耐用閃爍晶體組件的制作方法
【專利說明】
[0001]保羅*L.辛克萊
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及伽馬輻射檢測領(lǐng)域,具體地涉及使用閃爍晶體檢測伽馬輻射。
【背景技術(shù)】
[0003]閃爍晶體用于通過將入射的伽馬光子轉(zhuǎn)變?yōu)槎虝洪W光來檢測伽馬輻射。之后,由閃爍晶體產(chǎn)生的光脈沖可以由光電倍增管檢測,其中光電倍增管光學地耦合到晶體上,并且光電倍增管的輸出是可以被相關(guān)聯(lián)的電子電路放大并處理的電脈沖。通過計算這些光脈沖,可以確定引起光脈沖的伽馬輻射的強度。閃爍器材料的典型示例是與鉈摻雜或由鉈激活的碘化鈉單晶(即,其中已經(jīng)被引入鉈形式的雜質(zhì)的碘化鈉晶體)。
[0004]這種輻射-檢測裝置的特定應(yīng)用是在鉆井工具中,鉆井工具在尋找油或天然氣中用于確定通常在鉆井時鉆孔所遇到的巖層的自然輻射性質(zhì)。該過程被稱為隨鉆測井(LWD)并且可以用于確定本領(lǐng)域地質(zhì)學家所遇到的巖石的類型。來自該工具的數(shù)據(jù)可以在鉆井的同時被分析,并且用于做出關(guān)于鉆豎直井鉆多深的知情決定或者用于在定向鉆井操作中控制鉆頭。該過程被稱為地質(zhì)導向(geosteering) ο
[0005]雖然這類輻射-檢測設(shè)備通常被裝入具有某種沖擊隔離裝置的強金屬外殼中,但這種輻射-檢測設(shè)備也自然地受到極端機械沖擊和振動。同時,典型的閃爍器晶體極易碎。這種差異的結(jié)果是晶體經(jīng)常在鉆井操作期間斷裂,導致需要關(guān)閉鉆機(非常昂貴的事件)以便可以從井中取回測井工具以替換閃爍器晶體。此外,鉆井技術(shù)進步(諸如水平鉆井和快速鉆井等)一貫地增加施加在晶體上的沖擊水平。
【附圖說明】
[0006]通過參照以下說明和附圖可以獲得對本發(fā)明更完整的理解,在附圖中相似附圖標記指代相似特征。
[0007]圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的耐用閃爍晶體組件的框圖。
[0008]圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的包括耐用閃爍晶體組件的測井工具的框圖。
[0009]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例操作耐用閃爍晶體組件方法的流程圖。
[0010]盡管本發(fā)明容許各種修正或替換形式,但是在附圖和詳細說明中提供了本發(fā)明的具體實施例作為示例。應(yīng)當理解,附圖和詳細說明并不是為了將本發(fā)明限制到所公開的具體形式。相反,本發(fā)明將覆蓋落入由所附權(quán)利要求限定的發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修正、等同和替換。
【具體實施方式】
[0011]在油井鉆探中所使用的絕大多數(shù)晶體有必要是細長圓柱形狀,以以適合在本身是細長圓柱體的鉆孔內(nèi)。遺憾的是,這種形狀因數(shù)在橫向施加到晶體的縱軸的沖擊力或振動力下促成大的彎曲力矩。不變的是,晶體最初將在橫向上斷裂,并且由于這些材料的性質(zhì),斷裂將快速蔓延到單晶體的大部分而導致大量反光表面,該反光表面面散射并吸收原本將會從窗口離開到光電倍增管的光。此時,需要更換正常的晶體。
[0012]由于橫向沖擊引起的彎曲力矩大大減小,并且由于短結(jié)構(gòu)的自諧振頻率更高因而更易衰減,因此具有短形狀因數(shù)或近似球形(或短圓柱)形狀的晶體更抗斷裂。遺憾的是,由于自然產(chǎn)生的輻射量相當?shù)?,因此在測井工具中需要較長的晶體,測井工具的直徑受到用于鉆取鉆孔的鉆頭的尺寸(這是由于該尺寸確定鉆孔的直徑)的限制,并且需要更大體積的閃爍器來截獲足夠的另外還較低的自然產(chǎn)生輻射來提供鉆孔周圍的巖層中的放射能力的準確測量。
[0013]由于圓柱晶體上的側(cè)向負荷在縱軸的中心部分附近引起拉伸應(yīng)力,經(jīng)常發(fā)生破裂。下式給出了用于實心圓柱體的慣性面積矩1:
[0014]I = jiR4/4,其中,R =橫截面半徑。
[0015]由于在晶體兩端被支撐(這是晶體安裝在測井工具中的典型方式)時產(chǎn)生的彎曲力矩而導致的在圓柱晶體外側(cè)纖維上的最大拉伸應(yīng)力是:
