Brevet FR3035263A1 — publié le 20161021

GÉNÉRATEUR DE NEUTRONS PAR IONISATION DE CHAMP Contexte [0001] Les outils de diagraphie à neutrons pulsés sont régulièrement utilisés dans des opérations de diagraphie de puits de pétrole et de gaz pour évaluer les caractéristiques physiques de formations de subsurface pénétrées par un trou de forage. Ces outils comportent généralement un générateur de neutrons qui produit des bouffées de neutrons de haute énergie, et un ou plusieurs détecteurs de rayonnement à des distances sélectionnées du générateur de neutrons permettant de mesurer le rayonnement secondaire (par exemple, des rayons gamma inélastiques, des rayons gamma de capture, des neutrons épithermiques, ou des neutrons thermiques) résultant d'interactions des neutrons de haute énergie avec les matériaux dans et entourant le trou de sonde. [0002] Les neutrons de haute énergie peuvent être générés dans des réactions de fusion des isotopes de l'hydrogène, le deutérium et/ou le tritium. Pour provoquer des réactions de fusion, à leur tour, le deutérium et/ou le tritium gazeux ionisés peuvent être accélérés par un champ électrique ultra haute tension vers une cible contenant du deutérium et/ou du tritium. Les ions peuvent être générés à partir de deutérium et/ou de tritium gazeux neutres de diverses façons ; les générateurs de neutrons pulsés les plus classiques emploient l'ionisation par choc par des électrons de haute énergie. Dans une source d'ions de Penning classique, par exemple, une impulsion haute tension (par exemple, ayant une amplitude de quelques kilovolts) est appliquée entre une cathode et une anode pour créer une décharge en arc qui provoque l'émission d'électrons 2 3035263 depuis la cathode et leur accélération vers l'anode, entrant en collision avec et ionisant ainsi des molécules de gaz en chemin. Des variantes d'approches permettant de créer les électrons libres requis comportent l'émission 5 thermique à partir de cathodes chauffées dans des sources d'ions dites « à cathode chaude », ou émission de champ, c'est-à-dire la transmission tunnel d'électrons à travers une barrière de potentiel abaissée par un champ électrique très puissant. 10 [0003] Le processus indirect de création tout d'abord d'électrons puis de création d'ions par l'intermédiaire de collisions d'électrons avec des molécules de gaz neutre se traduit généralement par un retard quelque peu variable de quelques microsecondes 15 entre l'application d'une impulsion de tension génératrice d'électrons et la bouffée de neutrons résultante, rendant difficile un contrôle précis sur la synchronisation des impulsions neutroniques. D'autres caractéristiques des impulsions neutroniques, telles que 20 leur forme et sortie neutronique totale, peuvent de même être moins prévisibles ou contrôlables que ce que l'on souhaite pour les opérations de diagraphie prévues. Des inconvénients supplémentaires de divers générateurs de neutrons pulsés classiques comportent une sortie 25 neutronique limitée (qui peut être due, par exemple, dans des sources d'ions de Penning, au fait que la majorité des ions sont diatomiques) ; des tensions d'ionisation élevées, qui peuvent soumettre le générateur de neutrons à des contraintes électriques qui diminuent sa fiabilité 30 et/ou sa durée de vie ; et un volume et une complexité provenant de composants de sources d'ions supplémentaires (tels que, dans des sources d'ions de Penning, un aimant utilisé pour allonger les trajectoires 3035263 3 d'électrons afin d'augmenter ainsi l'efficacité de collision). Brève description des dessins 5 [0004] Les figures lA et 1B sont des vues en coupe longitudinale schématiques de générateurs de neutrons employant l'ionisation de champ conformément à divers modes de réalisation. [0005] La figure 2 est une vue en coupe transversale 10 schématique de la source d'ions du générateur de neutrons des figures lA et 1B. [0006] La figure 3 est un schéma d'un exemple de structure d'ionisation de champ conformément à divers modes de réalisation. 15 [0007] La figure 4 est un graphique de la coupe de fusion deutérium-tritium en fonction de l'énergie par noyau de l'ion incident. [0008] La figure 5 est un schéma d'un outil à neutrons pulsés déployé dans un trou de sonde, 20 conformément à divers modes de réalisation. [0009] La figure 6 est un organigramme d'un procédé d'utilisation d'un outil de diagraphie à neutrons pulsés, conformément à divers modes de réalisation. 25 Description détaillée [0010] Sont décrits ici des générateurs de neutrons qui emploient l'ionisation de champ directe de gaz de fusion ionisables. Sont également divulgués des outils de diagraphie à neutrons pulsés comportant ces générateurs 30 de neutrons, et des procédés d'exploitation et d'utilisation de ceux-ci. Un générateur de neutrons conformément à divers modes de réalisation comporte un logement tubulaire contenant un gaz de fusion 4 3035263 ionisable (par exemple, le deutérium et/ou le tritium) et définissant des portions de source d'ions et d'accélération d'ions. Dans la portion de source d'ions, le générateur de neutrons comporte une structure 5 d'ionisation de champ cylindrique répartie autour de la surface intérieure du logement tubulaire. La structure d'ionisation de champ peut comporter une matrice d'ionisation de champ de nanopointes s'étendant vers l'intérieur depuis un substrat cylindrique, et une grille 10 d'ionisation de champ cylindrique disposée de façon concentrique par rapport au substrat à une petite distance (par exemple, dix micromètres ou moins) de celui-ci. Le gaz de fusion neutre peut être ionisé dans la structure d'ionisation de champ en appliquant un 15 potentiel (ou une tension) électrique négatif approprié à la grille d'ionisation de champ (par rapport à la matrice de nanopointes). Conformément à divers modes de réalisation, le générateur de neutrons comporte en outre une grille d'accélération d'ions cylindrique de grande 20 transparence disposée autour de l'axe longitudinal du générateur de neutrons de façon concentrique par rapport à la structure d'ionisation de champ, et maintenue à un potentiel électrique négatif par rapport à la grille d'ionisation de champ. Les ions générés par la structure 25 d'ionisation de champ s'accumulent à l'intérieur de la grille d'accélération d'ion, de laquelle ils peuvent être axialement extraits et accélérés, à l'intérieur de la portion d'accélération d'ions du générateur de neutrons, vers une cible de fusion. Le terme « cylindrique », tel 30 qu'utilisé ici, désigne la forme générale du composant respectif (en ne prenant pas en compte les éléments de petite surface), et ne nécessite pas une géométrie parfaite, mais simplement « sensiblement » cylindrique. 