СКВАЖИННЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ НЕЙТРОНОВ
BOREHOLE NEUTRON EMITTER

Изобретение относится к устройствам импульсных излучателей-генераторов разовых или многоразовых импульсов нейтронного и рентгеновского излучения.
Известно устройство для импульсного нейтронного каротажа скважин, состоящее из наземной аппаратуры временного анализа импульсов, блока управления и питания и скважинного прибора, содержащего импульсный источник быстрых нейтронов, выполненный на ускорительной трубке с мишенью, схему управления источником нейтронов, источник питания. Авторское свидетельство СССР №447097, МПК G01V 5/10, 2000 г. Устройство не стабильно, не надежно в работе и громоздко.
В качестве прототипа выбран скважинный прибор (см., например, Сборник материалов, Межотраслевой научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе», Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова, с.73, с.253. 2004), состоящий из нейтронного излучателя и блока регистрации, каждый в своем охранном кожухе, соединенные между собой прочной и герметичной муфтой. Нейтронный излучатель включает в себя блок трубки и блок питания, размещенные в отдельных металлических корпусах, соединенные между собой высоковольтным разъемом. Блок трубки залит жидким диэлектриком. В нем расположена вакуумная нейтронная трубка и ее схема питания, состоящая из двух импульсных высоковольтных трансформаторов и накопительного конденсатора, схемы формирования ускоряющего импульса. В блоке питания размещен высоковольтный коммутатор и схема формирования импульса запуска коммутатора.
Срок службы прототипа ограничен из-за неэффективности теплопередачи от корпуса блока трубки к охранному кожуху и связанной с этим деградацией основных узлов излучателя и изоляции.
В известном излучателе тепло от трубки передается сначала через электроизоляционную среду на тонкостенный корпус и далее на охранный кожух через воздушный зазор. Наличие зазора и промежуточного тонкостенного корпуса создает большое тепловое сопротивление, в результате чего перегрев на трубке при потребляемой мощности около 20 Вт достигает значений 30-50°C.
Задачей изобретения является создание скважинного нейтронного излучателя с большим сроком службы, повышение стабильности и уменьшение его габаритов и массы.
Техническим результатом изобретения является увеличение срока службы, повышение стабильности за счет снижения перегрева основных узлов излучателя, в том числе и нейтронной трубки, являющейся основным источником тепла, а также уменьшение габаритов и массы.
Технический результат достигается тем, что в скважинном излучателе нейтронов в охранном кожухе, содержащем вакуумную нейтронную трубку со схемой питания, состоящую из двух высоковольтных трансформаторов, накопительного конденсатора, схемы формирования ускоряющего импульса, выполненной по биполярной схеме, блока питания с коммутатором и схемой формирования импульса запуска коммутатора, на мишенном и анодном электродах нейтронной трубки установлены теплопроводящие изоляторы, выполненные виде полых цилиндров с кольцевыми проточками, имеющие тепловой контакт с электродами нейтронной трубки и внутренней поверхностью охранного кожуха, а охранный кожух заполнен газообразным диэлектриком.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1, фиг.2.
На фиг.1 схематично представлен продольный разрез блока излучателя, где: 1 - охранный кожух излучателя нейтронов; 2 - нейтронная трубка; 3 - мишенный электрод; 4 - анодный электрод; 5 и 6 - теплопроводящие изоляторы; 7 и 8 - отверстия и прорези в теплопроводящих изоляторах; 9 - высоковольтный трансформатор отрицательной полярности; 10 - высоковольтный трансформатор положительной полярности, 11 - накопительный конденсатор, 12 - блок питания; 13 - коммутатор, 14 - штуцер для подачи газа, 15 - заглушка, 16 - соединительная муфта, 17 - герметичные токовводы, 18 - разъем, 19 - амортизатор.
На фиг.2 представлен разрез по А-А, где: 1 - охранный кожух; 3 или 4 - мишенный или анодный электрод; 5 или 6 - теплопроводящие изоляторы; 7 и 8 - отверстия и прорези в теплопроводящих изоляторах.
Скважинный излучатель нейтронов содержит прочный (охранный) кожух 1, в котором размещена вакуумная нейронная трубка 2 с мишенным 3 и анодным 4 металлическими электродами, на которых коаксиально закреплены теплопроводные изоляторы 5 и 6 с отверстиями 7 и продольными прорезями 8 для прохода транзитных проводов и циркуляции газообразного диэлектрика.
Теплопроводящие изоляторы 5 и 6 выполнены в виде полых цилиндров из керамики с кольцевыми проточками для обеспечения требуемой электрической прочности, отверстиями для циркуляции газообразного диэлектрика и продольными прорезями для прохода транзитных проводов.
Внутренние поверхности керамических изоляторов 5 и 6 плотно прилегают к электродам нейтронной трубки 3, 4, а наружные - к внутренней цилиндрической поверхности охранного кожуха 1. Для снижения теплового сопротивления на контактные поверхности нанесены теплопроводящие покрытия (например, контактол). В качестве теплопроводящих диэлектриков с высокой теплопроводностью применен нитрид алюминия.
Электрическая схема питания нейтронной трубки содержит высоковольтный трансформатор 9 импульсов отрицательной полярности, высоковольтный трансформатор 10 импульсов положительной полярности, накопительный конденсатор 11, блок питания 12 с высоковольтным коммутатором 13. Все элементы схемы закреплены между собой и размещены в охранном кожухе 1, который герметизирован с одной стороны заглушкой 15, а с другой муфтой 16.
Для обеспечения электрической прочности охранный кожух заполнен газообразным диэлектриком, который имеет ряд преимуществ по сравнению с жидкими диэлектриками.
Он не требует применения термокомпенсатора для компенсации объемного расширения жидкого диэлектрика во всем температурном диапазоне (от -50 до 200°C).
Применение газовой изоляции существенно упрощает технологию замены нейтронной трубки с использованием несложного оборудования.
Одним из наиболее подходящих газообразных диэлектриков является гексафторид SF6 (элегаз), обладающий малыми диэлектрическими потерями, высокой термостойкостью (более 800°C) и практически не изменяющий своих свойств в процессе эксплуатации, а электрическая прочность при давлении 4-6 МПа в 2 раза выше, чем у трансформаторного масла.
Внешнее питание и управление излучателем осуществляется через проходные токовводы 17 и разъем 18. Для компенсации линейных перемещений лотка при изменениях температуры и механических нагрузок на заглушке установлен амортизатор 19. Эффективный отвод тепла к охранному кожуху 1 от основных источников тепла обеспечивается за счет высокой теплопроводности изоляторов 5 и 6 и уменьшения теплового сопротивления между нейтронной трубкой и охранным кожухом.
Таким образом, выполнение скважинного излучателя нейтронов в соответствии с предложенным техническим решением позволит увеличить срок службы излучателя по сравнению с прототипом и уменьшить габариты приблизительно на 25%, а также повысить стабильность и интенсивность за счет удаления водородосодержащих изоляционных материалов из области вокруг мишени нейтронной трубки.