DE3020583A1 - Schaltung zum liefern hoher spannungsimpulse - Google Patents
Schaltung zum liefern hoher spannungsimpulseInfo
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Description
Schaltung zum Liefern hoher Spannungsimpulse
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zum Erzeugen von Hochßpannungsimpulsen im allgemeinen und auf eine Vorrichtung
zum Erzeugen solcher Impulse aus einem Spannungsvervielfacher, der von einer abgestimmten Rückflußtransformatorschaltung
betrieben wird, im besonderen.
Es ist bekannt, daß Öl und Gas in kommerziellen Mengen aus Formationen einer verhältnismäßig porösen Art wahrscheinlicher
erschlossen werden, als aus solchen Formationen, die weniger durchlässig sind. Es ist in der
Industrie auch bekannt, daß öl-und gaserzeugende Formationen
durch Führen einer Pulsierten Neutronenquelle durch ein Bohrloch und durch Messen einer sekundären
Gammastrahlung lokalisiert werden können, die aus der Neutronenbestrahlung der das Bohrloch umgebenden Formationen
entsteht. Ein solches Verfahren des Neutronen-Gammastrahlen-AusmeBsens ist als Kohlenstoff- Sauerstoff-Ausmessen
bekannt.
Beia Kohlenstoff-Sauerstoff-Ausmeesen dieser Art wird
eine pulsierte Neutronenquelle bei einer sehr hohen Wiederholungsrate pulsiert und das unelastische Gammastrahlenenergiespektrum,
das sich aus dem Formationsborbadement durch schnelle Neutronen ergibt, wird analysiert. Ein
solches Leistungsverfahren verwendet einen elektrostatischen Bandgenerator, z.B. einen Van de Graaff-Generator,
während das aweite Energieliefereystea eine SCR-Impulsschaltung
gebraucht, die mit einem Spannungsvervielfacher kombiniert ist, der die gewünschten Potentiale
erzeugt.
- 4. ~ 0 30049/0939
Bei einem elektrostatischen Bandgenerator, wie einem Van de Graaff-Generator, wird ein elektrisch isoliertes Band
von zwei voneinander entfernt angeordneten Rollen angetrieben. An das Band neben einer Rolle werden elektrische
Ladungen einer Polarität angelegt. An der anderen Rolle werden die Ladungen vom Bqnd an einem Punkt an
einer Hochspannungsklemme abgenommen, an der sie gesammelt sind, um die verlangte hohe Spannung zu entwickeln
und zu halten. Bei solchen Generatoren treten viele Probleme auf, insbesondere beim Gebrauch in Unteroberflächeninstrumenten,
wie sie beim nuklearen Bohrlochausmessen verwendet werden.Elektromechanisch^ Generatoren nach
Van de Graaff leiden an übermäßigem Motorgeräusch und Funkenbildung, was die Leistung der Ionenquelle beeinflussen
kann. Ferner liefern diese Generatoren keine konstante Leistung und halten eine thermische oder
physikalische Fehlbehandlung nur begrenzt aus. Diese Schwierigkeiten haben die Leistungsfähigkeit der Verwendung
solcher Generatoren beim Bohrlochausmessen stark eingeschräkt.
Wie festgestellt, verwendet eine pulsierte Energielieferanlage, die beim radioaktoven Ausmessen benutzt wird,
eine SCR-Impulsschaltung, um einen Spaiuuingsvervielfacherstrang
zu speisen. Bei dieser Anlage, wie sie z.B. in der amerikanischen Patentschrift 3.714.468 beschrieben wird,
triggert ein Einverbindungsoszillator einen SCR und erzeugt
dadurch mit einem Spannungsvervielfacher einen Spannungsimpuls, der über einen Transformator gekoppelt
ist, der an einer Ionenquelle liegt. Während eine Quelle dieser Art bei verhältnismäßig niedrigen Frequenzen, beispielsweise
bei 1 kHz gut arbeitet, tut sie dies nicht bei höherer Impulsgeschwindigkeit, die für die Spektralanalyse
unter Verwendung des sogenannten Kohlenstoff-
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ausmeßinstruments erforderlich ist. Ferner verlangt diese
Energielieferanlage eine zusätzliche negative Spannungsquelle zum Liefern des am Gitter der Ionenquelle notwendigen
negativen Potentials.
