专利名称：带整体环型α－探测器的测井用中子管的制作方法
技术领域：
本实用新型属于测井用中子发生装置结构设计领域，特别涉及一种可与采用伴随粒子飞行时间技术的“碳/氧比能谱测井仪”结合使用以满足测井特殊要求的密封中子管结构的改良。
在核碳/氧比(C/O)测井仪中，密封中子管(下面简称中子管)被用来通过核反应d+t→α+n提供14MeV的快中子。现有的普通中子管一般是由高压电极、密封壳、潘宁离子源、气体存储器、加速电极和靶(氚靶或自成靶)构成。用14MeV的中子轰击井下矿层，产生碳和氧的非弹感生γ射线(分别为4.43和6.13MeV)，通过测量这个γ谱，在理想条件下，可以得到矿层的原子碳/氧比及含油饱和度。但是，采用普通中子管的测井仪(下面简称普通测井仪)所测得的C/O带有很大的误差，它主要是由含有大量C、O、Sl和Ca的套管井物质引起的，从套管井物质发出的γ射线对所测非弹γ谱构成很大的本底。此外热中子俘获γ对非弹γ谱也构成本底。这些本底对所测C/O值产生不良影响。虽然普通测井仪在不断改进，但是一直未能解决这个问题。
由本申请人提出的中国专利(申请号93109244.2)公布了一种采用伴随粒子飞行时间技术的“碳/氧比能谱测井仪”(下面简称“新型测井仪”)。该新型测井仪是由带α信号获取装置的中子管(下面简称“α-中子管”)，快定时电子学部件，BaF2γ-探测器以及其它在普通测井仪中常用的设备组成。该新型测井仪从整体方案上能够很好克服上述本底，可显著提高所测C/O比的精确度。
但是上述专利对该新型测井仪的关键部件α-中子管的具体结构没有详细记载，也没有涉及所说伴随α信号获取装置以及与之相关的小α-探测器的具体设计和制作原则。
另外一个中国专利(公开号CN2264332Y)公开了一种带α-闪烁体的测井用中子管，其结构是将一个α-闪烁体焊接在靶头和一个没有靶头的普通中子管之间，α-闪烁体是用一段玻璃管，将磷光物质ZnS涂抹在其内表面上做成的。但是该专利没有提及如何在所公开的α-闪烁体上装配光电倍增管去构成一个实际可用的α-探测器。事实上，该种α-闪烁体基体周围没有所需要的空间去装配合适的光电倍增管。
本申请人提出的另一中国专利(申请号98100264.1)公开了一种α-中子管结构，它可以和上述新型测井仪配合使用去满足测井的特殊要求。其中α信号获取装置由多个小α-探测器环绕离子束流组成，小α-探测器由玻璃光导和Invar合金管焊接构成。这种装置的不足之处是，结构较复杂，制作工艺较困难，中子管内部材料很多，容易在中子管存放和使用期间释放很多杂质气体，可使中子管的使用寿命缩短。
此外，现有α-中子管都存在这样的问题，就是在存放和使用期间，内部高真空要不可避免地受到漏气和内部器件放气的危害，因此缩短了它的使用寿命。
本实用新型的目的是为克服已有技术的不足之处，提供一种新型的测井用中子管，其中α信号获取装置是个整体环型α-探测器。它不但可以和上述新型测井仪配合使用去满足测井的特殊要求，可以去除来自套管井物质的γ射线和热中子俘获γ的有害影响，显著提高所测C/O值的精确性；而且具有结构简单，内部材料少，制作工艺较容易，特别是装配光电倍增管有灵活性等优点。进一步，它还能够吸收自身在存放和使用期间的漏气和内部放气，延长中子管的使用寿命。
本实用新型提出一种带整体环型α-探测器的测井用中子管，包括有有一个纵向中心轴线的密封外壳，潘宁离子源，离子束流引出和聚焦组合件，气体存储器，加速电极和靶，其中所说的潘宁离子源、离子束流引出和聚焦组合件、和加速电极顺所说的轴线同轴联接到所说的密封外壳上，所说的存储器固定在所说密封壳内的存储器室内；其特征在于还包括将所说的靶固定在其底盖内表面中心处的圆形靶室，将所说密封外壳与所说靶室纵向同轴连接的离子束流漂移管，处在所说离子束流漂移管和靶之间由若干个光电倍增管和一个带整体环形α闪烁体组成的伴随α粒子闪烁探测器，所说的带整体环形α闪烁体设置在同时充当靶室上盖的刚性透明基体上，以及装在靶室内的α粒子准直器。