5 3035263 Une structure est jugée « sensiblement cylindrique » (ici simplement « cylindrique ») si les distances radiales de tout point sur celle-ci par rapport à l'axe de cylindre varient de moins de 20 %. Des variations par rapport au 5 rayon du cylindre peuvent provenir par exemple de l'approximation d'une forme parfaitement cylindrique avec une pluralité de segments ou bandes plans. [0011] De façon bénéfique, en utilisant l'ionisation de champ directe (par opposition à l'ionisation par 10 choc), le « temps d'amorçage de source d'ions », c'est-à-dire, le retard entre l'application d'une impulsion de tension à la structure d'ionisation de champ et la création d'une impulsion neutronique de fusion peut être réduit, dans divers modes de réalisation, à moins d'une 15 microseconde. La capacité à contrôler les caractéristiques d'impulsion neutronique peut ainsi être considérablement améliorée. En outre, la tension d'ionisation (qui, dans des configurations de source d'ions conformément à celle-ci, correspond à la tension 20 appliquée entre la matrice d'ionisation de champ et la grille d'ionisation de champ) peut être de l'ordre de seulement quelques centaines de volts, ce qui correspond à une réduction de tension d'ionisation, en comparaison à divers générateurs de neutrons classiques (tels que ceux 25 utilisant des sources d'ions de Penning), d'approximativement un ordre de grandeur. La tension réduite peut contribuer à une augmentation de la fiabilité et la durée de vie opérationnelle du générateur de neutrons. 30 [0012] Un autre bénéfice des générateurs de neutrons conformément à l'invention est leur capacité à atteindre, dans divers modes de réalisation, des populations d'ions avec plus de 50 % d'ions monoatomiques. En comparaison 3035263 6 aux ions diatomiques, les ions monoatomiques atteignent environ deux fois l'énergie par noyau, ce qui se traduit par une section de fusion associée approximativement cinq fois supérieure. Ainsi, une population d'ions 5 majoritairement monoatomique peut se traduire par des rendements en neutrons considérablement plus élevés. Les générateurs de neutrons conformément à certains modes de réalisation donnent 109 neutrons de fusion par seconde ou plus - environ un ordre de grandeur au-dessus des 10 rendements en neutrons que l'on peut atteindre avec de nombreux générateurs de neutrons classiques (tels que ceux utilisant des sources d'ions de Penning). Des rendements en neutrons plus élevés peuvent contribuer à une augmentation de la durée de vie et de la fiabilité du 15 générateur de neutrons, et assurer de meilleures intensités de signaux pour les mesures de neutrons pulsés. De plus, ils peuvent assurer des nombres suffisants de neutrons de 2,45 MeV provenant d'une fusion deutérium-deutérium afin de rendre faisables des mesures 20 d'après ceux-ci ; cela est avantageux car des neutrons de 2,45 MeV sont plus appropriés à la mesure de certaines propriétés de formation que les neutrons de 14,1 MeV créés pendant des réactions de fusion deutérium-tritium. [0013] Des exemples de modes de réalisation de 25 générateurs de neutrons par ionisation de champ seront à présent décrits plus en détail en référence aux dessins annexés. Comme il apparaîtra facilement à l'homme du métier ayant le bénéfice du présent exposé, divers changements structurels et opérationnels aux modes de 30 réalisation spécifiques évoqués peuvent être apportés sans s'éloigner de la portée de cet exposé. [0014] La figure lA illustre un générateur de neutrons 100, conformément à un mode de réalisation, dans 3035263 7 une vue en coupe prise le long d'un axe longitudinal 101 du dispositif. Le générateur de neutrons 100 comporte un logement tubulaire fermé (habituellement scellé hermétiquement) 102 définissant une chambre à vide 5 permettant de contenir un gaz de fusion ionisable tel que, par exemple, le deutérium gazeux, le tritium gazeux, ou un mélange de ceux-ci. (L'intérieur du logement 102 est ici dénommé une « chambre à vide » car les pressions de gaz y sont, dans un dispositif opérationnel, généralement 10 considérablement inférieures à la pression atmosphérique). Le logement 102 peut être réalisé en un métal ou un alliage de métal approprié, tel que par exemple, F15 (un alliage nickel-cobalt-fer) ou un alliage fer-nickel. Il peut être (et pour les besoins de la discussion qui suit, il est 15 supposé être) mis à la masse, c'est-à-dire maintenu à un potentiel électrique de zéro volt. Comme illustré, le logement 102 peut comporter, le long de l'axe longitudinal 101, une section cylindrique définissant une portion de source d'ions 104 du générateur de neutrons 100, 20 et une section tronconique définissant une portion d'accélération d'ions 106 du générateur de neutrons 100. Les deux portions 104, 106 peuvent être séparées physiquement par un couvercle de source d'ions 108 qui définit un orifice d'extraction d'ions 110 centré au niveau de l'axe 25 longitudinal 101. Dans divers modes de réalisation, le diamètre extérieur du logement 102 est inférieur à environ 1,5" (3,81 cm) (par exemple, d'environ 1,3"(3,302 cm) conformément à certaines normes industrielles). Le petit diamètre facilite l'utilisation du générateur de 30 neutrons 100, dans des environnements typiques de trou de sonde, où le diamètre extérieur d'un outil, y compris son logement sous pression, peut être limité à environ 2" (5,08 cm) ou moins (par