B REYET D " IXVEXTIO X

(1)

MINISTERE DE L'INDUSTRIE

INSTITUT NATIONAL OF LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE

B REYET D " IXVEXTIO X

>'z.i N° du proccs verba! do <1<:-pôt 14 7.408 - Paris.

C'.'.v lo -.-i-T-O: G avril 1968. à S h 30 me

Cait Je . arr-itc de mcy. -once 3 novembre 1 9 7 ' . 'd!/' -"5*5 pubin.ùtioi''. de l'abrège descnpl.f du

B.. -.-ur: ù",c,ot ae- :r, Propriété indusirieile.

17 décembre "97 î 'n

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: Z \ ) C a S £ . f : c a t ; c n Y i t e r r . a T i o n a i e E 2 1 b G 0 1 n ; G 0 1 v .

Procédé et dispositif pour étudier les formations de terrain travcisccr. par un sor l.ige au moyen de neutrons.

(72J Invention de : William B. Nelligan.

Cr) Déposant : Société dite : SOCIETE DE PROSPECTION ÉLECTRIQUE SCHLUMBEFGEf

Société Anonyme, résidant en France (Paris).

M a n d a t a i r e : R o q e r Le C r e n .

(Se) P r i o r i t é c c n v e r . ' . i o r n e l i e

(32)^ryS^t Brc.ei <. ':t:vë>'liOti dent a r.twj'XC a été ajûu-nee en t\c-c

* 7 i?i= ••o1 cr. 5 ,«•<".'<.'.' 18<J4. rr.ccifièc ,:,ir la /- T

Vente ries fasctcu-es .i I IMPRIMERIE NATIONALE 27 rue de \a C o n v o i t ^ n " A R I S ' 1 5 '

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i

L'invention se rapporte à la mesure des consi.ar.tes de temps caraotérlsniques des neutrons d'un matériau inconnu, tel que 1.3 temps de décroissance de ses neutron thermiques, et, plus particulièrement à tr.o .r.éthcde ncuvalle ot à un appareil arae- 1 ioré pour mesurer plus rapidement et <11 une iraniire plus précise les instantes 5 de temps caractéristiques des neutrons d'ir. matériau.

Un procédé pour dtterminer les caractéristiqaes de matériaux inconnus, tels que les formations de terrain traversées par un forage comprend 1 ' irraci r-'Aor. du ma tériau au moyen de neutrons, pendant un intervalle de tamps déterminé, puis la dé- termination de la concentration des r.eutr-:r.s dans la matériau à un instant donné 10 après l'irradiation, de telle sorte que la constante de temos caractéristique des

neutrons du matériau puisse être mesurés. Du fait que les divers constituants des formations captent les neutrons thermiques à des taux différents, le changement de la concentration des neutrons dans le temps qui suit 1'irradiation est différent pour des matériaux formés d'éléments différents, de sorte qu'une détermination du 15 taux de capture peut être utilisée pour indiquer le type de matériau irradié. D'une

iranière générale, cette caractéristique des neutrons du matériau est exprimée par le temps de décroissance des r.eutrcns thermiques, c'est-à-dire, par le temps deman- dé à la concentration des neutrons thermiques pour s'affaiblir d'un facteur égal à e, base des logarithmes népériens. Dans un autre cas, la caractéristique du reaté- SO rlau que constitue le temps de ralentissement des neutrons est déterminée en mesu-

rant la concentration des neutrons d'énergie plus forte, à différents intervalles après l'Irradiation.

Quand les matériaux entourant un forage sont analysés, la variation dans le temps de la concentration des neutrons pendant la période qui suit immédiatement 25 11 irradiation, est Influencée jusqu'à un certain point par les fluides contenus

dans le forage. Comme l'intensité des neutrons thermiques est faible, les mesures sont modifiées du fait de l'environnement et du bruit. En conséquence, il n'y a qu'une certaine période de temps durant laquelle les constantes de temps caracté- ristiques des neutrons tel que le temps de décroissance des neutrons thermiques du y> matériau des formations peuvent être déterminées avec précision. Le taux de décrois

3-ance des neutrons thermiques dans le temps et la vitesse de ralentissement des r.eu tï-ons d'énergie plus grande, varient en fonction de la composition des différents matériaux, de sorte que l'intervalle de temps consécutif à l'irradiation par les noutrons,. qui convient pour la mesure de la constante de temps caractéristique des- 55 dits matériaux, n'est pas le n <àme pGLlr ie 3 différentes compositions. En conséquence

il est nécessaire pour obtenir une détermination précise de la constante de temps -aractéristlque des neutrons, de mesurer la concentration de ceux-ci à plusieurs instants après l'irradiation.

