Verschlechterungsproblemes dar, da die langfristige Verschlechterung aufgrund der einwirkenden Temperatur hierbei verstärkt wird. Die Lichtabgabe fiel auf bis zu 60%. Es wird angenommen, daß das Band den Film an der Kristalloberfläche einfängt und daß andere Feststoffe, wie eine Aluminiumfolie oder eine reflektierende Hülse, ähnliche Auswirkungen hätte.

Diese Schwierigkeiten werden mit der vorliegenden Erfindung dadurch überwunden, daß der Kristall 11 in ein reaktionsloses Gas eingekapselt wird. Beispiele für geeignete Gase umfassen Stickstoff, Kohlendioxid und Argon, obgleich irgendeine andere inerte oder relativ reaktionslose Atmosphäre ebenfalls ausreicht. Als eine reaktionslose Atmosphäre soll bei der vorliegenden Anmeldung eine Atmosphäre verstanden werden, die keinen reaktiven Sauerstoff enthält oder die im wesentlichen frei von Sauerstoff ist.

Verschiedene Methoden können zur Erzielung dieser Resultate verwendet werden. Die nachstehenden Beispiele dienen zur Verdeutlichung der Erfindung.

Der Kristall 11 kann in ein reaktionsloses Gas eingekapselt werden oder das Gehäuse 10 kann nach der Einkapselung evakuiert werden und dann mit einem reaktionslosen Gas aufgefüllt werden. Alternativ kann das Gehäuse 10 nach der Einkapselung gereinigt werden, bis alle reaktiven Gase durch das reaktionslose Gas ersetzt sind.

Um die Einkapselung mit einem reaktionslosen Gas zu verwirklichen, kann der Detektor in einem Arbeitskasten angeordnet werden, der die reaktionslose Atmosphäre enthält. Die gereinigten Komponenten des Detektors werden in den Arbeitskasten gelegt und mit einem entsprechenden Gas, wie z. B. Argon, gereinigt. Die Komponenten können dann in dem Arbeitskasten zusammengesetzt werden, der ein Argonatmosphäre enthält. Das Gehäuse 10 wird anschließend dicht verschlossen.

Als eine Alternative kann der Detektor so ausgelegt werden, daß man eine dicht abgeschlossene Einheit erhält, wie dies an sich bekannt ist, und dann wird aber anschließend die Atmosphäre im Gehäuse evakuiert, und das Gehäuse kann dann mit einem reaktionslosen Gas gefüllt werden. In ähnlicher Weise kann die dicht verschlossene Einheit von reaktivem Gas, beispielsweise durch Waschen mit einem reaktionslosen Gas, befreit werden. Wenn der vom Gehäuse überlaufende Gasstrom reaktionslos ist und in einer Zusammensetzung stabil ist (d. h. daß es sich um ein relativ reines reaktionsloses Gas handelt), dann kann das Gehäuse dicht verschlossen werden.

Beispiel 1 Effekt von Argon auf G-Art Temperaturverschlechterung

Vier Detektoren wurden mit Teflonband erstellt, zwei wurden unter der gegenwärtig üblichen Praxis zusammengesetzt und zwei weitere wurden in eine Argonatmosphäre gebracht.

Zubereitung

Ein trockener Kasten wurde zur Montage des Detektors verwendet. Dieser Kasten weist einen Behälter auf, der eine geschlossene Umhüllung bildet und der durch dicht verschlossene Zugangsöffnungen mit Handschuhen zugänglich ist, um die Materialien in entsprechender Weise anzuordnen. Der trockene Kasten wurde geöffnet und sorgfältig gereinigt. Die Detektorbauteile wurden nach der üblichen Schwenk- und Trockenmethode gereinigt. Die Szintillationskristalle wurden an der Grenzstelle zu dem Glas in dem trockenen Kasten angeordnet. Alle Komponenten, Füllmaterialien und Reflektormaterialien wurden dann in den sauberen Schweißkasten eingebracht. Für die beiden Argondetektoren wurde der Taupunkt des Argonzylinders mit -55°C mit Hilfe eines automatischen Taupunktmessern gemessen. Der Argonzylinder wurde dann an dem Schweißkasten angebracht, und der Kasten wurde mit Argon bis zu einem Taupunkt von -55°C gereinigt, wobei dieses mit Hilfe der Taupunktmeßeinrichtung überwacht wurde.

