用于井下测量的高压发生装置的制作方法

本实用新型涉及一种在需要超高压情况下使用的高压发生装置。更具体地说，本实用新型涉及一种用在井下测量情况下的高压发生装置。

背景技术：

高压发生装置是一种将AC转换为DC的装置，其通常包括AC电源以及与其连接的倍压电路，其可应用于可控中子发生器等需要超高压的领域。

在通过可控中子源对井下进行测试时，高压倍压装置给中子管提供稳定的-100KV超高压，以在中子管内部形成高压电场，离子经电场加速后进行轰靶。而由于井下仪器的特点，高压倍压装置通常设计成管状柱结构。

目前为中子管提供100KV的电路一般是Cockroft-Walton串联形式的倍压电路，如图1所示，其包括电容和二极管，输入端为变压器，它提供高达 5-8KVAC信号，工作在半波方式的倍压电路通过多级串联，将AC信号转换为高压直流电压信号输出。这种电路被广泛用于测井设备中，但其也存在如下缺点：

首先，传统的高压倍压电路都是采用串联电路，由于电路拓扑结构的特点，在高温环境下(150度以上)，输出的电压会有很大的跌落电压和纹波电压(与级数的平方或立方值成正比)。所用的高温高压器件，虽然是货架标品，但由于是极限环境下使用，可靠性要求极高，成本很高，且在150℃高压倍压电路可稳定工作，而当温度高过150℃后，电路中的高压电容和二极管，漏电流会随温度呈现指数级的增加，不仅降低了输出电压，而且大大加重了前级的驱动电路的负载，降低了在更高温度，更深的地层使用的可靠性。

其次，使用Cockroft-Walton串联形式电路的级数也受到限制，原因是输出电压跌落值和纹波电压值随级数增加，具体来说，测井用中子管工作一般工作在1K-10K Hz脉冲状态下，即是说，倍压电路的负载不断在开路和全负载切换状态中。这种状态切换使得在中子管导通瞬间，倍压电路的输出电压产生电压跌落，跌落电压值与倍压级数的立方，电容值，输入AC频率，输出DC电流值即导通时的靶流相关，其关系可公式(1)可得出：

(其中，V_reg为跌落电压，N为级数(1个电容+1个二极管＝1级)，f为输入AC频率(Hz)，C为电容值(F)，I为DC输出电流(A)。

举例来计算：计算18级倍压器，1000pF电容，5KHz输入频率，120uA 输出电流，100KV的直流输出电压，将其导入以上公式，可得出V_reg＝13.14KV：也就是说在导通瞬间，100KV的输出电压会跌落至13.14KV，而跌落电压会严重影响中子产额，对数据统计的非弹谱和总谱带来误差。

另外就是高压输出时产生的纹波，这个噪声电压会影响中子管内离子加速速度。同样的，纹波的数值与串联倍压电路的级数的平方成正比，如公式 (2)所示：

V_Rip＝I(N²+N/2)/8fC

其中，V_RiP为纹波电压，N为级数(1个电容+1个二极管＝1级)，f为输入AC频率(Hz)，C为电容值(F)，I为DC输出电流(A)。

研究发现半导体二极管使用在150℃的温度上后，其耐受反向电压下降，漏电流增加。然而，如果二极管工作在较低的电压时，可以在175℃，甚至更高温度下正常工作。这样，如果能将加在二极管的电压降低，整个倍压装置就可以工作在175℃以上。通过增加倍压级数，则加在二极管上的反向电压就会下降。然而，如前所述，增加级数会导致跌落电压和纹波电压呈指数级增加。

2003年，Karthaus和Fischer提出一种改进型的Cockcroft-walton倍压电路，称为Karthaus-Fischer电路，如图2所示，简称并联方式的倍压电路。当使用并联拓扑结构的倍压器，输出电压的跌落与倍压级数呈正比关系，纹波电压只与电容值有关，与级数无关。因此，可通过更多的倍压级数来获得高压DC输出，而无需担心严重的电压跌落和纹波，其关系可由公式(3) 来表示：