exemple, environ 1,7"(4,318 cm) 3035263 8 dans certaines configurations d'outil types). La longueur (c'est-à-dire la dimension longitudinale) du logement 102 peut être de plusieurs pouces (cm). [0015] La portion de source d'ions 104 comporte un élément 5 de réservoir de gaz 112 comprenant un filament en métal (ou en alliage de métal) revêtu d'un matériau (par exemple un autre métal) sur lequel sont adsorbées des molécules de deutérium et/ou de tritium. Par exemple, dans certains modes de réalisation, l'élément de réservoir de gaz 112 est un 10 filament en tungstène revêtu de titane. L'élément de réservoir de gaz 112 peut être chauffé en amenant un courant électrique à circuler à travers le filament. Le courant peut être fourni, par exemple, via une électrode de commande d'élément de réservoir de gaz 114 maintenue à une tension 15 positive ou négative par rapport au logement 102 (mis à la masse), qui peut être en contact électrique avec l'élément de réservoir de gaz 112 de façon à fournir la seconde électrode. A mesure que la température de l'élément de réservoir de gaz 112 augmente, le deutérium/tritium gazeux 20 adsorbé est libéré dans la chambre à vide. A l'inverse, à mesure que l'élément de réservoir de gaz 112 se refroidit, le deutérium/tritium gazeux est (ré)adsorbé par le revêtement de filament. La pression de gaz d'équilibre établie à l'intérieur de la chambre à vide dépend de la 25 température de l'élément de réservoir de gaz 112, et peut ainsi être régulée via le courant électrique fourni à l'élément de réservoir de gaz 112. La pression de gaz de service utilisée pendant le fonctionnement du générateur de neutrons 100 peut être, par exemple, de l'ordre de 30 1 mTorr (133 mPa)(c'est-à-dire, considérablement inférieure à la pression atmosphérique). 3035263 9 [0016] La portion de source d'ions 104 du générateur de neutrons 100 comporte en outre une structure d'ionisation de champ cylindrique agencée le long d'une surface intérieure du logement 102 ; sur la figure 2, cette structure est 5 montrée en vue en coupe transversale (c'est-à-dire, une section prise perpendiculairement à l'axe longitudinal 101 à travers la portion de source d'ions 104). La structure d'ionisation de champ comporte une matrice d'ionisation de champ 120 - c'est-à-dire, une matrice de nanopointes 10 orientées vers l'intérieur disposées sur un substrat électriquement conducteur cylindrique (montré plus en détail sur la figure électriquement l'intérieur et 3) - et une grille d'ionisation de champ conductrice cylindrique 122 disposée à de façon concentrique par rapport à la 15 matrice d'ionisation de champ 120. Dans certains modes de réalisation, la distance radiale entre la matrice 120 et la grille 122 est inférieure à un micromètre, dans certains modes de réalisation, elle est même inférieure à cinq cents nanomètres. Lors de l'application d'un potentiel électrique 20 négatif à la grille d'ionisation de champ 122 (fourni, par exemple via une électrode de source d'ions 124, montrée sur la figure 1A), par rapport à la matrice d'ionisation de champ 120 (qui peut être mise à la masse, par exemple via un raccordement électrique au logement 102), les molécules de 25 gaz à proximité des nanopointes sont ionisées. [0017] Le débit auquel le gaz est ionisé, et ainsi les courants d'ions générés par la portion de source d'ions 104, est généralement proportionnel à la superficie de la matrice d'ionisation de champ 120. De façon bénéfique, la 30 configuration radiale des structures d'ionisation de champ cylindrique conformément à la 3035263 10 présente invention augmente la superficie de la matrice d'ionisation de champ en comparaison à celle d'un agencement linéaire (tel qu'utilisé de façon classique en laboratoire ou dans d'autres contextes où les limites spatiales imposées 5 par l'industrie de diagraphie de puits ne s'appliquent pas) y compris des matrices d'ionisation de champ circulaire planes et des grilles dimensionnées pour s'ajuster dans un outil approprié pour des applications de diagraphie de puits. Par exemple, une portion de source d'ions 104 avec un 10 diamètre d et une longueur 1 peut loger une matrice d'ionisation de champ cylindrique ayant une aire d'au plus Acyl = lud-1 ou une matrice d'ionisation de champ circulaire plane (orientée perpendiculaire à l'axe longitudinal) d'au plus Apian = It/4.d. Avec des exemples de dimensions de 15 d = 1,25"(3,175 cm) (qui est approprié pour s'ajuster dans un logement ayant un diamètre extérieur de 1,5" (3,81 cm)) et 1 = 2,5"(6,35 cm), l'aire de la matrice d'ionisation de champ cylindrique dépasse celle de la matrice plane de Acyi/Apian = 4-1/d 8. Si une matrice d'ionisation de champ 20 plus grande est souhaitable pour produire des courants d'ions plus élevés, la longueur de la matrice cylindrique peut être davantage augmentée. La taille d'une matrice circulaire, par contre, est habituellement bien plus restreinte, en raison des limites spatiales de l'outil de 25 diagraphie de puits. En conséquence, la géométrie cylindrique des structures d'ionisation de champ décrites ici peut contribuer à obtenir des rendements en neutrons suffisamment élevés pour des opérations de diagraphie de puits, rendant ainsi faisable la génération de neutrons par 30 ionisation de champ directe. [0018] En se référant toujours à la figure 1A, le gaz ionisé peut être accéléré vers le centre radial de la 11 3035263 chambre à vide par une grille d'accélération d'ions cylindrique 126 disposée autour de l'axe longitudinal 101 et maintenue à un potentiel électrique négatif par rapport à la grille d'ionisation de champ 122. Dans 5 certains modes de réalisation, comme le montre la figure 1A, la grille d'accélération 126 est raccordée à la même électrode de source d'ions 124 qui fournit également une tension à la grille d'ionisation de champ 126, mais une résistance de polarisation 127 10 raccordée en série à la grille d'ionisation de champ crée une différence de tension (par exemple d'environ 100 V) entre la grille d'ionisation de champ 122 et la grille d'accélération d'ions 126. Dans des variantes de modes de réalisation, illustrées sur la figure 1B, une électrode 15 séparée 129 est utilisée pour raccorder la grille d'accélération d'ions 126 indépendamment de la grille d'ionisation de champ 122. La grille d'accélération 126 est extrêmement transparente (occluant avec ses mailles, par exemple, uniquement 10 % ou moins de la surface 20 cylindrique qu'elle définit), permettant aux ions d'osciller à travers la chambre à vide et de finalement s'accumuler dans la cavité cylindrique définie, par la grille d'accélération 126, formant un plasma chargé électriquement 128 à l'intérieur. Les ions peuvent être 25 extraits axialement de cette région de plasma à travers l'orifice d'extraction 110. Le diamètre de la grille d'accélération 126 peut être d'environ un quart de pouce ; dans certains modes de réalisation, il concorde avec le diamètre de l'orifice 110. 