КОНФИГУРАЦИЯ ПЛАВАЮЩЕГО ПРОМЕЖУТОЧНОГО ЭЛЕКТРОДА ДЛЯ УСТРОЙСТВ СКВАЖИННОГО ГЕНЕРАТОРА ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ
CONFIGURATION OF FLOATING INTERMEDIATE ELECTRODE FOR DEVICES OF WELL NUCLEAR RADIATIONS GENERATOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится, в основном, к генерированию радиации в скважинах для ядерного каротажа и, особенно, к конфигурациям электродов для трубок скважинного генератора ядерного излучения.
[0002] Трубка скважинного генератора может включать в себя три главных компонента: источник ионов, ускорительную колонну и мишень. Ионный пучок может продвигаться от источника ионов через ускорительную колонну в направлении мишени, направляясь при помощи разности напряжений между электродом, ближайшим к источнику ионов, и электродом вблизи мишени. Нейтроны и/или гамма-излучение генерируется, когда ускоренные ионы ударяют в мишень. Хотя ионный пучок продвигается через ускорительную колонну, тем не менее некоторые ионы могут ударять в электрод вместо мишени. Это может произойти отчасти из-за того, что ускорительная колонна трубы скважинного нейтронного генератора может содержать сжатый газ вместо вакуума, и отдельные ионы от пучка ионов могут ударить в частицы сжатого газа в ускорительной колонне и изменить направление.
[0003] Когда ион из ионного пучка ударяет в электрод ускорительной колонны, это может привести к ионно-индуцированному распылению. Распыление вызывает эмиссию и перенос материала электрода, которые обычно могут быть изотропными и, в общем, могут двигаться по прямой линии от точки эмиссии. Как результат, электропроводящий материал электрода может оседать на близлежащих керамических высоковольтных изоляторах, окружающих ускорительную колонну. Если высоковольтные изоляторы покрываются напыленным материалом электрода на существенном отрезке ускорительной колонны, электрическое напряжение между электродом вблизи источника ионов и электродом вблизи мишени может привести к короткому замыканию с катастрофическими последствиями утечки. Даже если в ускорительной колонне не произошло короткое замыкание, распыленный материал электрода по длине высоковольтного изолятора может образовать проводящую осажденную пленку, которая принимает на себя частичное напряжение между напряжением источника ионов и напряжением мишени. Эта проводящая пленка может увеличить напряженность электрического поля на прилегающих электродах в ускорительной колонне. Увеличение напряженности электрического поля может вызвать увеличение тока утечки по высокому напряжению, а также повысить вероятность катастрофических явлений утечки благодаря току утечки по изолятору или полевой эмиссии от одного из электродов.
[0004] Неровная поверхность мишени вследствие износа также может быть проблематичной для скважинного нейтронного генератора. Поскольку ионный пучок от источника ионов до мишени может быть центрированным, ионный пучок может быть неравномерно распределен по пятну луча при поражении мишени. Это неравномерное распределение может порождать неравномерный износ по краям мишени, что может вызвать выход нейтронов из нейтронного генератора, что действует как часть преждевременного износа мишени.
[0005] Аналогично, рентгеновская трубка скважинного генератора также может содержать три главных компонента: эмиттер электронов (катод), ускорительную колонну и мишень (анод). Пучок электронов может продвигаться от катода через ускорительную колонну в направлении анода, направляемый разностью напряжений между электродами вблизи электронной пушки (катода) и анода или ближайшего электрода. Рентгеновское излучение генерируется с помощью тормозного излучения либо характеристического рентгеновского излучения как следствие ионизации поверхности изнутри, когда электроны, ударяясь в анод, снижают скорость и рассеиваются в материале. Пока электронный пучок продвигается через ускорительную колонну, в то же время некоторые электроны могут удариться в электрод вместо того, чтобы достичь анода. По этой и другим причинам многие из тех же проблем, как и упомянутые выше, могут влиять на трубки скважинного нейтронного генератора так же, как и на рентгеновские трубки генератора.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0006] Некоторые аспекты, сопоставимые по масштабам с первоначально заявленными реализациями, изложены ниже. Следует понимать, что эти аспекты приведены просто для того, чтобы предоставить читателю краткое изложение некоторых форм, которые могут принимать реализации заявки, и что эти аспекты не предназначены для ограничения объема раскрываемой темы. Действительно, реализации предмета заявки могут включать в себя различные аспекты, которые возможно не изложены ниже.
