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Verfahren und Meßgerät zur Bestimmung des Kalim gehaites von Kalisalzschichten
unter Tage durch Messung der Radiloaktiv;ität -des Kaliums
Die durch den Anteil des
Isotops K40 hervorgerufene natürliche Radioaktivität des Kaliums ermöglicht es,
aus der Strahlungsintensität eines kaliumhaltigen Salzgemisches den K2 0-Gehalt
zu bestimmen. Es besteht ein linearer Zusammenhang zwischen K20-Gehalt und der mittels
eines Zählgerätes festgestellten Aktivität der vom zerfallenden Isotop K40 emittierten
Beta-Strahlen, die im Salz eine nur geringe Reichweite von größenordnungsmäßig I
mm haben, während die Reichweite der vom zerfallenden Isotop K40 außerdem emittierten
Gamma-Strahlen im Salz mit etwa 40 bis 50 cm angenommen werden kann.
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Obwohl es Zähirohre, die nur für Beta-Strahlen und überhaupt nicht
für Gamma-Strahlen empfindlich sind, nicht gibt, lassen sich recht genaue Meßergebnisse
erzielen, wenn man pulverförmige Proben einer Kalisalzschicht in einer Schichthöhe
von etwa 1 cm um ein Becherzählrohr aufschüttet und mit dem Zählrohr die Aktivität
der emittierten Strahlen ermittelt.
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Denn die I cm hohe Schicht ist für die Beta-Strahlen des Isotops K40
unendlich dick, so daß eine Vergrößerung der Schichtdicke keine Erhöhung der gemessenen
Beta-Aktivität mehr bewirken würde; sie ist aber noch so dünn, daß die Gamma-Strahlung
noch keinen merklichen Anteil (etwa 2 °/0) an der
Gesamtaktivität
hat. Der Kaliumgehalt kann sonach als direkt proportional der Beta-Aktivität angesehen
und auf einfache Weise an dem Zähleffekt des Becherzählrohres ermittelt werden.
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Diese an sich bekannte Untersuchungsmethode hat jedoch den Nachteil,
daß-se das Entnehmen von Proben notwendig macht und nicht unmittelbar am anstehenden
Salz durchführbar ist.
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Bei Strahlungsmessungen unter Tage hat die Gamma-Strahlung einen
wesentlich größeren Anteil an der von einem betaempfindlichen Zählrohr registrierten
Gesamtaktivität. Der Gamma-Anteil ist zudem von der Dicke der Kalisalzschichten
abhängig, welche das in einem Bohrloch befindliche Zählrohr umgeben. Die bekannte
Messung der Gamma-Strahlung für sich allein, die wegen der einfachen, stabilen Ausführung
der abgeschirmten Gamma-Zählrohre leicht zu bewerkstelligen ist, würde nur dann
dem K2 0-Gehalt proportional sein, wenn das Salz in bezug auf seinen K20-Gehalt
im Umkreis von 40 bis 50 cm um das Bohrloch, in welches das Zählrohr eingeführt
wird, homogen wäre. Der Einfluß der Dicke und des Verlaufes der Salzschichten sowie
eines im Meßbereich nicht an allen Stellen gleichmäßigen K2 O-Gehaltes bringen so
erhebliche Unsi:herheitsfaktoren in die Gamma-Messung, daß diese nur eine sehr grobe
Orientierung über den Kaligehalt des anstehenden Salzes gestattet. Vielfach wurde
festgestellt, daß das Ergebnis der Gamma-Strahlung im Widerspruch steht mit dem
Ergebnis der chemischen Analyse des aus dem Bohrloch, in welchem die Gamma-Messung
durchgeführt wurde, entnommenen Bohrmehles. So kann beispielsweise in einem Bohrloch,
das sich in reinem Steinsalz befindet, infolge einer in geringer Entfernung von
der Meßstelle befindlichen höherprozentigen Kalisalzschicht mit dem Gamma-Zahlrohr
eine Gamma-Aktivität gemessen werden, welche einen in Wirklichkeit an der Meßstelle
gar nicht vorhandenen K2 0-Gehalt vortäuscht.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, welches es ermöglicht,
am anstehenden Salz unter Tage in kürzester Zeit eine Bestimmung des K2 0-Gehaltes
annähernd mit der gleichen Genauigkeit durchzuführen, wie sie bisher nur durch chemische
Analyse des Bohrmehles zu erreichen war. Nach der Erfindung werden an der gleichen
Meßstelle zwei Messungen vorgenommen, nämlich einmal eine Messung mit einem Beta-Zählrohr,
welches die Beta + Gamma-Aktivität registriert, und zum anderen eine Messung mit
einem Zählrohr, welches lediglich die Gamma-Aktivität registriert. Durch Differenzbildung
der beiden Messungen, bei welcher das Meßergebnis der durch einen Umrechnungsfaktor
ermittelten reinen Gamma-Aktivität vom Meßergebnis der Beta + Gamma-Aktivität abgezogen
wird, wird ein reduzierter Beta-Wert gewonnen, der dem Kaliumgehalt an der Meßstelle
proportional ist.
