DE112015006133T5

DE112015006133T5 - Feldionisationsneutronengenerator

Info

Publication number: DE112015006133T5
Application number: DE112015006133.9T
Authority: DE
Inventors: Weijun Guo; Juan Navarro-Sorroche
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2015-04-16
Filing date: 2015-04-16
Publication date: 2017-11-02
Also published as: WO2016167774A1; GB201714216D0; GB2552746A; GB2552746B; US20180049305A1; US10455684B2; BR112017019040A2; MX2017013279A; FR3035263A1; MX367418B

Abstract

Es werden Neutronengeneratoren beschrieben, die direkte Feldionisation ionisierbarer Fusionsgase anwenden, sowie Bohrlochvermessungswerkzeuge und -verfahren, die diese Neutronengeneratoren benutzen. In verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet der Neutronengenerator eine zylindrische Feldionisationsstruktur, die um die Innenfläche eines rohrförmigen Gehäuses herum verteilt ist, und ein zylindrisches Ionenbeschleunigungsgitter, das um die Längsachse konzentrisch zu der Feldionisationsstruktur angeordnet ist. Ionen, die von der Feldionisationsstruktur erzeugt werden, können sich im Ionenbeschleunigungsgitter ansammeln, aus dem sie axial extrahiert und zu einem Fusionsziel hin beschleunigt werden können. Offenbart werden auch weitere Werkzeuge, Systeme und Verfahren.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Vermessungswerkzeuge mit gepulsten Neutronen werden routinemäßig in Öl- und Gasbohrlochvermessungsvorgängen verwendet, um die physikalischen Eigenschaften unterirdischer Formationen zu prüfen, durch die ein Bohrloch verläuft. Diese Werkzeuge beinhalten im Allgemeinen einen Neutronengenerator, der hochenergetische Neutronenblitze erzeugt, und einen oder mehrere Strahlungsdetektoren in ausgewählten Abständen von dem Neutronengenerator zum Messen der Sekundärstrahlung (z. B. unelastische Gammastrahlen, eingefangene Gammastrahlen, epithermische Neutronen oder thermische Neutronen), die sich aus Wechselwirkungen der hochenergetischen Neutronen mit den Materialien in und um das Bohrloch ergibt.
Die hochenergetischen Neutronen können in Fusionsreaktionen der Wasserstoffisotope Deuterium und/oder Tritium erzeugt werden. Zum Auslösen von Fusionsreaktionen kann wiederum ionisiertes Deuterium- und/oder Tritiumgas durch ein Ultrahochspannungsfeld auf ein Deuterium und/oder Tritium enthaltendes Ziel hin beschleunigt werden. Die Ionen können auf unterschiedliche Weise aus neutralem Deuterium- und/oder Tritiumgas erzeugt werden; am häufigsten verwenden gepulste Neutronengeneratoren Stoßionisation durch hochenergetische Elektronen. Bei einer üblichen Penning-Ionenquelle etwa wird ein Hochspannungsimpuls (z. B. mit einer Amplitude einiger Kilovolt) zwischen einer Kathode und einer Anode angelegt, um eine Bogenentladung zu erzeugen, die bewirkt, dass Elektronen von der Kathode abgegeben und zur Anode hin beschleunigt werden und unterwegs mit Gasmolekülen zusammenstoßen und diese dadurch ionisieren. Alternative Ansätze zum Erzeugen der benötigten freien Elektronen beinhalten Wärmeemission von erwärmten Kathoden in so genannten „Heißkathodenionenquellen“, oder Feldemission, d. h., Tunnelung von Elektronen durch eine potenzielle Barriere, die durch ein sehr starkes elektrisches Feld abgesenkt wird.
Der indirekte Prozess, zunächst Elektronen zu erzeugen und dann Ionen durch das Zusammenstoßen der Elektronen mit neutralen Gasmolekülen zu erzeugen, führt im Allgemeinen zu einer relativ variablen Verzögerung von einigen Mikrosekunden zwischen dem Anlegen eines Elektronen erzeugenden Spannungsimpulses und dem resultierenden Neutronenblitz, was eine präzise Steuerung der Zeitfolge der Neutronenimpulse schwierig gestaltet. Andere Charakteristiken der Neutronenimpulse, etwa ihre Form und die Gesamtneutronenleistung, können ebenfalls weniger vorhersagbar oder steuerbar sein, als es für die vorgesehenen Vermessungsvorgänge wünschenswert ist. Weitere Nachteile verschiedener üblicher gepulster Neutronengeneratoren sind begrenzte Neutronenleistung (die z. B. bei Penning-Ionenquellen darauf zurückzuführen sein kann, dass der Großteil der Ionen zweiatomig ist); hohe Ionisationsspannungen, die den Neutronengenerator elektrischer Beanspruchung aussetzen, die seine Zuverlässigkeit und/oder Lebensdauer senkt; und Masse und Komplexität aufgrund zusätzlicher Ionenquellenkomponenten (bei Penning-Ionenquellen etwa ein Magnet, der zum Verlängern der Elektronenwege dient, um auf diese Weise die Zusammenstoßeffizienz zu erhöhen).
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A und 1B sind schematische Längsschnittansichten von Neutronengeneratoren, die Feldionisation verwenden, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
2 ist eine schematische Querschnittansicht der Ionenquelle des Neutronengenerators aus 1A und 1B.
3 ist eine Darstellung einer beispielhaften Feldionisationsstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
4 ist ein Kurvendiagramm des Deuterium-Tritium-Fusionsquerschnitts in Abhängigkeit von der Energie pro Kern des eintreffenden Ions.
5 ist eine Darstellung eines Werkzeugs mit gepulsten Neutronen, das in einem Bohrloch eingesetzt wird, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
6 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Verwenden eines Vermessungswerkzeugs mit gepulsten Neutronen gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden Neutronengeneratoren beschrieben, die direkte Feldionisation ionisierbarer Fusionsgase anwenden. Ebenfalls offenbart werden Vermessungswerkzeuge mit gepulsten Neutronen, und Verfahren zum Betreiben und Verwenden dieser Neutronengeneratoren.
