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Monokristall-Szintillationsdetektor mit Lutetiumorthosilikat. - Dokument DE68904408T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE68904408T2 29.07.1993
EP-Veröffentlichungsnummer 0373976
Titel Monokristall-Szintillationsdetektor mit Lutetiumorthosilikat.
Anmelder Schlumberger Ltd., New York, N.Y., US
Erfinder Melcher, Charles L., West Redding Connecticut 06896, US
Vertreter Sparing, K., Dipl.-Ing.; Röhl, W., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 4000 Düsseldorf
DE-Aktenzeichen 68904408
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, NL
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 05.10.1989
EP-Aktenzeichen 894027556
EP-Offenlegungsdatum 20.06.1990
EP date of grant 13.01.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.07.1993
IPC-Hauptklasse G01T 1/202
IPC-Nebenklasse G01T 1/20   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Einkristall- Szintillations-Detektor für Gammastrahlen und ähnliche Strahlung und insbesondere auf einen Einkristall-Szintillations-Detektor, bestehend aus Lutetium-Orthosilikat.

Eine bekannte Form von Detektor for Gamma- und ähnliche Strahlung (wie Röntgenstrahlung, kosmische Strahlung und energiereiche Partikel von etwa 1 KeV und darüber) verwendet einen transparenten Einkristall, bekannt als Szintillator, der auf auftreffende Strahlung mit der Emission von Lichtimpulsen reagiert. Die Lichtimpulse werden optisch auf den Eingang einer Fotovervielfacherröhre gekoppelt, die ein Spannungssignal erzeugt, das in Beziehung steht mit der Anzahl und Amplitude der empfangenen Lichtimpulse. Szintillatoren dieser Klasse haben weite Anwendung in verschiedenen Gebieten gefunden, wie Nuklearmedizin, Physik, Chemie, Mineral- und Erdölexploration usw..

Vielleicht der meistgebrauchte Typ von Szintillator ist thallium-dotiertes Natriumjodid NaI (Tl). NaI-Detektoren, die relativ kostengünstig herzustellen sind und in der Lage sind, eine hohe Lichtausbeute in Abhängigkeit von auftreffender Strahlung zu liefern, haben generelle Anwendung gefunden beispielsweise in Logsonden für Erdölbohrlochlogoperationen, wo entweder natürlich auftretende oder induzierte Gammastrahlung erfaßt wird für die Hilfe bei der Lokalisierung von Erdöllagerstätten.

Andere bekannte Einkristall-Szintillatoren, verwendet für Gammastrahlungserfassung, umfassen Cäsium-Jodid (natrium- oder thalliumaktiviert) und Wismut-Germanat (BGO). Organische Szintillatoren, wie Naphthalin, Anthracen, Stilben und ähnliche Materialien, wurden ebenfalls eingesetzt, insbesondere dort, wo sehr hohe Zählraten wichtig sind, obwohl sie generell nicht so brauchbar sind wie inorganische Szintillatoren für die Erfassung von Gammastrahlen.

Alle vorgenannten Typen von Szintillatoren haben als Gammastrahlendetektoren einen oder mehrere Nachteile. Beispielsweise haben NaI-Szintillatoren vergleichsweise niedrige Dichte, und demgemäß niedrige Strahlungserkennungswirksamkeit, langsames Abklingen der Szintillation und ein starkes und beständiges Nachglühen, was im Widerspruch steht zu der Zählrateneffizienz, und zum Überdecken von Impulsen führt, und sie sind hykroskopisch. Obwohl BGO-Szintillatoren nicht unter der niedrigen Dichte und den Hykroskopproblemen wie NaI-Szintillatoren leiden, haben sie eine relativ langsame Szintillationsabklingzeit und niedrige Lichtausbeute, die bei höheren Temperaturen noch absinkt. Der Refraktionsindex von BGO ist außerdem relativ hoch, was zu Lichtverlust durch interne Reflexion führt. Dies und andere Nachteile bekannter Szintillatoren haben ihre Brauchbarkeit als Gammastrahlungsdetektoren beschränkt oder haben Beschränkungen in der Art und Weise ihres Einsatzes mit sich gebracht. Unter den harten Bedingungen der Erdölbohrlochuntersuchung (hohe Temperatur, hoher Druck, Feuchtigkeit usw.) beispielsweise resultierten Beschränkungen in der Untersuchungsgeschwindigkeit, statistischen Verläßlichkeit, Sondengröße und dergleichen direkt her von dem Szintillatormaterial, das in einer gegebenen Logsonde eingesetzt wurde. Demgemäß wurden langdauernde Anstrengungen unternommen, um brauchbarere und verläßliche Szintillationsdetektoren und insbesondere Gammastrahlungs-Szintillationsdetektoren zu entwickeln.

Vor kurzem ist ein Gammastrahlungsdetektor vorgeschlagen worden, der einen Szintillator verwendet, gebildet von einem Einkristall von cer-aktiviertem Gadolinium-Orthosilikat (GSO). Der GSO-Szintillator hat den Vorteil, als Gammastrahlungsdetektor einer hohen effektiven Atomzahl, hoher Dichte, schnellem Szintillationsabklingen, relativ niedrigem Refraktionsindex, hat jedoch die Nachteile der niedrigen Lichtausbeute, einer starken Tendenz zum Splittern, was das Schneiden und Polieren schwierig macht und, wichtiger noch, sehr hohen thermischen Neutroneneinfangquerschnitts (49.000 Barns). Diese letztgenannte Charakteristik legt deutlich nahe, daß GSO-Szintillatoren nur sehr beschränkte Brauchbarkeit haben würden, wenn überhaupt, in solchen Anwendungsfällen, wie in vielen auf Kernzerfall beruhenden Bohrlochlogsonden beispielsweise, wo die Gammastrahlung, die zu erfassen ist, durch Neutronenbestrahlung induziert wird. Dies liegt daran, daß Gadolinium beim Einfangen thermischer Neutronen Gammastrahlung emittiert, die in Konflikt geriete mit der Erkennung der externen interessierenden Gammastrahlen.

