УСТРОЙСТВА ДЛЯ УСКОРЕНИЯ ЧАСТИЦ И СПОСОБЫ УСКОРЕНИЯ ЧАСТИЦ
PARTICLE ACCELERATION APPARATUS AND PARTICLE ACCELERATION METHODS

Данная заявка имеет приоритет заявки США сер. № 60/972377, поданной 14 сентября 2007 года, которая включена в настоящее описание полностью путем ссылки.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Область применения
1.
Настоящее изобретение относится к устройствам для ускорения частиц и к способам ускорения частиц. Более детально, настоящее изобретение относится к устройствам для ускорения частиц и к способам измерения характеристик подземных формаций, таких, которые регистрируются при скважинном зондировании или каротажных исследованиях.
Предшествующий уровень техники
2.
137
137
Для выполнения ядерных каротажных измерений обычно используются один или более нестабильных радиохимических изотопов, таких как Cs или AmBe, генерирующих гамма- или нейтронное излучение постоянной мощности (источники каротажного зондирования). В соответствии с требованиями нефтяной промышленности такие источники обладают чрезвычайно высокой интенсивностью и радиоактивностью, часто превосходящей 2 Ки для Cs и 20 Ки для AmBe. Поэтому их использование на нефтяных промыслах во всем мире жестко контролируется и регламентируется. Использование таких источников принуждает каротажную промышленность работать в условиях значительных рисков, связанных с безопасностью и угрозой здоровью.
Существуют альтернативные "безисточниковые" способы, такие как рентгеновские трубки, бетатроны и минитроны (см., например, патент США 5122622 и 5293410 авторов F. Chen и др.). Рентгеновские трубки представляют собой по существу электростатические ускорители, а потому по энергии они ограничены величиной в несколько сотен килоэлектронвольт, что может быть достигнуто с использованием постоянного электрического поля. Бетатроны в принципе способны развить очень высокие энергии, однако достижение этого в ограниченном пространстве каротажного инструмента все еще является проблемой. Минитроны представляют собой мощные, чрезвычайно компактные источники нейтронов, однако дальнейшее увеличение выходной мощности и срока службы остается чрезвычайно трудной проблемой. Линейные ускорители могут быть использованы для ускорения электронов в направлении излучающей мишени для генерации рентгеновских лучей или для ускорения протонов или иных ядер в направлении ядерной мишени (например, Ве, Li) для генерации нейтронов. Схемы линейных ускорений, основанные на традиционном радиочастотном ускорении с использованием микроволнового резонатора типа pill-box (pill-box - резонатор с обычной проводимостью), как известно, трудно воспроизводимы в масштабах, пригодных для применения в буровых скважинах, поскольку приводят к излишнему потреблению энергии, большой длине и весу инструмента. Как таковые они никогда в нефтеразведке не использовались.
Photonic Cristals: Molding the Flow of Light
Опубликован способ ускорения, который относится к фотонным резонаторам с запрещенной зоной (PBG-резонатор). Должным образом построенный резонатор, основанный на PBG-конструкции, поддерживает генерацию только нужных мод колебания электромагнитных полей, таких которые требуются для ускорения частиц. Это свойство PBG-резонатора достаточно полно описано в научной литературе, см. например, J.D. Joannopoulos, R.D.Meade и J.N.Winn, (Princeton, NJ: Princeton University Press, 1995).
В PBG-резонаторе, работающем в микроволновом гигагерцовом диапазоне, энергия радиочастоты, подводящаяся извне, например, посредством коаксиального контура или волновода, может быть сконцентрирована в очень небольшой объем, обеспечивая локализованный градиент ускорения. Выбором мод внутри резонатора обеспечивается присутствие только нужных мод ускорения. Это позволяет эффективно использовать радиочастотную энергию в идеальном компактном геометрическом пространстве, в котором потери, вследствие влияния стенок, значительно снижены. Принцип, лежащий в основе PBG-резонатора, является универсальным, и такие PBG-резонаторы могут работать в широком диапазоне частот.
