CN101460003B - 低能中子发生器 - Google Patents

Abstract

一种低能中子发生器及其构造方法。所述发生器包括一个配置为当通过电子撞击到其上而被加热时能产生出可电离气体的栅极。阴极发射出电子用以加热栅极并和产生的可电离气体原子相碰撞来产生离子。中子在撞击到发生器内部的靶材上的离子的碰撞中产生。一种适于地下使用的工具结合了所述中子发生器。

Description

低能中子发生器

技术领域

本发明主要涉及用于产生中子的装置，尤其涉及应用于地下的中子发生器。

背景技术

在用于地下水、石油及天然气的开采和检测的勘探中，确地质层组(geological formation)的特性具有十分重要的意义。为此，现已开发了多种技术来测量地下特征并评估获得的数据来确定目标区的岩石特征。这些技术典型地包括在地下部署多个工具或仪器，其上装备有适于向地层发出能量(通常通过一个穿过地层的井眼)的发生源。发出的能量与周围地层相互作用后产生的信号被仪器上的一个或一个以上的传感器或探测器所探测和测量。通过处理探测到的信号数据，能够获得地下特征的一个概况或记录。

目前已经开发了多种用于评估地层的测井技术(logging technique)。许多这种技术需要向地层发射中子并评估中子与地层原子核的反应结果。中子不带电荷且具有与质子相同的质量。电荷的缺乏使中子能够穿透进入地层。中子的这种特性使其成为地下测井应用的理想选择。在地层当中，中子与物质发生多种方式的反应。这些反应当中的一些特性能够用来测量地层的特征。

不同类型的放射源已经被用于地下测井系统中。例如，中子或伽玛射线可简单地通过使用放射性同位素(能够随着时间自然衰变)产生，可以用一个X射线源，或者可以在电子设备中产生中子，该设备在需要时利用核反应产生中子。美国专利号3255353、4810459、4879463和4904865描述了装备有活性放射源和适当传感器的测井仪。对于中子测井，化学发生源具有实质上不会毁灭的优点。它没有电子部件，所以可以靠它持续产生中子(零停机时间)。然而，这也是化学发生源的一个缺点。由于中子的发射不能被中断，操作发生源和装有发生源的仪器时必须遵守严格的放射安全程序。这一缺点促进了电子中子发生源的发展。

高能中子可利用核聚变反应通过高能粒子的受控碰撞产生。这样的系统通常被称作中子发生器。通过利用高能粒子束可以按需要产生中子，这使得构建这样的中子发生源成为可能，该中子发生源以精确设定的持续时间和时间序列发出成群的中子。美国专利号5239410描述了这样的一种脉冲中子发生器。在′410专利中描述的中子发生器利用了一个加速管，诸如氘离子之类的带电粒子在加速管里通过静电电压被加速并和诸如氚一类的靶元素相碰撞。氘离子与氚元素靶的反应产生绝大多数处在14兆电子伏能量水平的单能中子。在大多数应用中，中子并不是持续发出的，而是按精确设定的持续时间和重复的顺序以小段方式发出。当使用这样的脉冲中子发生器时，仪器周围的地层受到重复的、不连续的中子“群”的轰击。美国专利号4501964、4883956、4926044、4937446、4972082、5434408、5105080、5235185、5539225、5219518和5608215描述了装有中子发生器的测井仪。

图1示出了一个“热阴极”电子中子发生器10。这类发生器10通常有三个主要部件：

(i)气体源，用来供应反应物，例如氘(H²)和氚(H³)；

(ii)离子源，通常包含至少一个阳极和一个发射电子的阴极；以及

(iii)加速缝隙，用来将产生的离子驱动到达靶材处以发生核反应并产生兆电子伏(MeV)量级的能量。

图1中的中子发生器10使用一个由覆盖有锆涂层的螺旋灯丝14构成的气体发生源12，它在加热时释放气体。在典型的操作条件下，灯丝14被电流加热来激发气体的释放，阴极16被电流加热，发射出的电子通过电场被加速后产生出离子束去撞击靶材18并产生中子。这种常规发生器的设计需要相当大的电能来驱动其组件。

