KR20040028565A

KR20040028565A - 신틸레이션 검출기

Info

Publication number: KR20040028565A
Application number: KR1020030067292A
Authority: KR
Inventors: 윌리암스제임스리차드
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2004-04-03
Also published as: JP2004125792A; MXPA03008764A; CA2441438A1; EP1403661A1; RU2003129093A; US20040061058A1

Abstract

신틸레이션(scintillation) 검출기는 실질적인 원통형 하우징(70)내에 장착된 실질적인 원통형 크리스탈 요소(12)를 포함하고, 이 하우징의 일 단부는 광전자 증배관(photo-multiplier tube)(72)과 연결되며, 실질적인 원통형 크리스탈 요소는 그의 주위 표면 둘레에 가돌리늄(gadolinium) 포일(38)로 권취된다.

Description

신틸레이션 검출기{SCINTILLATION DETECTOR WITH GADOLINIUM BASED SIDEWALL AXIAL RESTRAINT AND COMPLIANCE ASSEMBLY}

본 발명은 유정 로깅(oil well logging)에서 방사선을 검출하는 장치에 관한 것으로, 특히 장치의 센서부로부터 열 중성자를 차단하도록 구성된 장치에 관한 것이다.

유정 로깅의 일 방법은 로깅 공구에 고속 중성자 소스를 사용하는 것이다. 이러한 소스로부터의 중성자는 감마선을 형성하는 유정 구멍 환경에 의해 산란되고 흡수된다. 이러한 감마선은 공구내의 신틸레이션 또는 방사선 검출기[대체로, 광전자 증배관(photo-multiplier tube)에 연결된 NaI 크리스탈 요소]에 의해 검출되고, 유정 구멍 환경의 물리적 특성에 관한 정보를 제공한다. 가열된 중성자가 NaI 센서내로 반사되어 요오드를 활성화한다고 하는 문제점이 발생한다. 이렇게 활성화된 요오드는 25분의 절반 수명으로 줄어든다. 이러한 감소가 발생함에 따라, 신틸레이터는 방출되는 방사선을 검출하고 증가된 백그라운드 카운팅 율(background counting rate)이 발생된다. 이러한 백그라운드는 관련 측정을 방해한다. 따라서 이러한 열 중성자는 검출기의 감지 영역에서 배제되는 것이 바람직하다.

공지된 접근법은 신틸레이션 요소 또는 크리스탈의 외부 둘레에 카드뮴 금속 랩을 위치시키는 것이다. 이것은 현재의 유정 로깅 산업에서 가장 일반적인 해결방법이다. 그러나 이러한 접근법은 여러 단점을 갖는다. 카드뮴은 열 중성자를 흡수하는 적당한 능력만을 갖는다. 따라서, 중성자로부터 크리스탈을 효과적으로 보호하기에 충분한 카드뮴을 위한 공간을 허용하기 위해 검출기는 20% 정도 사이즈가 감소되어야 한다. 또한 카드뮴은 공지된 발암 물질이며 유독성이다. 카드뮴 랩핑은 검출기에 대해 외부에 있으며, 따라서 센서를 위해 필요한 공간 및 시스템이 단일 제품 또는 공구로 일체화될 수 있는 정도를 제한한다.

다른 공지된 접근법은 검출기 차폐체의 내부를 붕소 화합물로 피복하는 것이다. 이러한 접근법은 2가지의 단점을 갖는다. 피복이 매우 높은 온도에서 실시되어야 하고 적용이 어렵다고 하는 것이다. 또한, 붕소는 열 중성자를 차단함에 있어서 카드뮴보다 덜 효과적이며, 따라서 그의 두께는 보다 두꺼워져야 하고, 이는 검출기의 감지 영역을 위한 유용한 공간을 더욱 감소시킨다.

크리스탈 재료에서 열 중성자를 배제시키는 것은 가돌리늄 포일층을 검출기용 기존 지지 시스템, 예를 들면 검출기의 크리스탈 요소에 결합시킴으로써 달성될 수 있다. 가돌리늄은 카드뮴의 열 중성자 흡수보다 10배나 큰 열 중성자의 가장 큰 요소 효율을 갖는다. 이러한 것은 NaI 크리스탈에 대해 보다 큰 공간을 제공하고 검출기의 감지 체적을 증가시킨다. 가돌리늄은 신체에 대한 알려진 악영향이 없지만, 몇몇 경우 검출기 조립체내에 밀봉식으로 밀봉될 수 있다. 완전한 신틸레이션 검출기 패키지는 중성자 차폐체를 공구 조립체에 일체화시키는 부가적인 작업없이 장래의 구매자에게 판매될 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 신틸레이션 또는 방사선 검출기는 티타늄 하우징내에 밀봉식으로 밀봉된 일반적으로 원통형 형상의 NaI 크리스탈을 포함한다. 빛을 광전자 증배관(나사식 연결이 제공됨)내로 빠져나가게 하기 위한 광학 윈도우가 검출기의 전방에 위치된다.