Die Erfindung überwindet diese Mangel der "bisherigen
Technik durch eine Schaltung zum Erzeugen von Hochspannungsimpulsen mit hoher Wiederholungsrate zur Verwendung beim
Speisen einer Ionenquelle und ferner zum Liefern des negativen Gitterspannungspotentials aus derselben Quelle
und eines Leitsignals zum Synchronisieren des Detektors des Radioaktivitätsinstruments.
Eine Rechtecktaktschwingung wird an die Basis eines
Transistors gelegt und dort umgeformt. An die Basis eines zweiten Transistors wird das sich ergebende Ausgangssignal
transformatorgekoppelt. Wenn der zweite Transistor leitet, fließt Strom durch die Primärwicklung eines
Rückflußtransformators. Dieser ansteigende Stromfluß ergibt eine negative Spannung, die in der Primärwicklung
des Transformators induziert wirdo Während des Rückflusses
erfolgt ein rascher Stromabfall durch die Primärwicklung, der eine hohe positive Spannung induziert.
Die in der Primärwicklung des Rückflußtransformators induzierten Spannungen werden vom Transformator im Potential
" nach oben abgestuft. Der negative Teil des Signals wird gleichgerichtet, reguliert und auf das Gitter der
Beschleunigerröhre gebracht. Der positive Spannungsimpuls wird in einen Spannungsvervielfacher gekoppelt,
dessen Ausgang zwischen der Anode der Ionenquelle und der Kathode der Ionenquelle liegt und liefert schnelle
■Neutronen, die sich bei hohen Wiederholungsraten aus
der D-T-Reaktion ergeben. Ferner wird ein Signal vom
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Kollektor des Rüclflußtreibertransistors entfernt, der zum Steuern des Durchschaltens des Detektors im Radioaktivitätsausmeßinstrument
benutzt wird. Dieses Signal gewährleistet die richtige ^olge der Detektoren, sollten
die Rückflußzeit oder der Zündpunkt der Ionenquelle durch Temperatureinflüsse verändert sein.
Es ist deshalb ein Merkmal der Erfindung, eine neue und verbesserte Schaltung zum Liefern von Hochspannungsimpulsen
anzugeben. Hierbei wird eine Hochspannungsquelle zum Erzeugen von "Hochenergieneutronen verwendet. Die
Hochspannungsimpulsquelle erzeugt bei hohen Wiederholungsraten
schnelle Neutronen.
Zur Erläuterung der Erfindung dienen die Zeichnungen. In diesen ist:
Fig. 1 ein schematisches Gesamtdiagramm der Ausmeßanlage
nach der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Schaltung nach der Erfindung; und
Fig. 3 eine Darstellung der Schwingungsformen der Schaltung nach Figur 2.
Die Radioaktivitätsbohrlochausmessung wird in Figur 1 im einseinen gezeigt, wobei die Erde 10 im Vertikalschnitt
zu sehen ist. Ein Bohrloch 11 durchdringt die Erdoberfläche und kann eingefaßt sein. Im Bohrloch 11 befindet
sich das unteroberflächeninstrument 12 der Anlage.
Das Instrument 12 enthält eine Quelle oder einen Beschleuniger
13 zum Erzeugen von Neutronen hoher Energie.
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Die Quelle 13, die hier "benutzt wird, ist eine pulsierte
Neutronenquelle, die nach dem Prinzip der Deuterium-Tritium-Reaktion arbeitet. Eine solche pulsierte Neutronenquelle
wird gewöhnlich als "künstliche" pulsierte Neutronenstrahlungsquelle bezeichnet, weil sie außer
Gebrauch abgeschaltet werden kann und weil sie eine verhältnismäßig monoenergetische Strahlung eines besonderen
Charakters liefert. Typisch für diese künstlichen Quellen ist die statische Atmosphärenionenbeschleunigerröhre,
wie sie z.B. in der amerikanischen Patentschrift 2.687.917 beschrieben wird.
