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Verfahren zur Untersuchung von Stoffen, insbesondere der durch ein
Bohrloch durchteuften Erdformationen
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Impulse gekoppelt ist. Die Multivibratoren 33 und 34 sind mit entsprechenden Steuerungen verbunden, die schematisch durch gestrichelte Linien 35 und 36 dargestellt sind und zur Einstellung der Dauer der dem Verstärker 32 zugefUhrten Impulse und zum Einstellen der. Zeit dienen, in der diese einzelnen Impulse im Verhältnis zu dem Synchronisierungsimpuls erzeugt werden. Die Einstellung der Steuerungen 35 und 36 ergibt sich aus der späteren Beschreibung des Verfahrens.
Der Verstärker 32 ist mit einer Integrier- und Registriereinheit 37 gekoppelt, die beispielsweise aus einer Kapazität zur Ableitung einer Spannung bestehen kann, die die Zahl der in der Zeiteinheit zege- führten Impulse darstellt, und aus einem Registrier-Voltmeter, dem diese Spannung zugeführt wird. Der Aufzeichnungsträger des Voltmeters wird in üblicher Weise im Verhältnis zu der Bewegung des Gehäuses 10 durch das Bohrloch verschoben, so dass ein ununterbrochenes Ergebnis von Zählgrössen im Verhältnis zur Tiefe in dem Bohrloch erhalten werden kann.
Gegebenenfalls kann die Einheit 37 einen Impulsformer enthalten, in dem Impulse bestimmter Breite und Höhe abgeleitet werden, und der mit einem üblichen Zählgeschwindigkeitsmesser gekoppelt ist.
Die von letzterem entwickelte Abgabe ist eine Funktion der mittleren Impulszahl in der Zeiteinheit.
Bei der Arbeit wird das Gehäuse 10 in das Bohrloch 11 gesenkt und der Schalter 21 geschlossen. Dadurch werden die Stromquellen 22 und 23 erregt, und sie führen der Ionenquelle 26 des Neutronen-Generators 25 bzw. dem Impulserzeuger 24 elektrische Energie zu. In der Ionenquelle 26 werden DeuteriumIonen abgeleitet, und einige von diesen treten in die Beschleunigungselektrode 27 ein. Jedesmal, wenn ein Impuls aus dem Generator 28 den Impulserreger 24 in Tätigkeit setzt, wird der Beschleunigungselektrode 27 eine hohe Spannung zugeführt, und die hoch beschleunigten Deuterium-Ionen reagieren mit dem Tritium in dem Prallkörper der Elektrode und erzeugen Neutronen einer Energiehöhe von 14 MeV.
Dementsprechend werden die Erdformationen 12 während sich wiederholender, verhältnismässig kurzer Zeitspannen, mit Neutronen impulsartig beschossen, so dass aufeinanderfolgende Arbeitszeiträume festgelegt werden, von denen jeder einen von einer Ruhepause gefolgten Bestrahlungszeitraum aufweist.
Wie später ausführlich beschrieben wird, besteht jede Ruhepause aus einer ersten Periode, in der die Neutronen verlangsamt werden, diffundieren und durch Einfangen mit den Kernen in den Atomen der Formationen reagieren, und aus einer zweiten Periode, in der durch die Zusammenwirkung der Neutronen gebildete radioaktive Elemente ein Produkt radioaktiven Zerfalls bilden. Bei gewissen früheren Anordnungen wurden Angaben über eine Kernerscheinung erhalten, die in dem genannten zweiten Zeitraum auftrat. Gemäss der Erfindung jedoch werden die Steuerungen 35 und 36 so eingestellt, dass die von dem Multivibrator 33 entwickelten Impulse den Schaltverstärker 32 während Beobachtungs-Zeiträumen in Tätigkeit setzen, die jeweils innerhalb eines Teiles eines einen Bestrahlungszeitraum einschliessenden Arbeitszeitraumes und der genannten ersten Periode auftreten.
