用于井下核輻射產(chǎn)生器的浮置中間電極配置的制作方法
【專利摘要】提供了用于井下核輻射產(chǎn)生器的改進的電極配置的系統(tǒng)、方法和設備。例如，能夠進行井下操作的核輻射產(chǎn)生器的一個實施例可以包括帶電粒子源、靶材料以及帶電粒子源和靶材料之間的加速柱。加速柱可以包括保持浮置于可變電勢的中間電極，與其余的加速柱電隔離。
【專利說明】用于井下核輻射產(chǎn)生器的浮置中間電極配置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開大體涉及用于核測井的井下輻射產(chǎn)生，尤其是，涉及用于井下核輻射產(chǎn)生器管的電極配置。
【背景技術(shù)】
[0002]井下產(chǎn)生器管可以包括三個主要的組件:離子源、加速柱和靶。由離子源附近的電極和靶附近的電極之間的勢差引導，來自離子源的離子束可以通過加速柱向靶前進。當加速的離子撞擊靶時產(chǎn)生中子和/或伽瑪射線。然而，在離子束通過加速柱前進時，一些離子會撞擊電極而不是靶。這會出現(xiàn)部分因為井下中子產(chǎn)生器管的加速柱可保持加壓氣體而不是真空的，并且來自離子束的離子會撞擊加速柱中的加壓氣體粒子并改變方向。
[0003]當來自離子束的離子撞擊到加速柱中的電極上時，會產(chǎn)生由離子誘發(fā)的濺射。濺射導致電極材料的發(fā)射和傳輸，這大體上可以是各向同性的，并且大體上可以從發(fā)射點以直線行進。因此，導電的電極材料會凝結(jié)在圍繞加速柱的附近的陶瓷高壓絕緣體上。如果高壓絕緣體在加速柱的相當大長度范圍內(nèi)由濺射的電極材料覆蓋，離子源附近的電極和靶附近的電極之間的電壓電勢會在災難性的泄漏事故中產(chǎn)生電路短路。即使加速柱未短路，沿高壓絕緣體的濺射的電極材料可以形成可導沉積膜，其承受離子源電勢和靶電勢之間的中間電壓。該可導沉積膜可以增加加速柱中相鄰電極上的電場應力。增加的電場應力可以使高壓泄漏電流增加，還會增加由于絕緣體上的泄漏電流或來自一個電極的電場發(fā)射的災難性的泄漏事故的可能性。
[0004]對于井下中子產(chǎn)生器，不均勻的靶表面磨損也會有問題。由于從離子源到靶的離子束可能是中心加權(quán)的，在撞擊靶時離子束會在束點范圍內(nèi)不均勻地分布。這種不均勻的分布會在靶端產(chǎn)生不均勻的磨損，這會導致中子產(chǎn)生器的中子產(chǎn)出量隨著部分靶過早磨損而減少。
[0005]類似地，井下X射線產(chǎn)生器管也可以包括三個主要的組件:電子發(fā)射體(陰極)、加速柱以及靶(陽極)。來自陰極的電子束可以由靠近電子槍(陰極)的電極和陽極或相鄰電極之間的勢差引導，通過加速柱向陽極前進。在電子撞擊陽極并減速并且在材料中散射時，在內(nèi)殼層電離后通過軔致輻射或特征X射線的發(fā)射產(chǎn)生X射線。然而，在電子束通過加速柱前進時，一些電子會擊中電極而不是到達陽極。由于這個原因以及其它的原因，上面提到的很多相同的問題會影響井下中子產(chǎn)生器管以及X射線產(chǎn)生器管。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]下面將描述與原來所要求保護的實施例的范圍相稱的特定方面。可以理解的是，這些公開的方面僅僅為公開的實施例可能呈現(xiàn)的形式提供簡要說明，并且這些方面不限制公開的主體的范圍。事實上，公開的主體的實施例還可能包括下述部分未闡述的各種方面。
[0007]目前公開的實施例涉及與用于井下核輻射產(chǎn)生器的改進的電極配置以及操作方法相關(guān)的設備和方法。能夠進行井下操作的中子產(chǎn)生器管的實施例可以包括離子源、靶電極，以及設置在離子源和靶電極之間的加速柱。加速柱可以包括多個電極，更優(yōu)選地包括:離離子源比離靶電極更近的提取電極、離靶電極比離離子源更近的抑制電極，以及設置在提取電極和抑制電極之間的中間電極。在一個優(yōu)選的操作方法中，中間電極保持電浮置而不是把中間電極連接到外部電源，以使得其勢差由產(chǎn)生在產(chǎn)生器管內(nèi)部的現(xiàn)象定義，例如到中間電極以及來自中間電極的場發(fā)射和次級電子發(fā)射。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]閱讀下面詳細的描述并參考附圖，本發(fā)明的優(yōu)勢可以變得明顯，其中:
[0009]圖1是根據(jù)實施例的中子產(chǎn)生器的示意框圖；
[0010]圖2是根據(jù)實施例，具有包括中間電極的電極配置的中子產(chǎn)生器管的截面示意圖；
[0011]圖3是根據(jù)實施例，圖2中的軸向中子產(chǎn)生器管的上半部的電勢分布的截面示意圖；
