СКВАЖИННЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ НЕЙТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2015 года по МПК G21G4/02 

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

Известен 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). Генератор нестабилен в диапазоне рабочих температур и имеет малый ресурс работы.

Известен 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, в котором 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. Патент Российской Федерации №2368024, МПК: G21G 4/02, 2009 г. Прототип.

В известном импульсном нейтронном генераторе все элементы электрической схемы расположены последовательно друг за другом, что приводит к увеличению габаритных размеров и массы генератора.

Изоляция конденсаторов выполнена пленочными диэлектриками, пропитанными жидким диэлектриком с малой диэлектрической проницаемостью, что приводит к увеличению объемов конденсаторов, при требуемой величине емкости и электрической прочности.

Температурный компенсатор выполнен на металлическом сильфоне, служащем для компенсации изменяемого объема жидкого диэлектрика при изменении температуры. Для обеспечения термокомпенсации в широком диапазоне рабочих температур длина сильфона изменяется в широких пределах и достигает третьей части от длины всего генератора, что приводит к существенному увеличению габаритов и массы генератора.

Кроме того, при работе импульсного нейтронного генератора в диапазоне температур -50°C+120°C изменяется форма импульса ускоряющего напряжения за счет температурного изменения диэлектрической проницаемости изоляции конденсаторов и трансформаторов, что приводит к изменению емкостей конденсаторов, динамических емкостей высоковольтных трансформаторов и изменению длительности нейтронного импульса и потока нейтронов.

Задачей изобретения является создание стабильного импульсного нейтронного генератора с меньшими габаритами и массой.

Техническим результатом изобретения является стабилизация нейтронного импульса в широком диапазоне температур, уменьшение габаритов и массы.

Технический результат достигается тем, что в скважинном импульсном нейтронном генераторе, содержащем вакуумную нейтронную трубку и электрическую схему питания нейтронной трубки, состоящую из двух высоковольтных трансформаторов, двух конденсаторов накопительных, конденсатора источника питания нейтронной трубки, зарядного дросселя, а также температурный компенсатор, размещенные в герметичном металлическом корпусе, залитом жидким диэлектриком, трансформаторы залиты компаундом с диэлектрической проницаемостью, уменьшающейся при росте температуры, конденсаторы залиты компаундом с диэлектрической проницаемостью, увеличивающейся при росте температуры, температурный компенсатор включает в себя резиновую мембрану, размещенную в корпусе компенсатора и разделяющую компенсатор на две полости, одна из которых соединена с жидким диэлектриком, а другая заполнена инертным газом под давлением.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На чертеже схематично представлен продольный разрез скважинного импульсного нейтронного генератора, где: 1 - вакуумная нейтронная трубка, 2 - высоковольтный трансформатор отрицательной полярности, 3 - высоковольтный трансформатор положительной полярности, 4 - конденсатор источника питания нейтронной трубки, 5 - зарядный дроссель, 6 и 7 - конденсаторы накопительные, 8 - металлический корпус генератора, 9 - металлический корпус термокомпенсатора, 10 - полость, залитая жидким диэлектриком, 11 - полость, заполненная газом под давлением, 12 - проходное отверстие, 13 - резиновая мембрана, 14 - клапан, 15 - проходные изоляторы.

Электропитание вакуумной импульсной нейтронной трубки 1 выполнено по биполярной схеме. Накопительные конденсаторы 6 и 7 расположены коаксиально поверх обмоток соответствующих высоковольтных трансформаторов 2 и 3, а дроссель 5 расположен коаксиально поверх конденсатора источника 4. Изоляция моточных элементов импульсного нейтронного генератора выполнена бумажно-пленочными диэлектриками с последующей пропиткой их различными твердеющими изоляционными компаундами. Трансформаторы 2 и 3, дроссель 5 пропитаны твердеющими диэлектриками с диэлектрической проницаемостью, уменьшающейся при росте температуры (например, компаунды на основе кремнийорганических смол с наполнителем). В предлагаемом генераторе выбран компаунд К67 или К43. Тип компаунда для конденсаторов 6 и 7 выбран из условий обеспечения электрической прочности и большой диэлектрической проницаемости, при которой объем конденсаторов, а значит, и всего генератора минимален. В предлагаемом генераторе выбран компаунд ПК-11.

