CN105626051B - 用于可控中子源补偿中子仪器的集成高压电路系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于可控中子源补偿中子仪器的集成高压电路系统，其特征在于所述集成高压电路系统包括：低压电源，用于提供第一低压输出；低压分配电路，与所述第一低压输出连接，所述低压分配电路从所述第一低压输出中获得可调控制电压；高压模块，与所述低压分配电路和所述低压电源连接，所述高压模块至少包括用于接收所述第一低压输出的第一端子、用于接收所述可调控制电压的第二端子以及用于提供高压输出的第三端子，其中通过改变所述可调控制电压来调节所述高压输出；以及高压分配模块，通过分压电路从所述高压输出中产生第一副高压输出、第二副高压输出和第二低压输出；其中通过对所述第二低压输出进行采集来实时监测所述高压输出是否正常。

Description

用于可控中子源补偿中子仪器的集成高压电路系统
技术领域
本发明涉及用于补偿中子测井仪器的前端电路，更具体地涉及用于可控中子源补偿中子仪器的集成高压电路系统。
背景技术
测井，也叫地球物理测井或石油测井，简称测井，是利用岩层的电化学特性、导电特性、声学特性、放射性等地球物理特性，测量地球物理参数的方法，属于应用地球物理方法之一。在油田勘探与开发过程中，测井是确定和评价油、气层的重要手段之一，也是解决一系列地质问题的重要手段。石油钻井时，在钻到设计井深深度后都必须进行测井，又称完井电测，以获得各种石油地质及工程技术资料，即油层深度、厚度等信息，作为完井和开发油田的原始资料。
测井能直接为石油地质和工程技术人员提供各项资料和数据。根据需要，人们研制了各种测井仪器如声波测井仪、感应测井仪和地层倾角测井仪等等、以及各种辅助测井短节以获取各种地层的岩石物理参数和工程技术参数。这些测井仪器由于工作在高温、高压的恶劣环境下(例如，在井下深度至7000m时，温度可达175℃，压力达140MPa)而必须具有耐高温、耐高压的性能。
补偿中子测井仪器是放射性测井仪器的一种。它有两个不同源距的热中子-超热中子的探测器，通过长、短源距探测器的计数率比值来确定地层的孔隙度。
具体而言，补偿中子探头段装载着16居里的Am-Be中子源，每秒种将产生4×107个快中子，这些快中子射入地层，与地层中的物质碰撞。根据碰撞学说，中子碰撞中的能量损失与被碰撞物体的质量和入射角有关。快中子与质量相当的物质碰撞(弹性碰撞)损失的能量最大。经过几次碰撞后，快中子将被减速，平均能量从5.6MeV衰减到0.25eV，变成热中子。这些热中子有一部分进入探测器，撞击He3核，引起核反应，产生H3(氚)和质子，该质子使其它一部分He3电离，产生带电的离子和电子。此时，在高压电场作用下，电子向阳极运动，产生一负脉冲，该脉冲被电子线路放大并记录下来。因为氢原子的质量与中子相当，所以探测器接受热中子的数量就反映了地层中氢原子的数量。因此，由探测器及其电子线路组成的测井仪可以测量地层中的含氢量。
然而，现有的补偿中子仪器的高压电源电路具有如下缺陷：高压的数值不大，稳定性不高，并且采用分离电子元件构造，集成度低，不便于使用和维护。因此，本领域存在对改进补偿中子测井仪器的高压电源电路系统的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成度高、稳定性强且便于使用和维护的新型高压电源电路。
根据本发明的一方面，提供一种用于可控中子源补偿中子仪器的集成高压电路系统，其特征在于所述集成高压电路系统包括：低压电源，用于提供第一低压输出；低压分配电路，与所述第一低压输出连接，所述低压分配电路从所述第一低压输出中获得可调控制电压；高压模块，与所述低压分配电路和所述低压电源连接，所述高压模块至少包括用于接收所述第一低压输出的第一端子、用于接收所述可调控制电压的第二端子以及用于提供高压输出的第三端子，其中通过改变所述可调控制电压来调节所述高压输出；以及高压分配模块，通过分压电路从所述高压输出中产生第一副高压输出、第二副高压输出和第二低压输出；其中通过对所述第二低压输出进行采集来实时监测所述高压输出是否正常。
根据本发明的一方面，所述集成高压电路系统还包括：用于对所述第一低压输出进行滤波的第一滤波电路，包括第一电阻器和第一电容器并且布置在所述第一低压输出与所述低压分配电路之间。
根据本发明的另一方面，所述可调控制电压是通过所述低压分配电路中包括的可调电阻器实现的。
