CN1053763C - 测井用伴随α中子管 - Google Patents
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Abstract
本发明一测井用伴随α中子管，其特征在于，该管带有伴随α粒子信号获取部件。整体结构和特征适用于碳/氧比能谱测井。伴随α粒子信号获取部件的最佳方案为环形，可由多个小的α探测器环绕氘离子入射束构成；单个α探测器的结构是：将异型玻璃光导一端焊接在可伐合金管上，另一端面形状为圆台侧面的一部分，上面烧结无机闪烁体。该中子管带有粒子引出和聚焦系统，由若干环形平面透镜构成。该中子管用在伴随α粒子快中子飞行时间碳/氧比测井系统中，可以去除γ闪烁探头外干扰物层的不良影响，大大提高所测C/O比值的准确性。该类中子管的基本结构和特性也可应用于其它井下探矿领域。
Description
本发明涉及一种测井用中子发生装置，特别是一种采用氘氚反应产生中子的中子管。
在碳/氧比能谱测井仪器中，采用中子管产生快中子。中子管工作原理是：由离子源产生氘离子，经加速后打在含氚的靶上，通过下述反应： 放出约14MeV的快中子。用14MeV的快中子轰击套管井周围的矿层，矿层中的碳和氧分别放出4.43和6.13MeV非弹特征γ射线；测量它们的能谱及相对强度可以得到矿层中碳含量和氧含量的比值。油中多碳，水中多氧，由C/O的比值以及其它有关数据可以确定油井周围矿层的含油情况。现有的用于碳/氧比能谱测井的中子管，如中国专利88220224.3，CN2052573U所公开的中子管，一般由绝缘外壳、潘宁离子源、加速电极和靶构成，由潘宁离子源产生氘离子，经加速后打在含氚的靶上，通过上述反应产生快中子，轰击套管井周围的矿层。但是利用现有的这种测井装置所测得的C/O比值具有很大的不确定性。这是因为，当测井装置放入套管井测量时，紧贴γ闪烁探头的最灵敏区有约60mm厚的水、铁、水泥等非矿层物质(下面称干扰物层)，其中含有大量的C，O，Si，Ca。水泥套管外的矿层实测厚度约200mm(下面称有效矿层)。计算和测量都表明，在总的特征γ计数中，来自水泥套管等干扰物层的贡献占50％左右，它们的作用相当于起干扰作用的本底，给C/O比值带来很大的不确定性。
本发明的目的是设计一种测井用中子管，使用该中子管及配套快中子飞行时间碳/氧比测井系统中，可以有效减少或去除上述干扰物层的影响，大大提高C/O比值的准确性。
本发明设计的测井用伴随α中子管，包括密封外壳，位于密封外壳内且固定在其上的潘宁离子源(6)，加速电极(8)及靶(17)，其特征是：在潘宁离子源(6)及加速电极(8)之间设置离子束流引出和聚焦系统(7)，加速电极(8)位于离子束流管道(9)的入射端口，在离子束流管道(9)的另一端和靶(17)之间，环绕离子束流线有一伴随α粒子探测器(15)：所说的离子束流引出和聚焦系统(7)为三个环形平面透镜(7A、7B、7C)。
本发明所说的平面透镜(7A)可由潘宁离子源(6)离子出口底面替代，平面透镜(7B)是带孔不锈钢圆柱片，平面透镜(7C)为底面带孔的无磁不锈钢圆筒盖，它被固定在潘宁离子源(6)上。
本发明所说的伴随α粒子探测器(15)可为环形，由可伐合金管(15A)和异形玻璃光导(15B)焊接而成，玻璃光导(15B)的探测端面呈圆台侧面状，其上烧结一层无机闪烁体。
本发明所说的环形伴随α粒子探测器(15)可由若干个用可伐合金管与异型玻璃光导焊接而成的小探测器环绕入射离子束组成，所有小探测器的探测端面形成一个完整的圆台侧面。
所说的伴随α粒子探测器(15)可由可伐合金管(15A)和玻璃片焊接而成，其上烧结一层无机闪烁体。
所说的伴随α粒子探测器(15)可由若干个用可伐合金管与玻璃片焊接而成的小探测器环绕入射离子束组成。
所说的环形伴随α粒子探测器可由四个用异型玻璃光导和可伐合金管焊接的小探测器组成，每个光导的探测端面(15C)呈四分之一圆台侧面。