Ein solcher GSO-Szintillator-Detektor ist in US Patent Nr. 4,647,781, veröffentlicht 3. März 1987, zur Verwendung in positronenberechneter Tomographie beschrieben. In dem genannten Patent ist jedoch keine Offenbarung enthalten hinsichtlich der Brauchbarkeit des GSO-Szintillators als Gammastrahlendetektor unter den ungünstigen Bedingungen der Bohrlochuntersuchung. Es war nämlich der Erfinder mit seinen Mitarbeitern, der durch Experimentieren und Beurteilen als erster feststellte, daß der GSO-Szintillator als Bohrlochdetektor brauchbar war. Diese Erfindung ist offenbart in der veröffentlichten Europäischen Patentanmeldung EP-A-0231693.

Der Erfolg bei der Anpassung des GSO-Szintillators an den Bohrlocheinsatz brachte den Erfinder dazu, andere seltene Erdverbindungen als mögliche Szintillatoren für Gammastrahlung (und dergleichen)- Erkennung zu berücksichtigen. Als ein erster Schritt wurden verschiedene luminophore Materialien in Pulverform untersucht für die anfängliche Abschätzung, um potentielle Kandidaten für das Kristallwachstum zu identifizieren. Diese anfängliche Abschätzung erfolgte unter Anwendung von Verfahren ähnlich jenen, wie sie von A.H. Gomes de Mesquita u.a. auf Seiten 643-650 des Materials Research Bulletin, Band 4, Nr. 9, 1969, Pergamon Press, Inc. beschrieben wurden, der die Eigenschaften von auf seltenen Erden beruhenden Luminophoren als primäres Ziel untersuchte. Der Ausdruck luminophor, wie er in der Gomes de Mesquita et al. Veröffentlichung und auch hier verwendet wird, bezieht sich auf die Form des feinen Pulvers. Solche Luminophoren werden typischerweise als Beschichtungen auf Kathodenstrahlröhren-Bildschirmen, Fluoreszenzlampen und dergleichen eingesetzt, wo sie auftreffende Elektronen oder Ultraviolettstrahlung in sichtbare Lichtimpulse umsetzen. Sie sind jedoch nicht geeignet als Detektoren für Gammastrahlung oder dergleichen, da energiereiche Photonen oder Partikel eine hohe Wahrscheinlichkeit aufweisen, durch die dünne Beschichtung ohne Wechselwirkung zu passieren. Wenn die Beschichtung hinreichend dick gemacht wird, um Gammastrahlung abzubremsen, würde die resultierende Undurchsichtigkeit der Luminophor- Schicht das meiste an Szintillationssignal einfangen. Infolgedessen sind nur transparente Einkristalle brauchbar als Gammastrahlungsdetektoren.

Obwohl einige der physikalischen und optischen Eigenschaften der Luminophore mit seltenen Erden bekannt waren, waren ihre Szintillationseigenschaften unbekannt und konnten nicht von vornherein vorhergesagt werden wegen der komplexen und nur teilweise verstandenen Natur des Szintillationsmechanismus. Beispielsweise würde man erwarten, auf der Basis der Atomzahl des Ionenradius der elektronischen Ladung, der Dichte des Refraktionsindex und des Fehlens von Absorptionsbändern, daß cer-dotiertes Ytterbium-Orthosilikatpulver und cer-dotiertes Lutetium-Orthosilikatpulver sehr ähnliche Szintillationseigenschaften hätten. Tatsächlich jedoch zeigten die Luminophor-Experimente, daß Ytterbium-Orthosilikat eine 1000mal schlechtere Szintillationsausbeute aufweist im Vergleich mit Lutetium-Orthosilikat.

Darüber hinaus war durchaus nicht klar, ob die Lumineszenz- Eigenschaften oder anderen Eigenschaften der Einkristallform einer Verbindung einer seltenen Erde die gleichen wären wie jene der Luminophorform. Generell nämlich sind die Szintillationseigenschaften von Einkristall-Szintillatoren nicht ohne weiteres bestimmbar oder mit Sicherheit vorhersagbar, ausgehend von den Luminophoren.

ZUSAMMENFASSUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird demgemäß ein verbesserter Szintillator für die Verwendung als Detektor für Gammastrahlung (oder ähnlicher Strahlung) vorgeschlagen, der einen Einkristall aus cer- aktiviertem Lutetium-Orthosilikat umfaßt mit der generellen Formel Ce2xLu&sub2;(1-x)SiO&sub5;. Generell kann der Wert von x (wie in der Ausgangsschmelze, aus der der Kristall gezogen wird, gemessen) veränderlich sein innerhalb des annähernden Bereichs von 0,001 bis 0,1, wobei der bevorzugte Bereich von x zwischen etwa 0,005 bis 0,015 liegt. Nach Einbau in einen vollständigen Detektor wird der Szintillator-Kristall optisch entweder direkt oder über einen geeigneten Lichtleiter mit der fotoempfindlichen Oberfläche eines Fotodetektors gekoppelt für die Erzeugung eines elektrischen Signals in Abhängigkeit von der Emission eines Lichtimpulses durch den Szintillator. Der LSO-Szintillator der Erfindung besitzt bestimmte wichtige Charakteristiken, wobei an erster Stelle die hohe Lichtausbeute, die sehr kurze Abklingzeit und der hohe Erkennungswirkungsgrad zu nennen sind, welche ihn überlegen machen gegenüber früheren Szintillatoren als Detektor für Gammastrahlung oder ähnliche Strahlung, insbesondere unter Bohrlochuntersuchungsbedingungen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Figur 1 ist eine Diagrammdarstellung einer Ausführungsform eines LSO-Szintillationsdetektors gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Figur 2 ist ein schematisches Diagramm einer Bohrlochuntersuchungssonde, in der der LSO-Szintillationsdetektor der Figur 1 eingesetzt werden kann.