C'est 'un objet de la présente invention de proposer une méthode nouvelle et améliorée pour mesurer les constantes de temps caractéristiques des neutrons qui

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raili-: les in_ ••nvér.ienta des .TétîiOden 9utuell-;s.

un a ;tre ob.'et de l'invention «st do réz-'wr ''n dispositif noiivc.tu dcnr.o di-o indications JmmédJ "l précisez sur ie tfinps de .l4.'roisse:.oa des r.<:;;.-rons thermiques d' ;r. matériau en cours d'inalyse,

Ces différente objets de l'invention f,or;t atteints er, .lesurar.:. ta de ci-.crgement d-? l'intensité des r.eutrjis de façon à indiquer îa constante de temps

aractérioticv e des neutrons du matériau à un instant dcnr.é après l'irradiation .33 neutrons, qui esû fonction de la ocnstante de temps caractériotiqje du- rât éri au. Do . etti; fa^on, la mesure du temps de décroissante des neutrons thermiques peu: par'

axoinpl

3 être faite à un instant convenant à tous les matériaux ss;\s qu'il y ait lieu de se préoccuper de la concentration des neutrons thermiques, laquelle peut décroître rapidemert cu non. De plus, la durée des intervalles de temps pendant lesquels les mesures de la constante de temps caractéristique des neutrons sont réalisées, varie en fonction de la constante de temps du matériau ar.ilysé, de sorte que le rapport des taux de comptage des neutrons égale -«in nombre pré-déterminé lorsque lesdits intervalles de temps sont correctement sélectionnés.

Pour obtenir de meilleurs résultats, ia durée des intervalles d'irradiation par :es neutrons, est également proportionnelle à la constante de temps.

Une forme de réalisation particulière peur la mesura du temps de décrois- sance des neutrons thermiques, utilise l'envoi d'impulsions irradiantes successives formées de paquets de neutrons séparés par des intervalles da temps égalant neuf fois le temps de décroissance. Dans une telle réalisation, un premier comptage de r.eutrcns thermiques est réalisé pendant un intervalle de temps égal à un temps de décroissance, lequel intervalle commence deux temps de décroissance après la fin de l'irradiation, et un second comptage de neutrons thermiques est réalisé pendant un second intervalle qui fait immédiatement suite au premier et dure deux temps de décroissance. L'intensité des neutrons thermiques peut, de préférence, être mesurée par un détecteur qui capte les rayons gairona produits dans la formation. Avec ce genre de détecteur, il est préférable de se donner un compte de référence en comptant les rayons gamma pendant un intervalle déterminé qui commence au moins sept temps de décroissance après la fin de 11 irradiation par les neutrons. Ce compte de référence est ensuite soustrait des premier et second comp- tes d'intervalles en fonction de leur durée.

Dans une autre forme de réalisation, des résultats améliorés 33nt obtenus en séparant les premier et second intervalles de texps par une période de décrois- sance. Dans ce cas, chaque quatrième impulsion de neutrons est supprimée, et le compte de référence est seulement mesuré au moins huit temps de décroissance après la troisième impulsion, la durée des trois impulsions de neutrons étant de deux temps de décroissance et leur espacement de huit temps de décroissance.

Dans la première forme de réalisation, lorsque les intervalles de temps

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respectifs consécutifs sont • ;tnvenablw»*r.« fixés à -r. .;•. o-ux tempe o-? âéiroJs- sar.ee, le rapport des taux de :cmptage dans les premier et se.' nd irtervaliSS est ur n-m'ere fixe égal à i £r. cor.sic.-'ne?, les Intervalles --je ^mps s -r.t a.'.f.s dans ' r. rr,pp-.rt de- deux t j.r. ./isqu'.t • rs:.ptr: ces "s .x de .x.r.'p".âge a. - 3 teigr.c. ' •'•'••a er. tre 1 ' irradi t.. r. ; : -.cs-rî t. - .• . •. p

deux fois -e premier i;-.

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la prtof'du.-e est s';.-nr.la..le, mais :en ir.tervù ies s :nr. régies oi.- e>r.l:- •. rapport de taux de comptage de 5, W'-

î.'n appareil pour déterrir.er l<3r t.ur.p.s ie décroissante- ;«rs ..'tr.c ir-i- 10 eues .'.-mprond, se~..:r. l'ir.ver.ti un ;scii iac<:ur vari.Vtle p'ur ve,-1> );•::'•.._• <z ter-

miner les 2 r.tervai les de mesure. La péri •"•Je de cet oscillateur dit ormir.a > rap- port destE.x de . emptag* ces r.eutrens ti-.trmioufts dans les premier s. second intervalles. I-' : s: i 1 iateur de préférence commande deux pertes aoap: iis à trir.s-e. -e les impulsions fournies par un déte.tc-ur di3 radia'ii.ns pendant .os r.r^rie: -=t rs- .5 cond intervalles, et fait -sn outre, f-.nctionner une '.reisiersî ;'~r . ur. peu t.

tard peur fournir un compte de référence. Le taux de comptage de i-éi'ét .-r.,--; « soustraie des taux de comptage cctenus pendant les premier v. cecur.o i:itervs„_-is, et ur. détecteur de rapport calcule le rapport les taux nets le .âge. ir- cuit de comparaison qui répond à n'importe quelle différence sr.tr<: le rape-r:. de 20 taux de comptage mesuré et la valeur que l'on doit obtenir cuand les premier et se-

cond intervalles sont respectivement de un et deux temps ae décroissance, i-lt-l- 1'oscillateur dans le sens convenable pour supprimer toute différence.

D'autres r.bjets et avantages de l'invention apparaî-l'^rr a 1s suite de description qui va suivre en référence aux dessins annexés, dens i-er t-c : 25 - la figure 1 est une représentation illustrant la ,-àriaticn <ies ta'jc oe

comptage er. f or. o tien du temps à la suite de l'irradiation par des r.:u i-tr.s, peur trois types différents de formaticn.de terrain entourant ur. forage, tels qu'ils scr , donnés par un détecteur de radiations disposé dans 1e fortes et adaj. le £ répondre aux variations d'intensité des neutrons thermiques.

