ГЕНЕРАТОР ИЗЛУЧЕНИЯ С ДВУХПОЛЮСНЫМ КАСКАДНЫМ УМНОЖИТЕЛЕМ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G01V5/12 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Генераторы излучения, например генераторы нейтронов и рентгеновских лучей, используются в приборах для геофизического исследования скважин для проведения измерений в ближайшей к стволу скважины толще пород, в которой могут находиться запасы углеводородов (к примеру, нефть и/или природный газ). Генераторы нейтронов могут использовать дейтерий-дейтериевые (d-d), дейтерий-тритиевые (d-t) или тритий-тритиевые (t-t) реакции для получения нейтронов без использования радиоактивных материалов.

[0002] Генераторы излучения могут содержать трубку (например, нейтронную или рентгеновскую трубку) и соединенные с ней электрические компоненты, такие как один или более высоковольтные трансформаторы с каскадным умножителем Кокрофт-Уолтона для получения высокого рабочего напряжения. Нейтронная трубка представляет собой запаянную колбу, выполненную из металла, и изоляторы, содержащие резервуары с газом, ионизатор, ускоряющий электрод и мишень. Мишень может быть выполнена из гидридного материала. Высвободившись из резервуара, газ ионизируется в ионизаторе и затем ускоряется в ускоряющем столбике по направлению к мишени. Между поступающими ионами и атомами изотопа водорода, присутствующими в мишени, возникает реакция ядерного синтеза, благодаря которой нейтроны направляются в толщу породы. Приемник излучения может обнаружить радиоактивное излучение из толщи пород, являющееся результатом бомбардировки нейтронами, что в свою очередь предоставляет информацию о химическом составе породы.

[0003] Рентгеновская трубка имеет источник электронов (часто называемый электронной пушкой), ускоряющий электрод и мишень. Мишень может быть выполнена из материалов с высокой плотностью, например из вольфрама или золота.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0004] Это описание дано для того, чтобы в упрощенной форме представить выбор концепций, которые далее описаны в подробном описании. Это описание не предназначено для выявления ключевых признаков или основных признаков заявленного предмета, а также не предназначено для использования в качестве помощи в определении объема заявленного предмета.

[0005] Прибор для геофизического исследования скважин может состоять из устройства для крепления генератора в скважинном приборе и генератора излучения, находящегося в устройстве для крепления генератора в скважинном приборе. Генератор излучения может состоять из корпуса генератора, мишени, находящейся в корпусе генератора, источника заряженных частиц, находящегося в корпусе генератора, который направляет заряженные частицы к мишени, и, по меньшей мере, одного источника напряжения, подключенного к источнику заряженных частиц. По меньшей мере, один источник напряжения может состоять из каскадного умножителя напряжения, состоящего из множества каскадов умножения напряжения, соединенных в двухполюсной конфигурации, и по меньшей мере, одной нагрузочной катушки, подключенной, по меньшей мере, в одном промежуточном положении умножителя напряжения. Прибор для геофизического исследования скважин может также содержать, по меньшей мере, один приемник излучения, находящийся в устройстве для крепления генератора в скважинном приборе.

[0006] Генератор излучения может состоять из корпуса генератора, мишени, находящейся в корпусе генератора, источника заряженных частиц, находящегося в корпусе генератора, направляющем заряженные частицы к мишени, и, по меньшей мере, одного источника напряжения, подключенного к источнику заряженных частиц. По меньшей мере, один источник напряжения может состоять из каскадного умножителя напряжения, состоящего из множества каскадов умножения напряжения, соединенных в двухполюсной конфигурации, где каждый каскад умножения содержит, по меньшей мере, один полупроводниковый диод. По меньшей мере, одна нагрузочная катушка может быть подключена, по меньшей мере, в одном промежуточном положении умножителя напряжения.

[0007] Способ изготовления генератора излучения может включать позиционирование мишени и источника заряженных частиц в корпусе генератора таким образом, что источник заряженных частиц направляет заряженные частицы к мишени, и подключение, по меньшей мере, одного источника напряжения к источнику заряженных частиц. По меньшей мере, один источник напряжения может состоять из каскадного умножителя напряжения, состоящего из множества каскадов умножения напряжения, соединенных в двухполюсной конфигурации, и по меньшей мере, одной нагрузочной катушки, подключенной, по меньшей мере, в одном промежуточном положении умножителя напряжения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0008] На Фигуре 1 показан поперечный разрез генератора излучений согласно типовой реализации изобретения.

[0009] На Фигуре 2 показан вид сбоку рентгеновской трубки, которая может использоваться в генераторе излучений, показанном на Фигуре 1, в типовой реализации изобретения.

[0010] Фигура 3 представляет собой функциональную схему прибора для геофизического исследования скважин, который может содержать генератор излучения, показанный на Фигуре 1.

[0011] Фигура 4 является принципиальной схемой однополюсного каскадного умножителя напряжения, который может использоваться с генератором излучений, показанным на Фигуре 1.

