CN103946724A - 用于井下核辐射产生器的浮置中间电极配置 - Google Patents

用于井下核辐射产生器的浮置中间电极配置 Download PDF

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Abstract

提供了用于井下核辐射产生器的改进的电极配置的系统、方法和设备。例如，能够进行井下操作的核辐射产生器的一个实施例可以包括带电粒子源、靶材料以及带电粒子源和靶材料之间的加速柱。加速柱可以包括保持浮置于可变电势的中间电极，与其余的加速柱电隔离。

Description

用于井下核辐射产生器的浮置中间电极配置
技术领域
本公开大体涉及用于核测井的井下辐射产生，尤其是，涉及用于井下核辐射产生器管的电极配置。
背景技术
井下产生器管可以包括三个主要的组件：离子源、加速柱和靶。由离子源附近的电极和靶附近的电极之间的势差引导，来自离子源的离子束可以通过加速柱向靶前进。当加速的离子撞击靶时产生中子和/或伽玛射线。然而，在离子束通过加速柱前进时，一些离子会撞击电极而不是靶。这会出现部分因为井下中子产生器管的加速柱可保持加压气体而不是真空的，并且来自离子束的离子会撞击加速柱中的加压气体粒子并改变方向。
当来自离子束的离子撞击到加速柱中的电极上时，会产生由离子诱发的溅射。溅射导致电极材料的发射和传输，这大体上可以是各向同性的，并且大体上可以从发射点以直线行进。因此，导电的电极材料会凝结在围绕加速柱的附近的陶瓷高压绝缘体上。如果高压绝缘体在加速柱的相当大长度范围内由溅射的电极材料覆盖，离子源附近的电极和靶附近的电极之间的电压电势会在灾难性的泄漏事故中产生电路短路。即使加速柱未短路，沿高压绝缘体的溅射的电极材料可以形成可导沉积膜，其承受离子源电势和靶电势之间的中间电压。该可导沉积膜可以增加加速柱中相邻电极上的电场应力。增加的电场应力可以使高压泄漏电流增加，还会增加由于绝缘体上的泄漏电流或来自一个电极的电场发射的灾难性的泄漏事故的可能性。
对于井下中子产生器，不均匀的靶表面磨损也会有问题。由于从离子源到靶的离子束可能是中心加权的，在撞击靶时离子束会在束点范围内不均匀地分布。这种不均匀的分布会在靶端产生不均匀的磨损，这会导致中子产生器的中子产出量随着部分靶过早磨损而减少。
类似地，井下X射线产生器管也可以包括三个主要的组件：电子发射体(阴极)、加速柱以及靶(阳极)。来自阴极的电子束可以由靠近电子枪(阴极)的电极和阳极或相邻电极之间的势差引导，通过加速柱向阳极前进。在电子撞击阳极并减速并且在材料中散射时，在内壳层电离后通过轫致辐射或特征X射线的发射产生X射线。然而，在电子束通过加速柱前进时，一些电子会击中电极而不是到达阳极。由于这个原因以及其它的原因，上面提到的很多相同的问题会影响井下中子产生器管以及X射线产生器管。
发明内容
下面将描述与原来所要求保护的实施例的范围相称的特定方面。可以理解的是，这些公开的方面仅仅为公开的实施例可能呈现的形式提供简要说明，并且这些方面不限制公开的主体的范围。事实上，公开的主体的实施例还可能包括下述部分未阐述的各种方面。
目前公开的实施例涉及与用于井下核辐射产生器的改进的电极配置以及操作方法相关的设备和方法。能够进行井下操作的中子产生器管的实施例可以包括离子源、靶电极，以及设置在离子源和靶电极之间的加速柱。加速柱可以包括多个电极，更优选地包括：离离子源比离靶电极更近的提取电极、离靶电极比离离子源更近的抑制电极，以及设置在提取电极和抑制电极之间的中间电极。在一个优选的操作方法中，中间电极保持电浮置而不是把中间电极连接到外部电源，以使得其势差由产生在产生器管内部的现象定义，例如到中间电极以及来自中间电极的场发射和次级电子发射。
附图说明
阅读下面详细的描述并参考附图，本发明的优势可以变得明显，其中：
图1是根据实施例的中子产生器的示意框图；
图2是根据实施例，具有包括中间电极的电极配置的中子产生器管的截面示意图；
图3是根据实施例，图2中的轴向中子产生器管的上半部的电势分布的截面示意图；
图4是根据实施例，具有多个中间电极的电极配置的中子产生器管的上半部的电势分布的截面示意图；