BESCHREIBUNG EINES REPRÄSENTATIVEN AUSFUHRUNGSBEISPIELS

Zu Illustrationszwecken wird eine repräsentative Ausführungsform der Erfindung nachstehend im Kontext eines Gammastrahlendetektors beschrieben. Es versteht sich natürlich, daß die Brauchbarkeit des neuartigen LSO-Einkristall-Szintillators der Erfindung nicht auf die Erfassung von Gammastrahlung beschränkt ist, sondern daß er generell Anwendung findet für die Erfassung anderer Arten ähnlicher Strahlung, beispielsweise Röntgenstrahlung, kosmische Strahlung und energiereiche Partikel.

In Fig. 1 ist ein Einkristall-LSO-Szintillator 10 dargestellt, eingeschlossen in einem Gehäuse 12 eines Gammastrahlendetektors. Eine Seite 14 des Szintillators steht in optischem Kontakt mit der fotoempfindlichen Oberfläche einer Fotovervielfacherröhre 16. Alternativ könnten die Lichtimpulse auf den Fotovervielfacher über Lichtleiter oder Fasern, Linsen, Spiegel oder dergleichen gekoppelt werden. Der Fotovervielfacher kann durch irgend einen geeigneten Fotodetektor ersetzt werden, wie eine Fotodiode, eine Mikrokanalplatte usw.. Um so viel wie möglich jedes Lichtblitzes auf den Fotovervielfacher zu richten, sind die anderen Seiten 18 des Szintillators vorzugsweise umschlossen oder abgedeckt mit einem reflektiven Material, beispielsweise Teflonband, Magnesiumoxidpuder, Aluminiumfolie oder einem Titandioxidanstrich. Von dem LSO-Kristall bei Auftreffen von Strahlung emittierte Lichtimpulse werden entweder direkt oder über Reflexion von den Oberflächen 18 von dem Fotovervielfacher aufgefangen, der elektrische Impulse oder Signale in Abhängigkeit von den Lichtimpulsen erzeugt. Diese elektrischen Ausgangsimpulse werden typischerweise zunächst verstärkt und danach, je nach Wunsch, verarbeitet, beispielsweise in einem Impulshöhenverstärker, um die interessierenden Parameter bezüglich der erfaßten Strahlung zu gewinnen. Der Fotovervielfacher ist ferner an eine Hochspannungsleistungsversorgung angeschlossen, wie in Fig. 1 angedeutet. Mit Ausnahme des LSO-Szintillators sind alle Komponenten und Materialie, auf die in Verbindung mit Fig. 1 bezuggenommen wird, konventionell und brauchen daher nicht im einzelnen beschrieben zu werden.

Als erster Schritt bei der Beurteilung von cer-aktiviertem Lutetium-Orthosilikat Ce:Lu&sub2;SiO&sub5; als Szintillator wurde das Material in Luminophorform (Pulver) synthetisiert, und die Szintillationseigenschaften der resultierenden Zusammensetzung wurden analysiert. Aus dieser Analyse wurde ermittelt, daß LSO hinreichend vielversprechend als Szintillatormaterial war, um zusätzliche Anstrengungen und Kosten für das Wachsenlassen in Einkristallform zu rechtfertigen. LSO wurde als ein Kandidat für die Luminophorsynthese gewählt wegen seiner hohen Atomzahl und hohen Dichte und dem Fehlen von optischen Absorptionsbändern im sichtbaren Teil des Spektrums. Die prinzipiellen physikalischen und äptischen Eigenschaften von LSO wurden verglichen mit denen von GSO und NaI (Tl) in Tabelle 1, aus der man erkennen kann, daß LSO Vorteile gegenüber GSO in allen Eigenschaften und gegenüber NaI (Tl) im Bereich der Atomzahl, Dichte, Refraktionsindex und Hygroskopie aufzuweisen scheint.

TABELLE 1
Effektive Atomzahl Dichte (g/cm³) Refraktionsindex Neutroneneinfangquerschnitt (10-28cm²) (Barns)) Hygroskopisch?

Da Ce-aktivierte Einkristalle von LSO bisher nicht gezogen worden waren, waren die Szintillationseigenschaften von Einkristall LSO unbekannt. Ebenfalls war bisher unbekannt, ob die Eigenschaften des LSO- Luminophors beibehalten würden, wenn dasselbe Material in einen Einkristall gezogen würde.

Das Luminophor-Syntheseverfahren bestand aus den folgenden Schritten:

(1) Feine Pulver von Ln&sub2;O&sub3; (Ln=Gd, Lu) SiO&sub2; und entweder CeO&sub2; oder Ce&sub2;O&sub3; wurden in den entsprechenden Atomverhältnissen mechanisch gemischt und in ein Aluminiumoxidschiffchen geladen. In jedem Falle betrug die molare Konzentration von Ce 0,5% relativ zu Gd oder Lu.

(2) Jede der vier Zusammensetzungen wurde bei 1500ºC während vier Stunden in einem Rohrofen in einer von drei Atmosphären gesintert: Neutral (reines Argon), reduzierend (Argon + 2% Wasserstoff) oder oxidierend (Luft). Bei Verwendung einer reduzierenden Atmosphäre wurde ein hochreines Aluminiumoxid-Ofenrohr verwendet, da das übliche Mullitrohr sich als reaktiv mit Wasserstoff bei hoher Temperatur erwies und die Proben verschmutzte. Das resultierende Material war ein Feststoff und wurde zu Pulver zwecks Analyse vermahlen.

