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Verfahren und Einrichtung zur Untersuchung des Erdbodens mit Hilfe
von Neutronen Es ist bekannt, daß man die Zusammensetzung des Erdbodens dadurch
untersuchen kann, daß man in ein in die zu untersuchende Erde hinabführendes Bohrloch
ein- schnelle Neutronen aussendendes Präparat einführt und die Neutronen zählt,
die nach ihrem Eindringen in die umgebenden Schichten des Erdreiches aus diesen
verlangsamt gestreut in das Bohrloch wieder eintreten. Diese Messung wird mit Hilfe
eines Zählrohres, das gegen die von der Neutronenquelle ausgehenden schnellen Neutronen
geschützt ist, durchgeführt. Diese bekannte Einrichtung hat den Nachteil, daß ihre
Bedienung einen hohen Grad von fachmännischem Können voraussetzt und daß ihre Zuverlässigkeit
infolge der Empfindlichkeit des Zählrohres und der zur Verstärkung~dienenden Einrichtungen
nur sehr gering ist. Die nähere Überlegung zeigt, daß es unzweckmäßig ist, für Untersuchungen
dieser Art sich eines Meßinstrumentes zu bedienen, das wenigstens theoretisch in
der Lage ist, die innerhalb verhältnismäßig kurzer Zeit in das Bohrloch zurückkehrenden
verlangsamten Neutronen zu zählen. Für die in Frage stehenden Untersuchungen interessiert
nämlich der zeitliche Verllauf der Intensität der zurückkehrenden Neutronenstrahlung
nicht, da diese bei der vorausgesetzten Konstanz der Emission der Quelle schneller
Neutronen auch über sehr lange Zeiten mit ausreichender Genauigkeit bestehen bleibt.
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Es ist daher bedeutend zweckmäßiger, an Stelle des Zählrohres eine
Einrichtung zu verwenden, die über eine längere Zeit integriert und dementsprechend,
bezogen auf die auftreffende Intensität der verlangsamten Neutronenstrahlung, bedeutend
weniger empfindlich ist. Bei einer solchen Einrichtung treten die erwähnten Nachteile
der bekannten Anordnung nicht auf, wenn erfindungsgemäß zur Messung der Intensität
der in das Bohrloch zurückkehrenden Strahlung verlangsamter Neutronen in das Bohrloch
photographische Schichten eingeführt werden, die gegen schnelle Neutronen, die von
der Quelle unmittelbar zur Schicht gelangen könnten, durch Absorptionsmittel geschützt
und/oder gegen solche Neutronen unempfindlich sind und auf diese photographischen
Schichten die verlangsamten,
aus dem Erdreich zurückkehrenden Neutronen
dadurch in an sich bekannter Weise zur Einwirl;ung gebracht werden, daß sie auf
eine Reaktionsschicht auftreffen, aus der sie geladene Teilchen oder Gammastrahlen
auslösen, die unmittelbar oder mittelbar über eine Leuchtmasse die photographische
Schicht sdiwärzen. Ein Absorptionskörper für die schnellen Neutronen kann beispielsweise
durch eine in einem Behälter untergebrachte wäßrige Lösung einer Borverbindung hergestellt
werden, der zum mindesten an der der photographischen Schicht zugekehrten Seite
mit einer Schicht eines Körpers versehen ist, der die in der Flüssigkeit verlangsamten
Neutronen absorbiert.
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Die photographische Schicht ist gegen schnelle Neutronen in der Regel
an sich nur sehr wenig empfindlich. Am unempfindlichsten sind Schichten, die sehr
arm an Gelatine sind oder deren Träger beispielsweise aus Aluminium besteht. Wasserstoffhaltige
Schicht ten, in denen stets eine gewisse Verlangsamung der Neutronen eintritt und
aus denen auch Rückstoßkerne ausgelöst werden können, müssen, wenn schnelle Neutronen
in die Nähe der photographischen Schicht gelangen können, unbedingt vermieden werden.