[0007] Реализации, раскрытые в настоящее время, относятся к устройствам и способам, связанным с улучшенной конфигурацией электродов и способа функционирования скважинного генератора ядерного излучения. Одна из реализаций трубки нейтронного генератора, способного к функционированию в скважинах, может содержать источник ионов, электрод мишени и ускорительную колонну, расположенную между источником ионов и электродом мишени. Ускорительная колонна может содержать множество электродов и, что предпочтительнее, электрод-экстрактор, расположенный ближе к источнику ионов, чем к электроду мишени, защитный электрод, расположенный ближе к электроду мишени, чем к источнику ионов, и промежуточный электрод, расположенный между электродом-экстрактором и защитным электродом. Отказ от подключения промежуточного электрода к внешнему источнику питания является предпочтительным способом функционирования, при котором промежуточный электрод остается электрически плавающим, так что напряжение на нем определяется явлениями, происходящими внутри трубки генератора, такими как полевая эмиссии и вторичная электронная эмиссия к и от промежуточного электрода.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] Наглядность преимуществ данного изобретения может стать очевидной при чтении последующего подробного описания и со ссылкой на чертежи, в которых:
[0009] фиг. 1 иллюстрирует принципиальную блок-схему нейтронного генератора в соответствии с изобретением;
[0010] фиг. 2 схематически иллюстрирует поперечное сечение трубки нейтронного генератора, конфигурация электродов которой содержит промежуточный электрод, в соответствии с изобретением;
[0011] фиг. 3 схематически иллюстрирует поперечное сечение распределения электрического напряжения в верхней половине оси трубки нейтронного генератора по фиг. 2 в соответствии с изобретением;
[0012] фиг. 4 схематически иллюстрирует поперечное сечение распределения электрического напряжения в верхней половине трубки нейтронного генератора, конфигурация электродов которой содержит несколько промежуточных электродов, в соответствии с изобретением;
[0013] фиг. 5 представляет собой чертеж, описывающий электрическое поле, приложенное к поверхности электродов в верхней половине трубки нейтронного генератора по фиг. 4, в соответствии с изобретением;
[0014] фиг. 6 схематически иллюстрирует поперечное сечение распределения электрического напряжения в верхней половине другой трубки нейтронного генератора, конфигурация электродов которой содержит несколько промежуточных электродов, в соответствии с изобретением;
[0015] фиг. 7 представляет собой чертеж, описывающий электрическое поле, приложенное к поверхности электродов в верхней половине трубки нейтронного генератора по фиг. 6 при первом электрическом напряжении в соответствии с изобретением;
[0016] фиг. 8 - это чертеж, описывающий электрическое поле, приложенное к поверхностям электродов в верхней половине трубки нейтронного генератора по фиг. 6 при втором электрическом напряжении в соответствии с изобретением;
[0017] фиг. 9 схематически иллюстрирует поперечное сечение трубки нейтронного генератора, имеющей восемь промежуточных электродов, упорядоченных в эффективную структуру, в соответствии с изобретением;
[0018] фиг. 10 схематически иллюстрирует поперечное сечение распределения электрического напряжения в верхней половине трубки нейтронного генератора, конфигурация электродов которой содержит несколько промежуточных электродов, в соответствии с изобретением по фиг. 9;
[0019] фиг. 11 иллюстрирует блок-схему высоковольтного нейтронного генератора, использующего один высоковольтный источник питания, в соответствии с изобретением;
[0020] фиг. 12 иллюстрирует блок-схему высоковольтного нейтронного генератора, использующего два высоковольтных источника питания, в соответствии с изобретением; и
[0021] фиг. 13 схематически иллюстрирует нейтронный генератор, показанный на фиг. 12, с указанием механической поддержки заземленных промежуточных электродов.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0022] В настоящей заявке, в основном, описываются различные конфигурации электродов для ускорительной колонны скважинного генератора ядерного излучения, таких как трубка нейтронного генератора или рентгеновская трубка генератора. При том, что данное изобретение в основном описывает такие конфигурации в контексте трубки нейтронного генератора, заявляемые конфигурации электродов и технических приемов, относящихся к их использованию, могут в равной степени применяться к трубкам скважинных генераторов рентгеновского излучения. В частности, источник ионов и электрод мишени трубки нейтронного генератора могут быть, соответственно, аналогичны катоду и аноду трубки скважинного генератора рентгеновского излучения. Таким образом, ускорительная колонна трубки скважинного генератора рентгеновского излучения может подобным образом использовать конфигурации электродов и технологии, указанные со ссылкой на трубку нейтронного генератора. Когда такие конфигурации электродов и технологии используются в трубке скважинного генератора рентгеновского излучения, пучок электронов от катода, может быть, имеет меньше шансов столкнуться с каким-либо из промежуточных электродов во время перемещения по направлению к аноду, в противном случае это может привести к возникновению паразитных рентгеновских лучей и/или вторичной электронной эмиссии. Общее описание такой рентгеновской трубки может быть найдено в US № 5680431, "X-RAY GENERATOR", поданном Schlumberger Technology Corporation, который включен в настоящий документ посредством ссылки во всей своей полноте.
[0023] Соответственно, описанные здесь конфигурации электродов и ассоциированные с ними эксплуатационные технологии можно применить к любому скважинному генератору ядерного излучения, который может генерировать ядерное излучение за счет ускорения заряженных частиц через ускорительную колонну в направлении мишени. Такой скважинный генератор ядерного излучения может включать источник заряженных частиц (например, источник ионов и/или катод) для эмиссии заряженных частиц (например, ионов и/или электронов) в направлении мишени (например, электрода мишени и/или анода), которые могут осуществлять ядерное излучение (например, нейтронов/или рентгеновских лучей) вследствие удара заряженных частиц.
2
3
4
[0024] Учитывая вышеизложенное, на фиг. 1 схематически представлен вид поперечного сечения нейтронного генератора 10, подходящего для использования в качестве скважинного инструмента. Нейтронный генератор 10 может содержать устойчивый к давлению корпус 12, содержащий сжатый изолирующий газ 3 и различные устройства и компоненты. Например, нейтронный генератор 10 может включать источник 4 высокого напряжения, управляемый извне через внешний блок управления, и управляющие проходные соединители 5. Этот источник 4 высокого напряжения может обеспечивать высокое напряжение в диапазоне от 50 кВ до 150 кВ или более по отрицательной высоковольтной линии 6 к электроду 18 мишени в вакуумной трубке 11 нейтронного генератора. Трубка 11 нейтронного генератора может также содержать источник 16 ионов в вакуумной оболочке, управляемый внешним питанием и управляющими проходными соединителями 7. Вакуумная оболочка может содержать высоковольтный изолятор 28, разделяющий различные электроды (показано на фиг. 3 и описано ниже), расположенные между источником 16 ионов и электродом 18 мишени. Ионы, образующиеся в источнике 16 ионов, могут быть ускорены по направлению к электроду 18 мишени, и ядерная реакция между приходящими ионами и ядрами, расположенными в электроде 18 мишени, может генерировать нейтроны. Нейтроны могут быть созданы вследствие реакции дейтронов с тритием (т.е. d-T реакции), которая генерирует 14,1 МэВ нейтронов от d+T→n+alpha+17,6 МэВ; где d является ядром H атома, Т является H атомом, и альфа является ядром Не атома.
3
2
2
[0025] Электродом 18 мишени трубки нейтронного генератора может быть титановый диск, насыщенный H. Источник 16 ионов может ионизировать газ дейтерий H, и в результате молекулярные ионы или голые ядра могут быть ускорены по направлению к электроду 18 мишени электрическим полем между источником 16 ионов и электродом 18 мишени. Ионный пучок может быть импульсным для получения вспышек нейтронов. Также возможно и непрерывное функционирование.