(3) Die Fluoreszenzemission des Pulvers wurde mit ultraviolettem Licht erregt, und die Emissions- und Erregungsspektren wurden aufgezeichnet mit einem Spex Fluorolog (Modell 212)-Spektrofluorometer. Für Emissionsmessungen oberhalb Raumtemperatur wurde die Probenkammer kontinuierlich mit Argon gespült zum Unterdrücken von Störfluoreszenzemissionen, die auftraten, wenn die Probe über 100ºC in Luft erhitzt wurde.

Tabelle 2 zeigt die Intensität der Fluoreszenzemission, gemessen bei Raumtemperatur.

TABELLE 2
Argon + H&sub2; Luft Argon

(4) Die Fluoreszenzabklingzeiten der Luminophore wurden gemessen durch Aufbringen einer dünnen Schicht des Luminophors auf die Fläche eines schnellen Fotovervielfachers (Amperex 2020Q) und Erregen der Emission mit einer ²&sup4;¹Am Gammastrahlenquelle. Die Impulsform wurde an der Anode der Fotovervielfachers mit einem schnellen Oszilloskop beobachtet und die Abklingzeit abgeschätzt aus der Oszilloskopspur.

Obwohl die angewandten Synthesebedingungen nicht notwendigerweise für jeden Luminophor optimal waren insoweit, als die Emissionsintensität von LSO größer war als die von GSO unter allen sechs Synthesebedingungen (drei unterschiedliche Atmosphären und zwei Formen von Cer), kann geschlossen werden, daß der Szintillationswirkungsgrad von LSO von Hause aus größer ist. Es wird angenommen, daß der Szintillationsmechanismus in cer-aktivierten Luminophoren generell Elektronenübergänge (5d zu 4f) innerhalb des Ce&spplus;³ Ions involviert. Aus diesem Grunde wurde erwartet, daß die effizientesten Luminophore resultieren würden aus der Anwendung von Ce&sub2;O&sub3; (d.h. Ce&spplus;³) als Ausgangsmaterial und Ausführung der Synthese in einer geringfügig reduzierenden Atmosphäre (Ar + H&sub2;), um das Cer in dem +3 geladenen Zustand zu halten. Überraschenderweise und wie Tabelle 2 zeigt, waren in jedem Falle mit Ausnahme von in Luft hergestelltem LSO die besten Luminophore jene, in denen Ce als CeO&sub2; zugesetzt wurde. Es ist auch festzuhalten, daß zwar die besten GSO-Luminophore jene waren, die in einer reduzierenden Atmosphäre hergestellt wurden, die besten LSO-Luminophore jedoch in einer neutralen Atmosphäre hergestellt wurden. Synthese in Luft führte zu Luminophoren mit geringerer Lichtausbeute und, wichtiger noch, mit Emissionsspektren, die abwichen von dem Einkristall-Emissionsspektrum.

Tabelle 3 faßt die Szintillationseigenschaften von GSO- und LSO-Luminophoren zusammen, synthetisiert in der vorgenannten Art:

TABELLE 3
Lichtausbeute Abklingzeit Emissionsspitze Temperaturverhalten

Ein Vergleich der physikalischen Eigenschaften (Tabelle 2) und der Szintillationseigenschaften (Tabelle 3) von GSO und LSO zeigt, daß LSO in den meisten Bereichen dem GSO überlegen ist. Die Lichtausbeute von LSO ist um einen Faktor von 1,5 bis 10 größer als bei GSO, abhängig von den Synthesebedingungen. Dies ist ein besonders bemerkenswerter Vorzug gegenüber GSO. Ein Vergleich der Emissionsspektren von den GSO:CeO&sub2; und LSO:CeO&sub2; Luminophoren, synthetisiert in Argon (mit der Erregerlichtwellenlänge entsprechend dem kräftigsten Erregungsband für jeden Luminophor, 345 nm für GSO und 355 nm für LSO), zeigt, daß die LSO-Emission eine unterschiedliche Form hat und etwas in Richtung kürzerer Wellenlängen verschoben ist als die GSO-Emission. Diese scheinbare Verschiebung des LSO-Spektrums, wenn sie in der Einkristallform vorläge, wäre vorteilhaft, da sie zu einer Emission führen würde, die besser an das Spektralverhalten von Hochtemperatur-Fotovervielfachern angepaßt ist.

Die Szintillationsabklingzeit von LSO von etwa 50 ns schneidet im Vergleich günstiger ab als die 60 ns von GSO. Die effektive Atomzahl von LSO ist 66 im Vergleich mit 59 für GSO, und die Dichte von LSO ist 7,4 g/cm³ im Vergleich mit 6,7 g/cm³ für GSO, was beides zu einem höheren Strahlungserfassungswirkungsgrad für LSO beiträgt. Der Refraktionsindex von LSO ist 1,82 im Vergleich zu 1,91 für GSO, was dazu führt, daß weniger Szintillationslicht eingefangen wird. LSO ist sehr viel weniger empfindlich gegenüber Neutronen, da der thermische Querschnitt für Lu 77 Barn ist im Vergleich mit 49.000 Barn für Gd.