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Der Grundgedanke der Erfindung läuft darauf hinaus, den Gamma-Effekt
festzustellen und ihn von der Gesamtaktivität abzuziehen, so daß der reine Beta-Anteil
der Gesamtaktivität als unbedingt zuverlässiger Meßwert für den Kaligehalt an der
Meßstelle der Salzschicht -übrigbleibt. Der von einem unabgeschirmten Beta-Zählrohr
registrierte Gamma-Anteil v' ist, wie mit Sicherheit angenommen werden darf, proportional
dem mit einem Gamma-Zählrohr gleicher Abmessung oder mit dem gleichen, aber abgeschirmten
Zählrohr gemessenen Gamma-Effekt v, d. h., es ist v = X V, (I) wobei z ein vorläufig
noch unbekannter Proportionalitätsfaktor ist. Der mit dem Beta-Zählrohr gemessene
Gesamteffekt X setzt sich aus dem reinen Beta-Anteil y und dem reinen Gamma-Anteil
v' zusammen, also X = y + v' (2) oder mit u = y fxv. (I) (3) Der reine Beta-Anteil
ist proportional dem K2 0-Gehalt, der mit p bezeichnet werden soll, also y=A.p,
(4) wobei A ein ebenfalls unbekannter Proportionalitäts faktor ist. Aus (3) und
(4) ergibt sich dann X = A p + x v . (5) Man kan,l also, nachdem die Konstanten
A und x einmal bestimmt sind, den K2O-Gehalt p aus den beiden Messungen X und v
ermitteln nach der Gleichung p = A (x v) . (6) Die Konstanten A und x müssen durch
eine Reihe von Eichmessungen ermittelt werden.
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Die Messungen der Beta + Gamma-Aktivität und der Gamma-Aktivität
können. entweder zeitlich nacheinander oder gleichzeitig vorgenommen werden.
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Die gleichzeitige Durchführung beider Messungen, die allerdings besondere
Meßgeräte erforderlich macht, bietet den Vorteil einer Abkürzung des Verfahrens
und gewährleistet die Einhaltung der genau gleichen geometrischen Anordnung der
Meßgeräte der beiden Messungen. In beiden Fällen können die Messungen in einem Bohrloch
oder durch Anlegen des oder der Meßgeräte an den Stoß einer>Kalisalzschicht bewirkt
werden. Die Messungen 4n Bohrlöchern setzen Staubfreiheit der Bohrlöcher voraus,
da das Vorhandensein von Bohrmehlresten im Bohrloch -die Meßergebnisse schon erheblich
verfälschen kann.
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Für das gleichzeitige Messen der Gesamtaktivität und der Gamma-Aktivität
finden vorteilhaft für den besonderen Zweck ausgebildete Zählrohre Anwendung, bei
denen mehrere Beta-Zählrohre und mehrere Gamma-Zählrohre zu einem Rohrbündel oder
zu einem von einer Messingschale getragenen Zählrohrsatz vereinigt sind.
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Die praktische Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann weiterhin
erheblich erleichtert und abgekürzt werden, wenn dem aus mehreren Beta- und Gamma-Zählrohren
kombinierten Meßgerät ein Registriergerät zugeordnet ist, bei welchem die Impulse
der Beta + Gamma-Strahlung und die nach dem Proportionalitätsfaktor x korrigierten
Impulse der Gamma-Strahlung über Verstärker, Umformer und
gegebenenfalls
Gleichrichter zu einer Differenzmeßschaltung geleitet werden, die mit einem den
Kaliumprozentsatz sichtbar machenden oder aufzeichnenden Anzeigegerät verbunden
ist.
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Auf diese Weise ist eine Einrichtung geschaffen worden, die es erlaubt,
am anstehenden Salz ohne Rechenarbeit und ohne Benutzung von Eichkurven eine K2
O-Bestimmung vorzunehmen und das Ergebnis am Registriergerät gleich abzulesen bzw.
festzuhalten.
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Angestellte Versuche, deren Ergebnisse mit den Ergebnissen der chemischen
Analyse des Bohrlochmehles verglichen wurden, haben gezeigt, daß es mit dem Verfahren
und den Geräten gemäß der Erfindung gelingt, eine für die Bedürfnisse der Praxis
hinreichende Genauigkeit der K2 0-Bestimmung bei Messungen unter Tage zu erzielen.
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In der Zeichnung sind mehrere zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeignete Anordnungen und Meßgeräte schematisch dargestellt.
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Fig. I zeigt das in einem Bohrloch I einer Kalisalzschicht 2 befindliche
Zählrohr 3 mit einer Stoßschutzkappe 4 am vorderen Zählrohrende und einem Handgriff
5 am hinteren Zählrohrende. Durch den Handgriff 5 ist das Kabel 6 zum Anschluß des
Zählrohres an ein Registriergerät hindurchgeführt. Mit dem gleichen Zählrohr werden
einmal die Impulse der Gesamtaktivität der Beta + Gamma-Strahlen aufgenommen. In
einer nachfolgenden oder vorangehenden anderen Messung wird das Zählrohr 3 durch
Aufschieben eines strichpunktiert gezeichneten Messingzylinders 7 gegen die Beta-Strahlen
unempfindlich gemacht, so daß dann nur die Aktivität der Gamma-Strahlen registriert
wird. Nachdem der mit der Konstanten z multiplizierte Meßwert der Gamma-Aktivität
von dem Meßwert der Beta + Gamma-Aktivität abgezogen ist, kann man in einer Eichkurve
den absoluten Wert des K2 0-Gehaltes ablesen, den die Kalisalzschicht an der Meßstelle
aufweist.