Ein entsprechender Strahlungsdetektor mit einem Photomultipierrohr
12 und ein Kristalldetektor 15 dient zum Peststellen von Gammastrahlen, die sich aus der unelastischen
Streuung von Neutronen hoher Energie von den, die das Bohrloch 11 umgebenden Erdformationen ergeben.Ein
Strahlungsschild 16, das beispielsweise aus Wolfram, Kupfer oder einem hydrogenen Material wie Paraffin oder
einer Kombination dieser Stoffe bestehen kann, verringert die Wahrscheinlichkeit direkter Bestrahlung des Detektorkristalls
12 von von der pulsierten Neutronenquelle ausgesandten Neutronen. Zum Aufmessen eines Bohrlochs
mittels Radioaktivität durchquert das Instrument 12 das Bohrloch 11. Dadurch bestrahlen Neutronen hoher
Energie aus der Quelle 13 die das Bohrloch umgebenden Formationen. Die von ihnen beeinflußten Strahlungen
werden von einem Detektorkristall 15 festgestellt. Durch das unelastische Streuen der Messungen nach der Erfindung
werden Neutroneniapulse von etwa zehn Mikrosekunden Dauer verwendet und die Impulse sollen bei hohen
Wiederholungsraten von 20.000 pro Sekunde und höher wiederholt werden.
Wie bekannt, erzeugt ein SzintillationskriBtall 15 einen
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diskreten Lichtblitz, wenn ein Gammastrahl hindurch geht, und vertauscht die Energie mit der Gitterstruktur des
Kristalls. Die Photomultipierröhre 14 erzeugt einen Spannungsimpuls,der in der Höhe der Intensität jeder
Szintillation proportional ist, die im Kristall 12
auftritt. Die Intensität dieser Szintillationen ist in
der Punktion auf die Energie der Gammastrahlung "bezogen
und bewirkt den Lichtblitz. Somit besitzt ein vom Photomultiplier 14 erzeugte Spannungsimpuls eine
Amplitude, die in der Punktion auf die Energie der jeweiligen Gammastrahlung bezogen ist. Die proportionalen
Spannungsimpulse werden in die Unteroberflächenelektronik
17 eingekoppelt, um eine Weiterbeförderung über das Meßkabel 17 zur Oberflächenelektronik 18 zu veranlassen,
wo das Signal einer Spektralanalyse zum Bestimmen der physikalischen Charakteristiken der bestrahlten
Formationen unterworfen wird. -Ήηβ ausführlicherer
Beschreibung einer solchen Operation kann aus der amerikanischen Patentschrift 3.780.303 entnommen werden.
Die schematische Schaltung der Hochspannungsimpulsquelle zum Betrieb der pulsierten Spannungsquelle 13 wird in
Figur 2 gezeigt. Über den Kondensator 21 ist ein Eingangstaktsignal an die Basis 22 des Transistors 23 gelegt.
Die Basis 22 liegt ferner an der Primärwicklung des Transformators 26. Parallel zu dieser Primärwicklung
25 liegt der Kondensator 27 und der Widerstand 28. ■^ie Verbindung der Primärwicklung 25 und des Widerstands
28 ist über einen Widerstand 29 mit einer positiven Spannungsquelle verbunden. Der Emitter 30 des
Transistors 23 liegt an Erde, die Sekundärwicklung 31 des Transformators 23 liegt am unteren Ende zur Verbindung
des Kondensators und des Widerstandes 33, wobei das entgegengesetzte ^nde jedes an Erde liegt.
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Das obere -finde der Sekundärwicklung 31 ist mit der Basis
34 des Transistors 35 verbunden, dessen Emitter 36 über dem Widerstand 37 geerdet ist. Der Kollektor 38 des
Transistors 35 liegt an der Primärwicklung des Transformators 40, deren anderes Ende an der positiven Spannungsquelle
liegt.Der Kollektor 38 ist ferner mit der Diode 41, der Diode 42, die am Kondensator 43 liegt,
dem Kondensator 44, der Induktivität 45, die am Kondensator 46 liegt, und dem Widerstand 47, der am Kondensator
48 liegt, verbunden. Ferner sind die Diode 41» die Kondensatoren 43, 44 und 46 und der Widerstand 48
an Erde gelegt. Die Verbindung der Widerstände 47 und 48 ist mit dem Bezugssignaldetektor 49 verbunden.