Das Temperaturverhalten von LSO ist etwas schlechter als für GSO. Bei 150ºC nimmt die GSO-Lichtausbeute um etwa 60% gegenüber dem Wert bei Raumtemperatur ab, während der LSO-Lichtausgang auf etwa 20% bei 150ºC abnimmt im Vergleich mit dem Wert bei Raumtemperatur. Andererseits zeigt es sich, daß das Emissionsspektrum von LSO etwas in Richtung kürzerer Wellenlänge verschoben wird gegenüber der GSO-Emission mit steigender Temperatur von Raumtemperatur bis zu 175ºC (der höchsten gemessenen Temperatur). Dies wiederum wäre vorteilhaft in der Einkristallform im Hinblick auf die Anpassung an das Verhalten des Fotovervielfachers.

Lutetium hat ein radioaktives Isotop (¹&sup7;&sup6;Lu), das einen Hintergrundrauschpegel in dem Kristall erzeugt. Dies könnte eliminiert werden, indem man den Kristall aus reinem ¹&sup7;&sup5;Lu wachsen läßt, oder es könnte durch konventionelle Hintergrundsubtraktiontechniken beherrscht werden.

Das Erregungspektrum von LSO weist drei Bänder auf (262 nm, 298 nm und 355 nm) und ist ähnlich dem GSO Erregerspektrum mit der Ausnahme, daß die Bänder zu etwas längeren Wellenlängen verschoben sind.

Obwohl der Vergleich von LSO- und GSO-Luminophoren zeigte, daß LSO ein vielversprechender Szintillator für Anwendung in einem Gammastrahlendetektor sein könnte, sind die Eigenschaften der Einkristallform nicht mit Sicherheit vorhersagbar. Die Lichtausbeute, eine der wichtigsten Eigenschaften eines Einkristall-Szintillators, ist besonders schwierig vorherzusagen aus der Luminophorform. Um mit einer mehr ins Einzelne gehenden Untersuchung des Materials fortzufahren, wie auch mit der Prüfung eines praktischen Detektors, war es deshalb nötig, eine Einkristallform von LSO zu züchten. Dies erfolgte aus Schmelzen nach der konventionellen Czochralski-Methode, wie sie beispielsweise beschrieben ist von C.D. Brandle u.a. "Czochralski Growth of Rare-Earth-Orthosilicates (Ln&sub2;SiO&sub5;)", Journal of Crystal Growth, Nr. 79, Seiten 308-315, 1986.

Tabelle 4 faßt die Szintillationseigenschaften von LSO-Einkristallen zusammen, die gezüchtet wurden wie ausgewählt und zur Minimierung von Unvollkommenheiten geschnitten wurden. Die Zusammensetzung der Schmelzen war Ce2xLu2(1-x)SiO&sub5;, worin x der Dezimalwert des Prozentsatzes ist, der in Tabelle 4 unter dem Titel "Ce nom" wiedergegeben ist. Die Cer-Konzentration in den Kristallen war in der Größenordnung von 20%-30% jener in der Schmelze.

TABELLE 4
Größe (mm) Farbe Defekte Lichtausbeute (willkürliche Einheit) Energieauflösung % Abklingkonstante (ns) Maximalemission (UV-Erregung (nm) Maximalemission (Gammaerregung) (nm) keine wenige

Die Kristalle 1, 2 und 4 wurden auf die angegebenen Größen aus größeren Einkristallen geschnitten (5mm x 6mm x 28mm, 7mm x 9mm x 27mm bzw. 8mm x 8mm x 33mm), während der Kristall 3 die Originalgröße hatte. Alle waren farbrein und von hoher Transparenz, jedoch hatten die Kristalle 2 und 4 einige Defekte. Die Lichtausbeute wurde gemessen durch Ankoppeln jedes Kristalls mit optischem Kopplungsfett direkt an einen Hamamatsu R878 Fotovervielfacher, während alle Oberflächen, mit Ausnahme der an den Fotovervielfacher angekoppelten, mit Teflonband (Kristall 3) oder Titandioxidfarbe (Kristalle 1, 2 und 4) abgedeckt wurden. Die Skala, die für die Lichtausbeutemessungen verwendet wurde, ist in willkürlichen Einheiten ausgedrückt. Durch Vergleich würde auf dieser Skala die Lichtausbeute eines Standard NaI (Tl)-Szintillators in der Größenordnung von 200 liegen, und der für einen Standard-GSO-Szintillator in der Größenordnung von 40. Die Energieauflösung wurde bestimmt durch Anwendung einer standardisierten Cäsium 137 Gammastrahlenquelle. Die Energieauflösung wird ausgedrückt als die volle Breite bei halbem Maximum des 662 KeV Gammastrahlenspitzenwerts. Die Szintillationsabklingzeit war exponentiell und hatte einen mittleren Wert von etwa 42 ns für die vier Kristalle, wie gemessen mittels der zeitkorrelierten Ein-Photon-Technik.

Unerwarteterweise war das Emissionsspektrum bei Gammaerregung abweichend von dem Emissionsspektrum bei Ultravioletterregung. Das Gammaemissionsspektrum hatte den Spitzenwert bei etwa 426 nm - 430 nm und war ähnlich dem GSO-Emissionsspektrum. Auch zeigten sowohl die gammaals auch die ultravioletterregte Emission einen Thermolumineszenzeffekt mit einer Halbwertzeit von etwa 10 Minuten. Das Temperaturverhalten des LSO-Kristalls war nicht so gut wie GSO. Die gammaerregte Emission fiel ab mit etwa 1,3% pro Grad C. Demgemäß beträgt bei 150º der Spitzenausgang 20% von dem bei Zimmertemperatur, was ähnlich ist dem Temperaturverhalten von BGO. Demgemäß kann in jenen Anwendungsfällen, wo hohe Temperaturen zu erwarten sind, wie in bestimmten Erdölbohrlochuntersuchungssonden, die Notwendigkeit bestehen, den LSO-Szintillator gegenüber der Umgebung durch ein Dewar-Gefäß oder einen anderen Isolator zu isolieren.