所说的伴随α粒子探测器可由四个用圆形玻璃片和可伐合金管焊接而成的小探测器组成。
本发明所说的中子管，包括密封外壳，位于密封外壳内且固定在其上的潘宁离子源，加速电极及靶，其特征是，在潘宁离子源及加速电极之间设置离子引出和聚焦系统，加速电极位于离子束流管道的入射端口，在离子束流管道的另一端和靶之间，环绕离子束流线设置一伴随α粒子探测器。
本发明与原测井仪器中使用的中子管相比，带有伴随α粒子探测器，通过该探测器可选择有效矿层区域进行测量，因而测井时使用本发明能减少或去除γ闪烁探头外干扰物层的不良影响，提高所测C/O比值的精确性
下面结合附图、实施例进一步说明本发明。
图1为本发明结构示意图。
图2为实施例1A向视图。
图3为实施例2A向视图。
图4为本发明工作原理图。
图中1--排气管 2A--密封绝缘子 2B--密封绝缘子 3A--封接可伐管 3B--密封可伐盖 4--连接件 5--绝缘外壳 6A--潘宁源磁路系统6B--潘宁源阴极磁钢 6C--潘宁源阴极 6D--潘宁源阳极 6E--潘宁源对阴极 6F--潘宁源对阴极磁钢 7A--离子引出和聚焦系统第一透镜 7B--离子引出和聚焦系统第二透镜(聚焦电极) 7C--离子引出和聚焦系统第三透镜8--加速电极 9--离子束流管道 10--存储器屏蔽盖 11A--气体存储器11B--气体吸附器 12--封接可伐盖 13A--密封绝缘子 13B--密封绝缘子14--焊口 15A--α探测器封接可伐管 15B--α探测器玻璃光导 15C--α探测器闪烁体面 16--靶室密封外壳 17--氚靶 18--屏蔽体 19--有效矿层20--γ闪烁体 21--干扰物层 22--γ光电倍增管 23--电子学系统 24--水泥层 25--油井钢管 26--水层 27--测井仪器外壳
本发明的工作原理由图1和图4所示。由潘宁离子源6产生的氘离子，通过离子引出和聚焦系统7，经过加速电极8加速后，入射到氚靶17上，根据 的核反应，产生约14MeV的中子(0 1n)和约3MeV的α粒子(2 4He)。根据核反应运动学，相关产生的中子和α粒子，是一一对应的，几乎在一条直线上沿相反方向出射。前倾出射的中子入射到γ闪烁探头20及其周围的物质上(包括有效矿层和干扰物层)，产生各类特征γ射线。下面称入射到有效矿层19上的中子为有效中子群，入射到γ闪烁探头20自身及干扰物层21上的中子为干扰中子群。对应关联的α粒子即伴随α粒子向后射出。可分别称之为有效α粒子群和干扰α粒子群。测井仪器中，γ闪烁探头20应尽可能靠近氚靶。设氘离子沿Z轴方向运动，γ闪烁探头20处在靶的后面Z轴上。那么伴随α粒子探测器则应环绕Z轴，处在靶的前方。γ闪烁探头20周围的干扰物层19和有效矿层21，在X-Y平面上的投影是两个相邻的圆环。γ闪烁探头20自身和干扰物层19应尽可能避开入射中子，有效矿层21应尽可能多地接受入射中子，这样，根据核反应运动学，伴随α粒子探测器做成环形，可最有效地接受有效α粒子群，且不接收干扰α粒子群。利用核探测技术中常用的“符合法”，就可以有效地去除干扰物层所产生的各类γ射线形成的本底。该环形的内径和外径的大小由预定干扰物层和有效矿层的大小决定。
当然α粒子探测器也可以是非完整环形的探测器，只是探测效率低些。
实施例1
由图1可见，部件1、3A、3B、5、12、9、15A、16和密封绝缘子构成本发明中子管的密封外壳，部件6A、6B、6C、6D、6E、6F构成潘宁离子源6，潘宁离子源6通过连接件4固定在密封外壳上，连接件4可采用无磁不锈钢制成。在潘宁离子源6和加速电极8之间设有离子引出和聚焦系统7，这是因为制作α探测器和装配测量α产生的光信号的光电倍增管需要占用一定的空间，使伴随α中子管的离子输运长度要比普通中子管的离子输运长度长，且伴随α粒子快中子飞行时间碳/氧比测井系统的测量原理要求氚靶的面积是尽可能小，故从整体来看，该中子管的离子束近似为细长的准直束。为了达到这个要求，本发明在潘宁离子源6与加速电极8之间加了离子引出和聚集系统7。该系统可由若干个透镜构成，本实施例的离子引出和聚集系统7由三个平面透镜构成。第一平面透镜7A由潘宁离子源6出口底面替代，第二平面透镜7B为离子引出和聚焦电极，由带孔不锈钢圆柱片充当，相对于第一透镜加上-3000至-5000伏的电压，第三透镜7C包围第二透镜，为底面带孔的无磁不锈钢筒盖，与离子源6出口底面固定在一起。加速电极8位于离子束流管道9的入口端。在离子束流管道9的另一端和靶17之间，环绕离子束流线装有环形α探测器。