图5是根据实施例，描述图4的中子产生器管的上半部的电极表面上的电场应力的曲线；
图6是根据实施例，具有多个中间电极的电极配置的另一个中子产生器管的上半部的电势分布的截面示意图；
图7是根据实施例，描述第一电势下图6的中子产生器管的上半部的电极表面上的电场应力的曲线；
图8是根据实施例，描述第二电势下图6的中子产生器管上半部的电极表面上的电场应力的曲线；
图9是根据实施例，具有8个布置在有效模式中的中间电极的中子产生器管的截面示意图；
图10是根据图9的实施例，具有多个中间电极的电极配置的中子产生器管的上半部的电势分布的截面示意图；
图11是根据实施例，使用一个高压电源的高电势中子产生器的框图；
图12是根据实施例，使用两个高压电源的高电势中子产生器的框图；以及
图13是指示图12示出的中子产生器的接地的中间电极的机械支撑的示意图。
具体实施方式
本文中的公开大体描述了用于井下核辐射产生器的加速柱的各种电极配置，例如中子产生器管或X射线产生器管。尽管本公开主要描述在中子产生器管情况下的配置，公开的关于其使用的电极配置和技术可以同样地应用到井下X射线产生器管。特别是，中子产生器管的离子源和靶电极可以分别类比于井下X射线产生器管的阴极和阳极。因此，井下X射线产生器管的加速柱可以类似地采用参考中子产生器管描述的电极配置和技术。当井下X射线产生器管采用这样的电极配置和技术，来自阴极的电子束在向阳极行进时撞击任何中间电极的可能性会减少，撞击中间电极会导致寄生X射线和/或次级电子发射。这样的X射线管的大体描述可以在授予斯伦贝谢技术公司(Schlumberger Technology Corporation)的5,680,431号美国专利，“X-RAY GENERATOR”中找到，其在这里整体并入作为参考。
因此，本文中公开的电极配置和相关的操作技术可以应用到可以通过加速柱向靶材料加速带电粒子以产生核辐射的任何井下核辐射产生器。这样的井下核辐射产生器可以包括带电粒子源(例如，离子源和/或阴极)，用于向靶材料(例如，靶电极和/或阳极)发射带电粒子(例如，离子和/或电子)，靶材料被带电粒子撞击时可以产生核辐射(例如，中子和/或X射线)。
在前文基础上，图1表示适用于井下工具的中子产生器10的截面示意图。中子产生器10可以包括具有加压的绝缘气体3和各个设备组件的压力外壳12。例如，中子产生器10可以包括经由外部电源和控制馈通5外部控制的高压电源4。该高压电源4可以经由负高压线6传送范围从50kV到150kV或更大的高压到真空中子产生器管11中的靶电极18。中子产生器管11还可以包括由外部电源和控制馈通7控制的真空密封体内的离子源16。该真空密封体可以包括隔离位于离子源16和靶电极18之间的各个电极(在图3中示出的以及在下面描述的)的高压绝缘体28。在离子源16中产生的离子可以向靶电极18加速，进入的离子和位于靶电极18中的原子核之间的核反应可以产生中子。利用氘核与氚(即，d-T反应)的反应可以产生中子，这会由d+T→n+alpha+17.6MeV产生14.1MeV中子，其中d是2H原子的原子核，T是3H原子，alpha是4He原子的原子核。
中子产生器管的靶电极18可以是用3H饱和的钛盘。离子源16可以使氘2H2气体电离，所得到的分子离子或裸原子核可以通过离子源16和靶电极18之间的电场加速至靶电极18。离子束可以脉冲化以获得中子爆发。连续的操作也可以是可能的。
中子产生器管11和高压源4可以被封闭在包含绝缘气体3的压力外壳12中，以及绝缘封装体(未示出)中以在有限的可用空间中产生和施加所需的高压。绝缘气体3可以包括在从几psig到大于100psig的范围内的压力下的SF6。进入压力外壳12的馈通5和馈通7可以向中子产生器11的高压部分供电，并监测用于外部控制的输出。类似地，可以向离子源16供电(可以包括控制电压和电流)以调节和/或脉冲化离子束电流。
