NO330708B1 - Apparat og fremgangsmate for kontrollert, nedihullsproduksjon av ioniserende straling uten anvendelse av radioaktive, kjemiske isotoper - Google Patents

Abstract

Apparat for kontrollert, nedihulls-produksjon av ioniserende stråling (12), idet apparatet omfatter i det minste en termionemisjonsenhet (glødekatode) (11) som er anordnet i et første ende parti (7a) av en elektrisk isolert undertrykksbeholder (9), og et leptonmål (elektronmål, katode) (6) er anordnet i et andre endeparti (7b) av den elektrisk isolerte undertrykksbeholderen (9); idet termionemisjonsenheten (11) er tilkoplet en rekke seriekoplede negative elektropotensialforsterkerelementer (141, 142,143,144), hvert av nevnte elektropotensialforsterkerelementer (141, 142,143,144)er innrettet til å kunne øke et påført likespenningspotensial (δV0, δV1F δV1+2,.-.,δV1+2+3) ved omforming av en påført, drivende spenning (VAc), og å overføre det økede, negative likespenningspotensialet (δV1, δV1+2...δV1+2+3+4) samt den drivende spenningen (VAC) til neste enhet i rekken av seriekoplede elementer (142,143,144,145), og den ioniserende strålingen (12) overstiger 200 keV med en overveiende andel av spektralfordelingen innen Compton- om rådet.

Description

APPARAT OG FRAMGANGSMÅTE FOR KONTROLLERT, NEDIHULLS PRODUKSJON AV IONISERENDE STRÅLING UTEN ANVENDELSE AV RADIOAKTIVE, KJEMISKE ISOTOPER

Det beskrives et apparat for kontrollert, nedihulls produksjon av ioniserende stråling, nærmere bestemt ved at apparatet omfatter i det minste en termionemisjonsenhet

som er anordnet i et første endeparti av en elektrisk isolert undertrykksbeholder, og et leptonmål som er anordnet i et andre endeparti av den elektrisk isolerte undertrykksbeholderen; idet termionemisjonsenheten er tilkoplet en rekke seriekoplede, negative elektropotensialforsterkerelementer, hvert av nevnte elektropotensialforsterkerelementer er innrettet til å kunne øke et påført likespenningspotensiale ved omforming av en påført, drivende spenning, og å overføre det økede, negative likespenningspotensialet samt den drivende spenningen til neste enhet i rekken av seriekoplede elementer, og den ioniserende strålingen overstiger 200keV med en overveiende andel av spektralfordelingen innen Compton-området.

Ved borehullslogging og datainnsamling for nedihulls materialsammensetninger anvendes det i dag i stor grad radioaktive isotoper. Med kjent teknikk har det ikke vært mulig å anvende ikke-radioaktive systemer som er i stand til å produsere fotonenergier som kreves for å erstatte den avgitte energien til tradisjonelle radioaktive isotoper

■som anvendes ved loggingsoperasjoner i borehull og lignende, dvs. et apparat med en røntgen-/gammastråling som er større enn 200 keV og anordnet i et hus med diameter mindre enn 4" (101 mm). Typisk største diameter for hus som rommer loggeut-styr, er i dag i størrelsesorden 3<5>/s" (92 mm) eller mindre.

Emisjonsraten, og dermed -intensiteten, for isotoper er en funksjon av deres radioaktive halveringstid. For å redusere tiden det tar å registrere en statistisk sikker mengde detekterte sekundære fotoner, må isotopen ha tilsvarende kort halveringstid, eventu-elt at det anvendes større materialmengder for å øke utbyttet. Dette fører til en vans-kelig balanse mellom økonomi og sikkerhet; desto lenger tid en loggeoperasjon tar, jo høyere er kostnadene tilknyttet infrastrukturen (slik som boreriggtid) og/eller tap av produksjon, og jo kortere loggeoperasjonstiden er, jo mer risiko følger det med isotop- typen som anvendes, og desto større sikkerhetsforanstaltninger må iverksettes ved håndteringen av isotopen.

US 7564948 beskriver et system som benytter en generator ved hver ende av en røntgengenerator for å produsere et negativt potensial på en elektrongenerator og et positivt potensial på et mål. Generatoren kan være av type Cockcroft-Walton som kan foldes og anbringes i et rør og derfor ta mindre plass. Det nevnes spesielt at i forhold til en røntgengenerator av tilsvarende effekt, er denne enheten kortere. Det gis også en oversikt over strålingsflltre som anvendes for å skaffe tilveie et par kalibreringstop-per som ved hjelp av en detektor brukes til overvåking av røntgengeneratoren slik at det gis mulighet for å modifisere innmatingen til systemet for derved å opprettholde en stabil utgående effekt. Det beskrives et system hvor høy spenning genereres med en ettrinns effektgenerering i hver ende av systemet, nærmere bestemt en enkel-trinnsgenerator som forventes å produsere nok potensial til å generere minst 50 % av 250kV likespenning.