许多电压式中子发生器在运行时需要带一个电池组作为电源。此外，用于行星和小行星的元素分析的中子发生器的空间应用需要一个靠尽可能小的功率来运行的系统。常规中子发生器有非常高的功率需求。因此需要一种靠较小功率来运行的改进型中子发生器。

发明内容

本发明一方面提供了一种在地下使用的中子发生器。该中子发生器包括栅极，被配置为当通过电子撞击到其上而被加热时产生出可电离的气体；阴极，被配置为用于发射电子，以加热栅极并和可电离气体原子相碰撞而产生离子；以及靶材，用于从撞击到靶材上的离子的撞击中产生中子。

本发明另一方面提供了一种在地下使用的中子发生器。该发生器包括管，形成有容纳气体的密封壳；设置在管内的栅极，当通过电子撞击到其上而被加热时产生可电离的气体；设置在管内的阴极，用于发射电子，以加热栅极并和可电离气体原子碰撞来产生离子；以及设置在管内的靶材，从撞击到靶材上的离子的碰撞中产生中子。

本发明的另一方面提供了一种地下使用的与中子发生器结合为一体的工具。所述中子发生器包括管，形成有容纳气体的密封壳；设置在管内的栅极，以在栅极通过电子撞击到其上而被加热时产生可电离的气体；设置在管内的阴极，用于发射电子，以加热栅极并和可电离气体原子碰撞来产生离子；以及设置在管内的靶材，从撞击到靶材上的离子的碰撞中产生中子。

本发明另一方面提供了一种制造地下使用的中子发生器的方法。此方法包括在管内设置阴极；在管内设置栅极，以在栅极通过电子撞击到其上而被加热时产生可电离的气体；设置阴极来发射电子，去撞击栅极并和可电离气体原子碰撞来产生离子；在管内设置一个靶，从撞击到靶材上的离子的碰撞中产生中子。

本发明另一方面提供了一种制造地下使用的中子发生器的方法。此方法包括在管中设置阴极，该管被配置为适于安装在地下处理的工具上，且该管形成了容纳气体的密封壳；在管内设置用来接收阴极发射出的电子的栅极，该栅极在通过电子撞击到其上而被加热时产生出可电离的气体；配置阴极以发射电子，从而与可电离气体原子碰撞以产生离子；在管内设置靶材，从撞击到靶材上的离子的碰撞中产生中子。

附图说明

通过阅读以下详细的描述和示意图的参考资料，本发明的其他方面和优点将会变得显而易见，在示意图中各个元件都给出了相应的数字标记，其中：

图1是常规中子发生器示意图；

图2是按照本发明设计出的中子发生器的示意图；

图3是具有按照本发明设计出的中子发生器的井下工具的示意图；

图4示出了按照本发明制造中子发生器的方法的流程图；

图5示出了按照本发明制造中子发生器的方法的另一个流程图。

具体实施方式

图2示出了本发明的一个方面。其中的中子发生器30一般包括有类似于美国专利号5293410(转让给本申请人并在此全文引用作为参考)描述的发生器的结构。发生器30包括由合适的材料制造并提供气密室的空心筒形的管32，离子源管34，气体供应栅极36，引出电极38，靶电极40，以及阴极48。管32内含有相互平行并横向设置的凸缘43、44、46来提供导电通路并为这里描述的发生器元件提供坚实的支撑。

离子源管34包括筒形空心电极50，其对准发生器30的纵轴并由栅网或线圈制成。电极50被牢牢地固定在凸缘44上(例如通过导电焊盘)。电极50被构造为能提供一些功能。