图2是图1的中子产生器10的更详细的横截面示意图，尤其示出了中子产生器管11的改进的电极配置。位于压力外壳12内的加速柱14可以为离子束从离子源16朝向靶电极18行进提供路径。加速柱14可以大体保持在离子源16的正确运行通常需要的低气压，而不是在真空中，因为中子产生器管10是用于井下使用的工具并且中子产生器管11可以是密封的。因此，在中子产生器管11的各个部分不会保持压差，如在很多实验室应用中所使用的差动泵浦的离子源的情况。离子源16通常可以产生可以快速接通和关闭的脉冲离子束。这样的离子源16和中子产生器管10的其它组件可大体上在授予斯伦贝谢技术公司的5,293,410号美国专利“NEUTRONGENERATOR TUBE”中描述，其在这里整体并入作为参考。
在到达靶18上的钛涂层26之前，来自离子源16的离子束可以由多个电极，优选地，提取电极20、中间电极22以及抑制电极24引导通过加速柱14。尽管钛涂层26被示意性地示出为覆盖靶18的整个端部，钛涂层26可以仅覆盖端部的一部分，即离子束期望撞击靶18的部分。当来自离子源16的离子束击中钛涂层26时，靶电极18可以以上面讨论的方式产生中子。提取电极20、中间电极22以及抑制电极24可以通过绝缘体28彼此电隔离，绝缘体28可以由氧化铝(氧化铝陶瓷)构成。
一个或更多高压电源，例如图1示出的高压电源4，可以在各个电势下向电极20,22和24供电。尤其是，提取电极20可以具有高于抑制电极24大约100kV的电势(即，抑制电极24可以具有相对于提取电极20的负电势)。靶电极18可以具有名义上高于抑制电极24的大约200V到1000V或更大的电压，以抑制通过撞击离子束在靶中产生的次级电子回流。中间电极22可以具有提取电极20的电势和抑制电极24的电势之间的大致中间电势。例如，如果提取电极20具有100kV的电势，抑制电极24具有0V的电势，中间电极22可以具有大约50kV的电势。在替代实施例中，中间电极22可以具有任何合适的中间电势。通过以这种方式跨电极20,22和24分配电势，施加到电极的电势产生的电场可以相对均匀地分布在加速柱14上，如下面参考图3更详细地描述的。当X射线产生器管的加速柱中采用当前示出的电极配置时，施加的电势可以基本相同。
在本申请的优选的特定实施例中，中间电极22改为电浮置(即，电绝缘，不与加速柱14接触)并且不直接耦接到高压电源4。在这样的实施例中，中间电极22上的电势由产生在加速柱14内的现象定义，例如到中间电极22以及从中间电极22的场发射和次级电子发射。另外，在这样的实施例中，中间电极22的电势因此是可变化的。
提取电极20、中间电极22以及抑制电极24可以成形为减少在中子产生器管10运行时可能产生的溅射事件。例如，提取电极20可以具有延伸到加速柱14的圆形形状，其可以引导离子束从离子源16到靶18，在正常运行期间不撞击中间电极22或抑制电极24。如上面所提到的，由中间电极22或抑制电极24拦截来自离子源16的离子束会导致电极材料磨损，导致溅射进入加速柱。提取电极20的形状可以因此减少有害的电极材料溅射的可能性。
中间电极22的配置可以进一步减少绝缘体28由于溅射事件而被电极材料覆盖的可能性。事实上，中间电极22在加速柱14中的存在可以用于对陶瓷绝缘体28遮蔽或屏蔽会从抑制电极24溅射的传导材料。从抑制电极24溅射的任何材料可以沉积在中间电极22而不是陶瓷绝缘体28上。同样的考虑也适用于防止陶瓷绝缘体28被溅射沉积覆盖的任何其它电极。
中间电极22也可以成形为增加来自抑制电极24的溅射电极材料沉积在中间电极22而不是陶瓷绝缘体28上的可能性。例如，中间电极22可以插到陶瓷绝缘体28之间，大约在提取电极20和抑制电极24之间的中间位置，距离两者大约L1的长度。从绝缘体28延伸进入加速柱14，中间电极22的端部可以到达提取电极20和抑制电极24的端部之间大约一半的距离，距离两者大约L2的长度。
中间电极22的成形，除了遮蔽陶瓷绝缘体28防止溅射事件，还可以减少加速柱14中的中子泄漏和/或灾难性泄漏事件。由于中间电极22的形状，提取电极20和抑制电极24之间的电场可以由加速柱14控制，以使得可以减少提取电极20、中间电极22和/或抑制电极24以及隔离这些电极的绝缘体28上的电场应力。在电极20，22和/或24上减少的和/或更可预测的电场应力的情况下，自发电子发射和/或灾难性泄漏事件的可能性会相应地减少。
