RU139810U1

RU139810U1 - Borehole Pulsed Neutral Generator

Info

Publication number: RU139810U1
Application number: RU2014102866/07U
Authority: RU
Inventors: Евгений Петрович Боголюбов; Сергей Иванович Брагин; Юрий Павлович Кузнецов
Priority date: 2014-01-29
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2014-04-27

Abstract

Скважинный импульсный нейтроный генератор, содержащий вакуумную нейтронную трубку и электрическую схему ее питания, состоящую из двух высоковольтных трансформаторов, двух конденсаторов накопительных, конденсатора источника питания нейтронной трубки, зарядного дросселя, а также температурный компенсатор, размещенные в герметичном металлическом корпусе, залитом жидким диэлектриком, отличающийся тем, что трансформаторы залиты компаундом с диэлектрической проницаемостью, уменьшающейся с ростом температуры, а конденсаторы залиты компаундом с диэлектрической проницаемостью, увеличивающейся с ростом температуры, температурный компенсатор включает в себя резиновую мембрану, размещенную в корпусе компенсатора и разделяющую компенсатор на две полости, одна из которых соединена с жидким диэлектриком, а другая заполнена инертным газом под давленим.A downhole pulsed neutron generator containing a vacuum neutron tube and an electric circuit for its power supply, consisting of two high-voltage transformers, two storage capacitors, a capacitor of a neutron tube power supply, a charging choke, as well as a temperature compensator placed in a sealed metal case filled with a liquid dielectric, characterized the fact that the transformers are filled with a compound with a dielectric constant that decreases with increasing temperature, and the capacitors are filled with a comp With a dielectric permittivity increasing with increasing temperature, the temperature compensator includes a rubber membrane located in the compensator body and separating the compensator into two cavities, one of which is connected to a liquid dielectric and the other is filled with an inert gas under pressure.

Description

Полезная модель относится к области физического приборостроения, в частности, к источникам нейтронного излучения, предназначенного для проведения геофизических исследований скважин импульсными нейтронными методами.The utility model relates to the field of physical instrumentation, in particular, to neutron radiation sources intended for conducting geophysical studies of wells by pulsed neutron methods.

Известен генератор нейтронов (см., например, Геофизическая аппаратура. Недра, вып. 43, 1970 г., с. 132-146), содержащий нейтронную трубку и высоковольтный источник напряжения питания, выполненный на накопительном конденсаторе, включенном между высоковольтным источником питания и первичной обмоткой высоковольтного импульсного трансформатора (в случае биполярного питания - первичными обмотками высоковольтного импульсного трансформатора). Генератор нестабилен в диапазоне рабочих температур и имеет малый ресурс работы.A known neutron generator (see, for example, Geophysical equipment. Subsoil, issue 43, 1970, p. 132-146), containing a neutron tube and a high voltage power supply voltage, made on a storage capacitor connected between the high voltage power source and the primary winding of a high-voltage pulse transformer (in the case of bipolar power - the primary windings of a high-voltage pulse transformer). The generator is unstable in the operating temperature range and has a short service life.

Известен скважинный импульсный нейтронный генератор, содержащий вакуумную нейтронную трубку и электрическую схему питания вакуумной нейтронной трубки, состоящую из двух высоковольтных трансформаторов, конденсатора накопительного, схемы формирования ускоряющего импульса, конденсатора источника питания нейтронной трубки и зарядного дросселя, размещенных в герметичном корпусе, в котором все элементы электрической схемы питания вакуумной нейтронной трубки выполнены в виде тел вращения с центральными отверстиями, соединены между собой механически и электрически с помощью резьбовых электрических контактов с центральными отверстиями, а с вакуумной нейтронной трубкой - через чашеобразные резьбовые втулки с центральным и боковыми отверстиями, установленные на мишени и аноде вакуумной нейтронной трубки, вакуумная нейтронная трубка и электрическая схема питания помещены в полый тонкостенный цилиндр с наружным диаметром, меньшим внутреннего диаметра герметичного корпуса, между наружной стенкой тонкостенного цилиндра и внутренней стенкой герметичного корпуса образована наружная полость, заполненная жидким диэлектриком, сообщающаяся с внутренней полостью, образованной центральными отверстиями в охлаждаемых элементах электрической схемы питания вакуумной нейтронной трубки. Патент Российской Федерации №2368024,МПК: G21G 4/02, 2009 г. Прототип.Known borehole pulsed neutron generator containing a vacuum neutron tube and a power circuit of a vacuum neutron tube, consisting of two high-voltage transformers, a storage capacitor, an accelerating pulse formation circuit, a capacitor of a neutron tube power source and a charging choke, placed in a sealed enclosure in which all elements The power circuit of the vacuum neutron tube is made in the form of bodies of revolution with central holes, interconnected mechanically and electrically by means of threaded electrical contacts with central holes, and with a vacuum neutron tube through cup-shaped threaded bushings with central and side holes mounted on a target and anode of a vacuum neutron tube, a vacuum neutron tube and a power circuit are placed in a hollow thin-walled cylinder with an outer diameter smaller than the inner diameter of the sealed enclosure, between the outer wall of the thin-walled cylinder and the inner wall of the sealed enclosure of images An external cavity filled with a liquid dielectric communicating with the internal cavity formed by central holes in the cooled elements of the power circuit of a vacuum neutron tube. Patent of the Russian Federation No. 2368024, IPC: G21G 4/02, 2009. Prototype.