Auf diese Weise wird von der sich ergebenden, auf den Strahlungsdetektor 29 auftreffenden Gammastrahlung, die in dem Verstärker 31 verstärkte Impulse erzeugt, nur dieser Teil innerhalb der einzelnen Beobachtungszeiträume auf die Einheit 37 übertragen und als Funktion der Tiefe des Gehäuses 10 in dem Bohrloch festgestellt.
Wie vorher auseinandergesetzt, werden, wenn Deuterium-Deuterium-oder Deuterium-Tritium-Reaktionen in dem Neutronen-Erzeuger auftreten, monoenergetische Neutronen von 3,5 MeV bzw. 14 MeV abgeleitet. Diese Neutronen sollen als schnelle Neutronen bezeichnet werden, d. h. als solche, die eine Energie von mehr als 1 MeV haben.
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lich, V für jede Energie zu berechnen, indem man den Wert 1, 7 X 10-24 g für die Masse des Neutrons, und einen Umwandlungsfaktor von 1, 6 x 10-12 Erg/eV verwendet.
Demgemäss können folgende Werte erhalten werden :
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<tb>
<tb> Energie <SEP> in <SEP> Elektronenvolt <SEP> Geschwindigkeit <SEP> in <SEP> cm/sec
<tb> 10 <SEP> MeV <SEP> 4, <SEP> 4 <SEP> 109 <SEP>
<tb> 1 <SEP> MeV <SEP> 1, <SEP> 4X <SEP> 109 <SEP>
<tb> 0, <SEP> 1 <SEP> MeV <SEP> 4,4X <SEP> 108
<tb> 10 <SEP> eV <SEP> 4, <SEP> 4 <SEP> X <SEP> 106 <SEP>
<tb> 1 <SEP> eV <SEP> 1, <SEP> 4 <SEP> X <SEP> 106 <SEP>
<tb> O, <SEP> 1 <SEP> eV <SEP> 4, <SEP> 4x <SEP> 105 <SEP>
<tb>
Da der "mittlere freie Weg", d. h. die Durchschnittsentfernung, die vor dem Zusammenprall durch- laufen wird, bei schnellen Neutronen in dem Bereich von 0, 1 bis 10 MeV in Erdformationen nur ungefähr
10 cm ist, tritt der erste oder zwei Zusammenpralle innerhalb 10-8 - 10-9 sec nach der Aussendung des schnellen Neutrons statt.
Wenn dies elastische Zusammenpralle sind, ergibt sich keine nachweisbare
Kernerscheinung. Indessen ist eine erhebliche Zahl der wenigen ersten Zusammenpralle unelastisch, so dass innerhalb 10-12. sec Gammastrahlen ausgesandt werden. Bei diesem Verfahren trifft ein Neutron von einer gegebenen Energie gegen den Kern eines Atoms des Atomgewichtes A und erzeugt einen zusammengesetzten Kern, es wird also ein Atom des Atomgewichtes A + 1 in einem erregten Zustand gebildet. Fast augenblicklich wird ein Neutron von einer niedrigeren Energie als die gegebene abgeschleudert, und es wird eine Gammastrahlung ausgesandt, wenn das Atom zu seinem Grundzustand mit dem Atomgewicht A zurückkehrt.
Wie noch deutlicher aus der folgenden Erläuterung hervorgeht, benutzt die Erfindung diese Gammastrahlung zur Ableitung von Untersuchungsergebnissen über die von einem Bohrloch durchteuften Erdformationen.
Von den verschiedenen Elementen in den Formationen, die solche unelastische Zusammenpralle verursachen könnten, sind zwei von grossem Interesse, nämlich Kohlenstoff (in Öl und Kalkstein) und Sauerstoff (in Wasser und in dem meisten Gestein). Eine Gammastrahlung, die sich aus der unelastischen Streuung von Neutronen ergibt, kann Anfangsenergien haben, die den Übergängen zwischen niedrigen Energiequanten eines Kerns entsprechen, der getroffen wird. Kohlenstoff mit dem Atomgewicht 12 hat z. B. Quanten von 4, 43, 7, 5 und 9, 61 MeV über dem Grundzustand, und es hat sich gezeigt, dass von diesen die vorherrschende unelastische Gammastrahlung, die von einem Energiequantum von 4,43 MeV ist. Anderseits hat Sauerstoff vom Atomgewicht 16 Energiequanten von 6, 06, 6,13, 6, 9 und 7,1 MeV über dem Grundzustand.