Montage

Die Kristalloberflächen wurden auf übliche Weise in der Luft- oder Argonatmosphäre zubereitet. Die Kristalle wurden mit drei Umwicklungen aus Teflonband umwickelt, dann wurde eine Schicht aus 0,025 mm (0,001 inch) Aluminiumfolie aufgebracht sowie eine vierte Umwicklung aus Teflonband. Die Kristalle wurden dann in die Gehäuse in dehydrierter Luftatmosphäre oder Argonatmosphäre eingeschweißt.

Testmethode

Ein 50 mm (2′′) Standardrohr wurde verwendet, um die Impulshöhe und Auflösung zu messen. Der 25,4 mm - 0,125 mm (1-⅛′′) × 25,4 mm - 0,125 mm (1-⅛′′ inch) Standardkristall wurde auf Kanal 1000 an einem Standardrohr eingestellt. Der elektronische Impulsgenerator war ebenfalls auf Kanal 1000 eingestellt. Die vier 38 mm (1′½′′) × 101,6 mm (4′′) Kristalle wurden hinsichtlich der Impulshöhe und der Impulshöhenauflösung vor und nach wiederholt ausgeführten Erwärmungszyklen auf 160°C mit einer vierstündigen Verweilzeit bei dieser Temperatur gemessen. Die Resultate und Daten sind nachstehend angegeben.

Auslegung der Daten

Die Leistungsfähigkeit eines Szintillationskristalls läßt sich bezüglich der spezifischen Helligkeit des emittierten Lichtes aufgrund des Auftretens eines einzigen Gammastrahls bestimmen. Das aufgezeichnete Licht hat die Gauss′ sche Verteilung, bei der die Spitze der Kurve als Impulshöhe oder Spitzenwertkanal bezeichnet wird und die Breite der Kurve als Resonanz bezeichnet wird. Eine schärfere Resonanz bedeutet eine deutlichere Impulsauflösung und eine höhere Impulshöhe.

Für Szintillationskristalle werden diese Messungen zweimal durchgeführt, einmal wenn die Quelle parallel zur Längsachse des Kristalls ausgerichtet ist, was als "Lot"-Messung bezeichnet wird, und einmal wenn die Quelle quer zur Längsachse des Kristalls ausgerichtet ist, was als "Breitstrahl"- Messung bezeichnet wird. Wenn der Kristall im Gleichgewicht ist, so sollten sich in idealer Weise diese beiden Meßwerte in etwa einander annähern.

Die Ergebnisse sind nachstehend angegeben. Mit "P. H." ist die Impulshöhe und mit "Res." ist die Resonanz bezeichnet.

1. Zyklus

160°C, Vierstündige Verweilzeit der Temperatur

2. Zyklus

160°C, Vierstündige Verweilzeit der Temperatur

Argon 1

Argon 2

1. Zyklus

180°C, Vierstündige Verweilzeit der Temperatur

2. Zyklus

180°C, Vierstündige Verweilzeit der Temperatur

1. Zyklus

200°C, Vierstündige Verweilzeit der Temperatur

2. Zyklus

200°C, Vierstündige Verweilzeit der Temperatur

Analyse

Nach zwei Vierstunden-Zyklen bei 160°C nahmen bei den beiden argongefüllten Detektoren die Impulse im Mittel um 2,2% ab, während bei den beiden luftgefüllten Modellen sich die mittlere Abnahme auf 8,4% belief. Nach zwei Vierstunden-Zyklen bei 180°C trat ein Verlust von zusätzlich 2% bei der Impulshöhe bei den beiden argongefüllten Detektoren auf, während die luftgefüllten Modelle um weitere 14,4% abfielen. Nach zwei Vierstunden-Zyklen bei 200°C zeigten die argongefüllten Modelle einen Gesamtverlust bei allen Zyklen von 6,8% bei der Impulshöhe, während der Gesamtverlust an Impulshöhe für die Luftgefüllten Modelle 40,7% betrug.

Diese Tests zeigen, daß das Ersetzen der Luft durch ein reaktionsloses Gas im Zusammenwirken mit der Detektorgehäuseauslegung die Leistungsfähigkeit und die Leistungsdauer des Detektors beträchtlich verbessert. Der Effekt der Erfindung wird noch deutlicher, wenn die Temperatur, der der Detektor ausgesetzt ist, größer wird, und die Aussetzdauer unter diesen ungünstigen Bedingungen größer wird.

Es ist an sich überraschend, daß eine reaktionslose Atmosphäre besser als Luft ist, da der Vorteil lediglich sich dann verdeutlichen läßt, wenn man die Anordnung einer erhöhten Temperatur über eine längere Zeitdauer hinweg aussetzt. Die Impulse des Kristalls, wenn er in Argon eingekapselt ist, sind niedriger als bei Luft, bevor die Einheit der Wärme über eine längere Zeitdauer hinweg ausgesetzt wird.