根据本发明的另一方面，所述第一副高压输出和所述第二副高压输出中的至少一个被提供给可控中子源补偿中子仪器中的探测器。
根据本发明的另一方面，所述探测器包括短源距和长源距He-3探测器。
根据本发明的另一方面，所述第一低压输出的幅度的绝对值为5伏特到33伏特，并且所述高压输出的幅度的绝对值为0伏特到2400伏特。
根据本发明的另一方面，所述第一低压输出为+12伏特或-12伏特；并且所述分压电路包括多个串联电阻器，其中所述第一副高压输出为1450V，所述第二副高压输出为1350V并且所述第二低压输出为2.5V。
根据本发明的另一方面，所述高压模块包括：控制放大器，放大所述可调控制电压；DC-AC转换器，将放大后的所述可调控制电压转换成AC电压信号；以及，高压倍增器，倍增所述AC电压信号以得到所述高压输出。
根据本发明的另一方面，所述高压模块还包括：用于对所述高压输出进行滤波的第二滤波电路，包括第二电阻器和第二电容器并且布置在所述高压输出与所述高压分配电路之间。
根据本发明的另一方面，所述高压模块包括：协同操作的晶体管、变压器、多个二极管以及多个电容器。
通过结合附图来阅读后面的具体实施方式，可以更好地理解本发明的特征和优点。
附图说明
现在将参照附图来解释本发明的实施例。应当注意，这些实施例用于图示基本原理，使得仅图示为了理解基本原理而必需的那些特征。附图未按比例。另外，相似标号在附图中通篇表示相似特征。
图1是根据本发明的一个实施例的用于可控中子源补偿中子仪器的集成高压电路系统的示意框图。
图2是根据本发明的一个实施例的用于可控中子源补偿中子仪器的集成高压电路系统的外围电路图。
图3a是根据本发明的一个实施例的图2所示的集成高压电路系统的上半部分的具体电路图。
图3b是根据本发明的另一个实施例的图3a所示的集成高压电路系统的上半部分的负电压控制响应图。
图3c是根据本发明的另一个实施例的图3a所示的集成高压电路系统的上半部分的正电压控制响应图。
图4是根据本发明的一个实施例的可集成在集成高压电路系统中的高压分配模块的示意图。
具体实施方式
以下具体描述涉及附图，这些附图通过图示方式示出了可以实施本发明的具体细节和实施例。充分具体描述这些实施例以使本领域的技术人员能够实施本发明。可以利用其它实施例并且可以进行结构、逻辑和电改变而不脱离本发明的范围。各种实施例未必互斥，因为一些实施例可以与一个或者多个其它实施例组合以形成新实施例。
在下面的详细描述中参照形成本详细描述的一部分的附图，在所述附图中通过说明的方式示出了其中可以实践本发明的具体实施例。在这方面，参照所描述的附图的取向使用了诸如“顶”、“底”、“前”、“后”、“首”、“尾”等等的方向术语。由于实施例的组件可以被定位在若干种不同的取向中，因此所述方向术语被用于说明的目的而决不是进行限制。要理解的是，在不背离本发明的范围的情况下可以利用其他实施例并且可以做出结构或逻辑的改变。因此，不要将下面的详细描述视为限制性意义，并且本发明的范围由所附权利要求书限定。
要理解的是，如在本说明书中所采用的术语“耦合”和/或“电耦合”并不意味着意指所述元件必须直接耦合在一起；可以在“耦合”或“电耦合”的元件之间提供中间元件。如在本说明书中所采用的术语“连接”和/或“电连接”并不意味着意指所述元件必须直接耦合在一起；可以在“连接”或“电连接”的元件之间提供中间元件。
进一步要理解的是，除非具体另行声明，否则这里所描述的各个示例性实施例的特征可以彼此组合。应该理解的是，实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，但是本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，而所附权利要求意在涵盖落入本发明精神和范围中的这些修改或者等同替换。
接下来，具体参考附图来解释本发明的实施例。
根据本发明的一些实施例，补偿中子测井仪器一般至少包括探测器比如中子探测器(例如He3探测器)，前端电路处理系统以及后端主控板或控制电路板，并且补偿中子测井仪器还包括用于对探测器所产生的电荷进行加速的高压电源模块，该高压电源模块可以例如布置在中子探测器与前端电路处理系统之间。