ZO - ia figure 2 est une représentation montrant la variation dans le "mus des temps de comptage, à la suite de l'irradiation par des r.-iut;:r.s, peur tr,is courbes de la figure 1 .

- la figure J. es' on-J .'esî'és-r.-ation "tntrar.t ur.e ' -ur. lie d-= • s.;-;.;: die fao surs d'échelles diffère::' .-s.

75 - la figure •'• «s -r.e ."C-pr<:.cir ta*. .cr montrant la i -r. -u • fp-:r. .-a surfa-.es séle;-tl<--r.r.ées c-: us .t-s : ;u. "--s de figure ; -n ; - !.:. -v. .our.. . aar.s i'.i-j» t'.'.a i- r.csure.

•H; ver.tion p.. ur se .r.-r.iner temps J-t -v. Isssr. des r.et • r-tr? t. '•, c.

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•4

- la fi cure 6 est une représentation du taux de comptage du détecteur en fonction du temps qui illustre une autre form-3 de réalisation de _£ néthode pour déterminer le temps de décroissance des neutrons thermiques, et ,

- la figure 7 est un diagramme schématique illustrant un appareil part!ou- 5 lier selor. l'invention, pour mesurer les temps de devraissanoe des neutrons ther-

miques .

Dans la représentation graphique de la figure 1, trois courbes X , 11 et 12 représentent respectivement le logarithme des taux de comptage (après soustraction du compte de référence) en fonction du temps fourni par un détecteur de 10 neutrons thermiques ou de rayons gamma de capture de neutrons, disposé dans un

forage à la suite de l'irradiation par des neutrons de trois types de formations qui ont des temps de décroissance ou des taux de diminution de l'intensité des neutrons thermiques courts, moyens ou longs. La courbe 10 représente la réponse d'une formation de grès poreux à % pour cent, contenant de l'eau saumâtre à 15 prbs de 25C.OOC ppm, cependant que 1 a^xiurbe 11 indique la réponse d'une formation

de grès poreux à 1-5 pour cent, contenant du pétrole et de l'eau, la courbe 12 montrant la réponse obtenue d'une roche de porosité nulle. Pour faciliter la comparaison, les courbes de la figure 1 ont été normalisées à une valeur cr§te du taux de comptage du même ordre de grandeur bien que dans la pratique actuelle cecî 20 ne se passe généralement pas ainsi. La variation du taux de comptage par rapport

au temps peut dans chaque cas être exprimée comme une fonction M(t) et à n'importe

' -

, . . dM

quel temps t le temps de décroissance T- est défini par : £ (tj = - M(t) dt Quand M(t) est une fonction exponentielle décroissante, ZI est une constante 2J. égale au temps nécessaire au taux de comptage pour décroître d'un facteur e.

Il apparaît donc que le temps de décroissance C. varie dans le temps lorsque le logarithme du taux de comptage dans le temps, tel que représenté à la figure 1, n'est pas une ligne droite. A cet égard, les ccurbes 14, 15 et 16 de la figure 2 illustrent la variation dans le temps pour les courbes typiques de taux de comptage 10, 11 et 12 de la figure 1. D'après ces courbes, on observe que dans chaque cas, le temps de décroissance comporte une portion initiale 14a,' 15a, loa qui augmente avec le temps, une pcrLion centrale 14b, 15b, 16b dans laquelle le temps de décroissance est pratiquement constant et une portion finale 14c, 15c, lôc dans laquelle le temps de décroissance augmente avec le temps. Du fait que les portions à temps de décroissance constant 14b, 15b et l6'o qui représentent de plus J5 près le temps réel de décroissance du matériau des formations n'apparaissent pas

en Tiême temps, il est impossible de sélectionner un intervalle spécifique de temps faisant suite à l'irradiation par les neutrons pour mesurer des temps de décroissance et ainsi donner une indication précise du temps de décroissance de 40 tous les types de formations de terrain. Par exemple, l'intervalle de temps appro-

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J

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prié après l'irradiation, pour mesurer le temps de décroissance pour le matériau qUl produit la courbe 14, est d'environ 200 h 500 micrcsec .ndes, -jelui de la acurcs 15, d'environ l.COO à 2.50C microsecondes et celui de la courbe lô d'environ 1.300 à '1.500 microsecondes.