[0012]圖4是根據(jù)實施例，具有多個中間電極的電極配置的中子產(chǎn)生器管的上半部的電勢分布的截面示意圖；
[0013]圖5是根據(jù)實施例，描述圖4的中子產(chǎn)生器管的上半部的電極表面上的電場應力的曲線；
[0014]圖6是根據(jù)實施例，具有多個中間電極的電極配置的另一個中子產(chǎn)生器管的上半部的電勢分布的截面示意圖；
[0015]圖7是根據(jù)實施例，描述第一電勢下圖6的中子產(chǎn)生器管的上半部的電極表面上的電場應力的曲線；
[0016]圖8是根據(jù)實施例，描述第二電勢下圖6的中子產(chǎn)生器管上半部的電極表面上的電場應力的曲線；
[0017]圖9是根據(jù)實施例，具有8個布置在有效模式中的中間電極的中子產(chǎn)生器管的截面示意圖；
[0018]圖10是根據(jù)圖9的實施例，具有多個中間電極的電極配置的中子產(chǎn)生器管的上半部的電勢分布的截面示意圖；
[0019]圖11是根據(jù)實施例，使用一個高壓電源的高電勢中子產(chǎn)生器的框圖；
[0020]圖12是根據(jù)實施例，使用兩個高壓電源的高電勢中子產(chǎn)生器的框圖；以及
[0021]圖13是指示圖12示出的中子產(chǎn)生器的接地的中間電極的機械支撐的示意圖。
【具體實施方式】
[0022]本文中的公開大體描述了用于井下核輻射產(chǎn)生器的加速柱的各種電極配置，例如中子產(chǎn)生器管或X射線產(chǎn)生器管。盡管本公開主要描述在中子產(chǎn)生器管情況下的配置，公開的關(guān)于其使用的電極配置和技術(shù)可以同樣地應用到井下X射線產(chǎn)生器管。特別是，中子產(chǎn)生器管的離子源和靶電極可以分別類比于井下X射線產(chǎn)生器管的陰極和陽極。因此，井下X射線產(chǎn)生器管的加速柱可以類似地采用參考中子產(chǎn)生器管描述的電極配置和技術(shù)。當井下X射線產(chǎn)生器管采用這樣的電極配置和技術(shù)，來自陰極的電子束在向陽極行進時撞擊任何中間電極的可能性會減少，撞擊中間電極會導致寄生X射線和/或次級電子發(fā)射。這樣的X射線管的大體描述可以在授予斯倫貝謝技術(shù)公司(Schlumberger TechnologyCorporation)的5,680,431號美國專利，“X-RAY GENERATOR”中找到，其在這里整體并入作為參考。
[0023]因此，本文中公開的電極配置和相關(guān)的操作技術(shù)可以應用到可以通過加速柱向靶材料加速帶電粒子以產(chǎn)生核輻射的任何井下核輻射產(chǎn)生器。這樣的井下核輻射產(chǎn)生器可以包括帶電粒子源(例如，離子源和/或陰極)，用于向靶材料(例如，靶電極和/或陽極)發(fā)射帶電粒子(例如，尚子和/或電子)，祀材料被帶電粒子撞擊時可以產(chǎn)生核福射(例如，中子和/或X射線)。
[0024]在前文基礎上，圖1表示適用于井下工具的中子產(chǎn)生器10的截面示意圖。中子產(chǎn)生器10可以包括具有加壓的絕緣氣體3和各個設備組件的壓力外殼12。例如，中子產(chǎn)生器10可以包括經(jīng)由外部電源和控制饋通5外部控制的高壓電源4。該高壓電源4可以經(jīng)由負高壓線6傳送范圍從50kV到150kV或更大的高壓到真空中子產(chǎn)生器管11中的靶電極18。中子產(chǎn)生器管11還可以包括由外部電源和控制饋通7控制的真空密封體內(nèi)的離子源16。該真空密封體可以包括隔離位于離子源16和靶電極18之間的各個電極(在圖3中示出的以及在下面描述的)的高壓絕緣體28。在離子源16中產(chǎn)生的離子可以向靶電極18加速，進入的離子和位于靶電極18中的原子核之間的核反應可以產(chǎn)生中子。利用氘核與氚(即，d-T反應)的反應可以產(chǎn)生中子，這會由d+T — n+alpha+17.6MeV產(chǎn)生14.1MeV中子，其中d是2H原子的原子核，T是3H原子，alpha是4He原子的原子核。
[0025]中子產(chǎn)生器管的靶電極18可以是用3H飽和的鈦盤。離子源16可以使氘2H2氣體電離，所得到的分子離子或裸原子核可以通過離子源16和靶電極18之間的電場加速至靶電極18。離子束可以脈沖化以獲得中子爆發(fā)。連續(xù)的操作也可以是可能的。
[0026]中子產(chǎn)生器管11和高壓源4可以被封閉在包含絕緣氣體3的壓力外殼12中，以及絕緣封裝體(未示出)中以在有限的可用空間中產(chǎn)生和施加所需的高壓。絕緣氣體3可以包括在從幾psig到大于IOOpsig的范圍內(nèi)的壓力下的SF6。進入壓力外殼12的饋通5和饋通7可以向中子產(chǎn)生器11的高壓部分供電，并監(jiān)測用于外部控制的輸出。類似地，可以向離子源16供電(可以包括控制電壓和電流)以調(diào)節(jié)和/或脈沖化離子束電流。