So hat sich gezeigt, dass die vorherrschende unelastische Gammastrahlung von diesem Element bei Energiequanten von 6, 9 und 7, 1 MeV liegt.
Natürlich kann die vorherrschende unelastische Gammastrahlung, die dem Kohlenstoff und dem Sauerstoff zugeschrieben wird, nicht als Ergebnis einer Bestrahlung mit mässig schnellen Neutronen unter 4, 4 MeV hervorgerufen werden. Infolgedessen können von Deuterium-Tritium-Wirkungen abgeleitete Neutronen sowohl Kohlenstoff 12 als auch Sauerstoff 16 erzeugen, und die sich ergebende unelastische Gammastrahlung könnte durch die üblichen Streuungsspektrometer in später noch zu beschreibender Weise festgestellt werden.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung bestrahlt also der Neutronen-Generator 25 die Erdformationen 12 während verhältnismässig kurzer, in einem zeitlichen Abstand voneinander liegender Zeiträume mit Neutronen einer gewählten Energie. Diese Zeiträume können etwa 1 mikrosec dauern und voneinander durch eine Ruhepause in der Grössenordnung von 1250 mikrosec getrennt sein. Der Schaltverstärker 32 wird im wesentlichen nur während eines kurzen Zeitraumes in Tätigkeit gesetzt, der mit dem Zeitpunkt der Neutronenstrahlung zusammenfällt oder in einer sehr kurzen Entfernung von ihm liegt. Der Strahlendetektor kann z. B. so gebaut sein, dass er nur während der Neutronenstrahlung und wenige Mikrosekunden danach anspricht.
Auf diese Weise wird eine unelastische Gammastrahlung, die bei der Bildung von zu- sammengesetzten Kernen rasch eintritt und die etwa gleichzeitig mit der Neutronenaussendung erscheint, unter Ausschluss einer Kernerscheinung festgestellt, die in der folgenden Periode auftritt, in der die Neutronen verlangsamt werden und in der Formation diffundieren.
Die sich ergebenden Impulse zeigen unelastische Gammastrahlung an, und auf diese Weise ergibt sich an der Registriervorrichtung 27 eine Anzeige der Gammastrahlung infolge der unelastischen Streuung als Funktion der Tiefe in dem Bohrloch.
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die mittlere Verlangsamungszeit é von Neutronen von einer Energie Eo auf eine Energie Et (Thermalenergie) folgende ist :
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wobei AS der mittlere freie Steuerweg ist oder der reziproke Wert der Menge Ns os (der makroskopische i elastische Streuquerschnitt eines Mediums für Neutronen der Energie E zwischen Eo und Et), 9 ist der mittlere logarithmische Energieverlust eines Neutrons bei einem elastischen Zusammenstoss, und Vt ist die Geschwindigkeit eines Neutrons bei der Energie Et, die aus der obigen Gleichung (1) errechnet wer- den kann.
Unter Verwendung veröffentlichter Daten für die Menge g und für den "mittleren freien Streuweg" ) As für die verschiedenen Elemente Wasser, Sand und Kalkstein, können die folgenden Werte für ë in
Mikrosekunden aus der Gleichung (2) für verschiedene Prozentsätze an Wasser und auf Grund eines Wertes
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<tb>
<tb> :
0/0 <SEP> H20
<tb> 0 <SEP> 2 <SEP> 20-25 <SEP> 38,8 <SEP> 100
<tb> Sand <SEP> 48 <SEP> 23 <SEP> 3. <SEP> 5 <SEP> 2,3 <SEP> 0, <SEP> 9 <SEP>
<tb> Kalkstein <SEP> 45 <SEP> 21 <SEP> 4, <SEP> 4--0, <SEP> 9 <SEP>
<tb>
(Alle Werte stellen Verlangsamungszeiten in Mikrosekunden dar)
Wie aus der Tabelle II zu ersehen ist, ist die mittlere Verzögerungszeit für Sand und Kalkstein
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halt abhängig, der seinerseits von der Porosität des Mediums abhängig ist.