30 [0019] La portion d'accélération d'ions 106 du générateur de neutrons 100 comporte, au niveau de l'extrémité opposée au couvercle de source d'ions 108 (et ainsi, distale par rapport à la portion de source 12 3035263 d'ions), la cible de fusion 130, par exemple sous la forme d'une couche de titane (ou d'un autre métal approprié) imprégnée de deutérium et/ou de tritium (les « atomes cibles »), qui est disposée sur une tige 5 cible 132 (qui peut être réalisée par exemple en cuivre). Ensemble, la tige cible 132 et la couche contenant du deutérium/tritium disposée dessus sont dénommées la cathode cible. Une tension négative ultra-élevée, par exemple de l'ordre de (moins) 100 keV, est appliquée 10 entre la cathode cible et la source d'ions (par exemple, la grille d'accélération d'ions 126), créant un champ électrique axial puissant qui extrait les ions positifs de la cavité de la grille d'accélération 126 et les accélère vers la cible 130. Lors d'un choc avec la 15 cible 130, une portion des ions subit des réactions de fusion avec les atomes de deutérium et/ou de tritium dans la cible 130, créant des neutrons rapides (par exemple, des neutrons de 14,1 MeV provenant de la fusion d'un noyau de deutérium avec un noyau de tritium, ou des 20 neutrons de 2,45 MeV provenant de la fusion de deux noyaux de deutérium) dans le processus. Des paramètres structurels et opérationnels appropriés de la portion d'accélération d'ions 106 du générateur de neutrons 100 (y compris les dimensions, les matériaux, et 25 les tensions) sont bien connus de l'homme du métier. [0020] En référence à la figure 3, des exemples de structures d'ionisation de champ seront à présent décrits. En général, une structure d'ionisation de champ conformément à la présente invention comporte un 30 substrat 120 et, s'étendant de ce dernier, une pluralité de nanopointes 300, agencées par exemple en une matrice régulière. Conformément à divers modes de réalisation, le terme « nanopointe » désigne ici des structures avec des 3035263 13 dimensions les plus grandes ne dépassant pas un micromètre. Dans certains modes de réalisation, la dimension la plus grande des nanopointes ne dépasse pas 500 nanomètres ; par exemple, la taille des nanopointes 5 peut s'inscrire dans la plage d'environ 200 nanomètres à environ 300 nanomètres. Le substrat 120 peut être réalisé en l'un quelconque de divers matériaux de semi-conducteur ou de conducteur appropriés (par exemple, silicium, oxyde de silicium, oxyde d'aluminium, arséniure de gallium, un 10 matériau à base de nickel, etc.). Les nanopointes 300 peuvent être réalisées, par exemple et sans limitation, en silicium, carbone, tungstène, molybdène, chrome, nitrure d'aluminium, ou leurs combinaisons. Par exemple, dans certains modes de réalisation, les nanopointes 15 comportent chacune une pointe à base de tungstène fixée au substrat et une pointe en carbone formée moléculairement sur l'extrémité de la pointe en tungstène. Les nanopointes 300 peuvent être sensiblement coniques (comme montré), ou avoir l'une quelconque de 20 diverses autres formes géométriques. Par exemple, dans certains modes de réalisation, les nanopointes sont des nanotubes en carbone sensiblement cylindriques. La matrice peut comporter de l'ordre d'un million de nanopointes par centimètre carré. La taille, le rapport 25 de forme, et la densité des nanopointes peuvent dépendre du procédé de fabrication particulier employé. [0021] La structure d'ionisation de champ comporte en outre une grille d'ionisation de champ 122 disposée au-dessus de la matrice de nanopointes. Des 30 ouvertures 302 de la grille 122 sont généralement alignées avec les nanopointes 300. Par exemple, comme l'illustre la figure 3, la grille 122 peut être formée d'une matrice d'électrodes grilles 304 intercalées entre 14 3035263 les nanopointes 300 et espacées les unes des autres et isolées du substrat par des isolants 306. La hauteur des nanopointes 300 peut être légèrement supérieure, égale, ou inférieure à la distance entre le substrat 120 et la 5 grille d'ionisation de champ 122, de sorte que les nanopointes 300 pénètrent dans la grille 122 ou, en variante, se terminent au niveau du plan ou en dessous de la grille d'ionisation de champ 122 (comme montré). L'espacement entre les nanopointes 300 et les électrodes 10 grilles 304 peut être choisi de sorte que les impulsions de tension d'ionisation appliquées entre elles (indiquées en 310) servent à ioniser le gaz dans l'espace entourant les nanopointes 300. [0022] Les matrices et les grilles d'ionisation de 15 champ 120, 122 sont structurellement similaires aux grilles d'émission de champ, la différence principale (ou dans certains cas l'unique) différence étant une polarité inversée entre la matrice 120 et la grille 122 : tandis que, dans des structures d'émission de champ, la 20 grille 122 est maintenue à une tension positive par rapport aux nanopointes 300 pour provoquer une transmission tunnel des électrons à partir des nanopointes 300 à travers la barrière de potentiel diminuée dans le vide, les structures d'ionisation de 25 champ emploient une tension négative de la grille 122 pour provoquer une transmission