DE2726890B2 - Speise- und Regelschaltungsanordnung für eine gasgefüllte Neutronenröhre und Verfahren zum Speisen und Regeln der Neutronenröhre - Google Patents

Speise- und Regelschaltungsanordnung für eine gasgefüllte Neutronenröhre und Verfahren zum Speisen und Regeln der Neutronenröhre

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Description

Die Erfindung betrifft eine Speise- und Regelschaltung für eine gasgefüllte Neutronenröhre in einer nuklearen Bohrlochmeßsonde, wobei die Neutronenröhre eine Fangelektrode, eine Ionenquelle, an die eine lonenquellspannung anlegbar ist und einen mit Masse verbundenen Auffrischer aufweist, sowie mit einem mit der Fangelektrode in der Neutronenröhre verbundenen Speisespannungsgerät, das dazu dient, eine negative Hochspannung für die Fangelektrode und : inen dem Neutronenausstoß der Neutronenröhre entsprechenden Fangelektrodenstrom zu liefern (US-PS 39 49 232).
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist die Schaffung einer verbesserten Speise- und Regelschaltung und eines entsprechenden Verfahrens zum Speisen und Regeln einer gasgefüllten Neutronenröhre, welche sowohl einen kontinuierlichen als auch einen Impulsbetrieb der Neutronenröhre gestatten.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Speise- und Regelschaltungsanordnung vom eingangs genannten Typ erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Konstantstromquelle und eine mit dem Speisespannungsgerät, dem Auffrischer in der Neutronenröhre und der Konstantstromquelle verbundene, zum Zuführen eines Teils des Konstantstroms als Auffrischerstrom zu dem Auffrischer entsprechend dem Fangelektrodenstrom (It) und zur Steuerung des Neutronenausstoßes der Neutron jnröhre dienende Schaltung.
Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird im nachfolgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten und lediglich zur Veranschaulichung dienenden Ausfuhrungsbeispiels näher erläutert Die Zeichnungsfigur zeigt eine zum Erzeugen von Neutronen dienende Neutronet.röhre mit der zugeordneten, erfindungsgemäß ausgebildeten Speise- und Regelschaltung.
In der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Speise- und Regelschaltung wird der Auffrischerstrom im Auffrischerabschnitt der Nejtronenröhre in der Weise gesteuert, daß sowohl ein kontinuierlicher als auch ein Impulsbeh ieb der Neutronenquelle möglich ist Wie aus der Zeichnungsfigur ersichtlich, bestehen die drei Hauptfunktionselemente der Neutronenröhre 1 für eine (hier nicht dargestellte) nukleare Bohrlochmeßsonde aus einer Fangelektrode oder Target 3, einer Ionenquelle 5 und einem Auffrischer (»Replenisher«) 7. Der Auffrischer 7 ist bei 10 mit Masse verbunden. In einer Neutronenröhre z. B. des Typs Amperex 18 603 wird die Fangelektrode 3 normalerweise mit einer Spannung von —125 kV betrieben, und diese Spannung dient dazu, ein Gasgemisch aus Deuterium- und Tritiumionen zur Titan-Tritium-Fangeiektrode 3 zu beschleunigen. Die Ionenquelle 5 wird in der Amperex-Neutronenröhre mit einer Spannung von angenähert 1600 Volt betrieben und ionisiert das Gasgemisch und fokussiert dieses dadurch in den Besch! /unigungsbereich. Der Auffrischer 7 regelt den Gasdruck auf einen konstanten Druckwert ein, indem er die Temperatur eines (nicht dargestellten) Metallzylinders im Auffrischer 7 der Neutronenröhre 1 steuert Der Auffrischer 7 wird mit einer Stromaufnahme von 2£ bis 4,5A betrieben, welche den in diesem Abschnitt fließenden Auffrischerstrom darstellt In der Zeichnungsfigur ist außerdem die innerhalb der Bohrlochmeßsonde befindliche Speise- und Regelschaltung dargestellt
ίο Die Fangelektrodenspannung von —125 kV wird durch ein bekanntes Cockroft-Walton-Hochspannungs-Speisegerät erzeugt, an dessen Treiberstufe eine Gleichspannung von 50 Volt angelegt ist Das Hochspannungs-Speisegerät umfaßt die npn-Transistoren Qi und <?2, den Transformator 7*1, den Widerstand R 1, den Kondensator C1, die Kondensatoren CT. und C3 und die Dioden CR. Die Unterbrechungen im zweiten Segment des Kapazitäts-Dioden-Netzwerks deuten an, daß dieses Netzwerk noch weitere Stufen umfaßt die hier aus Vereinfachungsgründen jedoch nicht dargestellt sind. Da es sich bei dem Speisegerät nach Cockroft-Walton um ein bekanntes Gerät handelt und dessen gerätetechnische Einzelheiten zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Schaltung unwesentlich sind, sei hier lediglich gesagt daß dieses Gerät der Fangelektrode 3 eine Spannung von — 125 kV zuführt, und die Leitung 12 einen dem Fangelektrodenstrom entsprechenden Strom It führt. Der Fangelektrodenstrom hentspricht seinerseits dem
jo Neutronenausstoß der Neutronenröhre 1.
