СТРУКТУРА БЕТАТРОНА И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СТРУКТУРЫ БЕТАТРОНА
BETATRON STRUCTURE AND BETATRON STRUCTURE MANUFACTURING METHOD

Перекрестная ссылка на родственные заявки
Настоящая Заявка притязает на приоритет в соответствии с Предварительной патентной заявкой США, серийный номер 60/683833, озаглавленной "Methods of Constructing a Betatron Vacuum Chamber and Injector", поданной 23 мая 2005 года, которая полностью содержится в данном документе по обращению.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для компактного кругового ускорителя, основанного на магнитной индукции (бетатрона), и, конкретнее, к более простой и более эффективной структуре бетатронной вакуумной камеры и инжектора, изготавливаемой в микромасштабе.
Уровень техники
Ядерные скважинные приборы использовались в течение нескольких десятилетий для того, чтобы определять плотность пород, окружающих скважину. Традиционные скважинные приборы каротажа плотности состоят из источника гамма-лучей (рентгеновских лучей), по меньшей мере, одного детектора гамма-лучей и экрана между детектором и источником с тем, чтобы распознавались только рассеянные гамма-лучи. В ходе плотностного каротажа гамма-лучи из источника скважинного прибора проходят через скважину в окружающие породы. Скважинные приборы каротажа ядерной плотности основываются на комптоновском рассеянии гамма-лучей в образовании для измерения плотности.
Вследствие ограничений по размеру и высоких требований к интенсивности и энергии гамма-лучей (более 500 килоэлектронвольт для моноэнергетического источника и энергия конечной точки более 1 мегаэлектронвольт для спектра тормозного излучения) скважинные приборы гамма-каротажа плотности традиционно использовали радиоактивные химические источники. Тем не менее, использование химических источников создает множество логистических и политических проблем. Например, существует высокий уровень ответственности, связанный с обработкой и использованием химических источников. Как результат, требуется множество правительственных директив и средств обеспечения эксплуатационной безопасности при обработке, транспортировке, хранении и ликвидации скважинных приборов, использующих химические источники. Вследствие этого в последние годы прилагаются усилия к тому, чтобы заменить химические источники на нехимические, электронные источники (тормозное излучение).
Хотя электростатические машины предоставляют требуемый уровень энергии, они, как правило, не подходят для скважинного варианта применения. Аналогично, линейные радиочастотные машины могут обеспечить гамма-лучи высокой интенсивности, тем не менее, размер и вес делает трудным их использование для скважинных вариантов применения. Помимо этого они зачастую имеют очень высокую стоимость. Асинхронные машины, такие как бетатроны, - это привлекательные нехимические источники гамма-лучей. Тем не менее, вакуумные камеры из бетатронов традиционно исполнялись из стекла с использованием методик выдувания стекла вручную. Традиционная методика изготовления требует использования высококвалифицированных работников. Следовательно, бетатроны этого типа не воспроизводятся способом, приемлемым для массового производства. Помимо этого вследствие множества проблем с конструкцией (частично описанных ниже) они не были успешно внедрены.
Кольцевая вакуумная камера и инжектор играют важнейшую роль в работе скважинного бетатрона. Камера обеспечивает вакуумную среду, в которой ускоряется пучок электронов. Она имеет форму тороида, который установлен между двумя полюсами бетатронного магнита и окружает центральный сердечник магнита. Внутри камеры небольшая электронная пушка или инжектор испускает электроны в начале каждого цикла ускорения и синхронно с ним. Небольшая часть испущенных электронов, которая подпадает в апертуру магнита, улавливается, ускоряется до полной энергии и, в итоге, направляется к мишени, где некоторые электроны соударяются с электронами мишени. Как следствие этих соударений, тормозное излучение (рентгеновские лучи) испускается из мишени. Большинство электронов, испускаемых из инжектора в начале цикла ускорения, не улавливаются и, при отсутствии достаточной энергии для того, чтобы пройти сквозь стену камеры, просто оседают на внутренней поверхности камеры. На пустой изолирующей поверхности, такой как стекло, избыточный заряд стены может приводить к преждевременному распаду ускоряемого пучка вследствие электростатического поля, генерируемого уловленными зарядами. Чтобы разрешить эту проблему, внутренняя поверхность стеклянной камеры ускорителя покрыта резистивным слоем, имеющим проводимость, достаточную для того, чтобы отводить заряд стены в землю без образования значительных вихревых токов, тормозящих изменяющееся магнитное поле. Соответствующее удельное сопротивление этого слоя составляет примерно 100-1000 Ом на квадрат. Нанесение этого резистивного покрытия на традиционные вакуумные камеры из выдувного стекла оказалось достаточно сложным. Следовательно, покрытие внутренней части камеры ускорителя с помощью соответствующего совместимого с вакуумом материала, который может выдержать бомбардировку пучком электронов, является одним из препятствий для создания работоспособного скважинного бетатрона.