所说的刚性透明基体可以是个内表面和外表面类似于圆台外测面或者棱台外侧面的漏斗状玻璃罩，所说漏斗状玻璃罩的细端和粗端被分别纵向同轴地焊到一根细Invar合金管和一根粗Invar合金管上，所说的粗合金管另一端与所说的靶室底盖焊在一起而形成靶室，所说的细Invar合金管的另一端与所说的密封壳上离子束流漂移管外端口纵向同轴地焊在一起，所说的光电倍增管环绕所说的离子束流漂移管与所说的刚性透明基体组装在一起。其中所说的光电倍增管可通过异型光导与所说的刚性透明基体的外表面实现光耦合；还可通过一薄层透明介质与所说的刚性透明基体的外表面实现光耦合。所说的光电倍增管可有一个斜倾的光阴极端面。
本实用新型还可包括固定在所说密封壳内的气体吸收器。其中所说的α粒子准直器可由若干个孔径不同的薄金属圆环片按孔径大小顺序组合而成。
本实用新型是遵循以下原则设计的即一个完整的α-探测器包括闪烁体、光导(如果需要的话)、光电倍增管组合件。α-中子管中合格的α-探测器应该具有的性能包括1．满意的几何特性，即有足够广的接受伴随α粒子的立体角；能够从测量矿区排除掉套管井物质；所确定的最佳测量矿区处在γ-探测器的邻近周围；整体结构适用于井下特殊的空间。
2．满意的信号特性，即，输出信号具有足够高的幅度以抗除噪声和其它干扰；有足够快的上升时间以减少定时的不确定性；能够提供满意的中子飞行时间等值面。
3．可靠的制作工艺可行性，α-中子管中的α闪烁体是个薄层物质，它需要刚性透明物体作为基体。它的制作工艺是淀积约9μ厚的无机磷光体(比如，ZnS,ZnO)在选定的基体表面上；再依次覆盖极薄的有机薄膜Al膜，然后加热去除有机膜，最后蒸上一层约1μ厚的Al膜用以保护磷光体免受散射d的轰击。闪烁磷光体和保护Al膜简称α-闪烁体。
该制作工艺需要基体有开放型的表面，比如平面，张角很大的空的环形体的内表面。如果基体采用玻璃管，则很难制作出合格的α闪烁体。α-闪烁体一定要有足够大的面积和满意的接收α的立体角。光电倍增管的光阴极面积应尽可能接近α-闪烁体的面积。α-中子管中，每个光电倍增管承受的计数率可达到2×105cps到3×105cps。这样高的计数率要求光阴极要足够大，直径约要大于20mm。要想使光电倍增管输出幅度足够高的信号，光电倍增管要有足够多的打拿极，这要求光电倍增管要有相当的长度，比如大于50mm。根据上述要求和现有的制作高温光电倍增管的工艺，适当的可以得到的光电倍增管组合要大于φ24×60mm。
参看
图1，最佳测量矿区的大小和位置取决于靶到γ闪烁体中心的距离S(通常S大于350mm)，套管井的外径W(通常约200mm)，可以探测到的矿区厚度F。α-探测器的几何特性取决于外径D，内径d，闪烁体高度H，靶直径t1，以及α闪烁体面到靶心的平均距离L。
如果α闪烁体有三个几何自由度(如D,d和H)，通过调整它们以及L容易得到满意的几何特性。比如它的形状象一个圆台的外测面。如果α闪烁体只有2个或更少的自由度，则难以得到满意的几何特性。比如它是个圆玻璃管，在这种情况下，当d和H都较小时，可以得到较大的接受α立体角，但是所选定的矿区远离γ-探测器。当源矩S取350mm，套管井直径为200mm时，要想得到满意的几何特性，则直径d必须大于50mm，测井仪耐高压壳内径一般小于90mm，因此在圆管形闪烁体之外没有足够大的空间装配光电倍增管。