[0027]圖2是圖1的中子產(chǎn)生器10的更詳細的橫截面示意圖，尤其示出了中子產(chǎn)生器管11的改進的電極配置。位于壓力外殼12內(nèi)的加速柱14可以為離子束從離子源16朝向靶電極18行進提供路徑。加速柱14可以大體保持在離子源16的正確運行通常需要的低氣壓，而不是在真空中，因為中子產(chǎn)生器管10是用于井下使用的工具并且中子產(chǎn)生器管11可以是密封的。因此，在中子產(chǎn)生器管11的各個部分不會保持壓差，如在很多實驗室應用中所使用的差動泵浦的離子源的情況。離子源16通常可以產(chǎn)生可以快速接通和關(guān)閉的脈沖離子束。這樣的離子源16和中子產(chǎn)生器管10的其它組件可大體上在授予斯倫貝謝技術(shù)公司的5，293，410號美國專利“NEUTRON GENERATOR TUBE”中描述，其在這里整體并入作為參考。
[0028]在到達靶18上的鈦涂層26之前，來自離子源16的離子束可以由多個電極，優(yōu)選地，提取電極20、中間電極22以及抑制電極24弓丨導通過加速柱14。盡管鈦涂層26被示意性地示出為覆蓋靶18的整個端部，鈦涂層26可以僅覆蓋端部的一部分，即離子束期望撞擊靶18的部分。當來自離子源16的離子束擊中鈦涂層26時，靶電極18可以以上面討論的方式產(chǎn)生中子。提取電極20、中間電極22以及抑制電極24可以通過絕緣體28彼此電隔離，絕緣體28可以由氧化鋁(氧化鋁陶瓷)構(gòu)成。
[0029]—個或更多高壓電源，例如圖1示出的高壓電源4，可以在各個電勢下向電極20，22和24供電。尤其是，提取電極20可以具有高于抑制電極24大約IOOkV的電勢(即，抑制電極24可以具有相對于提取電極20的負電勢)。靶電極18可以具有名義上高于抑制電極24的大約200V到1000V或更大的電壓，以抑制通過撞擊離子束在靶中產(chǎn)生的次級電子回流。中間電極22可以具有提取電極20的電勢和抑制電極24的電勢之間的大致中間電勢。例如，如果提取電極20具有IOOkV的電勢，抑制電極24具有OV的電勢，中間電極22可以具有大約50kV的電勢。在替代實施例中，中間電極22可以具有任何合適的中間電勢。通過以這種方式跨電極20，22和24分配電勢，施加到電極的電勢產(chǎn)生的電場可以相對均勻地分布在加速柱14上，如下面參考圖3更詳細地描述的。當X射線產(chǎn)生器管的加速柱中采用當前示出的電極配置時，施加的電勢可以基本相同。
[0030]在本申請的優(yōu)選的特定實施例中，中間電極22改為電浮置(S卩，電絕緣，不與加速柱14接觸)并且不直接耦接到高壓電源4。在這樣的實施例中，中間電極22上的電勢由產(chǎn)生在加速柱14內(nèi)的現(xiàn)象定義，例如到中間電極22以及從中間電極22的場發(fā)射和次級電子發(fā)射。另外，在這樣的實施例中，中間電極22的電勢因此是可變化的。
[0031 ] 提取電極20、中間電極22以及抑制電極24可以成形為減少在中子產(chǎn)生器管10運行時可能產(chǎn)生的濺射事件。例如，提取電極20可以具有延伸到加速柱14的圓形形狀，其可以引導離子束從離子源16到靶18，在正常運行期間不撞擊中間電極22或抑制電極24。如上面所提到的，由中間電極22或抑制電極24攔截來自離子源16的離子束會導致電極材料磨損，導致濺射進入加速柱。提取電極20的形狀可以因此減少有害的電極材料濺射的可能性。
[0032]中間電極22的配置可以進一步減少絕緣體28由于濺射事件而被電極材料覆蓋的可能性。事實上，中間電極22在加速柱14中的存在可以用于對陶瓷絕緣體28遮蔽或屏蔽會從抑制電極24濺射的傳導材料。從抑制電極24濺射的任何材料可以沉積在中間電極22而不是陶瓷絕緣體28上。同樣的考慮也適用于防止陶瓷絕緣體28被濺射沉積覆蓋的任何其它電極。
[0033]中間電極22也可以成形為增加來自抑制電極24的濺射電極材料沉積在中間電極22而不是陶瓷絕緣體28上的可能性。例如，中間電極22可以插到陶瓷絕緣體28之間，大約在提取電極20和抑制電極24之間的中間位置，距離兩者大約L1的長度。從絕緣體28延伸進入加速柱14，中間電極22的端部可以到達提取電極20和抑制電極24的端部之間大約一半的距離，距離兩者大約L2的長度。