[0012] Фигура 5 иллюстрирует график распределения напряжения в зависимости от различных конфигураций каскадного умножителя напряжения с нагрузочными катушками и без них.

[0013] Фигура 6 иллюстрирует график зависимости выходного напряжения от входного напряжения для однополюсного каскадного умножителя напряжения, конфигурация которого показана на Фигуре 1, и для однополюсного каскадного умножителя напряжения без дополнительных нагрузочных катушек.

[0014] Фигура 7 является принципиальной схемой двухполюсного каскадного умножителя напряжения, который может использоваться с генератором излучений, показанным на Фигуре 1.

[0015] Фигура 8 является принципиальной электрической схемой реализации генератора излучений с подключенными к нему управляющими цепями.

[0016] Фигура 9 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую аспекты способа изготовления генератора излучений, например, такого как показан на Фигуре 1.

[0017] Фигура 10 иллюстрирует зависимость распределения напряжения в зависимости от частоты генератора излучений в типовой тестовой конфигурации.

[0018] Фигура 11 иллюстрирует график распределения напряжения в схеме двухполюсного каскадного умножителя напряжения с нагрузочной катушкой и в схеме двухполюсного каскадного умножителя напряжения без нагрузочной катушки.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0019] Настоящее описание выполнено со ссылками на прилагаемые чертежи, посредством которых показаны типовые варианты реализации изобретения. Тем не менее, может использоваться множество различных реализаций изобретения и, следовательно, не следует считать, что данное описание ограничивает реализации изобретения, описанные в настоящей заявке. Скорее, эти реализации предоставляются для того, чтобы это описание изобретения было исчерпывающим и полным. Одинаковые номера относятся к одинаковым элементам по всему тексту заявки, условные обозначения в виде штриха и множества штрихов используются для отображения подобных элементов в различных реализациях изобретения.

[0020] Сначала обратимся к Фигурам. 1 и 2, которые впервые описывают генератор излучения 30. В показанном примере генератором излучений является генератор рентгеновского излучения, состоящий из рентгеновской трубки 100, заземленной с конца, где находится мишень 102 (т.е. анод), хотя в некоторых реализациях также может использоваться конфигурация с плавающей мишенью. Также наглядно показано, что рентгеновская трубка 100 содержит катод 103 с противоположного мишени конца 102. Катод 103 соединен с каскадным умножителем напряжения 104 (например, через катодный разделительный трансформатор). Рентгеновская трубка 100, каскадный умножитель напряжения 104, и разделительный трансформатор 106 изолированы одной или более диэлектрическими трубками 108 (например, ПФА), которые в свою очередь защищены корпусом генератора 110. Изолирующий газ может быть закачан во внутреннее пространство 117 внутри корпуса генератора. Каскадный умножитель напряжения 104 также для иллюстрации содержит некоторое количество нагрузочных катушек 105a, 105b, которые также будут описаны ниже, и вход 116 для приема переменного напряжения. Конфигурация с заземленной мишенью, схематически показанная на Фигуре 1, предоставляет упрощенную механическую конструкцию и монтаж, который также может помочь сохранять механическую прочность мишени, обеспечивать регулирование температуры мишени, а также радиационное облучение изолирующего материала 108.

[0021] Под влиянием воздействия тепла происходит эмиссия электронов катодом 103, хотя в некоторых реализациях также могут использоваться "холодные" катоды (например, углеродные нано трубки, и т.д.). Как будет описано ниже, при помощи каскадного умножителя напряжения 104 на катод 103 подается напряжение, и протекающий ток нагревает катод 103, что является причиной для эмиссии электронов катодом. Сетка 204 направляет электроны, вылетевшие из катода 103 к секции ускорения электронов 206. Секция ускорения 206 ускоряет электроны в направлении мишени 208. При столкновении с мишенью 208 генерируются рентгеновские лучи, которые могут использоваться в различных применениях, например в скважинных инструментах для геофизических исследований, как это будет описано ниже.

[0022] Для получения высоких напряжений (к примеру, порядка сотен кэВ) в пределах пространства, обусловленного внутрискважинным применением, может быть недостаточно, использовать однополюсный каскадный умножитель напряжения. То есть, принимая во внимание ограниченность пространства внутри башмака скважинного инструмента или корпуса скважинного прибора, в котором расположен каскадный умножитель напряжения, получение необходимых значений напряжения при использовании типовой однополюсной конфигурации может быть затруднительным. В частности, это соответствует коэффициенту использования напряжения, который может быть определен как отношение выходного напряжения к входному напряжению, умноженное на количество каскадов. Например, 30- или 40-каскадный типовой однополюсный умножитель напряжения будет иметь коэффициент использования напряжения приблизительно от 40 до 60%. Для входного напряжения 15 кВ, которое приблизительно является максимальной величиной для большинства коммерческих компонентов (например, конденсаторов и диодов) приемлемых размеров, выходное напряжение зависит от количества каскадов. Увеличение числа каскадов уменьшает коэффициент использования напряжения. Выходное напряжение приближается к некоторой величине, которая составляет приблизительно 250 кВ. Добавление сравнительно большого числа каскадов, следовательно, не может обеспечить ожидаемых высоких рабочих напряжений. Невозможность таких конфигураций для формирования высоких напряжений также может объясняться паразитной емкостью всех каскадов.