Электромагнитный резонатор (резонатор), построенный на принципе PBG, состоит из симметрично расположенных пластин и штырей. Может быть использована также инверсная конструкция с симметрично расположенными цилиндрическими отверстиями, высверленными в сплошном шаблоне. В любом случае, создается такая периодическая структура, в которой распространение электромагнитных волн определенных ТЕ и/или ТМ мод данного частотного диапазона (запрещенная зона) эффективно запрещено. Эта особенность принципиально зависит от граничных условий и геометрии резонатора.
Соответствующий PBG-резонатор обычно представляет собой симметричную фланцево-штыревую конструкцию. Такая конструкция обычно содержит один или более введенных конструктивных дефектов, таких как отсутствующий или частично удаленный штырь. Пространство вокруг дефекта открыто для электромагнитных мод, распространение которых в другом месте блокировано запрещенной зоной. Другими словами, моды в запрещенной зоной удерживаются только конструкцией штыря и по самой своей природе являются дискретными. Вводом дефекта с сохранением, тем не менее, симметричных свойств резонатора достигается доступ к полям с выбранными модами, которые в противном случае были бы заключены внутри штырей. Эти поля эффективно являются полями объемного резонатора. Подобным же образом, когда резонатор образован из отверстий, электромагнитные моды могут удерживаться отверстиями.
Патент США Темкина (Temkin) и др. № 6801107 В2 описывает PBG-резонатор, который пригоден для частотной фильтрации в микроволновом режиме. Практически устройство Темкина относится к вакуумным электронным устройствам, которое содержит фотонный резонатор с запрещенной зоной (PBG), которое способно работать как в многомодовом, так и в одномодовом режиме. Одним определенным преимуществом PBG-резонаторов, используемых для ускорения частиц в практических целях в соответствии с предшествующим уровнем техники, является то, что практически все нежелательные более высокого порядка электромагнитные моды не удерживаются дефектной конструкцией и поэтому постепенно затухают с минимальным воздействием на электроны или ионы пучка.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее раскрывается по меньшей мере один вариант осуществления схемы ускорителя частиц, используемого для исследования подземных формаций, такого как при скважинном или каротажном зондировании. В этой схеме пучки частиц - электронов или ионов - могут ускоряться локализованными электрическими полями, осциллирующими на высоких частотах в фотонных резонаторах. Используя одну или несколько вакуумированных конструкций резонатора, пучки частиц, удерживаемые вакуумированной системой, могут быть ускорены до энергии в несколько мегаэлектронвольт. Затем такой энергетический пучок частиц может быть направлен на одну или большее количество мишеней из множества возможных материалов для генерации гамма- или нейтронного излучения. На основе данного устройства можно разработать компактный эффективный скважинный ускорительный инструмент, с помощью которого возможно производить разнообразные каротажные измерения, исключая при этом производственные риски и риски безопасности, связанные с высокоактивными радиохимическими источниками нейтронов и гамма-частиц, обычно используемыми при каротажном зондировании. В контексте настоящего изобретения скважинное зондирование может рассматриваться как наука, занимающаяся измерением геофизических свойств горных пород или пластов-коллекторов в подземных скважинах.
Преимущество многих схем, раскрытых в настоящем изобретении, состоит в повышенной эффективности по мощности: потребление энергии является критическим требованием для скважинного инструмента. Подсчитано, что посредством использования проводной конфигурации в ближайшем будущем будет возможно использовать лишь несколько киловатт средней энергии. Однако лишь незначительная часть этой энергии будет доступна для механизма ускорителя, и, кроме того, требуемый высокий уровень микроволновой энергии должен поддерживаться при очень высоких окружающих температурах. Электромагнитные PBG-резонаторы эффективно удерживают ускоряющее электрическое поле в зоне малого объема, что приводит к уменьшению запасаемой энергии для одного и того же градиента ускорителя и к меньшим потерям энергии.
