Brevet FR2439407A1 — publié le 19800516

L'invention, duc à Messieurs Paul S@FFERT, Jacques HALFON Jean-Louis PINAULT, Raymond REGAL, concerne un procédé d'analyse chimique dans les forages par exitation sélective de la fluorescence X des éléments recherchés au moyen d'une source d'irradiation convenablement choisie de la paroi du trou de forage, ainsi qu'à la sonde de mise en oeuvre du procédé. Le seul moyen permettant actuellement de recueillir des informations chimiques précises sur les terrains traversés par un forage est celui du prélèvement de carottes que l'on analyse en surface. Malheureusement, ce moyen cst onéreux par rapport au coût d'un forage destructif et les analyses successives des carottes remontées demandent en outre un temps non négligeable, retardant l'avancement des travaux. On sait que le rayonnement de fluorescence X émis par un élément particulier de numéro atomique Z1 sous une excitation convenablement choisie a une énergie qui est une caractéristique de cet élément. Ce rayonnement peut entre provoqué soit par une source radioactive émettant des photonsYou X dont l'énergie a une valeur supérieure a celle du rayonnement X caractéristique de l'élé- ment recherché ZI soit par une source radioactive émettant des pho tons &gamma; ou X tombant sur une cible secondaire non radioactive, constituée d'un élément de numéro atomique supérieur à Z1, cette cible jouant le rôle de la source du cas précédent. Lorsque plusieurs éléments Z sont présents, comme dans un trou de forage, le spectre de rayon X est composé d'un grand nom- bre de raies, résultant de la contribution de chaque élémerìt particulier Zn. L'identification des éléments Z ne peut donc être faite que par un détecteur qui aurait. un grand pouvoir de reso- lut-ion eri, énergie ce qui n'est pas le cas des détecteurs actuellement disponibles, la combinaison d'un scintillateur INa (Tl) et d'un photomultiplicateur ayant un pouvoir de résolution notoire- ment insuffisant. L'objet de la présente invention est un procédé rendant possible l'analyse chimique dans un forage de tout élément ou de groupes d'éléments prédéterminés au moyen de l'excitation sélective de la fluorescence X de ces éléments, caractérisé en ce que la source d'excitation, par photons X ou&gamma;,de la fluorescence X et le détecteur de fluorescence X de l'élément ou de l'ensemble d'élément recherchés sont choisis pour rendre maximum à la fois ledit rayom.ement de fluorescence X d'énergie caractéristique connue et le nombre de charges enregistrées par le détecteur correspondant audit rayonnement. L'expérience montre alors qu'il devient possible par le choix de détecteurs déterminés doigt la résolution en énergie est au moins de l'ordre de 1 KcV d'effectuer daiis un forage l'analyse chimique des éléments recherchs. Un autre objet de l'invention est de faciliter la mise en oeuvre de ce procédé en choisissant comme source radioactive soit une source radioactive émettant des photons &gamma; ou X dont l'énergie a une certaine valeur dépassant:: celle du rayonnement de iluores cence X caractéristique de l'élément recherché de numéro atomique Z1 d'une valeur de l'ordre de l KeV soit une source radioactive émettant des photons T ou X tombant sur une cible secondaire non radioactive, constitué par l'élément (Z1 + 1), le détecteur à grand pouvoir de résolution délivrant des signaux dont l'wnplitude est proportionnelle à l'énergie des rayons X et dont le nombre. des char ges détectées est proportionnel à la concentration de l'élément recherche. Ainsi, le procédé est particulièrement bien adapté à l'a- nalyse chimique d'un élément ou de groupes d'éléments présents sur les parois du forage. Un autre objet de l'invention est d'accroître l'efficacité du procédé en utilisant comme détecteur de rayonnement de fluorescence X une diode N-i-P à base de Silicium compensé au Lithium lorsque la valeur de l'énergie détectée est cornprise entre 10 et 50 KeV, le détecteur ayant une résolution au moins de l'ordre de 1 KeV à une température voisine de-50-C sous vide, en utilisant une chambre d'ionisation solide à base