[0026] Трубка 11 нейтронного генератора и источник 4 высокого напряжения могут быть заключены в устойчивый к давлению корпус 12, содержащий изолирующий газ 3, также как и изолирующие рукава (не показано), чтобы обеспечить генерацию и использование необходимого высокого напряжения в ограниченном доступном пространстве. Изолирующий газ 3 может содержать SF6 под давлением в пределах от нескольких psig (фунтов на квадратный дюйм) до более чем 100 psig. Проходные соединители 5 и 7 внутри устойчивого к давлению корпуса 12 могут обеспечивать питание высоковольтных секций нейтронного генератора 11 и выходы мониторинга для наружного контроля. Аналогичным образом, энергия поставляется источнику 16 ионов, который может содержать управление напряжениями и токами для регулировки и/или пульсации тока пучка ионов.
[0027] На фиг. 2 представлено схематически более подробное поперечное сечение генератора 10 нейтронов по фиг. 1, иллюстрирующее особенности улучшенной конфигурации электродов трубки 11 нейтронного генератора. Расположенная внутри устойчивого к давлению корпуса 12 ускорительная колонна 14 может обеспечивать путь перемещения для ионного пучка от источника 16 ионов к электроду 18 мишени. Ускорительная колонна 14 может, как правило, оставаться с низким давлением газа, который обычно требуется для надлежащего функционирования источника 16 ионов, лучше не в вакууме, потому что трубка нейтронного генератора 10 - это инструмент для внутрискважинного использования и трубка 11 нейтронного генератора может быть запечатана. Таким образом, могут не поддерживаться перепады давления между различными секциями трубки 11 нейтронного генератора, как это может иметь место в случае дифференциальной накачки источника ионов, что широко используется в лабораториях. Источник 16 ионов, как правило, производит импульсный ионный пучок, которые может быть быстро включен и выключен. Такой источник 16 ионов и другие компоненты трубки нейтронного генератора 10 в целом описаны в US № 5293410, "NEUTRON GENERATOR TUBE", поданном Schlumberger Technology Corporation, который включен в настоящий документ посредством ссылки в полном объеме.
[0028] Ионный пучок от источника 16 ионов может направляться через ускорительную колонну 14 с помощью множества электродов и, предпочтительно, с помощью электрода-экстрактора 20, промежуточного электрода 22 и защитного электрода 24 пока не достигнет титанового покрытия 26 на мишени 18. Хотя титановое покрытие 26 схематично представлено как покрывающее весь торец мишени 18, титановое покрытие 26 может покрывать лишь ту часть торца, где предполагается удар пучка ионов в мишень 18. Когда ионный пучок от источника 16 ионов ударяется в титановое покрытие 26, электрод 18 мишени может генерировать нейтроны по способу, который обсуждался выше. Электрод-экстрактор 20, промежуточный электрод 22 и защитный электрод 24 могут быть электрически отделены друг от друга изолятором 28, который может быть изготовлен из глинозема (керамический оксид алюминия).
[0029] Один или более источников высокого напряжения, таких как высоковольтный источник 4 питания, показанный на фиг. 1, могут запитывать энергией электроды 20, 22 и 24 в виде различных напряжений. В частности, электрод-экстрактор 20 может иметь напряжение на примерно 100 кВ выше, чем у защитного электрода 24 (т.е. защитный электрод 24 может иметь отрицательный потенциал по отношению к электроду-экстрактору 20). Электрод 18 мишени может иметь номинально более высокое напряжение, чем у защитного электрода 24, на примерно от 200 В до 1000 В или больше для подавления обратного потока вторичных электронов, образующихся в мишени от ударяющегося пучка ионов. Промежуточный электрод 22 может иметь примерно среднее значение электрического напряжения по отношению к напряжению электрода-экстрактора 20 и защитному электроду 24. Например, если электрод-экстрактор 20 имеет потенциал 100 кВ и защитный электрод 24 имеет потенциал 0 В, промежуточный электрод 22 может иметь напряжение приблизительно 50 кВ. В альтернативных реализациях промежуточный электрод 22 может иметь любое подходящее промежуточное напряжение. Путем распределения напряжения подобным образом между электродами 20, 22 и 24 электрические поля, создаваемые электрическими напряжениями, приложенными к электродам, могут быть относительно равномерно распределены по всей ускорительной колонне 14, как это описано более подробно ниже со ссылкой на фиг. 3. Когда показанная здесь конфигурация электрода применена в ускорительной колонне трубки генератора рентгеновского излучения, приложенное электрическое напряжение может быть по существу таким же.
[0030] В одном из вариантов реализаций, предпочтительных по настоящей заявке, промежуточный электрод 22 остается электрически плавающим (т.е. электрически изолированный от контакта с ускорительной колонной 14), вместо того, чтобы быть соединенным напрямую с высоковольтным источником 4 питания. При такой реализации напряжение на промежуточном электроде 22 определяется с помощью явлений, происходящих в ускорительной колонне 14, как то полевая эмиссия и вторичная электронная эмиссия к и от промежуточного электрода 22. Дополнительно, при такой реализации напряжение на промежуточном электроде 22 оказывается изменяющейся величиной.
[0031] Электроду-экстрактору 20, промежуточному электроду 22 и защитному электроду 24 может быть придана форма для уменьшения эффекта распыления, которое может возникать при работе трубки нейтронного генератора 10. Например, электрод-экстрактор 20 может иметь округлую форму, расширяющуюся внутри ускорительной колонны 14, которая может направлять ионный пучок от источника 16 ионов к мишени 18, не ударяя в промежуточный электрод 22 или защитный электрод 24 в ходе нормального функционирования. Как отмечалось выше, перехват ионного пучка от источника 16 ионов промежуточным электродом 22 или защитным электродом 24 может вызвать абразивное изнашивание материала электрода, который распыляется внутри ускорительной колонны 14. Таким образом, форма электрода-экстрактора 20 может снизить вероятность вредного распыления материала электродов.