tunnel des électrons à partir de particules neutres (par exemple, des molécules de gaz) à proximité des pointes 300 vers les pointes 300, créant ainsi des ions. L'intensité de champ électrique 30 nominale seuil (c'est-à-dire, le rapport seuil entre la tension appliquée et la distance entre le substrat 120 et la grille 122) nécessaire dans la structure d'ionisation de champ pour générer un courant ionique sensible au 15 3035263 niveau d'une pointe 300 dépend, entre autres, de la géométrie et du matériau de la nanopointe 300, et peut être plus élevée d'un facteur d'environ trois à sept que l'intensité de champ électrique nécessaire pour générer 5 le même courant électrique avec des électrons générés par émission de champ. (Cela est dû au fait que le potentiel de surface de matériaux typiques va de 2 à 5 eV, tandis que le potentiel d'ionisation de l'hydrogène est d'environ 13,5 eV - environ trois à sept fois plus 10 élevé). Par exemple, pour des nanotubes en carbone, les seuils d'ionisation de champ peuvent être entre environ 7,5 et 16 V/pm (en comparaison à 0,75 à 1,6 V/pm pour des émissions de champ), tandis que pour des nanopointes en silicium, en nitrure d'aluminium, en tungstène, et en 15 molybdène, les seuils d'ionisation de champ peuvent être entre environ 20 et environ 40 ou 50 V/pm. A noter que les intensités de champ local réelles à proximité des nanopointes sont bien plus élevées que l'intensité de champ nominale, en raison des petites dimensions des 20 nanopointes (notamment au niveau de leurs extrémités libres supérieures). [0023] Les matrices et les grilles d'ionisation de champ adaptées pour être utilisées dans des générateurs de neutrons comme envisagé ici, et leurs procédés de 25 fabrication, sont généralement bien connus de l'homme du métier. Cependant, conformément à la présente invention, la structure d'ionisation de champ est cylindrique (et non, comme dans la plupart des structures classiques, planes). Dans certains modes de réalisation, une 30 structure d'ionisation de champ cylindrique (ou un composant de celle-ci, telle que la matrice d'ionisation de champ) est assemblée à partir d'une pluralité de bandes planes qui sont fixées autour de la surface 3035263 16 intérieure du logement 102 parallèle à l'axe longitudinal 101. Dans d'autres modes de réalisation, une structure d'ionisation de champ cylindrique (ou ses composants constitutifs, tels que la matrice 120 et la 5 grille 122) est formée comme un tout, par exemple d'un seul tenant avec le logement 102 ou en tant que structure autonome séparée pouvant être insérée dans le logement 102. [0024] Les générateurs de neutrons conformément à la 10 présente invention peuvent assurer diverses caractéristiques de performance avantageuses ou d'autres propriétés bénéfiques. Par exemple, dans certains modes de réalisation, la source d'ions du générateur de neutrons produit (suite à l'emploi de l'ionisation de 15 champ directe) des ions de deutérium et/ou de tritium qui sont en grande partie monoatomiques (par exemple, à plus de 50 %, dans certains modes de réalisation à plus de 75 % voire même à plus de 90 %). La figure 4 montre les sections de fusion pour des réactions de fusion 20 deutérium-tritium en fonction de l'énergie par noyau de l'ion incident. Pour un ion de deutérium diatomique incident, l'énergie par noyau représente seulement la moitié de l'énergie d'un ion de deutérium monoatomique (car l'énergie à laquelle l'ion diatomique 25 est accéléré entre l'orifice d'extraction 110 et la cible de fusion 130, qui est la même que pour un ion monoatomique, est scindée entre les deux noyaux). Ainsi, dans un champ électrique dans lequel des ions monoatomiques sont accélérés à une énergie d'environ 30 110 keV, où la section de fusion est à son point le plus haut à environ cinq barns (comme le montre la figure 4), les noyaux individuels d'ions diatomiques atteignent des énergies seulement d'environ 55 keV, réduisant leur 3035263 17 section de fusion à environ 0,8 barn. En conséquence, la section de fusion d'ions monoatomiques est supérieure à celle des ions diatomiques d'un facteur de cinq à six. Puisque la probabilité selon laquelle la fusion se 5 produit lors d'un choc d'un ion de deutérium ou de tritium sur la cible est proportionnelle à la section de fusion, la section de fusion plus élevée se traduit, pour un courant de faisceau d'ions donné incident sur la cible, en un nombre proportionnellement plus élevé de 10 réactions de fusion et, ainsi, de neutrons générés. Un autre facteur contribuant, dans divers modes de réalisation, à l'augmentation des rendements en neutrons est la configuration cylindrique de la matrice d'ionisation de champ, qui se traduit par une superficie 15 plus grande (en comparaison à des configurations d'ionisation de champ plane) et ainsi, des courants de faisceau d'électrons plus élevés. Dans certains modes de réalisation, le générateur de neutrons atteint des rendements en neutrons, pour des neutrons de 14,1 MeV 20 générés pendant la fusion deutérium-tritium, d'environ 109 neutrons par seconde ou plus. A titre de comparaison, de nombreux générateurs de neutrons classiques employés dans des outils de diagraphie de puits n'atteignent seulement qu'environ 108 neutrons par seconde. Puisque le rendement 25 en neutrons pour la fusion deutérium-deutérium est inférieur d'environ deux ordres de grandeur à celui de la fusion deutérium-tritium, ces générateurs de neutrons classiques ne produisent généralement pas en nombres suffisants les neutrons de 2,45 MeV générés à partir de 30 deutérium-deutérium pour qu'ils soient utiles pour des mesures. Les rendements en neutrons considérablement plus élevés assurés par divers modes de réalisation du générateur de neutrons divulgués peuvent, cependant, 3035263 18 rendre faisables des mesures à l'aide des neutrons de 2,45 MeV. Cela est bénéfique car des neutrons dans le domaine d'énergie de 2,45 MeV fournissent un meilleur outil interactif de mesure de certaines propriétés de 5 formation, telles que l'indice d'hydrogène et la porosité de