Beispiel 2 Testmethode

Tests wurden unter Verwendung der Herstellungs- und Montagetechniken und den Testeinzelheiten ähnlich wie beim Beispiel 1 durchgeführt. Bei diesem Beispiel wurde das Leistungsvermögen der Detektoren für die angegebenen Kristallgrößen und für die Kristalle gemessen, deren Zubereitung in den Tabellen angegeben ist. Die Impulshöhe wurde zum Zeitpunkt Null, nach 24 Stunden bei 185°C und nach 12 Stunden bei 200°C gemessen. Die Änderung der Impulshöhe wurde als Prozentsatz der Änderung der Ausgangsgröße ermittelt.

Analyse

Wiederum zeigte sich eine beträchtliche Verbesserung beim Wert der Impulshöhe, den man bei Detektoren erhielt, die reaktionlose Atmosphäre hatten. Eine zusätzliche Impulshöhenmessung der ersten Testmodelle nach 24 Stunden bei 200°C zeigte keine nennenswerte Änderung im Vergleich zu den Modellen nach 12 Stunden (d. h. 12,6% und 12,5% jeweils). Dieses Beispiel verdeutlicht, daß ein Inertgas, wie Argon, bevorzugt als Atmosphäre verwendet wird. Die Detektoren, die eine reaktionslose Atmosphäre, wie Stickstoff und CO₂-Atmosphäre hatten, zeigten jedoch ein besseres Leistungsverhalten als Detektoren, die Luftatmosphären hatten.

"T. T" bezeichnet ein Teflonband als ein reflektierendes Medium.

P. H. Stabilisierungstests (-55 bis +185°C bis 200°C)

Beispiel 3 Auswirkung von Stickstoff auf die Temperaturverschlechterung

Vier Detektoren mit 38,1 mm × 101,6 mm (1,5′′ × 4′′ inch) Kristalle wurden mit Teflonbandreflektoren versehen. Zwei wurden unter Anwendung der gegenwärtig üblichen Praxis erstellt, und zwei weitere wurden in eine Stickstoffatmosphäre eingebracht.

Zubereitung

Ein Trockenkasten, der in Beispiel 1 beschrieben ist, wurde für die Erstellung des Detektors verwendet. Der Trockenkasten wurde geöffnet und sorgfältig gereinigt. Die Komponenten wurden mit der üblichen Schwenk- und Trockenmethode gereinigt. Die Kristalle wurden an der Grenzstelle zum Glastrockenkasten angeordnet. Alle Komponenten, Hüllmaterialien und die Reflektormaterialien wurden in den gereinigten Schweißkasten eingebracht. Der Taupunkt des Stickstoffzylinders wurde mit -55°C mit Hilfe einer automatischen Taupunktmeßeinrichtung gemessen. Der Stickstoffzylinder wurde dann am Schweißkasten abgebracht, und der Kasten wurde mit Stickstoff gespült, bis man einen Taupunkt von -55°C, gemessen mit Hilfe der Taupunktmeßeinrichtung, erhält. Hierfür brauchte man zwei Stunden.

Herstellung

Die Kristalloberflächen waren nach der üblichen Praxis in Stickstoffatmosphäre aufbereitet. Die Kristalle wurden in drei Wicklungen aus Teflonband eingewickelt, dann wurde eine Schicht einer 0,25 mm (0,001 inch) Aluminiumfolie und eine vierte Umwicklung aus Teflonband aufgebracht. Die Kristalle wurden dann in diesen Gehäusen in einer Stickstoffatmosphäre eingeschweißt.

Testmethode

Ein 50,8 mm (2′′) Standardrohr wurde zur Messung der Impulshöhe und Auflösung verwendet. Der 25,4-0,125 mm (1-⅛′′) × 25,4-0,125 mm (1-⅛′′) Standardkristall wurde auf Kanal 1000 am Standardrohr eingestellt. Der elektronische Impulserzeuger war ebenfalls auf Kanal 1000 eingestellt. Der 38,1 mm (1 ½′′) × 101,6 mm (4′′) Kristall wurde hinsichtlich der Impulshöhe und der Impulshöhenauflösung vor und nach der wiederholten Ausführung des Erwärmungszyklusses auf 160°C mit einer vierstündigen Verweilzeit bei dieser Temperatur vermessen. Die Ergebnisse und Daten sind nachstehend aufgelistet.