[0032] Модернизация формы промежуточного электрода 22 может еще больше снизить вероятность того, что изолятор 28 из-за эффекта распыления будет покрыт материалом электрода. В самом деле, именно наличие промежуточного электрода 22 в ускорительной колонне 14 может служить затенению или экранированию керамического изолятора 28 от токопроводящего материала, который может рассеиваться от защитного электрода 24. Любой материал, распыленный от защитного электрода 24, может отлагаться на промежуточных электродах 22 вместо керамического изолятора 28. Те же соображения могут применяться для любых других электродов, которые защищают керамический изолятор 28 от покрытия рассеиваемыми отложениями.
1
2
[0033] Промежуточному электроду 22 также может быть придана особая форма, чтобы увеличить вероятность того, что распыленный материал электрода от защитного электрода 24 осядет на промежуточном электроде 22, а не на керамическом изоляторе 28. Например, промежуточный электрод 22 может быть вставлен между керамическими изоляторами 28 приблизительно на полпути между электродом-экстрактором 20 и защитным электродом 24 на приблизительном расстоянии L от обоих. Проходя от изолятора 28 внутри ускорительной колонны 14, край промежуточного электрода 22 может достигать примерно полпути между концами электрода-экстрактора 20 и защитного электрода 24 на приблизительном расстоянии L от обоих.
[0034] Придание специальной формы промежуточному электроду 22, в дополнение к затенению керамического изолятора 28 от эффекта распыления, также может уменьшить утечку электронов и/или эффект катастрофической утечки в ускорительной колонне 14. Благодаря форме промежуточного электрода 22 электрическое поле между электродом-экстрактором 20 и защитным электродом 24 может управляться через ускорительную колонну 14 способом, который может уменьшить напряженность электрического поля на электроде-экстракторе 20, промежуточном электроде 22 и/или защитном электроде 24, а также на изоляторах 28, разделяющих электроды. С пониженной и/или более предсказуемой напряженностью электрического поля на электродах 20, 22 и/или 24 вероятность спонтанной эмиссии электронов и/или эффекта катастрофической утечки может быть соответственно уменьшена.
[0035] Защитному электроду 24 может также быть придана специальная форма с тем, чтобы уменьшить вероятность эффекта распыления. В частности, конец защитного электрода 24 может проходить внутри ускорительной колонны 14 вне пределов расположения начала промежуточного электрода 22. Эта компоновка может уменьшить вероятность того, что любой электродный материал, который распыляется с поверхности защитного электрода 24, достигнет изолятора 28. Вследствие того, что конец защитного электрода 24 выходит за пределы начала промежуточного электрода 22, любой электродный материал, распыленный защитным электродом 24, скорее всего, будет экранирован промежуточным электродом 22, а не осядет на керамический изолятор 28. Следует отметить, что независимо от формы промежуточных электродов 22 прикладывание определенного напряжения к промежуточной позиции между защитным электродом 24 и электродом-экстрактором 20 может повысить стабильность и/или продолжительность эксплуатации трубки 11 нейтронного генератора, даже при наличии некоторого количества распыляемого материала, осаждаемого на керамический изолятор 28. В качестве альтернативы, позволяя промежуточному электроду 22 быть электрически плавающим, обеспечивается высокая степень эксплуатационной стабильности за счет облегчения устранения полевой эмиссии от защитного электрода, который в ином случае мог бы создать нестабильность в ускорительной колонне.
[0036] Фиг. 3 схематически иллюстрирует поперечное сечение распределения электрического поля в верхней половине трубки 11 нейтронного генератора. Благодаря осевой симметрии трубки 11 генератора вырисована только половина трубки. Как показано на фиг. 3, ионный пучок (не показан) из источника 16 ионов может быть направлен электрическим полем 34, которое приблизительно равномерно распределено по длине между концом электрода-экстрактора 20 и концом защитного электрода 24. Поскольку промежуточный электрод 22 может иметь примерно среднее значение электрического напряжения по отношению к напряжению электрода-экстрактора 20 и защитного электрода 24 и промежуточный электрод 22 может быть расположен примерно посредине расстояния между электродом-экстрактором 20 и защитным электродом 24, электрическое поле 34 большей частью может быть равномерно распределено между всеми тремя электродами 20, 22 и 24.
[0037] Хотя две основные точки 36 и 38 воздействия электрического поля могут оказаться на промежуточном электроде 22 и защитном электроде 24, соответственно, воздействие электрического поля в точках 36 и 38 может быть значительно ниже, чем то, которое обнаруживается на электродах ускорительной колонны, имеющей только электрод-экстрактор 20 и защитный электрод 24 (т.е. не имеет никаких промежуточных электродов 22). В качестве примера, электрическое напряжение электрода-экстрактора 20 может быть приблизительно на 50 кВ выше напряжения промежуточного электрода 22 и может быть приблизительно на 100 кВ выше, чем напряжение защитного электрода 24. Точка 36 может обладать напряженностью электрического поля приблизительно 192 кВ/см, и точка 38 может обладать напряженностью электрического поля приблизительно 221 кВ/см. В противоположность этому, в ускорительной колонне без промежуточного электрода напряженность электрического поля на защитном электроде может достигать 449 кВ/см, когда слой распыленного материала электрода был осажден на окружающий керамический изолятор. Поскольку напряженность электрического поля в точках 36 и 38 понижена, снижается также вероятность спонтанной эмиссии электронов от электродов и/или эффекта катастрофической утечки. Кроме того, подгонка формы электродов 22 и 24 посредством моделирования и экспериментов может привести к последующему снижению напряженности электрического поля в точках 36 и 38.