图1是根据本发明的一个实施例的用于可控中子源补偿中子仪器的集成高压电路系统100的示意框图。如图1所示，集成高压电路系统100可以包括前端低压分配模块、中间高压模块50和后端高压分配模块(图1中未示出，例如参见图4所示的高压分配模块400)，其中根据本发明的一些实施例，中间高压模块50和后端高压分配模块可以集成在一起以便提供集成度并且便于使用和维护。
进一步如图1所示，中间高压模块50可以包括经由线路15接收低压电源VDD的第一端子、经由线路16与可调电阻箱18连接的第二端子以及用于提供高压输出HV的第三端子，其中可以通过改变所述可调电阻箱18来调节所述高压输出HV，并且可调电阻箱18可以具有0-20kΩ的可调电阻。
可选地，中间高压模块50可以经由线路17连接到地GND；并且高压输出HV可以例如经过由电阻器R1和电容器C1组成的滤波电路，从而得到纹波更小的直流高压输出。例如，根据本发明的一些实施例，低压电源VDD可以具有1-100V或者10-50V，优选地为12V或24V。例如，根据本发明的一些实施例，电阻器R1可以例如具有10-1000kΩ或100-500kΩ，优选地为200kΩ；而电容器C1可以例如具有1-100nF，优选地为10nF。
本发明的思想在于：可以通过改变控制电压VDD和/或控制可调电阻箱18来调节高压输出HV，从而满足短源距和长源距He-3探测器工作要求。
图2是根据本发明的一个实施例的用于可控中子源补偿中子仪器的集成高压电路系统200的外围电路图。与图1的集成高压电路系统100相比，图2的集成高压电路系统200包括对称的上下两部分。
下面以集成高压电路系统200的上部分为例，如图2所示，低压电源VDD(例如可以为+12V)可以例如通过由电阻器R21和两个电容器C12与C23组成的滤波网络，其中电阻器R21可以例如具有10-1000kΩ或100-500kΩ，优选地为200kΩ；而电容器C12可以例如具有1-100uF，优选地为47uF；电容器C23可以例如具有1-100uF，优选地为47uF。经过滤波的低压供电可以连接到高压模块50的管脚3和管脚6，其中高压模块50的管脚6可以接地。
另外，如图2所示，高压模块50的管脚5经由电阻器R17连接到地，其中所述电阻器R17代表图1所示的可调电阻箱18并且可以具有0-20kΩ的可调电阻。
进一步如图2所示，高压模块50的管脚1为高压输出，所述高压输出可以例如经过由电阻器R20和电容器C20组成的滤波电路，从而得到纹波更小的直流高压输出。可以电阻器R20可以例如具有10-1000kΩ或100-500kΩ，优选地为200kΩ；而电容器C20可以例如具有1-100nF，优选地为10nF。
与集成高压电路系统50的上部分类似地，集成高压电路系统50的下部分包括相同或相似的结构或部件，除了低压电源为-VDD(例如可以为-12V)而相应的高压输出也具有相反的符合。为了简化描述，在此省略了对集成高压电路系统50的下部分的各元件的重复描述。
图3a是根据本发明的一个实施例的图2所示的集成高压电路系统200的上半部分的电路300的示意图。
如图3a所示，该电路300以VDD(例如+4V)直流电源供电，可获得高压(上至2500V)直流电压的输出。工作过程大体如下：直流/直流变换器把它的输出送入一个10级的高压倍增器而产生2500V直流输出电压。IC-1至IC-6(分别标识为U1-a，U1-b，U1-c，U1-d，U1-e，U1-f)为CD14584施密特六反相器。门电路IC-1用作方波脉冲发生器，它产生很纯净的方波(脉冲式直流)输出。再把IC-1的输出送往IC-2至IC-6的输入端，这些反相器并联起来以提高驱动电流。
并联的门电路输出脉冲送往晶体管TP1的基极，使晶体管TP1随着IC-1的振荡而开关工作。晶体管TP1的集电极与T1的初级线圈串联。T1初级线圈的另一端接低压输入VDD即控制电压(例如+4V)，并通过C2接地去耦合，其中电容器C2具有100-1000pF，优选地为220pF。
加在晶体管TP1的脉冲信号引起开/关作用，造成晶体管TP1和小铁氧体磁芯升压变压器的初级线圈中电磁场的起伏，在T1的次级线圈中诱导出极性相反的脉冲信号。然后，把T1次级线圈的脉冲直流输出(在200V至250V之间)加10级电压倍增器电路，该电压倍增器电路含有二极管VD1～VD10以及电容器C2～C12，如图3a所示，其中电容器C2具有100-1000pF，优选地为220pF；电容器C3-C12分别具有0.1-10pF，优选地为1pF。