抑制电极24也可以成形为减少溅射事件的可能性。特别是，抑制电极24的端部可以在加速柱14内部延伸以超过中间电极22的起点位置。这种布置可以减少从抑制电极24的表面溅射的任何电极材料到达绝缘体28的可能性。由于抑制电极24的端部延伸超过中间电极22的起点，从抑制电极24溅射的任何电极材料更可能被中间电极22屏蔽而不会沉积在陶瓷绝缘体28上。应注意，不论中间电极22的形状为何，在抑制电极24和提取电极20之间的中间位置施加确定的电势可以提高中子产生器管11的稳定性和/或寿命，甚至是在存在一些沉积在陶瓷绝缘体28上的溅射材料的情况下。可替代地，允许中间电极22电浮置通过促进从抑制电极消除场发射，而提供了高度的操作稳定性，否则可能会在加速柱内造成不稳定性。
图3示出了中子产生器管11的上半部分的电场分布的横截面示意图。由于产生器管11轴向对称，只显示了管的一半。如图3所示，来自离子源16的离子束(未示出)可以由沿提取电极20端部和抑制电极24端部之间的长度均匀分布的电场34引导。由于中间电极22可以具有提取电极20和抑制电极24之间的电势的大致中间的电势，并且中间电极22可以位于提取电极20和抑制电极24之间的大约中间的距离，电场34可以大体上均匀地分布在全部三个电极20，22和24之间。
尽管两个主要的电场应力点36和38会分别出现在中间电极22和抑制电极24上，点36和38处的电场应力会基本低于在仅具有提取电极20和抑制电极24(即，缺少任何中间电极22)的加速柱的电极上出现的电场应力。作为示例，提取电极20的电势可以高于中间电极22约50kV，并且可以高于抑制电极24约100kV。点36可以具有大约192kV/cm的电场应力，点38可以具有大约221kV/cm的电场应力。相比之下，在没有中间电极的加速柱中，在溅射的电极材料层已经沉积在周围的陶瓷绝缘体上时，抑制电极上的电场应力可以达到449kV/cm。由于点36和38处的电场应力减少，来自电极和/或灾难性泄漏事件的自发电子发射的可能性也会减少。另外，通过建模和实验调整电极22和24的形状可以进一步减少点36和38处的电场应力。
如上面参考图2和图3描述的，井下中子产生器管11的加速柱14中包含中间电极22可以导致电场的更均匀的分布34。类似地，由于多个中间电极22可以更均匀地分布电场，图4示出具有代替单个中间电极22的多个中间电极40-54的中子产生器管11的另一个电极配置。尤其是，图4示出了在提取电极20和抑制电极24之间具有8个中间电极22的模拟电极配置。8个电极40-54表示提取电极20和抑制电极24之间的中间电极22。在图4的模拟中，提取电极20被模拟为具有高于抑制电极24大约100kV的电势。中间电极22可以具有高于抑制电极24的100kV到0V之间的电势。例如，电极40-54可以各自具有高于抑制电极24的大约100kV，85.7kV，71.4kV，57.1kV，42.9kV，28.6kV，14.3kV和0kV的电势。靶电极18可以具有高于抑制电极24的大约200V的电势。当X射线产生器管的加速柱采用当前示出的电极配置时，施加的电势可以大体上相同。
由于每个中间电极22之间相对小的势差，电场应力可以相对微小。因此，自发电子发射和/或灾难性泄漏事件特别不可能在电极40-54上产生。另外，电场分布56在离子束32的位置附近大致均匀。电场分布56的均匀性会减少离子束32撞击抑制电极24的可能性，这会相应地减少溅射事件。电场分布56的均匀性还会减少由于抑制电极24上的电场应力导致的自发电子发射和/或灾难性泄漏事件的可能性。这一改进的聚焦效应可以产生大体上与中子产生器管11的轴平行且不交叉的离子束32。这样的聚焦离子束32可以进一步减少当离子撞击压缩气体3时导致的离子或中性原子撞击除了靶电极18以外的任何电极的可能性。
图5是描述图4中模拟的电极20，40-54和24的表面上的电场应力之间的关系的曲线58，以及图4的电极配置的长度范围内的电势分布。在曲线58中，第一纵坐标60表示电场应力，单位为kV/cm，第二纵坐标62表示电势分布，单位为kV。横坐标64表示图4的电极配置的表面的相对轴向位置，从最左边的提取电极20后延伸到超过最右边的靶18。