d'iodure mercurique Hgl2 à température ambiante lorsque l'énergie émise par les éléments recherchés est comprise entre 0,5 et 50 KeV et en utilisant ur.e cham- bre d'ionisation solide à base de Tellurure de Cadmium CdTe lorsque les rayons X de fluorescence sont émis par des éléments lourds et que l'énergie à détecter a une valeur comprise entre 10 et 100 KeV, le détecteur pouvant rester à température ambiante et présenter une efficacité importante, s ans vide ambiant. Il deviei1t donc possible quelles que soient les condi- tions rencontrées au cours du forage de déterminer aisément les éléments recherchés. Un autre objet de l'invention est d'accroître la préci sion des analyses quantitatives en transiormant le rayonnement de la source ou de la cible en rayonnement bichromatique au moyen d'un filtre au sulfate de Baryum, les rayonnements rétrodiffusés étant analysés par le détecteur pour corriger l'analyse quantitative totale et éliminer ainsi l'incidence des milieux intermédiaires traversés par les rayonnements. Connaissant les milieux intermédiaires traversés : généralement gaine de protection en plastique et eau on obtient un moy- en commode et efficace assurant une grande exactitude des résultats de l'analyse ciiimiquc effectuée. Ainsi, quelles que soient la présentation et la nature de l'élément ou du groupe d'éléments recherchés, il devient possible, connaissant la probabilité maxirnale de création d'événements X caractéristique pour une irradiation photonique donnée, en connaissant l'énergie caractéristique des rayons X émis, de compter ces événemerits et d'en déduire par un traitement des signaux reçus la présence de l'élément recherché, l'optimalisation de la détection s'effectuant par le choix de la source, de la méthode d'excita- tion et du détecteur. Un autre objet de l'invention est de réduire les dimensions de la sonde en incorporant au logement du détecteur un dispositif de refroidissement par effet Peltier constitué par un assemblage en plusieurs étages dont la partie supérieure est en con- tact avec le détecteur de photons en vue de refroidir jusqu ' à l'abaissement du bruit de fond à des valeurs acceptables et de maintenir sa température à urie valeur constante indépendantes des conditions ambiantes. La sonde étant noyée dans l'eau contenue dans le trou de forage, on voit que la sarde bénéficie d'une vaste surface de refroidissement permettant de maintenir le détecteur à toute tempé- rature comprise entre 20 et-50 C. Un autre objet de l'invention est d'adapter la sonde aux opérations de descente et de remontée dans le forage en dispcsant, à la partie supérieure de la sonde, un corps comprenant d'urne part un moyen de fixation à un câble multiple de traction, d'alimenta- tion en courant et de: : transmission des signaux et, d'autre part, un moyen de connexion électrique au dispositif d'alimentation électrique et de transmission des signaux électriques de l'unité d'amplification des signaux détectés par un ensemble amovible source radioactive - détecteur de rayonnement X d'énergie donnée. On peut ainsi, très commodément, descendre et remonter la sonde a un niveau donné et à une vitesse constante, échanger aisément l'ensemble source radioactive - détecteur en fonction des éléments dont on désire connaître l'analyse chimique, commuter le dispositif Peltier selon le détecteur utilisé et analyser de la sorte, avec une rapidité et une précision remarquables, les élé- ments recherchés même lorsque ceux-ci ne se présentent que sur une très petite zone. D'autres objets et caractéristiques de l'invention apparaitront au cours de la description suivante faite er.