Устройство и способ управляемой скважинной генерации ионизирующего излучения без использования радиоактивных изотопов химических элементов

Использование: для управляемой скважинной генерации ионизирующего излучения без использования радиоактивных изотопов химических элементов. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для управляемой скважинной генерации ионизирующего излучения (12) включает, по меньшей мере, термоэлектронный эмиттер (11), расположенный в первой оконечной части (7а) электрически изолированного вакуумного контейнера (9), и лептонную мишень (6), расположенную во второй оконечной части (7b) электрически изолированного вакуумного контейнера (9). Термоэлектронный эмиттер (11) подключен к ряду последовательно соединенных элементов увеличения отрицательного электрического потенциала (14₁, 14₂, 14₃, 14₄), причем каждый из указанных элементов увеличения электрического потенциала (14₁, 14₂, 14₃, 14₄) выполнен с возможностью увеличения приложенного потенциала постоянного тока (δV₀, δV₁, δV₁₊₂, … δV₁₊₂₊₃) путем преобразования приложенного напряжения возбуждения (V_АС) и передачи увеличенного отрицательного электрического потенциала постоянного тока (δV₁, δV₁₊₂, …, δV_1+2+3+4), а также напряжения возбуждения (V_AC) к следующей ячейке ряда последовательно соединенных элементов (14₁, 14₂, 14₃, 14₄, 5), а ионизирующее излучение (12) превышает 200 кэВ, при этом основная часть спектрального распределения находится в пределах комптоновского диапазона длин волн. Технический результат: обеспечение возможности испускать излучение большой энергии в форме рентгеновского и гамма-излучения в стволе скважины без использования высокорадиоактивных изотопов химических элементов. 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Предложено устройство для управляемой скважинной генерации ионизирующего излучения, включающее, по меньшей мере, термоэлектронный эмиттер, расположенный в первой оконечной части электрически изолированного вакуумного контейнера, и лептонную мишень, расположенную во второй оконечной части электрически изолированного вакуумного контейнера. Термоэлектронный эмиттер подключен к ряду последовательно соединенных элементов увеличения отрицательного электрического потенциала, причем каждый из указанных элементов увеличения электрического потенциала выполнен с возможностью увеличения приложенного потенциала постоянного тока путем преобразования приложенного напряжения возбуждения и передачи увеличенного электрического потенциала постоянного тока, а также напряжения возбуждения к следующей ячейке ряда последовательно соединенных элементов, а ионизирующее излучение превышает 200 кэВ, при этом основная часть спектрального распределения находится в пределах комптоновского диапазона длин волн.

Уровень техники

В настоящее время радиоактивные изотопы широко используются при каротаже скважин и сборе скважинных данных. В известном уровне техники не было возможности использовать нерадиоактивные системы, способные генерировать энергию фотонов, необходимую для замены энергии, испускаемой традиционными радиоактивными изотопами, которые применяются при каротажных работах в стволах скважин и т.п., иными словами, устройство, обеспечивающее рентгеновское и гамма-излучение более 200 кэВ и размещаемое в корпусе диаметром меньше 4 дюймов (101 мм). На сегодняшний день типовой максимальный диаметр корпусов для размещения каротажной аппаратуры составляет порядка 3 5/8 дюйма (92 мм).

Излучательная способность и, следовательно, интенсивность излучения изотопов является функцией периода их радиоактивного полураспада. Чтобы уменьшить время, необходимое для регистрации достоверного количества обнаруженных вторичных фотонов, изотоп должен иметь соответствующий короткий период полураспада, при этом необходимо использовать как можно большее количество материала для повышения отдачи. Это усложняет соотношение между экономичностью и безопасностью; чем больше времени занимают каротажные работы, тем выше затраты, связанные с инфраструктурой (такие как время использования буровой установки), и (или) производственные потери; при этом чем короче время каротажных работ, тем больше риск, связанный с используемыми изотопами, и тем более широкие меры предосторожности необходимо принимать при работе с изотопами.