An die Verlangsamungszeit schliesst sich die Neutron-Diffusion an, d. h. ein Neutron kann einem oder mehreren Zusammenstössen mit den Kernen von Atomen unterworfen sein und erfährt durchschnittlich keine Energieänderung. Zu einer gewissen Zeit tritt während solcher Diffusion ein Zusammenstoss ein, bei dem das Neutron in dem Kern eines Atoms gefangen wird, einen zusammengesetzten Kern bildet und damit seine Bewegung beendet. Das sich ergebende Atom ist in einem erregten Zustand und kehrt im wesentlichen plötzlich zu einem Grundzustand zurück, in dem eine rasche Aussendung einer Gammastrahlung erfolgt, die dann ein Mittel für die Anzeige des Vorhandenseins dieses Falles bildet.
Das Einfangen eines Neutrons kann auch ein verhältnismässig unstetiges radioaktives Element erzeugen, von dem während eines Zerfalls zu einem stetigen Element Gammastrahlung ausgesandt wird. Die letztere Art von Gammastrahlung hat eine charakteristische Verringerung der Intensität mit der Zeit, die für den Zerfallprozess kennzeichnend ist, und sie zeichnet sich weiter dadurch aus, dass sie im Anschluss an die Aussendung von durch Einfangen erzeugter Gammastrahlung auftritt.
Um die Zeitfolge der durch Einfangen erzeugten Gammastrahlung zu bestimmen, sei darauf hingewiesen, dass die durchschnittliche Zeit Tc'die ein Neutron vom Beginn der Diffusionsperiode an lebt, folgende ist :
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wobei Nc die Konzentration der einfangenden Kerne in Atom/cm3, oc der Einfangquerschnitt in Barn und V die Neutronen-Geschwindigkeit ist, die nach der Gleichung (1) berechnet werden kann.
Die folgende Tabelle gibt Werte von Tc in Mikrosekunden für den ganzen Bereich der Konzentrationen (Ne in Atom/eros X 10-24) und der Querschnitte (in Barn), die für die Bohrlochuntersuchung von Interesse sind :
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Tabelle III
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<tb>
<tb> Nc
<tb> Oc <SEP> 0, <SEP> 1 <SEP> 0, <SEP> 01 <SEP> 0, <SEP> 001 <SEP>
<tb> 0, <SEP> 01 <SEP> 4, <SEP> 5x10 <SEP> 4, <SEP> 5X10 <SEP>
<tb> 1, <SEP> 0 <SEP> 4500 <SEP> 4, <SEP> 5X <SEP> 104 <SEP> 4, <SEP> 5 <SEP> X105 <SEP>
<tb> 10 <SEP> 450 <SEP> 4500 <SEP> 4, <SEP> 5 <SEP> X <SEP> 104 <SEP>
<tb> 100 <SEP> 45 <SEP> 450 <SEP> 4500
<tb> 1000 <SEP> 4, <SEP> 5 <SEP> 45 <SEP> 450
<tb>
(Alle Werte stellen Tc in Mikrosekunden dar)
Aus Tabelle III ist ersichtlich, dass, abgesehen von üblichen Formationsbedingungen,
die Diffusions- zeit Tc erheblich länger ist als die Verlangsamungszeit (Tabelle II). Infolgedessen bestimmt bei den meisten Formationen die Diffusionszeit in erster Linie die Zeit des Neutroneneinfangs. Aus Tabellen U und III ist ersichtlich, dass die Gesamtzeit, also Verlangsamungs- und Diffusionszeit, im allgemeinen als in der Grössenordnung von 50 bis 500 mikrosec nach der Einführung eines Neutrons in eine Erdforma- tion liegend erwartet werden kann.