- référence aux dessins annexés qui représentent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de la sonde de mise en oeuvre du procédé. Sur les dessins La figure 1 est une vue schématique et en élévation de la sonde, La figure 2 une représentation des circuits sous forme de -blocs, La figure 3 une représentation schématique du détecteur et de la source dans le forage, et La figure 4 une vue schématique du détecteur et d'une source d'excitation d'une cible non radioactive. La sonde 1, figure 1, formée de préférence d'éléments modulaires en aluminium, est suspendue par un câble porteur 2 qui comprend en plus des fils d'alimentation électrique les fils de transmission des signaux détectés. La partie supérieure 3 de la sonde 1 contient le raccordement mécanique du cible multiple 2 du corps de la sonde 1 et le raccordement électrique des circuits d'alimentation électrique et de transmission. La partie adjacente 4 contient de préférence l'ensemble des circuits d'alimentation fournissant les tensions nécessaires au fonctionnement de la sonde. La partie 5 contient l'ensemble des circuits d'amplifica- tion permettant la transmission jusqu'en surface des signaux recueillis par le détecteur 3 en vue de leur némorisation et de leur exploitation par le relevé global du nombre de charges d'énergie donriée reçues par le détecteur daits urt temps donné et de la correction de des nombres on fonction des probabilités d'impacts de l'irradiation sur l'ensemble donnant lieu à l'émission recherchéc. La partie G contient la source iadio-active 7 et lc dé tecteur 8 maintenu de préférence à température constante. Cette partie étanche entourée de fibres de verre comporte, au niveau du rayonnement, une fenêtre étanche 30 faite de Beryllium. Les parois de cette partit de la sanie sont de préférence en cuivre afin d'assurcr sol refroidissement, notamment lorsque le détecteur 8 est refroidi au moyen d'un élément Peltier. Un dispositif amortisseur de chocs 31 est monté à la partie inférieure de la sonde. Le cabale 2 cornprend les fils 10, figure 2, fournissant la tension continue nécessaire au convertisseur statique 9. Celui-ci alimente le dispositif de réfrigération 12 par effet Peltier, par le fil 11, en fournissant un courant de 7 ampères sous - 4 volts. Le circuit 13 du détecteur représenté schématiquement en 8 est alimenté par le fil 14 sous une tension de - 300- volts, la sortie 15 du circuit est connectée à tout dispositif connu d'amplifica- tion désigné par 16 et alimenté par les fils 17 et 18 du convertisseur 9 distribuant les tensions de - et + 18 volts. Le fil coaxial de sortie 19 est incorporé au fil porteur 2. L'ensemble source radio-active 7, figure 3, détecteur 8 aisément accessible en raison de la structure modulaire de la sonde est de préférence amovible, de façon à utiliser des couples source détecteur répondant de façon sélective au maximum d'énergie susceptible d'être détectée pour un élément, ou un groupe d'éléments donnés A titre d'exemple, lorsque le rayonnement X ou &gamma; de la 241 source radioactive 7 est constitué du montage Am - filtre BaS04 et que l'élément ou le groupe d'éléments recherché est Sn, Sb, on associe à la source radio-active 7 une diode silicium de structure X - i - P obtenue par compensation au lithium des accepteurs résiduels.Afin de permettre des résolutions en énergie inférieures al KeV, on réduit le courant de génération thermique des porteurs en maintenant la diode détectrice, soumise a un champ électrique élevé, à une température de - 500C. Cette température est obtenue et contrôlée par le dispositif schématisé en 12 et qui peut être quelconque. L'enceinte de détection 6 est protégée dans ces conditions des pertes de frigories par conduction ainsi que des risques de condensation par simple pompage. Ce dispositif pouvant être quelconque a été schématisé en 26 figure 3.On accroît la sélectivité du dispositif ainsi que l'amplitude des impulsiens en associant à la source radio-active 241 Am une chambre d'ionisation solide à base d'iodure mercurique Rgl2 dont le principal avantage est de donner à une température de l'ordre de 10 à 200C des courants de fuite tres faibles, de sorte que l'on peut obtenir des résolutions en énergie inférieures à 1 KeV pour les rayons X mous. , Ce détecteur a été décrit au brevet français N 74.24.079 du 11 Juillet I974 et 74.23.036 du 2 Juillet 1974. Le dispositif Pe3tier 12 n'étant plus alors indispensable, on peut soit le supprimer, soit le régler pour maintenir la température entre 10 et 200C, et de ce fait le rendre insensiblc