[0034]中間電極22的成形，除了遮蔽陶瓷絕緣體28防止濺射事件，還可以減少加速柱14中的中子泄漏和/或災難性泄漏事件。由于中間電極22的形狀，提取電極20和抑制電極24之間的電場可以由加速柱14控制，以使得可以減少提取電極20、中間電極22和/或抑制電極24以及隔離這些電極的絕緣體28上的電場應力。在電極20，22和/或24上減少的和/或更可預測的電場應力的情況下，自發(fā)電子發(fā)射和/或災難性泄漏事件的可能性會相應地減少。
[0035]抑制電極24也可以成形為減少濺射事件的可能性。特別是，抑制電極24的端部可以在加速柱14內(nèi)部延伸以超過中間電極22的起點位置。這種布置可以減少從抑制電極24的表面濺射的任何電極材料到達絕緣體28的可能性。由于抑制電極24的端部延伸超過中間電極22的起點，從抑制電極24濺射的任何電極材料更可能被中間電極22屏蔽而不會沉積在陶瓷絕緣體28上。應注意，不論中間電極22的形狀為何，在抑制電極24和提取電極20之間的中間位置施加確定的電勢可以提高中子產(chǎn)生器管11的穩(wěn)定性和/或壽命，甚至是在存在一些沉積在陶瓷絕緣體28上的濺射材料的情況下?？商娲?，允許中間電極22電浮置通過促進從抑制電極消除場發(fā)射，而提供了高度的操作穩(wěn)定性，否則可能會在加速柱內(nèi)造成不穩(wěn)定性。
[0036]圖3示出了中子產(chǎn)生器管11的上半部分的電場分布的橫截面示意圖。由于產(chǎn)生器管11軸向?qū)ΨQ，只顯示了管的一半。如圖3所示，來自離子源16的離子束(未示出)可以由沿提取電極20端部和抑制電極24端部之間的長度均勻分布的電場34引導。由于中間電極22可以具有提取電極20和抑制電極24之間的電勢的大致中間的電勢，并且中間電極22可以位于提取電極20和抑制電極24之間的大約中間的距離，電場34可以大體上均勻地分布在全部三個電極20，22和24之間。
[0037]盡管兩個主要的電場應力點36和38會分別出現(xiàn)在中間電極22和抑制電極24上，點36和38處的電場應力會基本低于在僅具有提取電極20和抑制電極24 ( S卩，缺少任何中間電極22)的加速柱的電極上出現(xiàn)的電場應力。作為示例，提取電極20的電勢可以高于中間電極22約50kV，并且可以高于抑制電極24約100kV。點36可以具有大約192kV/cm的電場應力，點38可以具有大約221kV/cm的電場應力。相比之下，在沒有中間電極的加速柱中，在濺射的電極材料層已經(jīng)沉積在周圍的陶瓷絕緣體上時，抑制電極上的電場應力可以達到449kV/cm。由于點36和38處的電場應力減少，來自電極和/或災難性泄漏事件的自發(fā)電子發(fā)射的可能性也會減少。另外，通過建模和實驗調(diào)整電極22和24的形狀可以進一步減少點36和38處的電場應力。
[0038]如上面參考圖2和圖3描述的，井下中子產(chǎn)生器管11的加速柱14中包含中間電極22可以導致電場的更均勻的分布34。類似地，由于多個中間電極22可以更均勻地分布電場，圖4示出具有代替單個中間電極22的多個中間電極40-54的中子產(chǎn)生器管11的另一個電極配置。尤其是，圖4示出了在提取電極20和抑制電極24之間具有8個中間電極22的模擬電極配置。8個電極40-54表示提取電極20和抑制電極24之間的中間電極22。在圖4的模擬中，提取電極20被模擬為具有高于抑制電極24大約IOOkV的電勢。中間電極22可以具有高于抑制電極24的IOOkV到OV之間的電勢。例如，電極40-54可以各自具有高于抑制電極 24 的大約 IOOkV, 85.7kV, 71.4kV, 57.1kV, 42.9kV, 28.6kV, 14.3kV 和 OkV的電勢。靶電極18可以具有高于抑制電極24的大約200V的電勢。當X射線產(chǎn)生器管的加速柱采用當前示出的電極配置時，施加的電勢可以大體上相同。
[0039]由于每個中間電極22之間相對小的勢差，電場應力可以相對微小。因此，自發(fā)電子發(fā)射和/或災難性泄漏事件特別不可能在電極40-54上產(chǎn)生。另外，電場分布56在離子束32的位置附近大致均勻。電場分布56的均勻性會減少離子束32撞擊抑制電極24的可能性，這會相應地減少濺射事件。電場分布56的均勻性還會減少由于抑制電極24上的電場應力導致的自發(fā)電子發(fā)射和/或災難性泄漏事件的可能性。這一改進的聚焦效應可以產(chǎn)生大體上與中子產(chǎn)生器管11的軸平行且不交叉的離子束32。這樣的聚焦離子束32可以進一步減少當尚子撞擊壓縮氣體3時導致的尚子或中性原子撞擊除了祀電極18以外的任何電極的可能性。
[0040]圖5是描述圖4中模擬的電極20，40-54和24的表面上的電場應力之間的關(guān)系的曲線58，以及圖4的電極配置的長度范圍內(nèi)的電勢分布。在曲線58中，第一縱坐標60表示電場應力，單位為kV/cm，第二縱坐標62表示電勢分布，單位為kV。橫坐標64表示圖4的電極配置的表面的相對軸向位置，從最左邊的提取電極20后延伸到超過最右邊的靶18。