Die vorstehend angegebenen zeitlichen Beziehungen in dem Auftreten eines Neutrons können am besten aus dem Zeitdiagramm gemäss Fig. 3 gewürdigt werden. Wie dort gezeigt, werden Neutronen während der kurzen sich wiederholenden, als Impulse p dargestellten Zeiträume, zeitlich etwa
1250 mikrosec voneinander entfernt, ausgesandt. Während der Strahlungszeiten p können unelastische
Zusammenstösse eintreten, und es erfolgt eine Verlangsamung der Neutronen in den Teil"a"von etwa
50 mikrosec Dauer, d. h. während der ersten Periode in einer Ruhepause zwischen den Impulsen p. In dem folgenden Teil b der ersten Periode, der sich von 50 bis 500 mikrosec auf der Zeitskala erstreckt, findet eine Diffusion statt, und es kann ein Neutron eingefangen werden.
Schliesslich können sich in der zweiten Periode c Zerfallsprodukte von radioaktiven Elementen zeigen, die durch den Neutronen-Einfang gebildet werden.
Zwar sind für die verschiedenen Zeitperioden a, b und c besondere Grenzen angegeben. Diese dienen jedoch nur zur Veranschaulichung eines angenommenen Durchschnitts. In Wirklichkeit können diese Zeitperioden auch nicht scharfe Grenzen aufweisen.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 kann in der in Fig. 4 gezeigten Art abgeändert werden, so dass andere zeitliche Beziehungen in dem Auftreten des Neutrons angezeigt werden können. Der Ausgang des Schaltverstärkers 32 ist mit einem Integrator 60 mit einer verhältnismässig kurzen Zeitkonstanten gekoppelt, und letzterer ist seinerseits mit senkrechten Ablenkplatten 61 eines üblichen Kathodenstrählrohres 62 mit waagrechten Ablenkungsplatten 63 gekoppelt. Die Platten 61 und 63 steuern die Lage des Elektronenstrahles, der von einer Elektronenschleuder 64 nach einem fluoreszierenden Beobachtungsschirm 65 in bekannter Weise geworfen wird. Ein Kipp- oder Sägezahn-Generator 66 ist mit den waagrechten Ablenkplatten 63 gekoppelt, und es werden ihm durch einen Multivibrator 33 erzeugte Impulse zugeführt.
Auf diese Weise beginnt jeder Sägezahn mit dem vorderen Ende der einzelnen Impulse, die durch den Multivibrator 33 abgeleitet werden, und endet an dem hinteren Ende. Gegebenenfalls kann ein bekannter Löschkreis (blanking circuit) angewendet werden, so dass eine sichtbare Spur auf dem Schirm 65 nur in Anwesenheit einer Kippspannung von dem Generator 66 entwickelt wird.
Um die Vorrichtung gemäss Fig. l in der Abänderung gemäss Fig. 4 zur Messung der Verlangsamungzeiten von Neutronen zu verwenden, kann der Strahlungsdetektor 29 von einem absorbierenden Element umschlossen sein, z. B. kann Indium verwendet werden, das mit auffallenden Neutronen von einer besonderen Energie von 1, 44 eV reagiert, um durch Einfangen Gammastrahlen zu erzeugen, die den Strahlungsdetektor aktivieren. Auf Neutronen anderer Energie erfolgt im wesentlichen kein Ansprechen.
Natürlich können mit andern Umhüllungen auch andere Energien erreicht werden. So hat z. B. Silber eine Resonanz bei 5, 3 eV, Kadmium bei 0, 17 eV, Uran bei 7 eV und Jod bei 35 eV.
Die Art und Weise, in der der Kreis nach Fig. 4 bei der Arbeit eingestellt wird, kann am besten an Hand des zweiten Diagramms nach Fig. 5 erklärt werden. Wie aus Fig. 5 (A) ersichtlich, werden sich
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wiederholende Synchronisier-Impulse s durch den Generator 28 entwickelt und die entsprechenden Neu- tronen-Impulse p werden mit den Impulsen s synchronisiert, wie in Fig. 5 (B) gezeigt ist. Auch die Flan- ken u der rechteckigen Wellen, die in Fig. 5 (C) dargestellt und durch den Multivibrator 34 entwickelt sind, liegen gleichzeitig mit den Impulsen s. Die Flanken v treten zu einer Zeit auf, die durch die ! Steuerung 36 so eingestellt werden kann, dass sie ungefähr dem Beginn des Zeitraumes a (Fig. 3) ent- spricht.
