CN116367405A - 一种可实现锐截止的测井中子管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可实现锐截止的测井中子管，该测井中子管包括真空外壳、冷阴极潘宁离子源、离子加速电极和控制电极/控制线圈和靶子，冷阴极潘宁离子源由离子源电离室和高效磁路结构组成；离子源电离室由阳极、前阴极、后阴极、绝缘瓷环和磁钢环采用轴向叠压装配而成；高效磁路结构由磁钢、导磁片、离子源底盘、离子源罩和磁钢环组成；离子加速电极同轴设置于冷阴极潘宁离子源的前阴极孔径的出口一定距离处；控制电极/控制线圈设置于冷阴极潘宁离子源与离子加速电极之间；靶子由靶底和连接环焊接而成。与现有技术相比，该中子管可以实现锐截止，解决多年困扰中子仪器无法到达锐截止而影响仪器精度和测井资料解释困难的问题。

Description

一种可实现锐截止的测井中子管

技术领域

本发明属于可控中子源设备石油测井技术领域，具体涉及一种可实现锐截止的测井中子管。

背景技术

中子管可以应用到多个领域，如农牧业育种、工业材料分析、医用中子治癌等，物理实验等，它在石油测井方面取得了非常好的效果。中子管是由离子源、外壳、加速极和靶子四大部分组成，外壳内为真空腔体。离子源产生氘、氚离子，外壳起绝缘和密封作用，加速极加速氘、氚离子使其获得足以发生核反应的能量，氚(氘)靶吸附氚(氘)气。其工作原理是：冷阴极潘宁离子源电离氘、氚气生成氘、氚离子，氘、氚离子经强电场加速后打在氚(氘)靶上，与靶中的氚(氘)气发生核反应，产生中子。冷阴极潘宁离子源阳极可加直流或脉冲电压，若加不同频率和宽度脉冲电压可产生不同频率和宽度的脉冲中子，不同的测井方法(测井仪器)要求的频率不同，采用脉冲工作方式主要目的是因为便于谱分析。

传统的测井中子管大都采用冷阴极潘宁离子源，其具有体积小结构简单等优点。其离子源阳极电压波形已经可以做到其上升下降沿小于3μs，但是由于潘宁离子源其固有的电离特性，即使阳极电压波形是理想方波，电离产生的氘离子波形仍然会有明显的上升、下降沿，造成产生的脉冲中子波形具有几微秒到几十微秒的延迟，也就是说产生什么样波形的离子就生成什么样的中子。这对各种石油测井方法来说是有很大的缺陷。

本发明提供一种可实现锐截止的测井中子管，以克服现有技术存在的轰击靶子产生的脉冲中子波形具有几微秒到几十微秒的延迟的问题，可达到锐截止的目的。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在本发明采用的技术方案如下：

一种可实现锐截止的测井中子管，该测井中子管包括真空外壳、冷阴极潘宁离子源、离子加速电极、控制电极和靶子，其中，所述冷阴极潘宁离子源由离子源电离室和高效磁路结构组成；所述离子源电离室由阳极、前阴极、后阴极、绝缘瓷环和磁钢环采用轴向叠压装配而成；所述高效磁路结构由磁钢、导磁片、离子源底盘、离子源罩和磁钢环组成；所述离子加速电极同轴设置于冷阴极潘宁离子源的前阴极孔径的出口一定距离处；所述控制电极设置于冷阴极潘宁离子源与离子加速电极之间；所述靶子由靶底和连接环焊接而成。

一种可实现锐截止的测井中子管，所述测井中子管包括真空外壳、冷阴极潘宁离子源、离子加速电极、控制线圈和靶子，其中，所述冷阴极潘宁离子源由离子源电离室和高效磁路结构组成；所述离子源电离室由阳极、前阴极、后阴极、绝缘瓷环和磁钢环采用轴向叠压装配而成；所述高效磁路结构由磁钢、导磁片、离子源底盘、离子源罩和磁钢环组成；所述离子加速电极同轴设置于冷阴极潘宁离子源的前阴极孔径的出口一定距离处；所述控制线圈设置在高效磁路结构与离子加速电极之间；所述靶子由靶底和连接环焊接而成。

进一步地，控制电极平面垂直于中子管轴线且在真空外壳外形成环状台阶，且该控制电极的直径大于真空外壳直径。

进一步地，所述阳极位于绝缘瓷环中，与前阴极、磁钢环及后阴极叠压，并由离子源罩压紧固定、焊接在离子源底盘上，离子源底盘再与离子源罩焊接组成离子源电离室。

进一步地，所述控制电极为网状结构，由可伐合金材料与网格状金属钼焊接制成。

进一步地，所述控制线圈的直径大于冷阴极潘宁离子源引出孔直径小于真空外壳内径。

进一步地，所述真空外壳为金属-陶瓷结构，由大可阀筒、小可伐筒和陶瓷外壳组成；所述真空外壳两端分别与芯柱盘和小可伐筒组焊。

进一步地，所述离子加速电极包括靶极筒，靶极筒与连接环、小可伐筒组焊。

进一步地，所述离子源罩和所述离子加速电极均设计成圆弧形。

进一步地，所述控制电极与离子源罩、离子加速电极之间均绝缘。

与现有技术相比，通过本发明生产的中子管可以实现锐截止的目的，满足石油测井方法和仪器的需要，解决多年困扰中子仪器无法到达锐截止而影响仪器精度和测井资料解释困难的问题。本发明的有益效果如下：