Ein Neutronengenerator gemäß verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet ein rohrförmiges Gehäuse, das ein ionisierbares Fusionsgas (z. B. Deuterium und/oder Tritium) enthält und einen Ionenquellen- und einen Ionenbeschleunigungsabschnitt definiert. Im Ionenquellenabschnitt beinhaltet der Neutronengenerator eine zylindrische Feldionisationsstruktur, die um die Innenfläche des rohrförmigen Gehäuses herum verteilt ist. Die Feldionisationsstruktur kann eine Feldionisationsanordnung von Nanospitzen, die sich von einem zylindrischen Substrat nach innen erstrecken, und ein zylindrisches Feldionisationsgitter beinhalten, das konzentrisch mit dem Substrat in einem geringen Abstand (z. B. zehn Mikrometer oder weniger) von diesem angeordnet ist. Neutrales Fusionsgas kann in der Feldionisationsstruktur ionisiert werden, indem ein geeignetes negatives elektrisches Potenzial (oder Spannung) an das Feldionisationsgitter (relativ zur Anordnung von Nanospitzen) angelegt wird. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet der Neutronengenerator ferner ein zylindrisches hochtransparentes Ionenbeschleunigungsgitter, das konzentrisch mit der Feldionisationsstruktur um die Längsachse des Neutronengenerators herum angeordnet ist und bei einem relativ zum Feldionisationsgitter negativen elektrischen Potenzial gehalten wird. Von der Feldionisationsstruktur erzeugte Ionen sammeln sich im Ionenbeschleunigungsgitter an, aus dem sie axial extrahiert und im Inneren des Ionenbeschleunigungsabschnitts des Neutronengenerators zu einem Fusionsziel hin beschleunigt werden können. Der Begriff „zylindrisch“ im hier verwendeten Sinne bezieht sich auf die allgemeine Form der jeweiligen Komponente (ohne Berücksichtigung kleiner Flächen) und verlangt keine perfekte, sondern lediglich eine „im Wesentlichen“ zylindrische Geometrie. Eine Struktur gilt als „im Wesentlichen zylindrisch“ (hier einfach „zylindrisch“), wenn radiale Abstände eines beliebigen Punkts darauf von der Zylinderachse um weniger als 20 % variieren.
Abweichungen vom Zylinderradius können sich z. B. durch Annähern einer perfekt zylindrischen Form mittels einer Vielzahl ebenflächiger Segmente oder Streifen ergeben.
Durch Verwendung direkter Feldionisation (im Gegensatz zu Stoßionisation), kann in vorteilhafter Weise die „Ionenquellenzünddauer“, d. h. die Verzögerung zwischen dem Anlegen eines Spannungsimpulses an die Feldionisationsstruktur und der Erzeugung eines Fusionsneutronenimpulses, in verschiedenen Ausführungsformen auf weniger als eine Mikrosekunde reduziert werden. Die Fähigkeit zum Steuern der Neutronenimpulscharakteristiken kann dadurch stark verbessert werden. Darüber hinaus kann die Ionisationsspannung (die in erfindungsgemäßen Ionenquellenkonfigurationen der Spannung entspricht, die zwischen der Feldionisationsanordnung und dem Feldionisationsgitter angelegt wird) im Bereich einiger hundert Volt liegen, was einer Reduzierung der Ionisationsspannung im Vergleich zu verschiedenen üblichen Neutronengeneratoren (etwa solchen, die Penning-Ionenquellen verwenden) um ungefähr eine Größenordnung entspricht Die reduzierte Spannung kann zu einer erhöhten Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Neutronengenerators beitragen.
Ein weiterer Vorteil erfindungsgemäßer Neutronengeneratoren ist in verschiedenen Ausführungsformen ihre Fähigkeit, Ionenpopulationen mit mehr als 50 % einatomigen Ionen zu erzielen. Im Vergleich zu zweiatomigen Ionen erreichen einatomige Ionen etwa die doppelte Energie pro Kern, was zu einem ungefähr fünfmal höheren zugehörigen Fusionsquerschnitt führt. Eine vorherrschend einatomige Ionenpopulation kann daher eine wesentlich höhere Neutronenausbeute bewirken. Neutronengeneratoren gemäß bestimmten Ausführungsformen ergeben 10⁹ Fusionsneutronen pro Sekunde oder mehr – ungefähr eine Größenordnung über der Neutronenausbeute, die mit vielen üblichen Neutronengeneratoren erzielt werden kann (etwa solchen, die Penning-Ionenquellen nutzen). Eine höhere Neutronenausbeute kann zu einer erhöhten Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Neutronengenerators beitragen und bessere Signalstärken für Messungen gepulster Neutronen bereitstellen. Darüber hinaus können sie eine ausreichende Anzahl von 2,45-MeV-Neutronen aus Deuterium-Deuterium-Fusion bereitstellen, um Messungen auf deren Grundlage möglich zu machen; dies ist vorteilhaft, da 2,45-MeV-Neutronen besser zur Messung bestimmter Formationseigenschaften geeignet sind als 14,1-MeV-Neutronen, die bei Deuterium-Tritium-Fusionsreaktionen erzeugt werden.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen Ausführungsbeispiele von Neutronengeneratoren auf Feldionisationsbasis beschrieben.
Einschlägige Durchschnittsfachleute mit dem Vorteil der vorliegenden Offenbarung werden leicht erkennen, dass verschiedene strukturelle und betriebliche Änderungen an den erörterten spezifischen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang dieser Offenbarung abzuweichen.
1A stellt einen Neutronengenerator 100 gemäß einer Ausführungsform in einer Querschnittansicht entlang einer Längsachse 101 der Vorrichtung dar. Der Neutronengenerator 100 beinhaltet ein geschlossenes (normalerweise hermetisch verschlossenes) rohrförmiges Gehäuse 102, das eine Vakuumkammer zum Aufnehmen eines ionisierbaren Fusionsgases wie z. B. Deuteriumgas, Tritiumgas oder ein Gemisch davon definiert. (Das Innere des Gehäuses 102 wird hier als eine „Vakuumkammer“, da die Gasdrücke darin bei einer Vorrichtung im Betrieb im Allgemeinen wesentlich unter Atmosphärendruck liegen.) Das Gehäuse 102 kann aus einem geeigneten Metall oder Metalllegierung, wie beispielsweise F15 (eine Nickel-Kobalt-Eisen-Legierung) oder Kovar (eine Eisen-Nickel-Legierung). Es kann geerdet sein (und zu Zwecken der nachfolgenden Erörterung wird dies angenommen), d. h., bei einem elektrischen Potenzial von null Volt gehalten werden. Wie dargestellt, kann das Gehäuse 102 entlang der Längsachse 101 einen zylindrischen Abschnitt, der einen Ionenquellenabschnitt 104 des Neutronengenerators 100 definiert, und einen kegelstumpfförmigen Abschnitt beinhalten, der einen Ionenbeschleunigungsabschnitt 106 des Neutronengenerators 100 definiert. Die zwei Abschnitte 104, 106 können physisch durch eine Ionenquellenabdeckung 108 getrennt sein, die eine Ionenextraktionsöffnung 110 definiert, die an der Längsachse 101 zentriert ist. In verschiedenen Ausführungsformen ist der Außendurchmesser des Gehäuses 102 kleiner als etwa 1,5 Zoll (z. B. etwa 1,3 Zoll gemäß bestimmten Industrienormen). Der kleine Durchmesser ermöglicht die Verwendung des Neutronengenerators 100 in typischen Bohrlochumgebungen, in denen der Außendurchmesser eines Werkzeugs einschließlich seines Druckgehäuses auf 2 Zoll oder weniger beschränkt sein kann (z. B. etwa 1,7 Zoll bei bestimmten Standardwerkzeugkonfigurationen). Die Länge (d. h. Längsabmessung) des Gehäuses 102 kann mehrere Zoll betragen.