Die Flanken w der durch den Multivibrator 33 entwickelten rechteckigen Wellen, die in Fig. 5 (D) dargestellt sind, liegen gleichzeitig mit den Flanken v der in Fig. 5 (C) dargestellten Impulse, und ihre
Flanken x können durch die Steuerung 35 so eingestellt werden, dass die einzelnen Schaltimpulse an dem Ende eines Zeitraumes a enden (Fig. 3). Wie in Fig. 5 (E) gezeigt, entspricht die zeitliche Anordnung der
Sägezahnwelle, die durch den Kipp-Generator 66 entwickelt wird, der Rechteck-Welle des Multivibra- tors 33.
Bei der Arbeit bestrahlen von dem Generator 25 ausgesandte Neutronen-Impulse die Formationen 12 und einige dieser Impulse werden etwa auf thermale Energie verlangsamt. Diese Impulse, die eine Ener- gie von 1, 44 eV haben und durch die Indium-Abdeckung des Strahlungsdetektors eingefangen werden, er- zeugen Impulse, die über Verstärker 32 dem Integrator 60 zugeführt werden.
Ungefähr bei der Beendigung eines Bestrahlungszeitraumes beginnt eine waagrechte Aufzeichnung an dem Beobachtungsschirm 65, und durch den Strahlungsdetektor 29 abgeleitete Impulse, die während der
Vorbeistreichzeit auftreten, werden integriert und als senkrechte Ablenkung des Lichtpunktes auf dem
Schirm sichtbar gemacht. Das Bild zeigt eine Kurve d, die die zeitliche Verteilung der auf die gewählte
Energiehöhe verlangsamten Impulse darstellt. Durch Einzeichnen einer senkrechten gestrichelten Linie e durch den höchsten Punkt der Kurve d wird die Zeit t dieses höchsten Punktes bestimmt.
Durch ständiges Messen der Zeit t beim Durchführen des Gehäuses 10 durch das Bohrloch 11 kann die
Verlangsamungs-Charakteristik der Formation bestimmt werden.
Diese Art der Messung kann durch Verwendung einer abgeänderten Schaltungsanordnung gemäss Fig. 6 selbsttätig erreicht werden. Der Integrator 60 und der Kipp-Generator 66 sind mit einem üblichen, von
Ortungsgeräten her bekannten Kreis 70 gekoppelt, der eine Spannung entwickelt, die die zeitliche An- ordnung der Impulse gegenüber einem Bezugspunkt darstellt. Die Vorrichtung 70 kann z. B. einen Zeit- wählkreis bekannter Art aufweisen. Die abgeleitete Spannung wird einer Registriervorrichtung 71 zuge- führt, wo sie als Funktion der Tiefe des Gehäuses im Bohrloch aufgezeichnet wird.
Mit der Vorrichtung nach Fig. 1 kann man Angaben über verlangsamte Neutronen erhalten, ohne dass
Zeitmessungen gemacht werden. Die Steuerungen 35 und 36 der Multivibratoren 33 und 34 können z. B. so eingestellt werden, dass der Verstärker 32 kurz vor dem Ende des Zeitraumes a (Fig. 3) für eine kurze
Zeit, z. B. für wenige Mikrosekunden, in Arbeitsstellung gebracht wird. Neutronen, die auf den in Indium eingeschlossenen Strahlungsdetektor fallen, erzeugen Impulse, die in Abhängigkeit von der Verlangsa- mung der Neutronen in der Formation in gegenüber dem gewählten Beobachtungszeitraum verschiedenen
Zeitabständen auftreten. So wird eine Spannung entwickelt und als Angabe solcher Verlangsamungen re- gistriert. Natürlich können die Beobachtungszeiträume in jedem gewünschten Teil des Zeitraumes a lie- gen.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 kann auch zum Messen der durch Einfangen erzeugten Gammastrahlung verwendet werden, die nach der Neutronendiffusion und zu einer Zeit innerhalb des Zeitraumes b eintritt (Fig. 3). Nach einer andern Ausführungsform der Erfindung kann also der Neutronen-Generator 25 so ein- gestellt werden, dass er während Zeiträumen in der Grössenordnung von 50 mikrosec mit einem Abstand von ungefähr 1200 mikrosec Erdformationen mit Neutronen bestrahlt. Durch Einstellung der Multivibrato- ren 35 und 36 wird der Schaltverstärker 32 zu einer gewählten Zeit zwischen 50 und 500 mikrosec nach der Erzeugung eines Neutronenimpulses für wenige Mikrosekunden leitend gemacht.