Только те электроны, которые подпадают в апертуру магнита, могут быть уловлены и ускорены. Поскольку апертура магнита, как правило, очень мала, совмещение и позиция инжектора, которые имеют существенное влияние на эффективность улавливания, очень важны. Инжектор (в тыльной части которого может быть размещена мишень) традиционно устанавливается на одном конце длинной консоли главной балки, которая состоит из нескольких проводящих металлических полос, прикрепленных к электродам инжектора. Другие концы металлических полос прикреплены к вакуумным электронным выводам. Скомпонованный блок затем вставляется в вакуумную камеру через длинный выдающийся порт с металлостеклянной муфтой и припаивается на месте. Надлежащее размещение и совмещение инжектора, прикрепленного к концу длинной консоли главной балки внутри традиционной вакуумной камеры из выдувного стекла, очень сложно. Следовательно, установка и совмещение инжектора/мишени - это два дополнительных трудных вопроса конструирования.
Надлежащая работа бетатрона требует, чтобы камера находилась в вакууме. Это представляет дополнительные сложности для изготовления структуры с помощью традиционных специальных методик выдувания стекла. Второй вакуумный порт должен быть предусмотрен в стеклянной структуре для того, чтобы дать возможность создания вакуума. Наличие этих портов накладывает дополнительные геометрические ограничения на структуру магнита и катушки.
Следовательно, цель настоящего изобретения - предоставить конструкцию вакуумной камеры, которая проще для изготовления и имеет улучшенную воспроизводимость.
Другая цель настоящего изобретения - предоставить бетатронную вакуумную камеру, внутренняя поверхность которой имеет необходимую удельную проводимость.
Еще одна цель настоящего изобретения - предоставить бетатронную вакуумную камеру, которая обеспечивает более простое и эффективное совмещение инжектора/мишени.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение предоставляет источник гамма-лучей, изготовленный в микромасштабе. Структура бетатрона настоящего изобретения состоит из: (а) тороидальной вакуумной камеры, причем вакуумная камера составлена из двух или более частей, соединенных вместе (формирующих стенки структуры); (b) инжектора, размещенного внутри вакуумной камеры; и (с) двух или более магнитов, размещенных снаружи вакуумной камеры. Дополнительно, мишень также может быть размещена в вакуумной камере. Бетатрон включает в себя инжектор, который может быть выполнен за одно целое, установлен или соединен с, по меньшей мере, одной из двух или более частей или может быть соединен с указанными частями. Указанные две или более частей выполнены из стекла, пирекса, силиконовых материалов, керамики, композитов или их сочетания. Эти части могут быть покрыты и/или легированы для того, чтобы добиться требуемого удельного сопротивления в камере. Такое покрытие может быть выполнено до соединения частей. Помимо этого данные части могут иметь произвольную форму для того, чтобы формировать вакуумную камеру посредством использования различных методик, в том числе методик изготовления при помощи ультразвуковой и гидромониторной обработки, механической обработки, шлифования, формовки, струйного или фототравления, способов производства MEMS (микроэлектромеханических систем) или их сочетания. Части могут быть соединены с помощью различных методик, в том числе пайки твердым припоем, анодного соединения, уплотнения стеклоприпоем, ультразвуковой сварки или плавки или их сочетания. Хотя электрические выводы могут быть сформированы в стенке структуры, эти выводы могут быть необязательными, если соединение выполняется с помощью методик пайки металлическим припоем. В этом случае металлический припой может выступать в качестве электрического соединения.
Если выводы сформированы, они должны быть запаяны с помощью одной из множества методик, в том числе пайки твердым припоем, анодного соединения, уплотнения стеклоприпоем, ультразвуковой сварки или плавки или их сочетания.
6
Эмиттером инжектора может быть автоэлектронный эмиттер (такой, как матрица с полевой эмиссией и эмиттер на углеродных нанотрубках) либо термоионный эмиттер (такой, как диспенсерный катод, катод LaB или вольфрамовый катод).
Дополнительные признаки и варианты применения настоящего изобретения станут более очевидными из чертежей и нижеследующего подробного описания.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - это схематическое представление вакуумной камеры.
Фиг.2 - это поперечный разрез первого варианта осуществления вакуумной камеры в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.3 - это поперечный разрез второго варианта осуществления вакуумной камеры в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.4 - это поперечный разрез третьего варианта осуществления вакуумной камеры в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.5 - это схематическое представление скважинного прибора плотностного каротажа, подходящего для одного варианта применения настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Бетатрон (источник гамма-лучей) состоит из двух основных компонентов: модулятора и структуры бетатрона. Модулятор включает в себя блок регулирования мощности и блок регулирования пучка. Структура бетатрона включает в себя магнит (показан на фиг.2 и 3), вакуумную камеру (показана на фиг.1, 2 и 3) и инжектор (показан на фиг.1). Следует отметить, что мишень может быть выполнена заодно со структурой инжектора или объединена с ней.