[0038] Как описано выше со ссылкой на фиг. 2 и 3, включение промежуточных электродов 22 в ускорительную колонну 14 трубки 11 скважинного нейтронного генератора может привести к более равномерному распределению электрического поля 34. Аналогичным образом, поскольку множественные промежуточные электроды 22 могут более равномерно распределить электрическое поле, фиг. 4 иллюстрирует другую конфигурацию электродов для трубки 11 нейтронного генератора, имеющую множество промежуточных электродов 40-54 вместо одного промежуточного электрода 22. В частности, фиг. 4 иллюстрирует моделируемую конфигурацию электродов с восемью промежуточными электродами 22 между электродом-экстрактором 20 и защитным электродом 24. Восемь электродов 40-54 представляют промежуточные электроды 22 между электродом-экстрактором 20 и защитным электродом 24. При моделировании на фиг. 4 электрод-экстрактор 20 моделируется как имеющий электрическое напряжение примерно на 100 кВ выше, чем у защитного электрода 24. Промежуточные электроды 22 допускают электрическое напряжения выше, чем защитный электрод 24, на величину, которая может варьироваться между 100 кВ и 0 В. Например, электроды 40-54 могут иметь электрическое напряжение выше, чем защитный электрод 24, на примерно 100 кВ, 85,7 кВ, 71,4 кВ, 57,1 кВ, 42,9 кВ, 28,6 кВ, 14,3 кВ и 0 В, соответственно. Электрод 18 мишени может иметь электрическое напряжение выше, чем защитный электрод 24, примерно на 200 В. Когда представленная здесь конфигурация электрода используется в ускорительной колонне трубки генератора рентгеновского излучения, значения приложенного электрического напряжения могут быть по существу такими же.
[0039] В результате относительно небольших различий в напряжении между промежуточными электродами 22 напряженность электрического поля может быть относительно небольшой. Соответственно, спонтанная эмиссия электронов и/или эффект катастрофической утечки в высшей степени маловероятны на электродах 40-54. Кроме того, распределение электрического поля 56 может быть почти равномерно вблизи прохождения ионного пучка 32. Равномерность распределения электрического поля 56 может уменьшить вероятность того, что ионный пучок 32 ударится в защитный электрод 24, что может соответственно уменьшить эффект распыления. Равномерность распределения электрического поля 56 также может уменьшить вероятность спонтанной эмиссии электронов и/или эффекта катастрофической утечки из-за влияния электрического поля на защитный электрод 24. С помощью этого эффекта улучшения фокусировки может производиться ионный пучок 32, практически параллельный оси трубки 11 нейтронного генератора, которая более не будет пересекаться. Такой сфокусированный ионный пучок 32 может еще больше снизить вероятность того, что ионы или нейтральные атомы, возникшие от ударов ионов в сжатом газе 3, смогут поразить любые другие электроды, кроме электрода 18 мишени.
[0040] Фиг. 5 - это график 58, описывающий взаимосвязь между напряженностью электрического поля на поверхности электродов 20, 40-54 и 24, смоделированных на фиг. 4, и распределением электрического напряжения по всей длине конфигурации электрода по фиг. 4. На графике 58 первая ордината 60 представляет напряженность электрического поля в единицах Кв/см, а вторая ордината 62 представляет распределение электрического напряжения в единицах Кв. Абсцисса 64 представляет положение поверхности конфигурации электрода относительно оси по фиг. 4, расширяясь от электрода-экстрактора 20 на левом краю и за пределы мишени 18 на правом краю.
[0041] На графике 58 из фиг. 5 прерывистая линия представляет собой напряжение 66 электрического поля по длине конфигурации электрода по фиг. 4. Как показано на графике 58, электрическое напряжение 66 не падает резко между любыми двумя электродами, а медленно снижается от 100 кВ в точке, представляющей электрод 40 - первый из промежуточных электродов 22, до 0 В в точке, представляющей электрод 54 - последний из промежуточных электродов 22. Кривая 68 представляет напряженность электрического поля в различных точках вдоль конфигурации электрода по фиг. 4. Пик 70 представляет собой точку с максимальной напряженностью электрического поля на электроде-экстракторе 20, пики 72-86 представляют собой точки с максимальной напряженностью электрического поля на электродах 40-54, соответственно, и пик 88 представляет собой точку с максимальной напряженностью электрического поля на защитном электроде 24. Как показано на графике 58, максимальная напряженность электрического поля для конфигурации электродов, смоделированной на фиг. 4, остается менее 140 кВ/см, что может быть на 300 кВ/см меньше максимальной напряженности электрического поля для конфигурации электрода без промежуточных электродов.
[0042] Фиг. 6 иллюстрирует другую конфигурацию электрода трубки 11 нейтронного генератора, которая включает в себя множество электродов 90-108 вместо одного промежуточного электрода 22. В частности, фиг. 5 иллюстрирует смоделированную конфигурацию электрода с десятью промежуточными электродами 22 между электродом-экстрактором 20 и защитным электродом 24. Десять электродов 90-108 представляют промежуточные электроды 22 между электродом-экстрактором 20 и защитным электродом 24. В моделировании на фиг. 5 электрод-экстрактор 20 моделируется в качестве имеющего электрическое напряжение на 100 кВ выше, чем у защитного электрода 24, и имеющего выдавленную форму для равномерного распределения электрического поля и уменьшения напряженности электрического поля. Десять промежуточных электродов 90-108 могут иметь значения электрического напряжения выше, чем у защитного электрода 24, на величину, которая варьируются между 100 кВ и 0 В. Например, электроды 90-108 могут иметь электрическое напряжение выше, чем защитный электрод 24, на примерно 100 кВ, 88,9 кВ, 77,8 кВ, 66,7 кВ, 55,6 кВ, 44,4 кВ, 33,3 кВ, 22,2 кВ, 11,1 кВ и 0 В, соответственно. Электрод 18 мишени может иметь электрическое напряжение примерно на 200 В выше, чем у защитного электрода 24. Защитному электроду 24 может также быть придана особая форма, чтобы равномерно распределять электрическое поле и уменьшить напряженность электрического поля. Когда представленная здесь конфигурация электрода используется в ускорительной колонне трубки генератора рентгеновского излучения, значения приложенного электрического напряжения могут быть по существу такими же.
