具有单极电压梯的能量辐射发生器的制造方法
【专利摘要】一种测井工具可包括：探头外壳和由所述探头外壳承载的辐射发生器。辐射发生器可包括：发生器外壳；由所述发生器外壳承载的靶标；由所述发生器外壳承载的带电粒子源，以将带电粒子导向所述靶标；以及连接到所述带电粒子源的至少一个电压源。所述至少一个电压源可包括：包括以单极配置连接的多个电压倍增级的电压梯以及连接到沿所述电压梯的至少一个中间位置处的至少一个加感线圈。该测井工具还包括由所述探头外壳承载的至少一个辐射探测器。
【专利说明】具有单极电压梯的能量辐射发生器
【背景技术】
[0001] 在测井工具中使用辐射发生器（例如中子和X射线发生器）来对可能有油气资源 (例如，油和/或天然气）存在的邻近井眼处的地质地层进行测量。中子发生器可以使用 氣-氣（d-d)、氣-氣（d-t)或氣-氣（t-t)反应制造中子，而无需使用放射性材料。
[0002] 辐射发生器可以包括管（例如，中子或X射线管）和相关的电气元件，例如一个或 更多个具有柯克罗夫特-沃尔顿梯（Cockcroft-Walton ladder)的高压变压器来产生高工 作电压。中子管是由金属和绝缘体制成的密封的外壳，其包括储气罐、离子源、加速器柱和 靶标。靶标可以由氢化物材料制成。一旦从储气罐中释放，气体就在离子源中被离子化，然 后在加速柱中朝向靶标加速。核聚变反应在进入的离子和存在于靶标中的氢同位素原子之 间出现，从而导致中子被引导到地质地层中。辐射探测器可以从由中子轰击引起的地质地 层探测辐射，辐射反过来提供关于地质地层成分的信息。
[0003] X射线管具有电子源（通常被称作电子枪）、加速柱和靶标。靶标可以由重材料、 例如钨或金制成。
【发明内容】
[0004] 该
【发明内容】
介绍了一些概念，这些概念在下面的具体描述中有进一步的描述。该
【发明内容】
不希望识别请求保护的主题的关键或本质特征，也不希望作为限制请求保护的主 题的范围的辅助使用。
[0005] -种测井工具可包括：探头外壳和由所述探头外壳承载的辐射发生器。辐射发生 器可包括：发生器外壳；由所述发生器外壳承载的靶标；由所述发生器外壳承载的带电粒 子源，以将带电粒子导向所述靶标；以及连接到所述带电粒子源的至少一个电压源。所述至 少一个电压源可包括：包括以单极配置连接的多个电压倍增级的电压梯以及连接到沿所述 电压梯的至少一个中间位置处的至少一个加感线圈。该测井工具还包括由所述探头外壳承 载的至少一个辐射探测器。
[0006] -种辐射发生器可包括：发生器外壳；由所述发生器外壳承载的靶标；由所述发 生器外壳承载的带电粒子源，以将带电粒子导向所述靶标；以及连接到所述带电粒子源的 至少一个电压源。所述至少一个电压源可包括：包括以单极配置连接的多个电压倍增级的 电压梯，每个倍增级可包括至少一个半导体二极管。至少一个加感线圈可连接到沿所述电 压梯的至少一个中间位置处。
[0007] -种用于制造辐射发生器的方法可包括：将靶标和带电粒子源放置在发生器外壳 中，以使带电粒子源将带电粒子导向靶标；以及将至少一个电压源连接到带电粒子源。所述 至少一个电压源可包括：包括以单极配置连接的多个电压倍增级的电压梯，其中，每个倍增 级包括至少一个半导体二极管；以及连接到沿所述电压梯的至少一个中间位置处的至少一 个加感线圈。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1是根据一个示例性实施例的辐射发生器的侧面剖视图。
[0009] 图2是X射线管的侧视图，其可以在一个示例性实施例中用于图1的辐射发生器 中。
[0010] 图3是测井工具的示意性简图，其可以包括如图1所示的辐射发生器。
[0011] 图4是单极电压梯配置的示意图，其可以用于图1的辐射发生器。
[0012] 图5是比较有加感线圈和没有加感线圈的沿多个单极电压梯配置的电压分布的 曲线。
[0013] 图6是图1的单极电压梯配置的输出电压相对于输入电压的曲线，以及没有附加 的加感线圈的单极电压梯的输出电压相对于输入电压的曲线。
[0014] 图7是双极电压梯配置的示意图，其可以用于图1的辐射发生器。
[0015] 图8是辐射发生器和相关的控制电路的一个实施例的电路原理图。