US 5523939 A og US 2008/0152080 Al viser systemer for røntgen- eller gammastrå-lingsrør hvor rørene kan trykksettes med svovelheksafluorid.

US 5442678 A beskriver et system for kontrollert produksjon av ionisert stråling ved bruk av et koniskformet leptonmål laget av et materiale med en ikke-radioaktiv isotop av et element som oppviser et atomnummer høyere enn 55.

US 2009/0147907 Al viser et lignende system for kontrollert, nedihulls produksjon av ioniserte stråling som er anordnet med en stråleskjerm med en eller flere åpninger som er innrettet til å kunne tildanne en retningsstyrt stråling.

US 5680431 A beskriver en røntgengenerator med en lyskilde, en høytemperaturs

fotokatode innrettet til å bli opplyst av lys fra lyskilden, en akselerator for akselerering av elektroner emittert av fotokatoden, og et mål som de akselererte elektronene tref-fer og genererer røntgenstråler, idet målet oppviser i det vesentlige et jordpotensiale.

US 7279677 B2 beskriver en metode for fastsettelse av diameteren til et brønnhull. Et brønnloggingsinstrument med en gammastrålekilde og energifølsomme gammastråle-detektorer roterer i brønnhullet for å definere et transientgrensesnitt med et motstående parti av brønnhullsveggen. Instrumentet måler Comptoneffektgammastråle- og fotoelektriskeffektgammaspredning hos gammastråler som krysser et første grensesnitt og senere gammastråler som krysser et motstående grensesnitt ved hver av flere lokasjoner i brønnhullet. Treffene brukes til å fastsette blant annet borevæskevekt-fraksjoner og brønnhullsdiameter.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste en av ulempene ved kjent teknikk, eller i det minste å skaffe tilveie et nyttig alternativ til kjent teknikk.

Formålet oppnås ved trekk som er angitt I nedenstående beskrivelse og i etterfølgende patentkrav.

Å ha mulighet til å produsere høyenergistråling i form av røntgen-/gammastråling "on demand" i et borehull eller lignende uten bruk av høyradioaktive, kjemiske isotoper vil være svært fordelaktig innenfor olje- og gassindustrien ved tetthetslogging, logging under boring, måling under boring og ved logging av brønnoperasjoner.

I det etterfølgende brukes uttrykket "lepton". Lepton kommer fra det greske ÅenTOv, som betyr "liten" eller "tynn". I fysikk er en partikkel et lepton hvis det har spinn-1/2 og ikke erfarer fargekraft. Leptoner danner en familie elementærpartikler. Det finnes 12 kjente typer leptoner, hvorav 3 er materiepartikler (elektronet, myonet og tau-leptonet), 3 nøytrinoer og deres 6 respektive antipartikler. Alle kjente, ladde leptoner har en enkelt negativ eller positiv elektrisk ladning (avhengig av om de er partikler eller antipartikler), og alle nøytrinoene og antinøytrinoene er elektrisk nøytrale. Generelt forblir antallet leptoner av samme type (elektroner og elektron-nøytrinoer; myo-ner og myon-nøytrinoer; tauoner og tau-nøytrinoer) det samme når partikler veksel-virker. Dette er kjent som bevaring av leptontall.

De løpende kontrollene, logistikken, håndterings- og sikkerhetstiltakene knyttet til radioaktive isotoper i olje- og gassindustrien medfører høye omkostninger, og et system som ikke krever bruk av radioaktive, kjemiske isotoper, men kan produsere tilsvarende stråling "on demand" vil eliminere mange av kontroll- og logistikkostnadene forbundet med håndtering av isotoper.

Som en konsekvens av de grundigere kontrollene som er innført ved lagring, anvendelse og flytting av høgradioaktive, kjemiske isotoper på grunn av innføring av antiter-rortiltak, har omkostningene vedrørende sikkerhet og logistikk tilknyttet de mange tusen isotopmaterialene som anvendes daglig innenfor industrien, økt dramatisk.

Oppfinnelsen tilveiebringer et apparat og en framgangsmåte som gjør det mulig å produsere røntgen-/gammastråler med spektralkomponenter innenfor Compton-området med en strålingseffekt ved å akselerere leptoner mellom to elektroder med motsatt polarisert, høye elektriske potensialer, idet hver elektrode holdes på et kontrollerbart potensiale med et system av elektropotensialforsterkertrinn, idet trinnene er innrettet til å tillate at det produseres og kontrolleres svært høye spenninger (over 100.000 V) i et elektrisk jordet, fortrinnsvis sylinderformet hus med mindre enn 4"

(101 mm) tverrmål. Følgelig er systemets avgitte effekt mange ganger større enn hos gammaemitterende isotoper, noe som resulterer i en betydelig reduksjon i tiden det tar å logge en tilfredsstillende mengde data ved loggeoperasjoner, slik at både det totale tidsforbruket og kostnadene reduseres. Systemet anvender ikke sterkt radioaktive isotoper og eliminerer dermed behovet for kontroll-, håndterings- og sikkerhetsru-tiner forbundet med radioaktive isotoper.