由于要装配容纳α-探测器的靶室以及光电倍增管，致使α-中子管中离子束流输送长度远大于普通中子管中的同类值，它的构造和普通中子管将有很大差别。
本实用新型不但可以和上述新型测井仪配合使用去满足测井的特殊要求，可以去除来自套管井物质的γ射线和热中子俘获γ的有害影响，显著提高所测C/O值的精确性；而且具有结构简单，内部材料少，制作工艺较容易，特别是装配光电倍增管有灵活性等优点。进一步，它还能够吸收自身在存放和使用期间的漏气和内部放气，延长中子管的使用寿命。所测刻度用油井和水井的C/O比差值可达0.35以上(碳窗取3.17～4.65MeV，氧窗取4.68～6.43MeV)。
附图简要说明图1为本实用新型α闪烁体和套管井几何参数的示意图。
图2为本实用新型实施例1的α中子管结构的纵向剖视图。
图3为图2中的α-中子管F-F处横向剖视图，显示伴随α探测器的α闪烁体为完整的环形的示意图。
图4为本实用新型实施例2的α-中子管靶室部分纵向剖视图。
本实用新型设计的二种带整体环型α-探测器的测井用中子管实施例如图2～图4所示。结合附图分别详细说明如下实施例1，其结构如图2所示，密封抽气管1A，密封绝缘子1B,Invar合金管1C，密封横盖1D，玻璃或陶瓷管1E，密封绝缘子1F,Invar合金管1G，密封横盖1H，离子束流漂移管6A，被密封接合在一起形成密封壳1，它的纵向中心轴线将是整个中子管的纵向中心轴线(以后简称轴线)。磁铁路组合件3A，永久磁钢环3B、3F阴极3C,3E和阳极3D结合在一起形成潘宁离子源3。潘宁离子源3通过连接件2同轴刚性装配到密封壳1上，阳极3D通过导体棒接到密封绝缘子1B中心导线上，该导体棒穿过并固定在绝缘子3G中。
在潘宁离子源3和加速电极5之间与密封管1同轴装置了一个离子引出和聚焦组合件，该组合件是由几个平面透镜沿密封管的轴线顺序设置而成。本实施例采用三个平面透镜。第一平面透镜4A由离子源带孔底盖充当；第三平面透镜4C是个带孔的无磁不锈钢帽，它被固定在潘宁离子源上；第二平面透镜4B是个圆形的带孔不锈钢片，它被二个陶瓷环夹在中间，而陶瓷环又被第一和第三平面透镜同轴固定。第二平面透镜4B通过导线连到另一个高压绝缘子中心导线上，该导线穿过并固定在定位绝缘子4H中。离子源出射的离子的能量和方向难以用解析表达式给出，可以用monte-carlo方法模拟它们。靶12和加速电极5处在地电位，对地120KV的正电位加到离子源阴极和第三平面透镜4C上，相对阴极2000V的正电离电位加到阳极3D上，相对阴极约4000V的负电位加到第二平面透镜4B上，靶12的直径约10mm，从第三平面透镜4C到靶12的距离约为200mm，使用束流光学程序调整各平面透镜4A、4B、4C和加速电极5的孔径以及相互间的距离，可以得到满意的束流强度和中靶率。
不锈钢盖7A,Invar金属壳1C，下密封横盖1G和离子束流漂移管6A构成了一个接地的空腔，其内安装气体存储器7B和气体吸附器8，以避免带电粒子轰击它们。气体吸附器8的构造和气体存储器类似，只是在给存储器充氘氚混合气之后，它通过高温彻底去气。
环形α-探测器9是由一个完整α闪烁体9B和基体现9A以及若干个光电倍增管9D组成。闪烁体基体9A是漏斗形的玻璃罩，其外表面和内表面类似于一个完整的圆台外侧面或者一个正棱台的外侧面，α闪烁体9B制作在它的内表面上，参看图3。玻璃基体9A的细端与细的Invar合金管9C焊接，它的粗开口端与粗的Invar合金管10A焊接，10A的另一端口与底盖10D焊接形成靶室10。将细Invar合金管9C另一端与密封壳1上的离子束流漂移管6A的外端口同轴焊接，则形成一去气前的α中子管。异形光导9E用于得到良好的光学匹配。9E的一端与选用的光电倍增管匹配，另一端的端面呈玻璃基体9A外表面的一部分。装配光电倍增管在数量和类型方面都有灵活性，只要根据需要改换光导9E就可以了。