При работе импульсного нейтронного генератора и увеличении температуры происходит рост емкостей накопительных конденсатора 6 и 7, а также уменьшение динамических емкостей трансформаторов 2 и 3, что приводит к стабилизации импульса ускоряющего и нейтронного импульса во всем диапазоне рабочих температур. Действительно, при увеличении температуры увеличивается активное сопротивление обмоток трансформаторов и обкладок конденсаторов, что обуславливает снижение амплитуды импульса ускоряющего напряжения. Однако увеличение емкостей накопительных конденсаторов компенсирует это снижение амплитуды. При этом уменьшение динамических емкостей трансформаторов компенсирует тот рост длительности ускоряющего напряжения, который должен был произойти за счет увеличения емкостей накопительных конденсаторов.

Для обеспечения электрической прочности и теплового режима нейтронная трубка и все элементы схемы ее питания размещены в герметичном корпусе 8, залитом жидким диэлектриком. В качестве жидкого диэлектрика использовано масло ТКп, имеющее хорошие диэлектрические свойства. Одним из наиболее подходящих жидких диэлектриков является кремнийорганическая жидкость ПФМС-2/5 Л, обладающая аналогичными с маслом ТКп диэлектрическими свойствами 50 кВ/2,5 мм.

Температурный компенсатор объемного изменения жидкости включает в себя резиновую мембрану 13, размещенную в корпусе компенсатора 9. Мембрана 13 разделяет объем корпуса 9 на две герметичные полости, одна из которых 10 соединена с жидким диэлектриком через проходное отверстие 12, а другая 11 заполнена инертным газом под давлением через клапан 14. Давление в полости 11 при минимальных рабочих температурах и уменьшении объема жидкости составляет не менее 0,5 ати, при максимальных температурах давление в генераторе достигает не более 6 ати. Внешнее питание и импульсы запуска подают через керамические проходные изоляторы 15.

Генератор работает следующим образом. При срабатывании коммутирующего элемента (на чертеже не показан) накопительные конденсаторы 5, заряженные до напряжения 4,5 кВ, разряжаются через первичные обмотки трансформаторов 2 и 3. На вторичных обмотках формируются импульсы напряжения 50-60 кВ длительностью 4 мкс, отрицательной и положительной полярности и подаются на импульсную нейтронную трубку. Трансформатор положительной полярности 3 формирует импульс напряжения поджига ионного источника, в результате которого происходит разряд конденсатора источника 4 через анод и катод нейтронной трубки 1. Образовавшиеся ионы дейтерия бомбардируют мишенный электрод вакуумной нейтронной трубки 1. На мишени в результате реакции ₁Д²+₁T³→₂He⁴+n образуются нейтроны с энергией 14 МэВ и вторичные электроны.

Выполнение скважинного генератора в соответствии с предложенным техническим решением позволило уменьшить габариты и массу скважинного нейтронного генератора приблизительно на 25% и стабилизировать нейтронный импульс в диапазоне рабочих температур.

Изобретение относится к устройствам импульсных излучателей-генераторов разовых или многоразовых импульсов нейтронного и рентгеновского излучения. В заявленном скважинном импульсном нейтронном генераторе трансформаторы (2) и (3) залиты компаундом с диэлектрической проницаемостью, уменьшающейся с ростом температуры, конденсаторы (4), (6) и (7) залиты компаундом с диэлектрической проницаемостью, увеличивающейся с ростом температуры. При этом температурный компенсатор включает в себя резиновую мембрану (13), размещенную в корпусе (9) компенсатора и разделяющую компенсатор на две полости, одна из которых соединена с жидким диэлектриком, а другая заполнена инертным газом под давлением. Техническим результатом является стабилизация нейтронного потока в широком диапазоне температур, уменьшение габаритов и массы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Скважинный импульсный нейтронный генератор, содержащий вакуумную нейтронную трубку и электрическую схему ее питания, состоящую из двух высоковольтных трансформаторов, двух конденсаторов накопительных, конденсатора источника питания нейтронной трубки, зарядного дросселя, а также температурный компенсатор, размещенные в герметичном металлическом корпусе, залитом жидким диэлектриком, отличающийся тем, что трансформаторы залиты компаундом с диэлектрической проницаемостью, уменьшающейся с ростом температуры, а конденсаторы залиты компаундом с диэлектрической проницаемостью, увеличивающейся с ростом температуры.

2. Скважинный импульсный нейтронный генератор по п. 1, отличающийся тем, что температурный компенсатор включает в себя резиновую мембрану, размещенную в корпусе компенсатора и разделяющую компенсатор на две полости, одна из которых соединена с жидким диэлектриком, а другая заполнена инертным газом под давленим.