5 Selon l'invention, on mesure le tempo de décroissance à un instant détermi- né après l'irradiation qui dépend de la valeur .ludi: temps da décroissance, de

telle sorte que l'instant de la mesure coïncide avec le tampc pour lequel la courbe donne une indication précise du temps de décroissance, o'^st-à-dire, une courte par laquelle le temps de décroissance est pratiquement constant. 2n d'autres ter- 10 mes, l'amplitude et les échelles de temps des courbes 10, 11 et 12 sont chacune

modifiées par des facteurs appropriés qui font que les courbes coïncident avec les réglons qui correspondent aux régions centrales 14b, 15o, et lob, des courbes re- présentées à la figure 2, le facteur de l'échelle de temps pour chaque courbe étant le temps de décroissance "C- pour la courbe. Puisque le facteur de l'éohel- 15 le de temps doit être pour donner le résultat désiré, le taux de comptage

correspondant est M^Ct) = N^tt/^j^) = N ( x ^ ) ) ou encore M^-Z^t ) avec x^1' = i/

-Ci

Puisque les diverses fonctions Hi(t) diffèrent par des facteurs d'échelle à la fols 20 en temps et en amplitude dans la région à 3 . constant, les facteurs d'échelle de

temps appropriés"^ et les facteurs d'échelle d'amplitude A^ déterminent une fonction correspondante A ^ N ^ x ^ ^ ) pour chaque fonction M^(t). Une telle famille de courbes apparaît sur la figure 3- Dans la région à constant qui présente de l'intérêt, ces fonctions sont toutefois rapprochées par la fonction M(x) = Ae x

25 comme Indiqué par la portion commune 13 des courbes de la figure 3-

Afin de déterminer le facteur Z- d'échelle pour une courbe de taux de comptage donné, on cherche le rapport des surfaces sous la courbe asymptotique Ae pour deux Intervalles contigus et Il^dans la région commune 1J. La position re- lative et les largeurs des Intervalles sont choisies pour optimiser la précision

;0 de la mesure du temps de décroissance. Dans une première forme de réalisation, les positions des limites des Intei-valles sont représentées à la figure 3 où elles sont d:flnie3 en fonction d'un paramètre unique X^. Le rapport des surfaces R est donc uns fonction monotone croissante de X^, représentée sur la figure 4 par la portion de courbe 13a. De cette façon, toute position désirée des Intervalles X et en par- 35 tlculier la région 13 de la figure 3, peut être sélectionnée en spécifiant la valeur

associée de R.

Comme indiqué par l'équation (3), pour une constante 3 . telle qu'elle appa- raît dnr.s la région centrale d ; chaque courbe 10, 11 et 12 des temps de décrois- sance des neutrons thermiques, il y aura deux intervalles de temps correspondants

•O I et II pour lesquels le rapport des surfaces sous les courbes, c'est-à-dire, le

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^apport -les taux 1e comptage pendînt les Intervalles de t^mps, sera le .xêire que '.o >r p. r- ies s-..rfeices I -ît II scus la courbe Ae X. La valeur exacte du f-ic-

X X

t d'étholle q.'l peur chaque courte assurera cette égalité le la courbe des rapport 3 ..le taux de comptage et de la courba des rapports asymptotiques est le temps S de iécroissance "C- , La. -r.esuro =st faite er maintenant les intervalles de comptage

•iz ' Ir.'.&rv »llo séparent J.a. fin de- l'irradiation du début du premier intervalle en i- mptag-s, dits 1;-. mémo proportion par rapport au paramètre de temps t, que .es il'.o:-rv;ii«s oorrecpondants x par rapport ai: paritiotre X^. Le paramètre t^ est en- sui'3 ajusté jusqu'à ce que le rapport des taux de comptage d'intervalle soit é- 10 gai à la valeur sélectionnée Ro.

Le facteur d'échelle ou le temps de décroissance 3-, recherché est ensuite co.enu à partir ae l'équation (3) en substituant pour X ^ ^ la valeur associée à Ho et peur t la valeur de t. qui rend le rapport des taux de comptage égal à Ro

(1 ) et en résolvant ladite équation pour 3- ^. Puisque les fonctions A M (X ) ccïr.- 15 cider.t en fait avec Ae X dans la région 13 de la figure 3, la valeur de dé-

terminée de cette façon, sera unique et ne variera pas notablement avec la valeur particul1ère sélectionnée pour Ho, à condition qu'elle corresponde aux Intervalles de la région asymptotique 13 de la figure J.

En considérant 1a f urine de 1a fonction du taux de comptage, on voit que les 20 déterminations du facteur d'échelle les plus précises sont obtenues lorsque les

intervalles de comptage commencent au moins deux temps de décroissance après la fin de l'irradiation par les neutrons et lorsque le second intervalle de comptage est plus long que le premier. Dar,3 un exemple particulier Illustré à la figure 5, où des impulsions irradiantas de neutrons 17 et 13 sont produites à des interval- 25 -es distar.ts de .neuf temps de décroissance, cependant qu'un instrument de mesure

est déplacé dans le ferage, la courbe 19 représente le compte de neutrons thermiques mesuré par un détecteur disposé dans le forage, à des moments successifs In- diqués en termes de temps de décroissance . D'une manière pratique, le temps de décroissance varie généralement entre 70 et 1.000 microsecondes en fonction de 30 la nature du matériau de formation comme Indiqué par la figure 2, de 3orte qu'un

intervalle de neuf périodes de décroissance entre le commencement d'une impulsion de neutrons et le commencement de la suivante peut avoir une valeur minimale d'environ 630 microsecondes pour des formations dont la concentration de neutrons thermiques décroît rapidement, et une valeur maximale d'environ 9.000 microsecondes 35 pour des formations dont la concentration de neutrons thermiques décroît lentement.