Apparatet er forsynt med komponenter innrettet til å generere Ioniserende stråling ved behov i et borehullsmiljø uten at det anvendes høyradioaktive kjemiske isotoper, slik som for eksempel kobolt 60 eller cesium 137.

Apparatet omfatter følgende hovedkomponenter:

• Et modulært system for produksjon og kontroll av høye elektriske potensialer, både positive og negative, inne i et jordet, fortrinnsvis sylinderformet hus med relativt liten diameter. • Et system for å opprettholde elektrisk atskillelse av de høye, elektriske potensialene og jord, noe som involverer feltkontrollgeometrier, trykksatte, gassfor-mige, elektrisk isolerende materialer og krypstrømhindrende støttegeometrier. • Et system som anvender det elektriske feltet som er tildannet av de dipolare, elektriske potensialene for å akselerere leptoner mot et leptonmål. • En mål- og leptonstrømningsgeometri som resulterer i tildannelsen av ioniserende stråling i en radial emisjon rotasjonssymmetrisk omkring lengdeaksen til apparatet.

Oppfinnelsen vedrører mer spesifikt et apparat for kontrollert, nedihulls produksjon av ioniserende stråling som overstiger 200keV med en overveiende andel av spektralfordelingen innen Compton-området, hvor i det minste en termionemisjonsenhet er anordnet i et første endeparti av en elektrisk isolert undertrykksbeholder, og et leptonmål er anordnet i et andre endeparti av den elektrisk isolerte undertrykksbeholderen, kjennetegnet ved at

termionemisjonsenheten er tilkoplet en rekke seriekoplede negative elektropotensialforsterkerelementer, og

hvert av nevnte elektropotensialforsterkerelementer er innrettet til å kunne øke et påført likespenningspotensiale ved omforming av en påført, drivende spenning, og å overføre det økede, negative likespenningspotensialet samt den drivende spenningen til neste enhet i rekken av seriekoplede elementer.

Undertrykksbeholderen kan være et vakuumrør. Dette gir en betydelig reduksjon i emisjonsmotstand i undertrykksbeholderen.

Leptonmålet kan være tildannet i en rotasjonssymmetrisk form. Dette gir en forbedret strålingsfordeling I alle retninger ut fra apparatet.

Leptonmålet kan være tildannet i en konisk form. Fordelen med dette er at den tilfel-dige spredningen i termionemisjonen vil resultere i en stråling jevnt fordelt over hele apparatets omkrets.

Leptonmålet kan i det vesentlige være tilveiebrakt av et materiale, en legering eller en kompositt hentet fra gruppen bestående av wolfram, tantal, hafnium, titan, molybden, kopper samt enhver ikke-radioaktiv isotop av et element som oppviser et atomnummer høyere enn 55. Dette gir en høyere grad av avgitt effekt i en gunstig del av strå-lingsspekteret.

Leptonmålet kan være tilkoplet en rekke seriekoplede, positive elektropotensialforsterkerelementer, idet hvert av nevnte elektropotensialforsterkerelementer er innrettet til å kunne øke et påført likespenningspotensiale ved omforming av en påført høy-frekvent drivende spenning, og å overføre det økede, positive likespenningspotensialet samt nevnte vekselspenning til neste enhet i rekken av seriekoplede elementer. Dette gir en forbedret kontroll med spenningsfeltsgeometrien.

Den drivende spenningen kan være en vekselspenning med frekvens over 60 Hz. Dermed kan en gitt energi genereres med mindre krav til kapasitet for strømførende komponenter.

Et spektralherdefilter kan være innrettet til å eliminere en andel av lavenergistråling fra den genererte, ioniserende strålingen. Filtreringen fjerner dermed støy fra den avgitte strålingen.

Et spektralherdefilter kan være tildannet av et materiale, en legering eller en kompositt hentet fra gruppen bestående av kopper, rhodium, zirkonium, sølv og aluminium. En kan dermed generere stråling innenfor et ønsket spektralområde.

Ved leptonmålet kan det være anordnet en stråleskjerm med én eller flere åpninger som er innrettet til å kunne tildanne en retningsstyrt stråling. Derved kan strålingen om ønskelig retningsstyres.