Die Sekundärwicklung 50 des Transformators 40 liegt an der Kathode der Diode 51 und am Kondensator 52 an der
Verbindung A. Die Anode der Diode 51 ist mit dem Kondensator 53 verbunden, der an Erde geschaltet ist. Die
Verbindung von Diode 51 und Kondensator 53 ist mit dem Widerstand 54 verbunden, dessen anderes Ende am Spannungsregler
55, am Kondensator 56 und am Widerstand 57 liegt, die alle am entgegengesetzten Ende geerdet sind. Die
Verbindung des Widerstands 54, des Kondensators 50 und des Widerstands 57 liegt am Gitter 58 der Neutronenquelle
13.
Wie bereits erwähnt, liegt die Sekundärwicklung 50 am Kondensator 52 am Punkt A, der über den Kondensator
an der Verbindung C liegt. Das untere Segment der Sekundärwicklung
ist mit dem Punkt B verbunden, der geerdet ist. Die -^node der Diode 59 ist von der Verbindung B
getrennt und die Kathode liegt an der Verbindung C. Die Verbindungen B und D sind mit der Verbindung 0 ver-
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bunden, wo die Kathode der Diode 61 mit der Verbindung D verbunden ist. Die Anode der Diode 61 liegt an der
Verbindung D, während die Kathode an der Verbindung E liegt. Dieselbe Verbindung von Dioden und Kondensatoren
wird ausgeführt, bis eine gewünschte Zahl von Stufen zusammengeschaltet ist.
Die Endstufe des Spannungsvervielfachers ist durch den Kondensator 64 dargestellt, der an der Verbindung P
liegt. Die Anode der Diode 65 liegt an der Verbindung G, während die Kathode mit der Verbindung F verbunden
ist. Der Punkt G liegt über dem Kondensator 66 am Punkt H. Die Anode der Diode 67 ist mit der Verbindung H verbunden,
die am Widerstand 68 und an der Anode 69 der Ionenquelle 13 liegt. Die Vefbindung P ist über den
Widerstand 70 mit der Kathode 71 der Ionenquelle 13 verbunden. An der Kathode 71 liegt auch der Widerstand
71. Ferner befindet sich in der Ionenquelle 13 die Antikathode 72.(71) Solche Ionenquellen sind für die Verwendung
mit Beschleunigerröhren bekannt und dienen zum Erzeugen von Hochenergieneutronen, insbesondere aus der
D-T-Reaktion, die besonders beim Radioaktivitätsbohrlochausmessen
zweckmäßig sind.
Beim Betrieb der Schaltung nach Figur 2 wird ein Rechtecktaktsignal
kapazitiv an die Basis 22 des Transistors 23 gekoppelt. Der umgeformte Ausgang des Transistors
23 ist mittels des Impedanzanpassungstransformators an die Basis 34 des Treibertransformators gekoppelt.
Die Sekundärwicklung 31 des Transformators 26 liegt auch am Widerstand 33. Die Schaltung des Kondensators 32
differentiert das Basissignal zur Unterstützung beim Abschalten des Transistors 35.
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Wenn das Signal an die Basis 34 des Transistors 35 angelegt wird, fließt Strom durch die Primärwicklung 39
des Transformators 40, den Transistor 35 und die zugehörige Schaltung. Die in der Primärwicklung 39 induzierte
Spannung kann durch folgende Gleichung wiederge geben werden:
V = Ldi/d t
worin L die Induktivität, A, i die Änderung des Stroms
durch die Primärwicklung und £. t die Änderung der Zeit
ist, die dem Stromfluß entspricht. Die Schaltung nach Figur 2 wird mit Hilfe der Schwingungsformen des Signals
nach Figur 3 ausführlich erläutert. Wie die Schwingungsform 3A zeigt, wird die Basis des Transistors 35 wegen
des vom Transformator 26 angelegten Signals positiv. Der positive Anstieg läßt den Transistor 35 leiten, wodurch
ein Stromanstieg durch die Primärwicklung 39 des Transformators 40 "bewirkt wird. Der Stromanstieg durch
die Primärwicklung erfolgt über eine verhältnismäßige Langzeitdauer und somit wird dort ein kleines negatives
Potential in der Primärwicklung 39 induziert. Während des Rückflusses wird die Periode, in der der Traneistor
3 irnicht leitet, bei Stromfluß durch die Primärwicklung
rasch abfallen, und wie die Gleichung zeigt, wird eine positive Spannung von viel höherer Amplitude induziert.
