帶整體環型α－探測器的測井用中子管的製作方法

2023-12-11 17:39:02 1

專利名稱：帶整體環型α－探測器的測井用中子管的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於測井用中子發生裝置結構設計領域，特別涉及一種可與採用伴隨粒子飛行時間技術的「碳/氧比能譜測井儀」結合使用以滿足測井特殊要求的密封中子管結構的改良。
在核碳/氧比(C/O)測井儀中，密封中子管(下面簡稱中子管)被用來通過核反應d+t→α+n提供14MeV的快中子。現有的普通中子管一般是由高壓電極、密封殼、潘寧離子源、氣體存儲器、加速電極和靶(氚靶或自成靶)構成。用14MeV的中子轟擊井下礦層，產生碳和氧的非彈感生γ射線(分別為4.43和6.13MeV)，通過測量這個γ譜，在理想條件下，可以得到礦層的原子碳/氧比及含油飽和度。但是，採用普通中子管的測井儀(下面簡稱普通測井儀)所測得的C/O帶有很大的誤差，它主要是由含有大量C、O、Sl和Ca的套管井物質引起的，從套管井物質發出的γ射線對所測非彈γ譜構成很大的本底。此外熱中子俘獲γ對非彈γ譜也構成本底。這些本底對所測C/O值產生不良影響。雖然普通測井儀在不斷改進，但是一直未能解決這個問題。
由本申請人提出的中國專利(申請號93109244.2)公布了一種採用伴隨粒子飛行時間技術的「碳/氧比能譜測井儀」(下面簡稱「新型測井儀」)。該新型測井儀是由帶α信號獲取裝置的中子管(下面簡稱「α-中子管」)，快定時電子學部件，BaF2γ-探測器以及其它在普通測井儀中常用的設備組成。該新型測井儀從整體方案上能夠很好克服上述本底，可顯著提高所測C/O比的精確度。
但是上述專利對該新型測井儀的關鍵部件α-中子管的具體結構沒有詳細記載，也沒有涉及所說伴隨α信號獲取裝置以及與之相關的小α-探測器的具體設計和製作原則。
另外一個中國專利(公開號CN2264332Y)公開了一種帶α-閃爍體的測井用中子管，其結構是將一個α-閃爍體焊接在靶頭和一個沒有靶頭的普通中子管之間，α-閃爍體是用一段玻璃管，將磷光物質ZnS塗抹在其內表面上做成的。但是該專利沒有提及如何在所公開的α-閃爍體上裝配光電倍增管去構成一個實際可用的α-探測器。事實上，該種α-閃爍體基體周圍沒有所需要的空間去裝配合適的光電倍增管。
本申請人提出的另一中國專利(申請號98100264.1)公開了一種α-中子管結構，它可以和上述新型測井儀配合使用去滿足測井的特殊要求。其中α信號獲取裝置由多個小α-探測器環繞離子束流組成，小α-探測器由玻璃光導和Invar合金管焊接構成。這種裝置的不足之處是，結構較複雜，製作工藝較困難，中子管內部材料很多，容易在中子管存放和使用期間釋放很多雜質氣體，可使中子管的使用壽命縮短。
此外，現有α-中子管都存在這樣的問題，就是在存放和使用期間，內部高真空要不可避免地受到漏氣和內部器件放氣的危害，因此縮短了它的使用壽命。
本實用新型的目的是為克服已有技術的不足之處，提供一種新型的測井用中子管，其中α信號獲取裝置是個整體環型α-探測器。它不但可以和上述新型測井儀配合使用去滿足測井的特殊要求，可以去除來自套管井物質的γ射線和熱中子俘獲γ的有害影響，顯著提高所測C/O值的精確性；而且具有結構簡單，內部材料少，製作工藝較容易，特別是裝配光電倍增管有靈活性等優點。進一步，它還能夠吸收自身在存放和使用期間的漏氣和內部放氣，延長中子管的使用壽命。