Eine Wechselspannung von 200 Volt gemessen von Spitze zu Spitze, und mit einer Frequenz von 2,7 kHz in Form einer Rechteckwelle wird an einen Transformator 15 angelegt, welcher die Spannung dieser Rechteckwel-
J5 Ie auf eine niedrigere Spannung heruntertransformiert, die an einen aus den Dioden 17, 18, 19 und 20 bestehenden Vollweg-Brückengleichrichter angelegt ist. Zwischen der positiven Ausgangsklemme des Vollweg-Brückengleichrichters und Masse 10 ist ein Filterkondensator 25 geschaltet Die negative Ausgangsklemme des Vollweg-Brückengleichrichters ist mit Masse 10 verbunden. Die vorstehend beschriebene Schaltung liefert einen Konstantstrom /, solange wie am Filterkondensator 25 eine konstante Spannung Vi
π anliegt.
Die positive Ausgangsklemme des Vollwog-Brükkengleichrichters ist außerdem mit dem Emitter 26 eines pnp-Transistors 38 verbunden, der einen Kollektor 40 und eine Basis 44 aufweist. Bei richtiger Vorspannung
W liefern die Kollektoren 40 und 48 der beiden Transistoren 38 und 47 einen Konstantstrom. Die Basis 44 des Transistors 38 ist mit dem Emitter 45 eines weiteren pnp-Transistors 47 verbunden, der eihen Kollektor 48 und eine Basis 49 aufweist Die Basis 49 des
Y> Transistors 47 ist mit dem Widerstand 31 und einem weiteren Widerstand 50 verbunden. Das andere Ende des Widerstands 50 ist über einen Sensistor (Heißleiter) 55, dessen Widerstandswert in Abhängigkeit von der Temperatur veränderlich ist, und der somit zur
Wi Temperaturkomr jnsation dient, mit Masse verbunden.
Der Kollektor 40 des Transistors 38 ist mit dem Kollektor 60 eines npn-Transistors 61 verbunden, dessen Emitter 63 mit Masse 10 und dessen Basis 65 mit einem weiteren Sensistor 70 verbunden ist, der
m gleichfalls zur Temperaturkompensation im Bohrloch dient.
Der Sensistor 70 ist mit dem Emitter 85 eines npn-Transistors 86 verbunden, dessen Kollektor 87 mit
dem Widerstand 28 verbunden ist. Die Basis 90 des Transistors 86 ist mit dem Emitter 93 eines Transistors 95 verbunden, der eine Basis 96 aufweist, und dessen Kollektor 97 mit dem Kollektor 87 des Transistors 86 verbunden ist. Die Basis % des Transistors 95 ist mit der Leitung 12 sowie den Widerständen 98, 99 und einem Kondensator 100 verbunden. Die anderen Seiten von Widerstand 99 und Kondensator 100 sind mit Masse 10 verbunden, während die andere Seite des Widerstands 98 mit dem Kollektor 103 eines npn-Transistors 105 verbunden ist, dessen Emitter 107 mit Masse 10, und dessen Basis 108 mit einem Elektronikschalter 110 verbunden ist. An den Elektronikschalter 110 sind eine positive Gleichspannung + V, eine negative Gleichspannung — V und ein Steuersignal angelegt. Der Elektronikschalter läßt in Abhängigkeit von der Amplitude des Steuersignals jeweils nur die Spannung + V oder die Spannung — Vdurch.