Другим преимуществом схемы в соответствии с настоящим изобретением является то, что резонатор, содержащий диэлектрические штыри с низким коэффициентом потерь, дает более высокие коэффициенты добротности Q по сравнению с резонатором с металлическими штырями, как в патенте США 6801107 В2 Темкина (Temkin) и др. Высокий коэффициент качества резонатора приводит к дальнейшему снижению требований, предъявляемых к входной мощности. По вышеизложенным причинам такое увеличение эффективности важно для скважинного использования.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения другое преимущество состоит в том, что более высокий коэффициент Q может быть получен в конструкции резонатора без концевых фланцев или при обеспечении осевого удержания с помощью конструкции с концевой крышкой или конструкции с концевым фланцем (слоистым или монолитным), выполненным из диэлектрических и/или металлических материалов, которая может включать полые или вакуумированные слои.
Следующим преимуществом схемы в соответствии с настоящим изобретением является ее компактность: используя PBG-резонаторы с меньшими потерями по сравнению с резонаторами типа pill-box, можно уменьшить длину и вес инструмента. Оптимальный скважинный инструмент, предпочтительно, должен помещаться в инструментальную секцию стандартной длины (610 см (20 футов) или менее) и обслуживаться стандартной командой без необходимости использования кранов для его подъема. При частоте 10 ГГц необходимый диаметр PBG-резонатора составляет всего несколько сантиметров.
3
Предпочтительно, PBG-резонатор удерживает в зоне пучка частиц только нужные моды резонатора. Другие моды от распространения не удерживаются и быстро затухают на стенках. Это обеспечивает подавление нежелательных мод (более высокого порядка), которые могут "раздуть" или дефокусировать пучок, включая слабые поля. Слабые поля, возбужденные заряженным пучком, пересекающим классический радиочастотный резонатор типа pill-box, являются сильно зависимыми от рабочей частоты (~ω) и в противном случае ограничивали бы работу на очень высоких частотах. С другой стороны, желательна работа на высоких частотах, поскольку она связана с уменьшением размеров и повышает эффективность по мощности.
Работа на высоких частотах в гигагерцовом диапазоне является предпочтительной также и потому, что, в конечном счете, она дает возможность получать почти непрерывный пучок частиц с коэффициентом заполнения, почти равным единице. Коэффициент заполнения и временная структура пучка критически влияют на возможность производить такие измерения, как регистрация плотности в предпочтительном однофотонном режиме счета.
Такая, как предложенная, энергетически эффективная схема линейного ускорения может также, предпочтительно, использоваться для создания пучка с меньшей энергией, но с более высокой средней силой тока - до нескольких сот uA. Полученные поля излучения могут иметь значительно большую интенсивность, чем поля обычного источника каротажного зонда, и поэтому позволяют достичь большей точности или уменьшить время счета при проведении ядерных каротажных измерений.
Кроме того, высокие энергии электронов, достижимые PBG-ускорителем, позволяют получить поле тормозного излучения от толстой мишени из тяжелого элемента, в результате чего - более интенсивный поток фотонов.
Фотоны с энергиями, более высокими, чем энергии фотонов от источников обычных регистрирующих приборов, и/или более интенсивные потоки фотонов обладают большей проникательной способностью, и как таковые они имеют увеличенную глубину исследования при измерениях плотности, включая измерения за обсадной колонной.
Пучок ускорителя по своей природе является безопасным источником полей излучения, поскольку выход излучения может быть полностью управляемым электронными средствами.
Некоторые из схем ускорения частиц, описанные в соответствии с настоящим изобретением, дают возможность производить оптимизированную вакуумную компоновку открытых PBG-конструкций в одной вакуумной оболочке ("супер-ячейки" или "бесконечные ячейки"). Это позволяет повысить накачку, а также улучшить теплоизоляцию.