[0041]在圖5的曲線58中，虛線表示圖4的電極配置的長度范圍內(nèi)的電場電勢66。如曲線58所示的，電勢66從IOOkV (在表示中間電極22的第一電極40的點處)緩慢下降到OV (在表示中間電極22的最后電極54的點處)，而不是在任何兩個電極之間急劇下降。曲線68表示沿圖4的電極配置的各個點處的電場應力。峰70表示提取電極20上的最大電場應力點，峰72-86分別表示電極40-54上的最大電場應力點，峰88表示抑制電極24上的最大電場應力點。如曲線58所示，圖4中模擬的電極配置的最大電場應力保持低于140kV/cm,其對于沒有中間電極的電極配置而言，可以是低于最大電場應力的300kV/cm。
[0042]圖6表示中子產(chǎn)生器管11的另一個電極配置，其包括多個電極90-108以替代單個中間電極22。尤其是，圖5示出了具有在提取電極20和抑制電極24之間的十個中間電極的模擬電極配置。十個電極90-108表示提取電極20和抑制電極24之間的中間電極22。在圖5的模擬中，提取電極20被模擬為具有比抑制電極24高IOOkV的電勢，并且被模擬為具有擠出形狀以均勻地引導電場并減少電場應力。十個中間電極90-108可以具有比抑制電極24高IOOkV到OV之間的電勢。例如，電極90-108可以分別具有高于抑制電極24大約 100kV，88.9kV,77.8kV,66.7kV,55.6kV,44.4kV,33.3kV,22.2kV, 11.1kV 和 OV 的電勢。靶電極18可以具有高于抑制電極24大約200kV的電勢。抑制電極24可以成形為均勻地引導電場并且減少電場應力。當X射線產(chǎn)生器管的加速柱中采用當前示出的電極配置時，施加的電勢可以基本相同。
[0043]由于每個中間電極22之間相對小的勢差，電場應力可以相對微小。因此，在電極90-108上尤其不可能產(chǎn)生自發(fā)電子發(fā)射和/或災難性泄漏事件。另外，電場分布110在離子束32的位置附近可以近似均勻。電場分布110的均勻性會減少離子束32撞擊抑制電極24的可能性，這會相應地減少濺射事件。電場分布110的均勻性還會減少由于抑制電極24上的電場應力導致的自發(fā)電子發(fā)射和/或災難性泄漏事件的可能性，如抑制電極24的形狀可實現(xiàn)的。這一改進的聚焦效應可以產(chǎn)生基于與中子產(chǎn)生器管11的軸平行且不交叉的離子束32。這樣的聚焦離子束32可以進一步減少當離子撞擊壓縮氣體3時產(chǎn)生的離子或中性原子撞擊除了靶電極18以外的任何電極的可能性。
[0044]圖7是描述圖6中模擬的電極20，90-108和24的表面上的電場應力之間的關(guān)系的曲線112，以及圖6的電極配置的長度范圍內(nèi)的電勢分布。在曲線112中，第一縱坐標114表示電場應力，單位為kV/cm，第二縱坐標116表示電勢，單位為kV。橫坐標118表示圖6的電極配置的表面的相對長度，從最左邊的提取電極20后延伸到超過最右邊的靶18。
[0045]在圖7的曲線112中，虛線表示圖6的電極配置的長度范圍內(nèi)的電勢120。類似圖4的曲線58中描述的模擬，在圖7的曲線112中，電勢120從IOOkV(在表示中間電極22的第一電極90的點處)緩慢下降到OV(在表示中間電極22的最后電極108的點處)，而不是在兩個電極之間急劇下降。曲線122表示沿圖6的電極配置的各個點處的電場應力。峰124表示提取電極20上的最大電場應力點，峰126-144表示電極90-108上的最大電場應力點，峰146表示抑制電極24上的最大電場應力點。如曲線112所示，圖5中模擬的電極配置的最大電場應力維持低于80kV/cm。
[0046]由于圖6的電極配置可以進一步減少電場應力，圖6的電極配置可以適用于更高的電勢。例如，圖8是描述當提取電極20和中間電極22的電勢加倍時圖6中模擬的電極20,90-108和24的表面上的電場應力之間的關(guān)系的曲線148，以及圖6的電極配置的長度范圍內(nèi)的電勢分布。因此，提取電極20可以具有高于抑制電極24大約200kV的電勢，并且十個中間電極90-108可以具有高于抑制電極24大約200kV到OV之間的電勢。例如，電極90-108 可以分別具有高于抑制電極 24 大約 200kV, 177.8kV, 155.6kV, 133.3kV, 111.1kV,88.9kV，66.7kV，44.4kV，22.2kV和OV的電勢。靶電極18可以繼續(xù)具有高于抑制電極24大約200V的電勢。當X射線產(chǎn)生器管的加速柱中采用當前示出的電極配置時，施加的電勢可基本相同。