V_Reg＝IN/fC

其优点在于，并联拓扑结构的倍压电路具有更高的效率，每级的二极管承受的电压相同，可通过增加级数的方式来降低加在每级二极管的反向电压，即并联倍压电路，可通过增加倍压级数，降低了对二极管耐压要求，这样同时可以大大降低二极管的成本，但对高压电容提出了更苛刻的要求。故其存在的问题是电容的耐压值随每级增加，输出端的电容需要承受100KV以上的电压，在一个35mm内径的金属筒内，耐压值达到100KV的商业标准的陶瓷或云母电容的体积均无法满足这样的要求，故虽然提出了并联方式的倍压电路，却因电容的原因无法实际将电路做小到以容纳在35mm内径的金属筒内，故无法在对体积要求极为严格的测井仪器中实现并联的倍压电路。

技术实现要素：

本实用新型的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本实用新型还有一个目的是提供一种用于井下测量的高压发生装置，其将倍压电路采用新型的并联倍压电路，可通过增加倍压级数，降低了对二极管耐压要求，使得高压倍压电路结构，输出电压的指标，如跌落电压和纹波电压均有明显的改善，仅与级数成正比；同时通过采用了具有二级电容的圆筒式电容，在满足其耐压值的情况下，其可体积大幅度减小，且成本大幅度降低，性能更加稳定。

为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了一种用于井下测量的高压发生装置，包括：AC电源以及与其连接的倍压电路；

其中，所述倍压电路被配置为采用并联方式的倍压电路，且所述倍压电路中的电容被配置为采用具有接地和AC电源接入两级电容的圆筒式电容。

优选的是，其中，所述圆筒式电容包括呈套设结构的内金属管、外金属管；

其中，所述圆筒式电容的两级电容分别包括内金属管、外金属管以及其它相配合介质构成的内壁电容、外壁电容；

所述内壁电容构成并联方式倍压电路中接地的多个并联接地电容；

所述外壁电容构成并联方式倍压电路中AC电源输出的多个并联接入电容。

优选的是，其中，两两相邻的内壁电容通过设置在内金属管、外金属管之间的多个空心圆柱环以间隔开来；

其中，所述空心圆柱环的壁厚被配置为13mm。

优选的是，其中，所述空心圆柱环的材料被配置为采用聚酰亚胺；

所述空心圆柱环的周向上开设有多个气孔，相邻的两个空心圆柱环的气孔被配置为在空间上一一对应，以在空间上构成多个可供高压六氟化硫气体流通的气道。

优选的是，其中，所述内壁电容包括：

由内金属管的外壁构成的第一极板；

缠绕在内金属管外壁上的第一绝缘层；

包裹在第一绝缘层外，具有一预设宽度且间隔预设距离的多个金属膜，以构成内壁电容的第二极板；

其中，所述内金属管的外径被配置为12mm；

所述第一绝缘层被配置为采用25um厚的聚酰亚胺膜缠绕20层以构成；

各所述金属膜宽度被配置为35mm。

优选的是，其中，在电压的输出方向上，所述第一绝缘层的长度被配置为超出内金属管一预设长度。

优选的是，其中，所述外壁电容包括：

由外金属管的内壁构成的第三极板；

涂覆在内金属管内壁上的第二绝缘层；

涂覆在各空心圆柱环多个金属膜，以构成外壁电容的第四极板；

其中，所述第二绝缘层的厚度被配置为0.5mm.