Настоящее изобретение обеспечивает также улучшенную температурную стабильность настройки резонатора: в радичастотной полости типа pill-box, находящейся в скважине, имеют место естественные эффекты расстройки из-за локального нагрева резонатора, такого как нагрев вследствие потерь питания, а также вследствие увеличения окружающей температуры, обусловленного геотермальным градиентом. Изменение температуры приводит к изменению размеров резонатора и, таким образом, к уходу настройки резонатора. Уменьшенные омические потери в PBG-резонаторах описанного выше типа приводят к меньшему перегреву. Кроме того, конструкции открытых PBG-резонаторов в общей вакуумной оболочке позволяют улучшить их теплоизоляцию, и/или при этом могут быть использованы диэлектрические материалы с меньшим коэффициентом теплового расширения. Наконец, собственная частота резонатора в PBG-резонаторе является функцией отношения расстояния между штырями к диаметру штыря, что менее чувствительно к тепловым воздействиям, чем просто радиус резонатора в резонаторе типа pill-box.
PBG-конструкция обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что она может быть построена с возможностью удержания дипольных, квадрупольных и иных мультиполярных мод электромагнитных колебаний вокруг дефектной зоны. Это позволяет производить управление лучом и его фокусировку.
PBG-технология является масштабируемой и может быть использована для удержания электрических полей гораздо меньших длин волн, таких, которые присущи оптическим источникам, включая светодиоды, полупроводниковые и волоконные лазеры, при сохранении многих вышеупомянутых преимуществ, связанных с каротажным зондированием. Соответствующий режим ускорителя может поддерживаться "фотонными дырочными" волокнами или MEMS-конструкцией с возбуждением лазерным лучом.
Краткое описание чертежей
01
На фиг.1 показан пример конструкции объемного PBG-резонатора в соответствии с одним вариантом исполнения изобретения, а на фиг.2a и фиг.2b представлены картины распределения мод в объемном PBG-резонаторе, показывающие зону удержания желательной моды ТМ вокруг дефекта в центре в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Схема ускорителя частиц раскрыта, например, в исполнении устройства для работы в буровых скважинах или каротажного зондирования. В схеме такого устройства пучок частиц высокорелятивистских электронов или ионов создается прохождением через одну или множество ячеек ускорения, некоторые или все из которых могут быть реализованы в виде фотонных резонаторов с запрещенной зоной. Каждый резонатор действует как средство для привязки сильного электрического поля к частицам, перемещающимся в вакуумированной оболочке внутри геометрически ограниченного каротажного инструмента. В частности, для того чтобы резонатор ускорителя частиц можно было использовать для работы в подземных условиях, то есть как скважинный инструмент, необходимо выполнить комплект оптимизационных работ, которые заведомо превосходят существующий уровень техники. Например, должна быть оптимизирована геометрия PBG, материалы с целью уменьшения потерь радиочастотной энергии, а также окно для пучка и сопряжение с внешними источниками радиочастоты. Новые исполнения становятся возможными при использовании нескольких PBG-резонаторов, подобных более обычным подходам, базирующимся на электромагнитных резонаторах типа pill-box.
Подходящий PBG-резонатор может содержать два или более концевых фланцев (например, две или более концевых крышек), связанных симметрично распределенными штырями. Одной из особенно предпочтительных конфигураций является треугольная решетка (см. фиг.1). Концевые фланцы (например, концевые крышки) резонатора обычно параллельны друг другу и могут иметь поперечное сечение круговой или иной формы. Концевые фланцы (например, концевые крышки) резонатора могут быть сужающимися или фасонными для наиболее эффективной фокусировки поля ускорения. Штыри могут иметь круговое, эллиптическое или иное поперечное сечение, в том числе и переменное поперечное сечение. Кроме того, объем между концевыми фланцами (например, концевыми крышками) и включающий внутренние штыри PBG-резонатора могут быть полностью или частично закрыты внешними стенками или забраны в отдельную "суперконструкцию" вакуумированной камеры.