formation. [0025] Les générateurs de neutrons conformément à la présente invention présentent également l'avantage d'avoir un temps d'amorçage de source d'ions 10 considérablement réduit. Dans de nombreux générateurs de neutrons classiques, le retard entre l'application d'une tension d'ionisation et la génération de neutrons (le temps d'« activation »), ou entre l'élimination de la tension d'ionisation et l'arrêt de génération de 15 neutrons (le temps de « désactivation »), est d'approximativement dix microsecondes. Par contre, les générateurs de neutrons à base d'ionisation de champ décrits ici peuvent avoir des temps d'activation/désactivation dans la plage des 20 nanosecondes (c'est-à-dire, moins de 1 ps). Cela est bénéfique pour des outils de diagraphie à neutrons pulsés, car cela assure un meilleur contrôle sur et/ou une meilleure connaissance de la synchronisation et de la forme des impulsions neutroniques (facilitant par exemple 25 la création d'impulsions neutroniques de forme sensiblement carrée avec des temps de montée et de descente courts). [0026] Des caractéristiques bénéfiques de générateurs de neutrons supplémentaires conformément à 30 divers modes de réalisation incluent les tensions d'ionisation relativement faibles (par exemple de quelques centaines de volts, plutôt que quelques kilovolts utilisés dans les sources d'ions de Penning, 19 3035263 entre autres), et une certaine simplicité structurelle en comparaison à de nombreux dispositifs classiques. Par exemple, des sources d'ions de Penning utilisent généralement un champ magnétique pour allonger les 5 trajectoires d'électrons dans la source d'ions ; ce qui utilise soit un aimant permanent, qui rajoute du volume et pose des problèmes de fabrication dus au fait que l'intensité du champ magnétique tend à se dégrader aux températures élevées généralement utilisées pour dégazer 10 la chambre à vide, soit un solénoïde, avec des connexions électriques et une circuiterie supplémentaires. L'emploi de l'ionisation de champ directe conformément à la présente invention s'affranchit de l'utilisation de ce type d'aimant permanent ou électromagnétique. 15 [0027] Les générateurs de neutrons à base d'ionisation de champ décrits ci-dessus peuvent être utilisés avec des détecteurs de rayonnement appropriés et une circuiterie de commande et de traitement pour fournir des outils de diagraphie à neutrons pulsés destinés à 20 être utilisés dans diverses opérations de diagraphie de puits. La figure 5 illustre un outil de diagraphie à neutrons pulsés 500 conformément à divers modes de réalisation dans un contexte dans lequel il peut être employé, à savoir, suspendu à un câble métallique 502 à 25 l'intérieur d'un trou de sonde tubé 504. Bien que non illustré, dans des variantes de modes de réalisation, l'outil 500 peut être acheminé en fond de trou comme partie d'un train de tiges de forage, par exemple dans un ensemble de fond de trou, pendant une opération de 30 diagraphie en cours de forage (LWD) ou de mesure en cours de forage (MWD). L'outil de diagraphie de puits 500 peut comporter un générateur de neutrons 100 tel que décrit ci-dessus, et un ou plusieurs détecteurs de rayonnement. 3035263 20 Par exemple, certains outils utilisent trois détecteurs de rayons gamma 508, 510, 512 en configuration linéaire. L'outil de diagraphie de puits 500 peut en outre comporter une circuiterie de commande et de 5 traitement 514 configurée pour commander un fonctionnement de l'outil 500 et/ou traiter des données obtenues avec celui-ci (telles que des données indiquant le rayonnement mesuré par les détecteurs). La circuiterie de commande et de traitement 514 peut être en 10 communication via un ou plusieurs systèmes de télémétrie avec un système de traitement de données 515 (y compris par exemple un processeur et une mémoire) situé au-dessus de la surface, où des mesures prises par l'outil 500 peuvent être en outre traitées, affichées, et/ou 15 diagraphées. [0028] Le générateur de neutrons 100 peut être exploité pour créer des impulsions de neutrons de haute énergie 516 (par exemple, avec des énergies de 2,45 MeV ou 14,1 MeV). Ces neutrons de haute énergie 516 pénètrent 20 généralement le boîtier en métal de l'outil de diagraphie de puits 500 ainsi que le tubage de trou de sonde 518, mais sont ralentis dans la gaine en ciment 520 du trou de sonde ou de la formation 522 entourant le trou de sonde en se dispersant de façon répétée et en étant finalement 25 capturé par des noyaux dans ces matériaux, créant un rayonnement gamma 524 lors du processus. Les détecteurs de rayons gamma 508, 510, 512 servent à détecter et à quantifier le rayonnement gamma, et capturent ainsi des informations concernant la densité et d'autres propriétés 30 des matériaux. L'utilisation de multiples détecteurs à des distances différentes du générateur de neutrons 100 peut servir à sonder des profondeurs radiales différentes dans les matériaux et/ou à normaliser certaines 21 3035263 quantités (par exemple, le décompte total de neutrons) en formant des rapports entre les lectures des différents détecteurs. En variante ou en plus des détecteurs de rayons gamma, l'outil de diagraphie de puits 500 peut 5 comporter un ou plusieurs détecteurs permettant de mesurer des neutrons secondaires générés pendant des interactions des neutrons de fusion avec le trou de sonde ou la formation. La circuiterie de commande et de traitement 514 et/ou le système de traitement de 10 données 515 peuvent corréler les impulsions de rayonnement mesurées avec les impulsions neutroniques qui les provoquent ; un contrôle amélioré sur la synchronisation d'impulsions neutroniques, obtenu conformément à divers modes de réalisation en raison de 15 temps d'amorçage de source d'ions plus courts, est bénéfique à cet effet. [0029] Pour utiliser l'outil de diagraphie de puits 500 dans une opération de mesure en cours de forage, le générateur de neutrons 100, les 20 détecteurs 508, 510, 512 et la circuiterie de commande et de traitement 514 peuvent être montés dans l'ensemble de fond de trou