CN101553076B - 中子发生器及包括中子发生器的测井工具 - Google Patents

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Abstract

中子发生器包括设置在包含可电离气体的增压环境中的离子源。离子源包括碳纳米管束从中伸出的基板。纳米管的末端与栅极隔开。离子源供电电路在离子源的基板和栅极之间施加正电压，从而使可电离气体电离并通过栅极发射离子。离子加速器部分设置在离子源和靶之间。离子加速器部分使通过栅极的离子朝向靶加速，使得离子与靶的碰撞导致靶产生并发射中子。离子源、加速器部分和靶装在密封管中，并优选碳纳米管束具有至少106个/cm2高度有序的沿基本平行于密封管中轴方向延伸的碳纳米管。该中子发生器提供原子/分子的比例比现有技术高得多的气体电离，这可实现小尺寸的紧凑设计以适用于在空间有限的井下环境使用的测井工具。

Description

中子发生器及包括中子发生器的测井工具
技术领域
本发明涉及中子发生系统，更具体地，本发明涉及新的改进的中子发生器，其特别适用于穿过狭窄的油井或井眼边界，也适于各种其它应用。由于本发明的中子发生器理想地满足测井设施的需要，现将就此进行说明。 
背景技术
早已公知使用高能中子发生器用于中子-伽马射线或中子-中子测井。用于油井测井工具的中子发生器通常要求可控的低压气氛和高强度磁场。因而，出于示例性目的，就适用于测井工具的中子发生器更周详地说明本发明。 
中子发生器通常具有三个主要特征： 
(i)提供反应物质如氘(2H)和氚(3H)的气体源； 
(ii)剥夺气体分子电子以产生正离子的离子源；和 
(iii)驱使离子以一定能量到达靶的加速间隙，该能量使得轰击离子与靶的氘核或氚核碰撞，以由靶产生并发射中子。 
通常，通过电子和不带电的气体分子在离子源内的碰撞产生负电子和正离子。电位不同的正极和负极通过使电子加速达到高于电离阈值的能量而促成离子的产生。所述高能电子与气体分子碰撞产生额外的离子和电子。同时，一些电子和离子失离正极和负极。通过这种方式，离子源内的正电荷和负电荷接近平衡。可通过延长电子撞击正极被中和之前在离子源内的行进距离来提高碰撞效率。一种已知的行程延长方法是垂直于前述电场建立磁场。经组合的磁场和电场使得电子在离子源内沿螺旋轨迹行进，从而明显增大了电子在离子源内的行进距离，从而提高了装置的碰撞效率。早在1937年这种称作“彭宁离子源(Penning ion source)”的离子源既已为人所知，例如参见F.M.Penning和J.H.A.Moubis在Physica 4(1937)1190上的文章。例如，在均转让给Schlumberger Technology Corporation的美国专利3546512或3756682中描述了用于测井工具的包括彭宁离子源的中子发生器 实例。 
然而，用于测井工具的使用彭宁离子源的中子发生器具有离子源的碰撞效率有限且原子/分子比较小的缺点。为了解决这种低效率，离子源采用旨在延长或加宽电子行程的设计。这些设计较笨重且增加了中子发生器的整体尺寸和/或重量。这关乎必须长距离传输到空间有限的井下环境中的测井工具。 
发明内容
本发明的中子发生器包括设置在包含可电离气体的增压环境中的离子源。该离子源包括碳纳米管束从中伸出的基板。纳米管的末端与栅极隔开。离子源供电电路在离子源的基板和栅极之间施加正电压，使可电离的气体电离并通过栅极发射离子。离子加速器部分设置在离子源和靶之间。离子加速器部分使离子经过栅极朝向靶加速，使得离子与靶碰撞导致由靶产生并发射中子。在优选实施方案中，离子源、加速器部分和靶体装在密封管中，并且碳纳米管束具有至少106个/cm2高度有序的碳纳米管，所述碳纳米管沿基本平行于密封管中轴的方向延伸。 