De plus, la durée des périodes 17 et 13 d'irradiation par des neutrons est aussi déterminée en fonction du temps de décroissance de la formation, et dans l'exemple

illustré, l'irradiation par des neutiuns dure un intervalle égal à deux temps de décroissance. Dans le cas où une Irradiation plus intense de neutrons est possible, 40 la durée de l'irradiation peut toutefois être réduite afin de laisser plus de temps

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à la mesure entre les impulsions d'irradiation, ou encore afin de rappr'cher les impulsions irradiantes.

Dans l'exemple de la figure 5> la meilleure mesure du temps de déoroiss.-noe est obtenue en démarrant le premier intervalle 20 de taux de comptage deux temps 5 de décroissance après la fin de l'impulsion d'irradiation i7. e:. en faisant er.

sorte que cet intervalle dure un temps de décroissance. Le second intervalle 21 de mesure du taux de comptage commence immédiatement après le premier et dure deux temps de décroissance, cependant que l'intervalle restant 22, qui dure deux temps de décroissance et précède le temps d'irradiation suivant 13, est utilisé 10 pour produire une mesure du taux de comptage de référence. Apres soustraction des

taux de comptage pendant les intervalles 22 et 21, et soustraction de 1a moitié du taux de comptage pendant l'intervalle £2 du taux de comptage pendant l'intervalle 20, le rapport des taux çie comptage nets pendant les deux premiers intervalles est calculé.

15 Dans le cas d'ur.e décroissance exponentielle du taux de comptage telle qu'elle apparaît dans la section centrale de 1a courte 19, le rapport des taux de comptage nets pendant les intervalles 2C et 21 devrait être 1,99 si ies intervalles de temps sent respectivement vraiment égaux à un et deux temps de décrois- sance. En conséquence, l'échelle de temps de l'opération de mesure est ajustée 20 Jusqu'à ce que le rapport des taux de comptage soit égal à environ 1,99. Lorsque

cette condition est obtenue, 1a durée du premier intervalle 20 de temps de mesure est égale au temps de décroissance. Ceci peut être indiqué soit en fournissant un signal représentant le nombre de microsecondes écoulées pendant le premier intervalle de comptage, ou, lorsque l'échelle de temps est modifiée en utilisant un 25 oscillateur à fréquence variable(comme dans l'exemple décrit ci-après) er. fournis-

sant un signal de sortie , fonction inverse de la fréquence de l'oscillateur. La section efficace de capture macroscopique est inversemment proportionnelle au temps de décroissance et peut de cette façon être obtenue en délivrant un signal proportionnel à la fréquence de l'oscillateur.

30 La précision de la détermination du temps de décroissance peut, si l'on veut, être augmentée en séparant quelque peu le premier et le second intervalles de mesure. Dans une autre forme de réalisation de l'invention représentée à la figure 6, le premier intervalle 23 de mesure du taux de comptage dure un temps de décroissance et commence deux temps de décroissance après 1a fin de l'impulsion 35 de neutrons 24 qui dure elle-même deux temps de décroissance, comme dans la forme

de réalisation précédente. Dans ce cas, un intervalle 25, qui dure un temps de dé- croissance sépare les premier et second intervalles de comptage 23 et 2ô, la longueur de ce dernier étant de deux temps de décroissance. L'expérience a prouvé que par ce procédé on peut réduire l'incertitude du temps de décroissance mesuré '•O à environ 60 % de ce qui est obtenu quand on ixilise l'exemple de la figure 3 lors-

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que le taux de comptage de référence est relativement bas. De façon à fournir une mesure du taux de comptage de référence moins affectée par le taux de comptage de décroissance causé par le processus de décroissance thermique, les impulsions irradiantes de neutrons de l'exemple de la figure ô ont lieu à des Intervalles de 5 "nuit temps de décroissance. Dans ce cas cependant chaque quatrième impulsion ir-

radiante 27 est supprimée at le taux de comptage de référence est mesuré dans un Intervalle 23 qui coranence à la fin de l'impulsion de neutrons supprimé 27 st qui dure six temps de décroissance. Ce taux de comptage de référence est soustrait des mesures effectuées pendant le deuxième Intervalle 26 qui suit chacune des trois 10 Impulsions successives d'irradiation, après quoi une autre mesure de taux de comp-

tage de référence est faite quand une nouvelle Impulsion d'irradiation est omise.

De la même façon, le taux de comptage de référence est, dans un but de normalisa- tion divisé en deux, avant d'être soustrait du taux de comptage mesuré pendant le premier intervalle 23 qui suit chacune des trois Impulsions successives d'irradia- 15 tlon. Dans le cas d'une courbe asymptotique, le rapport des surfaces dans les premier et second Intervalles correspondant aux intervalles 23 et 26 est approximativement de 5.40- En conséquence, dans ce cas, l'échelle de temps de la mesure est ajustée jusqu'à ce que le rapport des taux de comptage nets pendant les intervalles 23 et 26, soit de 5,40. Quand cette condition est obtenue, la durée du premier in- 20 tervalle 23 est égale au temps de décroissance.