本實用新型提出一種帶整體環型α-探測器的測井用中子管，包括有有一個縱向中心軸線的密封外殼，潘寧離子源，離子束流引出和聚焦組合件，氣體存儲器，加速電極和靶，其中所說的潘寧離子源、離子束流引出和聚焦組合件、和加速電極順所說的軸線同軸聯接到所說的密封外殼上，所說的存儲器固定在所說密封殼內的存儲器室內；其特徵在於還包括將所說的靶固定在其底蓋內表面中心處的圓形靶室，將所說密封外殼與所說靶室縱向同軸連接的離子束流漂移管，處在所說離子束流漂移管和靶之間由若干個光電倍增管和一個帶整體環形α閃爍體組成的伴隨α粒子閃爍探測器，所說的帶整體環形α閃爍體設置在同時充當靶室上蓋的剛性透明基體上，以及裝在靶室內的α粒子準直器。
所說的剛性透明基體可以是個內表面和外表面類似於圓臺外測面或者稜台外側面的漏鬥狀玻璃罩，所說漏鬥狀玻璃罩的細端和粗端被分別縱向同軸地焊到一根細Invar合金管和一根粗Invar合金管上，所說的粗合金管另一端與所說的靶室底蓋焊在一起而形成靶室，所說的細Invar合金管的另一端與所說的密封殼上離子束流漂移管外埠縱向同軸地焊在一起，所說的光電倍增管環繞所說的離子束流漂移管與所說的剛性透明基體組裝在一起。其中所說的光電倍增管可通過異型光導與所說的剛性透明基體的外表面實現光耦合；還可通過一薄層透明介質與所說的剛性透明基體的外表面實現光耦合。所說的光電倍增管可有一個斜傾的光陰極端面。
本實用新型還可包括固定在所說密封殼內的氣體吸收器。其中所說的α粒子準直器可由若干個孔徑不同的薄金屬圓環片按孔徑大小順序組合而成。
本實用新型是遵循以下原則設計的即一個完整的α-探測器包括閃爍體、光導(如果需要的話)、光電倍增管組合件。α-中子管中合格的α-探測器應該具有的性能包括1．滿意的幾何特性，即有足夠廣的接受伴隨α粒子的立體角；能夠從測量礦區排除掉套管井物質；所確定的最佳測量礦區處在γ-探測器的鄰近周圍；整體結構適用於井下特殊的空間。
2．滿意的信號特性，即，輸出信號具有足夠高的幅度以抗除噪聲和其它幹擾；有足夠快的上升時間以減少定時的不確定性；能夠提供滿意的中子飛行時間等值面。
3．可靠的製作工藝可行性，α-中子管中的α閃爍體是個薄層物質，它需要剛性透明物體作為基體。它的製作工藝是澱積約9μ厚的無機磷光體(比如，ZnS,ZnO)在選定的基體表面上；再依次覆蓋極薄的有機薄膜Al膜，然後加熱去除有機膜，最後蒸上一層約1μ厚的Al膜用以保護磷光體免受散射d的轟擊。閃爍磷光體和保護Al膜簡稱α-閃爍體。
該製作工藝需要基體有開放型的表面，比如平面，張角很大的空的環形體的內表面。如果基體採用玻璃管，則很難製作出合格的α閃爍體。α-閃爍體一定要有足夠大的面積和滿意的接收α的立體角。光電倍增管的光陰極面積應儘可能接近α-閃爍體的面積。α-中子管中，每個光電倍增管承受的計數率可達到2×105cps到3×105cps。這樣高的計數率要求光陰極要足夠大，直徑約要大於20mm。要想使光電倍增管輸出幅度足夠高的信號，光電倍增管要有足夠多的打拿極，這要求光電倍增管要有相當的長度，比如大於50mm。根據上述要求和現有的製作高溫光電倍增管的工藝，適當的可以得到的光電倍增管組合要大於φ24×60mm。
參看

圖1，最佳測量礦區的大小和位置取決於靶到γ閃爍體中心的距離S(通常S大於350mm)，套管井的外徑W(通常約200mm)，可以探測到的礦區厚度F。α-探測器的幾何特性取決於外徑D，內徑d，閃爍體高度H，靶直徑t1，以及α閃爍體面到靶心的平均距離L。
如果α閃爍體有三個幾何自由度(如D,d和H)，通過調整它們以及L容易得到滿意的幾何特性。比如它的形狀象一個圓臺的外測面。如果α閃爍體只有2個或更少的自由度，則難以得到滿意的幾何特性。比如它是個圓玻璃管，在這種情況下，當d和H都較小時，可以得到較大的接受α立體角，但是所選定的礦區遠離γ-探測器。當源矩S取350mm，套管井直徑為200mm時，要想得到滿意的幾何特性，則直徑d必須大於50mm，測井儀耐高壓殼內徑一般小於90mm，因此在圓管形閃爍體之外沒有足夠大的空間裝配光電倍增管。