在图5的曲线58中，虚线表示图4的电极配置的长度范围内的电场电势66。如曲线58所示的，电势66从100kV(在表示中间电极22的第一电极40的点处)缓慢下降到0V(在表示中间电极22的最后电极54的点处)，而不是在任何两个电极之间急剧下降。曲线68表示沿图4的电极配置的各个点处的电场应力。峰70表示提取电极20上的最大电场应力点，峰72-86分别表示电极40-54上的最大电场应力点，峰88表示抑制电极24上的最大电场应力点。如曲线58所示，图4中模拟的电极配置的最大电场应力保持低于140kV/cm，其对于没有中间电极的电极配置而言，可以是低于最大电场应力的300kV/cm。
图6表示中子产生器管11的另一个电极配置，其包括多个电极90-108以替代单个中间电极22。尤其是，图5示出了具有在提取电极20和抑制电极24之间的十个中间电极的模拟电极配置。十个电极90-108表示提取电极20和抑制电极24之间的中间电极22。在图5的模拟中，提取电极20被模拟为具有比抑制电极24高100kV的电势，并且被模拟为具有挤出形状以均匀地引导电场并减少电场应力。十个中间电极90-108可以具有比抑制电极24高100kV到0V之间的电势。例如，电极90-108可以分别具有高于抑制电极24大约100kV，88.9kV，77.8kV，66.7kV，55.6kV，44.4kV，33.3kV，22.2kV，11.1kV和0V的电势。靶电极18可以具有高于抑制电极24大约200kV的电势。抑制电极24可以成形为均匀地引导电场并且减少电场应力。当X射线产生器管的加速柱中采用当前示出的电极配置时，施加的电势可以基本相同。
由于每个中间电极22之间相对小的势差，电场应力可以相对微小。因此，在电极90-108上尤其不可能产生自发电子发射和/或灾难性泄漏事件。另外，电场分布110在离子束32的位置附近可以近似均匀。电场分布110的均匀性会减少离子束32撞击抑制电极24的可能性，这会相应地减少溅射事件。电场分布110的均匀性还会减少由于抑制电极24上的电场应力导致的自发电子发射和/或灾难性泄漏事件的可能性，如抑制电极24的形状可实现的。这一改进的聚焦效应可以产生基于与中子产生器管11的轴平行且不交叉的离子束32。这样的聚焦离子束32可以进一步减少当离子撞击压缩气体3时产生的离子或中性原子撞击除了靶电极18以外的任何电极的可能性。
图7是描述图6中模拟的电极20，90-108和24的表面上的电场应力之间的关系的曲线112，以及图6的电极配置的长度范围内的电势分布。在曲线112中，第一纵坐标114表示电场应力，单位为kV/cm，第二纵坐标116表示电势，单位为kV。横坐标118表示图6的电极配置的表面的相对长度，从最左边的提取电极20后延伸到超过最右边的靶18。
在图7的曲线112中，虚线表示图6的电极配置的长度范围内的电势120。类似图4的曲线58中描述的模拟，在图7的曲线112中，电势120从100kV(在表示中间电极22的第一电极90的点处)缓慢下降到0V(在表示中间电极22的最后电极108的点处)，而不是在两个电极之间急剧下降。曲线122表示沿图6的电极配置的各个点处的电场应力。峰124表示提取电极20上的最大电场应力点，峰126-144表示电极90-108上的最大电场应力点，峰146表示抑制电极24上的最大电场应力点。如曲线112所示，图5中模拟的电极配置的最大电场应力维持低于80kV/cm。
由于图6的电极配置可以进一步减少电场应力，图6的电极配置可以适用于更高的电势。例如，图8是描述当提取电极20和中间电极22的电势加倍时图6中模拟的电极20，90-108和24的表面上的电场应力之间的关系的曲线148，以及图6的电极配置的长度范围内的电势分布。因此，提取电极20可以具有高于抑制电极24大约200kV的电势，并且十个中间电极90-108可以具有高于抑制电极24大约200kV到0V之间的电势。例如，电极90-108可以分别具有高于抑制电极24大约200kV，177.8kV，155.6kV，133.3kV，111.1kV，88.9kV，66.7kV，44.4kV，22.2kV和0V的电势。靶电极18可以继续具有高于抑制电极24大约200V的电势。当X射线产生器管的加速柱中采用当前示出的电极配置时，施加的电势可基本相同。