Der Kollektor 40 ues TiäiiäiSiors 38 ist mit dem Auffrischer 7 der Neutronenröhre 1 verbunden und führt dem Auffrischer 7 den Auffrischerstrom Ir zu.
Der kontinuierliche Betrieb der Neutronenröhre ist wie folgt: Beim Anschalten der Neutronenröhre 1 vermittels hier nicht dargestellter Mittel wird die Spannung von —125 kV langsam an die Fangelektrode 3 angelegt. Nachdem angenähert —40 kV an dieser anliegen, um innerhalb der Röhre befindliche Ionen zu fokussieren, wird die Spannung von 1600 Volt an die Ionenquelle 5 angelegt, wobei gleichzeitig die Stromzufuhr zum Auffrischer 7 erfolgt. Aufgrund der zur loniesierung des Gasgemischs benötigten Zeit ist der Gasdruck in der Neulronenröhre bei Anlegen der Spannung an die Ionenquelle äußerst gering. Nachdem der Auffrischer 7 etwa 3 bis 5 Minuten lang durch einen Auffrischerstrom von angenähert 4 A aufgewärmt worden ist, steigt der Gasdruck in der Neutronenröhre 1 an, so daß ein Fangelektrodenstrom /7-fließt.
Während der Aufheizung des Auffrischers 7 durch den Auffrischerstrom Ir ist der Strom /rgleich null und / entspricht dem Auffrischerstrom Ir, da die zwischen der Basis % des Transistors 95 und Masse 10 erscheinende Spannung null ist und im Transistor 61 kein Kollektorstrom / fließen kann. Zu Beginn des Betriebs der Neutronenröhre 1 nimmt der Fangelektrodenstrom IT zu, so daß auch die Spannung V2 von null aus ansteigt. Beim Anstieg der Spannung an der Basis 96 des Transistors 95 wird dieser angeschaltet und schaltet seinerseits den Transistor 86 an, so daß über den Widerstand 28 und den Transistor 86 ein Strom zum Sensistor 70 fließt. Der .Stromdurchgang durch den Sensistor 70 wiederum schaltet den Transistor 61 an. Folglich führt der Transistor 61 einen Teil des Konstantstroms / entsprechend der Größe der Spannung Vj in Form eines Stroms /zur Masse 10 ab, welcher r> seinerseits die Größe des Auffrischerstroms Ir beeinflußt. Die Spannung Vo an der Basis % des Transistors 95 entspricht dem Fangelektrodenstrom fr
Nach Ablauf der Einschaltzeit der Neutronenröhre 1 wird der Neutronenausstoß konstant gehalten durch
in ständige Überwachung des Fangelektrodenstroms h und Verändern des Gasdrucks in der Neutronenröhre 1 durch Veränderung des Auffrischerstroms Ir. Der Sollwert des Fangelektrodenstroms Ir wird durch die Widerstandswerte der Widerstände 98, 99 vorgegeben.
r> Bei kontinuierlichem Betrieb sind die Widerstände 99 und 98 parallel geschaltet, da der Elektronikschalter 110 durch das Steuersignal durchgeschaltct ist und die Spannung + V zur Basis 108 des Transistors 105 durchlast, so daß dieser leitfähig ist ur.d den Widerstand
2<> 98 mit Masse 10 verbindet.
Bei Impulsbetrieb arbeitet die Schaltung wie folgt: Die Arbeitsweise ist grundsätzlich die gleiche wie bei kontinuierlichem Betrieb, mit der Ausnahme, daß die Spannung an der Basis 96 des Transistors 95 in anderer
2r, Weise erzeugt wird. Im Impulsbetrieb arbeitet die Neutronenröhre 1 mit einem maximalen Tastverhältnis von 10%, was bedeutet, daß der Spitzenwert des Fangefc· k'rodenstroms /rbei angeschalteter Neutronenröhre um einen Faktor 10 höher ist. Daher wird der
ίο Fangelektrodenstrom It als pulsierender Strom ermittelt. Vermittels einer entsprechend bemessenen Zeitkonstante für eine vorgegebene Impulsfolgegeschwindigkeit wird jedoch der Kondensator 100 auf einer konstanten Ladespannung gehalten. Der Elektronik-
',-> schalter 110 ist in der Weise betätigt, daß die negative Spannung in die Basis 108 des Transistors 105 angelegt und der Transistor somithin gesperrt ist, so daß der Widerstand 98 nicht mehr in der Schaltung liegt. Daher wird der pulsierende Fangelektrodenstrom /rdurch den
in Widerstand 99 angezeigt. Der Mittelwert des Fangelektrodenstroms läßt sich verändern durch Verändern des Widerstandswerts des Widerstands 99. Normalerweise werden der kontinuierliche Strom und der Strommittelwert bei Impulsbetrieb der Fangelektrode gleich hoch
»> bemessen und entsprechen normalerweise dem maximalen Neutronenausstoß der Neutronenröhre 1.