[0016] 图9是示出与制造辐射发生器（例如如图1所示的）相关的方法方面的流程图。
[0017] 图10是示出基于采用示例测试配置的辐射发生器的频率变化的电压分布的图。
[0018] 图11是比较沿有加感线圈的双极电压梯分支和沿没有加感线圈的双极电压梯分 支的电压分布的图。
【具体实施方式】
[0019] 本描述是参考附图做出的，其中，附图中示出了示例性实施例。然而，也可以使用 很多不同的实施例，因此本描述不应被理解为局限于在此提出的实施例。相反，提供这些实 施例将会使得该公开全面和完整。在全文中相同的附图标记表示相同的元件，撇和多个撇 号用于指示不同的实施例中的相应元件。
[0020] 先参考图1和图2,首先描述辐射发生器30。在该示出的示例中，辐射发生器是X 射线发生器，其包括在靶标（即，阳极）端102接地的X射线管100,但在一些实施例中也 可以使用浮动靶标配置。X射线管100进一步解释性地包括位于管的与靶标端102相反的 相反端的阴极103。阴极103连接至电压倍增梯104(例如，经阴极隔离变压器）。X射线 管100、电压倍增梯104以及隔离变压器106被围在一个或更多个绝缘套管108中（例如 PFA)，该绝缘套管进一步被围在发生器外壳110内。绝缘气体可以被添加到发生器外壳内 的内部空间117中。电压倍增梯104进一步解释性地包括多个加感线圈105a、105b (这将 会在下文中被进一步描述）以及用于接收交流电压的输入端116。在图1中示意性地示出 的接地的靶标配置提供了机械设计和装配的简化，这也会有助于维持靶标的机械稳定性， 维持对靶标的热管理，以及绝缘材料108的辐射暴露。
[0021] 阴极103响应于热暴露而释放电子，但在一些实施例中也可以使用"冷"阴极（例 如，碳纳米管等）。如将在下文中进一步描述的，电压梯104把电压施加到阴极103,电流的 引入加热阴极103,使其释放电子。栅极204向电子加速部分206移动从阴极103释放的电 子。加速部分206向靶标208加速电子。当与靶标208碰撞时，会产生X射线，其可以在各 个应用中使用，例如井下测井测量，这将会在下文中进一步讨论。
[0022] 基本的单极电压梯配置可能不足以在井下使用所规定的空间限制内达到非常高 的电压（例如，数百千电子伏的数量级上）。就是说，在使用了电压梯的井下工具极板或探 头外壳的空间限制的情况下，可能难于以基本的单极电压配置达到期望的电压水平。更特 别地，这是由于电压效率（其被定义为输出电压与乘以级数的输入电压的比率。例如，30或 40级的基本的单极电压梯将会有大约40%到60%的电压效率。对于15kV的输入电压（其 大致是合理尺寸的大多数商业器件（例如，电容器和二极管）的最大额定电压），输出电压 可以按级数绘图。级的级联使电压效率降低。输出电压趋向于指定值，250kV左右。加入相 对大的级数可能不会因此提供期望的高工作电压。这样的配置不能产生高电压可以进一步 被归因于级间的杂散电容。
[0023] 为了使用单极梯（与双极设计相反）产生400kV的电压，例如，在井下设备的封 装尺寸限制的情况下，在此提出的实施例通过使用一个或更多个被置于梯中的合适的中 间的地方或位置的加感线圈提供了增加的电压效率。"The Cockcroft-Walton Voltage Multiplying Circuit"，E. Everhart 和 P. Lorrain,1953, The Review of Scientific Instruments, Vol. 24, 3,1953年3月中提出了在离子加速器和电视线路的单极设计中使用 单增压线圈或单加感线圈的配置。此配置在电压倍增器的高压端采用单线圈，使最初的电 压效率从50%增压到80%。使用经典型柯克罗夫特-沃尔顿梯，电压效率由下式得出：
【权利要求】
1. 一种测井工具，包括： 探头外壳； 由所述探头外壳承载的辐射发生器，包括： 发生器外壳， 由所述发生器外壳承载的靶标， 由所述发生器外壳承载的带电粒子源，以将带电粒子导向所述靶标，以及 连接到所述带电粒子源的至少一个电压源，所述至少一个电压源包括： 包括以单极配置连接的多个电压倍增级的电压梯，以及 连接到沿所述电压梯的至少一个中间位置处的至少一个加感线圈；以及 由所述探头外壳承载的至少一个辐射探测器。