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Für Messungen am Stoß kann eine der Fig. 4 ähnliche Anordnung benetzt
werden, die nur aus einem Beta-Zählrohr 3 oder aus mehreren Beta-Zählrohren 3 besteht,
jedoch keine Gamma-Zählrohre enthält. Für die Gamma-Messung wird vor dem Träger
der Zählrohre eine Messingplatte angebracht.
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Fig. 2 ist die schaubildliche Ansicht und Fig. 3 der Querschnitt
eines Meßgerätes, bei welchem für gleichzeitiges Messen der Gesamtaktivität und
der Gamma-Aktivität mehrere - beispielsweise drei - dünnwandige Beta-Zählrohre 8
mit mehreren - im gezeichneten Beispiel vier - Gamma-Zählrohren g gebündelt sind.
Sämtliche Zählrohre 8, 9 sind durch Messingringe 10 zusammengehalten, die ihrerseits
durch parallel zu den Zählrohren verlaufende Messingstangen II zu einem die gebündelten
Zählrohre umgebenden Schutzkäfig zusammengeschlossen sind. Am Vorderende des Käfigs
Io, Ix ist vor den Zähliohren, ähnlich wie beim Einzelrohr 3 der Fig. I, eine Stoßschutzkappe
12 angebracht. Nach hinten ist der Schutzkäfig durch den Handgriff 13 fortgesetzt,
der mit einer axialen Bohrung für die Durchführung des zweiadrigen Kabels 14 versehen
ist.
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Das aus einem Zählrohrbündel 8, ç bestehende Zählrohrmeßgerät nach
Fig. 2 und 3 dient ebenfalls zur Anwendung in Bohrlöchern. Zweckmäßigerweise wird
es in Verbindung mit einem Registriergerät benutzt, welches aus den Zähleffekten
der Beta + Gamma-Strahlung und der Gamma-Strahlung die Differenz bildet und dann
unmittelbar den K2 O-Gehalt an der Meßstelle der Kalisalzschicht anzeigt bzw. registriert.
Das Registriergerät wird an Hand des in Fig. 7 dargestellten Schaltschemas nachfolgend
noch näher erläutert.
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Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen den waagerechten Querschnitt, die Vorderansicht
und die Seitenansicht eines aus Beta- und Gamma-Zählrohren 8 bzw. 9 kombinierten
Meßgerätes, welches durch Anlegen gegen den Stoß einer Kalisalzschicht benutzbar
ist. Die Beta-Zählrohre 8 und die Gamma-Zählrohre 9 sind in einer nach vorn offenen
Messingschale I5 parallel zueinander verlaufend eingebaut, und zwar so, daß die
Beta-Zählrohre in der Messingschale I5 vorn und die Gamma-Zählrohre g in der Messingschale
hinten sich befinden. Messingstäbe x6, welche an dem etwas über die Beta-Zählrohre
vorstehenden Rand der Schale 15 befestigt sind, bilden ein Schutzgitter für die
Zählrohre. Ein an der Rückseite der Messingschale angebrachter Handgriff I7 dient
der bequemen Handhabung des Gerätes. Das zweiadrige Kabel 14 ist durch eine Bohrung
der vor den unteren Enden der Zählrohre liegenden. Seitenwand der Schale 15 hindurchgeleitet.
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Den aus Beta- und Gamma-Zählrohren kombinierten Meßgeräten nach Fig.
2 und 3 bzw. nach Fig. 4, 5 und 6 ist ein die Impulse beider Messungen aufnehmendes
und sie sofort auswertendes Registriergerät zugeordnet, dessen Schaltschema in Fig.
7 dargestellt ist.
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Die Impulse der Gesamtaktivität zur d. h. der Aktivität der Beta
+ Gamma-Strahlen, und die Impulse der Gamma--Aktivität v werden je über einen Verstärker
V1 bzw. V2, über einen Umformer U1 bzw. U2 und gegebenenfalls über (im Schaltschema
nicht gezeichnete) Gleichrichter einer Schaltung D zugeleitet, welche aus den beiden
modulierten Stromimpulsen die Differenz bildet. Durch geeignete Schaltanordnung
vor der Schaltung D läßt sich erreichen, daß dem Proportionalitätsfaktor x Rechnung
getragen wird, so daß in die Differenzschaltung der Wert v' eingeht. Mit der Differenzschaltung
verbunden ist ein Registriergerät R, welches in Prozenten den Kaliumgehalt der Kalischicht
an der Meßstelle anzeigt oder aufzeichnet.