[0023] Принимая во внимание ограничения конструктивных размеров скважинного оборудования, чтобы сформировать напряжение 400 кВ при помощи однополюсного умножителя (по сравнению с двухполюсной схемой) реализации изобретения, описанные в настоящей заявке, предусматривают увеличение коэффициента использования напряжения посредством использования одной или более нагрузочных катушек, установленных в соответствующих промежуточных положениях или позициях в схеме каскадного умножителя. Конфигурация, в которой напряжение повышается на одну ступень, или нагружается катушкой, использовалась в однополюсной схеме для ускорения ионов и в телевизионных цепях и была опубликована в "The Cockcroft-Walton Voltage Multiplying Circuit", E. Everhart и P. Lorrain, 1953, The Review of Scientific Instruments, Vol. 24, 3, март 1953. В этой конфигурации используется одиночная катушка на высоковольтной стороне умножителя напряжения, изначально увеличивая коэффициент использования напряжения с 50% приблизительно до 80%. В случае с классическим каскадным умножителем Кокрофта-Уолтона, коэффициент использования напряжения описывается формулой:

(1)

где C является общей емкостью последовательно соединенных конденсаторов, Cs является паразитной емкостью, и N является числом каскадов умножителя напряжения. С вышеописанной одиночной катушкой, расположенной на выходе двухполюсного умножителя напряжения, коэффициент использования напряжения становится:

(2)

При сравнении формул с нагрузочной катушкой и без нагрузочной катушки примечательно то, что они отличаются множителем два. То есть, коэффициент использования напряжения такой же, как у каскадного умножителя без нагрузочной катушки, только с количеством каскадов в два раза меньше. Распределение напряжения для этой конфигурации с одиночной подключенной на выходе катушкой представлено на графике линией 63 на Фигуре 5 (соответствует коэффициенту использования напряжения приблизительно 78%), и линией 62, соответствующей однополюсному каскадному умножителю напряжения без нагрузочной катушки (соответствует коэффициенту использования напряжения 50%).

[0024] Тем не менее, коэффициент использования напряжения может быть также увеличен путем использования одной или более нагрузочных катушек, установленных между соседними каскадами в каскадном умножителе напряжения. Первый эксперимент был произведен с помощью первой нагрузочной катушки (0,4 Гн) на выходе умножителя, и второй нагрузочной катушки (0,2 Гн) в середине умножителя, в результате коэффициент использования напряжения определяется формулой:

(3)

Распределение напряжения для этой конфигурации представлено на графике линией 61 на Фигуре 5 (соответствует коэффициенту использования напряжения приблизительно 93%). Коэффициент использования напряжения такого умножителя также повышается по сравнению с умножителем без нагрузочных катушек, при этом, фактически являясь эквивалентным умножителю без катушек с числом каскадов в четыре раза меньше.

[0025] Также экспериментально доказано, что для того чтобы получить требуемый коэффициент использования напряжения, первая и вторая катушки 105a, 105b могут быть установлены на расстоянии 2/5-х и 4/5-х положений каскадов, соответственно длине умножителя 104 (как показано на Фигуре 4). В частности, с первой катушкой 105a и второй катушкой 105b, которые фактически идентичны одна другой, соответственно установленные на расстоянии двух пятых и четырех пятых по всей длине умножителя 104, коэффициент использования напряжения подчиняется формуле:

(4)

Из вышеприведенных результатов ясно, что в некоторых реализациях изобретения используется одиночная промежуточная нагрузочная катушка 105 и что нагрузочные катушки 105a, 105b могут находиться в положениях, отличных от 2/5-х и 4/5-х.

[0026] Распределение напряжения для этой конфигурации представлено на графике линией 60 на Фигуре 5 (которая соответствует коэффициенту использования напряжения приблизительно 96%). Коэффициент использования напряжения является таким же, как и у умножителя без нагрузочных катушек с числом каскадов в пять раз меньше. Например, предполагается, что умножитель, имеющий сорок каскадов с двухкатушечной конфигурацией будет иметь тот же коэффициент использования напряжения, что и умножитель без катушек, но с восемью каскадами. При оптимальной частоте, входной вычисляется как:

(5)

где f является оптимальной частотой. Импеданс в то же время является индуктивным, с

Оптимальными значениями индуктивности катушек является:

Следовательно, вышеописанная конфигурация позволяет использовать две катушки с одинаковым значением индуктивности. По этой причине оптимальная частота будет равняться:

если:

[0027] В приближении первого порядка, оптимальная частота не зависит от величины C. Зависимость распределения напряжения от изменения частоты показана на Фигуре 10, в которой график 80 представляет распределение напряжения при оптимальной частоте 72,5 кГц с коэффициентом использования напряжения 95%. Как представлено на графике 81, если частота будет слишком низкая (например, 70 кГц), то коэффициент использования напряжения будет слишком высоким (106%), а значит, что на некоторых каскадах умножения будет создаваться напряжение, которое выше входного напряжения. Как представлено на графике 82, когда частота является слишком высокой (например, 75 кГц), умножитель не работает в своем оптимальном режиме, обеспечивая коэффициент использования напряжения 87%, поскольку напряжение на последних каскадах будет слишком низким. Впрочем, ясно, что в некоторых реализациях изобретения может использоваться допустимый диапазон изменения частоты (кроме точной оптимальной частоты). Описанная выше типовая конфигурация однополюсного каскадного умножителя напряжения с двумя нагрузочными катушками была изготовлена и протестирована. Тестовая конфигурация содержит следующие компоненты:

- 30 каскадов умножителя напряжения с конденсаторами емкостью 1 нФ, типа X7R с номинальным напряжением 16 кВ и диоды с максимальным обратным напряжением 16 кВ;

- две катушки индуктивности по 0,2 Гн каждая, одна установлена на 2/5-х длины умножителя и вторая на 4/5-х, с рабочей частотой ~70 кГц;

- 6 пФА диэлектрических трубок (общей толщиной 380 мм) и 3 слоя 20 мм пленки из сополимера тетрафторэтилена и пропилена (FEP);

- 20 ГОм цепочка резисторов (делитель) на выходе умножителя для обеспечения измерения высокого напряжения рентгеновской трубки; и

- защитный корпус из нержавеющей стали длиной 1016 мм (40") c OD 76,2 мм (3") и ID 72,39 мм (2,85"), герметизированный SF6 (около 8,27 бар (120 psi)).

Входное напряжение было измерено при помощи цепочки резисторов общим сопротивлением 10 ГОм, подключенной к первому каскаду умножителя. Управление системой осуществлялось при помощи Labview. Тестовая конфигурация была протестирована вплоть до 400 кВ и 40 мкА и при повышенной температуре. Как можно увидеть из показанных на Фигуре 5 результатов, при использовании нагрузочных катушек, установленных в однополюсном каскадном умножителе напряжения, в частности, если они установлены в оптимальном месте, фактически, высокое напряжение получается при таком же или меньшем числе каскадов. Эта конфигурация может быть приемлемой не только на основании более высокого коэффициента использования напряжения, но также, потому что нет катушек, расположенных на выводах умножителя напряжения, которые могут подвергнуть их большему риску повреждения, в случае когда происходит электрический пробой.

[0028] Графики 70, 71 на Фигуре 6 отображают зависимость выходного напряжения от входного, соответственно в однополюсном каскадном умножителе напряжения с нагрузочными катушками и без них, также иллюстрируют достоинства нагрузочных катушек 105a, 105b. Это является целесообразным в отношении обратной связи и стабилизации. Для стабилизации генератора излучений могут использоваться петли обратной связи по входному напряжению, частоте и цепи накала катода. Один пример генератора излучений управляемой конфигурации показан на Фигуре 8, на которой высоковольтный (ВВ) трансформатор или драйвер 306 подключен к входным клеммам однополюсного каскадного умножителя напряжения 304, и выходные клеммы однополюсного каскадного умножителя напряжения подключены к источнику заряженных частиц 300 (в данном примере рентгеновская трубка содержит катод 320, соединенный с драйвером катода 321). Приемник рентгеновского излучения 322 обнаруживает рентгеновские лучи, принятые рентгеновской трубкой, и вместе с электронной системой захвата приемника 323 подключен к приемнику рентгеновского излучения. Микропроцессор 324 соединен с ВВ драйвером 306, датчиком входного напряжения 325, датчиком выходного напряжения 326, драйвером катода 321, датчиком катодного тока 327, и электронную систему захвата приемника 323.

[0029] В частности, микропроцессор 324 принимает входное напряжение V_вх, измеренное на умножителе 304 при помощи датчика входного напряжения 325 (наглядно представленного как R_вх и измеренным током I_вх). На другой вход микропроцессора 324 поступает V_вых умножителя 304 от датчика выходного напряжения 326 (наглядно представленного резистором R_вых и измеренным током I_вых). На другие входы микропроцессора 324 поступает ток контроля мишени I от датчика катодного тока 327, кроме того рассчитывается ток I и выходное напряжение V_вых, поступающее от электронной системы захвата приемника 323. Микропроцессор 324 может соответственно управлять ВВ драйвером 306 и драйвером катода 321 для поддержания постоянных величин напряжения V_вых, тока I и величины коэффициента использования напряжения F, где $$F=\frac{V_{вых}}{N\times V_{вх}}$$ . В типовой конфигурации, для микропроцессора 324 желательно поддерживать напряжение V_вых=300 кВ, ток I=100 мкА и величину F=90%. Как описано выше, V_вых и ток I могут быть рассчитаны при помощи цепочек резисторов и/или при помощи приемника рентгеновского излучения, измеряющего, к примеру, как интенсивность, так и энергию рентгеновского излучения. Коэффициент использования напряжения может быть стабилизирован до желаемой величины путем подстройки частоты ВВ драйвера 306 каскадного умножителя напряжения 304.