Basierend auf den Daten der Tabelle 4 und vorangehenden Experimenten mit anderen Einkristall-Szintillatoren und Pulverluminophoren ist zu erwarten, daß befriedigende LSO-Einkristall-Szintillatoren erzeugt werden können mit Cer-Konzentrationen (in der Schmelze, wovon der Kristall gezogen wird) innerhalb des annähernden Bereichs von 0,1% bis 10%, d.h. 0,001 ≤ x ≤ 0,1. Die bevorzugte Cer-Konzentration in der Schmelze liegt im Bereich von etwa 0,5% bis 1,5%, d.h. 0,005 ≤ x ≤ 0,015.

TABELLE 5
Relative Lichtausbeute (20ºC) (Beste) Energieauflösung Abklingzeit (ns) Effektive Amtomzahl Dichte (g/cm³) Refraktionsindex Hykroskopisch? Mechanisch robust? Emissionsspitze (nm bei 20ºC) Neutronenquerschnitt (Barns) Strahlungslänge (cm) Signal-Rausch-Verhältnis Zählrate Erfassungswirkungsgrad Umhüllung

Tabelle 5 vergleicht die prinzipiellen physikalischen und Szintillationseigenschaften der LSO-Einkristalle mit jenen für NaI(Tl), BGO und GSO. Mit dem NaI(Tl)-Kristall wurde willkürlich ein Bezugslichtausbeutewert von 100 verknüpft, und man kann erkennen, daß der LSO-Kristall mit 75 deutlich den BGO- und GSO-Kristallen überlegen ist und nur 25% unter dem NaI(Tl)-Wert. Die Energieauflösung des LSO-Szintillators läßt sich sehr vorteilhaft vergleichen mit BGO und GSO und ist wieder nur geringfügig schlechter als NaI(Tl). Das Signal-Rausch-Verhältnis des LSO-Szintillators ist deshalb erheblich verbessert gegenüber den BGO- und GSO-Detektoren. Obwohl im Signal-Rausch-Verhältnis etwas niederiger als NaI(Tl), besitzt LSO andere Eigenschaften, die überlegen sind gegenüber NaI(Tl).

Demgemäß ist die mittlere Abklingzeit von 41 ns kürzer als die jedes anderen der drei Kristalle, und einige fünf- bis sechsmal kürzer als NaI(Tl). Der LSO-Szintillator ist deshalb besonders brauchbar für Detektoren mit hohen Zählraten. LSO hat auch einen sehr hohen Gamma- Strahlenerfassungswirkungsgrad dank seiner hohen effektiven Atomzahl und Dichte. Er ist diesbezüglich sowohl NaI(Tl)- und GSO-überlegen und vergleichbar mit BGO. Ein hoher Erfassungswirkungsgrad trägt ferner zu der Eignung von LSOs bei für Anwendungen mit hoher Zählrate.

Andere vorteilhafte Eigenschaften von LSO ergeben sich aus Tabelle 5 einschließlich seines niedrigen Refraktionsindex, der zu geringeren internen Lichtverlusten führt als irgendein anderer der vier Szintillatoren. LSO ist außerdem nicht hykroskopisch, ein besonderer Vorteil für Anwendungen bei Erdölbohrlochuntersuchungen oder anderen feuchten Umgebungen. Seine mechanische Robustheit ist besser als sowohl NaI(Tl) als auch GSO, ein Merkmal, das ebenfalls wünschenswert ist für Bohrlochuntersuchungen und andere Anwendungsfälle, wo mit rauhen Bedingungen zu rechnen ist.

Wie bereits erwähnt, liegt die Gammaemissionsspitze bei etwa 428 nm, was im wesentlichen gleich ist für GSO und nur geringfügig über NaI(Tl). Eine gute Anpassung an das Spektralverhalten typischer Fotovervielfacher resultiert daraus. Der Neutronenquerschnitt ist besonders günstig im Vergleich mit GSO, 84 Barns gegenüber 49.000 Barns. Demgemäß wird das Auftreten von interferierenden Gammastrahlen infolge Neutroneneinfangs innerhalb des Kristalls erheblich verringert, relativ zu GSO. Schließlich ist die Strahlungslänge von LSO ebenso gut wie die von BGO und erheblich kürzer als entweder GSO oder NaI mit resultierenden Vorteilen in der erforderlichen Kristallgröße.

Wie man aus den Tabellen 4 und 5 entnehmen kann, ist der LSO- Einkristall-Szintillator vergleichbar mit anderen bekannten Szintillatoren oder übertrifft diese hinsichtlich nahezu aller Eigenschaften, die wichtig sind für die Anwenduals Gammastrahlendetektors, d.h. Lichtausbeute, Energieauflösung, Wirkungsgrad der Erfassung von hoch-energetischen Photonen, Szintillationsabklingzeit, Hykroskopie, Empfindlichkeit des Kristalls gegenüber mechanischer Beschädigung, Refraktionsindex, Emissionsspektrumsanpassung an das Verhalten von Fotovervielfacherröhren, Transparenz des Kristalls gegenüber seiner eigenen Szintillationsemission und Fehlen von induzierter Gammastrahlung innerhalb des Kristalls. Der einzige Bereich, in dem LSO ungünstiger abschneidet, liegt in der Temperaturempfindlichkeit der gammaerregten Emission. Unter kontrollierten Bedingungen, d.h. Laboratorien, Hospitälern usw., gibt es damit keine Probleme. Selbst unter Bedingungen höherer Temperatur wird aber die einzigartige Kombination von Lichtausbeute, Geschwindigkeit und Erfassungswirkungsgrad, die man in LSO findet, in vielen Fällen die zusätzliche Anstrengung der Isolation des Szintillators von Umgebungstemperaturänderungen rechtfertigen.

