耐用闪烁晶体组件的制作方法
【专利说明】
[0001]保罗*L.辛克莱
技术领域
[0002]本发明涉及伽马辐射检测领域，具体地涉及使用闪烁晶体检测伽马辐射。
【背景技术】
[0003]闪烁晶体用于通过将入射的伽马光子转变为短暂闪光来检测伽马辐射。之后，由闪烁晶体产生的光脉冲可以由光电倍增管检测，其中光电倍增管光学地耦合到晶体上，并且光电倍增管的输出是可以被相关联的电子电路放大并处理的电脉冲。通过计算这些光脉冲，可以确定引起光脉冲的伽马辐射的强度。闪烁器材料的典型示例是与铊掺杂或由铊激活的碘化钠单晶(即，其中已经被引入铊形式的杂质的碘化钠晶体)。
[0004]这种辐射-检测装置的特定应用是在钻井工具中，钻井工具在寻找油或天然气中用于确定通常在钻井时钻孔所遇到的岩层的自然辐射性质。该过程被称为随钻测井(LWD)并且可以用于确定本领域地质学家所遇到的岩石的类型。来自该工具的数据可以在钻井的同时被分析，并且用于做出关于钻竖直井钻多深的知情决定或者用于在定向钻井操作中控制钻头。该过程被称为地质导向(geosteering) ο
[0005]虽然这类辐射-检测设备通常被装入具有某种冲击隔离装置的强金属外壳中，但这种辐射-检测设备也自然地受到极端机械冲击和振动。同时，典型的闪烁器晶体极易碎。这种差异的结果是晶体经常在钻井操作期间断裂，导致需要关闭钻机(非常昂贵的事件)以便可以从井中取回测井工具以替换闪烁器晶体。此外，钻井技术进步(诸如水平钻井和快速钻井等)一贯地增加施加在晶体上的冲击水平。
【附图说明】
[0006]通过参照以下说明和附图可以获得对本发明更完整的理解，在附图中相似附图标记指代相似特征。
[0007]图1图示了根据本发明的一个实施例的耐用闪烁晶体组件的框图。
[0008]图2图示了根据本发明的一个实施例的包括耐用闪烁晶体组件的测井工具的框图。
[0009]图3是根据本发明的一个实施例操作耐用闪烁晶体组件方法的流程图。
[0010]尽管本发明容许各种修正或替换形式，但是在附图和详细说明中提供了本发明的具体实施例作为示例。应当理解，附图和详细说明并不是为了将本发明限制到所公开的具体形式。相反，本发明将覆盖落入由所附权利要求限定的发明的精神和范围内的所有修正、等同和替换。
【具体实施方式】
[0011]在油井钻探中所使用的绝大多数晶体有必要是细长圆柱形状，以以适合在本身是细长圆柱体的钻孔内。遗憾的是，这种形状因数在横向施加到晶体的纵轴的冲击力或振动力下促成大的弯曲力矩。不变的是，晶体最初将在横向上断裂，并且由于这些材料的性质，断裂将快速蔓延到单晶体的大部分而导致大量反光表面，该反光表面面散射并吸收原本将会从窗口离开到光电倍增管的光。此时，需要更换正常的晶体。
[0012]由于横向冲击引起的弯曲力矩大大减小，并且由于短结构的自谐振频率更高因而更易衰减，因此具有短形状因数或近似球形(或短圆柱)形状的晶体更抗断裂。遗憾的是，由于自然产生的辐射量相当低，因此在测井工具中需要较长的晶体，测井工具的直径受到用于钻取钻孔的钻头的尺寸(这是由于该尺寸确定钻孔的直径)的限制，并且需要更大体积的闪烁器来截获足够的另外还较低的自然产生辐射来提供钻孔周围的岩层中的放射能力的准确测量。
[0013]由于圆柱晶体上的侧向负荷在纵轴的中心部分附近引起拉伸应力，经常发生破裂。下式给出了用于实心圆柱体的惯性面积矩1:
[0014]I = jiR4/4，其中，R =横截面半径。
[0015]由于在晶体两端被支撑(这是晶体安装在测井工具中的典型方式)时产生的弯曲力矩而导致的在圆柱晶体外侧纤维上的最大拉伸应力是:
[0016]S = M*R/I，其中，M =弯曲力矩
[0017]M = P*L/4，其中，P =在中心处施加的力以及L =晶体长度。
[0018]将这些公式组合:
[0019]S = P*L/(JiR3)