Vorzugsweise werden die Beobachtungszeiträume in dem Zeitraum b so angeordnet, dass sie auf einer Seite einer Häufung der
Impulse liegen, die in diesem Zeitraum erwartet wird. Mit Hilfe dieser Einstellung spricht das Anzeige- system im wesentlichen nur auf Gammastrahlung an, die durch Einfangen von Neutronen bei Bildung zu- sammengesetzter Kerne rasch ausgesandt wird. Es spricht nicht auf verzögerte Gammastrahlung an, die sich aus dem Zerfall eines radioaktiven Elementes ergibt.
Um z. B. zwischen Öl und Salzwasser in einem Kalksteinbett von etwa 20% Porosität zu unterschei- den, sei zuerst angenommen, dass die besten Bedingungen vorhanden sind, d. h. es sei keine Bohrflüssigkeit in dem Bohrloch oder Gehäuse vorhanden, und es sei ein hoher Salzgehalt gleichmässig über die Formationen verteilt (10 Vol.-% NaCl). Die Verlangsamungszeit für Öle oder Salzwasser ist nahezu die gleiche, d. h. sie kann in der Nähe von 5 mikrosec liegen. Die Diffusionszeit ist in einem ölhaltigen
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Kalkstein um etwas mehr als das Doppelte grösser als in einem die Lake enthaltenden Kalkstein, d. h.
425 bzw. 185 mikrosec.
Durch geeignete zeitliche Einstellung des Strahlungsdetektors kann es möglich sein, zwischen diesen beiden Formationen zu unterscheiden. Es können z. B. eine Ansprechzeit von 20 bis 40 mikrosec und Verzögerungszeiten von 200 und 400 mikrosec für den Strahlungsdetektor angewendet werden, wobei der Strahlungsdetektor nach jeder Zeitverzögerung für einen Zeitraum von etwa wenigen
Mikrosekunden in Tätigkeit gesetzt wird.
Die Anordnung nach Fig. 4 oder Fig. 6 zur Messung der Zeiteinteilung einer Impulsverteilung kann dazu benutzt werden, um die Zeitfolge von durch Einfangen erhaltener Gammastrahlung gegenüber den
Neutronenstrahlungszeiten zu bestimmen. Die Art, in der dies erfolgen kann, ergibt sich aus der vorher- gehenden Erläuterung, anstatt jedoch in dem Zeitraum a gemäss Fig. 3 zu arbeiten, werden die in Be- tracht kommenden Teile des Kreises so angeordnet, dass sie in dem Zeitraum b wirksam sind.
Zusätzlich kann die Spektral-Analyse zusammen mit dem eben beschriebenen Verfahren der Fest- stellung von Gammastrahlung verwendet werden, die rasch beim Einfangen von Neutronen erfolgt.
