СКВАЖИННЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ НЕЙТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2009 года по МПК G21G4/02 

Изобретение относится к области физического приборостроения, в частности к источникам нейтронного излучения, и предназначено для проведения геофизических исследований скважин импульсными нейтронными методами.

Известен малогабаритный генератор нейтронов (см., например, Геофизическая аппаратура. Недра, вып.43, 1970 г., с.132-146), содержащий нейтронную трубку и высоковольтный источник напряжения питания, выполненный на накопительном конденсаторе, включенном между высоковольтным источником питания и первичной обмоткой высоковольтного импульсного трансформатора (в случае биполярного питания - первичными обмотками высоковольтного импульсного трансформатора).

Однако известный генератор нейтронов имеет малый ресурс работы.

Поскольку для работы нейтронной трубки требуется высоковольтное питающее напряжение, то при малом диаметре генератора нейтронов с плотной компоновкой элементов схемы основное внимание уделяют обеспечению электропрочности схемы. При этом теплоотдача от источников энергии на внешнюю поверхность корпуса генератора происходит только через теплопроводность материалов.

Так как применяемые электроизоляционные материалы имеют низкую теплопроводность, то температура тепловыделяющих элементов внутри объема генератора может на (60-100)°С превышать температуру окружающей среды, что приводит к быстрому старению изоляции и сокращению срока службы нейтронного генератора.

Известно охлаждающее устройство с замкнутым циклом циркулирующего теплоносителя (см., например, патент РФ №2127456, кл. G12B 15/02, 1997), выполненное в защитном герметичном кожухе и содержащее соосный шток относительного перемещения, охлаждаемый элемент, теплоноситель, рабочую камеру и две кольцевые полости, примыкающие к ней с двух сторон. Рабочая камера связана с первой полостью обратным клапаном, а со второй - регулирующим клапаном. Первая полость примыкает к поршню на штоке. Вторая кольцевая полость образована сообщающимися двойными с зазором стенками, полыми торцем и теплоотводом и через второй обратный клапан - с первой кольцевой полостью.

Однако известное устройство требует установки в объем охлаждающего устройства дополнительных элементов (штока с поршнем, клапанов), что при ограниченных габаритах устройства недопустимо.

За прототип выбран малогабаритный генератор нейтронов, описанный в журнале Геофизическая аппаратура. Недра, вып.43, 1970 г., с.132-146.

Предложенный скважинный импульсный нейтронный генератор решает задачу повышения ресурса работы при повышенной температуре окружающей среды простыми средствами.

Для этого в скважинном импульсном нейтронном генераторе, содержащем вакуумную нейтронную трубку и электрическую схему питания вакуумной нейтронной трубки, состоящую из двух импульсных высоковольтных трансформаторов, конденсатора накопительного схемы формирования ускоряющего импульса, конденсатора источника питания нейтронной трубки и зарядного дросселя, размещенных в герметичном корпусе, все элементы электрической схемы питания вакуумной нейтронной трубки выполнены в виде тел вращения с центральными отверстиями, соединены между собой механически и электрически с помощью резьбовых электрических контактов с центральными отверстиями, а с вакуумной нейтронной трубкой - через чашеобразные резьбовые втулки с центральным и боковыми отверстиями, установленные на мишени и аноде вакуумной нейтронной трубки, вакуумная нейтронная трубка и электрическая схема питания помещены в полый тонкостенный цилиндр с наружным диаметром, меньшим внутреннего диаметра герметичного корпуса, между наружной стенкой тонкостенного цилиндра и внутренней стенкой герметичного корпуса образована наружная полость, заполненная жидким диэлектриком, сообщающаяся с внутренней полостью, образованной центральными отверстиями в охлаждаемых элементах электрической схемы питания вакуумной нейтронной трубки.

На чертеже представлена функциональная схема скважинного импульсного нейтронного генератора

Скважинный импульсный нейтронный генератор содержит вакуумную нейтронную трубку 1 и электрическую схему питания вакуумной нейтронной трубки, состоящую из высоковольтного трансформатора 2 отрицательной полярности импульсов, высоковольтного трансформатора 3 положительной полярности импульсов, конденсатора 4 источника питания нейтронной трубки, зарядного дросселя 5, конденсатора накопительного 6 схемы формирования ускоряющего импульса. Все элементы электрической схемы питания вакуумной нейтронной трубки 1 выполнены в виде цилиндров с центральными отверстиями, установлены последовательно, соединены между собой резьбовыми электрическими контактами 7 и размещены в тонкостенном цилиндре 8, наружный диаметр которого меньше внутреннего диаметра герметичного корпуса 9. На мишени 10 и аноде 11 нейтронной трубки 1 установлены чашеобразные резьбовые втулки 12 и 13 с центральными и боковыми отверстиями.