В известном импульсном нейтронном генераторе все элементы электрической схемы расположены последовательно друг за другом, что приводит к увеличению габаритных размеров и массы генератора.In the known pulsed neutron generator, all elements of the electrical circuit are arranged sequentially one after another, which leads to an increase in the overall dimensions and mass of the generator.

Изоляция конденсаторов выполнена пленочными диэлектриками, пропитанными жидким диэлектриком с малой диэлектрической проницаемостью, что приводит к увеличению объемов конденсаторов, при требуемой величине емкости и электрической прочности.The insulation of the capacitors is made by film dielectrics impregnated with a liquid dielectric with a low dielectric constant, which leads to an increase in the volume of capacitors, with the required value of capacitance and electric strength.

Температурный компенсатор выполнен на металлическом сильфоне, служащем для компенсации изменяемого объема жидкого диэлектрика при изменении температуры. Для обеспечения термокомпенсации в широком диапазоне рабочих температур длина сильфона изменяется в широких пределах и достигает третьей части от длины всего генератора, что приводит к существенному увеличению габаритов и массы генератора.The temperature compensator is made on a metal bellows, which serves to compensate for the variable volume of the liquid dielectric when the temperature changes. To ensure thermal compensation in a wide range of operating temperatures, the length of the bellows varies widely and reaches the third part of the length of the entire generator, which leads to a significant increase in the dimensions and mass of the generator.

Кроме того, при работе импульсного нейтронного генератора в диапазоне температур -50°C +120°C изменяется форма импульса ускоряющего напряжения за счет температурного изменения диэлектрической проницаемости изоляции конденсаторов и трансформаторов, что приводит к изменению емкостей конденсаторов, динамических емкостей высоковольтных трансформаторов и изменению длительности нейтронного импульса и потока нейтронов.In addition, when a pulsed neutron generator operates in the temperature range of -50 ° C + 120 ° C, the shape of the accelerating voltage pulse changes due to a temperature change in the dielectric constant of the insulation of capacitors and transformers, which leads to a change in the capacitances of capacitors, dynamic capacities of high-voltage transformers and a change in the duration of the neutron momentum and neutron flux.

Задачей полезной модели является создание стабильного импульсного нейтронного генератора с меньшими габаритами и массой.The objective of the utility model is to create a stable pulsed neutron generator with smaller dimensions and mass.

Техническим результатом полезной модели является стабилизация нейтронного импульса в широком диапазоне температур, уменьшение габаритов и массы.The technical result of the utility model is the stabilization of a neutron pulse in a wide temperature range, reducing the size and mass.

Технический результат достигается тем, что в импульсном нейтроном генераторе, содержащем вакуумную нейтронную трубку и электрическую схему питания нейтронной трубки, состоящую из двух высоковольтных трансформаторов, двух конденсаторов накопительных, конденсатора источника питания нейтронной трубки, зарядного дросселя, а также температурный компенсатор, размещенные в герметичном металлическом корпусе, залитом жидким диэлектриком, трансформаторы залиты компаундом с диэлектрической проницаемостью уменьшающейся при росте температуры, конденсаторы залиты компаундом с диэлектрической проницаемостью, увеличивающейся при росте температуры, температурный компенсатор включает в себя резиновую мембрану, размещенную в корпусе компесатора, и разделяющую компенатор на две полости, одна из которых соединена с жидким диэлектриком, а другая заполнена инертным газом под давлением.The technical result is achieved in that in a pulsed neutron generator containing a vacuum neutron tube and an electric circuit for supplying a neutron tube, consisting of two high-voltage transformers, two storage capacitors, a capacitor of a neutron tube power supply, a charging choke, and a temperature compensator placed in a sealed metal case filled with liquid dielectric, transformers are filled with a compound with a dielectric constant that decreases with increasing temperature s, capacitors filled compound with a dielectric constant that increases with increasing temperature, the temperature compensator includes a rubber septum disposed in kompesatora housing and separating kompenator into two cavities, one of which is connected to the liquid dielectric and the other is filled with an inert gas under pressure.