Apparatet kan omfatte et hus som er innrettet til å kunne trykksettes med et elektrisk isolerende stoff i gassform. Dette gir redusert risiko for gnistdannelse og elektrisk overslag.

Det elektrisk isolerende stoffet kan være svovelheksafluorid. Svovelheksafluorid har meget gode elektrisk isolerende egenskaper.

Huset kan oppvise et tverrmål som ikke overstiger 101 mm (4"). Apparatet er dermed velegnet for alle nedihulls Ipggemiljøer.

Hvert elektropotensialforsterkerelement kan omfatte midler innrettet til å kunne påfø-re det etterfølgende elektropotensialforsterkerelementet et inngående potensiale lik sitt eget inngående potensial.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et lengdesnitt gjennom et første, dobbeltpolart utførelseseksempel av et apparat ifølge oppfinnelsen, idet en termionemisjonsenhet og et leptonmål er tilknyttet hver sin rekke av elektropotensialforsterkerelementer, samt en graf som viser elektropotensialet for hvert trinn i forsterkerrek-kene; Fig. 2a viser typisk avgitt spektrum for et cesium 137 kjemisk isotop; Fig. 2b viser typisk avgitt effekt for apparatet ifølge oppfinnelsen når en termionemisjonsenhet er påført et spenningspotensiale på -350.000 V og et leptonmål er påført et spenningspotensiale på +350.000 V; Fig. 2c viser resultatet av samme konstellasjon som i fig. 2b, men hvor et spektralfilter av ren kopper er anvendt; Fig. 2d viser effekten av et spektralfilter laget av kompositt bestående av kopper, rhodium og zirkonium; Fig. 3 viser i større målestokk enn fig. 1 i utsnitt et lengdesnitt av en variant av apparatet ifølge oppfinnelsen; idet en stråleskjerm med en åpning som tildanner en retningsstyrt stråling, er anordnet omkring leptonmålet; Fig. 4 viser et lengdesnitt gjennom et andre, enkeltpolart utførelseseksempel av et apparat ifølge oppfinnelsen, hvor en termionemisjonsenhet er tilknyttet

en rekke av elektropotensialforsterkerelementer og generer ioniserende stråling i radial retning fra et jordet, konisk leptonmål i en jordet undertrykksbeholder; og

Fig. 5 viser et lengdesnitt gjennom et tredje, enkeltpolart utførelseseksempel av et apparat ifølge oppfinnelsen, hvor en termionemisjonsenhet er tilknyttet en rekke av elektropotensialforsterkerelementer og generer ioniserende stråling i aksial retning ut fra et leptonmål i en jordet undertrykksbeholder.

Pa figurene angir henvisningstallet 1 et fluidtett, sylinderformet hus med en ytre diameter som ikke overstiger 4" (101 mm). Huset 1 er rotasjonssymmetrisk om en leng-deakse og er innrettet til å kunne jordes elektrisk. Huset 1 er fortrinnsvis innrettet til å kunne trykksettes med et elektrisk isolerende stoff 15 i gassform, i en utførelsesform svovelheksafluorid. En termionemisjonsenhet 11 og et leptonmål 6 er anordnet i en sylindrisk undertrykksbeholder 9 som er tilveiebrakt ved at to elektrisk isolerende het-ter 7a, 7b tildanner lukkede endepartier av et rør 7c som er elektrisk forbundet med det omsluttende huset 1, idet nevnte beholder 9 dermed danner en elektrisk jordet støttestruktur så vel som et elektrofeltfokuserende rør.

I den foretrukne utførelsen er intet detekteringssystem inkludert i apparatet med den hensikt å assistere ved datainnsamling under loggeoperasjonen, men om ønsket kan skjermede foton detektorer, slik som natriumjodid- eller cesiumjodidbaserte detektor-systemer eller enhver annen type detektor eller detektorer, plasseres omkring om-kretsen av den sylindriske undertrykksbeholderen 9 anbrakt innenfor den ytre diameteren av det jordede, sylinderformede huset 1 uten følge for høypotensialfeltpåvirk-ning på de elektroniske systemene til detektorene.

I den foretrukne utførelsen produseres det leptoner 8 med termionemisjonsenheten 11, men det kan også anvendes radiofrekvens- og kaldkatodemetoder.