Wie oben erörtert, ist der LSO-Szintillator-Detektor der vorliegenden Erfindung besonders effektiv als Strahlungsdetektor unter Bohrlochuntersuchungsbedingungen, wie bei der Erdölexploration. Bei diesem Anwendungsfall bildet der Detektor einen Teil eines Logsystems, das von dem Typ sein kann, wie er in der oben erwähnten, gleichzeitig anhängenden Anmeldung 149,953 offenbart ist, und hier in Figur 2 dargestellt ist.

Figur 2 zeigt eine Logsonde 11 für die Erfassung von Gammastrahlung, herrührend von der Bombardierung einer Formation mit hochenergetischen Neutronen, und Erfassung der Energie der Strahlung für nachfolgende Spektralanalyse. Die Sonde 11 hängt in einem Bohrloch 13 an einem bewährten Mehrleiterkabel 15. Das Bohrloch 13 durchteuft eine Formation 17 und ist mit Fluid 19 gefüllt und kann offen sein, wie dargestellt, oder mit einer Auskleidung versehen sein. Die Sonde 11, wie unten beschrieben, kann aufgebaut sein gemäß US-Patent Nr. 4,317,993 von Hertzog, jr. u.a., zediert dem Zedenten der vorliegenden Anmeldung. Die Sonde 11 wird in dem Bohrloch 13 verlagert, indem man das Kabel 15 ablaufen läßt und es wieder zurückspult über eine Umlenkrolle 20 und ein Tiefenmeßgerät 22 mittels einer Winde, welche einen Teil der übertägigen Anlage 24 bildet. Üblicherweise werden die Logmessungen ausgeführt, während die Sonde 11 im Bohrloch 13 nach oben gezogen wird, obwohl unter bestimmten Umständen sie auch auf dem Abwärtsweg erfolgen können oder in beiden Richtungen.

Die Sonde 11 enthält eine gepulste Neutronenquelle 26 zum Erzeugen von Primärstrahlung zur Bombardierung der Formation 17 mit schnellen Neutronen, während die Sonde 11 sich im Bohrloch aufwärts bewegt, und einen Strahlungsdetektor 28 für die Erfassung der sekundären (Gamma)-Strahlung, die dadurch in dem Bohrloch 13 und der Formation 17 induziert wird. Die Neutronenquelle 26 ist vorzugsweise vom gepulsten Beschleunigertyp, beschrieben in US Patenten 3,461,291 von Goodman und 3,546,512 von Frentrop, die beide dem Eigner der vorliegenden Anmeldung gehören. Dieser Typ von Quelle ist besonders geeignet für die Erzeugung von diskreten Bursts von hoher Energie oder schnellen Neutronen, beispielsweise bei 14 MeV, mit einer kontrollierten Dauer und Wiederholungsrate.

Der Detektor 28 ist von einer Bauart, die geeignet ist für die Erfassung von Gammastrahlung und die Erzeugung eines elektrischen Signals entsprechend jedem erfaßten Gammastrahl und mit einer Amplitude, die repräsentativ ist für die Energie des Gammastrahls. Zu diesem Zweck ist der Detektor 28 aufgebaut, wie in Figur 1, einschließlich eines cer- aktiviertem LSO-Szintillationskristalls 10, optisch gekoppelt mit einer Fotovervielfacherröhre (PMT) 16. Geeignete Röhren werden hergestellt von EMR Photoelectric, Princeton, New Jersey.

Obwohl nicht so wichtig wie im Falle eines GSO-Szintillators, kann ein Neutronenschirm 34 zwischen der Quelle 26 und dem Detektor 28 positioniert sein, um die direkte Bombardierung des Detektors 28 mit Neutronen von der Quelle 26 zu begrenzen, wodurch die Sättigung des Detektors 28 durch solche direkte Bestrahlung vermieden wird. Zusätzlich und speziell im Falle der Messung von eingefangener Gammastrahlung kann die Sonde 11 von einer Hülse 36 umschlossen sein, die mit Bohrkarbid imprägniert ist und in genereller Nachbarschaft zur Quelle 26 und Detektor 28 liegt. Diese Hülse verdrängt Bohrlochfluid im Bereich des Detektors 28 und absorbiert von der Formation in Richtung auf den Detektor 28 gestreute Neutronen, ohne merkbare Dämpfung der von der Formation ausgehenden Gammastrahlung. Der verbleibende Effekt besteht in einer Verringerung der Möglichkeit von Neutronenwechselwirkungen mit den Bohrlochinhalten und dem Material der Sonde 11, nahe dem Detektor 28, was sonst erfaßbare Gammastrahlen erzeugen würde, die eine unerwünschte Störung der erforderlichen Gammastrahlenmessung darstellen könnte.

Elektrische Leistung für die Sonde 11 wird über das Kabel 15 von der übertägigen Anlage 24 geliefert. Die Sonde 11 enthält Leistungskonditionierschaltungen (nicht dargestellt) für die Zufuhr von Leistung mit angepaßten Spannungs- und Strompegeln für die Quelle 26, den Detektor 28 und andere untertägige Schaltungen. Diese Schaltungen umfassen einen Verstärker 38 mit zugeordneten Schaltkreisen, welche die Ausgangsimpulse von dem PMT 16 empfangen. Die verstärkten Impulse werden dann an einen Pulshöhenanalysator (PHA) 40 angelegt, einschließlich eines Analog-Digital-Umsetzers, der von irgend einer konventionellen Bauart sein kann, wie die Einrampenbauart (Wilkinson Rundown). Andere geeignete Analog-Digital-Umsetzer können verwendet werden für den Gammastrahlenenergiebereich, der zu analysieren ist. Lineare Gatterungschaltkreise können ebenfalls eingesetzt werden für die Steuerung des Zeitabschnitts des Detektorsignals, das zu analysieren ist. Verbessertes Verhalten kann erzielt werden durch die Anwendung zusätzlicher konventioneller Techniken, wie die Zurückweisung überlagerter Impulse.