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является устранение или, по меньшей мере, уменьшение недостатков известного уровня техники, или, по меньшей мере, предложение полезной альтернативы известному уровню техники.

Эта цель достигается за счет признаков, которые приведены в нижеследующем описании и прилагаемой формуле изобретения.

Способность испускать излучение большой энергии в форме рентгеновского и гамма-излучения «по требованию» в стволе скважины и т.п. без использования высокорадиоактивных изотопов химических элементов даст большие преимущества в нефтегазовой отрасли при плотностном каротаже, каротаже в процессе бурения, скважинных измерениях в процессе бурения и регистрации параметров скважинных операций.

В дальнейшем тексте используется термин «лептон». Термин происходит от греческого слова λεптov, означающего «маленький» или «тонкий». В физике частица называется лептоном, если она имеет спин 1/2 и не воспринимает энергию волн цветового спектра. Лептоны образуют семейство элементарных частиц. Известны 12 типов лептонов, 3 из которых являются материальными частицами (электрон, мюон и тау-лептон), 3 представляют собой нейтрино, и 6 - их соответствующие античастицы. Все известные заряженные лептоны имеют единичный отрицательный или положительный электрический заряд (в зависимости от того, являются ли они частицами или античастицами), при этом все нейтрино и антинейтрино электрически нейтральны. В целом, количество лептонов одного типа (электронов и электронных нейтрино; мюонов и мюонных нейтрино; таонов и тау-нейтрино) при взаимодействии частиц остается одним и тем же. Это явление известно как «сохранение лептонного числа».

Существующие меры контроля, логистики, обращения и безопасности, связанные с радиоактивными изотопами в нефтегазовой отрасли, обусловливают высокие затраты, при этом система, которая не требует использования радиоактивных изотопов химических элементов, но может создавать эквивалентное излучение «по требованию», исключает необходимость во многих затратах на контроль и логистику, связанных с обращением с изотопами.

Вследствие введения более строгих правил контроля в отношении хранения, использования и перемещения высокорадиоактивных изотопов химических элементов, вызванного принятием мер по предотвращению терроризма, резко возросли затраты, относящиеся к безопасности и логистике, которые связаны со многими тысячами изотопных материалов, ежедневно используемых в отрасли.

В изобретении предлагаются устройство и способ, позволяющие создавать рентгеновское и гамма-излучение с составляющими спектра в пределах комптоновского диапазона длин волн и выходом излучения наружу за счет ускорения лептонов между двумя электродами с высокими электрическими потенциалами противоположной полярности, при этом регулируемый потенциал каждого электрода поддерживается системой ступеней увеличения электрического потенциала, выполненных с возможностью получения и регулирования очень высоких напряжений (свыше 100000 В) в электрически заземленном корпусе предпочтительно цилиндрической формы с поперечным размером не менее 4 дюймов (101 мм). Соответственно, мощность на выходе системы намного больше мощности гамма-излучающих изотопов, что приводит к значительному уменьшению времени, необходимого для регистрации достаточного объема данных во время каротажных работ, благодаря чему снижаются как расход времени, так и затраты. В системе не используются высокорадиоактивные изотопы, что устраняет необходимость в процедурах контроля, обращения и обеспечения безопасности, связанных с радиоактивными изотопами.

Устройство снабжено компонентами, выполненными с возможностью генерирования, при необходимости, ионизирующего излучения в околоскважинном пространстве без использования высокорадиоактивных изотопов химических элементов, например, таких как кобальт-60 или цезий-137.

Устройство включает следующие основные компоненты:

- модульную систему для получения и регулирования высоких электрических потенциалов, как положительных, так и отрицательных, с заземленным корпусом предпочтительно цилиндрической формы с относительно небольшим диаметром;

- систему поддержания электрического разделения высоких электрических потенциалов и земли, которая включает геометрические элементы регулирования возбуждения, герметизирующие газообразные электроизоляционные материалы и опорные геометрические элементы, препятствующие утечке:

- систему, которая использует электрическое поле, образованное биполярными электрическими потенциалами, для ускорения лептонов в направлении лептонной мишени;

- геометрию мишени и лептонного потока, которая приводит к образованию ионизирующего излучения в форме радиального излучения, осесимметричного относительно продольной оси устройства.

