[发明专利]中子发生器及包括中子发生器的测井工具

说明书

技术领域

本发明涉及中子发生系统，更具体地，本发明涉及新的改进的中子发生器，其特别适用于穿过狭窄的油井或井眼边界，也适于各种其它应用。由于本发明的中子发生器理想地满足测井设施的需要，现将就此进行说明。 

背景技术

早已公知使用高能中子发生器用于中子-伽马射线或中子-中子测井。用于油井测井工具的中子发生器通常要求可控的低压气氛和高强度磁场。因而，出于示例性目的，就适用于测井工具的中子发生器更周详地说明本发明。 

中子发生器通常具有三个主要特征： 

(i)提供反应物质如氘(²H)和氚(³H)的气体源； 

(ii)剥夺气体分子电子以产生正离子的离子源；和 

(iii)驱使离子以一定能量到达靶的加速间隙，该能量使得轰击离子与靶的氘核或氚核碰撞，以由靶产生并发射中子。 

通常，通过电子和不带电的气体分子在离子源内的碰撞产生负电子和正离子。电位不同的正极和负极通过使电子加速达到高于电离阈值的能量而促成离子的产生。所述高能电子与气体分子碰撞产生额外的离子和电子。同时，一些电子和离子失离正极和负极。通过这种方式，离子源内的正电荷和负电荷接近平衡。可通过延长电子撞击正极被中和之前在离子源内的行进距离来提高碰撞效率。一种已知的行程延长方法是垂直于前述电场建立磁场。经组合的磁场和电场使得电子在离子源内沿螺旋轨迹行进，从而明显增大了电子在离子源内的行进距离，从而提高了装置的碰撞效率。早在1937年这种称作“彭宁离子源(Penning ion source)”的离子源既已为人所知，例如参见F.M.Penning和J.H.A.Moubis在Physica 4(1937)1190上的文章。例如，在均转让给Schlumberger Technology Corporation的美国专利3546512或3756682中描述了用于测井工具的包括彭宁离子源的中子发生器 实例。 

然而，用于测井工具的使用彭宁离子源的中子发生器具有离子源的碰撞效率有限且原子/分子比较小的缺点。为了解决这种低效率，离子源采用旨在延长或加宽电子行程的设计。这些设计较笨重且增加了中子发生器的整体尺寸和/或重量。这关乎必须长距离传输到空间有限的井下环境中的测井工具。 

发明内容

本发明的中子发生器包括设置在包含可电离气体的增压环境中的离子源。该离子源包括碳纳米管束从中伸出的基板。纳米管的末端与栅极隔开。离子源供电电路在离子源的基板和栅极之间施加正电压，使可电离的气体电离并通过栅极发射离子。离子加速器部分设置在离子源和靶之间。离子加速器部分使离子经过栅极朝向靶加速，使得离子与靶碰撞导致由靶产生并发射中子。在优选实施方案中，离子源、加速器部分和靶体装在密封管中，并且碳纳米管束具有至少10⁶个/cm²高度有序的碳纳米管，所述碳纳米管沿基本平行于密封管中轴的方向延伸。 

本发明的中子发生器提供原子/分子比远大于现有中子发生器的气体电离。这可以实现适用于在空间有限的井下环境中使用的测井工具的小尺寸紧凑型设计。在这种应用中，中子发生器和至少一个辐射探测器装在沿井眼移动并对井眼周围地层进行研究的探测仪(snode)中。 

结合附图，参考详细说明，本发明的其它目的和优势对于本领域技术人员将变得显而易见。 

附图说明

图1为井下测井工具和有关地上仪器的示意图。 

图2A为本发明图1所示测井工具的中子发生器的截面图。 

图2B为图2A所示中子发生器的离子源的局部示意图。 

具体实施方式