Выбором правильной геометрической компоновки, материалов и схемы сопряжения можно создать запрещенную зону или частотный диапазон, для которого внутри резонатора не разрешено распространение моды электромагнитных колебаний, а на штырях удерживается электромагнитное поле. Когда по меньшей мере один из штырей отсутствует, тем самым в конструкцию резонатора преднамеренно введен дефект. Это создает одну или несколько зон, где локализовано электромагнитное излучение большой мощности (см. фиг.2а и 2b). Дефекты можно ввести также, используя штыри со специальной геометрией, такие как полые штыри, расщепленные штыри, штыри, наполовину усеченные, или штыри с изменяющейся геометрией. Фиг.2b, кроме того, показывает аспект настоящего изобретения, например, дипольный режим.
В данной конструкции можно, например, создать продольное электрическое поле (мода ТМ01 - см. фиг.2а), пригодное для ускорения частиц в той зоне, где пучок частиц должен пересекать резонатор. Модовые частоты запрещенной зоны зависят от расстояния между штырями, от их диаметра и формы, а также от положения штырей и общей геометрии резонатора. Частоты порядка 10 ГГц для диаметров штырей в несколько миллиметров соответствуют расстоянию между штырями сантиметрового порядка. В общем случае работа на более высоких частотах производится с меньшими расстояниями и диаметрами.
2
3
6
Фланцы, штыри и стенки или их части могут состоять из металлических проводников, диэлектрических изоляторов или быть покрытыми металлами или изоляторами, или иметь комбинацию металлических и диэлектрических элементов. Использование штырей или фланцев (например, концевых крышек), выполненных из диэлектрических материалов с очень низким коэффициентом потерь в интересующем частотном диапазоне (десятки гигагерц), таких как окись алюминия (AlO) или одиночный кристалл сапфира, минимизирует потери и улучшает резонансные свойства резонатора (коэффициент качества или коэффициент добротности Q). Это, в свою очередь, позволяет создать конструкцию, более эффективную по мощности. Общий коэффициент добротности Q в резонаторе ограничивается его внутренним коэффициентом Q - без учета последующих диэлектрических или омических потерь, который обычно очень высок (Q доходит до величины порядка 10). Минимизацией омических потерь коэффициент Q приближают к его высокому внутреннему значению, при этом потребление мощности оптимизируют. Поскольку величина мощности радиочастотного излучения каротажных инструментов ограничена до средней величины в несколько киловатт (неограничивающий пример), предпочтительно поддерживать потери минимальными. Подаваемая на резонатор большая мощность позволяет получить пучок с увеличенной энергией и/или интенсивностью.
Чтобы оптимизировать потери, штыри могут быть выполнены из различных материалов, а резонатор может быть частично или полностью заполнен диэлектрическим веществом. Полые штыри с охлаждением способствуют уменьшению тангенса диэлектрических потерь. Такая тонкая настройка, кроме того, могла бы быть полезна для лучшего формирования электрического поля и/или улучшения селекции мод внутри резонатора и, в конечном счете, для оптимизации размеров резонатора и рабочей частоты с учетом ограничений, обычно накладываемых на инструменты для скважин. Использование поглощающих материалов для стенок резонатора способствует дальнейшему поглощению всех осцилляций нежелательных мод вне запрещенной зоны.
Идеальная запрещенная зона не должна подвергаться внешнему влиянию. Для сопряжения резонатора с внешним источником возбуждения некоторые штыри внешних рядов должны быть полностью или частично удалены. Альтернативно, можно использовать штыри меньшего диаметра. Это незначительно влияет на поле в центральной зоне, которое в первую очередь формируется внутренними рядами штырей, в то время как штыри внешних рядов обеспечивают фокусировку и удержание моды ускорения в зоне дефекта. Сопряжение с внешним источником может быть осуществлено с помощью петли связи на конце коаксиальной линии передачи, включая симметричную линию передачи. Альтернативно, может быть использован специально сконструированный волновод.