Der Ionenquellenabschnitt 104 beinhaltet ein Gasbehälterelement 112, das ein Metall-(oder Metalllegierungs-)Filament umfasst, das mit einem Material (z. B. einem anderen Metall) beschichtet ist, welches Deuterium- und/oder Tritiummoleküle adsorbiert hat. In einigen Ausführungsformen beispielsweise ist das Gasbehälterelement 112 ein titanbeschichtetes Wolframfilament. Das Gasbehälterelement 112 kann erwärmt werden, indem ein elektrischer Strom durch das Filament fließen gelassen wird. Der Strom kann z. B. über eine Gasbehälterelementsteuerelektrode 114 bereitgestellt werden, die bei einer positiven oder negativen Spannung relativ zu dem (geerdeten) Gehäuse 102 gehalten wird, das in elektrischem Kontakt mit dem Gasbehälterelement 112 stehen kann, um die zweite Elektrode bereitzustellen. Mit zunehmender Temperatur des Gasbehälterelements 112 wird adsorbiertes Deuterium-/Tritiumgas in die Vakuumkammer freigesetzt. Wenn das Gasbehälterelement 112 abkühlt, wird Deuterium-/Tritiumgas umgekehrt von der Filamentbeschichtung(re-)adsorbiert. Der Gleichgewichtsgasdruck, der im Inneren der Vakuumkammer herrscht, hängt von der Temperatur des Gasbehälterelements 112 ab und kann auf diese Weise über den elektrischen Strom reguliert werden, der dem Gasbehälterelement 112 zugeführt wird. Der Arbeitsgasdruck, der während des Betriebs des Neutronengenerators 100 angewandt wird, kann z. B. im Bereich von 1 mTorr (d. h. wesentlich unter Atmosphärendruck) liegen.
Der Ionenquellenabschnitt 104 des Neutronengenerators 100 beinhaltet ferner eine zylindrische Feldionisationsstruktur, die an einer Innenfläche des Gehäuses 102 angeordnet ist; in 2 ist diese Struktur in einer Querschnittansicht (d. h. einem Schnitt senkrecht zur Längsachse 101 durch den Ionenquellenabschnitt 104) gezeigt. Die Feldionisationsstruktur beinhaltet eine Feldionisationsanordnung 120 – also eine Anordnung nach innen gerichteter Nanospitzen, die an einem zylindrischen elektrisch leitenden Substrat angeordnet ist (detaillierter gezeigt in 3) – und ein zylindrisches elektrisch leitendes Feldionisationsgitter 122, das innerhalb der und konzentrisch mit der Feldionisationsanordnung 120 angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen ist der radiale Abstand zwischen der Anordnung 120 und dem Gitter 122 kleiner als ein Mikrometer, in bestimmten Ausführungsformen sogar kleiner als fünfhundert Nanometer. Nach dem Anlegen eines negativen elektrischen Potenzials an das Feldionisationsgitter 122 (z. B. über eine Ionenquellenelektrode 124, gezeigt in 1A), relativ zur Feldionisationsanordnung 120 (die geerdet sein kann, z. B. über eine elektrische Verbindung mit dem Gehäuse 102), Gasmoleküle in der Nähe der Nanospitzen ionisiert.
Die Ionisationsrate des Gases und somit die Ionenströme, die vom Ionenquellenabschnitt 104 erzeugt werden, sind im Allgemeinen proAbschnittal zur Oberfläche der Feldionisationsanordnung 120. Vorteilhafterweise erhöht die radiale Konfiguration erfindungsgemäßer zylindrischer Feldionisationsstrukturen die Oberfläche der Feldionisationsanordnung im Vergleich zu einer linearen Anordnung (wie sie üblicherweise im Labora oder anderen Zusammenhängen verwendet wird, in denen die räumlichen Beschränkungen der Bohrlochvermessungsindustrie nicht gelten) mit ebenflächigen kreisförmigen Feldionisationsanordnungen und Gittern, die abgemessen sind, um in ein Werkzeug zu passen, das für Bohrlochvermessungsanwendungen geeignet ist.
Beispielsweise kann ein Ionenquellenabschnitt 104 mit einem Durchmesser d und einer Länge l eine zylindrische Feldionisationsanordnung mit einer Fläche von höchstens A_cyl = ·d·l oder eine ebenflächige kreisförmige Feldionisationsanordnung (senkrecht zur Längsachse ausgerichtet) von höchstens A_plan = ·d² aufnehmen. Mit Beispielabmessungen von d = 1,25 Zoll (die geeignet sind, um in ein Gehäuse mit einem Außendurchmesser von 1,5 Zoll zu passen) und l = 2,5 Zoll übersteigt die Fläche der zylindrischen Feldionisationsanordnung diejenige der ebenflächigen Anordnung um A_cyl/A_plan = 4·l/d ≈ 8. Wenn eine größere Feldionisationsanordnung wünschenswert ist, um höhere Ionenströme zu erzeugen, kann die Länge der zylindrischen Anordnung weiter erhöht werden. Die Größe einer kreisförmigen Anordnung ist dagegen aufgrund der räumlichen Begrenzung Bohrlochvermessungswerkzeugs wesentlich beschränkter. Entsprechend kann die zylindrische Geometrie von Feldionisationsstrukturen wie hier beschrieben zum Erreichen von Neutronenausbeuten beitragen, die ausreichend hoch für Bohrlochvermessungsvorgänge sind, und dadurch die Neutronenerzeugung auf Grundlage direkter Feldionisation möglich machen.