Dans une représentation de l'appareil selon l'invention pnur mesurer les temps de décroissance selon la figure 7» un Instrument 30 est descendu dans un forage 31 au moyen d'un câble multiconducteur 32. Dans l'instrument 30» une source pulséede neutrons 3Z>< par exemple du type décrit dans le brevet américain

25 n" 2.991.364 accordé à Goodman est disposée de manière à irradier au moyen des neutrons la formation 3^ entourant le forage. De plus, un détecteur de radiations 35 situé à l'intérieur de l'Instrument 30 mais à une distance éloignée de la source 33>

est adapté à répondre d'une manière proportionnelle à la concentration des neutrons thermiques dans la fonction 34. A cet effet, le détecteur 35 peut être soit un dé- 30 tecteur de neutrons thermiques comme par exemple, un crystal à scintillation recou-

vert de trlfluorure de bore, ou encore un détecteur de rayons gamma adapté à ré- pondre aux rayons gamma engendrés par la capture des neutrons thermiques par des noyaux des éléments de la formation 34.

A la surface du sol, un oscillateur 36 à fréquence variable produit des im- 35 pulsions de sortie sur une ligne 37» qui sont séparées par des intervalles de temps

égaux To et dont la durée est commandée par un signal appliqué à une ligne 38 pro- venant d'un circuit de conmande de l'oscillateur. Un compteur 4o recevant les signaux d'une horloge 41, est rendu actif par les signaux de sortie de l'oscillateur 36, à des Intervalles Tq. Le compteur 40 transmet à un Indicateur 42 un signal in- 40 dlquant la durée en microsecondes des intervalles T . Quand'le rapport des taux de

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comptage pendant les deux intervalles de comptage est correct,le nombre des microsecondes est alors égal au temps de décroissance C- de la format ion. air.si qu'il a été expliqué ci-dessus. Cinq unités de factour 43, 44, 45, 46 et 47 qui peuvent, par exemple, être constituées par des circuits bistables conventionnels connectés 3 en série dans la ligne 37 augmentent successivement la période du signai de serti*;

de l'oscillateur par des facteurs de deux, de sorte que les signaux de sortie da ces unités apparaissent respectivement à des Intervalles de 4T , cl , >

et 32T . Afin de commander les intervalles de ternes oe ridant lesquels l'irradiation

o

par des neutrons et la mesure de la concentration subséquente des neutrons tharmi- 10 ques se produisent, un réseau de portes logiques 43 qui reçoit des signaux à la

fols de l'oscillateur 37 et des unités 43, 44, 45, 46 et 47 est adapté à fouir.ir des signaux de sortie aux moments demandés. Le réseau de pertes logiques peut être disposé de n'importe quelle façon conventionnelle afin d'assurer le résultat dési- ré en utilisant des portes appropriées ou des bascules complémentaires.

15 L'appareil typique représenté à la figure 7 est disposé de manière à fonc- tionner de la façon décrite en référence à la figure 6, c'est-à-dire, irradier les formations à des Intervalles de huit temps de décroissance, chaque quatrième impulsion de neutrons étant supprimée et le taux de comptage de référence étant mesuré après la troisième irradiation. En conséquence, le réseau de portes logiques -3 20 comporte quatre conducteurs de sortie 49, 50, 51 et 52> fournissant des signaux à

des intervalles déterminés en fonction de la séquence indiquée figure 6, le réseau logique étant remis à zéro à l'intervalle 32Tq de manière à recommencer une autre série de cycles d'irradiation et de mesure. Le fonctionnement de la source puisée de neutrons 33 est commandé par des signaux venant par la ligne 52 de l'unité 43, 25 de façon à déclencher l'irradiation pendant une durée 2T à des Intervalles 3T ,

* 0 0

sauf quer.d au temps 24Tq l'irradiation doit être supprimée. Les signaux du détec- teur de radiations 35, représentant, la concentration de neutrons sont transmis à l'aide d'un conducteur 56 à trois unités de portes 57 > 53 et 59- La porte 57, ou- verte aux instants 4T , 12T , et 20T , et fermée aux Instants 5T , 13? , et 21T ,

0 0 0 0 0 0

transmet sur la ligne 49 des sigraux représentant le taux de comptage pendant le premier intervalle de mesure ^désigné 23 sur la figure 6) dans chacun des trois premiers cycles d'opération de durée ST . De la même manière, la porte 53, ouver- te à 6T , 14T , et 22T , et ferraée à 8T , lôT , et 24T par des signauxspparais-

0 0 0 0 0 0

sant sur la ligne 50, transmet des signaux représentant le taux de comptage pen- 35 dant le deuxième Intervalle (désigné 26 sur la figure 6) dans chacun des trois

premiers cycles d'opération de durée 8Tq.

A l'instant 24T la quatrième Impulsion d'irradiation est supprimée. La

o

porte 59 s'ouvre à l'instant

".6T

^q et se ferme à

32T

^q

sous

l'action des signaux fournis sur la ligne 51, de f -.9on à transmettre le taux de comptage de référence '10 pendant l'intervalle désigné 29 sur la figure 6. On comprend évidemment que le

(11)

taux de ocmptu^? de référence peut être mesuré à n'importe quel moment après 24T et s'il es* nécessaire de fournir un taux cîs comptage asser. élevé, celui-oi p.- ;t o're mesuré ;r.J..nt la période ccmolète aa 2;tT à J£T . C2 signai est transmis à

o c

travers une Varculo bis cable 60, oui divise par deux la taux -le comptage, \ un 5 ccmpteur de taux fci et directement à un compteur de référence 62, ies compteurs