Termionemisjonsenheten 11 holdes varm og på et høyt, negativt elektrisk potensiale

relativt det jordede huset 1 ved hjelp av et seriekoplet system av to eller flere negative elektropotensialforsterkerelementer 14i-n, her vist fire 141-144. Det innledende for-sterkerelementet 14i som tilveiebringer den første potensialøkningen i det seriekoplede systemet, er drevet av en elektrisk styring 2, alternativt 2a, som mates med like-eller vekselstrøm på typisk mellom 3 og 400 V levert fra en fjerntliggende strømforsy-ning (ikke vist). Styringen 2, 2a leverer en drivende vekselspenning VACmed frekvens over 60 Hz, fortrinnsvis opptil 65 kHz eller høyere, og de negative elektropotensialfor-

sterkerelementene 14i-144er konfigurert slik at et system av transformatorviklinger i hvert trinn brukes til å øke et negativt potensiale 5Vi, 5Vi+2, 5V1+2+3, 5Vi+2+3+4til vek-selstrømmen relativt jord potensialet til det omkringliggende huset 1, slik at serien av negative elektropotensialforsterkerelementer 14i-144øker det elektriske potensialet trinnvis til et totalnivå på over -100.000 V.

Hvert negativt elektropotensialforsterkerelement 14i-144er sentralt anordnet og av-støttet i det elektrisk jordede huset 1 med en rotasjonssymmetrisk støttestruktur 3 laget av et materiale eller en materialsammensetning med høy dielektrisk motstands-evne og god termisk ledeevne. I en foretrukket utførelse anvendes en blanding av polyaryletereterketon og bornitrid, men ethvert materiale med høy dielektrisk mot-standsevne kan anvendes. Den rotasjonssymmetriske støttestrukturen 3 er konfigurert slik at distansen som elektrisk energi må tilbakelegge langs overflaten eller gjennom godset i bærestrukturen 3 fra de negative elektropotensialforsterkerelementene 14i-144til det jordede, omkringliggende huset 1, er mye større en den fysiske, radielle avstanden mellom de negative elektropotensialforsterkerelementene 14i-144og huset 1, slik at elektrisk overslag eller gnistdannelse mellom ledere med store spen-ningsforskjeller hemmes. For å sikre at fordelingen av elektrisk potensiale over overflaten av de negative elektropotensialforsterkerelementene 14i-144opprettholdes kon-tinuerlig, for derved å forhindre mulige forstyrrelser som kan føre til gnistdannelse eller overslag, er en sylindrisk feltregulator 4 anordnet utenpå hvert negativt elektropotensialforsterkerelement 14i-144for å sikre at det radielle potensialet mellom hvert av de negative elektropotensialforsterkerelementene 14i-144og det omsluttende huset 1 forblir konstant over hele elektropotensialforsterkerelements 14i-144aksiale ut-strekning og dermed tildanner et homogent felt mot jord uavhengig av det elektriske potensialet 5Vi, 5Vi+2, 5V1+2+3, 5Vi+2+3+4til det spesifikke, negative elektropotensialforsterkerelementet 14i-144. Heller enn å bruke bare ett éntrinns, negativt elektropotensialforsterkerelement, sikrer bruken av flertrinns, negative elektropotensialforsterkerelement 14i-144at det totale elektriske potensialet mellom hver ende av et trinn kan reduseres til et minste, kontrollerbart potensiale pr. trinn (se potensialdifferanse-kurven i figur 1) for derved å sikre at potensialforskjellene mellom eller over komponenter i hvert trinn ikke medfører gnistdannelse eller overslag på grunn av de korte avstandene som normalt anvendes i elektriske kretser.

Utgående effekt fra den elektriske styringen 2, 2a kan økes eller reduseres for derved å kontrollere utbyttestørrelsen fra de negative elektroforsterkerelementene 14i-144. Men et hvilket som helst arrangement hvorved hvert trinn i systemet kan omfatte an-ordninger for økning av det totalt tilveiebrakte potensiale, kan omfattes av oppfinnel sen. For eksempel kan diode-/kondensatorbasert spenningsmultiplikator eller seriell halvbølgemultiplikator eller Greinacher/Villard-system anvendes i et slikt system.

En termionemisjonsenhetsdriver 5 likeretter den høypotensiale vekselstrømmen for å levere en likerettet, høyspent strøm til termionemisjonsenheten 11. Derved skaffes det til veie strøm til å drive termionemisjonsenheten 11 og å holde termionemisjonsenheten 11 på en elektropotensialforskjell på mer enn -100.000 V. Ettersom forskjel-len i vekselspenningen forblir uendret i hvert trinn i det seriekoplede systemet av negative elektropotensialforsterkerelementer 14i-144, endres bare likestrømkomponent-en.

I en foretrukket utførelse vil hver omformerspole være arrangert slik at en tredje vinding med et l:l-forhold relativt en første vinding er induktivt koplet slik at en kompo-nentfeil i et hvilket som helst trinn ikke vil resultere i utgående feil i produksjonen av

høye potensialer over det seriekoplede systemet siden vekselstrømkomponenten vil bli ført gjennom til neste negative elektropotensialforsterkerelement 14 uavhengig av om direktespenningsstyrken har blitt øket eller ei.