Die Schwingungsform 3B stellt das Signal in der Primärwicklung 39 dar. Das induzierte Spannungssignal in der
Primärwicklung wird in die Sekundärwicklung 50 gekoppelt,
wie die Schwingung 3C zeigt. Das Signal an der Sekundärwicklung 50 ist wegen des Windungsverhältnisses
zwischen der Primärwicklung 39 und der Sekundärwicklung 50 etwa zwanzig mal das Signal an der Primärwicklung 39
oder liegt zwischen -3 kV und + 14 kV„
Der Kollektor 18 des Transistors 35 liegt an mehreren
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Dioden, Kondensatoren und dergl. Die Dioden 46 und 42
und der Kondensator 43 verhüten eine Beschädigung des Transistors 35, sollte der Transformator 40 überschlagen
oder der Kollektor versuchen, negativ zu werden« Die Widerstände 47 und 48 dienen als Spannungsteiler zum
Einstellen des Bezugssignals, das an den Bezugssignaldetektor
49 gekoppelt ist, der eine bekannte Schwellwertdetektorschaltung enthält und einen Zugimpuls liefert,
der zum Durchschalten der Detektorschaltung benutzt wird, um sicherzustellen, daß der Detektor zur richtigen
Zeit ohne Rücksicht auf Änderung der Rückflußzeit und Zündpunkt der Ionenquelle infolge der Temperaturbeeinflussung
oder Änderungen der Werte der Schalelemente durchschaltet. Am Kollektor 38 liegt ferner eine Schaltung
mit den Kondensatoren 44 und 46 und der Anzeigeeinrichtung 45. Diese Schaltelemente dienen als abgestimmte
Schaltung, die das Einstellen der Abfallzeit des Signals unterstützt. Die Werte dieser Elemente bestimmen
die Form des Spannungsimpulses, die in der Primärwicklung 39 induziert wird und so gewählt sein kann,
daß die Quelle über einen weiten Frequenzbereich oder einen weiten Bereich von Breiten von Neutronenausbrüchen
betrieben werden kann. Beim Herstellen eines Impulses kurzer Dauer in der Primärwicklung 39 erfolgt eine Feinsteuerung
der Zündzeit der Ionenquelle, die bei hohen Betriebsfrequenzen notwendig ist.
Wie erwähnt liegt die Schwingungsform 3Can der Sekundärwicklung zwischen -3kV und +4kV. Der negative Teil des
Signals wird von der Diode 51 gleichgerichtet. Die Spannung
wird om Regler 55 auf ein Pote idal von -2200 Volt am Gitter 58 die Ionenquelle 13 eingestellt. Die negative
Gleichspannung am Gitter 58 dient zum Unterdrücken der
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Sekundärelektronen zum Zurückführen an die Anode 69 während des Arbeitens der Ionenquelle 13°
Die Sekundärwicklung 50 liegt ferner an einem Spannungsvervielfacher
z.B. nach der amerikanischen Patentschrift 3.924.138. Die Spannung E an der Verbindung von G mit B
ist etwa gleich der Amplitude der zwischen den Punkten D und B der an der Sekundärwicklung auftretenden Spannung.
Die Spannung zwischen D und B liegt bei 2E und die zwischen E und B bei 3E0 Die Spannung zwischen F und B der
Vervielfacherschaltung ist gleich (2N-1)E und die Spannung von H bis B gleich 2NE, worin E der Spitzenwert der
Eingangsspannung und N die Zahl der Stufen ist und die beiden Kondensatoren und zwei Dioden eine Stufe enthalten.
Der Vervielfacher gibt Strom an eine Belastunge Die Eingangsspannung
ist dann:
= 2NE- Vfc ψ + -fi - I = 2NE - V
worin f=die Frequenz die Eingangsspannung, I«der Ladestrom
und 0=die Kapazität eines der Kondensatoren ist.