Конкретнее, настоящее изобретение относится к устройству для управляемой скважинной генерации ионизирующего излучения, отличающемуся тем, что оно включает

- по меньшей мере, термоэлектронный эмиттер, расположенный в первой оконечной части электрически изолированного вакуумного контейнера: и

- лептонную мишень, расположенную во второй оконечной части электрически изолированного вакуумного контейнера:

- термоэлектронный эмиттер, подключенный к ряду последовательно соединенных элементов увеличения отрицательного электрического потенциала;

- каждый из указанных элементов увеличения электрического потенциала выполнен с возможностью увеличения приложенного потенциала постоянного тока путем преобразования приложенного напряжения возбуждения и передачи повышенного электрического потенциала постоянного тока, а также напряжения возбуждения к следующей ячейке ряда последовательно соединенных элементов:

- ионизирующее излучение превышает 200 кэВ, при этом основная часть спектрального распределения находится в пределах комптоновского диапазона длин волн.

Вакуумный контейнер может представлять собой электровакуумную трубку. Это обеспечивает значительное снижение сопротивления излучению вакуумного контейнера.

Лептонная мишень может иметь осесимметричную форму. Это улучшает распределение излучения во всех направлениях относительно устройства.

Лептонная мишень может иметь коническую форму. Преимущество такой формы заключается в том, что случайное рассеяние термоэлектронной эмиссии приводит к равномерному распределению излучения по всей окружности устройства.

Лептонная мишень может быть, по существу, выполнена из материала, сплава или композита, относящегося к группе, которая состоит из вольфрама, тантала, гафния, титана, молибдена, меди, а также любого нерадиоактивного изотопа элемента с атомным номером выше 55. Это обеспечивает более высокую выходную мощность в подходящей части спектра излучения.

Лептонная мишень может быть подключена к ряду последовательно соединенных элементов увеличения положительного электрического потенциала, при этом каждый из указанных элементов увеличения положительного электрического потенциала выполнен с возможностью увеличения приложенного потенциала постоянного тока путем преобразования приложенного высокочастотного напряжения возбуждения и передачи повышенного положительного электрического потенциала постоянного тока, а также напряжения возбуждения к следующей ячейке ряда последовательно соединенных элементов. Это обеспечивает улучшенное регулирование геометрии поля напряжения.

Напряжение возбуждения может представлять собой напряжение переменного тока частотой около 60 Гц. При этом заданная энергия может генерироваться при более низкой требуемой мощности токонесущих компонентов.

Фильтр для увеличения жесткости спектра может быть установлен в целях исключения части излучения малой энергии из генерируемого ионизирующего излучения. При этом фильтрация удаляет шумы из выходного излучения.

Фильтр для увеличения жесткости спектра может быть выполнен из материала, сплава или композита, относящегося к группе, которая состоит из меди, родия, циркония, серебра и алюминия. При этом может генерироваться излучение в нужной области спектра.

На лептонной мишени может быть расположен защитный экран с одним или несколькими отверстиями, выполненными с возможностью создания излучения, управляемого по направлению. Таким образом, если желательно, можно управлять направлением излучения.

Устройство может включать корпус, который выполнен с возможностью герметизации с помощью электроизоляционного вещества в газообразной форме. Это обеспечивает снижение риска искрения и образования дугового электрического разряда.

Электроизоляционное вещество может представлять собой гексафторид серы. Гексафторид серы обладает очень хорошими изоляционными свойствами.

Корпус может иметь поперечный размер, который не превышает 101 мм (4 дюйма). Вследствие этого, устройство вполне пригодно для всех условий проведения внутрискважинного каротажа.