61 et 62 "-tant par ailleurs oranuhés afin de recevoir les signaux respectifs de sortie- dea pertes 57 et 5b. Ces compteurs peuvent être des compteurs fci-diractio.n- :'..tls conventionnels qui comptent lorsqu'ils reçoivent respectivement des signaux ver.anc des portes 57 et 53, st décomptent lorsque les signaux viennent d« la por- iO te 59 -

La rapport des différences représentant la concentration nette de neutrons thermiques dans ies intervalles 23 et 26, est fourni par le nombre emmagasiné dars le compteur de taux lorsque le compteur de référence a atteint une valeur pré-déterminée détecté® par une porte de lecture 63. Les deux compteurs sont ra- 15 menés à des états initiaux spécifiques après chaque lecture mais le compte net

accumulé dans le compteur de taux à l'instant de la lecture est transféré à une unité de mémoire-tampon 64. Puisque le compte net dans le compteur de référence est à chaque lecture égal à la même valeur pré-riéterninée, les nombres qui se trouvent dans l'unité de mémoire-tampon 64 sont à chaque lecture proportionnels 20 à la valeur du rapport R des taux de comptage nets pendant les intervalles 23 et

26. Le compte dans la mémoire-tampon 64 est converti en une tension analogique au moyen d'un convertisseur analogue-numérique 65, dont la sortie est donc proportionnelle au rapport R de taux de comptage précité. Un circuit comparateur 66 compare le rapport mesuré de taux de comptage avec un rapport Rq de référence 25 fixe, lequel, dar.s l'exemple illustré, est ie 5>40. Le comparateur 66 délivre m

signal de différence qui est amplifié dans un amplificateur 67, et appliqué à l'uni- té de commande de l'oscillateur 39- Cette unité à son tour, modifie la fréquence de l'oscillateur variable 36 grâce à la ligne de commande 3^, de sorte que la dif- férence entre R et Rq estnaintenue aussi proche de zéro que possible. Dans ces con- 3° ditions, la période Tq de l'oscillateur 36 lue sur l'indicateur 42 est pratiquement

égale au temps de décroissance caractéristique de la formation irradiée, cornue cela apparaît sur les courbes 10, 11 et 12 de la figure 1. Si on le désire, 1e temps de décroissance peut également être indiqué en prenant l'inverse de la fréquence de l'oscillateur, ledit inverse apparaissant sur la ligne 33 de commande de l'oscilla- 25 teur 36. Hn outre, l'indicateur 42 ou un indicateur de l'inverse de la fréquence

de l'oscillateur, ou encore les deux, peuvent être agencésde manière à continuelle- ment afficher le temps de décroissance en fonction de la profondeur à laquelle l'instrument 30 est à chaque instant situé dans le forage. Le traitement des données fournies par la forme de réalisation de l'invention représentée figure 6, peut être

^ réalisé par une combinaison de circuits de calcil analogique, numérique ou hybride.

(12)

1 6 0 4 3 5 1

En fonctionnement, alors que l'instrument 30 est remonté par le câble 32, la source puisée de neutrons 38 fonctionne à des intervalles déterminés par les signaux transmis par la ligne 52. Les signaux relatifs à la concentration résultante de neu- trons thermiques, produits par le détecteur 35 sont transmis par le conducteur 36 5 aux portes 57, 58 et 59- La soustraction du taux de comptage de référence détecté par la porte 59 en fonction de la longueur des Intervalles 23 et 26, donne un taux de comptage net pour chaque intervalle. Aussitôt qu'un compte pré-déterminé est at- teint pendant le second intervalle, le rapport calculé par le circuit 65 est compa- ré dans le circuit 66 à la valeur du rapport recherché. Toute différence entre ces 10 valeurs entraîne le circuit de coimiande 39 de l'oscillateur variable 36 à corriger la fréquence dudit oscillateur de manière que sa période soit à tout moment égale au temps de décroissance des neutrons thermiques de la formation.

De ce qui précède, il apparaît que le procédé et l'appareil selon la présen- te invention, permettent non seulement de mesurer d'une manière très simple les temps 15 de décroissance des neutrons thermiques donnant ainsi un résultat Immédiat, mais en-

core de déterminer lesdits temps avec plus de précision. En effet, les durées res- pectives des Impulsions irradiantes de neutrons, des Intervalles et des temps de dé- tection des taux de comptage varient suivant le temps de décroissance, ce qui permet une détection au meilleur moment de chaque courbe de décroissance, et des taux de 20 comptage plus élevés dans chaque cas. On comprendra que le procédé et l'appareil se-

lon l'invention peuvent être utilisés pour mesurer des constantes de temps caracté- ristiques des neutrons d'un matériau autres que le temps de décroissance des neutrons thermique», le temps de ralentissement des neutrons par exemple.

Bien que l'invention ait été décrite en référence à des formes de réalisations 25 spécifiques, il est aisé dans le cadre de l'invention d'y apporter diverses modifi-

cations.

RESUME 30

1. Procédé pour déterminer le3 caractéristiques d'un matériau Inconnu par 1 ir- radiation dudit matériau au moyen de neutrons pendant un intervalle de temps déter- miné, caractérisé en ce que la mesure du taux de changement de la concentration des neutrons dans ledit matériau, est effectuée à un Intervalle de temps donné après 35 l'irradiation qui dépend de la constante de temps caractéristique des neutrons dudit

matériau.