电极50的一部分包括栅极36，栅极36设置为与发生器纵轴横截，并邻近阴极48。栅极36为发生器30提供气体供应。栅极36包括平面栅网或筛网，其涂有加热时能释放可电离的氘和氚气体的材料。栅极36可以由任何的高熔点材料制成，譬如钨或铼或它们的合金。栅极36可覆盖由钛、钪或锆形成的薄膜。覆盖物可用本领域公知的任何技术涂到栅极36上。在图2示出的实施方式中，栅极36在离子源管34的一端位于阴极48的前面。其他实施方式中栅极36可以被安装在电极50的中空部分(未示出)。

栅极36还能促进电子发射，将电子加速从阴极48射向栅极36。电极50延长的中空部分在离子源区域形成电场，从而将离子源管34的离子发射出来。栅极36段与电极50的中空部分相互电连接并以相同的电压工作。在几百伏特范围内的电压(直流或脉冲电流)可以被施加于电极50。

在图2中示出的实施方式中，阴极48被设置为靠近电极50的一个末端。阴极48包括由加热时易于发射电子的材料块构成的电子发射器。阴极48的发射器被固定在凸缘43上并连接到阴极加热电流源100来提供加热发射器所需的功率，如本领域所公知的方式。在本发明的其他实施方式中，阴极48可以配置有一个以上的发射器元件，或者设置在空心电极50(未示出)内部的发射器。

在一些实施方式中，阴极48包括热离子阴极。热离子阴极是被加热的阴极，与不需要加热就发射电子的冷阴极相反。当用热离子阴极48实施时，阴极最好是“散布”式(dispenser type)或“容积”式的。相比其他热离子类型阴极，在氢气环境中使用的散布式阴极能使每单位加热器能量产生的电子发射量最大化，同时能在一个中等的温度下操作。阴极发射块的实施方式包含由多孔钨制成的基底，里面充满易于受激发射出电子的材料，譬如钡氧化物和钪氧化物等组合制成的混合物。每一种阴极都对其运行环境(气压和气体种类)具有不同的易感性。散布式阴极在真空要求和避免污染的保管需要方面是苛刻的。本发明是通过把散布式阴极安置在发生器壳体内部的氘或氚气体环境中而实施的。这种结构能够提供几百小时的电子射流，然而只需要几瓦特的加热器功率。向阴极48供电的是阴极加热器电流源100，其独立于离子源管34的电压源150。这样的实施方式可以对加热器电流源100和电压源150进行更好的控制。

发生器30还包含了设置在离子源管34末端的引出电极38，其面向位于管32末端的靶电极40。引出电极38由凸缘46支承。引出电极38包括一个环型主体(例如，由镍或合金制成)并且其纵轴与管32的纵轴排列在一条线上。电极38主体的中心孔52在离开离子源管34向外的方向发散，从而在主体的末端产生了一个面朝靶电极40的花托状外形39。

引出电极38为加速缝隙54提供了一个电极，加速缝隙54推动电离的氘和氚粒子从离子源管34射向充满氘和氚的靶材40。钛或钪的薄膜沉积到面向离子源管34的靶电极40的表面上，。

加速离子射向靶材40的电势在很大程度上建立在引出电极38和抑制电极56之间。抑制电极56是一个朝向靶电极40的凹状部件，它具有置于中央的孔58，该孔使得处在缝隙54中被加速的离子能够撞击到靶材电极40上。抑制电极56与高压源160相连接。为了防止电子在离子轰击中从靶材40上被引出(二级电子)，抑制电极56最好处在相对于靶材电极40为负的电压。