aux températures à l'extérieur de l'enceinte. Si l'élément. ou les éléments recherchés sont très lourds nécessitant une source radio-active 7 de 57C0, on associe alors à une telle source une diode à base de tellurure de cadmium fonctionnant à température ambiante, telle que décrite à la demande de brevet français .N 74.29.469 du 2,9 Août I974 et 75.20.714 du 2 Juillet I975. A titre d'exemple, supposant que l'élément à analyser chimiquement soit un élément lourd tel que Pb, dans ce cas on associe à la source 57CO un détecteur au tellurure de cadmium. Lorsque l'on cend la sonde 1, il existe une certaine probabilité en raison du choix de la source 57 CO pour que le rayonnernent X schématisé en 20 frappe un atone de la paroi 21 et pour que ce rayonnement cède toute ou partie de son énergie à un électron d'une couche atomique profonde qui est alors soit arraché, soit porté à un niveau énergétique plus élevé.La création d'une lacune entraîne uit réarrangement de l'atome qui peut se traduire, soit par l'émission 22 de photons X, soit par l'émission d'élec trons. L'énergie du photon X ainsi émis étant une constante particulière à chaque élément, on compte donc, au moyen du détecteur 8 au tellurure de cadmium, le nombre d'impacts de rayons X dont l'énergie correspond à 1 'énergie caractéristique du rayonnement X de l'élément recherché sur la paroi de forage 21, en réglant notamment la tension appliqué à la diode d. Il est clair que les signaux transmis en surface après amplification par le cible ccaxial 19 sont traités pour tenir camp- te de tout l'ensemble des signaux détectés qui, en fonction de la géotiétrie du système et de la nature des divers atomes susceptibles d'être rencontrés, correspondent à des modèles prédéterminés que l'on retrouve par une analyse mathématique basée sur les probabilités de création des lacunes génératrices de fluorescence X d'énergie déterminée et sur le milieu et la géométrie de l'ensemble entourant la source ct le détecteur. Dans l'exemple de la figure 4 la source radioactive 36 irradie une cible 37 au sein d'un support 33 fait d'un alliage convenable qui peut être notalilmerlt un alliage au tungstène. La section du support 38 comporte une ouverture anriulairc laissant passage au seul rayonnement de la cible 37. Le support 33 est lui même monté sur le support 33 sur lequel sont aussi montés d'une part la fenêtre 30 en fibre de verre, eli regard du tube 25 et des terrains 21 du forage, d'autre part la fenêtre en berylium 31 en regard du détecteur 32. Un filtre 39 monté entre le support 38 et la fenêtre 30 compléte l'ensemble du dispositif d'irradiation et de détection. Le détecteur 32 est connecté au premier étage du préanlplificateur 40. Le support 41 du détecteur sert aussi de moyen de contact avec l'élément Peltiér 42 se trouvant dans l'enceinte sous vide 43, le système de pompage ayant été schématisé par le conduit 26, Les en- sembles 15 et 33 peuvent être aisément extraits du corps 44 de la sonde de sorte que l'on peut aisément adapter la source d'irradiation et le détecteur aux éléments recherchés. REVENDICATIONS 1 ) Procédé d'analyse chimique dans un forage de tout élément ou groupes d'éléments prédéterminés au meyen de l'excitation sélective de la fluorescence X de ces éléments, caractérisé en cc que la source d'excitation par photons X ou &gamma; de la fluoresce@ce X et le détecteur des rayons X de l'élément ou de ltersemble d' élé- ment recherchés soitt choisis pour rendre maximum à la fois ledit rayonnement de fluorescence X d' énergie caractéristique connue et le nombre dc charges ertregistrées par lè détecteur correspondant au dit rayonnement. 2 ) Procédé tel que revendiqué en 1 selon lequel ait choi sit comme source radioactive soit une source radioactive émettant des photons T ou X dont l'énergie a une certaine valeur dépassant celle du rayonnement de fluorescence X caractéristique de l'élé- ment recherché de numéro atomiqu'e Z d'une valeur de l'ordre de 1 KeV soit une source radioactive émettant des photonsou X tombant sur une cible secondaire non radioactive, constituée par l'é- lément (Z + 1), le détecteur à grand pouvoir de résolution délivrant des signaux dont l'amplitude est proportionnelle à l'énergie des rayons X et dont le nombre des charges détectées est proportionnel à la concentration de l'élément recherché. 