靶室内的α准直器11处在靶12与α-探测器组合9之间，它由若干个孔径不同的薄不锈钢圆环片按孔径大小顺序组合而成，内孔形成一个近似圆椎形的α粒子通道，予定立体角，内的伴随α粒子从靶射向α-探测器9，但是阻止其它被散射的α粒子射向α-探测器9。
采用常规工艺进行零部件清洁、去气，整体组装，整体排气，存储器充气和最后封口。该α-中子管的产额为107量级，满足使用的需要。与采用伴随粒子飞行时间技术的“碳/氧比能谱测井仪”配合使用，所测刻度用油井和水井的C/O比差值可达0.35以上(碳窗取3.17～4.65MeV，氧窗取4.68～6.43MeV)。
实施例2其结构如图4所示，本实施例除了一处之外与实施例1完全相同。该处是光电倍增管9D直接装配到玻璃基体9A的外表面上。光电倍增管9D有个斜的端面，可以通过多种方法与玻璃基体9A的外表面直接光学匹配，比如通过透明的硅橡胶等类似物质。
权利要求1．一种带整体环型α-探测器的测井用中子管，包括有有一个纵向中心轴线的密封外壳，潘宁离子源，离子束流引出和聚焦组合件，气体存储器，加速电极和靶，其中所说的潘宁离子源、离子束流引出和聚焦组合件、和加速电极顺所说的轴线同轴联接到所说的密封外壳上，所说的存储器固定在所说密封壳内的存储器室内；其特征在于还包括将所说的靶固定在其底盖内表面中心处的圆形靶室，将所说密封外壳与所说靶室纵向同轴连接的离子束流漂移管，处在所说离子束流漂移管和靶之间由若干个光电倍增管和一个带整体环形α闪烁体组成的伴随α粒子闪烁探测器，所说的带整体环形α闪烁体做在同时充当靶室上盖的刚性透明基体上，以及装在靶室内的α粒子准直器。
2．根据权利要求1所述的测井用中子管，其中所说的刚性透明基体是个内表面和外表面类似于圆台外测面或者棱台外侧面的漏斗状玻璃罩，所说漏斗状玻璃罩的细端和粗端被分别纵向同轴地焊到一根细Invar合金管和一根粗Invar合金管上，所说的粗合金管另一端与所说的靶室底盖焊在一起而形成靶室，所说的细Invar合金管的另一端与所说的密封壳1上离子束流漂移管外端口纵向同轴地焊在一起，所说的光电倍增管环绕所说的离子束流漂移管与所说的刚性透明基体组装在一起。
3．根据权利要求2所述的测井用中子管，其中所说的光电倍增管通过异型光导与所说的刚性透明基体的外表面实现光耦合。
4．根据权利要求2所述的测井用中子管，其中所说的光电倍增管通过一薄层透明介质与所说的刚性透明基体的外表面实现光耦合。
5．根据权利要求4所述的中子管，其中所说的光电倍增管有一个斜倾的光阴极端面。
6．根据权利要求1所述的测井用中子管，其特征在于还包括固定在所说密封壳1内的气体吸收器。
7．根据权利要求1或者权利要求6所述的测井用中子管，其中所说的α粒子准直器是由若干个孔径不同的薄金属圆环片按孔径大小顺序组合而成。
专利摘要本实用新型属于测井用中子发生装置结构设计领域，它包括密封外壳，离子源，离子束流引出聚焦组合件，气体存储器，加速电极和靶；其特点是还有α粒子准直器，靶室和带整体环形α－探测器；此外还设有气体吸收器。它可以与采用伴随粒子飞行时间技术的“碳/氧比能谱测井仪”配合使用，去除来自套管井物质的γ射线以及热中子俘获γ射线的不良影响，显著提高所测碳/氧化的精确度。
文档编号G01V5/04GK2337315SQ9821900
公开日1999年9月8日 申请日期1998年9月18日 优先权日1998年9月18日
发明者陈振鹏, 曲贤才, 徐四大, 李华章, 孙业英, 朱胜江, 赵京兰, 朱维斌, 邓景康 申请人:清华大学, 大庆石油管理局测井公司