[0020]如果所施加的力是由于在施加了外部加速度A的情况下晶体本身的质量而导致的，并且晶体材料的密度是D，则该力为:
[0021]P= jtR2L*A*D/4
[0022]最终，峰值拉伸应力是:
[0023]S = A*D*L2/4R
[0024]因此，应力与长度的平方成正比例并且与半径成反比例，因此，在增加半径的同时使晶体长度更短是非常不利的。遗憾的是，晶体的检测效率通过使用高密度材料来提高，并且单晶体材料一旦开始断裂就尤其受到断裂传播的影响。当晶体的长度增加(在用于钻孔的测井工具中需要这样，这已经在上文进行解释)时，问题变得复杂。
[0025]图1示出了通过将几个短晶体在堆叠中(in a stack)親合在一起而形成的耐用闪烁晶体组件的示例。这种堆叠将用于整体组件的长形状因数与其部件短晶体的耐用性两者的优点相结合。短晶体以增加通过界面的光传输的方式耦合(其中这些界面在某些方面类似于单个细长晶体中的断裂)，同时允许界面处的某些相对运动以吸收施加的冲击。
[0026]如图1所示，耐用闪烁晶体组件装入壳体I中。在该示例中，壳体I由诸如钛合金等金属制成。这种壳体可以设计为适合在设计为在钻孔中使用的LWD工具(例如图2中所示)。例如，壳体可以设计为薄壁圆柱。
[0027]金属壳体I包括光学窗口 2，该光学窗口 2允许由闪烁器晶体的堆叠发射的光脉冲被输出到诸如光电倍增管等的光测量装置。该窗口 2由允许光脉冲从壳体I内侧到壳体外侧装置的光学传输的材料(诸如蓝宝石片等)制成。金属壳体I和窗口 2可以形成防止晶体受到暴露于潮湿或其他污染影响的密封包装。
[0028]闪烁器晶体的实际堆叠由一组四个I” X I” (25.4mmX25.4mm)的晶体3构成。这些晶体3通过光学界面板4互相分开并且与窗口 2分开。这些光学界面板4允许晶体3相互之间光学地耦合并且耦合到窗口 2，而与此同时吸收施加到组件的应力的至少一部分。尽管在该示例中示出了四个晶体，但是其他实施例可以使用不同数量(和尺寸)的晶体来形成供耐用闪烁晶体组件内使用的晶体堆叠。
[0029]位于组件的光学窗口 2的相对端的推板5和压缩弹簧6施加力，该力使晶体3和光学界面板4彼此物理和光学接触。密封套筒(containment sleeve) 7在金属壳体2内围绕晶体3和光学界面板4。
[0030]在一个实施例中，在密封套筒7内的光学界面板4和晶体3之间的任何剩余间隙可以利用提供晶体3之间的光学耦合的物质(未显示)(诸如硅酮润滑脂(siliconegrease)等)填充。
[0031]在一个实施例中，光学界面板4是薄的有弹性的娃酮橡胶板(silicone-rubberpads) ο这些板(以及任何附带的油脂)可以基于它们的光传输能力来选择。当使用板和油脂两者时，这两种材料可以选择为具有彼此匹配的光学性质。例如，BC-637光透明(optically-clear)板和BC-630光透明油脂(两者可以从美国俄亥俄州海勒姆的Saint-Gobain Crystals获得)两者均被描述为传输至少90%的入射光。在一些实施例中，可以仅使用板(或仅使用润滑脂)来替代板和油脂两者的组合。此外，可以使用能够光学耦合晶体的同时还提供一些冲击吸收的其他材料来替代图1中所示的板和油脂。一般地，耦合和冲击吸收材料应当是弹性的和/或有弹力的，至少达到比晶体更大的程度并且优选地足以吸收预计在正常操作期间闪烁晶体组件所遇到的大量冲击。
[0032]在一个实施例中，晶体3的每个短部分将具有由长度L和半径R定义的形状因数，定义如下:
[0033]L/2R ~ I
[0034]尽管在一些情况下可能实现精确地I (至少达到可信的具体程度)的形状因数，但是其它情况可能仅接近于I(例如，在10%的制造误差范围内)。
[0035]如果由于板4 (以及任何油脂(如果使用))的组合，在晶体3之间的各个界面处90%的光被传输，则来自离窗口最远的晶体3的有用