Weiter Bezug nehmend auf 1A kann das ionisierte Gas durch ein zylindrisches Ionenbeschleunigungsgitter 126, das um die Längsachse 101 angeordnet ist und auf einem negativen elektrischen Potenzial relativ zum Feldionisationsgitter 122 gehalten wird zur radialen Mitte der Vakuumkammer beschleunigt werden. In einigen Ausführungsformen, wie in 1A gezeigt, ist das Beschleunigungsgitter 126 mit derselben Ionenquellenelektrode 124 verbunden, die auch eine Spannung an das Feldionisationsgitter 126 bereitstellt, doch ein Vorspannungswiderstand 127, der in Reihe mit dem Feldionisationsgitter geschaltet ist, erzeugt eine Spannungsdifferenz (z. B. von etwa 100 V) zwischen dem Feldionisationsgitter 122 und dem Ionenbeschleunigungsgitter 126. In alternativen Ausführungsformen, dargestellt in 1B, wird eine separate Elektrode 129 zum Verbinden des Ionenbeschleunigungsgitters 126 unabhängig vom Feldionisationsgitter 122 verwendet. Das Beschleunigungsgitter 126 ist hochtransparent (indem es mit seinen Maschen z. B. nur 10 % oder weniger der von ihm definierten zylindrischen Fläche verdeckt), so dass die Ionen durch die Vakuumkammer oszillieren und sich schließlich in dem zylindrischen Hohlraum sammeln können, der von dem Beschleunigungsgitter 126 definiert wird, und ein elektrisch geladenes Plasma 128 darin bilden. Die Ionen können durch die Extraktionsöffnung 110 axial aus dieser Plasmaregion extrahiert werden. Der Durchmesser des Beschleunigungsgitters 126 kann etwa ein Viertel Zoll betragen; in einigen Ausführungsformen stimmt er mit dem Durchmesser der Öffnung 110 überein.
Der Ionenbeschleunigungsabschnitt 106 des Neutronengenerators 100 beinhaltet am Ende gegenüber der Ionenquellenabdeckung 108 (und damit distal zum Ionenquellenabschnitt) das Fusionsziel 130, z. B. in der Form einer Schicht mit Deuterium und/oder Tritium (den „Zielatomen“) imprägniertem Titan (oder einem anderen geeigneten Metall), das auf einem Zielstab 132 (der z. B. aus Kupfer hergestellt sein kann) aufgebracht ist. Gemeinsam werden der Zielstab 132 und die deuterium-/tritiumhaltige Schicht darauf als die Zielkathode bezeichnet. Eine extrem hohe negative Spannung, z. B. im Bereich von (minus) 100 keV, wird zwischen der Zielkathode und der Ionenquelle (z. B. dem Ionenbeschleunigungsgitter 126) angelegt und erzeugt ein starkes axiales elektrisch Feld, das die positiven Ionen aus dem Hohlraum des Beschleunigungsgitters 126 extrahiert und zum Ziel 130 hin beschleunigt. Nach dem Zusammenstoß mit dem Ziel 130 unterliegt ein Teil der Ionen einer Fusionsreaktion mit den Deuterium- und/oder Tritiumatomen im Ziel 130, was schnelle Neutronen erzeugt (z. B. 14,1-MeV-Neutronen aus der Fusion eines Deuteriumkerns mit einem Tritiumkern oder 2,45-MeV-Neutronen aus der Fusion von zwei Deuteriumkernen). Geeignete Struktur- und Betriebsparameter des Ionenbeschleunigungsabschnitts 106 des Neutronengenerators 100 (darunter Abmessungen, Materialien und Spannungen) sind einschlägigen Durchschnittsfachleuten bekannt.
Unter Bezugnahme auf 3 werden nun beispielhafte Feldionisationsstrukturen beschrieben. Im Allgemeinen beinhaltet eine erfindungsgemäße Feldionisationsstruktur ein Substrat 120 und, eine Vielzahl von sich davon erstreckenden Nanospitzen 300, die z. B. in einer regelmäßigen Anordnung angeordnet sind. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen bezeichnet der Begriff „Nanospitze“ hier Strukturen, deren größte Abmessungen einen Mikrometer nicht übersteigen. In einigen Ausführungsformen übersteigt die größte Abmessung der Nanospitzen nicht 500 Nanometer; beispielsweise kann die Größe der Nanospitzen in den Bereich von etwa 200 Nanometern bis etwa 300 Nanometern fallen.
Das Substrat 120 kann aus einem beliebigen von verschiedenen geeigneten Halbleiter- oder Leitermaterialien hergestellt sein (z. B. Silicium, Siliciumoxid, Aluminiumoxid, Galliumarsenid, ein nickelbasiertes Material usw.). Die Nanospitzen 300 können beispielsweise und ohne Einschränkung aus Silicium, Kohlenstoff, Wolfram, Molybdän, Chrom, Aluminiumnitrid oder Kombinationen davon hergestellt sein. In einigen Ausführungsformen beinhalten die Nanospitzen beispielsweise jeweils eine Wolframbasisspitze, die an dem Substrat angebracht ist, und eine Kohlenstoffspitze, die molekular an das Ende der Wolframspitze angeformt ist. Die Nanospitzen 300 können im Wesentlichen konisch sein (wie dargestellt), oder eine beliebige von verschiedenen anderen geometrischen Formen aufweisen. In einigen Ausführungsformen sind die Nanospitzen beispielsweise im Wesentlichen zylindrische Kohlenstoffnanoröhren. Die Anordnung kann Nanospitzen in einer Größenordnung von einer Million pro Quadratzentimeter beinhalten.
Größe, Seitenverhältnis und Dichte der Nanospitzen können vom jeweiligen Herstellungsverfahren abhängen.
Die Feldionisationsstruktur beinhaltet ferner ein Feldionisationsgitter 122, das über der Nanospitzenanordnung angeordnet ist. Öffnungen 302 des Gitters 122 sind im Allgemeinen an den Nanospitzen 300 ausgerichtet. Wie beispielsweise in 3 dargestellt, kann das Gitter 122 aus einer Anordnung von Gate-Elektroden 304 gebildet sein, die zwischen den Nanospitzen 300 angeordnet und von dem Substrat durch Isolatoren 306 beabstandet und isoliert sein können. Die Höhe der Nanospitzen 300 kann etwas größer, gleich oder kleiner als der Abstand zwischen dem Substrat 120 und dem Feldionisationsgitter 122 sein, derart, dass die Nanospitzen 300 in das Gitter 122 eindringen oder alternativ an der Ebene des Feldionisationsgitters 122 oder darunter enden (wie dargestellt). Der Abstand zwischen den Nanospitzen 300 und den Gate-Elektroden 304 kann derart ausgewählt sein, dass Ionisationsspannungsimpulse, die dazwischen angelegt werden (bei 310 angegeben), bewirken, dass Gas in dem Raum um die Nanospitzen 300 ionisiert wird.