[0047]在圖8的曲線148中，第一縱坐標150表示電場應力，單位為kV/cm，第二縱坐標152表不電勢分布,單位為kV。橫坐標154表不圖6的電極配置的表面的相對長度,從最左邊的提取電極20后延伸到超過最右邊的靶18。在圖8的曲線148中，虛線表示圖6的電極配置的長度范圍內(nèi)的電勢分布156。類似圖7中的曲線112所描述的模擬，在圖8的曲線148中，電勢156從200kV (在表示中間電極22的第一電極90的點處)緩慢下降到OV (在表示中間電極22的最后電極108的點處)，而不是在兩個電極之間急劇下降。曲線158表示沿圖6的電極配置的各個點處的電場應力。曲線158上的峰160表示提取電極20上的最大電場應力點，峰162-182分別表示電極90-108上的最大電場應力點，峰184表示抑制電極24上的最大電場應力點。如曲線148所示，圖6中模擬的電極配置的最大電場應力維持低于140kV/cm，盡管從提取電極20到抑制電極24的電勢為大約200kV。
[0048]圖9是具有8個中間電極22的中子產(chǎn)生器管184的一部分的截面圖，8個中間電極22以有效的形式布置以引導跨加速柱14的電場。與中子產(chǎn)生器管11類似，中子產(chǎn)生器管184可以位于產(chǎn)生器外殼12內(nèi)，離子源16可以提供離子以通過加速柱14向靶18加速。在中子產(chǎn)生器管184中，提取電極20被成形為進一步減少來自離子源16的離子將撞擊中間電極22或抑制電極24中的任一個的可能性。電極186-198表示中間電極22，其電極192形成具有相同電勢的兩個中間電極。陶瓷絕緣體28使外部中間電極與186-192及192-198分離。由于電極192具有相同的電勢，陶瓷絕緣體28不必要位于兩個電極192之間。
[0049]每個中間電極22可在加速柱14中向內(nèi)彎曲?？梢杂嬎阒虚g電極22的曲度以引導電場通過加速柱14，以使電場均勻分布。由于中子產(chǎn)生器管184中的中間電極22的數(shù)量和形狀，加速柱14可以延伸到比中子產(chǎn)生器管10或具有更少電極的類似中子產(chǎn)生器管更大的長度。這個延伸的加速柱14可以使得來自離子源16的離子在到達靶18前達到更高能級。在更高的能級，靶18可以產(chǎn)生更大數(shù)量的中子。
[0050]電極20，22和24可以針對減少的電場應力進行成形。尤其是，中間電極22可以被成形為在相鄰電極之間(包括提取電極20和抑制電極24)維持近似相等的間隔。進一步地，中子產(chǎn)生器管184的所有電極的尖端200可以被成形為使出現(xiàn)在加速柱14外部但是在產(chǎn)生器外殼12內(nèi)部的電場應力的數(shù)量最小。另外，中間電極22可以大體上朝向加速柱14的輻射中心彎曲。抑制電極24也可以成形為將來自離子源16的離子引導到靶18，而沒有過度的濺射事件。就來自離子源16的任何離子撞擊抑制電極24來說，中間電極22在加速柱14的長度范圍內(nèi)的完全對齊的排列可以防止任何濺射的電極材料沉積在絕緣體28上。
[0051]圖10中的曲線202示出了針對圖9的中子產(chǎn)生器管184的電極配置得到的模擬的電勢分布204。8個中間電極186-198表示位于提取電極20和抑制電極24之間的中間電極22。在圖10的模擬中，提取電極20被模擬為具有比抑制電極24高IOOkV的電勢，并且具有延伸的形狀以均勻地弓丨導電場，并減少電場應力。8個中間電極186-198可以具有高于抑制電極24大約IOOkV到OV之間的電勢。例如，電極186-198可以分別具有高于抑制電極 24 大約 87.5kV,75kV,62.5kV,50kV,37.5kV，25kV 和 12.5kV 的電勢。革巴電極 18 可以具有高于抑制電極24大約200V的電勢。抑制電極24也可以被成形為均勻引導電場并且減少電場應力。當X射線產(chǎn)生器管的加速柱中采用當前示出的電極配置時，施加的電勢可以基本上相同。
[0052]以類似于上面描述的模擬的方式，每個中間電極22之間的相對小的勢差可以導致電場應力相對較小。因此，自發(fā)電子發(fā)射和/或災難性泄漏事件尤其不可能在電極186-198上產(chǎn)生。另外，電勢分布204在離子束32將行進的加速柱14的中心附近可以近似均勻。電勢分布204的均勻性可以減少離子束32撞擊抑制電極24或中間電極186-198的可能性，這會相應地減少濺射事件。電勢分布204的均勻性還可以減少由于抑制電極24上的電場應力導致的自發(fā)電子發(fā)射和/或災難性泄漏事件的可能性，如抑制電極24的形狀實現(xiàn)的。這一改進的聚焦效應可以產(chǎn)生基本上與中子產(chǎn)生器管184的軸平行且不交叉的離子束32。這樣的聚焦離子束32可以進一步減少當離子撞擊壓縮氣體3時產(chǎn)生的離子或中性原子撞擊除了靶電極18以外的任何電極的可能性。