열 중성자 차폐체는 축방향 및 반경방향 지지 조립체의 부분으로서 검출기내에 조립되고, 크리스탈의 측벽 뿐만 아니라, 크리스탈의 테이퍼진 전방 섹션 및 크리스탈의 배면을 덮는다. 절연되지 않는 크리스탈의 유일한 부분은 광전자 증배관에 연결된 그의 정면이다.

특히, 예시적인 실시예에 있어서, 신틸레이션 검출기의 크리스탈 요소는 반사 테이프로 랩된다. 테이프를 둘러싸는 것은 폴리아미드 랩이며, 측벽의 축방향 억제 및 순응성 조립체(sidewall axial restraint and compliance assembly : SARCA)는 예를 들면 미국 특허 제 5,962,855 호에 개시된 것과 유사하다. 일반적으로 SARCA는 가돌리늄 포일 랩을 중심으로 샌드위치된 본 발명에 따른 재료의 내층 및 외층을 포함한다. SARCA의 외층은 Teflon(등록상표) 피복된 스테인리스강 슬리브일 수 있으며, 내층은 폴리아미드 슬리브일 수 있다.

Teflon(등록상표) 피복된 스테인리스강 슬리브는 검출기의 외측에 대해 Teflon(등록상표) 피복된 측면이 배치된다. 알루미늄 칼라는 그의 일 단부에서 스테인리스강 슬리브의 내측에 아교 접착된다. 그 후 가돌리늄 포일은 폴리아미드 슬리브의 대향면에 아교 접착되고, 스테인리스강 슬리브상의 칼라와 정렬되는 영역에만 아교가 도포된다. 가돌리늄과 폴리아미드 슬리브 사이의 나머지 계면은 그리스로 충전된다. 그 후 내측 SARCA(폴리아미드 슬리브 및 가돌리늄 포일로 이루어짐)는 외측 SARCA[Teflon(등록상표) 피복된 스테인리스강 슬리브 및 알루미늄 칼라]에 아교 접착되고, 가돌리늄 포일은 스테인리스강 슬리브의 피복되지 않은 측면과 폴리아미드 슬리브 사이에 샌드위치된다. 그 후 조립된 SARCA는 크리스탈을 중심으로 랩되고, 예를 들면 켑톤 테이프의 스트립에 의해 제 위치에 고정된다.

그 후 검출기의 전체 신틸레이션 검출기 구성요소는 검출기와 차폐체 사이에 검출기 조립체를 중심으로 놓인 축방향으로 연장하는 판 스프링을 구비한 채, 원통형 티타늄 차폐체 또는 하우징내에 위치된다. 그 후 신틸레이션 검출기 구성요소는 광전자 증배관과 연결되도록 준비된다.

본 발명의 다른 실시예는 열 중성자에 의해 활성화될 수 있는 다른 크리스탈 재료의 사용, 검출기가 밀봉식으로 밀봉될 수 있는 다른 하우징, 다른 광학 연결 장치, 및 다른 축방향 및/또는 반경방향 지지 조립체를 포함할 수 있다.

따라서, 일 실시예에 있어서, 본 발명은 실제적인 원통형 하우징내에 장착된 실제적인 원통형 크리스탈 요소를 포함하는 신틸레이션 검출기에 관한 것으로, 이 하우징의 일 단부는 광전자 증배관과 연결되며, 실제적인 원통형 크리스탈 요소는 그의 주위 표면 둘레에 가돌리늄 포일로 권취된다.

다른 실시예에 있어서, 본 발명은 일 단부가 광전자 증배관에 연결된 하우징내에 장착된 나트륨 요오드화물 크리스탈 요소를 포함하는 신틸레이션 검출기에 관한 것으로, 이 크리스탈 요소는 가돌리늄 포일에 의해 스테인리스강 슬리브내에 실질적으로 둘러싸인다.

또다른 실시예에 있어서, 본 발명은 실질적인 원통형 하우징내에 장착된 실질적인 원통형 크리스탈 요소와; 크리스탈 요소와 하우징 사이에 반경방향으로 위치된 상기 하우징내의 반경방향 및 축방향 지지 조립체를 포함하며, 상기 반경방향 및 축방향 지지 조립체는 크리스탈 요소를 실질적으로 둘러싸는 가돌리늄 포일 슬리브를 포함한다.