d'un train de tiges de forage, par exemple logés dans ou intégrés à une section de masse-tige pour former une réduction séparée. Au lieu d'être suspendu à 25 un câble métallique, l'outil 500 va alors être déplacé dans et hors du trou de sonde conjointement au train de tiges de forage. Dans cette configuration, l'agencement linéaire du générateur de neutrons 100 et des détecteurs 508, 510, 512 illustré sur la figure 5 peut 30 être retenu. L'outil 500 fonctionne généralement de la même manière, peu importe qu'il soit déployé dans une sonde de câble métallique (montrée sur la figure 5) ou en 22 3035263 tant qu'outil de mesure en cours de forage dans un ensemble de fond de trou. [0030] La figure 6 illustre, sous forme d'un organigramme, un procédé 600 d'utilisation d'un outil de 5 diagraphie de puits conformément à la présente invention. Le procédé 600 comporte la disposition d'un outil de diagraphie de puits à neutrons pulsés conformément au présent exposé (par exemple, un outil 500 comportant un générateur de neutrons 100) dans un trou de 10 sonde (opération 602), par exemple en descendant l'outil dans le trou de sonde sur un câble métallique (décrit sur la figure 5) ou comme partie d'un train de tiges pendant une opération de mesure en cours de forage. Une fois situé à la profondeur souhaitée dans le trou de sonde, le 15 générateur de neutrons peut être exploité en mode pulsé pour générer des bouffées de neutrons (opération 604). L'exploitation du générateur de neutrons implique généralement l'application d'un courant à l'élément de réservoir de gaz pour créer une pression de service 20 souhaitée de gaz de fusion (opération 606) ; l'application d'une tension pulsée de la polarité correcte à la structure d'ionisation de champ et à la grille d'accélération (par exemple, en appliquant des impulsions de tension négative à la grille d'ionisation 25 de champ (via une résistance de polarisation) et à la grille d'accélération et en maintenant la matrice d'ionisation de champ à zéro volt) (opération 608) ; et l'application d'une tension ultra haute entre la source d'ions (par exemple, la grille d'accélération) et la 30 cathode cible (opération 610). Le procédé comporte en outre la mesure d'un rayonnement provenant d'une interaction des neutrons avec des matériaux dans ou entourant le trou de sonde (opération 612), l'utilisation 3035263 23 d'un ou plusieurs détecteurs de rayonnement appropriés de l'outil de diagraphie de puits. Les données de rayonnement mesurées peuvent alors être traitées conjointement à des données d'impulsions neutroniques, en 5 prenant en compte la synchronisation entre les impulsions neutroniques (comme on peut le déterminer d'après la synchronisation des impulsions de tension) et le rayonnement détecté, afin d'obtenir des informations concernant le trou de sonde et/ou les propriétés de 10 formation (opération 614). [0031] De nombreuses variations peuvent être apportées aux structures et aux techniques décrites et illustrées ici sans s'éloigner de la portée de l'objet de l'invention. En conséquence, les modes de réalisation 15 décrits ne sont pas destinés à limiter la portée de l'objet de l'invention. Mais plutôt, la portée de l'objet de l'invention doit être déterminée par la portée des revendications qui suivent et toutes les revendications supplémentaires énoncées par le présent exposé, et tous 20 les équivalents de ces revendications. 24 REVENDICATIONS1. Générateur de neutrons (100) comprenant : un logement (102) fermé contenant un gaz ionisable, le logement (102) définissant des première et seconde portions (104, 106) de générateur de neutrons (100) le long d'un axe longitudinal (101) de celui-ci ; une structure d'ionisation de champ cylindrique agencée le long d'une surface intérieure du logement (102) dans la première portion (104), la structure d'ionisation de champ étant configurée pour ioniser le gaz ionisable lors de l'application d'une tension électrique à la structure ; une grille d'accélération cylindrique (126) placée autour de l'axe longitudinal (101) dans la première portion (104), la grille d'accélération (126) étant configurée, en fonctionnement, pour provoquer une accumulation d'ions dans la grille (126) ; et une cathode cible disposée au niveau d'une extrémité de la seconde portion (106) qui est distale par rapport à la première portion (104), la cathode cible étant maintenue, en fonctionnement, à un potentiel électrique négatif par rapport à la grille d'accélération (126) pour extraire des ions de la grille (126) et les accélérer vers la cathode cible pour provoquer ainsi des réactions de fusion entre les ions et une partie des atomes cibles contenus dans la cathode cible afin de générer des neutrons de haute énergie (516). 2. Générateur de neutrons (100) selon la revendication 1, dans lequel la matrice d'ionisation de champ (120) comprend 25 3035263 une matrice de nanopointes disposée sur un substrat (120) cylindrique ; et une grille d'ionisation de champ (122) disposée de façon concentrique à l'intérieur du substrat cylindrique 5 (120) et alignée avec la matrice de nanopointes de sorte que les nanopointes (300) soient situées au niveau d'ouvertures (302) de la grille (122). 3. Générateur de neutrons (100) selon la 10 revendication 2, dans lequel une distance radiale entre la matrice (120) et la grille d'ionisation de champ (122) est inférieure à un micromètre. 4. Générateur de neutrons (100) selon la 15 revendication 1, dans lequel le logement (102) a un diamètre extérieur inférieur à 1,5 pouce (2,54 cm). 5. Générateur de neutrons (100) selon la revendication 1, dans lequel, le potentiel électrique 20 appliqué à la cathode cible permet d'extraire et d'accélérer les ions de manière à provoquer des réactions de fusion atteignant un rendement en neutrons (516) d'au moins 109 neutrons (516) par seconde. 25 6. Générateur de neutrons (100) selon la revendication 1, dans lequel la structure d'ionisation de champ est configurée pour produire, en fonctionnement, un gaz ionisé ayant au moins 50 % d'ions monoatomiques. 