[0030] Напряжение на выходе V_вых стабилизируется до желаемой величины путем регулировки входного напряжения V_вх. Измерение амплитуды входного напряжения V_вх производится для подстройки коэффициента использования напряжения при помощи частоты. Измерение высоковольтного сигнала переменного тока может быть затруднительным, например, из-за переходных помех. Входное напряжение V_вх может быть соответствующим образом аппроксимировано как напряжение постоянного тока на первом конденсаторе цепи постоянного тока умножителя, которое теоретически является очень близким к V_вх. Выходное напряжение V_вых может быть рассчитано при помощи цепочки резисторов или из величин, измеренных приемником, как описано выше. Помимо этого, ток луча подстраивается до желаемого значения путем переключения драйвера катода 321. При использовании нагрузочных катушек 305a, 305b в каскадном умножителе напряжения 304, коэффициент использования напряжения может быть увеличен приблизительно с 50% до 95%, благодаря чему создается 400 кВ однополюсный умножитель и генератор с заземленной мишенью, реализуемый с учетом ограниченного пространства скважинного инструмента.

[0031] Описанные выше конфигурации однополюсного каскадного умножителя напряжения могут обеспечивать некоторые преимущества перед двухполюсной конфигурацией генератора в некоторых реализациях изобретения. Например, эта технология может помочь уменьшить вероятность электрического пробоя, из-за того, что нет пробоя вокруг вывода на выходе умножителя и потому, что нет дополнительного заземления выводов генератора. Более того, высокое напряжение может быть ограничено корпусом генератора с заземлением обоих выводов. Это в свою очередь уменьшает вероятность электрического пробоя или трекинга диэлектрических материалов (посредством ссылки, смотри патент США № 7564948, который также является принадлежащим настоящему Правопреемнику и является настоящим документом, полностью включенным в настоящую заявку посредством ссылки). Тем не менее, в некоторых реализациях двухполюсной конфигурации с одинаковой разницей потенциалов между источником и мишенью может оказывать меньшее воздействие на изоляцию, например, из-за того, что максимальная разность потенциалов по отношению к земле может быть уменьшена не менее чем на 50%.

[0032] Кроме того, может быть снижена вероятность радиационного разрушения, поскольку мишень может быть полностью экранирована, например, посредством вольфрамового коллиматора. Более того, отвод тепловой мощности, рассеиваемой мишенью, может быть сравнительно несложным, например, в силу того, что к мишени может быть прикреплен теплоотвод. Кроме того, механическая конструкция и монтаж могут быть упрощены, что может облегчить поддержание механической прочности мишени, которая является существенной для точности измерений (например, плотности породы для рентгеновских измерений и пористости для нейтронных измерений).

[0033] В дополнение к этому, в конструкции, использующей заземленную мишень, расстояние между точкой эмиссии рентгеновских лучей и приемником может быть уменьшено, поскольку необходимость в высоковольтной изоляции на мишени может быть снижена (т.е., на положительной стороне рентгеновской трубки). В частности, в однополюсной конфигурации каскадный умножитель напряжения не нуждается в позиционировании мишени и приемника, что может помочь уменьшить или устранить высокое напряжение вокруг вывода, обеспечить желаемое расстояние между приемником и мишенью, и дополнительное пространство для приемника(ов). Более того, в некоторых двухполюсных схемах паразитные фотоны могут достигать пространства возле приемников внутри башмака скважинного инструмента. Это может быть уменьшено посредством вышеописанной однополюсной конфигурации, которая становится возможной благодаря использованию приемников с обратным рассеянием (например, PEx). Кроме того, ток луча (то есть, поток достигающих мишени электронов в трубке) может быть измерен непосредственно.

[0034] Тем не менее, в некоторых реализациях изобретения может быть желательным использование конфигурации двухполюсного каскадного умножителя напряжения с нагрузочной катушкой(ами), как описано со ссылкой на Фигуру 7. В наглядном примере, каскадный умножитель напряжения содержит цепь положительного напряжения 404p и цепь отрицательного напряжения 404n, каждое из которых содержит соответствующее количество каскадов умножения 411, подобных тем, что описаны выше со ссылкой на Фигуру 4. Каждая из цепей 404p, 404n имеет соответствующий вход, соединенный с трансформатором или ВВ драйвером 406, и соответствующий выход, соединенный с генератором заряженных частиц 400 (например, рентгеновская трубка, ионный генератор, и т.д.), имеющий заземленную мишень. В наглядном примере нагрузочные катушки 405p и 405n соединены в соответствии с промежуточными положениями вдоль каждой цепи положительного напряжения 404p и цепи отрицательного напряжения 404n.