2. 如权利要求1所述的测井工具，其中，所述至少一个加感线圈包括在沿所述电压梯 的各中间位置处的隔开的多个加感线圈。
3. 如权利要求2所述的测井工具，所述加感线圈中的一个连接在由2N/5定义的中间位 置处，其中，N是所述电压倍增级的级数。
4. 如权利要求2所述的测井工具，其中，所述加感线圈中的一个连接在由4N/5定义的 中间位置处，其中，N是所述电压倍增级的级数。
5. 如权利要求1所述的测井工具，其中，每个所述电压倍增级包括至少一个半导体二 极管。
6. 如权利要求1所述的测井工具，其中，所述辐射发生器还包括： 连接到所述电压梯的电压驱动器； 连接到所述电压梯的至少一个电压传感器；以及 基于所述至少一个电压传感器控制所述电压驱动器的处理器。
7. 如权利要求6所述的测井工具，其中，所述至少一个电压传感器包括连接到所述电 压倍增级中的第一级的输入电压传感器。
8. 如权利要求1所述的测井工具，其中，所述带电粒子源包括电子流发生器。
9. 如权利要求1所述的测井工具，其中，所述带电粒子源包括离子流发生器。
10. 如权利要求1所述的测井工具，其中，所述电压梯包括柯克罗夫特-沃尔顿电压梯。
11. 如权利要求1所述的测井工具，其中，所述探头外壳包括极板外壳。
12. 如权利要求1所述的测井工具，其中，所述探头外壳包括芯轴外壳。
13. 如权利要求1所述的测井工具，其中，所述探头外壳包括要由随钻测井（LWD)工具 组件承载的接箍；其中，所述接箍包括底架，所述辐射发生器承载在所述底架中。
14. 一种福射发生器，包括： 发生器外壳； 由所述发生器外壳承载的靶标； 由所述发生器外壳承载的带电粒子源，以将带电粒子导向所述靶标；以及 连接到所述带电粒子源的至少一个电压源，所述至少一个电压源包括： 包括以单极配置连接的多个电压倍增级的电压梯，每个倍增级包括至少一个半导体二 极管，以及 连接到沿所述电压梯的至少一个中间位置处的至少一个加感线圈。
15. 如权利要求14所述的辐射发生器，其中，所述至少一个加感线圈包括在沿所述电 压梯的各中间位置处的隔开的多个加感线圈。
16. 如权利要求15所述的辐射发生器，其中，所述加感线圈中的一个连接在由2N/5定 义的中间位置处，其中，N是所述电压倍增级的级数。
17. 如权利要求15所述的辐射发生器，其中，所述加感线圈中的一个连接在由4N/5定 义的中间位置处，其中，N是所述电压倍增级的级数。
18. 如权利要求14所述的辐射发生器，还包括： 连接到所述电压梯的电压驱动器； 连接到所述电压梯的至少一个电压传感器；以及 基于所述至少一个电压传感器控制所述电压驱动器的处理器。
19. 如权利要求18所述的辐射发生器，其中，所述带电粒子源包括电子流发生器。
20. -种用于制造辐射发生器的方法，包括： 将靶标和带电粒子源放置在发生器外壳中，以使带电粒子源将带电粒子导向靶标；以 及 将至少一个电压源连接到带电粒子源，所述至少一个电压源包括： 包括以单极配置连接的多个电压倍增级的电压梯，每个倍增级包括至少一个半导体二 极管，以及 连接到沿所述电压梯的至少一个中间位置处的至少一个加感线圈。
21. 如权利要求20所述的方法，其中，所述至少一个加感线圈包括在沿所述电压梯的 各中间位置处的隔开的多个加感线圈。
22. 如权利要求21所述的方法，所述加感线圈中的一个连接在由2N/5定义的中间位置 处，其中，N是所述电压倍增级的级数。
23. 如权利要求21所述的方法，其中，所述加感线圈中的一个连接在由4N/5定义的中 间位置处，其中，N是所述电压倍增级的级数。
24. 如权利要求20所述的方法，其中，所述带电粒子源包括电子流发生器。
【文档编号】E21B47/11GK104093932SQ201280055631
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2012年9月14日 优先权日:2011年9月14日
【发明者】M·西蒙, A·杜尔科斯基, C·斯托勒 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司