Termionemisjonsenhetsdriveren 5 kan være elektrisk drevet fra den likerettede vek-selstrømkomponenten fra utgangen av de negative elektropotensialforsterkerelementene 14i-144. Termionemisjonsenhetsdriveren 5 og den negative, elektriske styreorgandriveren 2, 2a kommuniserer trådløst for å sikre at utgangseffekten fra de negative elektropotensialforsterkerelementene 14i-144kan verifiseres uten behov for instrumentledninger mellom de to driverne 2, 2a, 5. I en foretrukket utførelse anvendes radiokommunikasjon med en antenne anordnet på termionemisjonsenhetsdriveren 5 og på den negative, elektriske styreorgandriveren 2, 2a, men ved direkte sikt kan også laser anvendes ved innretting av optiske vinduer eller åpninger i rekken av de negative potenslalforsterkerelementene 14i-144.

På lignende vis er det arrangert et seriekoplet system av positive potensialforsterkerelementer 17!-174med funksjon lignende de negative potensialforsterkerelementene 14i-144. De er arrangert slik at utgangen er koplet til et leptonmål 6 via en lepton-måldriver 16 slik at hvert trinn gradvis øker potensialet for å tilveiebringe et høyt positivt, elektrisk potensiale 5Vi+2+3+4fra utgangen av det seriekoplede systemet av positive potensialforsterkerelementer 17a-174. Leptonmåldriveren 16 likeretter den positive vekselstrømmen fra utgangen av de positive elektropotensialforsterkerelementene 17i-174for å holde leptonmålet 6 på en elektrisk potensialforskjell større enn +100.000 V.

Leptonmåldriveren 16 og en positiv, elektrisk styreorgandriver 2b kommuniserer tråd-løst for å sikre at utgangseffekten fra de positive elektropotensialforsterkerelementene 17i-174kan verifiseres uten behov for instrumentledninger mellom de to driverne 2b, 16. I en foretrukket utførelse anvendes radiokommunikasjon med en antenne anordnet på leptonmåldriveren 16 og på den positive, elektriske styreorgandriveren 2b, men ved direkte sikt kan også laser anvendes ved innretting av optiske vinduer eller åpninger i rekken av de positive elektropotensialforsterkerelementene 17i-174.

Leptoner 8 som akselereres i det sterke elektriske dipolfeltet tildannet av det høye

negative potensialet til termionemisjonsenheten 11 og det høye positive potensialet til leptonmålet 6, strømmer uten opphold gjennom vakuum 10 i beholderen 9 og kollide-rer med leptonmålet 6 med høy hastighet. Den kinetiske energien til leptonene 8, som ved akselerasjon i det elektriske feltet som er generert mellom termionemisjonsenheten 11 og leptonmålet 6, øker, blir frigjort som ioniserende stråling 12 ved kolli-sjon med leptonmålet 6 på grunn av det plutselige tapet av kinetisk energi. Siden leptonmålet 6 opprettholder sitt høye positive potensiale, transporteres leptonene 8 på elektrisk vis bort fra leptonmålet 6 ved hjelp av de positive potensialforsterkerelementene 17 mot den positive styreorgandriveren 2b.

I en foretrukket utførelse er leptonmålet 6 en konisk struktur som er tildannet av wolfram, men legeringer og kompositter av wolfram, tantal, hafnium, titan, molybden og kopper kan anvendes i tillegg til enhver ikke-radioaktiv isotop av et element som oppviser et høyt atomnummer (høyere enn 55). Leptonmålet 6 kan også være tildannet i enhver rotasjonssymmetrisk form slik som en sylindrisk eller sirkulær hyperboloide eller enhver variant som oppviser rotasjonssymmetri.

Leptonenes 8 naturlige tendens til å divergere under bevegelsen mellom termionemisjonsenheten 11 og leptonmålet 6 resulterer i at kollisjonsområdet for leptonene 8 på leptonmålet 6 danner et ringformet felt omkring det koniske legemets spiss. Den resulterende primære, ioniserende strålingen 12, som delvis skyggelegges av leptonmålet 6, spres generelt med en fordeling lik et omdreiningslegeme flattrykt ved pole-ne. Virkningen er at den ioniserende strålingen 12 går i alle retninger med rotasjonssymmetri omkring lengdeaksen til apparatet for derved å belyse all omkringliggende substrat eller borehullsstrukturer samtidig. Den maksimale avgitte energien til den ioniserende strålingen 12 er direkte proporsjonal med potensialdifferansen mellom termionemisjonsenheten 11 og leptonmålet 6. Oppviser termionemisjonsenheten 11 et potensiale på -331.000 V og er sammenkoplet med et leptonmål 6 med et potensiale på +331.000 V, vil det gi en potensialdifferanse på 662.000 V mellom termione misjonsenheten 11 og leptonmålet 6, noe som giren resulterende spissenergi på den utgående ioniserende strålingen 12 på i størrelsesorden 662.000 eV, tilsvarende den primære utgangsenergien til cesium 137 som vanligvis anvendes ved geologisk tett-hetsloggeoperasjoner. Den termiske energien som skapes ved samvirkning mellom leptonene 8 og leptonmålet 6, ledes til det elektrisk jordede, omsluttende huset 1 ved hjelp av en elektrisk ikke-ledende varmelederstruktur 13 som geometrisk og funksjo-nelt ligner de rotasjonssymmetriske støttestrukturene 4 selv om det i en foretrukket utførelse anvendes bornitrid i en høyere volumprosentandel for å gi en høyere virk-ningsgrad i varmeledningen.