[0035] В частности, в данном примере промежуточные положения находятся на одной третьей N, где N является общим количеством каскадов умножения напряжения 411 в цепях как положительного, так и отрицательного напряжения 404p, 404n, которые были определены таким образом, чтобы обеспечить необходимое распределение напряжения подобно описанному выше примеру для однополюсной конфигурации. Может быть показано, что для двухполюсной конфигурации коэффициент использования напряжения равен:

Сравнивая формулу (10) с формулой (1) (т.е. нет катушек) или с формулой (2) (т.е. одиночная катушка, подключенная на выходе), принимая во внимание, что коэффициент использования напряжения повысился и эквивалентен каскадному умножителю напряжения, у которого приблизительно в три раза меньше каскадов.

[0036] Упомянутое выше будет легче понять при помощи Фигуры 11, в которой распределение напряжения на секциях двухполюсного каскадного умножителя напряжения, имеющего пятнадцать каскадов умножения с нагрузочной катушкой в 1/3-й позиции показано линией графика 86 (соответствующего коэффициенту использования напряжения около 95%), и распределение напряжения на секциях двухполюсного каскадного умножителя напряжения, имеющего пятнадцать каскадов умножения, но без нагрузочной катушки показаны графиком 87 (соответствует коэффициенту использования напряжения около 67%). Впрочем, как и в случае описанной выше однополюсной конфигурации, в различных реализациях изобретения может быть использовано различное количество нагрузочных катушек и промежуточных положений.

[0037] Следует заметить, что двухполюсному каскадному умножителю напряжения для формирования 400 кВ необходимо, чтобы и положительная, и отрицательная секции умножителя формировали напряжение +200 кВ и -200 кВ. Соответствующее входное напряжение в умножителе с пятнадцатью каскадами будет 14 кВ, при наличии одной катушки в 2/3 их позиции (ниже 15 кВ), и 20 кВ без катушки (выше, чем фактически достижимое для компонентов, установленных в ограниченном пространстве, и при текущей технологии изготовления). Более того, при этой конфигурации двухполюсного умножителя может использоваться часть умножителя, смежная с анодом (т.е. мишень), из-за того, что в результате повышается коэффициент использования напряжения, что может обеспечить увеличение пространства для приемника, кроме того, сокращается расстояние между мишенью и приемником.

[0038] Возвратимся к Фигуре 3, где описывается типовое применение вышеописанных генераторов излучений в скважинных инструментах для геофизических исследований 514 для определения плотности и других характеристик породы 500, окружающей буровую скважину 502. Как отмечалось выше, инструмент 514 помещается в скважину для определения характеристик породы 500, при помощи последовательно выявляемого отраженного излучения. В иллюстрируемой реализации инструмент 514 содержит корпус скважинного прибора 516, внутри которого находятся компоненты, опускаемые в буровую скважину 502. В некоторых реализациях корпусом скважинного прибора 516 может быть корпус башмака. При этом, может также использоваться мандрелевидный защитный кожух для реализаций, таких как каротажный кабель, тросовый канат, бурение гибкой трубой, TLC, и т.д. В другой типовой конфигурации корпус скважинного прибора 516 может быть утяжеленной бурильной трубой для спуска в скважину при помощи монтажа внутри инструмента для каротажа во время бурения (КВБ) или для каротажа на трубах, и генератор излучения может быть помещен или находиться в каркасе внутри утяжеленной бурильной трубы.

[0039] Генератор излучения 512, такой как описанный выше (например, рентгеновский, нейтронный и др.), испускает излучение в толщу породы 500. Радиоактивное излучение рассеивается в некотором объеме породы 500 на различных глубинах, и получаемый в результате отражения излученный сигнал обнаруживается близко расположенным приемником 510 и далеко расположенным приемником 506, например, хотя в различных реализациях изобретения могут использоваться другие конфигурации.

[0040] Во время процесса бурения буровая скважина может быть заполнена буровой грязью. Жидкие фракции буровой грязи затекают в породу 500, оставляя осажденный слой твердых материалов буровой грязи на внутренней поверхности буровой скважины в виде глинистой корки 518. По вышеописанным причинам, для проведения измерений желательно устанавливать генератор излучения 512 и приемники 506, 510 насколько возможно ближе к внутренней поверхности буровой скважины. Неровности стенок буровой скважины могут быть причиной ухудшения точности измерений, поскольку корпус скважинного прибора 516 становится длиннее, поэтому желательно сохранять инструмент 514 в целом коротким настолько, насколько это возможно. Корпус скважинного прибора 516 опускается в нужное место и затем его защищают от стенок буровой скважины, например при помощи использования рычага, 508 и защитной подпорки 524. Инструмент 514, в одной реализации, опускается в буровую скважину 502 с помощью каротажного кабеля 520. Данные передаются обратно к блоку анализа 522 для определения характеристик породы. Инструмент 514 может использоваться для практического внутрискважинного применения, например, для каротажного кабеля, каротажа во время бурения (КВД), измерения во время бурения (ИВБ), каротажа в эксплуатационных скважинах, и постоянного мониторинга породы, как описано выше.