Фиг.1 показывает общее схематическое представление структуры 100 бетатрона, имеющего тороидальную вакуумную камеру 102. Инжектор 106 и мишень 108 размещены внутри камеры 102 ускорителя. Следует отметить, что хотя инжектор 106 и мишень 108 показаны как два различных элемента, специалистам в данной области техники известно, что инжектор и мишень могут быть сконструированы как единый элемент. Электроны, вводимые в камеру 102 посредством инжектора 106, улавливаются в ней посредством магнитного поля, создаваемого магнитами 212а, 212b (см. фиг.2). Электроны движутся, как правило, по круговой траектории 104 до тех пор, пока не достигнут требуемого уровня энергии. Электроны, которые достигают требуемой энергии, выталкиваются с орбиты и соударяются с мишенью 108 для того, чтобы сгенерировать поток рентгеновских фотонов высокой энергии. Также могут быть предусмотрены различные электрические выводы 110, проходящие через стенки камеры, чтобы обеспечивать электрическое соединение с инжектором. Поперечные разрезы этой конфигурации показаны на фиг.2, 3 и 4.
В соответствии с настоящим изобретением и как показано на фиг.2, 3 и 4, вакуумная камера составлена из двух или более частей. Хотя фиг.2, 3 и 4 показывают две части практически одинакового размера, могут быть использованы части других размеров и форм. Структура из двух (или нескольких) частей обеспечивает возможность более простого и точного совмещения инжектора, поскольку совмещение выполняется до того, как части соединяются. Дополнительно, устраняется необходимость в вакуумном порте, поскольку все части, которые формируют окончательную структуру, собираются и запаиваются в условиях вакуума. Поскольку части обрабатываются в микромасштабе, они являются более точными и воспроизводимыми по сравнению с традиционными специальными методиками выдувания стекла. Альтернативно, для облегчения производства в структуре может быть использован вакуумный порт.
В соответствии с настоящим изобретением тороидальная вакуумная камера сконструирована из любого материала, (1) который может иметь произвольную форму и (2) может быть задана необходимая удельная проводимость этого материала. Подходящие материалы включают в себя стекло, пирекс, силиконовые материалы, керамику, композиты или их сочетания.
Придание формы частям может выполняться с помощью ультразвуковой и гидромониторной обработки, механической обработки, шлифования, формовки, струйного или фототравления либо с помощью методик производства MEMS (в том числе методик поверхностной или объемной микрообработки кремния либо сочетания этих методик). Части соединяются для того, чтобы сформировать вакуумную камеру, с помощью любой из множества методик крепления в условиях вакуума, в том числе пайки твердым припоем, анодного соединения или присоединения методом сплавления, уплотнения стеклоприпоем, ультразвуковой сварки или их сочетания.
Подходящие материалы - это такие материалы, для которых может быть задана любая удельная проводимость для того, чтобы соответствовать требованиям эксплуатации, например, посредством покрытия, легирования или сочетания вышеуказанного. Конструкция этой структуры, состоящая из нескольких частей, как показано на фиг.2, 3 и 4, позволяет более простое покрытие материала, поскольку это может быть выполнено до соединения частей. Для использования в качестве источника гамма-лучей соответствующее покрытие с активным сопротивлением должно иметь поверхностное удельное сопротивление примерно 100-1000 Ом на квадрат.
6
Инжектор 106, 206, 306 может включать в себя два или более электрода, отделенных изоляторами. И электроды, и изоляторы могут быть изготовлены с помощью методик обработки, подходящих для точной обработки на станке очень небольших структур, т.е. ультразвуковой обработки, струйного травления или с помощью технологии MEMS. Электроды и изоляторы затем соединяются в слоистую структуру с помощью подходящей методики соединения. Электроды выполнены из проводящего материала, в том числе сильнолегированного кремния или любого подходящего металла, который совместим с требованиями точной обработки и крепления. Изолятором может быть стекло, пирекс или любой другой подходящий изоляционный материал с достаточной электрической прочностью диэлектрика, и он может быть соединен с электродами. Источник электронов или эмиттер может быть целой частью электрода (катода), либо он может быть отдельным компонентом, который устанавливается после того, как различные электроды скреплены. Источником электронов может быть либо автоэлектронный эмиттер, такой как матрица с полевой эмиссией, или эмиттер на углеродных нанотрубках, либо им может быть термоионный эмиттер, такой как диспенсерный катод, катод LaB или вольфрамовый катод.