Potensialene til termionemisjonsenheten 11 og leptonmålet 6 kan varieres individuelt, enten med hensikt eller på grunn av trlnnfeil. Den totale potensialforskjellen mellom termionemisjonsenheten 11 og leptonmålet 6 forblir likevel summen av de to potensialene. I den mest foretrukne utførelsen er apparatet konfigurert med dobbelpolaritet slik det her er beskrevet, men apparatet kan også fungere i enkeltpolarmodus hvor leptonmålet 6 har et elektrisk jordpotensiale ved forbindelse med det omsluttende, sylindriske huset 1, og leptonmålet 6 er konfigurert slik at den kan avgi stråling rettet i det vesentlige i apparatets aksiale eller radiale retning, slik det framgår av figurene 4 og 5.

For bedre å kunne simulere utgangsspekteret som vanligvis forbindes med kjemiske

isotoper, kan et sylindrisk spektralherdefilter 18 som omslutter den radielle utgangen av leptonmålet 6, anvendes (se figur 3). I en foretrukket utførelse anvendes et spektralherdefilter 18 av kopper og rhodium, men et hvilket som helst materiale som filtre-rer ioniserende stråling, eller kompositter derav, kan anvendes, slik som kopper, rhodium, zirkonium, sølv og aluminium. Spektralherdefilteret 18 bevirker at lavenergistråling og karakteristiske spektra som er assosiert med leptonmålets 6 avgitte stråling, fjernes, noe som øker gjennomsnittsenergien av hele emisjonsspekteret mot høyere fotonenergier, se kurvene i figur 2a-2d. En kombinasjon av flere filtre 18 kan også benyttes.

I en foretrukket utførelse er spektralherdefilteret 18 arrangert slik at det kan forsky-ves inn i og ut av strålingen for derved å bevirke en variabel spektralfiltrering. Et fast filter eller en fast kombinasjon av flere filtre kan også benyttes.

Der det er ønskelig å oppnå retningsstyrt emisjon fra leptonmålet 6, kan en roterbar eller fast, sylindrisk stråleskjerm 20 med én eller flere åpninger anordnes omkring utgangen fra leptonmålet 6, noe som resulterer i retningsstyrt stråling 19 (se figur 3). Apparatet og framgangsmåten skaffer til veie ioniserende stråling som en funksjon av det elektriske potensialet som påføres systemet. Følgelig er systemets avgitte effekt mange ganger større enn det som oppnås med bruk av isotoper, og det resulterer i at tiden det tar å logge en passende mengde data under en loggeoperasjon reduseres betydelig, noe som reduserer tidsforbruket og omkostningene.

Siden inngående potensiale i systemet kan endres, noe som resulterer i at energien i primærstrålingen kan økes eller reduseres tilsvarende, kan samme system erstatte et stort utvalg av kjemiske isotoper, som hver har sin spesifikke avgitte fotonenergi, ganske enkelt ved at påført energi tilpasses det aktuelle strålingsbehovet.

Det modulære elektropotensialenergiforsterkningssystemet medfører at strøm med liten spenning tilføres apparatet i borehullet, siden høyspenningen som kreves for ge-nerering av den ioniserende strålingen, tilveiebringes og styres i apparatet.

Systemet benytter ikke radioaktive, kjemiske isotoper slik som for eksempel kobolt 60 eller cesium 137, og dette eliminerer alle ulempene forbundet med kontroll, logistikk, miljø- og sikkerhetstiltak ved håndtering av radioaktive isotoper.

I tillegg krever borehullsteknologien at radioaktive, kjemiske isotoper må plasseres i den delen av en bunnhullsstreng som gjør dem lettest mulig gjenvinnbare fra borestrengen i tilfelle bunnhullsstrengen mistes under boreoperasjonen. Av den grunn kan isotopene måtte plasseres inntil 50 meter fra borkronen på et sted hvor borestrengen koples til bunnhullsstrengen. Et apparat som ikke inneholder radioaktive stoffer, og som følgelig kan forlates, trenger ikke være lokalisert med tanke på gjenvinning. Føl-gelig kan den strålingsemitterende anordningen, og dermed detekteringssystemet, plasseres nærmere borkronen for dermed å oppnå sanntids tilbakemelding fra borehullet.