[0053]圖11示出了對于使用中子產(chǎn)生器管214的中子產(chǎn)生器的附加的考慮，它可以大體上表示上面的具有一個或更多中間電極22的中子產(chǎn)生器管11和184。為了確保在不同電極20，22和24上的適當?shù)碾妱?，電極可以連接到由高壓產(chǎn)生器4傳輸?shù)恼_電壓。這可以通過使用多個高壓產(chǎn)生器4和/或通過從單個高壓產(chǎn)生器4引出不同電壓來實現(xiàn)。然而，這樣的方法會需要引入附加的高壓到電極20，22和24，并且會由于有限的可用空間而造成問題。
[0054]電極20，22和24上的適當電勢也可以由分壓器提供，其使得適當?shù)母邏撼霈F(xiàn)在每個電極上。這樣的分壓器可以包括各種電阻元件214，如圖11所示，其可以是分立電阻器和/或絕緣體28的外邊緣上的電阻涂層。提取電極20可以連接到地，抑制電極24可以經(jīng)由負高壓線6連接到負高壓電勢。由各個電阻元件214提供的電阻分壓器可以確保對中間電極22進行適當?shù)碾妷悍峙?。應理解，由電阻元?14提供的電阻可以根據(jù)設計考慮和施加到各個中間電極22的電勢而變化。
[0055]使用上面公開的改進的電極配置，井下中子產(chǎn)生器或X射線產(chǎn)生器可以使用從提取電極20到抑制電極24的跨加速柱14的更大電勢。相應地，圖12示出了中子產(chǎn)生器的實施例，其配置為提供現(xiàn)有井下中子產(chǎn)生器大約兩倍的電勢。如圖12所示，高電勢中子產(chǎn)生器管216可以從兩個高壓電源4接收高壓電源，分別電力連接到提取電極20和抑制電極24。特別是，第一高壓電源4的正輸出可以耦接到提取電極20，而負輸出可以接地，有效提供大約+IOOkV的額定電勢到提取電極20。同時，第二高壓電源4的負輸出可以耦接到抑制電極24，而正輸出可以接地，有效提供大約-1OOkV的額定電勢到抑制電極24。以這種方式，可以提供200kV的總加速電壓，而相對于地的高壓以及相應地壓力外殼12可以不超過lOOkV。在一些實施例中，兩個高壓可以是不對稱的。例如，一個高壓產(chǎn)生器4可以提供大約-120kV，另一個高壓產(chǎn)生器4可以提供大約+80kV，以提供大約200kV的總電壓。
[0056]提取電極20可以通過一個或更多電阻元件214與一個或更多中間電極22電隔離。電阻元件214可以包括，例如，分立電阻器或加速柱14外部的電阻涂層，其可以連接電極的外尖端，并且可以在提取電極20和抑制電極24之間劃分電壓。一個或更多中間電極22中的一個可以接地或可以不接地。抑制電極24可以類似地由一個或更多電阻元件214與一個或更多中間電極22電隔離。
[0057]如果中子產(chǎn)生器212只包括接地的單個中間電極22，該單個中間電極22可以維持在相對于其他電極的預定電勢。在這樣的條件下，可以不使用電阻分壓器，而是接地的電極可以有助于把中子產(chǎn)生器管212機械固定到壓力外殼12，如上面參考圖1所示出的，這可以圍繞中子產(chǎn)生器管，例如中子產(chǎn)生器管212。這個替代設置可以更容易地經(jīng)受井下工具經(jīng)常遇到的粗暴搬運，并且也可以有助于從中子產(chǎn)生器管11釋放熱量。如果這樣的單個中間電極22未連接到由高壓電源4提供的預定電勢，可以使用一個或更多電阻分壓器214以確保用于電極22的適當電勢。
[0058]圖13表示具有耦接到一個中間電極22的接地機械支撐216的中子產(chǎn)生器管212的配置。如圖所示，提取電極20可以通過幾個中間電極22與抑制電極24分離。中子產(chǎn)生器管212可以包含在包括絕緣套管218的壓力外殼12內(nèi)。絕緣氣體220可以填充圍繞中子產(chǎn)生器管212的空間，并且可以與上面參考圖1描述的絕緣氣體3相同。
[0059]在一個中間電極22上的接地支撐216可以提高中子產(chǎn)生器管212的機械堅固性，并且還可以改進熱釋放。在圖13的實施例中，中心的中間電極22耦接到接地支撐216。附加地或替代地，接地支撐216可以耦接到任何一個中間電極22。如果來自高壓電源4的正負高壓對于地是非對稱的，圖13所示出的配置會特別有益。在這樣的條件下，當前配置可以確保支撐的中間電極22總是保持于地，不論由高壓電源提供的電勢如何。
[0060]盡管本文中僅示出和描述了特定特征，本領(lǐng)域技術(shù)人員會意識到許多修改和變化。因此，應理解所附的權(quán)利要求希望覆蓋落在本公開的真正精神范圍內(nèi)的所有這樣的修改和變化。
【權(quán)利要求】