На очень высоких рабочих частотах конструкция, эквивалентная PBG, может быть построена с применением микро- и нанотехнологий (MEMS). В этом случае вместо микроволнового источника можно использовать источник оптической энергии.
В одном варианте осуществления скважинный ускоритель состоит из отдельных резонаторов, некоторые из которых являются PBG-резонаторами. Один или большее количество резонаторов являются частью вакуумной направляющей линии пучка частиц. В каждой камере резонатора допускается наличие по меньшей мере одного отверстия для распространения пучка частиц из ячейки и в ячейку. По меньшей мере для одной ячейки резонатора должно быть одно отверстие для ее сопряжения с внешний высокочастотной энергией возбуждения резонатора. Альтернативно, многочисленные ячейки можно также соединить вместе в хорошо известную схему с одной бегущей или стоячей волной. В каждом резонаторе при уровнях входной мощности в несколько киловатт возможно создание градиента напряженности поля до нескольких мегаэлектронвольт на метр. Частицы, в каждой из ячеек ускорения связанные по фазе с электрическим полем, по мере перемещения по длине всего ускорительного устройства будут ускорены до высоких энергий. Расстояние между ячейками будет меняться в зависимости от скорости пучка частиц в каждой секции и необходимости поддержания фазового соотношения между электрическим полем и пучком частиц.
В другом варианте исполнения конструкция скважинного ускорителя содержит одну или несколько "супер-ячеек". Супер-ячейка состоит из множества PBG-резонаторов, заключенных в общую вакуумную оболочку. Каждый PBG-резонатор в супер-ячейке содержит пару фланцев, соединенных штырями, но концевые фланцы (например, концевые крышки) теперь не соединены стенками или соединены стенками только частично, включая стенки с отверстиями. Такая реализация позволяет более легко производить накачку по всей длине ускорителя. Для подачи радиочастотной энергии в зону между фланцами, определяющими каждый PBG-резонатор, могут быть использованы различные механизмы сопряжения, а пучок частиц может перемещаться между секциями резонатора через зоны дрейфа в вакууме, или же для лучшей оптимизации ускоряющего радиочастотного поля между резонаторами можно использовать диафрагмы.
В еще одном варианте осуществления конструкция скважинного ускорителя содержит один "бесконечный" PBG-резонатор, не имеющий концевых фланцев, или фланцы которого выставлены на большом расстоянии. В такой реализации PBG-резонатор может быть описан как двухмерный, и как таковой он увеличивает качество резонатора и минимизирует потери на концевых фланцах. В такой вытянутой конструкции продольное поле выполняет один или более полных циклов колебаний по длине резонатора. Находясь в противофазе, поле будет тормозить пучок. Для предотвращения этого штырям в той зоне, в которой направление поля противоположно входящему пучку, может быть придана такая форма, чтобы они рассеивали поле, локализованное вне зоны пучка, а значит и поле вне объема вакуумированной камеры. Секция с более тонким штырями или с большим расстоянием между штырями разрешает полю противофазы выходить из запрещенной зоны и, таким образом, "утекать" и поглощаться во внешних стенках вакуумированной камеры. Эта конфигурация может еще обеспечивать "чистое" ускорение с повышенным коэффициентом добротности (коэффициент Q).
Скважинный ускоритель может также содержать любую комбинацию вышеописанных конструкций ускорителя. В любой такой конструкции может быть возможен частичный возврат исходящей мощности радиочастоты.
Источник электронов может состоять из термоионной пушки, угольного эмиттера в виде нанотрубки или полевого эмиттера на основе MEMS-технологии. Прежде чем заходить в зону высокого градиента скважинного ускорителя, начальная энергия электронов может быть увеличена до почти релятивистского режима либо электростатическим ускорением (до нескольких сот киловольт), либо магнитной индукцией (с помощью компактного бетатрона), либо ускорением пучка в круговых или иных резонаторах радиочастоты, включая обычные микроволновые резонаторы.