I variabel strålingskilde oppnår en også fordelen med å kunne utføre flere loggeoperasjoner ved forskjellig energinivå uten å måtte fjerne loggeutstyret fra borehullet for omstilling, noe som gir operatøren tilgang til en større datamengde på kort tid.

Claims (14)

1. Apparat for kontrollert, nedihulls produksjon av ioniserende stråling (12) som overstiger 200keV med en overveiende andel av spektralfordelingen innen Compton-området, hvor i det minste en termionemisjonsenhet (11) er anordnet i et første endeparti (7a) av en elektrisk isolert undertrykksbeholder (9), og et leptonmål (6) er anordnet i et andre endeparti (7b) av den elektrisk isolerte undertrykksbeholderen (9),karakterisert vedat termionemisjonsenheten (11) er tilkoplet en rekke seriekoplede, negative elektropotensialforsterkerelementer (14i, 142, 143, 144), og hvert av nevnte elektropotensialforsterkerelementer (14i, 142, 143, 144) er innrettet til å kunne øke et påført likespenningspotensial (5V0, 5Vi, 5Vi+2, 5Vi+2+3) ved omforming av en påført, drivende spenning (VAC), og å overføre det økede, negative likespenningspotensialet (5Vi, 5Vi+2, ..., 5Vi+2+3+4) samt den drivende spenningen (VAc) til neste enhet i rekken av seriekoplede elementer (142, 143, 144, 5).

2. Apparat i henhold til krav 1,karakterisert vedat undertrykksbeholderen (9) er et vakuumrør.

3. Apparat i henhold til krav 1,karakterisert vedat leptonmålet (6) er tildannet i en rotasjonssymmetrisk form.

4. Apparat i henhold til krav 3,karakterisert vedat leptonmålet (6) er tildannet i en konisk form.

5. Apparat i henhold til krav 1,karakterisert vedat leptonmålet (6) er i det vesentlige tilveiebrakt av et materiale, en legering eller en kompositt hentet fra gruppen bestående av wolfram, tantal, hafnium, titan, molybden, kopper samt enhver ikke-radioaktiv isotop av et element som oppviser et atomnummer høyere enn 55.

6. Apparat i henhold til krav 1,karakterisert vedat leptonmålet (6) er tilkoplet en rekke seriekoplede, positive elektropotensialforsterkerelementer (17i, 172, 173, 174), og hvert av nevnte elektropotensialforsterkerelementer (17i, 172, 173, 174) er innrettet til å kunne øke et påført likespenningspotensial (5V0, 5Vj, 5Vi+2, ..., 5Vi+2+3) ved omforming av den høyfrekvente, drivende spenningen (VAC), og å overføre det økede, positive likespenningspotensialet (5Vi, 5Vi+2, ..., 5Vi+2+3+4) samt den drivende spenningen (VAc) til neste enhet i rekken av seriekoplede elementer (172, 173, 174, 16).

7. Apparat i henhold til krav 1 eller 6,karakterisert vedat den drivende spenningen (VAC) er en høyfrekvent vekselspenning med frekvens over 60 Hz.

8. Apparat i henhold til krav 1,karakterisert vedat et spektralherdefilter (18) er innrettet til å eliminere en andel av lavenergistrål-ingen fra den genererte ioniserende strålingen (12).

9. Apparat i henhold til krav 8,karakterisert vedat et spektralherdefilter (18) er tildannet av et materiale, en legering eller en kompositt hentet fra gruppen bestående av kopper, rhodium, zirkonium, sølv og aluminium.

10. Apparat i henhold til krav 1,karakterisert vedat det ved leptonmålet (6) er anordnet en stråleskjerm (20) med én eller flere åpninger som er innrettet til å kunne tildanne en retningsstyrt stråling (19).

11. Apparat i henhold til krav 1,karakterisert vedat apparatet omfatter et hus (1) som er innrettet til å kunne trykksettes med et elektrisk isolerende stoff (15) i gassform.

12. Apparat i henhold til krav 11,karakterisert vedat det elektrisk isolerende stoffet (15) er svovelheksafluorid.

13. Apparat i henhold til krav 11,karakterisert vedat huset (1) oppviser et tverrmål som ikke overstiger 101 mm (4").

14. Apparat i henhold til krav 1 eller 6,karakterisert vedat hvert elektropotensialforsterkerelement (14i, 142, 143, 144; 17i, 172, 173, 174) omfatter midler innrettet til å kunne påføre neste elektropotensialforsterkerelement (14lf 142, 143, 144; 17i, 172, 173, 174) et inngående potensial lik sitt eget inngående potensial.