本发明还可以在引出电极38上附加一个切断电极60。正如美国专利号5293410中所描述的，在电压脉冲关断时，慢速移动的离子往往使中子脉冲产生拖尾，这对脉冲形状是有害的。切断电极60能对这种状况提供校正。所述电极60的外形可以是网筛状，其被安装在引出电极38的孔52上，面向离子源管34。切断电极60可以由高穿透性的钼网制成。切断电极60受电压脉冲控制，该脉冲同步于施加在阳极50上的电压脉冲并与其互补。施加在切断电极60上的脉冲为正。在另一个方面中，切断电极60不是受电压脉冲控制，而是可以保持在正电压下(例如，几伏特)。这种低正电压防止在离子束中脉冲的末端产生的慢速离子离开离子源，从而使中子脉冲末端能够迅速切断(即，一个短暂的下降时间)。切断电极60最好用球缺形状的金属栅极制造，并且其凹面朝向靶材电极40。电极60的一部分网面可以突出到筒状中空阳极50的内部。

为了产生受控的中子输出，持续的或周期喷射的，离子源管34的电压源150为轰击离子束提供动力。在脉冲操作模式中，离子源电压源150的输出端可配备一个离子源脉冲器来调节其操作。在这个实施方式中，离子源脉冲器有一个连接到电极50上的直接输出，还有一个连接到引出电极38上的互补输出。高压源160、离子源电压原150，以及离子源脉冲器都可以是本领域公知的任何适合的类型(例如，在美国专利号3756682，3546512或者5293410中描述的)。

如前所述，对发生器30供应的可电离气体是由栅极36提供的。在操作期间，阴极48发射出的电子束流中的一些电子在运行路径上与栅极36相撞并使其加热。其他电子穿越栅极36中的开口去和可电离气体原子相碰撞。被加热的栅极36释放出气体氘和氚，在发生器密封壳内达到一定的气压，这个气压足以获得运行发生器30所需的离子束流。由于气体释放是通过加热栅极36被激活的，因此可以通过阴极加热流来控制离子束流，从而控制中子的发生。例如，本发明的一个方面可以将高电压和电极50的电压配置为固定值，这样靶材40上的离子束流将是阴极48加热流、栅极36的温度状况和加到管32上的氘和氚的量的函数。如果由于阴极电子发射量的增加使得中子输出量增加，就可以调节阴极加热流来减少栅极上的离子束进而降低发生器内部的气压。降低的气压有效地减少了可用来加速的离子数量，从而将中子输出恢复到一个稳定的调节数值。在本发明的另一方面，施加到管上的氘和氚气体的量可以用来决定离子束流的范围，发生器在该范围内运行。例如在壳内的氘和氚气体的量能够使阴极48被加热时发射出强度为20毫安、经过240伏特加速的电子的情况下，离子束流可以通过调节阴极加热流来控制(例如，在0到100微安范围内)。

如果需要，可以直接监控中子输出量，并且阳极的电压源和高电压电源都能得到自动或手动控制以获得稳定的中子输出。如果只给发生器30供应氘气体，那么中子的产生是氘和氘相互作用的结果，而不是前文中认为的氘与氚的反应。

引出电极38和抑制电极56之间建立的高电压产生了很高的电势梯度，这个电势梯度将氘和氚离子加速，使其从引出电极38的电极孔52射向靶材40。离子所获得的能量足以在发生撞击的离子和靶材的核子之间激发中子发生反应，并且为靶材40补充新的靶材材料。

图3示出了本发明的另一个方面。穿透进地下地层的井眼72中安装了一个井下工具70。例如，工具70可能是美国专利7073378、5884234、5067090和5608215所描述的类型(全部被指定到本申请人并在此全文引入作为参考)。工具70包含一个本发明的中子发生器30，它能向井眼72周围的地层发射出中子的连续脉冲。中子和地层核子之间的反应导致的辐射被核探测器76所探测。为了减少不必要的直接辐射流量，在探测器76和中子发生器30之间插入了适当的屏蔽器78。典型地，探测器76的输出信号按照本领域所公知的手段通过电子元件/电路80进行分析并传输到计算机82。虽然没有在图3中示出，中子发生器30的其他实施方式可以使用多腔结构，其中包括一个容纳在另一个腔室(可容纳功率源、附加气体源等)中的内管(诸如密封管32)，该腔室又可以进一步被容纳在第三腔室(可被配置为保护其中内容免受外部压力和腔室附件的损坏)中。