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Es besteht häufig das Bedürfnis, hintereinan der eine Reihe von Aufnahmen
durchzuführen, damit nicht von Aufnahme zu Aufnahme die Einrichtung aus dem Bohrloch
entfernt werden muß. Zur Auswechslung der photographischen Schicht empfiehlt es
sich, die zur Anwendung gelangende Reaktionsschicht, aus der die zurückkehrenden
verlangsamten Neutronen die geladenen Teilchen oder Gammastrahlen auslösen, kleiner
zu wählen als die photographische Schicht, so daß stets nur der jeweils in unmittelbarer
Nähe der Reaktionsschicht gelegene Teil der Fläche der photographischen Schicht
geschwärzt wird, während die übrigen Teile der Schicht unverändert bleiben. Von
Aufnahme zu Aufnahme wird bei dieser Anordnung die Reaktionsschicht gegenüber der
photographischen Schicht in der Weise verschoben, daß bei den folgenden Aufnahmen
jeweils Teile der photographischen Schicht der durch die zurückkehrenden Neutronen
ausgelösten Strahlung ausgesetzt werden, die bei den vorhergehenden Aufnahmen noch
nicht bestrahlt wurden.
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Diese Anordnung kann auch dazu benutzt werden, zu überwachen, ob
oder in welchem Umfange etwa währenrd der Reihe von Aufnahmen nicht auf unbeabsichtigte
Weise eine Schwärzung der photographischen Schicht eingetreten ist, die nicht auf
die Wirkung der aus dem Erdreich zurüclrkehreaden veriangsamten Neutronen zurttduführen-
ist.
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Die Relativverschiebung zwischen der Reaktionssehieht und der photographischen
Schicht kann beispielsweise durch ein lGhr--vverk oder in Abhängigkeit von der jeweils
-angestellten Tiefe der Meßvorrichtung unterhalb der Erdoberfläche bewirkt werden.
Während der Aufnahme können die gerade nicht benötigten Teile der photographischen
Schicht auch durch Absorptionsschichten für langsame Neutronen oder für die Teilchen
oder Strahlung, die aus der Reaktionsschiclit ausgelöst werden, geschützt werden,
um auf jeden Fall eine Schwärzung der S:achbarfelder des jeweils exponierten Feldes
zu verhindern. Besonders wichtig ist es, dafür Sorge zu tragen, daß die photographische
Schicht nicht durch Strahlung geschwärzt wird, die durch von ihr entferntere Teile
der Rohrwandung eindringt, wenn man Wert darauf legt, festzustellen, aus welcher
Richtung die Neutronenstrahlung bevorzugt zurückkehr. Zur Verhmderung dieser Bestrahlang
durch von ihr entfernter liegenden Teilen der Wandung des Bohrloehes zurückkehrende
Neutronen wird zweckmäßig in dem zentralen Teil der Anordnung ein hohl- oder volizylinfrischer
Körper aus einem Absorptionsmitte für solche Neutronen, die auf die Reaktionsschicht
einwirken könnten, und für Gammastrahlen vorgesehen.
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Die gegenüber der photographischen Schicht verschiebbare Zwischenreaktionsschicht
kann beispielsweise ill Form eines Ringes ausgebildet werden, der die zur Rohrachse
etwa koaxiale Zylinderfläche einer photograph ischen Schicht umschließt. Für die
einzelnen Aufnahmen wird der Ring in vertikaler Riclitung relativ zur photographischen
Schicht verschoben und vorzugsweise gleichzeitig für die Abdeckung der übrigen Teile
der photographischen Schicht Sorge getragen.
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Es ist auch möglich, am Umfang der zylindrischen photographischen
Schicht mehrere Streifen einer Reaktionsschicht relativ zur photographischen Schicht
verschiebbar anzuordnen und von Aufnahme zu Aufnahme eine Drehung des Systems der
Streifen der Reaktionsschicht gegenüber der zylindrisehen photographisehen Schicht
durchzuführen.
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Die Relativbewegung der photographischen Schicht gegenüber der Reaktionsschicht
kann auch in der Weise vorgenommen werden, daß ein längerer photographischer Film
aus einer Kassette an der Reaktionssehieht vorbeigeführt wird. Diese Bewegung kann
kontinuierlich vorgenommen und für die Anbringung entsprechender Zeitmarken auf
dem Film Sorge getragen werden, so daß nach träglich festgestellt werden kann, in
welcher Lage sich die Aufnahmevorrichtung in bezug auf die Erdoberfläche bzm. in
welcher Himmelsrichtung
eine etwa nur unsymmetrisch vorhandene
Reaktionsschicht sich in bezug auf den Film während der Aufnahme befand.
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Der Vorschub kann jedoch auch unregelmäßig, beispielsweise ruckweise
erfolgen, wenn die Gefahr besteht, daß andernfalls eine unenhünschte Überlagerung
der Wirkungen in zwei verschiedenen Stellungen des Meßgerätes eintritt.