Nach einer weiteren Ausführung der Erfindung ist der Strahlungsdetektor 29 empfindlich gegen ther- male Neutronen, z. B. kann der Strahlungsdetektor eine Ionisationskammer sein, die mit Bortrifluorid ge- füllt ist. Die verschiedenen Verfahren, die vorher auseinandergesetzt sind, können zum Messen einer
Charakteristik der sich ergebenden thermalen Neutronen verwendet werden. So kann die Zeit in der Dif- fusionsperiode gemessen werden, in der eine grösste Häufung in der Impulsverteilung durch die thermalen
Neutronen als Anzeige von Erdformationscharakteristiken gemessen werden kann.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass der Neutronen-Generator 25 so betätigt werden kann, dass sich während einer verhältnismässig kurzen Zeitspanne, in der er arbeitet, bei der Durchführung des Verfah- rens gemäss der Erfindung sehr hohe Ausbeuten an Neutronen ergeben. Zum Beispiel kann ein Spitzen- impulsstrom von 1 bis 10 Milliampere in der Beschleunigungselektrode27 des Generators erreicht werden, wenn Neutronen-Impulse von 1 mikrosec in einer Entfernung von 1250 mikrosec voneinander liegen.
Wenn längere Impulse und/oder kürzere Zwischenräume erwünscht sind, müsste der Spitzenstrom und die sich ergebende Neutronenausbeute proportional verringert werden, um ein Überhitzen und ein Entleeren des Prallkörpers zu vermeiden.
Im allgemeinen kann bei unelastischen Gammastrahluntersuchungen in- folge der Möglichkeit der Anwendung von kurz dauernden Impulsen eine viel höhere Neutronenausbeute erreicht werden als bei andern Verfahren.
Gegebenenfalls kann die Ionenquelle 26 des Neutronen-Generators so moduliert werden, dass sie nur während der Erzeugung von Neutronen-Impulsen wirksam ist, um die durch den Generator durchschnittlich verbrauchte Kraft zu verringern. Es kann auch eine natürlich aktive Neutronenquelle in bekannter Weise zur Lieferung einer Neutronenabgabe während der sich wiederholenden Zeiträume verwendet werden. Wie z. B. in Fig. 7 gezeigt, kann eine Quelle von Alphateilchen, z. B. ein Kügelchen 80 aus Radium, und ein Prallkörper 81, z. B. Beryllium, nebeneinander zu beiden Seiten einer Schirmscheibe 82 aus Aluminium angeordnet werden. Der Schirm ist mit einem schmalen Schlitz 83 versehen und wird durch einen Synchron-Antriebsmotorin Umdrehung versetzt, der durch eine Wechselstromquelle 20 gespeist wird.
Infolgedessen werden keine Neutronen abgeleitet, solange der Prallkörper 81 gegen die Alphaquelle 80 durch die Scheibe 82 abgeschirmt ist, wenn jedoch Alphateilchen durch den Schlitz 83 hindurchgehen und mit dem Beryllium an dem Prallschirm reagieren, werden Neutronen abgeleitet, solche Neutronen haben Energien in einem Bereich, der sich über 5 MeV erstreckt, und können mit Kernen in der Formation in etwa der gleichen Weise zusammenwirken wie vorher beschrieben.
Die Breite des Schlitzes 83 in der Schirmscheibe 82 und die Geschwindigkeit des Antriebsmotors 84, der synchron mit dem Stromwechsel der Quelle 20 läuft, werden so gewählt, dass Zwischenräume in der Neutronenbestrahlung entstehen, die die gewünschte Dauer und den gewünschten Zeitabstand haben. Das Strahlungsdetektorsystem kann mit der Drehung der Schirmscheibe synchronisiert werden, indem die Abgabe der Quelle 20 über einen Phasenverschieber 84 oder einen Verzögerungskreis mit einer Einstellung 85 mit einem Synchronisier-Impulsgenerator 28 gekoppelt wird. Dementsprechend kann die Zeiteinteilung für die Abstände zwischen den Feststellungen entsprechend den Lehren der Erfindung gewählt werden.
Bei Verfahren, bei denen die Beobachtungszeiten in einem gewissen Abstand von den Bestrahlungszeiten liegen, kann der Strahlungsdetektor selbst während der Bestrahlungszeiten enterregt werden. Zum Beispiel kann die Speisespannung zum Geigerrohr 29 in Fig. 1 unterbrochen werden, so dass sie bei einem von dem Generator 25 ausgesandten Neutronenfluss von hoher Intensität weniger beeinflusst wird.