[0043] В результате относительно небольших различий в напряжении на каждом из промежуточных электродов 22 напряженность электрического поля может быть сравнительно небольшой. Соответственно, спонтанная эмиссия электронов и/или эффект катастрофической утечки в высшей степени маловероятны на электродах 90-108. Кроме того, распределение электрического поля 110 может быть почти равномерным вблизи прохождения ионного пучка 32. Равномерность распределения электрического поля 110 может уменьшить вероятность того, что ионный пучок 32 ударится в защитный электрод 24, что может, соответственно, снизить эффект распыления. Равномерность распределения электрического поля 110 также может снизить вероятность спонтанной эмиссии электронов и/или эффекта катастрофической утечки благодаря напряженности электрического поля на защитном электроде 24, как это может вызвать форма защитного электрода 24. С помощью этого эффекта улучшения фокусировки может производиться ионный пучок 32, практически параллельный оси трубки 11 нейтронного генератора, которая более не будет пересекаться. Такой сфокусированный ионный пучок 32 может еще больше снизить вероятность того, что ионы или нейтральные атомы, возникшие от ударов ионов в сжатом газе 3, смогут поразить любые другие электроды, кроме электрода 18 мишени.
[0044] Фиг. 7 - это график 112, описывающий взаимосвязь между напряженностью электрического поля на поверхности электродов 20, 90-108 и 24, смоделированных на фиг. 6, и распределением электрического напряжения по всей длине конфигурации электрода по фиг. 6. На графике 112 первая ордината 114 представляет напряженность электрического поля в единицах Кв/см, а вторая ордината 116 представляет распределение электрического напряжения в единицах Кв. Абсцисса 118 представляет положение поверхности конфигурации электрода относительно оси по фиг. 6, расширяясь от электрода-экстрактора 20 на левом краю и за пределы мишени 18 на правом краю.
[0045] На графике 112 из фиг. 7 прерывистая линия представляет собой напряжение 120 электрического поля по длине конфигурации электрода по фиг. 6. В соответствии с моделированием, описанным на графике 58 по фиг. 4, также и на графике 112 по фиг. 7, электрическое напряжение 120 не падает резко между любыми двумя электродами, а медленно снижается от 100 кВ в точке, представляющей электрод 90 - первый из промежуточных электродов 22, до 0 В в точке, представляющей электрод 108 - последний из промежуточных электродов 22. Кривая 122 представляет напряженность электрического поля в различных точках вдоль конфигурации электрода по фиг. 6. Пик 124 представляет собой точку с максимальной напряженностью электрического поля на электроде-экстракторе 20, пики 126-144 представляют собой точки с максимальной напряженностью электрического поля на электродах 90-108, соответственно, и пик 146 представляет собой точку с максимальной напряженностью электрического поля на защитном электроде 24. Как показано на графике 112, максимальная напряженность электрического поля для конфигурации электродов, смоделированной на фиг. 5, остается менее 80 кВ/см.
[0046] Поскольку конфигурация электрода на фиг. 6 может привести к дальнейшему снижению напряженности электрического поля, конфигурация электрода по фиг. 6 может быть адаптирована для более высоких электрических напряжений. Например, фиг. 8 - это график 148, описывающий взаимосвязь между напряженностью электрического поля на поверхности электродов 20, 90-108 и 24, смоделированных на фиг. 6, и распределением электрического напряжения по всей длине конфигурации электрода по фиг. 6, когда значения электрического напряжения на электроде-экстракторе 20 и промежуточном электроде 22 удваиваются. Таким образом, электрод-экстрактор 20 может иметь электрическое напряжение приблизительно на 200 кВ больше, чем напряжение на защитном электроде 24, и десять промежуточных электродов 90-108 могут иметь значения электрического напряжения выше, чем у защитного электрода 24, на величину, которая варьируется между 200 кВ и 0 В. Например, электроды 90-108 могут иметь электрическое напряжение выше, чем защитный электрод 24, на примерно 200 кВ, 177,8 кВ, 155,6 кВ, 133,3 кВ, 111,1 кВ, 88,9 кВ, 66,7 кВ, 44,4 кВ, 22,2 кВ и 0 В, соответственно. Электрод 18 мишени может по-прежнему иметь электрическое напряжение примерно на 200 В выше, чем у защитного электрода 24. Когда представленная здесь конфигурация электрода используется в ускорительной колонне трубки генератора рентгеновского излучения, значения приложенного электрического напряжения могут быть по существу такими же.
[0047] На графике 148 по фиг. 8 первая ордината 150 представляет напряженность электрического поля в единицах Кв/см, а вторая ордината 152 представляет распределение электрического напряжения в единицах Кв. Абсцисса 154 представляет сравнительную длину поверхности конфигурации электрода по фиг. 6, расширяясь из-за электрода-экстрактора 20 на левом краю за пределы мишени 18 на правом краю. На графике 148 из фиг. 8 прерывистая линия представляет собой распределение напряжения 156 электрического поля по длине конфигурации электрода по фиг. 6. В соответствии с моделированием, описанным на графике 112 по фиг. 7, также и на графике 148 по фиг. 8, электрическое напряжение 156 не падает резко между любыми двумя электродами, а электрическое напряжение 156 медленно снижается от 200 кВ в точке, представляющей электрод 90 - первый из промежуточных электродов 22, до 0 В в точке, представляющей электрод 108 - последний из промежуточных электродов 22. Кривая 158 представляет напряженность электрического поля в различных точках вдоль конфигурации электрода по фиг. 6. Пик 160 на кривой 158 представляет собой точку с максимальной напряженностью электрического поля на электроде-экстракторе 20, пики 162-182 представляют собой точки с максимальной напряженностью электрического поля на электродах 90-108, соответственно, и пик 184 представляет собой точку с максимальной напряженностью электрического поля на защитном электроде 24. Как показано на графике 148, максимальная напряженность электрического поля для конфигурации электродов, смоделированной на фиг. 6, остается менее 140 кВ/см, хотя электрическое напряжение между электродом-экстрактором 20 и защитным электродом 24 составляет приблизительно 200 кВ.