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Das neutronenempfindliche System kann auch dadurch auf die photographische
Schicht zur Einwirkung gebracht werden, daß die aus den umgebenden Erdschichten
verlangsamt zurückkehrenden Neutronen auf eine Reaktionsschicht zur Einwirkung gebracht
werden, aus der sie geladene Teilchen oder Gammastrahlen auslösen, die ihrerseits
zur Erregung eines Leuchtschirmes ausgenutzt werden. Die von diesem Leuchtschirm
ausgehende Strahlung wird zur Schwärzung der photographischen Schicht benutzt. Zwischen
der photographischen Schicht und dem Leuchtschirm kann eine Blende oder ein Verschluß
vorgesehen werden, die es gestuften, die photographische Schicht örtlich oder zeitlich
begrenzt der Strahlung des Leuchtschirmes auszusetzen. Es ist unter Umständen vorteilhaft,
zur Erhöhung der Empfindliehkeit und zur Ersparnis von Filmmaterial in den Strahlengang
der Strahlung des Leuchtschirmes ein optisches Linsen- undloder Spiegelsystem einzuschalten.
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Es können auch mehrere hintereinandergeschaltete, aus je einer Reaktionsschicht
(mit oder ohne Leuchtmasse) und einer photographischen Schicht bestehende Abbildungssysteme
gleichzeitig der zurückkehrenden Strahlung verlangsamter Neutronen ausgesetzt werden.
Die auf diese Weise erhaltenen, je nach der Intensität der zurückkehrenden Strahlung
verschieden stark geschwärzten photographischen Schichten werden bei der Auswertung
in der gleichen Weise wie bei der Aufnahme, selbstverständlich unter Fortlassung
der Reaktionsschichten, hintereinander angeordnet, so daß eine der Zahl der Schichten
etwa proportionlale Verstärkung der Gesamtschwärzung eintritt.
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Man kann auch jede photographische Schicht auf ihrer Vorder- und auf
ihrer Rückseite mit einer Reaktionsschicht (mit oder ohne Leuchtmasse), aus der
die verlangsamten Neutronen geladene Teilchen oder Gammastrahlen aussenden, versehen.
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Da die Aufuahmedauer je nach der Stärke der Neutroneuquelle und der
Beschaffenheit des zu untersuchenden Erdreiches verschieden ist, wird bei der Anwendung
gelegentlich das Bedürfnis bestehen, zur Abkürzung des Verfahrens bei der Untersuchung
in verschiedenen Tiefen des Bohrloches mehrere Aufnahmen gleichzeitig zu machen.
Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß nicht nur an einer, sondern an beilden
Seiten der Neutronenquelle, d. h.
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Oberhalb und unterhalb derselben, die photographischen Aufnahmeeinrichtungen
in gleicher Weise vorgesehen werden. Falls die Neutronenquelle stark genug ist und
falls die Neutronen in das Bohrloch auch noch in größerem Abstand von der Neutronenquelle
in nachweisbarer Intensität wieder zurückkehren, kann es auch nützlich sein, an
jeder Seite der Neutronenquelle mehrere Aufnahmevorrichtunlgen in verschiedenem
Abstand vorzusehen. Es können auch übereinander mehrere Systeme vorgesehen werden,
die je aus einer Elektronenquelle und einer oder mehreren Aufnahmevorrichtungen
bestehen, so daß es praktisch möglich ist, das Erdreich, das das Bohrloch umgibt,
auf der ganzen Länge des Bohrloches gleichzeitig zu untersuchen. Im Hinblick darauf,
daß die erfindungsgemäße Einrichtung äußerst einfach ist, stellt dies keine nennenswerte
Erhöhung des Aufwandes für die Aufnahmen dar.
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Die Abbildungen zeigen in zum Teil schematischer Darstellung Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Einrichtung.
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Sie dienen zugleich der Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In das Erdreich 1 führt das Bohrloch 2, das durch das Rohr 3 ausgekleidet
ist. Die erfindungsgemäße Einrichtung befindet sich bei dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. I in der zylinrdrischen Kapsel 4. Die Quelle schneller Neutronen 5, beispielsweise
ein Rædium-Beryllium-Präparat, sendet schnelle Neutronen nach allen Seiten, wie
durch die Pfeile 6 angedeutet ist, aus. Die in das Erdreich 1 eindringenden schnellen
Neutronen werden im Erdreich nach allen Seiten gestreut und vorzugsweise durch wasserstoffhaltige
Substanzen, beispielsweise Wasser oder Erdöl, verlangsamt. Die gestreuten und verlangsamten
Neutronen treten aus dem Erdreich zum Teil, wie durch die Pfeile 7 angedeutet ist,
wieder in das Bohrloch 2 ein.