倍增器电路把脉冲直流输出电压提高到十倍，产生的输出电压可达2500V直流电压。通过二极管VD1～VD10和电容C2～C11的反复充放电，倍增器输出将是倍增器中所有电容的一连串相加的和。
在图3a中，根据本发明的实施例，各元件的参数例如可以如下进行选取：R4例如可以具有0.1-10MΩ，优选地为1MΩ；R17例如可以具有1-20kΩ，优选地为10kΩ；R1例如可以具有1-10kΩ，优选地为1.5kΩ；R2例如可以具有1-1000Ω，优选地为300Ω；R3例如可以具有10-1000kΩ，优选地为220kΩ；C1可以具有1-100pF，优选地为22pF。
为了使电路能有效的工作，必须考虑方形波的频率以及加在倍增器的信号。R4、R17和C1的数值规定振荡器IC-1的输出频率(大约为15kHz)，其中电阻器R17用来微调振荡器的输出频率或占空比，进而可以调节高压输出HV。根据本发明的实施例，振荡器的频率越高，倍增器的容抗越低。
图3b是根据本发明的另一个实施例的图3a所示的集成高压电路系统的上半部分的负电压控制响应图。如图3b所示，横坐标代表负电压输出，其范围处在0到-2500伏特的范围内，并且对应的控制电压(右侧纵坐标)处在0.5到4伏特的范围内，而对应的控制电阻器(左侧纵坐标)处在50到225kΩ的范围内。如图3b可见，控制电压与高压输出之间的关系是线性的，而控制电阻器与高压输出之间的关系是非线性的。
图3c是根据本发明的另一个实施例的图3a所示的集成高压电路系统的上半部分的正电压控制响应图。如图3c所示，横坐标代表正电压输出，其范围处在500到1750伏特的范围内，并且对应的控制电压(右侧纵坐标)处在0-4伏特的范围内，而对应的控制电阻器(左侧纵坐标)处在0到175kΩ的范围内。再次如图3c可见，控制电压与高压输出之间的关系是线性的，而控制电阻器与高压输出之间的关系是非线性的。测试结果表明，根据本发明的高压模块的输出电压可以在0～+2400V范围内调节，温度稳定性为20PPM/℃，线性调整率为0.1％，负载调整率为0.05％。
如图3a-3c所示，所述高压模块可以包括协同操作的晶体管、变压器、多个二极管以及多个电容器。然而，根据本发明的其它实施例，所述高压模块也可以包括如下实施方式：控制放大器，放大所述控制电压；DC-AC转换器，将放大后的所述控制电压转换成AC电压信号；以及，高压倍增器，倍增所述AC电压信号以得到所述高压输出。
图4是根据本发明的一个实施例的可集成在集成高压电路系统100中的高压分配模块400的示意图。
如图4所示，高压分配模块400将图2和图3所示的高压模块50或300输出的高压HV分压(例如2500V)得到第一副高压HV1(例如1450V)和第二副高压HV2电压(例如1350V)，其中第一副高压HV1供给长源距He-3探测器而第二副高压HV2供给短源距He-3探测器。
根据本发明的一个实施例，高压模块50或300的高压输出HV经由电阻器R11，R12，R13，R14，R20(也称作分压电压)连接到地GND，其中电阻器R11还经由电容器C12连接到地GND并且对高压模块50或300起限流保护作用，而电容器C12为高压输出HV起滤波作用。
根据本发明的一个实施例，各元件的参数可以如下进行选取：电阻器R11可以具有100-1000kΩ，优选地为200kΩ；电阻器R12可以具有10-100MΩ，优选地为20MΩ；电阻器R13可以具有1-10MΩ，优选地为2MΩ；电阻器R14可以具有0.5-10MΩ，优选地为1MΩ；电阻器R20可以具有10-100kΩ，优选地为54kΩ；以及电容器C12可以具有1-100nF，优选地为10nF。由此，如图4所示，可以从高压输出HV分压得到第一副高压HV1(例如1450V)和第二副高压HV2电压(例如1350V)。
进一步如图4所示，通过电阻器R20上的分压HV_DEC2可以通过A/D采样进行信号采集，从而实现监测高压输出HV是否正常。根据本发明的一个实施例，电阻器R20上的分压HV_DEC2可以例如0-5V，优选地为2.5V。
为了易于说明使用了空间相对术语诸如“在下面”、“以下”、“下”、“之上”、“上”等以解释一个元件相对于第二元件的定位。除了不同于在图中描绘的那些定向的定向，这些术语旨在涵盖器件的不同定向。此外，术语诸如“第一”、“第二”等还被用于描述各种元件、区域、部分等，并且也并非旨在是限制性的。贯穿说明书，类似的术语参考类似的元件。