在图8的曲线148中，第一纵坐标150表示电场应力，单位为kV/cm，第二纵坐标152表示电势分布，单位为kV。横坐标154表示图6的电极配置的表面的相对长度，从最左边的提取电极20后延伸到超过最右边的靶18。在图8的曲线148中，虚线表示图6的电极配置的长度范围内的电势分布156。类似图7中的曲线112所描述的模拟，在图8的曲线148中，电势156从200kV(在表示中间电极22的第一电极90的点处)缓慢下降到0V(在表示中间电极22的最后电极108的点处)，而不是在两个电极之间急剧下降。曲线158表示沿图6的电极配置的各个点处的电场应力。曲线158上的峰160表示提取电极20上的最大电场应力点，峰162-182分别表示电极90-108上的最大电场应力点，峰184表示抑制电极24上的最大电场应力点。如曲线148所示，图6中模拟的电极配置的最大电场应力维持低于140kV/cm，尽管从提取电极20到抑制电极24的电势为大约200kV。
图9是具有8个中间电极22的中子产生器管184的一部分的截面图，8个中间电极22以有效的形式布置以引导跨加速柱14的电场。与中子产生器管11类似，中子产生器管184可以位于产生器外壳12内，离子源16可以提供离子以通过加速柱14向靶18加速。在中子产生器管184中，提取电极20被成形为进一步减少来自离子源16的离子将撞击中间电极22或抑制电极24中的任一个的可能性。电极186-198表示中间电极22，其电极192形成具有相同电势的两个中间电极。陶瓷绝缘体28使外部中间电极与186-192及192-198分离。由于电极192具有相同的电势，陶瓷绝缘体28不必要位于两个电极192之间。
每个中间电极22可在加速柱14中向内弯曲。可以计算中间电极22的曲度以引导电场通过加速柱14，以使电场均匀分布。由于中子产生器管184中的中间电极22的数量和形状，加速柱14可以延伸到比中子产生器管10或具有更少电极的类似中子产生器管更大的长度。这个延伸的加速柱14可以使得来自离子源16的离子在到达靶18前达到更高能级。在更高的能级，靶18可以产生更大数量的中子。
电极20，22和24可以针对减少的电场应力进行成形。尤其是，中间电极22可以被成形为在相邻电极之间(包括提取电极20和抑制电极24)维持近似相等的间隔。进一步地，中子产生器管184的所有电极的尖端200可以被成形为使出现在加速柱14外部但是在产生器外壳12内部的电场应力的数量最小。另外，中间电极22可以大体上朝向加速柱14的辐射中心弯曲。抑制电极24也可以成形为将来自离子源16的离子引导到靶18，而没有过度的溅射事件。就来自离子源16的任何离子撞击抑制电极24来说，中间电极22在加速柱14的长度范围内的完全对齐的排列可以防止任何溅射的电极材料沉积在绝缘体28上。
图10中的曲线202示出了针对图9的中子产生器管184的电极配置得到的模拟的电势分布204。8个中间电极186-198表示位于提取电极20和抑制电极24之间的中间电极22。在图10的模拟中，提取电极20被模拟为具有比抑制电极24高100kV的电势，并且具有延伸的形状以均匀地引导电场，并减少电场应力。8个中间电极186-198可以具有高于抑制电极24大约100kV到0V之间的电势。例如，电极186-198可以分别具有高于抑制电极24大约87.5kV，75kV，62.5kV，50kV，37.5kV，25kV和12.5kV的电势。靶电极18可以具有高于抑制电极24大约200V的电势。抑制电极24也可以被成形为均匀引导电场并且减少电场应力。当X射线产生器管的加速柱中采用当前示出的电极配置时，施加的电势可以基本上相同。
以类似于上面描述的模拟的方式，每个中间电极22之间的相对小的势差可以导致电场应力相对较小。因此，自发电子发射和/或灾难性泄漏事件尤其不可能在电极186-198上产生。另外，电势分布204在离子束32将行进的加速柱14的中心附近可以近似均匀。电势分布204的均匀性可以减少离子束32撞击抑制电极24或中间电极186-198的可能性，这会相应地减少溅射事件。电势分布204的均匀性还可以减少由于抑制电极24上的电场应力导致的自发电子发射和/或灾难性泄漏事件的可能性，如抑制电极24的形状实现的。这一改进的聚焦效应可以产生基本上与中子产生器管184的轴平行且不交叉的离子束32。这样的聚焦离子束32可以进一步减少当离子撞击压缩气体3时产生的离子或中性原子撞击除了靶电极18以外的任何电极的可能性。