Der Impulshöhenanalysator 40 ordnet jedem Detektorimpuls einen von einer Anzahl (typischerweise im Bereich von 256 bis 8.000) vorbestimmter Kanäle zu, je nach seiner Amplitude (d.h. Gammastrahlenenergie), und erzeugt ein Signal in geeigneter digitaler Form, das den Kanal oder die Amplitude jedes analysierten Impulses repräsentiert. Typischerweise umfaßt der Impulshöhenanalysator 40 Speicher, in welchen das Auftreten jeder Kanal-Nummer in dem digitalen Signal akkumuliert wird, um ein Energiespektrum zu erzeugen. Die akkumulierten Gesamtzahlen werden dann über einen Pufferspeicher 42 (der unter bestimmten Umständen weggelassen werden kann) zu Telemetrie- und Kabelschnittstellenschaltungen 44 transferiert für die Übertragung über Kabel 15 zur übertägigen Anlage 24.

An der Oberfläche werden die Kabelsignale von Kabel schnittstellen- und Signalverarbeitungsschaltkreisen 46 empfangen. Es versteht sich, daß die Schaltkreise 44 und 46 von irgend einer bekannten Konstruktion sein können für Codieren und Decodieren, Multiplexen und Demultiplexen, Verstärken und andersweitigem Verarbeiten der Signale für die Übertragung zur und den Empfang durch die übertägige Anlage 24. Entsprechende Schaltungen sind beispielsweise im US Patent 4,012,712 von Nelligan beschrieben.

Der Betrieb der Sonde 11 wird gesteuert durch Signale, die von einer Hauptprogrammeinheit 48, die sich in der übertägigen Anlage 24 befindet, nach Untertage gesandt werden. Diese Signale werden empfangen von einer Sondenprogrammiereinheit 50, welche Steuersignale zu der Neutronenquelle 26 und dem Pulshöhenanalysator 40 überträgt.

Die übertägige Anlage 24 umfaßt verschiedene elektronische Schaltungen, die verwendet werden zum Verarbeiten der Daten, empfangen von dem untertägigen Gerät, zum Analysieren des Energiespektrums der erfaßten Gammastrahlung, der Extraktion von Information über die Formation 17 aus diesen und bezüglich jeglicher Kohlenwasserstoffe, die sie enthalten könnte, und zum Erzeugen einer transportablen Aufzeichnung oder eines Logs von einigen oder allen dieser Daten und Informationen, beispielsweise auf Film, Papier oder Band. Diese Schaltungen können Hardware für spezielle Zwecke umfassen, oder alternativ einen Allgemeinzweckrechner, der entsprechend programmiert wird, um dieselben Aufgaben zu erfüllen, wie eine solche Hardware. Details einer solchen Analyse bilden keinen Teil der vorliegenden Erfindung und werden hier nicht erläutert, können jedoch beispielsweise US Patent 3,521,064 entnommen werden.

Obwohl die Erfindung beschrieben und illustriert wurde unter Bezugnahme auf repräsentative Ausführungsformen derselben, versteht es sich, daß solche Ausführungsformen modifiziert und variiert werden können, ohne von dem der Erfindung zugrunde liegenden Konzept abzuweichen.


Anspruch[de]

1. Ein Szintillator zur Verwendung in einem Gammastrahlen- oder Röntgenstrahlendetektor, umfassend einen transparenten Einkristall aus ceraktiviertem Lutetiumoxyorthosilikat mit der generellen Formel Ce2xLu2(1-x)SiO5, worin x innerhalb des Bereiches von etwa 2x10&supmin;&sup4; bis etwa 3x10&supmin;² liegt.

2. Der Szintillator nach Anspruch 1, bei dem x innerhalb des Bereichs von etwa 1x10&supmin;³ bis etwa 4,5x10&supmin;³ liegt.

3. Ein Gammastrahlen- oder Röntgenstrahlendetektor, umfassend einen Szintillator (10) nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend einen Photodetektor (16), der optisch mit dem Szintillator (10) gekoppelt ist zum Erzeugen eines elektrischen Signals in Abhängigkeit von der Emission eines Lichtimpulses durch den Szintillator.

4. Vorrichtung zum Untersuchen von untertägigen Erdformationen, umfassend Detektormittel (28) für die Erfassung von Strahlung und mit einem Szintillator (10) nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend:

eine Sonde (11), ausgebildet zum Bewegen durch ein Bohrloch, zum Tragen des Detektormittels (28); und

Mittel (38, 40, 24), die mit den Detektormitteln (28) gekoppelt sind zum Erzeugen und Aufzeichnen eines Signals, das repräsentativ ist für mindestens einen Strahlungskennwert, erfaßt durch das Detektormittel (28).

5. Die Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der das Detektormittel (28) ferner einen Photodetektor (16) umfaßt, der optisch gekoppelt ist mit dem Szintillator (10) zum Erzeugen eines elektrischen Signals in Abhängigkeit von der Emission eines Lichtimpulses durch den Szintillator.

6. Die Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, ferner umfassend Quellenmittel (26), die von der Sonde (11) getragen werden zum Bestrahlen von Material im Bereich des Bohrlochs mit penetrierender Strahlung, die mit dem Material in Wechselwirkung treten kann und zu Strahlung führt mit Kennwerten, welche Informationen über das Material mitführt.







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