1、本发明通过中子管离子源阳极加直流电压，在中子管的加速间隙增加一个控制电极或控制线圈，控制电极或控制线圈加理想的矩形脉冲电压，可以使较理想矩形波形的脉冲氘离子束轰击氚靶，实现锐截止，从而避免了现有技术中存在的由于潘宁离子源本质特性产生不了理想的脉冲中子；

2、本发明有控制电极或磁场可阻止各种电子向阳极的飘流，有效降低各种电子特别是二次电子产生的靶流；

3、通过选择电极或磁场控制材料的优选，结构设计优化使本发明中子管的使用寿命，与改进传统的测井中子管寿命相当；

4、本发明中子管产生中子脉冲波形延迟时间可以缩短在5μs以内。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例中包括控制电极的可实现锐截止的中子管的装置示意图；

图2示出了本发明实施例中包括控制线圈的可实现锐截止的中子管的装置示意图。

附图标记：1、接线柱；2、芯柱盘；3、大可伐筒；4、离子源底盘；5、磁钢；6、陶瓷外壳；7、控制电极或控制线圈；8、小可伐筒；9、连接环；10、靶底；11、靶极筒；12、离子源罩；13、磁钢环；14、前阴极；15、绝缘瓷环；16、阳极；17、后阴极；18、导磁片；19、磁钢罩；20、固定套；21、排气管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明设计的一种可实现锐截止的测井中子管，其发明构思为：中子管离子源在直流条件下工作，离子源一直产生离子；只要控制离子束轰击氚(氘)靶，通过给中子管增加控制电极或控制磁场来控制离子束轰击氚(氘)靶产生中子，控制电极(或磁场)的上升沿、下降沿小于5μs，从而实现锐截止。

参照图1，冷阴极潘宁离子源由形成电离室的紧密电极结构和高效磁路结构组成，冷阴极潘宁离子源的阳极16位于绝缘瓷环15中，绝缘瓷环15对阳极16起到支撑和电绝缘作用，并与前阴极14、磁钢环13、后阴极17叠压，由离子源罩12压紧固定后焊接在离子源底盘4上，离子源底盘4再与离子源罩12焊接组成离子源电离室。固定套20用于紧固磁钢5和导磁片18。在中子管高温烘烤排气结束后，磁钢5装入磁钢罩19内并可随时更换。排气自排气管21排出。磁钢5、导磁片18、离子源底盘4、大可阀筒3、离子源罩12、磁钢环13一起组成高效磁路结构。金属-陶瓷结构的永久密封真空外壳由大可阀筒3、小可阀筒8和陶瓷外壳6组成，其两端分别与芯柱盘2和小可伐筒8组焊。离子加速电极同轴设置于冷阴极潘宁离子源的前阴极孔径的出口一定距离处，离子加速电极包括靶极筒11，靶极筒11与连接环9、小可伐筒8组焊。连接环9与靶底10焊接组成靶子。控制电极7平面垂直于中子管轴线且在真空外壳外形成环状台阶，且该控制电极7的直径大于真空外壳直径，其设置在高效磁路结构与离子加速电极之间。本发明实施例中，控制电极7为薄皮状的网状结构，由金属材料制成。控制电极7与离子源罩12、离子加速电极之间均绝缘。接线柱1焊接芯柱盘2上，用于测井中子管工作时给冷阴极潘宁离子源的阳极16供电。

通过给图1所示的中子管冷阴极潘宁离子源的阳极16加直流电压，在中子管的加速间隙控制电极7加理想的矩形脉冲电压，可以使较理想矩形波形的脉冲氘离子束轰击靶底10，实现锐截止。

本发明实施例中，离子加速电极形状和材料的选择基于这些考虑：一般来说，离子加速电极形状使电场越不均匀，则击穿电压越低。为了能保持较高的击穿电压，对离子源罩12和离子加速电极设计成圆弧形，特别注意边缘形状尽量圆滑，避免尖端放电而造成高压击穿。现有技术中，控制电极7材料选用可伐合金，它既能满足耐压性能要求，又能适应900℃高温封接和350℃高温排气工艺的要求，使得控制电极的挥发性杂质和含气量都很低。具体地，该可伐合金材料可以是膨胀合金4J33。但是，考虑可伐材料抗离子轰击能力差，本发明实施例中，抗离子轰击网格状材料选用金属钼，将网格状金属钼与膨胀合金4J33焊接形成控制电极7，也就说是控制电极金属钼是通过合金4J33和焊接陶瓷外壳焊接在一起，合金4J33是过渡材料。