Bei Ansteigen des Ladestroms steigt die Welligkeit am Ausgang an und wird durch die Ausdrücke bestimmt:
V fc * 2 so daß die Gesamtspannung zwischen den Werten
Vmax = 2NE ~ Δ Y und vmin = 2NE ~ ΔΥ ~ <?V variiert.
Nach Figur 2 liegt das höchste Potential des Spannungsver-
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vielfacher an der Verbindung H an der Anode 69 der Beschleunigerröhre und die Kathode 71 der Ionenquelle
liegt eine halbe Stufe weiter unter über dem Widerstand 70 an der Verbindung P0 Bei ausreichend vielen
Stufen gibt es eine ausreichende Spannung an der Diode 67 und die richtige Polarität zum Zünden der Ionenquelle
13 und zum Erzeugen positiver Ionen innerhalb der Beschleunigerröhre. Die restliche Spannung zwischen der Ionenquelle
71 und Erde ist die Beschleunigerspannungo
Ohne Ladung an der Schaltung erscheint zwischen den Verbindungen P und H eine nahezu konstante Gleichspannung.
Bei Beginn der Lieferung eines Speisestromes an die Beschleunigerröhre durch den Vervielfacher beginnt die
Welligkeit anzusteigen und erscheint mit der Gleichspannung skomponente an Anode 69 und Kathode 71 der Ionenquelle
ο Der Widerstand versucht in Kombination mit der Kathodenkapazität zur Erde den Welligkeitsanteil der
Impulse an der Kathode H der Ionenquelle auszufiltern.
Ein Überschuß von Welligkeit bleibt an der Anode. Durch richtige Wahl des Widerstands 26 wird ein Zustand erhalten,
durch den die Ionenquelle ihre Ladung während des Impulses abgibt, und selbst erlöscht, nachdem der Impuls
hindurchgegangen ist« Dadurch wird ein Neutronenausbruch bei einer Rate bewirkt, die durch die Antriebsimpulse
bestimmt isto
Die Erfindung zeigt eine neuartige und verbesserte Impulsenergiequelle,
die jedoch abgeändert werden kann, ohne daß vom Umfang der Erfindung abgewichen wird»
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Claims (7)
1. Schaltung zum Liefern hoher Spannungsimpulse mittels
eines Transistors, dadurch gekennzeichnet, daß niedrige Taktspannungssignale an die Basis des Transistors (23) gelegt v/erden, dessen
Kollektor (24) mit einem Transformator (26) verbunden ist, in dem Impulse hoher Spannung induziert v/erden,
die in ihrer Funktion auf die niedrigen Taktspannungssignale bezogen sind.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die ^orm der Hochspannungsimpulse
gesteuert wird.
3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Hochspannungsimpulse über
einen Transformator (23) an einen Spannungsverviel-
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ORIGINAL INSPECTED
fächer (14-) gekoppelt sind.
4. Schaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (23)
ein Niederspannungstaktsignal umformt, auf das eine Einrichtung anspricht, die in der Primärwicklung (25)
an des Transformators (23) Spannungen erzeugt, dessen
Sekundärwicklung (31) ein Spannungsvervielfacher (14) gekoppelt ist, der zwei Spannungspotentiale an Anode
und Kathode einer Beschleunigerröhre (12) legen.
5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß an der Sekundärwicklung (31)
des Transformators (23) ein drittes Spannungspotential erzeugt wird, das an das Gitter der Beschleunigerröhre
gelegt wird.
6. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf das Pulsieren der Ionenquelle
funktionell ein elektrisches Signal bezogen ist,
7. Schaltung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß an Anode
und Kathode der Beschleunigerröhre ein Spannungsvervielfacher (14) geschaltet ist, an den ein Transformator
gekoppelt ist, an dessen Primärwicklung ein Transistor liegt, an dessen Basis die Einrichtung
gekoppelt ist, die in der Primärwicklung einen Spannungsimpuls induziert, daß ein Teil der induzierten
Spannung am Gitter der Beschleunigerröhre liegt und daß die Form des induzierten Spannungsimpulses zum
Steuern des Pulsierens der Ionanquelle benutzt wird.
— 3 —
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