1.一種能夠進行井下操作的核輻射產(chǎn)生器，包括: 帶電粒子源； 靶材料，配置為在被來自所述帶電粒子源的帶電粒子撞擊時產(chǎn)生核輻射；以及所述帶電粒子源和所述靶材料之間的加速柱，所述加速柱包括多個電極，所述多個電極配置為導引來自所述帶電粒子源的一束所述帶電粒子以撞擊所述靶材料，其中所述多個電極中的至少一個電極包括與所述加速柱電隔離的中間電極。
2.如權(quán)利要求1所述的核輻射產(chǎn)生器，其中，所述帶電粒子源包括配置為發(fā)射電子的陰極，并且所述靶材料包括配置為在被來自所述陰極的電子撞擊時發(fā)射X射線的陽極。
3.如權(quán)利要求1所述的核輻射產(chǎn)生器，其中，所述帶電粒子源包括配置為發(fā)射離子的離子源，并且所述靶材料包括配置為在被來自所述離子源的離子撞擊時發(fā)射中子的靶電極。
4.如權(quán)利要求1所述的中子產(chǎn)生器，其中，所述中間電極保持浮置于可變電勢。
5.如權(quán)利要求4所述的中子產(chǎn)生器，其中，所述中間電極的可變電勢由所述加速柱內(nèi)的電荷運動和電荷收集中的至少之一來定義。
6.一種能夠進行井下操作的中子產(chǎn)生器，包括: 離子源； 靶電極；以及 所述離子源和所述靶電極之間的加速柱，其中所述加速柱包括多個電極，所述多個電極配置為將來自所述離子源的離子朝向所述靶電極導引，其中所述多個電極中的至少一個電極包括與所述加速柱電隔離的中間電極。
7.如權(quán)利要求6所述的中子產(chǎn)生器，其中，所述多個電極包括提取電極、抑制電極以及位于所述提取電極和所述抑制電極之間的中間電極。
8.如權(quán)利要求6所述的中子產(chǎn)生器，其中，所述多個電極包括提取電極、抑制電極以及位于所述提取電極和所述抑制電極之間的多個中間電極。
9.如權(quán)利要求6所述的中子產(chǎn)生器，其中，所述中間電極保持浮置于可變電勢。
10.如權(quán)利要求9所述的中子產(chǎn)生器，其中，所述中間電極的可變電勢由所述加速柱內(nèi)的電荷運動和電荷收 集中的至少之一來定義。
11.一種能夠進行井下操作的中子產(chǎn)生器，包括: 離子源； 靶電極；以及 設置于所述離子源和所述靶電極之間的加速柱，所述加速柱包括: 提取電極，所述提取電極離所述離子源比離所述靶電極近； 抑制電極，所述抑制電極離所述靶電極比離所述離子源近；以及設置于所述提取電極和所述抑制電極之間的中間電極，其中，所述中間電極保持于浮置電勢，基本上與所述加速柱電隔離。
12.如權(quán)利要求11所述的中子產(chǎn)生器，其中，所述中間電極是設置于所述提取電極和所述抑制電極之間的多個中間電極中的一個中間電極。
13.一種用于核輻射的井下產(chǎn)生的方法，包括: 向包含真空或低壓氣體的加速柱中發(fā)射多個帶電粒子；使用提取電極、抑制電極以及設置于所述提取電極和所述抑制電極之間的至少一個電浮置的中間電極，使所述多個帶電粒子加速通過所述加速柱；以及 使所述多個帶電粒子撞擊靶材料，以使得所述多個帶電粒子和所述靶材料相互作用以產(chǎn)生所述核輻射。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，進一步包括通過使所述中間電極與所述加速柱電隔離，浮置所述中間電極保持于可變電勢。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，進一步包括由所述加速柱內(nèi)的電荷運動和電荷收集中的至少之一被動地定義所述中間電極的可變電勢。
16.一種能夠進行井下操作的X射線產(chǎn)生器，包括: 陰極； 陽極；以及 所述陰極和所述陽極之間的加速柱，其中，所述加速柱包括多個電極，所述多個電極配置為將由所述陰極發(fā)射的電子朝向所述陽極導引，其中，所述多個電極包括提取電極、抑制電極以及至少一個中間電極，其中，所述多個電極中的至少一個電極包括與所述加速柱電隔離的中間電子。
17.如權(quán)利要求16所述的X射線產(chǎn)生器，所述多個電極進一步包括具有相對于所述提取電極和所述抑制電極的中間電勢的至少兩個中間電極。
18.如權(quán)利要求22所述的X射線產(chǎn)生器，所述多個電極進一步包括具有相對于所述提取電極和所述抑制電極的中間電勢的至少8個中間電極。
【文檔編號】G01V5/10GK103946724SQ201280055652
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2012年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月14日
【發(fā)明者】J·雷約寧, J·L·格羅夫斯 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司