Сущность полезной модели поясняется чертежом.The essence of the utility model is illustrated in the drawing.

На чертеже схематично представлен продольный разрез скважинного импульсного нейтронного генератора, где: 1 - вакуумная нейтронная трубка; 2 - высоковольтный трансформатор отрицательной полярности, 3 - высоковольтный трансформатор положительной полярности, 4 -конденсатор источника питания нейтронной трубки, 5 - зарядный дроссель, 6 и 7 - конденсаторы накопительные, 8 - металлический корпус генератора, 9 - металлический корпус термокомпенсатора, 10 - полость, залитая жидким диэлектриком, 11 - полость, заполненная газом под давлением, 12 - проходное отверстие, 13 - резиновая мембрана, 14 - клапан, 15 - проходные изоляторы.The drawing schematically shows a longitudinal section of a downhole pulsed neutron generator, where: 1 - a vacuum neutron tube; 2 - a high-voltage transformer of negative polarity, 3 - a high-voltage transformer of positive polarity, 4 - a capacitor of a neutron tube power source, 5 - a charging inductor, 6 and 7 - storage capacitors, 8 - a metal case of the generator, 9 - a metal case of a temperature compensator, 10 - a cavity, filled with a liquid dielectric, 11 - a cavity filled with gas under pressure, 12 - a bore hole, 13 - a rubber membrane, 14 - a valve, 15 - bushing insulators.

Электропитание вакуумной импульсной нейтронной трубки 1 выполнено по биполярной схеме. Накопительные конденсаторы 6 и 7 расположены коаксиально поверх обмоток соответствующих высоковольтных трансформаторов 2 и 3, а дроссель 5 расположен коаксиально поверх конденсатора источника 4. Изоляция моточных элементов импульсного нейтронного генератора выполнена бумажно-пленочными диэлектриками с последующей пропиткой их различными твердеющими изоляционными компаундами. Трансформаторы 2 и 3, дроссель 5 пропитаны твердеющими диэлектриками с диэлектрической проницаемостью, уменьшающейся при росте температуры (например, компаунды на основе кремнийорганических смол с наполнителем). В предлагаемом генераторе выбран компаунд К67 или К43. Тип компаунда для конденсаторов 6 и 7 выбран из условий обеспечения электрической прочности и большой диэлектрической проницаемости, при которой объем конденсаторов, а значит, и всего генератора минимален. В предлагаемом генераторе выбран компаунд ПК-11.The power supply of the vacuum pulsed neutron tube 1 is made according to the bipolar scheme. The storage capacitors 6 and 7 are located coaxially on top of the windings of the corresponding high voltage transformers 2 and 3, and the inductor 5 is located coaxially on top of the source capacitor 4. The winding elements of the pulsed neutron generator are insulated with paper-film dielectrics followed by their impregnation with various hardening insulating compounds. Transformers 2 and 3, inductor 5 are impregnated with hardening dielectrics with a dielectric constant that decreases with increasing temperature (for example, compounds based on organosilicon resins with a filler). In the proposed generator, the compound K67 or K43 is selected. The type of compound for capacitors 6 and 7 is selected from the conditions for ensuring electric strength and high dielectric constant, in which the volume of the capacitors, and hence the entire generator, is minimal. In the proposed generator, the PC-11 compound is selected.

При работе импульсного нейтронного генератора и увеличении температуры происходит рост емкостей накопительных конденсатора 6 и 7, а также уменьшение динамических емкостей трансформаторов 2 и 3, что приводит к стабилизации импульса ускоряющего и нейтронного импульса во всем диапазоне рабочих температур. Действительно, при увеличении температуры увеличивается активное сопротивление обмоток трансформаторов и обкладок конденсаторов, что обуславливает снижение амплитуды импульса ускоряющего напряжения, однако, увеличение емкостей накопительных конденсаторов компенсирует это снижение амплитуды. При этом уменьшение динамических емкостей трансформаторов компенсирует тот рост длительности ускоряющего напряжения, который должен был произойти за счет увеличения емкостей накопительных конденсаторов.During operation of a pulsed neutron generator and an increase in temperature, the capacitances of storage capacitors 6 and 7 increase, as well as the dynamic capacities of transformers 2 and 3 decrease, which leads to stabilization of the accelerating and neutron pulse in the entire operating temperature range. Indeed, with increasing temperature, the active resistance of the transformer windings and capacitor plates increases, which leads to a decrease in the amplitude of the accelerating voltage pulse, however, an increase in the capacitance of the storage capacitors compensates for this decrease in amplitude. At the same time, a decrease in the dynamic capacities of transformers compensates for the increase in the duration of the accelerating voltage, which should have occurred due to an increase in the capacitances of storage capacitors.