[0048] Фиг. 9 представляет собой поперечное сечение части трубки 184 нейтронного генератора, имеющей восемь промежуточных электродов 22, расположенных по эффективному шаблону для направления электрического поля через ускорительную колонну 14. Как и трубка 11 нейтронного генератора, трубка 184 нейтронного генератора может быть расположена внутри корпуса 12 генератора, и источник 16 ионов может поставлять ионы для ускорения через ускорительную колонну 14 к мишени 18. В трубке 184 нейтронного генератора электрод-экстрактор 20 имеет форму, соответствующую дальнейшему снижению вероятности того, что ионы из источника 16 ионов ударятся в какой-либо из промежуточных электродов 22 или в защитный электрод 24. Электроды 186-198 представляют собой промежуточные электроды 22, в числе которых электрод 192 образует два промежуточных электрода с тем же электрическим напряжением. Керамический изолятор 28 отделяет внешние промежуточные электроды из числа 186-192 и 192-198. Керамический изолятор 28 не обязателен между двумя электродами 192, поскольку оба электрода 192 имеют одинаковое электрическое напряжение.
[0049] Каждый из промежуточных электродов 22 может быть изогнут внутри ускорительной колонны 14. Кривизна промежуточных электродов 22 может быть рассчитана для направления электрического поля через ускорительную колонну 14 с целью равномерного распределения электрического поля. С учетом количества и формы промежуточных электродов 22 в трубке 184 нейтронного генератора ускорительная колонна 14 может быть увеличена до большей длины, чем у трубки нейтронного генератора 10 или подобной трубки нейтронного генератора с меньшим количеством электродов. Эта удлиненная ускорительная колонна 14 позволяет ионам из источника 16 ионов достижение более высоких уровней энергии еще до встречи с мишенью 18. При более высоких уровнях энергии мишень 18 может генерировать большее количество нейтронов.
[0050] Электродам 20, 22 и 24 может быть придана особая форма для снижения напряженности электрического поля. В частности, промежуточным электродам 22 может быть придана форма для поддержания примерно равного расстояния между соседними электродами, включая электрод-экстрактор 20 и защитный электрод 24. Далее, наконечники 200 у всех электродов трубки 184 нейтронного генератора могут быть сформированы так, чтобы свести к минимуму значения напряженности электрического поля, которая может возникнуть вне ускорительной колонны 14, но внутри корпуса 12 генератора. Кроме того, промежуточные электроды 22 могут, как правило, изгибаться в радиальном направлении к центру ускорительной колонны 14. Защитному электроду 24 также может быть придана форма для направления ионов из источника 16 ионов к мишени 18 без чрезмерного эффекта распыления. По мере того, как любые ионы из источника 16 ионов ударяются в защитный электрод 24, массив промежуточных электродов 22, выровненных повсеместно по всей длине ускорительной колонны 14, может предотвратить напыление любого электродного материала и осаждение на изолятор 28.
[0051] Чертеж 202 на фиг. 10 иллюстрирует моделируемое распределение электрического напряжения 204, достигнутого для конфигурации электрода трубки 184 нейтронного генератора по фиг. 9. Восемь промежуточных электродов 186-198 представляют промежуточные электроды 22 между электродом-экстрактором 20 и защитным электродом 24. В моделировании на фиг. 10 электрод-экстрактор 20 моделируется в качестве имеющего электрическое напряжение на 100 кВ выше, чем у защитного электрода 24, и имеющего выдавленную форму для равномерного распределения электрического поля и уменьшения напряженности электрического поля. Восемь промежуточных электродов 186-198 могут иметь значения электрического напряжения выше, чем у защитного электрода 24, на величину, которая варьируются между 100 кВ и 0 В. Например, электроды 186-198 могут иметь электрическое напряжение выше, чем защитный электрод 24, на примерно 87,5 кВ, 75 кВ, 62,5 кВ, 50 кВ, 37,5 кВ, 25 кВ и 12,5 кВ, соответственно. Электрод 18 мишени может иметь электрическое напряжение примерно на 200 В выше, чем у защитного электрода 24. Защитному электроду 24 может также быть придана форма, чтобы равномерно распределять электрическое поле и уменьшить напряженность электрического поля. Когда представленная здесь конфигурация электрода используется в ускорительной колонне трубки генератора рентгеновского излучения, значения приложенного электрического напряжения могут быть по существу такими же.
[0052] Аналогично моделям, описанным выше, относительно небольшие различия в напряжении между каждым из промежуточных электродов 22 могут быть причиной для относительно незначительной напряженности электрического поля. Соответственно, спонтанная эмиссия электронов и/или эффект катастрофической утечки в высшей степени маловероятны на электродах 186-198. Кроме того, распределение электрического напряжения 204 может быть почти однородным вблизи центра ускорительной колонны 14, где обычно проходит ионный пучок 32. Равномерность распределения электрического напряжения 204 может уменьшить вероятность того, что ионный пучок 32 ударит в защитный электрод 24 или в промежуточные электроды 186-198, которые могут соответственно уменьшить эффект распыления. Равномерность распределения электрического напряжения 204 также может снизить вероятность спонтанной эмиссии электронов и/или эффекта катастрофической утечки благодаря напряженности электрического поля на защитном электроде 24, как это может вызвать форма защитного электрода 24. С помощью этого эффекта улучшения фокусировки может производиться ионный пучок 32, практически параллельный оси трубки 11 нейтронного генератора, которая более не будет пересекаться. Такой сфокусированный ионный пучок 32 может еще больше снизить вероятность того, что ионы или нейтральные атомы, возникшие от ударов ионов в сжатом газе 3, смогут поразить любые другие электроды, кроме электрода 18 мишени.
[0053] Фиг. 11 иллюстрирует дополнительное соображение относительно нейтронного генератора, использующего трубку 214 нейтронного генератора, которая может, как правило, представлять трубки 11 и 184 нейтронного генератора, описанные выше, имеющие один или более промежуточных электродов 22. В целях обеспечения надлежащего электрического напряжения на различных электродах 20, 22 и 24, электроды должны быть подключены к верному напряжению, предоставляемому высоковольтным генератором 4. Это может быть достигнуто либо за счет использования нескольких высоковольтных генераторов 4 и/или отвода различных напряжений от одного высоковольтного генератора 4. Однако такой подход может потребовать привлечения дополнительного высокого напряжения на электроды 20, 22 и 24 и может вызвать проблемы из-за ограниченности доступного пространства.