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Die Intensität der Strahlung zuritekkehrender langsamer Neutronen
wird erfindungsgemäß dadurch aufgezeichnet, daß diese Neutronen zunächst auf eine
Reaktionsschicht 8 auftreffen, aus der sie geladene Teilchen oder Gammastrahlen
auslösen, die entweder unmittelbar oder mittelbar durch Erregung eines Leuchtschirmesg
eine photographische Schicht Io schwärzen. Die während der Aufnahmedauer erzielte
Schwärzung ist also ein Maß für die Intensität der aus dem Erdreich an der betreffenden
Stelle in das Bohrloch eintretenden Strahlung verlangsamter Neutronen.
Es
ist möglich, aus dieser Intensität auf die Beschaffenheit des Erdreiches in der
Umgebung des Bohrloches, insbesondere auf seinen Gehalt an wasserstoffhaltigen Substanzen,
beispielsweise Wasser oder Erdöl, Rückschlüsse zu ziehen.
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In der Mitte der hohlzylindrischen Anordnung der photographischen
Schicht kann ein hohl- oder vollzylindrischer Körper in vorgesehen werden, der verlangsamte
Neutronen und erforderlichenfalls die von der Reaktionsschicht ausgehende Strahlung
derart absorbiert, daß die photographische Schicht an jeder Stelle nur mittelbar
durch die Neutronen geschwärzt wird, die an der ihr benachbarten Fläche des Bohrloches
eintreten, während eine Bestrahlung durch von allen anderen, beispielsweise auf
der gegenüberliegenden Seite gelegenen Stellen des Bohrloches eintretende Neutronen
vermindert wird.
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Diese Anordnung gestattet es daher, mittels einer einzigen Aufnahme
die Untersuchung des Erdreiches in der Umgebung des Bohrloches in versdiiedenen
Himmeisriehtungen durchzuführen. Zur Verhinderung einer Schwärzung der photographischen
Schicht durch schnelle Neutronen ist zwischen ihr und der Quelle schneller Neutronen
5 ein Behälter 12 vorgesehen, der einen Körper, beispielsweise eine wäßrige Lösung
einer Borverbindung I3 enthält, die die schnellen Neutronen verlangsamt. Die verlangsamten
Neutronen werden durch eine Absorptionsschicht I4, die innerhalb oder außerhalb
des Behälters 12 angebracht sein kann, absorbiert. Zur Vermeidung von Schwärzungen
der photographischen Schicht durch diese langsamen Neutronen empfiehlt es sich,
den Körper 13 allseitig mit einer solchen Schicht zu umgeben. Die photographische
Schicht IO muß ferner gegen Gammastrahlen geschützt werden, die nicht aus der Reaktionsschicht
austreten. Zu diesem Zweck wird zwischen ihr und der Quelle schneller Neutronen
5 noch eine Schutzschicht gegen Gammastrahlen, beispielsweise aus Blei, vorgesehen.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umgibt diese Schicht I5 die Quelle schneller
Neutronen 5.
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Falls trotz dieser Maßnahmen noch eine störende Gammastrahlung auf
die photographische Schicht einwirkt, empfiehlt es sich, für diese eine gegen Gammastrahlen
möglichst wenig empfindliche Emulsion, beispielsweise die üblichen Diapositivemulsionen,
zu verwenden und eine Reaktionsschicht zu wählen, die geladene Teilchen, vorzugsweise
schwere geladene Teilchen, aussendet, die entweder unmittelbar oder mittelbar über
eine Leuchtmasse auf die photographische Schicht sdiwärzend einwirken. Ein Verlust
an Empfindlichkeit tritt hierbei nicht ein, da die Diapositivemulsionen bekanntlich
gegen geladene Teilchen, insbesondere schwere geladene Teilchen, praktisch ebenso
empfindlich sind wie die hochempfindlichen Emulsionen.
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An Stelle des dargestellten Absorptionskörpers für die schnellen
Neutronen, der diese zunächst verlangsamt und dann die verlangsanften Neutronen
absorbiert, kann auch ein Werkstoff verwendet werden, der schnelle Neutronen absorbiert
bzw. stark streut. Man kann hierfür beispielsweise Wolfram vrwenden. Die in der
Figur dargestellten Abmessungen des Absorptionskörpers sind im Verhältnis zu der
Größe der photographisehen Schicht und der Neutronenquelle viel zu klein. Es sind
diese Abmessungen lediglich gewählt worden, um die komplizierten Teile deutlicher
darstellen zu können.