Analyse

Die Inpulshöhenänderung für die Stickstoffmodelle war nicht so gut wie jene bei den Argonmodellen. Die Änderungen waren relativ stetig und etwa halb so groß wie die Änderungen, die man bei den Modellen beobachtete, die in Luft eingeschweißt waren und die ähnlichen Bedingungen ausgesetzt wurden. Dies zeigt, daß Stickstoff ebenfalls als reaktionsloses Gas im Hinblick auf den Zweck der Erfindung geeignet ist.

Vor Zyklus

160°C nach 4 Stunden

160°C nach 5 ½ Stunden

180°C nach 4 Stunden

200°C nach 4 Stunden

Nach 4 Stunden bei 200°C

2. Zyklus

Beispiel 4 Auswirkung von Vakuum auf die Temperaturverschlechterung

Ein 38,1 mm (1,5′′) × 152,4 mm (6′′) Gehäuse wurde mit mit Gewinde versehenen Enden und O-Ringdichtungen hergestellt. Ein Kupferrohr wurde in die Rückseite des Gehäuses zur Evakuierung gelötet.

Ein 38,1 mm (1,5′′) × 152,4 mm (6′′) Kristall wurde an der Grenzschicht zum Fenster des Behälters angeordnet. Der Kristall wurde insgesamt in dem Trockenkasten poliert und dicht in den Behälter eingeschlossen. Es wurde kein Reflektor verwendet. Alle Komponenten wurden gereinigt, und es erfolgte eine Lecküberprüfung mit Hilfe einer Heliumlecküberprüfungseinrichtung vor dem Zusammenbau. Der Detektor war dann hinsichtlich von möglichen Leckagen überprüft. Zu diesem Zeitpunkt zeigt die Lecküberprüfung, daß keine Lecks vorhanden sein können, sie konnten aber nicht aufgefunden werden. Der Detektor wurde dann in einen Ofen gebracht und an das Untersuchungsvakuumsystem angeschlossen. Der Detektor wurde dann auf weniger als 1 µm (Mikron) mittels Pumpe über Nacht evakuiert. Der Ofen wurde dann auf eine Temperatur von 215°C 16 Stunden lang gebracht, wobei das Vakuumpumpsystem am Detektor angeschlossen war. Die Impulshöhen- und Auflösungsmessungen wurden vor und nach dem Brennzyklus vorgenommen (siehe Daten). Der Detektor wurde dann dicht verschlossen und wiederum auf 215°C 16 Stunden lang erwärmt. Die Impulshöhe und die Auflösung wurden nochmals gemessen (siehe Daten).

Während des dicht verschlossenen Brennens änderte sich das gemessene Vakuum auf 500 µm (Mikron) und blieb dann dort stehen, so daß zu erkennen war, daß ein kleines Leck vorhanden war.

Zu diesem Zeitpunkt wurde der Kristall aus dem Behälter entnommen, da ein beträchtlicher Abfall bei der Abgabeleistung auftrat. Zu diesem Zeitpunkt war keine Oberflächenhydrierung erkennbar. Der Kristall wurde dann in das Teflonband eingewickelt, und man konnte eine braune Verfärbung an der Kristalloberfläche erkennen.

Die Impulshöhenmessungen wurden unter Verwendung des Standardkristalls 1-⅛′′ × 1-⅛′′ zu Vergleichszwecken durchgeführt. Die ′′-Werte sind vorangehend in mm angegeben.

Analyse

Die Vakuummodelle waren wiederum nicht so günstig wie die Argonmodelle. Es ist möglich, daß wenigstens ein Teil der Resultate im Zusammenhang mit der einzigen Leckstelle steht. Eine Extrapolation jedoch zeigt, daß die ermittelten Ergebnisse gegenüber Luftmodellen unter denselben Bedingungen günstiger sind.

Claims

1. Szintillationsdetektor gekennzeichnet durch:
ein Szintillationselement (11), das Energie eines ionisierenden Teilchens in Lichtenergie umwandeln kann,
ein Gehäuse (10), in das das Szintillationselement (11) eingekapselt ist, wobei das Gehäuse eine Lichtübertragungseinrichtung (13) enthält, die optisch mit dem Szintillationselement (11) gekoppelt ist,
eine Dichtungseinrichtung (14, 32), die das Gehäuse hermetisch dicht verschließt, und
eine Atomsphäre, die im wesentlichen reaktionslos mit dem Szintillationselement (11) im Gehäuse (10) ist.

2. Szintillationsdetektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Reflektoreinrichtung (28; 128) im Gehäuse (10), die das Licht vom Szintillationselement aufnimmt und reflektiert.

3. Szintillationsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner eine stoßabsorbierende Einrichtung (150) aufweist, die von dem Szintillationselement (11) von außen einwirkende Kräfte abschirmt.

4. Szintillationsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Szintillationselement (11) aus einem Teil der Gruppe besteht, die Alkalimetallhalidkristalle, Zäsiumhalidkristalle, Bismutgermanat und Kunststoffszintillationsmassen umfaßt.

5. Szintillationsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Szintillationselement ein Element der Gruppe aufweist, die NaI(T1), NaBr(T1), KBr(T1), KI(T1), KCl(T1), CsI(T1), CsI(Na) oder Polyvinyltoluolkunststoffszintillatoren umfaßt.

6. Szintillationsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre ein oder mehrere der Gruppen aufweist, die Helium, Argon, Stickstoff, Kohlendioxid und Vakuum umfaßt.

7. Szintillationsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre ein Edelgas ist.

8. Szintillationsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoreinrichtung und die stoßabsorbierende Einrichtung ein reflektierendes Metallpulver (28) aufweisen, das im Gehäuse (10) um das Szintillationselement (11) angeordnet ist.

9. Szintillationsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoreinrichtung Polytetrafluorethylen aufweist.

10. Szintillationsdetektor gekennzeichnet durch:
ein längliches Szintillationselement (11), das Außenlängsflächen (21) hat, wobei das Szintillationselement ein Alkalimetallhalidkristall ist,
ein Gehäuse (10), in das das Szintillationselement eingekapselt ist und das ein lichtübertragendes Fenster (13) enthält, daß optisch mit dem Szintillationselement (11) gekoppelt ist und eine stoßabsorbierende Einrichtung (150) enthält, die das Szintillationselement von außen einwirkenden Kräften abschirmt,
eine Reflektoreinrichtung (28; 128), die im wesentlichen mit den gesamten Längsaußenflächen (21) des Szintillationselements (11) zusammenarbeitet und die Licht reflektiert, das eine Wellenlänge von etwa 300 nm bis etwa 500 nm hat,
eine Dichtungseinrichtung (14; 32), die das Gehäuse (10) hermetisch dicht verschließt, und
eine Atmosphäre im Gehäuse (10), die im wesentlichen reaktionslos mit dem Szintillationselement (11) bei Temperaturen von etwa 150°C bis etwa 200°C ist.

11. Szintillationsdetektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoreinrichtung und die stoßabsorbierende Einrichtung ein reflektierendes Metallpulver (28) aufweisen.

12. Szintillationsdetektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflekoreinrichtung eine Polytetrafluorethylenschicht (128) aufweist.

13. Verfahren zum Herstellen eines Szintillationsdetektors, der Komponenten hat, die ein Szintillationselement, ein Gehäuse und eine Gehäusedichteinrichtung umfassen, gekennzeichnet durch:
Einbringen des Szintillationselements in das Gehäuse,
Vorsehen einer Atmosphäre im Gehäuse, die im wesentlichen reaktionslos mit dem Szintillationselement bei Temperaturen von etwa 150°C bis etwa 200°C ist, und
Anordnen des Gehäuses und der Gehäusedichtungseinrichtung, um das Szintillationselement im Gehäuse hermetisch dicht einzuschließen.

14. Verfahren zum Herstellen eines Szintillationsdetektors nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte aufeinanderfolgend ausgeführt werden.

15. Verfahren zur Herstellung eines Szintillationsdetektors nach Anspruch 14, das zu Beginn einen Schritt enthält, bei dem die Komponenten von Gasen gereinigt werden, die mit dem Szintillationselement reaktiv sind.

16. Verfahren zur Herstellung eines Szintillationsdetektors nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß alle Schritte in einem geschlossenen System ausgeführt werden, das eine Atmosphäre hat, die im wesentlichen reaktionslos mit dem Szintillationselement bei Temperaturen von etwa 150°C bis etwa 200°C ist.

17. Verfahren zur Herstellung eines Szintillationsdetektors nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zum Anbringen des Gehäuses vor dem Schritt zur Bereitstellung der Atmosphäre ausgeführt wird.

18. Verfahren zur Herstellung eines Szintillationsdetektors nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Szintillationselement ein Alkalihalidkristall ist und die im wesentlichen reaktionslose Atmosphäre ein oder mehrere Teile enthält, die aus der Gruppe gewählt sind, die Edelgase, Stickstoff und Kohlendioxid umfaßt.

19. Verfahren zur Herstellung eines Szintillationsdetektors nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen reaktionslose Atmosphäre ein Vakuum ist.