30 7. Générateur de neutrons (100) selon la revendication 1, dans lequel l'application d'une impulsion de tension à la structure d'ionisation de champ 26 3035263 crée une impulsion neutronique de fusion en moins d'une microseconde après celle-ci. 8. Générateur de neutrons (100) selon la 5 revendication 1, dans lequel le gaz ionisable comprend au moins l'un du deutérium et du tritium. 9. Outil de diagraphie de puits (500) comprenant : un générateur de neutrons pulsés (100) comprenant, 10 contenues dans un logement (102) fermé définissant des première et seconde portions (104, 106) de générateur de neutrons le long d'un axe longitudinal (101) de celui-ci : une structure d'ionisation de champ cylindrique 15 agencée le long d'une surface intérieure du logement (102) dans la première portion (104), la structure d'ionisation de champ étant configurée pour ioniser, lors de l'application d'une tension électrique à celle-ci, un gaz ionisable contenu dans le logement (102) ; 20 une grille d'accélération cylindrique (126) placée autour de l'axe longitudinal (101) dans la première portion (104), la grille d'accélération (126) étant configurée, en fonctionnement, pour provoquer l'accumulation d'ions dans la grille (126) ; et 25 une cathode cible disposée au niveau d'une extrémité de la seconde portion (106) qui est distale par rapport à la première portion (104), la cathode cible étant maintenue, en fonctionnement, à un potentiel électrique négatif par rapport à la grille d'accélération 30 (126) pour extraire ainsi des ions de la grille (126) et les accélérer vers la cathode cible, des réactions de fusion entre les ions et une partie des atomes cibles 27 3035263 contenus dans la cathode cible provoquant une génération de neutrons ; et un détecteur de rayonnement (508, 510, 512) configure pour détecter un rayonnement (524) résultant 5 d'une interaction des neutrons avec des matériaux à l'extérieur de l'outil de diagraphie de puits (500). 10. Outil (500) selon la revendication 9, comprenant en outre une circuiterie configurée pour effectuer au 10 moins l'un parmi : réguler un fonctionnement du générateur de neutrons (100) ou du détecteur de rayonnement (508, 510, 512) ou traiter des données indiquant le rayonnement (524) détecté par le détecteur (508, 510, 512). 15 11. Outil (500) selon la revendication 9, dans lequel la matrice d'ionisation de champ (120) du générateur de neutrons pulsés (100) comprend une matrice de nanopointes disposée sur un substrat 20 cylindrique (120) ; et une grille d'ionisation de champ (122) disposée de façon concentrique à l'intérieur du substrat cylindrique(120) et alignée avec la matrice de nanopointes de sorte que les nanopointes (300) soient 25 situées au niveau d'ouvertures (302) de la grille (122). 12. Outil (500) selon la revendication 9, dans lequel un diamètre extérieur de j'outil (500) est inférieur à deux pouces (5,08 cm). 30 13. Outil (500) selon la revendication 12, dans lequel un diamètre extérieur du logement (102) du 28 3035263 générateur de neutrons (100) est inférieur à 1,5 pouce (2,54 cm). 14. Outil (500) selon la revendication 9, dans 5 lequel le potentiel électrique appliqué à la cathode cible permet d'extraire et d'accélérer les ions de manière à provoquer des réactions de fusion atteignant un rendement en neutrons (516) d'au moins 109 neutrons (516) par seconde. 10 15. Outil (500) selon la revendication 9, dans lequel la structure d'ionisation de champ est configurée pour produire, en fonctionnement, un gaz ionisé ayant au moins 50 % d'ions monoatomiques. 15 16. Outil (500) selon la revendication 9, dans lequel le générateur de neutrons (100) est configuré pour provoquer la création d'une impulsion neutronique de fusion en moins d'une microseconde suivant l'application 20 d'une impulsion de tension à la structure d'ionisation de champ. 17. Procédé d'utilisation d'un outil de diagraphie comprenant : 25 la disposition d'un outil (500) dans un trou de sonde, l'outil comprenant un générateur de neutrons (100)comportant : un logement (102) fermé contenant un gaz ionisable, le logement (102) définissant des première et seconde 30 portions (104, 106) de générateur de neutrons (100) le long d'un axe longitudinal (101) de celui-ci ; une structure d'ionisation de champ cylindrique, agencée le long d'une surface intérieure du logement 29 3035263 (102) dans la première portion (104), permettant d'ioniser le gaz ionisable lors de l'application d'une tension électrique à celle-ci ; une grille d'accélération cylindrique (126), placée 5 autour de l'axe longitudinal (101) dans la première portion (104), permettant de provoquer une accumulation d'ions dans la grille (126) ; et une cathode cible, disposée au niveau d'une extrémité de la seconde portion (106) qui est distale par 10 rapport à la première portion (104) et maintenue à un potentiel électrique négatif par rapport à la grille d'accélération (126), permettant d'extraire des ions de la grille d'accélération (126) et de les accélérer vers la cathode cible pour provoquer ainsi des réactions de 15 fusion entre les ions et une partie des atomes cibles contenus dans la cathode cible ; et l'exploitation du générateur de neutrons en mode pulsé pour provoquer la génération d'impulsions neutroniques par fusion du gaz ionisé avec les atomes 20 cibles. 18. Procédé selon la revendication 17, dans lequel l'exploitation du générateur de neutrons (100) comprend l'application d'une tension pulsée à la structure 25 d'ionisation de champ cylindrique. 19. Procédé selon la revendication 17, comprenant en outre la mesure de rayonnement (524) résultant d'une 30 interaction des neutrons avec des matériaux dans ou entourant le trou de sonde. 30 3035263 20. Procédé selon la revendication 17, dans lequel la disposition de l'outil (500) dans le trou de sonde comprend la suspension de l'outil à un câble métallique. 5 21. Procédé selon la revendication 17, dans lequel la disposition de l'outil (500) dans le trou de sonde comprend la disposition d'un train de tiges de forage incluant l'outil dans le trou de sonde.