[0041] Способ изготовления генераторов излучения, таких как предложенный выше, описывается со ссылкой на блок-схему 700 на Фигуре 10. Исходной точкой является блок 701, в блоке 702 генераторная трубка (например, рентгеновская или нейтронная трубка) устанавливается в корпусе генератора 110, содержащего мишень и источник заряженных частиц, как описано выше. Кроме того, в блоке 703, по меньшей мере, один источник подключается к источнику заряженных частиц. Как описано выше, источник напряжения содержит каскадный умножитель напряжения 104, содержащий множество каскадов умножения напряжения, включенных в однополюсной (или двухполюсной) конфигурации, и одну или более нагрузочных катушек 105, подключенных, по меньшей мере, в одном промежуточном положении умножителя напряжения. Способ заканчивается блоком 704.

[0042] Как отмечалось выше, вышеописанный генератор излучения может быть использован в конфигурациях как с заземленной мишенью, так и с плавающей. Для большинства применений однополюсного нейтронного генератора на мишень подается отрицательное высокое напряжение, наряду с тем, что источник ионов виртуально заземлен. В рентгеновских трубках может быть целесообразным иметь мишень с заземленным потенциалом и источник электронов с высоким отрицательным потенциалом. В двухполюсной схеме, например, как мишень, так и источник ионов могут быть плавающими. В конфигурации с минитроном, могут быть заземлены или мишень, или источник ионов с диодами в каскадном умножителе напряжения, включенными прямо (или обратно) соответственно.

[0043] Много модификаций и других реализаций могут быть разработаны специалистом в данной области, который может воспользоваться идеей, представленной в предшествующем описании и соответствующих чертежах. Понятно, что различные модификации и реализации изобретения предназначены для того, чтобы они были включены в формулу изобретения.

Использование: для геофизического исследования скважин. Сущность изобретения заключается в том, что прибор для геофизического исследования скважин может состоять из устройства для крепления генератора в скважинном приборе и генератора излучения, находящегося в устройстве для крепления генератора в скважинном приборе. Генератор излучения может состоять из корпуса генератора, мишени, находящейся в корпусе генератора, источника заряженных частиц, который находится в корпусе генератора, направляющем заряженные частицы к мишени, и по меньшей мере одного источника напряжения, подключенного к источнику заряженных частиц. По меньшей мере один источник напряжения может состоять из каскадного умножителя напряжения, состоящего из множества каскадов умножения напряжения, соединенных в двухполюсной конфигурации, и по меньшей мере одной нагрузочной катушки, подключенной по меньшей мере в одном промежуточном положении умножителя напряжения. Прибор для геофизического исследования скважин может также содержать по меньшей мере один приемник излучения, находящийся в устройстве для крепления генератора в скважинном приборе. Технический результат: обеспечение возможности увеличения коэффициента использования напряжения, уменьшение вероятности электрического пробоя и радиационного разрушения устройства. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Инструмент для геофизического исследования скважин, который содержит:
корпус скважинного прибора;
генератор излучения, помещенный в указанный корпус скважинного прибора, содержащий
корпус генератора,
мишень, помещенную в указанный корпус генератора,
источник заряженных частиц, помещенный в указанный корпус генератора, чтобы направлять заряженные частицы к указанной мишени, и
по меньшей мере один источник напряжения, подключенный к указанному источнику заряженных частиц, причем по меньшей мере один указанный источник напряжения содержит
каскадный умножитель напряжения, содержащий множество каскадов умножения напряжения, соединенных в двухполюсной конфигурации, и
по меньшей мере одну нагрузочную катушку, подключенную по меньшей мере в одном промежуточном положении указанного умножителя напряжения; и
по меньшей мере один приемник излучения, находящийся в корпусе указанного скважинного прибора.

2. Инструмент для геофизического исследования по п. 1, отличающийся тем, что указанные каскады умножения напряжения содержат цепь положительного напряжения и цепь отрицательного напряжения и указанная по меньшей мере одна нагрузочная катушка содержит соответствующие нагрузочные катушки, подключенные в соответствующих промежуточных положениях указанной цепи положительного напряжения и указанной цепи отрицательного напряжения.

3. Инструмент для геофизического исследования по п. 2, отличающийся тем, что по меньшей мере одно из промежуточных положений соответствует одной третьей N, где N указывает количество вышеупомянутых каскадов умножения напряжения.