优选的是，其中，所述倍压电路的级数被配置为24级，以在输出-100KV 电压时倍压电路中串联的各二级管的耐压值小于5KV。

优选的是，其中，所述AC电源的AC信号通过一连接件进而接入倍压电路中的外金属管。

优选的是，其中，所述倍压电路的外金属管内壁上设置有螺纹，以通过与所述螺纹相配合的绝缘柱与中子管连接。

本实用新型至少包括以下有益效果：其一，本实用新型采用并联拓扑的倍压电路，可以采用比串联方式更多的级数，而不会带来明显的电压跌落和纹波效应，同时减少了每级二极管的电压，且在温度超过150℃的情况下，可有效的减小反向的泄露电流带来的功率损耗和发热效果；同时由于引入的圆筒式电容，其因电容结构的设置，在充分利用了倍压器的内部空间，使其能做到现有串联倍压电路的大小的同时，其性能更加稳定，成本大幅度降低，仅为现有倍压电路结构成本的1/2。

其二，本实用新型利用圆筒式电容中内金属筒与外金属筒的结构与其它介质构成多个并联的内壁电容、外壁电容，代替已有倍压电路中的单个的电容，具有可实施效果好，成本可控，稳定性好的效果。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为现有技术中串联式倍压电路的示意图；

图2为现有技术中并联式倍压电路的示意图；

图3为本实用新型的用于井下测量的高压发生装置中并联倍压电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图3示出了根据本实用新型的一种用于井下测量的高压发生装置的实现形式，包括AC电源(未示出)以及与其连接的倍压电路；

其中，所述倍压电路被配置为采用并联方式的倍压电路1，并联方式的倍压电路结构如图2所示，且所述倍压电路中的电容被配置为采用具有接地和AC电源接入两级电容的圆筒式电容2，其被配置为直径小于或等于35mm，其相对于现有技术而言，本发明通过一个圆筒式电容将原有电路中多个串联或并联的单个电容，修改成一个整体的两级电容。采用这种方案的电容结构相对于现有的串联或并联多个电容来说，其体积可以做到与现有的串联倍压电路一致，但效果与并联倍压电路一致，具体来说就是新型的高压倍压电路结构，输出电压的指标，如跌落电压和纹波电压相对于串联倍压电路而言均有明显的改善，仅与级数成正比；同时因电容结构的设置，使得其成本大降低，仅为现有倍压电路结构成本的1/2，具有可实施效果好，稳定性强，成本可控的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本实用新型时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

如图3所示，在另一种实例中，所述圆筒式电容包括呈套设结构的内金属管3、外金属管4；

其中，所述圆筒式电容的两级电容分别包括内金属管、外金属管以及其它相配合介质构成的内壁电容5、外壁电容6；

所述内壁电容构成并联方式倍压电路中接地的多个并联接地电容7；

所述外壁电容构成并联方式倍压电路中AC电源输出的多个并联接入电容8，各所述接地电容与接入电容呈间隔排布，且多个并联接地电容与多个接入并联电容通过一串联的多个二级管9进而电连接，以构成与图2无异的并联倍压电路。采用这种方案通过对圆筒式电容中内金属管及外金属管的利用，在一个圆筒式电容内就可以包含多个并联接地电容及并联接入电容，提出了一种可实现的并联倍压电路的结构，具有可实施效果好，体积小，成本可控性强的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本实用新型时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

如图3所示，在另一种实例中，两两相邻的内壁电容通过设置在内金属管、外金属管之间的多个空心圆柱环10以间隔开来，其可以在内金属管、外金属管之间起到支撑固定作用，同时可将相邻的两个接地电容间隔开来，以构成如图2所示的并联倍压电路；

其中，所述空心圆柱环的壁厚被配置为13mm，其作用在于使得圆筒式电容的直径大小可控，且空心圆柱环的圆柱体宽设置为约13mm，由此形成的高压电容容值为10pF，可耐压100KV。采用这种方案具有可实施效果好，可操作性强，可控性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本实用新型时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