본 발명은 첨부도면을 참조하여 보다 자세히 상술된다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 방사선 검출기의 신틸레이션(scintillation) 또는 크리스탈 구성요소의 측면도,

도 2는 도 1에 도시된 신틸레이션 또는 크리스탈 구성요소의 전개 사시도,

도 3은 도 1에 도시된 신틸레이션 또는 크리스탈 구성요소내에 합체된 내측 축방향 및 반경방향 지지 시스템의 2개 구성요소를 도시하는 전개 사시도,

도 4는 내측 반경방향 및 축방향 지지 조립체의 2개의 추가 구성요소의 전기 사시도,

도 5는 도 3의 조립된 구성요소와 도 4의 조립된 구성요소를 도시하는 전개 사시도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 신틸레이션 검출기12 : 신틸레이션 요소

14 : 테이프20 : 폴리아미드층

28 : 외측 스테인리스강 슬리브32 : 내측 폴리아미드 슬리브

34 : 알루미늄 칼라38 : 가돌리늄 포일

70 : 차폐체72 : 광전자 증배관

도 1 및 도 2를 참조하면, 예시적인 실시예인 방사선 검출기의 신틸레이션 또는 크리스탈 구성요소(10)는 기계가공된 크리스탈 또는 신틸레이션 요소(12), 바람직하게는 나트륨-요오드화물(NaI) 크리스탈을 포함한다. 크리스탈용의 다른 적절한 화합물은 안트라센, 비스무트 게르마늄 산화물(BGO), 세륨 산화물(CeI), 세슘 요오드화물(CsI), 가돌리늄 오르토실리케이트(gadolinium orthosilicate : GSO), 루테튬 오르토실리케이트(LSO) 및 다른 물질 등을 포함한다. 크리스탈(12)은 유정 구멍으로부터 방사선을 수신하고, 이 방사선을 광 임펄스로 변환하며, 이 광 임펄스를 크리스탈 구성요소의 전방 단부에 부착된 광전자 증배관(72)에 전송한다.

크리스탈(12)은 반사성 Teflon(등록상표) 테이프(14)로 초기에 랩된다. 크리스탈의 전방의 테이퍼진 단부(16)는 원뿔형식으로 형성된 가돌리늄 포일(18)(도 2에 부분적으로 도시됨)에 의해 차폐된다. 그 후 얇은 폴리아미드층(20)은 크리스탈의 원통형 부분(22) 둘레에 랩되고 켑톤 테이프(24)의 1/4" 스트립에 의해 고정된다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, SARCA 조립체(26)는 외측 스테인리스강 슬리브(28)와 내측 폴리아미드 슬리브(32)(도 4 참조)를 포함하고, 그의 외측 표면(30)(도 5 참조)은 Teflon(등록상표)으로 피복된다. 슬리브(도 3 참조)의 비피복 측면(36)(또는 내측 표면)은 세정되어 준비되고, 좁고 얇은 알루미늄 칼라(34)(약 0.25 인치 폭 및 0.010 인치 정도의 두께)는 Sylgard(184) 또는 다른 유사한 접착제를 사용해 슬리브(28)의 내측 표면(36)의 일 단부에 고정된다. 접착제는 칼라 및 슬리브 양자에 도포되는 것이 바람직하다. 도 4에 자세히 도시된 바와 같이, 가돌리늄 포일(38)은 하기와 같이 폴리아미드 슬리브(32)의 내측 표면(40)에 가해진다. 아교(바람직하게는 Sylgard)는 가돌리늄 포일(38)의 내측 표면(39)에 도포되지만, 알루미늄 칼라(34)와 정렬되는 영역(42)에만 도포된다. 그 후 그리스(48)는, 공간(46)(약 0.25 인치임)은 공백으로 남긴 채, 가돌리늄 포일(38)의 표면(39)의 나머지 대부분의 영역(44) 위에 도포된다. 그 후 포일(38)은, 그리스(48)가 그들 사이에 샌드위치된 채, 폴리아미드 슬리브의 내측 표면(40)에 부착된다.

그 후, 내측 SARCA[폴리아미드 슬리브(32)와 가돌리늄 포일(38)]은 [칼라(34)를 포함하는] 슬리브(28)의 피복되지 않은 또는 반경방향 내측 측면, 및 가돌리늄 포일(38)의 반경방향 외측 표면(51)에 도포된 아교(50)(바람직하게는 Sylgard)를 통해 상측 SARCA[스테인리스 슬리브(28)와 칼라(32)]의 하측에 고정된다. 그 후 SARCA 조립체는 200℃에서 약 20분 동안 베이킹된다(baked).