[0016]S = M*R/I,其中,M =彎曲力矩
[0017]M = P*L/4,其中,P =在中心處施加的力以及L =晶體長度。
[0018]將這些公式組合:
[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的情況下晶體本身的質(zhì)量而導致的,并且晶體材料的密度是D,則該力為:
[0021]P= jtR2L*A*D/4
[0022]最終,峰值拉伸應(yīng)力是:
[0023]S = A*D*L2/4R
[0024]因此,應(yīng)力與長度的平方成正比例并且與半徑成反比例,因此,在增加半徑的同時使晶體長度更短是非常不利的。遺憾的是,晶體的檢測效率通過使用高密度材料來提高,并且單晶體材料一旦開始斷裂就尤其受到斷裂傳播的影響。當晶體的長度增加(在用于鉆孔的測井工具中需要這樣,這已經(jīng)在上文進行解釋)時,問題變得復雜。
[0025]圖1示出了通過將幾個短晶體在堆疊中(in a stack)親合在一起而形成的耐用閃爍晶體組件的示例。這種堆疊將用于整體組件的長形狀因數(shù)與其部件短晶體的耐用性兩者的優(yōu)點相結(jié)合。短晶體以增加通過界面的光傳輸?shù)姆绞今詈?其中這些界面在某些方面類似于單個細長晶體中的斷裂),同時允許界面處的某些相對運動以吸收施加的沖擊。
[0026]如圖1所示,耐用閃爍晶體組件裝入殼體I中。在該示例中,殼體I由諸如鈦合金等金屬制成。這種殼體可以設(shè)計為適合在設(shè)計為在鉆孔中使用的LWD工具(例如圖2中所示)。例如,殼體可以設(shè)計為薄壁圓柱。
[0027]金屬殼體I包括光學窗口 2,該光學窗口 2允許由閃爍器晶體的堆疊發(fā)射的光脈沖被輸出到諸如光電倍增管等的光測量裝置。該窗口 2由允許光脈沖從殼體I內(nèi)側(cè)到殼體外側(cè)裝置的光學傳輸?shù)牟牧?諸如藍寶石片等)制成。金屬殼體I和窗口 2可以形成防止晶體受到暴露于潮濕或其他污染影響的密封包裝。
[0028]閃爍器晶體的實際堆疊由一組四個I” X I” (25.4mmX25.4mm)的晶體3構(gòu)成。這些晶體3通過光學界面板4互相分開并且與窗口 2分開。這些光學界面板4允許晶體3相互之間光學地耦合并且耦合到窗口 2,而與此同時吸收施加到組件的應(yīng)力的至少一部分。盡管在該示例中示出了四個晶體,但是其他實施例可以使用不同數(shù)量(和尺寸)的晶體來形成供耐用閃爍晶體組件內(nèi)使用的晶體堆疊。
[0029]位于組件的光學窗口 2的相對端的推板5和壓縮彈簧6施加力,該力使晶體3和光學界面板4彼此物理和光學接觸。密封套筒(containment sleeve) 7在金屬殼體2內(nèi)圍繞晶體3和光學界面板4。
[0030]在一個實施例中,在密封套筒7內(nèi)的光學界面板4和晶體3之間的任何剩余間隙可以利用提供晶體3之間的光學耦合的物質(zhì)(未顯示)(諸如硅酮潤滑脂(siliconegrease)等)填充。
[0031]在一個實施例中,光學界面板4是薄的有彈性的娃酮橡膠板(silicone-rubberpads) ο這些板(以及任何附帶的油脂)可以基于它們的光傳輸能力來選擇。當使用板和油脂兩者時,這兩種材料可以選擇為具有彼此匹配的光學性質(zhì)。例如,BC-637光透明(optically-clear)板和BC-630光透明油脂(兩者可以從美國俄亥俄州海勒姆的Saint-Gobain Crystals獲得)兩者均被描述為傳輸至少90%的入射光。在一些實施例中,可以僅使用板(或僅使用潤滑脂)來替代板和油脂兩者的組合。此外,可以使用能夠光學耦合晶體的同時還提供一些沖擊吸收的其他材料來替代圖1中所示的板和油脂。一般地,耦合和沖擊吸收材料應(yīng)當是彈性的和/或有彈力的,至少達到比晶體更大的程度并且優(yōu)選地足以吸收預(yù)計在正常操作期間閃爍晶體組件所遇到的大量沖擊。
[0032]在一個實施例中,晶體3的每個短部分將具有由長度L和半徑R定義的形狀因數(shù),定義如下:
[0033]L/2R ~ I
[0034]盡管在一些情況下可能實現(xiàn)精確地I (至少達到可信的具體程度)的形狀因數(shù),但是其它情況可能僅接近于I(例如,在10%的制造誤差范圍內(nèi))。
[0035]如果由于板4 (以及任何油脂(如果使用))的組合,在晶體3之間的各個界面處90%的光被傳輸,則來自離窗口最遠的晶體3的有用