本发明的中子发生器提供原子/分子比远大于现有中子发生器的气体电离。这可以实现适用于在空间有限的井下环境中使用的测井工具的小尺寸紧凑型设计。在这种应用中，中子发生器和至少一个辐射探测器装在沿井眼移动并对井眼周围地层进行研究的探测仪(snode)中。 
结合附图，参考详细说明，本发明的其它目的和优势对于本领域技术人员将变得显而易见。 
附图说明
图1为井下测井工具和有关地上仪器的示意图。 
图2A为本发明图1所示测井工具的中子发生器的截面图。 
图2B为图2A所示中子发生器的离子源的局部示意图。 
具体实施方式
现参考图1和2A，本发明的中子发生器10可用作所示测井工具111的一部分。该中子发生器10包括如下所详述的容纳供气装置18、离子源 20、离子加速器部分22和靶24的密封绝缘中空柱状管12。通常，将管12封闭在充满电介质的金属外壳(未示出)中以使管12的高压元件绝缘。金属外壳和电气部件如井下遥测电路112，中子发生器控制电路114(如下所述其包括供气控制电路26A、离子源供电电路26B和高压供电电路26C)，至少一个辐射探测器(如116A、116B所示的两个辐射探测器)，及可能的其它系统部件，一同装在将被牵引通过井眼120的探测仪118中。示例的井眼120包括钢套管122和周围的水泥环124。通常通过电缆、盘管(coiled tube)或其它装置(标记为126)将探测仪118悬吊在井眼120中。多触点(multi-conductor)供电电缆130由悬吊装置126传送，并将电力(由供电电路132提供)由地面提供给井下的探测仪118及其中的电气部件，包括井下遥测电路112、中子发生器控制电路114、辐射探测器116A和116B以及中子发生器10。操作中子发生器10发射中子，以利用该中子辐射邻近探测仪118的地层。通过辐射探测器116A和116B探测从地层反射回来的中子和/或光子。辐射探测器116A、116B的输出通过联合井下遥测电路112和地上遥测电路132传输至地表，并通过信号分析器134进行分析，以获得相关地层的信息。更具体地，地质建造的油、气、水和元素具有不同的辐射信号，这允许对所述地质建造进行判定。本发明的中子发生器10可与其它测井工具共同使用，例如美国专利4794792、4721853、4600838和5313504(在此引入其全文作为参考)中所述的测井工具。 
如图2A所示，中子发生器10包括由绝缘材料如氧化铝陶瓷或玻璃制成的中空柱状管12。管12的端部通过横端板14和靶电极16封闭，以在管12内部提供气密性的柱状封套。供气装置18优选沿管12的中轴设置在端板14和导电法兰26之间。在优选实施方案中，供气装置18包括覆有金属氢化物膜(钛、钪和/或锆的氢化物)的螺旋盘绕的金属(如钨)灯丝等。灯丝两端19A和19B优选分别通过导电法兰26和端板14连接到供气控制电路26A上。供气控制电路26A通过向灯丝18提供电流加热(或冷却)灯丝18和其上的金属氢化物膜。灯丝18的金属氢化物膜通过受热(或冷却)而发射(或吸附)气态的氘和/或氚，进而在发生器工作过程中提供这些气体并控制气压。 
由供气装置18发出的气体经过供气装置18和离子源20之间的空间27扩散并进入离子源20。如图2B所示，离子源20包括导电基板51，所述导电基板51上形成有碳纳米管束53。碳纳米管束53可包括单壁碳纳米管、 多壁碳纳米管或它们的组合。单壁碳纳米管为圆筒形结构，其具有纳米级直径和由单原子石墨薄层(称作“石墨烯(graphene)”)形成的环状侧壁。多壁碳纳米管包括多层自身卷起来以形成管状的石墨。在优选实施方案中，碳纳米管束53通过化学气相沉积形成在导电基板51上，其中催化剂纳米颗粒布置在基板上适当限定的表面位置，然后在具有流动烃类气体的反应器中于高温下加热。通过烃分子和催化剂颗粒的催化裂解以及碳原子到所述颗粒中的溶解，由催化剂颗粒生长出碳纳米管。达到饱和时，碳原子从催化剂颗粒中析出，进而形成管状的碳结构。在优选实施方案中，基板51基本沿管12的中轴的横向取向，同时碳纳米管束53是高度有序的，即约106个/cm2的碳纳米管沿基本平行于管12的中轴y-y的方向延伸。栅极55沿管12的中轴的横向延伸。栅极55可由与管12内的电离氢环境相容的镍、钼或任何导电材料实现。 