如图所示，工具70通过支架84被支撑在井眼72内，支架84可以是线缆系统(例如滑线、测井电缆、连续油管(coiled tubing)等)或者是随钻系统中的钻柱。利用线缆工具，工具70在井眼72中通过绞盘86被提升或降低，该绞盘86由地面设备88来控制。支架84包含导线90，它把井下电子器件、中子发生器30和地面设备88连接起来，以实现信号/数据/电力和控制的传输。或者替代地，使用钻柱或者滑线测井电缆，电力可以供应到井下，信号/数据可在工具70中处理和/或记录，处理好的数据通过多种方式传送到地面设备88。

图4示出了按照本发明用于构造中子发生器的方法200的流程图。在一个方面中，该方法在步骤205中将阴极48布置在管中。在步骤210中，在管内布置栅极36，从而当其被电子撞击而加热时能产生一种可电离的气体。在步骤215中，阴极被配置为用来发射电子去撞击栅极并且和可电离气体的原子碰撞以产生离子。在步骤220中，靶材40布置在管内，用来通过撞击到靶材上的离子的碰撞中产生中子。

图5示出了按照本发明的用于构造中子发生器的方法300的流程图。在一个方面，该方法在步骤305中将阴极48布置在配置为安装有用于地下处理的工具70的管里，该管形成了容纳气体用的密封壳。在步骤310中，栅极36被布置在管内以用来接收阴极发射出的电子，该栅极被配置为当由撞击到其上的电子加热时可发射出电子。在步骤315中，阴极被配置为发射电子以与可电离气体原子相撞击来产生中子。在步骤320中，在管内设置了靶材40来通过撞击到靶材上的离子的撞击来产生中子。方法200和300的实施方式可以用这里揭示的任何构造和技术来实现。

对本领域技术人员而言，很明显本发明的各方面都可以用具备适当硬件的、编制有用于执行本发明技术方案的软件的通用型计算机来实现。编制程序可以如下方式实现，即用计算机处理器可读的一个或多个程序存储设备，并且对计算机可执行指令的一个或多个软件程序进行编码以执行所述的操作。程序存储设备可以采用下列形式，如一或多张软盘、CD ROM或其他光盘、磁带、只读存储器芯片(ROM)，以及其他本领域公知的或今后研发的形式。指令程序可以是“目标代码”，例如以基本能够由电脑直接执行的二进制形式，在执行前需要编译和解释的“源代码”形式，或者以一些中间形式，如部分编译代码。这里的程序存储设备和指令编码的准确形式是非实质性的。所以这些处理方法可以用在地表仪器、系统工具、远离井眼地点的位置中，或者通过本领域公知的方式共享。在希望显示处理过的或原始的数据/图像的场合，本发明的各方面还可以使用本领域所公知的常规显示手段来实现。

虽然本发明公开描述了本发明的各具体方面，本领域技术人员通过对本发明所公开的内容进行研究，可以很容易得到多种修改和变体形式，包括与所述要素进行相同功能和/或者结构的等效替代。例如，作为改进，在以上公开的仪器构造上增加一些额外的多种发生源或传感器来执行(核类型测量之外的)地下测量工作。同样作为改进，以上公开的各方面可以使用常规的电子元件、传感器、硬件、电路、腔室和本领域公知的材料实现。利用以上公开的配置实现的系统用于线缆、滑线、开采测井、LWD/MWD、LWT、海洋环境、水库监视都是本发明可能的应用地点。对本领域技术人员来说，所有这些类似的变化都认为处于所附权利要求书中定义的本发明的范围之内。

Claims (25)