[0054] Надлежащее напряжение для электродов 20, 22 и 24 также может быть обеспечено с помощью делителя напряжения, который приводит к каждому из электродов соответствующие высокие напряжения. Такой делитель напряжения может включать различные резистивные элементы 214, как показано на фиг. 11, которыми могут являться отдельные резисторы и/или резистивное покрытие на внешнем краю изолятора 28. Электрод-экстрактор 20 может быть подключен к земле, и защитный электрод 24 может быть подключен к отрицательному полюсу высокого напряжения по отрицательной высоковольтной линии 6. Резистивный делитель, осуществляемый различными резистивными элементами 214, может обеспечить подачу надлежащего напряжения на промежуточные электроды 22. Следует понимать, что сопротивления, производимые резистивными элементами 214, могут варьироваться в зависимости от конструктивных соображений и значений напряжения, которое прилагается к различным промежуточным электродам 22.
[0055] Используя усовершенствованные конфигурации электродов, описанные выше, скважинный генератор нейтронов или генератор рентгеновского излучения могут использовать большее электрическое напряжение в ускорительной колонне 14 - от электрода-экстрактора 20 до защитного электрода 24. Соответственно, фиг. 12 иллюстрирует вариант реализации нейтронного генератора, сконфигурированного для выработки приблизительно вдвое большего напряжения, чем у существующих скважинных нейтронных генераторов. Как показано на фиг. 12, высоковольтная трубка 216 нейтронного генератора может получать высоковольтное питание от двух высоковольтных источников 4 питания, электрически подключенных к электроду-экстрактору 20 и защитному электроду 24, соответственно. В частности, положительный выход первого высоковольтного источника 4 питания может быть подключен к электроду-экстрактору 20, в то время как отрицательный выход может быть подключен к земле, эффективно подавая номинальное электрическое напряжение приблизительно +100 кВ на электрод-экстрактор 20. Между тем, отрицательный выход второго высоковольтного источника 4 питания может быть подключен к защитному электроду 24, а положительный выход может быть подключен к земле, эффективно подавая номинальное электрическое напряжение приблизительно -100 кВ на защитный электрод 24. Таким образом, может поставляться суммарное ускоряющее напряжение в 200 кВ, в то время как высокое напряжение относительно земли и, соответственно, устойчивого к давлению корпуса 12 не может превышать 100 кВ. В некоторых вариантах реализации два высоких напряжения могут не быть симметричными. Например, один высоковольтный генератор 4 может поставлять примерно -120 кВ, и другой высоковольтный генератор 4 может поставлять около +80 кВ, обеспечивая суммарное напряжение около 200 кВ.
[0056] Электрод-экстрактор 20 может быть электрически отделен от одного или более промежуточных электродов 22 с помощью одного или более резистивных элементов 214. Резистивные элементы 214 могут включать, например, отдельные резисторы или резистивное покрытие на внешней стороне ускорительной колонны 14, которые могут подключать наружные наконечники электродов и могут разделить напряжение между электродом-экстрактором 20 и защитным электродом 24. Единственный или более промежуточных электродов 22 могут быть или могут не быть связаны с землей. Защитный электрод 24 аналогичным образом может быть электрически отделен от одного или более промежуточных электродов 22 одним или более резистивными элементами 214.
[0057] Если трубка 212 нейтронного генератора содержит взамен только один промежуточный электрод 22, который может быть подключен к земле, один промежуточный электрод 22 может поддерживаться на предопределенном напряжении по отношению к другим электродам. В таких условиях резистивный делитель напряжения не может быть задействован, но скорее заземленный электрод может способствовать задаче механического прикрепления трубки 212 нейтронного генератора к корпусу 12, устойчивому к давлению, который, как показано выше со ссылкой на фиг. 1, может охватывать трубку нейтронного генератора, такую как трубка 212 нейтронного генератора. Этот альтернативный механизм может более легко выдержать неосторожное обращение, с которым часто приходится сталкиваться скважинным приборам, а также может помочь с отводом тепла от трубки 11 нейтронного генератора. Если такой единственный промежуточный электрод 22 не будет привязан к предопределенному напряжению, предоставляемому высоковольтным источником 4 питания, то один или более резистивных делителей 214 напряжения могут быть использованы для обеспечения надлежащего электрического напряжения для электрода 22.
[0058] Фиг. 13 представляет конфигурацию трубки 212 нейтронного генератора, имеющей заземленную механическую поддержку 216, присоединенную к одному из промежуточных электродов 22. Как показано на фигуре, электрод-экстрактор 20 может быть отделен от защитного электрода 24 с помощью нескольких промежуточных электродов 22. Трубка 212 нейтронного генератора может содержаться внутри устойчивого к давлению корпуса 12, который содержит изолирующий рукав 218. Изолирующий газ 220 может заполнять пространство вокруг трубки 212 нейтронного генератора и может быть таким же, как и изолирующий газ 3, описанные выше со ссылкой на фиг. 1.
[0059] Заземленная поддержка 216 на одном из промежуточных электродов 22 может повысить механическую прочность трубки 212 нейтронного генератора и может также улучшить отвод тепла. В реализации на фиг. 13 центр промежуточного электрода 22 прикреплен к заземленной поддержке 216. Дополнительно или в качестве альтернативы, заземленная поддержка 216 может быть прикреплена к любому из промежуточных электродов 22. Конфигурация, представленная на фиг. 13, может быть особенно полезной, если положительное и отрицательное высокие напряжения от высоковольтных источников 4 не симметричны по отношению к земле. В таких условиях настоящая конфигурация может гарантировать, что поддерживаемый промежуточный электрод 22 всегда остается заземленным, независимо от напряжений, поставляемых высоковольтными источниками 4 питания.
[0060] В то время как в настоящем документе были проиллюстрированы и описаны лишь некоторые возможности, многие модификации и изменения будут очевидны специалистам в данной области. Таким образом, следует понимать, что прилагаемая формула изобретения предназначена для охвата всех таких модификаций и изменений, которые попадают в рамки истинной сущности настоящего раскрытия.