制作一个整体环形α探测器的工艺较为复杂。可以制造多个小的探测器，组成一个环形。本实施例采用四个小探测器，组成一个环形探测器，每个小探测器是将异型玻璃光导一端焊接在可伐合金管上，可伐合金管截面的面积和形状与光电倍增管相匹配；光导另一端呈圆台侧面的四分之一形状，上面烧结无机闪烁体，本实施例采用ZnS，四个小探测器组合在一起，则其探测端面形成一个完整的圆台侧面，作为α粒子的接收面，如图2所示。接收面外边和内边到氚靶的中心距离相等，使所接收的α粒子射程相近。接收立体角相当于球面立体角的1/5到1/4。
实施例2
本实施例的结构基本同实施例1，只是用圆形玻璃片替代实施例1中的异型玻璃光导15B焊接在可伐合金管上，其探测接收面如图3所示。
氘离子束流中靶率的理论计算与实验情况如下。
离子源出口处离子的能量和运动方向难以用解析表达式给出，我们用蒙特卡略的方法模拟。选择直径为10mm的靶，靶和加速电极处在地电位，离子源阴极和第三透镜电位为115±5KV；第二透镜相对于离子源阴极低3至5千伏。适当调节各透镜和电极的孔径与间距，理论计算的束流中靶率可达85％左右，实验测量为82％左右。
测井用伴随α中子管的中子强度为107/秒量级，用在配套的测井系统中，可以得到碳和氧特征γ计数为1000CPS以上。已经满足实际使用的需要。该类中子管的基本原理也可应用到其它类型矿井测量领域。
Claims (8)
1.一种测井用伴随α中子管，包括密封外壳，位于密封外壳内且固定在其上的潘宁离子源(6)，加速电极(8)及靶(17)，其特征是：在潘宁离子源(6)及加速电极(8)之间设置离子束流引出和聚焦系统(7)，加速电极(8)位于离子束流管道(9)的入射端口，在离子束流管道(9)的另一端和靶(17)之间，环绕离子束流线有一伴随α粒子探测器(15)；所说的离子束流引出和聚焦系统(7)为三个环形平面透镜(7A、7B、7C)。
2.根据权利要求1所述的伴随α中子管，其特征是：平面透镜(7A)由潘宁离子源(6)离子出口底面替代，平面透镜(7B)是带孔不锈钢圆柱片，平面透镜(7C)为底面带孔的无磁不锈钢圆筒盖，它被固定在潘宁离子源(6)上。
3.根据权利要求1或2所述的伴随α中子管，其特征是：伴随α粒子探测器(15)为环形，由可伐合金管(15A)和异形玻璃光导(15B)焊接而成，玻璃光导(15B)的探测端面呈圆台侧面状，其上烧结一层无机闪烁体。
4.根据权利要求3所述的伴随α中子管，其特征是：所说的环形伴随α粒子探测器(15)可由若干个用可伐合金管与异型玻璃光导焊接而成的小探测器环绕入射离子束组成，所有小探测器的探测端面形成一个完整的圆台侧面。
5.根据权利要求1或2所述的伴随α中子管，其特征是：伴随α粒子探测器(15)由可伐合金管(15A)和玻璃片焊接而成，其上烧结一层无机闪烁体。
6.根据权利要求5所述的伴随α中子管，其特征是：所说的伴随α粒子探测器(15)可由若干个用可伐合金管与玻璃片焊接而成的小探测器环绕入射离子束组成。
7.根据权利要求6所述的伴随α中子管，其特征是：所说的环形伴随α粒子探测器由四个用异型玻璃光导和可伐合金管焊接的小探测器组成，每个光导的探测端面(15C)呈四分之一圆台侧面。
8.根据权利要求7所述的伴随α粒子中子管，其特征是：伴随α粒子探测器由四个用圆形玻璃片和可伐合金管焊接而成的小探测器组成。
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