由於要裝配容納α-探測器的靶室以及光電倍增管，致使α-中子管中離子束流輸送長度遠大於普通中子管中的同類值，它的構造和普通中子管將有很大差別。
本實用新型不但可以和上述新型測井儀配合使用去滿足測井的特殊要求，可以去除來自套管井物質的γ射線和熱中子俘獲γ的有害影響，顯著提高所測C/O值的精確性；而且具有結構簡單，內部材料少，製作工藝較容易，特別是裝配光電倍增管有靈活性等優點。進一步，它還能夠吸收自身在存放和使用期間的漏氣和內部放氣，延長中子管的使用壽命。所測刻度用油井和水井的C/O比差值可達0.35以上(碳窗取3.17～4.65MeV，氧窗取4.68～6.43MeV)。
附圖簡要說明圖1為本實用新型α閃爍體和套管井幾何參數的示意圖。
圖2為本實用新型實施例1的α中子管結構的縱向剖視圖。
圖3為圖2中的α-中子管F-F處橫向剖視圖，顯示伴隨α探測器的α閃爍體為完整的環形的示意圖。
圖4為本實用新型實施例2的α-中子管靶室部分縱向剖視圖。
本實用新型設計的二種帶整體環型α-探測器的測井用中子管實施例如圖2～圖4所示。結合附圖分別詳細說明如下實施例1，其結構如圖2所示，密封抽氣管1A，密封絕緣子1B,Invar合金管1C，密封橫蓋1D，玻璃或陶瓷管1E，密封絕緣子1F,Invar合金管1G，密封橫蓋1H，離子束流漂移管6A，被密封接合在一起形成密封殼1，它的縱向中心軸線將是整個中子管的縱向中心軸線(以後簡稱軸線)。磁鐵路組合件3A，永久磁鋼環3B、3F陰極3C,3E和陽極3D結合在一起形成潘寧離子源3。潘寧離子源3通過連接件2同軸剛性裝配到密封殼1上，陽極3D通過導體棒接到密封絕緣子1B中心導線上，該導體棒穿過並固定在絕緣子3G中。
在潘寧離子源3和加速電極5之間與密封管1同軸裝置了一個離子引出和聚焦組合件，該組合件是由幾個平面透鏡沿密封管的軸線順序設置而成。本實施例採用三個平面透鏡。第一平面透鏡4A由離子源帶孔底蓋充當；第三平面透鏡4C是個帶孔的無磁不鏽鋼帽，它被固定在潘寧離子源上；第二平面透鏡4B是個圓形的帶孔不鏽鋼片，它被二個陶瓷環夾在中間，而陶瓷環又被第一和第三平面透鏡同軸固定。第二平面透鏡4B通過導線連到另一個高壓絕緣子中心導線上，該導線穿過並固定在定位絕緣子4H中。離子源出射的離子的能量和方向難以用解析表達式給出，可以用monte-carlo方法模擬它們。靶12和加速電極5處在地電位，對地120KV的正電位加到離子源陰極和第三平面透鏡4C上，相對陰極2000V的正電離電位加到陽極3D上，相對陰極約4000V的負電位加到第二平面透鏡4B上，靶12的直徑約10mm，從第三平面透鏡4C到靶12的距離約為200mm，使用束流光學程序調整各平面透鏡4A、4B、4C和加速電極5的孔徑以及相互間的距離，可以得到滿意的束流強度和中靶率。
不鏽鋼蓋7A,Invar金屬殼1C，下密封橫蓋1G和離子束流漂移管6A構成了一個接地的空腔，其內安裝氣體存儲器7B和氣體吸附器8，以避免帶電粒子轟擊它們。氣體吸附器8的構造和氣體存儲器類似，只是在給存儲器充氘氚混合氣之後，它通過高溫徹底去氣。
環形α-探測器9是由一個完整α閃爍體9B和基體現9A以及若干個光電倍增管9D組成。閃爍體基體9A是漏鬥形的玻璃罩，其外表面和內表面類似於一個完整的圓臺外側面或者一個正稜台的外側面，α閃爍體9B製作在它的內表面上，參看圖3。玻璃基體9A的細端與細的Invar合金管9C焊接，它的粗開口端與粗的Invar合金管10A焊接，10A的另一埠與底蓋10D焊接形成靶室10。將細Invar合金管9C另一端與密封殼1上的離子束流漂移管6A的外埠同軸焊接，則形成一去氣前的α中子管。異形光導9E用於得到良好的光學匹配。9E的一端與選用的光電倍增管匹配，另一端的端面呈玻璃基體9A外表面的一部分。裝配光電倍增管在數量和類型方面都有靈活性，只要根據需要改換光導9E就可以了。