如图3所示，在另一种实例中，所述空心圆柱环的材料被配置为采用聚酰亚胺；

所述空心圆柱环的周向上开设有多个气孔11，相邻的两个空心圆柱环的气孔被配置为在空间上一一对应，以在空间上构成多个可供高压六氟化硫气体流通的气道12。采用这种方案空心圆柱环采用在聚酰亚胺做成，以保证其耐高压的效果，且在空心圆柱环的环壁上开一些气孔，向其内灌入的高压六氟化硫(SF6)气体可以经这些气孔到达各级高压，起到高压绝缘和灭弧的作用，具有可实施效果好，可控性强，稳定性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本实用新型时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

如图3所示，在另一种实例中，所述内壁电容包括：

由内金属管的外壁构成的第一极板；

缠绕在内金属管外壁上的第一绝缘层13；

包裹在第一绝缘层外，具有一预设宽度且间隔预设距离的多个金属膜14，以构成内壁电容的第二极板；

其中，所述内金属管的外径被配置为12mm；

所述第一绝缘层被配置为采用25um厚的聚酰亚胺膜缠绕20层以构成，如第一绝缘层采用dupont公司的Kapton胶带进行缠绕，其具有高温性能稳定，介电常数稳定3.4，且25um厚度胶带，单层可承受电压6KV，在缠绕20 层后，厚度约0.5mm，可承受110KV的电压；

各所述金属膜宽度被配置为35mm。采用这种方案的内壁电容由中心金属导体，厚0.5mm聚酰亚胺膜，外层金属膜组成，其覆铜的金属膜可由柔性电路板FPC腐蚀后形成宽度35mm的覆铜层，包裹在聚酰亚胺膜外，根据圆筒式电容计算方法，电容值约在10pF，具有可靠性好，可实施效果好，稳定性强的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本实用新型时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

如图3所示，在另一种实例中，在电压的输出方向上，所述第一绝缘层的长度被配置为超出内金属管一预设长度。采用这种方案在100KV末端，缠绕的聚酰亚胺层需要伸出铜管边缘一预设长度，如大约3cm，能防止高压的边缘效应，具有可靠性性强，适应性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本实用新型时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

如图3所示，在另一种实例中，所述外壁电容包括：

由外金属管的内壁构成的第三极板；

涂覆在内金属管内壁上的第二绝缘层15；

涂覆在各空心圆柱环多个金属膜16，以构成外壁电容的第四极板；

其中，所述第二绝缘层的厚度被配置为0.5mm。采用这种方案在聚酰亚胺(PAI)材料加工的空心圆柱环的外环面覆铜，形成外壁电容的一个极板，另一极板可直接利用外部金属承压筒的内壁，中心介质同样是可采用贴覆 Kapton聚酰亚胺膜形成的0.5mm绝缘层，以达到如内壁内容一致性能参数，如高温性能稳定，介电常数稳定3.4，且25um厚度胶带，单层可承受电压6KV，在缠绕20层后，厚度约0.5mm，可承受110KV的电压，具有可实施效果好，可靠性强的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本实用新型时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

在另一种实例中，所述倍压电路的级数被配置为24级，以在输出-100KV 电压时倍压电路中串联的各二级管的耐压值小于5KV。采用这种方案为达到 -100KV的输出，倍压级数可采用24级。不仅降低了二极管耐压值<5KV，同时使输入端AC信号峰峰值降低，便于缩小变压器体积，大大有利于减少倍压级的长度的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本实用新型时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

在另一种实例中，所述AC电源的AC信号通过一连接件(未示出)进而接入倍压电路中的外金属管。采用这种方案在倍压前端，AC信号通过连接件接入铜管，具操作简单，易于实现的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本实用新型时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

在另一种实例中，所述倍压电路的外金属管内壁上设置有螺纹(未示出)，以通过与所述螺纹相配合的绝缘柱(未示出)与中子管(未示出)连接。采用这种方案在末端铜管内壁加工螺纹，由高绝缘材料做的圆柱体连接，作为与中子管等器件的连接件，绝缘材料可以是聚酰亚胺等高阻材料，具有稳定性好，操作简单，易于实现的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本实用新型时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本实用新型的说明的。对本实用新型的用于井下测量的高压发生装置的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。