如在这里所使用地，术语“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是指示所陈述的元件或者特征的存在但是并不排除另外的元件或者特征的开放式术语。冠词“一”、“一个”和“该”旨在包括复数以及单数，除非上下文清楚地另有指示。
虽然以上参考附图示出并描述了本发明的各种示例性实施例，但是本领域技术人员将清楚可以做出将实现本发明一些优点的各种改变和修改而未脱离本发明的精神和范围。因此，只要本发明的这些修改、变型和替换属于本发明的权利要求书及其等同技术方案的范围之内，则本发明也意图包含这些修改、变型和替换。此外，就在详细描述或权利要求书中使用术语“包括”、“具有”、“带有”或它们的其他变体来说，这样的术语意图以与术语“包含”类似的方式是包含性的。
此外，术语“示例性”仅仅意味着作为一个实例，而不是最佳的或最优的。还要认识到，这里所描绘的特征和/或元素是出于简单及易于理解的目的而以相对于彼此的特定尺寸示出的，实际的尺寸可能与这里所示出的尺寸显著不同。
本领域合理技术人员将明白，可以用执行相同功能的其它部件适当地进行替换。应当提到，即使在尚未明确提到这一点的那些情况下，参照具体图所解释的特征可以与其它图的特征组合。这样对发明概念的修改旨在于由所附权利要求覆盖。
此外，本申请的范围不旨在限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的具体实施例。如本领域普通技术人员从本发明的公开中容易认识到的，根据本发明可以利用与这里描述的对应实施例执行实质上相同的功能或实现实质上相同的结果的、当前存在或以后待开发的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。据此，所附权利要求旨在在其范围内包括这些过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。

Claims (8)

1.一种用于可控中子源补偿中子仪器的集成高压电路系统，其特征在于所述集成高压电路系统包括：
低压电源，用于提供第一低压输出；
低压分配电路，与所述第一低压输出连接，所述低压分配电路从所述第一低压输出中获得可调控制电压；
高压模块，与所述低压分配电路和所述低压电源连接，所述高压模块至少包括用于接收所述第一低压输出的第一端子、用于接收所述可调控制电压的第二端子以及用于提供高压输出的第三端子，其中通过改变所述可调控制电压来调节所述高压输出；以及
高压分配模块，通过分压电路从所述高压输出中产生第一副高压输出、第二副高压输出和第二低压输出；
其中通过对所述第二低压输出进行采集来实时监测所述高压输出是否正常，
其中所述集成高压电路系统还包括：
用于对所述第一低压输出进行滤波的第一滤波电路，包括第一电阻器和第一电容器并且布置在所述第一低压输出与所述低压分配电路之间，以及
用于对所述高压输出进行滤波的第二滤波电路，包括第二电阻器和第二电容器并且布置在所述高压输出与所述高压分配模块之间。
2.根据权利要求1所述的集成高压电路系统，其特征在于所述可调控制电压是通过所述低压分配电路中包括的可调电阻器实现的。
3.根据权利要求1所述的集成高压电路系统，其特征在于所述第一副高压输出和所述第二副高压输出中的至少一个被提供给可控中子源补偿中子仪器中的探测器。
4.根据权利要求3所述的集成高压电路系统，其特征在于所述探测器包括短源距和长源距He-3探测器。
5.根据权利要求1所述的集成高压电路系统，其特征在于所述第一低压输出的幅度的绝对值为5伏特到33伏特，并且所述高压输出的幅度的绝对值为0伏特到2400伏特。
6.根据权利要求5所述的集成高压电路系统，其特征在于：所述第一低压输出为+12伏特或-12伏特；并且所述分压电路包括多个串联电阻器，其中所述第一副高压输出为1450V，所述第二副高压输出为1350V并且所述第二低压输出为2.5V。
7.根据权利要求1所述的集成高压电路系统，其特征在于所述高压模块包括：控制放大器，放大所述可调控制电压；DC-AC转换器，将放大后的所述可调控制电压转换成AC电压信号；以及，高压倍增器，倍增所述AC电压信号以得到所述高压输出。
8.根据权利要求1所述的集成高压电路系统，其特征在于，所述高压模块包括：协同操作的晶体管、变压器、多个二极管以及多个电容器。
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