В торце герметичного корпуса 9 размещен компенсатор 14.

Между наружной стенкой тонкостенного цилиндра 8 и внутренней стенкой герметичного корпуса 9 образуется наружная полость 15, сообщающаяся с внутренней полостью 16, образованной центральными отверстиями в элементах электрической схемы питания вакуумной нейтронной трубки. Полости 15 и 16 заполнены жидким диэлектриком и обеспечивают циркуляцию жидкого диэлектрика в скважинном импульсном нейтронном генераторе.

Конвективный теплообмен происходит следующим образом.

В качестве теплоносителя используется жидкий диэлектрик.

Для организации конвективного теплообмена в скважинном импульсном нейтронном генераторе образован замкнутый контур для циркуляции жидкого диэлектрика, состоящий из коаксиальных полостей 15, 16, образованных промежутком между внутренней стенкой корпуса 9 генератора и тонкостенным цилиндром 8 и центральными отверстиями элементов электрической схемы питания нейтронной трубки 1, соединенных между собой через отверстия в чашеобразных резьбовых втулках 12 и 13.

Рабочее положение скважинного импульсного нейтронного генератора - вертикальное мишенью вверх. Жидкий диэлектрик, заполняющий внутреннюю полость 16, нагревается от мишени 10 и анода 11 нейтронной трубки 1, являющихся основными источниками тепла, и, расширяясь, выходит во внешнюю полость 15. Во внешней полости 15 через поверхность герметичного корпуса 9 жидкий диэлектрик охлаждается и опускается вниз, обеспечивая таким образом циркуляцию жидкого диэлектрика - теплоносителя.

Компенсатор 14, выполненный, например, в виде сильфона, служит для компенсации изменения объема жидкого диэлектрика при изменении температуры.

Использование для охлаждения элементов схемы естественного конвективного теплообмена позволило по сравнению с известными техническими решениями осуществить охлаждение элементов схемы простыми средствами без использования дополнительных элементов, усложняющих устройство.

Выполнение скважинного импульсного генератора в соответствии с предложенным техническим решением позволило более чем в два раза снизить перегрев электродов нейтронной трубки, являющихся основным источником тепла.

Ресурс работы скважинного импульсного нейтронного генератора достигает 50-ти часов при температуре окружающей среды 150°С и 100 часов при температуре 120°С, т.е. приблизительно на порядок выше, чем у прототипа.

Использование: для проведения геофизических исследований скважин импульсными нейтронными методами. Сущность: заключается в том, что все элементы электрической схемы питания вакуумной нейтронной трубки выполнены в виде тел вращения с центральными отверстиями, соединены между собой механически и электрически с помощью резьбовых электрических контактов с центральными отверстиями, а с вакуумной нейтронной трубкой - через чашеобразные резьбовые втулки с центральным и боковыми отверстиями, установленные на мишени и аноде вакуумной нейтронной трубки, вакуумная нейтронная трубка и электрическая схема питания помещены в полый тонкостенный цилиндр с наружным диаметром, меньшим внутреннего диаметра герметичного корпуса, между наружной стенкой тонкостенного цилиндра и внутренней стенкой герметичного корпуса образована наружная полость, заполненная жидким диэлектриком, сообщающаяся с внутренней полостью, образованной центральными отверстиями в охлаждаемых элементах электрической схемы питания вакуумной нейтронной трубки. Технический результат: повышение ресурса работы нейтронного генератора при повышенной температуре окружающей среды. 1 ил.

Скважинный импульсный нейтронный генератор, содержащий вакуумную нейтронную трубку и электрическую схему питания вакуумной нейтронной трубки, состоящую из двух высоковольтных трансформаторов, конденсатора накопительного, схемы формирования ускоряющего импульса, конденсатора источника питания нейтронной трубки и зарядного дросселя, размещенных в герметичном корпусе, отличающийся тем, что все элементы электрической схемы питания вакуумной нейтронной трубки выполнены в виде тел вращения с центральными отверстиями, соединены между собой механически и электрически с помощью резьбовых электрических контактов с центральными отверстиями, а с вакуумной нейтронной трубкой - через чашеобразные резьбовые втулки с центральным и боковыми отверстиями, установленные на мишени и аноде вакуумной нейтронной трубки, вакуумная нейтронная трубка и электрическая схема питания помещены в полый тонкостенный цилиндр с наружным диаметром, меньшим внутреннего диаметра герметичного корпуса, между наружной стенкой тонкостенного цилиндра и внутренней стенкой герметичного корпуса образована наружная полость, заполненная жидким диэлектриком, сообщающаяся с внутренней полостью, образованной центральными отверстиями в охлаждаемых элементах электрической схемы питания вакуумной нейтронной трубки.