1. 一种在地下使用的中子发生器，包括：

栅极，被配置为当通过电子撞击到其上而被加热时产生出可电离的气体；

阴极，被配置为用于发射电子，以加热栅极并和可电离气体原子相碰撞而产生离子；以及

靶材，用于从撞击到靶材上的离子的撞击中产生中子。

2. 根据权利要求1所述的中子发生器，其中所述栅极涂覆了加热时释放出可电离气体的材料。

3. 根据权利要求1所述的中子发生器，其中所述栅极定位在可接收阴极发射出的电子的直接通路中。

4. 根据权利要求1所述的中子发生器，其中所述阴极被配置用来接收可调整的电流。

5. 根据权利要求1所述的中子发生器，其中所述发生器包括一个容纳栅极、阴极和靶材的管。

6. 根据权利要求5所述的中子发生器，其中所述管形成了用于容纳栅极释放的可电离气体的密封壳。

7. 根据权利要求5所述的中子发生器，还进一步包括设置在管内部的氘或氚气体。

8. 一种在地下使用的中子发生器，包括：

管，形成有容纳气体的密封壳；

设置在管内的栅极，以在栅极通过电子撞击到其上而被加热时产生可电离的气体；

设置在管内的阴极，用于发射电子，以加热栅极并和可电离气体原子碰撞来产生离子；以及

设置在管内的靶材，从撞击到靶材上的离子的碰撞中产生中子。

9. 根据权利要求8所述的中子发生器，其中所述栅极涂覆了加热时释放出可电离气体的材料。

10. 根据权利要求8所述的中子发生器，其中所述栅极定位在可接收阴极发射出的电子的直接通路中。

11. 根据权利要求8所述的中子发生器，其中所述阴极被配置为用来接收可调整的电流。

12. 根据权利要求8所述的中子发生器，其中所述管包括设置在管内部的氘和氚气体。

13. 一种在地下使用的与中子发生器结合的工具，所述中子发生器包括：

管，形成有容纳气体的密封壳；

设置在管内的栅极，以在栅极通过电子撞击到其上而被加热时产生可电离的气体；

设置在管内的阴极，用于发射电子，以加热栅极并和可电离气体原子碰撞来产生离子；以及

设置在管内的靶材，从撞击到靶材上的离子的碰撞中产生中子。

14. 根据权利要求13所述的工具，其中所述栅极上涂覆了加热时释放可电离气体的材料。

15. 根据权利要求13所述的工具，其中所述栅极定位在可接收阴极发射出的电子的直接通路中。

16. 根据权利要求13所述的工具，进一步包括用于阴极的可调节电流源。

17. 根据权利要求16所述的工具，进一步包括用于发生器电子元件的电压源。

18. 根据权利要求13所述的工具，其中所述管包括设置在管内部的氘或氚气体。

19. 一种用于构造地下使用的中子发生器的方法，包括：

在管内设置阴极；

在管内设置栅极，以在栅极通过电子撞击到其上而被加热时产生可电离的气体；

配置阴极以发射电子，以撞击栅极并和可电离气体原子碰撞来产生离子；

在管内设置靶材，从撞击到靶材上的离子的碰撞中产生中子。

20. 根据权利要求19所述的方法，其中所述栅极涂覆了加热时释放出可电离气体的材料。

21. 根据权利要求19所述的方法，其中所述栅极定位在可接收阴极发射出的电子的直接通路中。

22. 根据权利要求19所述的方法，进一步包括在阴极上连接可调节的电流源。

23. 根据权利要求22所述的方法，进一步包括在发生器的电子元件上连接电压源。

24. 根据权利要求19所述的方法，进一步包括在管内部设置氘或氚气体。

25. 一种用于构造地下使用的中子发生器的方法，包括：

在管中设置阴极，该管被配置为适于安装在地下处理的工具上，且该管形成了容纳气体的密封壳；

在管内设置用来接收阴极发射出的电子的栅极，该栅极在通过电子撞击到其上而被加热时产生出可电离的气体；

配置阴极以发射电子，从而与可电离气体原子碰撞以产生离子；

在管内设置靶材，从撞击到靶材上的离子的碰撞中产生中子。

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