图11示出了对于使用中子产生器管214的中子产生器的附加的考虑，它可以大体上表示上面的具有一个或更多中间电极22的中子产生器管11和184。为了确保在不同电极20，22和24上的适当的电势，电极可以连接到由高压产生器4传输的正确电压。这可以通过使用多个高压产生器4和/或通过从单个高压产生器4引出不同电压来实现。然而，这样的方法会需要引入附加的高压到电极20，22和24，并且会由于有限的可用空间而造成问题。
电极20，22和24上的适当电势也可以由分压器提供，其使得适当的高压出现在每个电极上。这样的分压器可以包括各种电阻元件214，如图11所示，其可以是分立电阻器和/或绝缘体28的外边缘上的电阻涂层。提取电极20可以连接到地，抑制电极24可以经由负高压线6连接到负高压电势。由各个电阻元件214提供的电阻分压器可以确保对中间电极22进行适当的电压分配。应理解，由电阻元件214提供的电阻可以根据设计考虑和施加到各个中间电极22的电势而变化。
使用上面公开的改进的电极配置，井下中子产生器或X射线产生器可以使用从提取电极20到抑制电极24的跨加速柱14的更大电势。相应地，图12示出了中子产生器的实施例，其配置为提供现有井下中子产生器大约两倍的电势。如图12所示，高电势中子产生器管216可以从两个高压电源4接收高压电源，分别电力连接到提取电极20和抑制电极24。特别是，第一高压电源4的正输出可以耦接到提取电极20，而负输出可以接地，有效提供大约+100kV的额定电势到提取电极20。同时，第二高压电源4的负输出可以耦接到抑制电极24，而正输出可以接地，有效提供大约-100kV的额定电势到抑制电极24。以这种方式，可以提供200kV的总加速电压，而相对于地的高压以及相应地压力外壳12可以不超过100kV。在一些实施例中，两个高压可以是不对称的。例如，一个高压产生器4可以提供大约-120kV，另一个高压产生器4可以提供大约+80kV，以提供大约200kV的总电压。
提取电极20可以通过一个或更多电阻元件214与一个或更多中间电极22电隔离。电阻元件214可以包括，例如，分立电阻器或加速柱14外部的电阻涂层，其可以连接电极的外尖端，并且可以在提取电极20和抑制电极24之间划分电压。一个或更多中间电极22中的一个可以接地或可以不接地。抑制电极24可以类似地由一个或更多电阻元件214与一个或更多中间电极22电隔离。
如果中子产生器212只包括接地的单个中间电极22，该单个中间电极22可以维持在相对于其他电极的预定电势。在这样的条件下，可以不使用电阻分压器，而是接地的电极可以有助于把中子产生器管212机械固定到压力外壳12，如上面参考图1所示出的，这可以围绕中子产生器管，例如中子产生器管212。这个替代设置可以更容易地经受井下工具经常遇到的粗暴搬运，并且也可以有助于从中子产生器管11释放热量。如果这样的单个中间电极22未连接到由高压电源4提供的预定电势，可以使用一个或更多电阻分压器214以确保用于电极22的适当电势。
图13表示具有耦接到一个中间电极22的接地机械支撑216的中子产生器管212的配置。如图所示，提取电极20可以通过几个中间电极22与抑制电极24分离。中子产生器管212可以包含在包括绝缘套管218的压力外壳12内。绝缘气体220可以填充围绕中子产生器管212的空间，并且可以与上面参考图1描述的绝缘气体3相同。
在一个中间电极22上的接地支撑216可以提高中子产生器管212的机械坚固性，并且还可以改进热释放。在图13的实施例中，中心的中间电极22耦接到接地支撑216。附加地或替代地，接地支撑216可以耦接到任何一个中间电极22。如果来自高压电源4的正负高压对于地是非对称的，图13所示出的配置会特别有益。在这样的条件下，当前配置可以确保支撑的中间电极22总是保持于地，不论由高压电源提供的电势如何。