Die Feldionisationsanordnungen und Gitter 120, 122 sind strukturell ähnlich wie Feldemissionsgitter, wobei der primäre (oder in einigen Fällen einzige) Unterschied eine umgekehrte Polarität zwischen der Anordnung 120 und dem Gitter 122 ist: während bei Feldemissionsstrukturen das Gitter 122 bei einer positiven Spannung relativ zu den Nanospitzen 300 gehalten wird, um eine Tunnelung der Elektronen von den Nanospitzen 300 durch die Barriere mit gesenktem Potenzial in das Vakuum zu bewirken, verwenden Feldionisationsstrukturen eine negative Spannung des Gitters 122, um eine Tunnelung der Elektronen von neutralen Partikeln (z. B. Gasmolekülen) in der Nähe der Spitzen 300 zu den Spitzen 300 zu bewirken und dadurch Ionen zu erzeugen. Die elektrische Schwellennennfeldstärke (d. h. das Schwellenverhältnis der angelegten Spannung zum Abstand zwischen dem Substrat 120 und dem Gitter 122), die in der Feldionisationsstruktur benötigt wird, um einen wesentlichen Ionenstrom an einer Spitze 300 zu erzeugen, hängt unter anderem von der Geometrie und dem Material der Nanospitze 300 ab, und kann um einen Faktor von drei bis sieben höher als die elektrische Feldstärke sein, die benötigt wird, um den gleichen elektrischen Strom mit Elektronen zu erzeugen, die mittels Feldemission erzeugt werden. (Dies liegt daran, dass das Oberflächenpotenzial typischer Materialien zwischen 2 und 5eV beträgt, während das Ionisationspotenzial von Wasserstoff etwa 13,5 eV beträgt – etwa drei- bis siebenmal höher.). Bei Kohlenstoffnanoröhren beispielsweise können Feldionisationsschwellenwerte zwischen etwa 7,5 und 16 V/Am liegen (im Vergleich zu 0,75–1,6 V/Am für Feldemissionen), während bei Silicium-, Aluminiumnitrid-, Wolfram- und Molybdän-Nanospitzen Feldionisationsschwellenwerte zwischen etwa 20 und etwa 40 oder 50 V/Am liegen können. Es sei angemerkt, dass tatsächliche lokale Feldstärken in der Nähe der Nanospitzen aufgrund der geringen Abmessungen der Nanospitzen (insbesondere an ihren oberen freien Enden) wesentlich höher als die Nennfeldstärken sind.
Feldionisationsanordnungen und Gitter, die zur Verwendung in Neutronengeneratoren wie hierin vorgesehen geeignet sind, und Verfahren für ihre Herstellung sind einschlägige Durchschnittsfachleuten im Allgemeinen bekannt. Erfindungsgemäß ist die Feldionisationsstruktur jedoch zylindrisch (und nicht wie bei den meisten üblichen Strukturen ebenflächig). In einigen Ausführungsformen wird eine zylindrische Feldionisationsstruktur (oder eine Komponente davon wie etwa die Feldionisationsanordnung) aus einer Vielzahl von ebenflächigen Streifen zusammengesetzt, die an der Innenfläche des Gehäuses 102 parallel zur Längsachse 101 angebracht werden. In anderen Ausführungsformen wird eine zylindrische Feldionisationsstruktur (oder ihre Bestandteile wie etwa die Anordnung 120 und das Gitter 122) als Ganzes gebildet, z. B. einstückig mit dem Gehäuse 102 oder als eine separate, selbsttragende Struktur, die in das Gehäuse 102 einführbar ist.
Erfindungsgemäße Neutronengeneratoren können verschiedene vorteilhafte Leistungscharakteristiken oder andere nützliche Eigenschaften bereitstellen. In einigen Ausführungsformen beispielsweise erzeugt die Ionenquelle des Neutronengenerators (aufgrund der Verwendung direkter Feldionisation) Deuterium- und/oder Tritiumionen, die größtenteils (z. B. zu mehr als 50 %, in einigen Ausführungsformen mehr als 75 % oder sogar mehr als 90 %) einatomig sind. 4 zeigt den Fusionsquerschnitt für Deuterium-Tritium-Fusionsreaktionen in Abhängigkeit von der Energie pro Kern des eintreffenden Ions. Bei einem eintreffenden zweiatomigen Deuteriumion beträgt die Energie pro Kern nur die Hälfte der Energie eines einatomigen Deuteriumions (da die Energie, auf die das zweiatomige Ion zwischen der Extraktionsöffnung 110 und dem Fusionsziel 130 beschleunigt wird, und die für ein einatomiges Ion gleich ist, zwischen den zwei Kernen aufgeteilt wird). In einem elektrischen Feld, in dem einatomige Ionen auf eine Energie von etwa 110 keV beschleunigt werden, wo die Fusionsquerschnittspitzen etwa fünf Barn betragen (wie dargestellt in 4) erreichen die einzelnen Kerne von zweiatomigen Ionen Energien von nur etwa 55keV, was ihren Fusionsquerschnitt auf etwa 0,8 Barn reduziert. Entsprechend ist der Fusionsquerschnitt einatomiger Ionen um einen Faktor von fünf oder sechs höher als der zweiatomigen Ionen. Da die Wahrscheinlichkeit einer Fusion beim Auftreffen eines Deuterium- oder Tritiumions auf das Ziel proportional zum Fusionsquerschnitt ist, bedeutet der höhere Fusionsquerschnitt für einen jeweiligen Ionenstrahlstrom, der auf das Ziel trifft, eine entsprechend höhere Anzahl von Fusionsreaktionen und damit erzeugten Neutronen.
Ein weiterer Faktor, der in verschiedenen Ausführungsformen zu erhöhten Neutronenausbeuten beiträgt, ist die zylindrische Konfiguration der Feldionisationsanordnung, die zu einer größeren Oberfläche (im Vergleich zu ebenflächigen Feldionisationskonfigurationen) und damit höheren Ionenstrahlströmen führt. In einigen Ausführungsformen erzielt der Neutronengenerator für 14,1-MeV-Neutronen, die bei einer Deuterium-Tritium-Fusion erzeugt werden, Neutronenausbeuten von etwa 10⁹ Neutronen pro Sekunde oder mehr. Im Vergleich erreichen viele übliche Neutronengeneratoren, die in Bohrlochvermessungswerkzeugen verwendet werden, nur etwa 10⁸ Neutronen pro Sekunde. Da die Neutronenausbeute bei Deuterium-Deuterium-Fusion um etwa zwei Größenordnungen niedriger als die bei Deuterium-Tritium-Fusion ist, erzeugen diese üblichen Neutronengeneratoren im Allgemeinen keine ausreichende Anzahl der 2,45-MeV-Neutronen, die aus Deuterium-Deuterium entstehen, um für Messungen nützlich zu sein.