优选离子源20的基板52和栅极55分别支撑并电连接在与离子源供电电路26B电连接的导电法兰29和31上。在发生器10工作期间，由供气装置18发出的气体通过基板51和碳纳米管束53中的孔或其它空隙(未示出)扩散，并进入碳纳米管束53的顶端与栅极55之间的空间54。离子源供电电路26B在基板51和栅极55之间提供正电压，使得空间54中的气体电离并通过栅极55发射所生成的离子。 
如果碳纳米管束53各顶端和栅极55之间的电场梯度足够大并且碳纳米管束53各顶端相对于栅极55处于高的正电位，则处于或接近碳纳米管束顶端的气体会发生电离。如果气体分子迁移到高电场梯度区域，则电子可从分子隧穿到达碳纳米管束53的碳纳米管的顶端，并在此通过碳纳米管传输至基板51，且随后传输至电路26B。然后，所得离子通过高电场梯度加速而离开碳纳米管的顶端并经过栅极55。基板51与栅极55之间的正电位差的大小以及碳纳米管束53的顶端与栅极55之间的间距控制着引发电离和离子发射的电场梯度。优选地，设置碳纳米管束53的顶端和栅极55之间的间距，以在约1mTorr的气压下，使基板51与栅极55之间的约1kV的正电位差产生100μA的离子电流。预期获得这样的离子电流的间距小于1mm。 
在碳纳米管束43的碳纳米管顶端附近产生并通过栅极55的离子进入离子加速器部分22，离子加速器部分22驱使离子以一定的能量到达靶24， 使得轰击离子与靶24的氘或氚靶核碰撞，进而由靶产生并发射中子。在所示的示例性实施方案中，离子加速器部分22包括支撑并电连接在导电支承法兰33上的引出电极32(extracting electrode)以及支承并电连接在导电支承法兰35上的抑制电极34(suppressor electrode)。高压供电电路26C分别通过法兰33、35与加速器部分22的电极32、34电连接，并且电连接在靶电极16上。在运行过程中，为了使离子以足够的能量向靶24加速，致使轰击离子从靶24中产生并发射中子，高压供电电路26C在引出电极32与抑制电极34/靶24之间提供大的正电位差(通常为80～180kV)。这种加速是由引出电极32与抑制电极34/靶24之间的间隙36中的高电场梯度产生的。抑制电极34优选由朝向靶24的具有中心孔的凹状构件实现，所述中心孔使得离子能够从中通过到达靶24。抑制电极用于阻止电子在离子轰击时从靶24中逸出(所述逸出电子通常称作二次电子)。为此，高压供电电路26C在抑制电极34和靶24之间提供500V～2kV的负电位差。为将离子流导入加速器部分22，相对于栅极55向引出电极32提供负电位(通常约为0.1～5kV)。 
在替换性实施方案中，可省略引出电极32。在这种情况下，利用离子源栅极55和抑制电极34/靶24之间大的正电位差使电子朝向靶24加速获得足够大的能量形成轰击离子，进而由靶24产生和发射中子。 
靶24优选包括沉积在面向离子源20的靶电极26表面的钛、钪或锆的金属氢化物薄膜。作为选择，可由碳扣形物(carbon button)实现靶24。碳扣形物的起始轰击产生较少的中子。随着时间的推移，大量碰撞离子进入并保留在碳靶的晶格中，从而引发轰击离子与靶核之间的中子发生反应并向靶提供核。还可使用其它合适的靶。 
离子源供电电路26B和高压供电电路36C可用于连续或以周期性脉冲形式提供可控的中子输出(例如脉冲输出模式)。可通过控制器或其它合适的逻辑电路控制脉冲频率和持续时间。 