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Fig. 7 zeigt eine Einrichtung zur Versehiebung einer ringförmigen
Reaktionsscllicht I6 gegenüber der photographischen Schicht 10.
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Die Reaktionsschicht Ib ist gegebenenfalls zugleich mit einer durch
sie erregten Leuchtmasse in einer ringförmigen Vertiefung des zylindrischen Halters
17 untergebracht, der gegenüber der Schicht IO mittels der Stange 32 verschoben
werden kann.
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Fig. 3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Anordnung, bei
der die Reaktionsschicht I8 in Form von Längsstreifen I8 im Innern .des Hohlzylinders
19 angebracht ist.
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Der Zylinder 19 kann um die Achse 20 gedreht werden, so daß die Streifen
IS je nach der relativen Stellung der Teile IO und 19 verschiedene Teile der photographischen
Schicht schwärzen. Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Reaktionsschichten I6 und
18 können auch auf der Innenseite der photo graphischen Schicht oder gleichzeitig
auf beiden Seiten der photographischen Schicht angeordnet und gemeinsam verschiebhar
sein.
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Fig. 4 zeigt als w-eiteres Ausführungsbeispiel eine Anordnung, bei
der zwischen der photographischen Schicht 10 und der Zxvisclienreaktionsschicht
21, die mit einer Leuchtmasse bedeckt sein kann, ein verschiebbarer Schirm 22 mit
einer Blendenöffnung 23 (Loch, Ring- oder Längsschlitz) vorgesehen ist, der die
Strahlung der Reaktionsschicht bzw. des Leuchtschirmes nur an der Stelle der öffnung
23 zur photographisehen Schicht hindurchläßt. Silan kann auch durch einen Schirm
die von außen ein tretenden verlangsamten Neutronen von der Reaktionsschicht 21
fernhalten. Dann muß der verschiebtjare Schirm 22 außerhalb der Reaktionsschicht
21 angeordnet und aus einem Neutronen stark absorbierenden Werkstoff hergestellt
sein. Es können statt des dargestellten Systems mit einer photographischen
Schicht
und einer :Reaktiontsschicht (mit oder ohne Leuchtmasse) auch mehrere photographische
Schichten mit mehreren Reaktionsschichten in Ider gleichen Weise ineinandergeschachtelt
mit zwischengefligtem Schirm benutzt werden.
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Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung, die kontinuierlich oder ruckweise
von Aufnahme zu Aufnahme die auf einem Film angebrachte photographische Schicht
24 zu verschieben gestattet. An der Stelle der Öffnung 25 in dem Gehäuse 26 tritt
die von der Realçtionsschicht 27 bzw. dem Leuchtschirm 28 ausgehende Strahlung zur
Schwärzung der photographischen Schicht ein. Die Transportbewegung kann durch ein
Uhrwerk vorgenommen werden. Die Wandung des Behälters 26 oder eine innerhalb oder
außerhalb desselben angebrachte Schutzschicht aus einem schädliche Strahlung absorbierenden
Werkstoff schützt den Film vor Strahlen, die nicht durch die Öffnung 25 eintreten.
Zwischen dem Leuchtschirm 28 und der photographischen Schicht ist eine Linse 29
vorgesehen, die die Strahlung auf einem kleinen Fleck der Filmoberfläche zusammenfaßt.
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Diese Linse muß selbstverständlich fortfallen, wenn ohne Leuchtschirm
gearbeitet wird. In diesem Fall wird die Reaktionsschicht 27 in geringem Abstand
unmittelbar vor der Öffnung 25 angebracht. Bei Verwendung eines Leuchtschirmes wird
man in der Regel die Linse ebenfalls fortlassen.
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Fig. 6 zeigt eine Anordnung mit einer Neutronenquelle 5 und einer
Reihe von übereinander angeordneten photographischen Aufnkahmevorrichtungen 30 gemäß
der Erfindung, die gegen die Strahlung schneller Neutronen, die unmittelbar von
der Neutronenquelle 5 zu ihnen gelangen könnte, durch die Schutzkörper 3I geschützt
sind.
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Fig. 7 zeigt als Ausführungsbeispiel eine Anordnung, bei der übereinander
im Bohrloch mehrere Neutronenquellen 5 mit den zugehörigen Absorptionskörpern 3I
und den erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtungen 30 angeordnet sjnd.