Die wesentlich höheren Neutronenausbeuten, die von verschiedenen Ausführungsformen des offenbarten Neutronengenerators bereitgestellt werden, können dagegen Messungen mit 2,45-MeV-Neutronen möglich machen. Dies ist vorteilhaft, da Neutronen im Energiebereich 2,45 MeV ein besseres Wechselwirkungswerkzeug zum Messen bestimmter Formationseigenschaften wie etwa Wasserstoffindex und Formationsporosität bereitstellen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Neutronengeneratoren ist die wesentlich geringere Ionenquellenzünddauer. In vielen üblichen Neutronengeneratoren beträgt die Verzögerung zwischen dem Anlegen einer Ionisationsspannung und der Erzeugung von Neutronen (die „Einschaltdauer“), oder zwischen dem Entfernen der Ionisationsspannung und dem Enden der Neutronenerzeugung (die „Ausschaltdauer“) etwa zehn Mikrosekunden.
Die hier beschriebenen Neutronengeneratoren auf Feldionisationsbasis dagegen weisen Ein-/Ausschaltdauer im Nanosekundenbereich auf (d. h. unter 1 As). Dies ist für Vermessungswerkzeuge mit gepulsten Neutronen vorteilhaft, da es bessere Steuerung und/oder Kenntnis der Taktung und Form der Neutronenimpulse bereitstellt (was z. B. die Erzeugung von im Wesentlichen quadratischen Neutronenimpulse mit kurzen Anstiegs- und Abfallzeiten ermöglicht).
Weitere vorteilhafte Charakteristiken von erfindungsgemäßen Neutronengeneratoren gemäß verschiedenen Ausführungsformen beinhalten relativ geringe Ionisationsspannungen (von z. B. einigen wenigen hundert Volt, anstelle einiger Kilovolt, wie sie unter anderem in Penning-Ionenquellen verwendet werden), und eine gewisse strukturelle Einfachheit im Vergleich zu vielen üblichen Vorrichtungen. Beispielsweise verwenden Penning-Ionenquellen im Allgemeinen ein Magnetfeld, um die Elektronenwege in der Ionenquelle zu verlängern; damit wird entweder ein Permanentmagnet verwendet, der die Masse erhöht und zu Herstellungsschwierigkeiten führt, da die Magnetfeldstärke bei hohen Temperaturen, die im Allgemeinen zum Entgasen der Vakuumkammer verwendet werden, zum Absinken tendiert, oder ein Solenoid mit zusätzlichen elektrischen Verbindungen und Schaltkreisen. Das Verwenden erfindungsgemäßer direkter Feldionisation räumt die Notwendigkeit der Verwendung dieser Art von Permanent- oder elektromagnetischem Magnet aus.
Auf Feldionisation basierende Neutronengeneratoren wie oben beschrieben können mit geeigneten Strahlungsdetektoren und Steuer- und Verarbeitungsschaltkreisen verwendet werden, um Vermessungswerkzeuge mit gepulsten Neutronen zur Verwendung in verschiedenen Bohrlochvermessungsvorgängen bereitzustellen. 5 stellt ein Bohrlochvermessungswerkzeug 500 mit gepulsten Neutronen gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem Zusammenhang dar, in dem es angewandt werden kann, nämlich von einer Wireline 502 in einem verrohrten Bohrloch 504 herabhängend. Obwohl nicht dargestellt, kann das Werkzeug 500 in alternativen Ausführungsformen als Teil eines Bohrstrangs, z. B. in einer Bohrgarnitur, während eines Logging-while-drilling(LWD, Vermessung während des Bohrens)- oder Measurement-while-drilling(MWD, Messung während des Bohrens)-Vorgangs transportiert werden. Das Bohrlochvermessungswerkzeug 500 kann einen Neutronengenerator 100 wie oben beschrieben und einen oder mehrere Strahlungsdetektoren beinhalten. Bestimmte Werkzeuge verwenden beispielsweise drei Gammadetektoren 508, 510, 512 in einer linearen Konfiguration. Das Bohrlochvermessungswerkzeug 500 kann ferner Steuer- und Verarbeitungsschaltkreise 514 beinhalten, die dazu konfiguriert sind, den Betrieb des Werkzeugs 500 zu steuern und/oder damit erlangte Daten zu verarbeiten (wie etwa Daten, die von den Detektoren gemessene Strahlung angeben). Die Steuer- und Verarbeitungsschaltkreise 514 können über ein oder mehrere Telemetriesystem mit einem Datenverarbeitungssystem 515 (mit z. B. einem Prozessor und Speicher), das überirdisch angeordnet ist, kommunizieren, an dem von dem Werkzeug 500 vorgenommene Messungen weiter verarbeitet, angezeigt und/oder protokolliert werden können.
Der Neutronengenerator 100 kann betrieben werden, um Impulse hochenergetischer Neutronen 516 zu erzeugen (z. B. mit Energien von 2,45 MeV oder 14,1 MeV). Diese hochenergetischen Neutronen 516 durchdringen im Allgemeinen das Metallgehäuse des Bohrlochvermessungswerkzeugs 500 sowie das Bohrlochfutterrohr 518, werden jedoch in der Zementhülse 520 des Bohrlochs oder der Formation 522 um das Bohrloch abgebremst, indem sie wiederholt gestreut werden, woraufhin sie schließlich von Kernen in diesen Materialien eingefangen werden und dabei Gammastrahlung 524 erzeugen. Die Gammadetektoren 508, 510, 512 dienen zum Erfassen und Quantifizieren der Gammastrahlung, um dadurch Informationen zur Dichte und anderen Eigenschaften der Materialien zu erlangen. Durch die Verwendung mehrerer Detektoren in unterschiedlichen Abständen von dem Neutronengenerator 100 können verschiedene radiale Tiefen in den Materialien untersucht und/oder eine Normierung für bestimmte Größen (z. B. Neutronengesamtzahl) durchgeführt werden, indem Verhältnisse zwischen den Messwerten verschiedener Detektoren gebildet werden. Alternativ oder zusätzlich zu Gammadetektoren kann das Bohrlochvermessungswerkzeug 500 einen oder mehrere Detektoren zum Messen sekundärer Neutronen beinhalten, die bei Wechselwirkungen der Fusionsneutronen mit dem Bohrloch oder der Formation erzeugt werden. Die Steuer- und Verarbeitungsschaltkreise 514 und/oder das Datenverarbeitungssystem 515 können die gemessenen Strahlungsimpulse mit den sie verursachenden Neutronenimpulsen in Beziehung setzen; eine verbesserte Steuerung der Neutronenimpulstaktung, wie sie aufgrund kürzerer Ionenquellenzünddauer gemäß verschiedenen Ausführungsformen erreicht wird, ist für diese Zwecke hilfreich.