为控制密封管12内的气压，供气控制电路26A优选调节通到供气装置18中的电流。通常通过设置在高压供电电路26C(或其它输出监测电路)和供气控制电路26A之间的反馈路径(feedback path)(未示出)实现这种调节。所述反馈路径传输追踪中子输出的信号。在中子输出降至期望值以下时，供气控制电路26A可增大密封管内的气压以增加中子输出。在中子输出增至期望值以上时，供气控制电路26A可降低密封管内的气压以减少中子输出。
有利地，本发明的中子发生器提供原子/分子比明显大于现有中子发生器(基于彭宁离子源)的气体电离。从而能够实现用于在空间有限的井下环境中使用的测井工具的小型紧凑设计。 
本中请说明并示例了中子发生器的实施方案、该中子发生器的操作方法和基于该中子发生器的测井工具。尽管对本发明的具体实施方案进行了说明，但本发明不限于此而是落在技术允许的宽泛范围内。因而，尽管披露了具体测井工具，但应当理解的是，本发明的中子发生器可用于其它测井工具和其它应用。另外，尽管披露了本发明的中子发生器的具体构造，但应当理解的是，也可采用其它构造。因而，本领域技术人员应当理解的是，在不偏离所附权利要求的构思和范围的情况下，仍可作出其它改进。

Claims (16)

1.一种中子发生器，包括：
设置在包含可电离气体的增压环境中的离子源，该离子源包括栅极和基板，碳纳米管束从所述基板上伸出至与所述栅极隔开的末端，所述碳纳米管束包括高度有序的平行碳纳米管阵列；
与所述离子源可操作连接的离子源供电装置，该离子源供电装置用于在所述基板和所述栅极之间提供正电压，以使所述可电离气体电离并通过所述栅极发射离子；
靶；和
设置在所述离子源和所述靶之间的加速器部分，该加速器部分使通过所述栅极的离子朝向所述靶加速，使得该离子与所述靶碰撞，导致所述靶产生并发射中子。
2.权利要求1的中子发生器，还包括：
至少与所述靶可操作连接的供电装置，该供电装置用于向所述靶提供使离子朝向所述靶加速的电压信号。
3.权利要求1的中子发生器，还包括：
产生可电离气体的装置。
4.权利要求3的中子发生器，其中：
所述产生可电离气体的装置包括灯丝和加热所述灯丝的电流源。
5.权利要求1的中子发生器，其中：
所述离子源、加速器部分和靶设置在由具有中轴的玻璃或陶瓷管外壳限定的密封室中，并且所述离子源的碳纳米管沿基本平行于所述中轴的方向延伸。
6.权利要求1的中子发生器，其中：
所述离子源的所述碳纳米管束包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或它们的组合。
7.权利要求1的中子发生器，其中：
所述碳纳米管束包括至少106个/cm2碳纳米管。
8.权利要求7的中子发生器，其中：
所述离子源供电装置在所述基板和所述栅极之间施加约1kV的正电压。
9.权利要求8的中子发生器，其中：
所述碳纳米管束的末端与所述栅极以小于1mm的间隔隔开。
10.权利要求9的中子发生器，其中：
所述离子源在1mTorr的气压下能够产生至少100μA的离子电流。
11.权利要求2的中子发生器，其中：
所述加速器部分包括引出电极并且所述至少与所述靶可操作连接的供电装置相对于所述靶向所述引出电极提供高的正电位信号。
12.权利要求2的中子发生器，其中：
所述加速器部分包括抑制电极并且所述至少与所述靶可操作连接的供电装置相对于所述靶向所述抑制电极提供负电位信号。
13.权利要求1的中子发生器，其中：
通过相对于所述靶向所述栅极提供高的正电位信号，实现所述加速器部分。
14.权利要求1的中子发生器，其中：
所述可电离气体包括至少一种氢的同位素。
15.权利要求14的中子发生器，其中：
所述至少一种氢的同位素选自氘、氚和它们的组合。
16.一种研究井眼周围地层的测井工具，包括结合权利要求1的中子发生器和至少一个辐射探测器的探测仪。
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