Die Neutronenröhre wird somit im kontinuierlichen oder pulsierenden Beirieb durch Steuerung des Auffrischerstroms im Auffrischerabschnitt der Neutro-
~>'i nenröhre geregelt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Speise- und Regelschaltungsanordnung für eine gasgefüllte Neutronenröhre in einer nuklearen BohrlochmetBsonde, mit einer Fangelektrode, einer s Ionenquelle,, an die eine Ionen-Quellspannung anlegbar islt, und einem mit Masse verbundenen Auffrischer, :sowie mit einem mit der Fangelektrode in der Neultronenröhre verbundenen Speisespannungsgerät, das dazu dient, eine negative Hochspan- nung für die Fangelektrode und einen dem NeutronenaiisstoB der Neutronenröhre entsprechenden Füingelektrodenstrom zu liefern, gekennzeichnet durch eine Konstantstromquelle (15—,!S) und eine mit dem Speisespannung- is gerät (QX-CRX dem Auffrischer (7) in der Neutronenrohre (1) und der Konstantstromquelle verbundene,, zum Zuführen eines Teils des Konstantstroms als Auffrischerstrom (Ir) zu dem Auffrischer entsprechend dem Fangelektrodenstrom (It) und zur Steuerung aes Neutronenausstoßes der Neutronenröhre (i) dienende Schaltung (öö— iOO).
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auffrischerstromkreis einen Spannungsteiler umfaßt, durch welchen ein Teil des K.onstantstroms (I) entsprechend dem Fangelektrodenstrom als Nebenstrom zur Masse (10) abführbar ist wobei der übrige Teil des Konstantstroms als Auffrischerstrom dient
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, » wobei der .Fangelektrodenstrom bei kontinuierlichem Betri'b der Neutronenröhre aus einem kontinuierlichen Fangelektrodenstrom, und bei Impulsbetrieb der Elektronenröhre aus einem pulsierenden. Fangelektredenst.-gm besteht dadurch gekennzeichnet daß der Spannungsteiler einen bei Impulsbetrieb der Neutronenröhre zur Abgabe einer mittleren Spannung entsprechend den Impulsen des Fangelektrodenstroms, und bei kontinuierlichem Betrieb der Neutronenröhre zur Abgabe einer Vorspannung entsprechend dem kontinuierlichen Fangelektrodenstrom dienenden Spannungsgeber aufweist
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß der Spannungsgeber einen « Schalter (1119) aufweist an den eine positive und eine negative Gleichspannung (+ V, —V) angelegt sind, und der dazu dient bei kontinuierlichem Betrieb der Neutronennähre die positive Spannung durchzulassen und die negative Spannung zu sperren, und bei so Impulsbetrieb der Neutronenröhre die negative Spannung durchzulassen und die positive Spannung zu sperren, !»wie durch einen ersten npn-Transistor (105) mit Kollektor (103), mit Masse verbundenem Emitter (107) und einer mit dem Schalter (UO) verbundenem Basis (108), an welche die von dem Schalter durchgelassene Spannung anlegbar ist und der durch eine von dem Schalter angelegte positive Spannung in den leitfähigen Zustand überführbar ist wobei sein Kollektor (103) mit Masse (10) verbind- mi bar ist un<l der durch eine von dem Schalter angelegte negative Spannung in den gesperrten Zustand Qberführbar ist wobei die Verbindung zwischen Kollektor und Masse unterbrochen ist eine mit dem Speisespannungsgerät (Qi-CR) hl verbundene und zum Führen des Fangelektrodenstroms dienende Leitung (12), einen ersten Widerstand (9β) vorbestimmten Widerstandswerts, der zwischen der Leitung und dem Kollektor (103) des ersten Transistors (105) geschattet ist und die Leitung im leitfjihigen Zustand des ersten Transistors mit Masse, und im gesperrten Zustand nicht mit Masse verbindet einen zweiten