В одном варианте 200, показанном на фиг.2 (который показывает поперечный разрез А-А фиг.1), вакуумная камера 202 составлена из двух частей: верх 216 и открытая тороидальная основа 214. Стеклянный верх 216 и кремниевая основа 214 с инжектором, уже установленным и совмещенным внутри камеры, затем объединяются 218 с помощью любой из множества методик. Магниты 212а, 212b размещены вне камеры и служат для того, чтобы ускорять электроны. Для сведения - траектория электронов показана ссылочной позицией 204.
В другом варианте 300, показанном на фиг.3, который также показывает поперечный разрез А-А фиг.1, обе части вакуумной камеры 314а, 314b составлены из сильнолегированного кремния и соединены в вакууме либо с помощью прямого присоединения 320 методом сплавления кремний-кремний, либо с помощью анодного соединения с тонким стеклянным граничным слоем для того, чтобы сформировать камеру 302. Магниты 312а, 312b и траектория 304 электронов также показана на фиг.3.
В структурах фиг.2 и 3 электрические выводы в инжектор могут быть либо вделаны в кремний, либо вставлены через предварительно просверленные в стекле отверстия. Электрические выводы (для приема электрических соединений) могут быть сделаны из стекла или кремния и металлических штырьков и припаяны к вакуумной камере с помощью одного или более из присоединения методом сплавления, анодного соединения, уплотнения стеклоприпоем или ультразвукового крепления. Специалист в данной области техники должен принимать во внимание, что могут быть использованы другие методики для того, чтобы добиться приемлемых результатов.
3
Другой вариант 400, показанный на фиг.4 (снова показывающий поперечный разрез А-А фиг.1), не требует заделанных выводов. Камера 402 сконструирована из нескольких полых кремниевых трубок 422а, 422b, …, 422f с примерно прямоугольным поперечным сечением. Оба конца прямоугольной трубки обрезаны до такого угла, чтобы при соединении они сформировали закрытую камеру. Соединение выполняется на обоих концах трубки с помощью металлического припоя 424 (т.е. PdIn). Соединения также выступают в качестве электрических контактов при условии, что они не служат помехой для потока магнитной индукции. Следует отметить, что полые трубки могут быть составлены из керамических структур (с покрытыми внутренними поверхностями и металлизированными концами). Альтернативно, та же конструкция может быть использована с керамическим материалом, при этом соединения могут непосредственно выступать в качестве металлических выводов.
Компактный бетатрон настоящего изобретения может быть использован для множества вариантов применения, в том числе неразрушающего тестирования и контроля, в качестве скважинного источника для плотностного каротажа или других доступных промышленных вариантов применения.
Использование источника в качестве скважинного источника в скважинном приборе плотностного каротажа проиллюстрировано на фиг.5. Показан скважинный зонд 526, подвешенный в необсаженном стволе скважины 528, покрытом глинистой коркой 530. Манипулятор 532 шарнирной конструкции подводит зонд 526 к стенке ствола скважины. Зонд 526 включает в себя секцию 534 ускорителя, которая содержит бетатрон и источник 536 питания, и управляющую секцию 538 для бетатрона. Другие источники питания (не показаны) могут быть предусмотрены при необходимости для других компонентов забоя скважины, что является обычной практикой. Управляющая секция 538 содержит схемы модуляции и другие схемы, необходимые для того, чтобы приводить в действие бетатрон, и известные в данной области техники (см., например, патент США номер 5122662, полностью включенный в данное описание в качестве ссылки). Секция 540 детектора размещается на различных расстояниях от ускорителя 534 и экранирована от него поглотителем 542 гамма-лучей. Секция 540 детектора предпочтительно включает в себя два или более детектора гамма-лучей, размещенных на различных расстояниях от ускорителя 534. И управляющая секция 538, и секция 540 детектора подключены к схемам 544 обработки сигналов и телеметрии в скважине. Схемы 544 подключены к подвижной станции или передвижной вычислительной машине 546 для обработки данных детектора для того, чтобы проводить каротаж объемной плотности в скважине и с учетом компенсации глинистой корки. Эти измерения выводятся в записывающее устройство/самописец 548, который выполняет стандартное представление и/или регистрацию на ленточные накопители как функцию глубины ствола скважины. С этой целью записывающее устройство/самописец 548 подсоединен к кабельному следящему механизму, известному в данной области техники. Специалисты в данной области техники должны принимать во внимание, что при выполнении традиционного плотностного каротажа должно быть использовано устройство выходного мониторинга гамма лучей.
Хотя изобретение описано в данном документе со ссылкой на конкретные примеры и варианты осуществления, должно быть очевидно, что в вышеописанных вариантах осуществления могут быть сделаны различные модификации и изменения без отступления от сущности и области применения изобретения, изложенной в формуле изобретения.