2. Procédé suivant le point 1, caractérisé en ce que la mesure du taux de changement de la concentration des neutrons dans le matériau est réalisée par la 40 mesure de la concentration des neutrons pendant un premier intervalle de temps de

(13)

durée dépendant de la constante de temps caractéristique des neutrons du matériau,par la mesure de la concentration des neutrons pendant un second intervalle de temps de durée dépendant également de la constante de temps caractéristique des neutrons du matériau, et pa.r la comparaison des concentrations de neutrons pendant lesdits pre- 5 iT-ier et second intervalles de temps.

3. Procédé suivant le point 2, caractérisé en ce que le premier intervalle de temps a une durée approximativement égale à la constante de temps caractéristique du matériau et le second intervalle de temps, une durée approximativement double 10 de la constante de temps caractéristique du matériau.

Procédé suivant le point 2, caractérisé en ce que les premier et second Intervalles de temps sont contlgus.

15 5. Procédé suivant le point 2, caractérisé en ce que les premier et second intervalles de temps sont espacés par un intervalle approximativement égal k la constante de temps caractéristique du matériau.

6. Procédé suivant le point 1, 20 de la concentration des neutrons dans temps commençant environ deux fois la après l'irradiation, et se terminant après l'irradiation.

caractérisé en ce que le taux de changement le matériau est mesuré pendant une période de constante de temps caractéristique du matériau environ six fols ladite constante de temps

25 7- Procédé suivant le point 1, caractérisé en ce que la durée de l'intervalle de temps pré-déterminé pendant lequel le matériau est irradié est fonction de la constante de temps caractéristique dudit matériau.

8. Procédé suivant le point 7, caractérisé en ce que la durée de l'intervalle 30 de temps pré-déterminé est le double de la constante de temps caractéristique du

matériau.

9. Procédé suivant le point 1, caractérisé en ce qu'une mesure des radiations de référence est réalisée après l'irradiation à un intervalle de temps postérieur 35 au temps de mesure du taux de changement de la concentration des neutrons en outre

dépendant de la constante de temps caractéristique du matériau.

10. Procédé suivant le point 1, caractérisé en ce qu'il consiste à irradier le matériau au moyen de neutrons pendant plusieurs intervalles de temps uniformément 40 répartis, à mesurer le taux de changement de la concentration des neutrons dans

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1 6 0 4 3 5 1

ledit matériau pendant un intervalle da temps après l'irradiation qui dépend de la constant» de temps caractéristique dudit- raatériau, et à mesurer les radiations de référence pendant un intervalle de temps après la dernière irradiation qui est plus long que lesdits intervalles de temps d'irradiation.

5

11. Procédé suivant le point 1, caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer le taux de changement da la concentration des neutrons thermiques dans le matériau à un Intervalle de temps après l'irradiation qui dépend du t»mps de décroissance des neutrons thermiques du matériau.

10

12. Procédé suivant le point 1, caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer la taux de changement de la concentration des neutrons ayant une énergie supérieure à l'énergie t h e m l q u e dans le matériau, pendant un intervalle de temps après l'irra- diation qui dépend du temps de'ralentissement des neutrons dudit matériau.

15

1J. Appareil pour étudier les formations de terrain entourant un forage du genre comprenant un Instrument adapté à être déplacé dans le forage qui comporte une source de neutrons adaptée à Irradier les formations environnantes en réponse à des signaux de eoimande, des détecteurs de radiations adaptés à fournir des signaux re- 20 présentant la concentration subséquente des neutrons dans ladite formation, carac-

térisé en ce que des circuits de calcul sensibles aux signaux reçus des détecteurs de radiations à des intervalles de temps différents déterminent le taux de change- ment de la concentration des neutrons, et en ce que des moyens de commande sont pré- vus pour faire varier l'intervalle de temps entre le fonctionnement des sources de 25 neutrons et le fonctionnement des circuits de calcul, en fonction du taux de chan-

gement de la concentration des neutrons.

14. Appareil suivant la point 13, caractérisé en ce que les moyens de commande d4s Intervalles de temps comprennent un oscillateur à fréquence variable qui fournit 30 das signaux pour commander le fonctionnement da la source de neutrons et celui des

circuits de calcul à des intervalles de tempe dépendant de la fréquence dudit oscll- 1iteur.

15. Appareil suivant le point 13, caractérisé en ce que les circuits de cal- 35 cul comprennent au moins deux portes pour transmettre les signaux de commande des

détecteurs à des Intervalles le temps déterminés et des circuits de calcul de rapport pour déterminer le rapport de; signaux transmis par lesdites portes.

16. Appareil suivant 1> point 15. caractérisé en ce que les moyens de com- 40 .nande des intervalles de temp^ comprennent des circuits pour commander la durée du

fonctionnement des deux portes en fonction du taux de changement de la concentration des neutrons.

(15)

Temps après l'irradiation (ysec)

FIG. 2

iO3-

f-

s

•o o

T3 O

-o

M a £

10 - 1000

aooo 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0

Temps îprès l'irradiation (ysec)

O u ; :. i

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(16)

1 6 0 4 3 5 1

lu-If

X, X(il

F/G. 4

G r - ' C ï N A L

'ZjL. L.

(17)

(18)

1 6 0 4 3 5 1

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