Widerstand (99) vorbestimmten Widerstandswerts, der über eine gemeinsame Verbindung mit der Leitung (12) und dem ersten Widerstand (98), sowie mit Masse verbunden ist und einen zwischen der gemeinsamen Verbindung von Leitung, erstem und zweitem Widerstand und Masse geschalteten Kondensator (100), wobei diese Schaltung in der Weise ausgelegt ist daß im leitenden Zustand des ersten Transistors (105) die dem kontinuierlichen Fangelektrodenstrom entsprechende Vorspannung an der gemeinsamen Verbindung, und im gesperrten Zustand des ersten Transistors die dem gemittelten, pulsierenden Fangelektrodenstrom entsprechende Spannung an der gemeinsamen Verbindung erscheint
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Konstantstromquelle (15—55) außerdem für die Abgabe einer Spannung ausgelegt ist und der Spannungsteiler einen zweiten npn-Transistor (61), dessen Kollektor (60) mit der Konstantstromquelle, und dessen Emitter (63) mit Masse (10) verbunden ist und mit einer Basis (65), einen mit der Basis des zweiten npn-Transistors verbundenen Sensistor (70), einen dritten npn-Transistor (86), an dessen Kollektor (87) die Spannung der Konstantstromqueile angelegt ist dessen Emitter (85) mit dem Sensistor verbunden ist und mit einer Basis (90), einen vierten npn-Transistor (95), an dessen Kollektor (97) die Spannung der Konstantstromquelle angelegt ist dessen Emitter (93) mit der Basis (90) des dritten npn-Transistors (86) verbunden ist und dessen Basis (96) mit der gemeinsamen Verbindung im Spannungsgeber verbunden ist wobei die Schaltung in der Weise ausgelegt ijt daß die Arbeitsweise vom zweitem bis viertem Transistor durch die Vorspannung »tji'srbar und ein Teil des dem Fangelektrodenstrom entsprechenden Konstantstroms als Nebenstrom zur Masse (10) ableitbar ist und eine zweite, mit der Konstantstromquelle und dem Auffrischer (7) in der Neutronenröhre (1) verbundene Leitung aufweist welche dazu dient den übrigen Teil des Konstantstroms als dem Fangelektrodenstrom entsprechender Auffrischerstrom dem Auffrischer zuzuführen.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die Konstantstromquelle (15—55) aus einer in bezug auf Masse eine praktisch stabile Gleichspannung liefernden Gleichspannungsquelle (17—20), einem mit der Gleichspannungsquelle und den Kollektoren von drittem und viertem Transistor (86,95) verbundenen, zum Anlegen einer Gleichspannung an dritten und vierten Transistor dienenden dritten Widerstand (28) von vorbestimmtem Widerstandswert vierten und fünften Widerständen (30, 31) von vorbestimmten Widerstandswerten, die beide mit der Gleichspannungsquelle verbunden sind, einem fünften Transistor (38) vom pnp-Typ, dessen Emitter (36) mit dem vierten Widerstand (30), und dessen Kollektor (40) mit dem Kollektor (60) des zweiten Transistors (61) verbunden ist und mit einer Basis (44), einem sechsten Transistor (47) vom pnp-Typ. dessen Emitter (45) mit der Basis (44) des fünften Transistors (38), dessen Kollektor (48) mit den Kollektoren (60, 40) von
zweitem und fünftem Transistor, und dessen Basis (49) mit dem fünften Widerstand (31) verbunden ist einem sechsten Widerstand (50) und einem zweiten Sensistor (55) besteht, die in Reihe zwischen der Basis (49) des sechsten Transistors (47) und Masse geschaltet sind und dazu dienen, den fünften und den sechsten Transistor (38 bzw. 47) zur Lieferung des Konstantstroms zum Kollektor (60) des zweiten Transistors (61) und der zweiten Leitung anzusteuern.
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