30) Procédé tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 1 et 2 selon lequel on utilise comme détecteur de rayonnement de fluorescence X une diode N-i-P à base de Silicium compensé au Lithium lorsque la valeur de l'énergie détectée est -comprise entre 10 et 50 KeV, le détecteur ayant une résolution au moins de l'ordre de 1 KeV à une température voisine de-50 C sous vide. 4 ) Procédé tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 1 à 3 selon lequel on utilise comme détecteur une chambre d'ionisation solide à base d'iodure mercurique HgI2 à température ambiante lorsque l'énergie émise par les éléments recherchés est comprise entre 0,5 et 50 KeV. 5 ) Procédé tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 1 à 4 selon lequel on utilise comme détecteur une chambre d'ionisation solide à base de tellurure de cadmium CdTe lorsque les rayons X de fluorescence soit émis par des éléments lourds et que l'èitergie à détecter a une valeur comprise entre 10 et 100 KeV, le détecteur pouvant rester à température ambiante et présenter une efficacité importante sans vide ambiant. 60) Procédé tel que revendique dans l'une quelconque d(s revendications 1 à 5 dont le rayonnement de la source d'excitation est filtre au moyen d'une lame mince en vue de fournir un rayon nement bichromatique dont on se sert pour connaître, en raison de 1 'effet Comptonl' incidence du milieu dans lequel la sonde est baignée et déterminer avec précision les quantités d'éléments recherchés. 70) Sonde de mise en oeuvre du procédé revendiqué dans l'une quelconque des revendications 1 à 6 constituée d'élémerits modulaires et dont la partie supérieure comprend un moyen étanche de fixation d'un cable multiple porteur d'un câble d'alimentation électrique et d'un câble de transmission des signaux recueillis par le détecteur, ainsi qu'un moyen de connexion électrique desdits câbles électrique et de transmission des données et, dont la partie adjacente comporte un convertisséur statique alimenté de la surface par le câble d'alimentation électrique et fournissant les tensions nécessaires à la polarisation du détecteur et à l'amplificateur des-si ç;naux recueillis à la sortie du détecteur. 80) Sonde telle que revendiquée en 7 dont le dispositif d'alimentation distribue en outre les tensions de polarisation d'un dispositif Peltier de contrôle de la température du détecteur. 90) Sonde telle que revendiquée dans l'une quelconque des revendications 7 et 8 dont les circuits d'amplification des signaux recueillis à la sortie du détecteur sont compris entre le dispositif d'alimentation et un réceptacle d'une source de rayonnement radioactif et d'un détecteur amovible. 100) Sonde telle que revendiquée dans l'une quelconque des revendications 7 à 9 dont la source comprend un filtre constitué d'une lame mince. 110) Sonde telle que revendiquée en 10 dont la lame mince est une laine de sulfate de baryum. 120) Sonde telle que revendiquée dans l'une quelconque des revendications 7 à 11 dont 1 ' élément assurant le refroidissement et le contrôle de la température du détecteur est constitué d'un élément Peltier de faible encombrement. 130) Sonde telle que revendiquée dans l'une quelconque des revendications 7 à 12 dont la structure modulaire est agencée pour rendre la partie comportant 1 'ensemble détecteur-source f'a- cîlement accessible et amovible. 140) Soude telle que revendiquée darls 1 'une quelconque des revendications 7 à 13 dont la partie comportant l'enscmble amovible source-détecteur comprend une fenêtre en Beryllium pour assurer l'étanchéité du réceptacle au niveau du rayonnement. 15 ) Sonde telle que revendiquée dans l'une quelconque des revendications 7 à 14 dont le boîtier du réceptacle recevant l'ensemble source détecteur est en fibres dc verre et comporte à sa partie inférieure un dispositif amortisseur de chocs.