本发明实施例中，控制电极7可以替换为控制线圈，如图2所示。控制线圈的直径大于冷阴极潘宁离子源引出孔直径小于真空外壳内径。

本发明设计的一种可实现锐截止的测井中子管，其工作原理为：

离子源在直流条件产生连续的氘(氚)离子，控制电极或线圈控制离子束，离子束在直流高压(负高压)电场高压作用下引出和加速，高能的离子束轰击氘(氚)靶面产生核反应生产中子。由于轰击靶子离子流离子束受控制电极或线圈控制，有离子束轰击靶面就产生中子，无离子束轰击靶面就无中子产生。控制电极控制离子束的原理是：离子带正电，给控制电极加一定的正电压，同性相斥，阻止了离子通过加速间隙轰击靶极。控制线圈控制离子束的原理是：给控制线圈加一定的电流，线圈会产生磁场，离子通过磁场时会发生偏转，这样离子就无法轰击靶极。

本发明实施例中设计的一种可实现锐截止的侧近中子管，其封装工艺包括零件表面处理、真空外壳部件封接、离子源组装焊接和靶子部件封接四部分。零件表面处理包括：对于可伐合金零件在除油处理的基础上还要在其表面镀以10μm镍镀层；对于陶瓷管壳两端需要金属化，最后所有零件都要进行800℃真空除气。真空外壳部件封接包括：按照图1或图2所示的结构将大可阀筒、陶瓷外壳和小可阀筒和控制电极(或控制线圈)采用真空钎焊方式封接成一体。离子源封接包括：将离子源罩、磁钢环、前阴极、后阴极、绝缘陶瓷、阳极、磁钢罩，离子源底盘芯柱盘，引线柱先进行清洗和高温去气，然后组装焊接；靶子部件封接包括连接环和靶底，将这两种零件清洗，再真空钎焊形成靶子；然后将这四部分组装到一起形成中子管。

本发明用计算机模拟和实验相结合方法的确定了控制电极的材料、位置、脉冲电压值；确定控制线圈的材料、位置和线圈电流值，保证在中子管工作时对其他工作参数和性能影响尽可能小。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种可实现锐截止的测井中子管，其特征在于，所述测井中子管包括真空外壳、冷阴极潘宁离子源、离子加速电极、控制电极和靶子，其中，

所述冷阴极潘宁离子源由离子源电离室和高效磁路结构组成；所述离子源电离室由阳极、前阴极、后阴极、绝缘瓷环和磁钢环采用轴向叠压装配而成；所述高效磁路结构由磁钢、导磁片、离子源底盘、离子源罩和磁钢环组成；

所述离子加速电极同轴设置于冷阴极潘宁离子源的前阴极孔径的出口一定距离处；

所述控制电极设置于冷阴极潘宁离子源与离子加速电极之间；

所述靶子由靶底和连接环焊接而成。

2.一种可实现锐截止的测井中子管，其特征在于，所述测井中子管包括真空外壳、冷阴极潘宁离子源、离子加速电极、控制线圈和靶子，其中，

所述冷阴极潘宁离子源由离子源电离室和高效磁路结构组成；所述离子源电离室由阳极、前阴极、后阴极、绝缘瓷环和磁钢环采用轴向叠压装配而成；所述高效磁路结构由磁钢、导磁片、离子源底盘、离子源罩和磁钢环组成；

所述离子加速电极同轴设置于冷阴极潘宁离子源的前阴极孔径的出口一定距离处；

所述控制线圈设置在高效磁路结构与离子加速电极之间；

所述靶子由靶底和连接环焊接而成。

3.根据权利要求1所述的测井中子管，其特征在于，所述控制电极平面垂直于中子管轴线且在真空外壳外形成环状台阶，且所述控制电极的直径大于真空外壳直径。

4.根据权利要求1或2所述的测井中子管，其特征在于，所述阳极位于所述绝缘瓷环中，与所述前阴极、所述磁钢环及所述后阴极叠压，并由所述离子源罩压紧固定、焊接在所述离子源底盘上，所述离子源底盘再与所述离子源罩焊接组成所述离子源电离室。

5.根据权利要求1或3所述的测井中子管，其特征在于，所述控制电极为网状结构，由可伐合金材料与网格状金属钼焊接制成。

6.根据权利要求2所述的测井中子管，其特征在于，所述控制线圈的直径大于冷阴极潘宁离子源引出孔；且所述控制线圈的直径小于真空外壳内径。

7.根据权利要求1或2所述的测井中子管，其特征在于，所述真空外壳为金属-陶瓷结构，由大可阀筒、小可伐筒和陶瓷外壳组成；所述真空外壳两端分别与芯柱盘、小可伐筒组焊。

8.根据权利要求1或2所述的测井中子管，其特征在于，所述离子加速电极包括靶极筒，所述靶极筒与所述连接环、小可伐筒组焊。

9.根据权利要求1或3所述的测井中子管，其特征在于，所述离子源罩和所述离子加速电极均设计成圆弧形。

10.根据权利要求1或3所述的测井中子管，其特征在于，所述控制电极与所述离子源罩、所述离子加速电极之间均绝缘。

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