도 2를 참조하면, 최종 조립체는 크리스탈(12)의 전방 단부에 연결기(52)를 포함하며, 이 커플러와 크리스탈의 정면(54) 사이에는 실리콘 오일이 있다. 크리스탈의 대향 또는 후방 단부에는, Teflon(등록상표) 테이프 디스크(56, 58)는 이 테이프 디스크(56, 58), 압축판(64), 축방향 스프링(66) 및 단부 캡(68) 사이에 샌드위치된 질화 붕소 디스크(60) 및 가돌리늄 디스크(62)에 의해 크리스탈(12)의 배면에 가해진다. 이러한 전체 검출기 조립체는 SARCA 조립체(26)와 차폐체(70) 사이에 반경방향으로 위치된 축방향으로 연장하는 반경방향 스프링(72)에 의해 스테인리스강 차폐체(70)내에 위치된다. 단부 캡(68)은 차폐체(70)의 단부에 용접되고, 이에 따라 위의 모든 구성요소는 차폐체(또는 검출기 하우징)내에 유지된다. 차폐체(70)의 전방 단부는 종래의 방법으로 광전자 증배관(72)(도 1)을 부착하도록 나사체결되고, 그 후 조합된 검출기는 공구 하우징(도시되지 않음)내에 위치될 수 있다.

본 발명이 현재 가장 실제적이고 바람직한 실시예라고 간주되는 것과 관련하여 상술되었지만, 본 발명은 상술된 실시예에 한정되지 않고, 반대로 첨부된 특허청구범위의 정신 및 범위내에서 각종 수정 및 동등한 구성을 포함하도록 의도되었다.

본 발명은 크리스탈 재료에서 용이하게 열 중성자를 배제시키며, NaI 크리스탈에 대해 보다 큰 공간을 제공하고, 검출기의 감지 체적을 증가시키며, 완전한 신틸레이션 검출기 패키지가 중성자 차폐체를 공구 조립체에 일체화시키는 부가적인 작업없이 구매자에게 판매될 수 있도록 한다.

Claims

신틸레이션 검출기(10)에 있어서,

실질적인 원통형 하우징(70)내에 장착된 실질적인 원통형 크리스탈 요소(12)와,

상기 크리스탈 요소와 상기 하우징 사이에 반경방향으로 위치된 상기 하우징내의 반경방향 및 축방향 지지 조립체(26)를 포함하며, 상기 반경방향 및 축방향 지지 조립체(26)는 상기 크리스탈 요소를 실질적으로 둘러싸는 가돌리늄 포일 슬리브(38)를 구비하는

신틸레이션 검출기.
제 1 항에 있어서,

상기 크리스탈 요소의 전방 단부에 고정된 광전자 증배관(72)을 포함하는

신틸레이션 검출기.
제 2 항에 있어서,

상기 반경방향 및 축방향 지지 조립체(26)는 상기 크리스탈 요소의 후방 표면을 덮는 가돌리늄의 원형 디스크(62)를 포함하는

신틸레이션 검출기.
제 1 항에 있어서,

상기 크리스탈 요소는 원뿔형 전방부(16)가 형성되며, 상기 원뿔형 부분은 가돌리늄 포일(18)로 랩되는

신틸레이션 검출기.
제 1 항에 있어서,

상기 반경방향 및 축방향 지지 조립체(26)는 반경방향 외측 슬리브(28)와 반경방향 내측 슬리브(32)를 포함하고, 상기 가돌리늄 포일 슬리브(38)는 상기 반경방향 외측 및 반경방향 내측 슬리브 사이에 반경방향으로 위치되는

신틸레이션 검출기.
제 5 항에 있어서,

상기 반경방향 외측 슬리브(28)는 스테인리스강으로 이루어지는

신틸레이션 검출기.
제 6 항에 있어서,

상기 반경방향 내측 슬리브(32)는 폴리아미드로 이루어지는

신틸레이션 검출기.
제 6 항에 있어서,

알루미늄 칼라(34)는 그의 일 단부가 상기 반경방향 외측 슬리브(28)의 하측에 고정되고, 상기 가돌리늄 포일 슬리브(38)는 상기 칼라를 가로질러 연장하는

신틸레이션 검출기.
제 8 항에 있어서,

상기 가돌리늄 포일 슬리브(38)는 반경방향 내측 표면(40)상의 상기 알루미늄 칼라(34)와 정렬되는 영역에서만 상기 반경방향 내측 슬리브(32)에 접착식으로 고정되는

신틸레이션 검출기.
제 9 항에 있어서,

상기 반경방향 내측 표면(40)의 나머지 대부분의 영역은 그리스로 피복되는

신틸레이션 검출기.
제 8 항에 있어서,

상기 가돌리늄 포일(38)의 반경방향 외측 표면은 상기 반경방향 외측 슬리브(28)의 하측에 접착식으로 고정되는

신틸레이션 검출기.