Zur Verwendung des Bohrlochvermessungswerkzeugs 500 in einem MWD-Vorgang können der Neutronengenerator 100, die Detektoren 508, 510, 512 und die Steuer- und Verarbeitungsschaltkreise 514 in der Bohrgarnitur eines Bohrstrangs angebracht werden, z. B. in einem Schwerstangenabschnitt aufgenommen oder darin integriert werden, um einen separaten Ansatz zu bilden. Statt der Aufhängung von einer Wireline wird das Werkzeug 500 dann zusammen mit dem Bohrstrang in das Bohrloch hinein und daraus heraus bewegt. In dieser Konfiguration kann die lineare Anordnung des Neutronengenerators 100 und der Detektoren 508, 510, 512, wie in 5 gezeigt, beibehalten werden. Das Werkzeug 500 arbeitet im Allgemeinen in gleicher Weise, ungeachtet dessen, ob es in einer Wireline-Sonde (wie dargestellt in 5) oder als ein MWD-Werkzeug in einer Bohrgarnitur verwendet wird.
6 stellt in Form eines Ablaufdiagramms ein Verfahren 600 zum Verwenden eines erfindungsgemäßen Bohrlochvermessungswerkzeugs dar. Das Verfahren 600 beinhaltet das Anordnen eines Bohrlochvermessungswerkzeugs mit gepulsten Neutronen gemäß der vorliegenden Offenbarung in (z. B. das Werkzeug 500 mit einem Neutronengenerator 100) in einem Bohrloch (Vorgang 602), z. B. durch Absenken des Werkzeugs in das Bohrloch an einer Wireline (wie in 5 gezeigt) oder als Teil eines Werkzeugstrangs während eines MWD-Vorgangs. Nach dem Anordnen in der gewünschten Tiefe im Bohrloch kann der Neutronengenerator in einem gepulsten Modus betrieben werden, um Neutronenblitze zu erzeugen (Vorgang 604). Das Betreiben des Neutronengenerators schließt im Allgemeinen das Anlegen eines Strom an das Gasbehälterelement, um einen gewünschten Betriebsdruck der Fusionsgase zu erzeugen (Vorgang 606); Anlegen einer gepulsten Spannung passender Polarität an die Feldionisationsstruktur und das Beschleunigungsgitter (etwa durch Anlegen negativer Spannungsimpulse an das Feldionisationsgitter (über einen Vorspannungswiderstand) und das Beschleunigungsgitter und Halten der Feldionisationsanordnung bei null Volt) (Vorgang 608); und Anlegen einer extrem hohen Spannung zwischen der Ionenquelle (z. B. dem Beschleunigungsgitter) und der Zielkathode (Vorgang 610) ein. Das Verfahren beinhaltet ferner das Messen von Strahlung, die sich aus der Wechselwirkung der Neutronen mit Materialien in oder um das Bohrloch ergibt (Vorgang 612), unter Verwendung von einem oder mehreren geeigneten Strahlungsdetektoren des Bohrlochvermessungswerkzeugs. Die gemessenen Strahlungsdaten können dann zusammen mit Neutronenimpulsdaten verarbeitet werden, wobei die Taktung zwischen Neutronenimpulsen (die aufgrund der Taktung der Spannungsimpulse bestimmt werden kann) und die erfasste Strahlung berücksichtigt werden, um Informationen zum Bohrloch und/oder zu Formationseigenschaften zu erlangen (Vorgang 614).
An den hier beschriebenen und dargestellten Strukturen und Techniken können zahlreiche Abwandlungen vorgenommen werden, ohne vom Umfang des erfinderischen Gegenstands abzuweichen. Entsprechend sollen die beschriebenen Ausführungsformen den Umfang des erfinderischen Gegenstands nicht einschränken. Vielmehr wird der Umfang des erfinderischen Gegenstands vom Umfang der nachfolgenden Ansprüche und aller weiteren Ansprüche bestimmt, die die vorliegende Offenbarung zulässt, sowie aller Äquivalente dieser Ansprüche.

Claims

Neutronengenerator, umfassend: ein geschlossenes Gehäuse, das ein ionisierbares Gas enthält, wobei das Gehäuse einen ersten und einen zweiten Neutronengeneratorabschnitt an einer Längsachse davon definiert; eine zylindrische Feldionisationsstruktur, die an einer Innenfläche des Gehäuses im ersten Abschnitt angeordnet ist, wobei die Feldionisationsstruktur dazu konfiguriert ist, das ionisierbare Gas bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die Struktur zu ionisieren; ein zylindrisches Beschleunigungsgitter, das um die Längsachse im ersten Abschnitt angeordnet ist, wobei das Beschleunigungsgitter dazu konfiguriert ist, im Betrieb eine Ansammlung von Ionen im Gitter zu bewirken; und eine Zielkathode, die an einem Ende des zweiten Abschnitts angeordnet ist, das distal zum ersten Abschnitt ist, wobei die Zielkathode während des Betriebs auf einem negativen elektrischen Potenzial relativ zu dem Beschleunigungsgitter gehalten wird, um Ionen aus dem Gitter zu extrahieren und sie zur Zielkathode hin zu beschleunigen, um dadurch Fusionsreaktionen zwischen den Ionen und Zielatomen zu verursachen, die in der Zielkathode enthalten sind.
Neutronengenerator nach Anspruch 1, wobei die Feldionisationsanordnung Folgendes umfasst: eine Anordnung von Nanospitzen, die an einem zylindrischen Substrat angeordnet ist; und ein Feldionisationsgitter, das konzentrisch innerhalb des zylindrischen Substrats angeordnet und an der Anordnung von Nanospitzen ausgerichtet ist, derart, dass die Nanospitzen an Öffnungen im Gitter angeordnet sind.