靶室內的α準直器11處在靶12與α-探測器組合9之間，它由若干個孔徑不同的薄不鏽鋼圓環片按孔徑大小順序組合而成，內孔形成一個近似圓椎形的α粒子通道，予定立體角，內的伴隨α粒子從靶射向α-探測器9，但是阻止其它被散射的α粒子射向α-探測器9。
採用常規工藝進行零部件清潔、去氣，整體組裝，整體排氣，存儲器充氣和最後封口。該α-中子管的產額為107量級，滿足使用的需要。與採用伴隨粒子飛行時間技術的「碳/氧比能譜測井儀」配合使用，所測刻度用油井和水井的C/O比差值可達0.35以上(碳窗取3.17～4.65MeV，氧窗取4.68～6.43MeV)。
實施例2其結構如圖4所示，本實施例除了一處之外與實施例1完全相同。該處是光電倍增管9D直接裝配到玻璃基體9A的外表面上。光電倍增管9D有個斜的端面，可以通過多種方法與玻璃基體9A的外表面直接光學匹配，比如通過透明的矽橡膠等類似物質。
權利要求1．一種帶整體環型α-探測器的測井用中子管，包括有有一個縱向中心軸線的密封外殼，潘寧離子源，離子束流引出和聚焦組合件，氣體存儲器，加速電極和靶，其中所說的潘寧離子源、離子束流引出和聚焦組合件、和加速電極順所說的軸線同軸聯接到所說的密封外殼上，所說的存儲器固定在所說密封殼內的存儲器室內；其特徵在於還包括將所說的靶固定在其底蓋內表面中心處的圓形靶室，將所說密封外殼與所說靶室縱向同軸連接的離子束流漂移管，處在所說離子束流漂移管和靶之間由若干個光電倍增管和一個帶整體環形α閃爍體組成的伴隨α粒子閃爍探測器，所說的帶整體環形α閃爍體做在同時充當靶室上蓋的剛性透明基體上，以及裝在靶室內的α粒子準直器。
2．根據權利要求1所述的測井用中子管，其中所說的剛性透明基體是個內表面和外表面類似於圓臺外測面或者稜台外側面的漏鬥狀玻璃罩，所說漏鬥狀玻璃罩的細端和粗端被分別縱向同軸地焊到一根細Invar合金管和一根粗Invar合金管上，所說的粗合金管另一端與所說的靶室底蓋焊在一起而形成靶室，所說的細Invar合金管的另一端與所說的密封殼1上離子束流漂移管外埠縱向同軸地焊在一起，所說的光電倍增管環繞所說的離子束流漂移管與所說的剛性透明基體組裝在一起。
3．根據權利要求2所述的測井用中子管，其中所說的光電倍增管通過異型光導與所說的剛性透明基體的外表面實現光耦合。
4．根據權利要求2所述的測井用中子管，其中所說的光電倍增管通過一薄層透明介質與所說的剛性透明基體的外表面實現光耦合。
5．根據權利要求4所述的中子管，其中所說的光電倍增管有一個斜傾的光陰極端面。
6．根據權利要求1所述的測井用中子管，其特徵在於還包括固定在所說密封殼1內的氣體吸收器。
7．根據權利要求1或者權利要求6所述的測井用中子管，其中所說的α粒子準直器是由若干個孔徑不同的薄金屬圓環片按孔徑大小順序組合而成。
專利摘要本實用新型屬於測井用中子發生裝置結構設計領域，它包括密封外殼，離子源，離子束流引出聚焦組合件，氣體存儲器，加速電極和靶；其特點是還有α粒子準直器，靶室和帶整體環形α－探測器；此外還設有氣體吸收器。它可以與採用伴隨粒子飛行時間技術的「碳/氧比能譜測井儀」配合使用，去除來自套管井物質的γ射線以及熱中子俘獲γ射線的不良影響，顯著提高所測碳/氧化的精確度。
文檔編號G01V5/04GK2337315SQ9821900
公開日1999年9月8日 申請日期1998年9月18日 優先權日1998年9月18日
發明者陳振鵬, 曲賢才, 徐四大, 李華章, 孫業英, 朱勝江, 趙京蘭, 朱維斌, 鄧景康 申請人:清華大學, 大慶石油管理局測井公司