4. Инструмент для геофизического исследования по п. 1, отличающийся тем, что каждый из вышеупомянутых каскадов умножения напряжения содержит по меньшей мере один полупроводниковый диод.

5. Инструмент для геофизического исследования по п. 1, отличающийся тем, что указанный генератор излучения дополнительно содержит:
формирователь напряжения, подключенный к указанному каскадному умножителю напряжения;
по меньшей мере один датчик напряжения, подключенный к указанному каскадному умножителю напряжения; и
процессор для управления вышеупомянутым формирователем напряжения на основе данных по меньшей мере одного указанного датчика напряжения.

6. Инструмент для геофизического исследования по п. 1, отличающийся тем, что указанный источник заряженных частиц содержит генератор электронного потока.

7. Инструмент для геофизического исследования по п. 1, отличающийся тем, что указанный источник заряженных частиц содержит генератор ионного потока.

8. Инструмент для геофизического исследования по п. 1, отличающийся тем, что указанный каскадный умножитель напряжения содержит каскадный умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона.

9. Инструмент для геофизического исследования по п. 1, отличающийся тем, что указанный корпус скважинного прибора содержит корпус башмака.

10. Инструмент для геофизического исследования по п. 1, отличающийся тем, что указанный корпус скважинного прибора содержит корпус мандрели.

11. Инструмент для геофизического исследования по п. 1, отличающийся тем, что указанный корпус скважинного прибора содержит муфту для спуска вместе с инструментом каротажа во время бурения (КВБ); указанная муфта содержит каркас и указанный генератор излучения помещен в указанный каркас.

12. Генератор излучения, содержащий: корпус генератора;
мишень, помещенную в указанный корпус генератора;
источник заряженных частиц, помещенный в указанный корпус генератора, чтобы направлять заряженные частицы к указанной мишени; и
по меньшей мере один источник напряжения, подключенный к указанному источнику заряженных частиц, причем по меньшей мере один указанный источник напряжения содержит
каскадный умножитель напряжения, который содержит множество каскадов умножения напряжения, подключенных в двухполюсной конфигурации, причем каждый каскад умножения содержит по меньшей мере один полупроводниковый диод, и
по меньшей мере одну нагрузочную катушку, подключенную по меньшей мере в одном из промежуточных положений указанного каскадного умножителя напряжения.

13. Генератор излучения по п. 12, отличающийся тем, что указанные каскады умножения напряжения содержат цепь положительного напряжения и цепь отрицательного напряжения и указанная по меньшей мере одна нагрузочная катушка содержит соответствующие нагрузочные катушки, подключенные в соответствующих промежуточных положениях указанной цепи положительного напряжения и указанной цепи отрицательного напряжения.

14. Генератор излучения по п. 13, в котором по меньшей мере одно из промежуточных положений соответствует одной третьей N, где N указывает количество вышеупомянутых каскадов умножения напряжения.

15. Генератор излучения по п. 12, дополнительно содержащий:
формирователь напряжения, подключенный к указанному каскадному умножителю напряжения;
по меньшей мере один датчик напряжения, подключенный к указанному каскадному умножителю напряжения; и
процессор для управления вышеупомянутым формирователем напряжения на основе данных по меньшей мере одного указанного датчика напряжения.

16. Генератор излучения по п. 12, отличающийся тем, что указанный источник заряженных частиц содержит генератор электронного потока.

17. Генератор излучения по п. 12, отличающийся тем, что указанный источник заряженных частиц содержит генератор ионного потока.

18. Генератор излучения по п. 12, отличающийся тем, что указанный каскадный умножитель напряжения содержит каскадный умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона.

19. Способ изготовления генератора излучения, включающий:
позиционирование мишени и источника заряженных частиц в корпусе генератора таким образом, что источник заряженных частиц направляет заряженные частицы к мишени; и
подключение по меньшей мере одного источника напряжения к источнику заряженных частиц, причем по меньшей мере один указанный источник напряжения содержит
каскадный умножитель напряжения, который содержит множество каскадов умножения напряжения, подключенных в двухполюсной конфигурации, причем каждый каскад умножения содержит по меньшей мере один полупроводниковый диод, и
по меньшей мере, одну нагрузочную катушку, подключенную по меньшей мере в одном из промежуточных положений каскадного умножителя напряжения.

20. Способ по п. 19, отличающийся тем, что каскады умножения напряжения содержат цепь положительного напряжения и цепь отрицательного напряжения и по меньшей мере одна нагрузочная катушка содержит соответствующие нагрузочные катушки, подключенные в соответствующих промежуточных положениях цепи положительного напряжения и цепи отрицательного напряжения.

21. Способ по п. 20, в котором по меньшей мере одно из промежуточных положений соответствует одной третьей N, где N указывает количество каскадов умножения напряжения.

22. Способ по п. 19, отличающийся тем, что источник заряженных частиц содержит генератор электронного потока.

23. Способ по п. 19, отличающийся тем, что указанный источник заряженных частиц содержит генератор ионного потока.