Neutronengenerator nach Anspruch 2, wobei ein Abstand zwischen dem Substrat und dem Feldionisationsgitter kleiner oder gleich einem Mikrometer ist.
Neutronengenerator nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse einen Außendurchmesser von weniger als 1,5 Zoll aufweist.
Neutronengenerator nach Anspruch 4, der in der Lage ist, eine Neutronenausbeute aus den Fusionsreaktionen von wenigstens 10⁹ Neutronen pro Sekunde zu erreichen.
Neutronengenerator nach Anspruch 1, wobei die Feldionisationsstruktur dazu konfiguriert ist, im Betrieb ionisiertes Gas mit wenigstens 50 % einatomigen Ionen zu erzeugen.
Neutronengenerator nach Anspruch 1, wobei das Anlegen eines Spannungsimpulses an die Feldionisationsstruktur innerhalb von weniger als einer Mikrosekunde danach einen Fusionsneutronenimpuls erzeugt.
Neutronengenerator nach Anspruch 1, wobei das ionisierbare Gas wenigstens eins von Deuterium und Tritium umfasst.
Bohrlochvermessungswerkzeug, umfassend: einen gepulsten Neutronengenerator umfassend, enthalten in einem geschlossenen Gehäuse, das einen ersten und einen zweiten Neutronengeneratorabschnitt an einer Längsachse davon definiert: eine zylindrische Feldionisationsstruktur, die an einer Innenfläche des Gehäuses im ersten Abschnitt angeordnet ist, wobei die Feldionisationsstruktur dazu konfiguriert ist, beim Anlegen einer elektrischen Spannung daran ein ionisierbares Gas zu ionisieren, das in dem Gehäuse enthalten ist; ein zylindrisches Beschleunigungsgitter, das um die Längsachse im ersten Abschnitt angeordnet ist, wobei das Beschleunigungsgitter dazu konfiguriert ist, im Betrieb eine Ansammlung von Ionen im Gitter zu bewirken; und eine Zielkathode, die an einem Ende des zweiten Abschnitts angeordnet ist, das distal zum ersten Abschnitt ist, wobei die Zielkathode während des Betriebs auf einem negativen elektrischen Potenzial relativ zu dem Beschleunigungsgitter gehalten wird, um dadurch Ionen aus dem Gitter zu extrahieren und sie zur Zielkathode hin zu beschleunigen, wobei Fusionsreaktionen zwischen den Ionen und Zielatomen, die in der Zielkathode enthalten sind, die Erzeugung von Neutronen bewirken; und einen Strahlungsdetektor, der dazu konfiguriert ist, Strahlung zu erfassen, die sich aus Wechselwirkung der Neutronen mit Materialien außerhalb des Bohrlochvermessungswerkzeugs ergibt.
Werkzeug nach Anspruch 9, ferner umfassend Schaltkreise, die wenigstens dazu konfiguriert sind, den Betrieb des Neutronengenerators oder des Strahlungsdetektors zu steuern, oder dazu Daten zu verarbeiten, die die von dem Detektor erfasste Strahlung angeben.
Werkzeug nach Anspruch 9, wobei die Feldionisationsanordnung des gepulsten Neutronengenerators Folgendes umfasst eine Anordnung von Nanospitzen, die an einem zylindrischen Substrat angeordnet ist; und ein Feldionisationsgitter, das konzentrisch innerhalb des zylindrischen Substrats angeordnet und an der Anordnung von Nanospitzen ausgerichtet ist, derart, dass die Nanospitzen an Öffnungen im Gitter angeordnet sind.
Werkzeug nach Anspruch 9, wobei ein Durchmesser des Werkzeugs weniger als zwei Zoll beträgt.
Werkzeug nach Anspruch 12, wobei ein Außendurchmesser des Neutronengenerators weniger als 1,5 Zoll beträgt.
Werkzeug nach Anspruch 13, wobei der Neutronengenerator in der Lage ist, eine Neutronenausbeute aus den Fusionsreaktionen von wenigstens 10⁹ Neutronen pro Sekunde zu erreichen.
Werkzeug nach Anspruch 9, wobei die Feldionisationsstruktur dazu konfiguriert ist, im Betrieb ionisiertes Gas mit wenigstens 50 % einatomigen Ionen zu erzeugen.
Werkzeug nach Anspruch 9, wobei der Neutronengenerator dazu konfiguriert ist, die Erzeugung eines Fusionsneutronenimpulses innerhalb von weniger als einer Mikrosekunde nach dem Anlegen eines Spannungsimpulses an die Feldionisationsstruktur zu bewirken.
Verfahren, umfassend: Anordnen eines Werkzeugs in einem Bohrloch, wobei das Werkzeug einen Neutronengenerator umfasst, der Folgendes beinhaltet: ein geschlossenes Gehäuse, das ein ionisierbares Gas enthält, wobei das Gehäuse einen ersten und einen zweiten Neutronengeneratorabschnitt an einer Längsachse davon definiert; eine zylindrische Feldionisationsstruktur, die an einer Innenfläche des Gehäuses im ersten Abschnitt angeordnet ist, um das ionisierbare Gas bei Anlegen einer elektrischen Spannung daran zu ionisieren; ein zylindrisches Beschleunigungsgitter, das um die Längsachse im ersten Abschnitt angeordnet ist, um eine Ansammlung von Ionen im Gitter zu bewirken; und eine Zielkathode, die an einem Ende des zweiten Abschnitts angeordnet ist, das distal zum ersten Abschnitt ist, und auf einem negativen elektrischen Potenzial relativ zu dem Beschleunigungsgitter gehalten wird, um Ionen aus dem Beschleunigungsgitter zu extrahieren und sie zur Zielkathode hin zu beschleunigen, um dadurch Fusionsreaktionen zwischen den Ionen und Zielatomen zu verursachen, die in der Zielkathode enthalten sind; und Betreiben des Neutronengenerators in einem gepulsten Modus, um die Erzeugung von Neutronenimpulsen durch Fusion des ionisierten Gases mit den Zielatomen zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Betreiben des Neutronengenerators das Anlegen einer gepulsten Spannung an die zylindrische Feldionisationsstruktur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die angelegte gepulste Spannung weniger als tausend Volt beträgt.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend Messen von Strahlung, die sich aus Wechselwirkung der Neutronen mit Materialien in oder um das Bohrloch ergibt.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Anordnen des Werkzeugs im Bohrloch Aufhängen des Werkzeugs an einer Wireline umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Anordnen des Werkzeugs im Bohrloch Anordnen eines Bohrstrangs, der das Werkzeug beinhaltet, im Bohrloch umfasst.