Для обеспечения электрической прочности и теплового режима нейтронная трубка и все элементы схемы ее питания размещены в герметичном корпусе 8, залитом жидким диэлектриком. В качестве жидкого диэлектрика использовано масло ТКп, имеющее хорошие диэлектрические свойства. Одним из наиболее подходящих жидких диэлектриков является кремнийорганическая жидкость ПФМС-2/5 Л, обладающая аналогичными с маслом ТКп диэлектрическими свойствами 50 кВ/2,5 мм.To ensure electrical strength and thermal regime, the neutron tube and all elements of its power circuit are placed in a sealed enclosure 8, filled with a liquid dielectric. As a liquid dielectric, TKp oil is used, which has good dielectric properties. One of the most suitable liquid dielectrics is the PFMS-2/5 L organosilicon liquid, which has the dielectric properties of 50 kV / 2.5 mm similar to TKp oil.

Температурный компенсатор объемного изменения жидкости включает в себя резиновую мембрану 13, размещенную в корпусе компенсатора 9. Мембрана 13 разделяет объем корпуса 9 на две герметичные полости, одна из которых 10 соединена с жидким диэлектриком через проходное отверстие 12, а другая 11 заполнена инертным газом под давлением через клапан 14. Давление в полости 11 при минимальных рабочих температурах и уменьшении объема жидкости составляет не менее 0,5 ати, при максимальных температурах давление в генераторе достигает не более 6 ати. Внешнее питание и импульсы запуска подают через керамические проходные изоляторы 15.The temperature compensator for the volumetric change in the liquid includes a rubber membrane 13 located in the body of the compensator 9. The membrane 13 divides the volume of the body 9 into two sealed cavities, one of which 10 is connected to the liquid dielectric through the inlet 12, and the other 11 is filled with an inert gas under pressure through the valve 14. The pressure in the cavity 11 at minimum operating temperatures and a decrease in the volume of liquid is not less than 0.5 ati, at maximum temperatures the pressure in the generator reaches no more than 6 ati. External power and trigger pulses are fed through ceramic bushing insulators 15.

Генератор работает следующим образом. При срабатывании коммутирующего элемента (на чертеже не показан) накопительные конденсаторы 5, заряженные до напряжения 4,5 кВ, разряжаются через первичные обмотки трансформаторов 2 и 3. На вторичных обмотках формируются импульсы напряжения 50-60 кВ длительностью 4 мкс, отрицательной и положительной полярности и подаются на импульсную нейтронную трубку. Трансформатор положительной полярности 3 формирует импульс напряжения поджига ионного источника, в результате которого происходит разряд конденсатора источника 4 через анод и катод нейтронной трубки 1. Образовавшиеся ионы дейтерия бомбардируют мишенный электрод вакуумной нейтронной трубки 1. На мишени в результате реакции ₁Д²+₁Т³→₂He⁴+n образуются нейтроны с энергией 14 МэВ и вторичные электроны.The generator operates as follows. When the switching element is triggered (not shown in the drawing), the storage capacitors 5, charged to a voltage of 4.5 kV, are discharged through the primary windings of transformers 2 and 3. On the secondary windings, voltage pulses of 50-60 kV with a duration of 4 μs, negative and positive polarity are formed and served on a pulsed neutron tube. A transformer of positive polarity 3 generates a voltage pulse of ignition of the ion source, which results in the discharge of the capacitor of source 4 through the anode and cathode of neutron tube 1. The formed deuterium ions bombard the target electrode of the vacuum neutron tube 1. On the target as a result of the reaction ₁ D ² + ₁ T ³ → ₂ He ⁴ + n neutrons with an energy of 14 MeV and secondary electrons are formed.

Выполнение скважинного генератора в соответствии с предложенным техническим решением позволило уменьшить габариты и массу скважинного нейтронного генератора приблизительно на 25% и стабилизировать нейтронный импульс в диапазоне рабочих температур.The implementation of the downhole generator in accordance with the proposed technical solution allowed to reduce the size and mass of the downhole neutron generator by about 25% and stabilize the neutron pulse in the operating temperature range.

Claims

A downhole pulsed neutron generator containing a vacuum neutron tube and an electric circuit for its power supply, consisting of two high-voltage transformers, two storage capacitors, a capacitor of a neutron tube power supply, a charging choke, as well as a temperature compensator placed in a sealed metal case filled with a liquid dielectric, characterized the fact that the transformers are filled with a compound with a dielectric constant that decreases with increasing temperature, and the capacitors are filled with a comp With a dielectric permittivity increasing with increasing temperature, the temperature compensator includes a rubber membrane located in the compensator body and separating the compensator into two cavities, one of which is connected to a liquid dielectric and the other is filled with an inert gas under pressure.