尽管本文中仅示出和描述了特定特征，本领域技术人员会意识到许多修改和变化。因此，应理解所附的权利要求希望覆盖落在本公开的真正精神范围内的所有这样的修改和变化。

Claims (18)

1.一种能够进行井下操作的核辐射产生器，包括：
带电粒子源；
靶材料，配置为在被来自所述带电粒子源的带电粒子撞击时产生核辐射；以及
所述带电粒子源和所述靶材料之间的加速柱，所述加速柱包括多个电极，所述多个电极配置为导引来自所述带电粒子源的一束所述带电粒子以撞击所述靶材料，其中所述多个电极中的至少一个电极包括与所述加速柱电隔离的中间电极。
2.如权利要求1所述的核辐射产生器，其中，所述带电粒子源包括配置为发射电子的阴极，并且所述靶材料包括配置为在被来自所述阴极的电子撞击时发射X射线的阳极。
3.如权利要求1所述的核辐射产生器，其中，所述带电粒子源包括配置为发射离子的离子源，并且所述靶材料包括配置为在被来自所述离子源的离子撞击时发射中子的靶电极。
4.如权利要求1所述的中子产生器，其中，所述中间电极保持浮置于可变电势。
5.如权利要求4所述的中子产生器，其中，所述中间电极的可变电势由所述加速柱内的电荷运动和电荷收集中的至少之一来定义。
6.一种能够进行井下操作的中子产生器，包括：
离子源；
靶电极；以及
所述离子源和所述靶电极之间的加速柱，其中所述加速柱包括多个电极，所述多个电极配置为将来自所述离子源的离子朝向所述靶电极导引，其中所述多个电极中的至少一个电极包括与所述加速柱电隔离的中间电极。
7.如权利要求6所述的中子产生器，其中，所述多个电极包括提取电极、抑制电极以及位于所述提取电极和所述抑制电极之间的中间电极。
8.如权利要求6所述的中子产生器，其中，所述多个电极包括提取电极、抑制电极以及位于所述提取电极和所述抑制电极之间的多个中间电极。
9.如权利要求6所述的中子产生器，其中，所述中间电极保持浮置于可变电势。
10.如权利要求9所述的中子产生器，其中，所述中间电极的可变电势由所述加速柱内的电荷运动和电荷收集中的至少之一来定义。
11.一种能够进行井下操作的中子产生器，包括：
离子源；
靶电极；以及
设置于所述离子源和所述靶电极之间的加速柱，所述加速柱包括：
提取电极，所述提取电极离所述离子源比离所述靶电极近；
抑制电极，所述抑制电极离所述靶电极比离所述离子源近；以及
设置于所述提取电极和所述抑制电极之间的中间电极，其中，所述中间电极保持于浮置电势，基本上与所述加速柱电隔离。
12.如权利要求11所述的中子产生器，其中，所述中间电极是设置于所述提取电极和所述抑制电极之间的多个中间电极中的一个中间电极。
13.一种用于核辐射的井下产生的方法，包括：
向包含真空或低压气体的加速柱中发射多个带电粒子；
使用提取电极、抑制电极以及设置于所述提取电极和所述抑制电极之间的至少一个电浮置的中间电极，使所述多个带电粒子加速通过所述加速柱；以及
使所述多个带电粒子撞击靶材料，以使得所述多个带电粒子和所述靶材料相互作用以产生所述核辐射。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括通过使所述中间电极与所述加速柱电隔离，浮置所述中间电极保持于可变电势。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包括由所述加速柱内的电荷运动和电荷收集中的至少之一被动地定义所述中间电极的可变电势。
16.一种能够进行井下操作的X射线产生器，包括：
阴极；
阳极；以及
所述阴极和所述阳极之间的加速柱，其中，所述加速柱包括多个电极，所述多个电极配置为将由所述阴极发射的电子朝向所述阳极导引，其中，所述多个电极包括提取电极、抑制电极以及至少一个中间电极，其中，所述多个电极中的至少一个电极包括与所述加速柱电隔离的中间电子。
17.如权利要求16所述的X射线产生器，所述多个电极进一步包括具有相对于所述提取电极和所述抑制电极的中间电势的至少两个中间电极。
18.如权利要求22所述的X射线产生器，所述多个电极进一步包括具有相对于所述提取电极和所述抑制电极的中间电势的至少8个中间电极。
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