Каждый элемент увеличения электрического потенциала может включать средства, позволяющие прикладывать входной потенциал, равный его собственному входному потенциалу, к следующему элементу увеличения электрического потенциала.

Краткое описание чертежей

Ниже описан пример предпочтительного варианта осуществления изобретения, иллюстрируемый с помощью прилагаемых чертежей.

На ФИГ.1 показаны продольный разрез первого, двухполярного примера осуществления устройства согласно настоящему изобретению, где термоэлектронный эмиттер и лептонная мишень подключены к соответствующему ряду элементов увеличения электрического потенциала, а также график, представляющий электрический потенциал для каждой ступени ряда элементов увеличения потенциала.

На ФИГ.2а показан типовой спектр излучения изотопа цезий-137.

На ФИГ.2b показан типовой выходной сигнал устройства согласно настоящему изобретению, когда электрический потенциал -350000 В приложен к термоэлектронному эмиттеру, а электрический потенциал +350,000 В приложен к лептонной мишени.

На ФИГ.2с показан результат применения такой же комбинации элементов, как на ФИГ.2b, в случае использования спектрального фильтра из чистой меди.

На ФИГ.2d показан эффект спектрального фильтра, выполненного из композита, состоящего из меди, родия и циркония.

На ФИГ.3, в большем масштабе, чем на ФИГ.1, показана секция продольного разреза варианта устройства согласно настоящему изобретению, при этом вокруг лептонной мишени расположен защитный экран с отверстием, создающий управляемое по направлению излучение.

На ФИГ.4 показан продольный разрез второго, однополярного примера осуществления устройства согласно настоящему изобретению, в котором термоэлектронный эмиттер подключен к ряду элементов увеличения электрического потенциала и генерирует излучение в радиальном направлении относительно заземленной конической лептонной мишени в заземленном вакуумном контейнере.

На ФИГ.5 показан продольный разрез третьего, трехполярного примера осуществления устройства согласно настоящему изобретению, в котором термоэлектронный эмиттер подключен к ряду элементов увеличения электрического потенциала и генерирует излучение в осевом направлении относительно заземленной конической лептонной мишени в заземленном вакуумном контейнере.

Осуществление изобретения

На рисунках позиционное обозначение 1 относится к герметичному цилиндрическому корпусу с внешним диаметром, не превышающим 4 дюймов (101 мм). Корпус 1 осесимметричен относительно продольной оси и выполнен с возможностью электрического заземления. Корпус 1 предпочтительно выполнен с возможностью герметизации при помощи электроизоляционного вещества 15 в газообразной форме, в качестве которого в одном из вариантов осуществления применяется гексафторид серы. Термоэлектронный эмиттер 11 и лептонная мишень расположены в цилиндрическом вакуумном контейнере 9, который снабжен двумя электроизоляционными колпачками 7а, 7b, образующими закрытые оконечные части электровакуумной трубки 7с, электрически связанной с охватывающим корпусом 1, вследствие чего указанный контейнер 9 образует электрически заземленную опорную конструкцию, а также трубку, фокусирующую электрическое поле.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения никакая детекторная система, способствующая сбору данных в ходе каротажных работ, не включена в состав устройства, но, при необходимости, экранированные фотонные детекторы, такие как детекторные системы на основе иодида натрия или иодида цезия, либо детектор(ы) любого другого типа могут быть расположены по периметру цилиндрического вакуумного контейнера 9, помещенного в пределах наружного диаметра заземленного цилиндрического корпуса 1, без какого-либо воздействия высокопотенциального поля на электронные системы детекторов.

В предпочтительном варианте осуществления лептоны 8 формируются с помощью термоэлектронного эмиттера 11, однако, кроме этого, можно применять также радиоволновой метод и метод холодного катода.

Теплое состояние и высокий отрицательный электрический потенциал термоэлектронного эмиттера 11 относительно заземленного корпуса 1 поддерживаются при помощи системы, состоящей из двух или нескольких элементов увеличения отрицательного электрического потенциала 14_1-n, (на рисунках показана система из четырех элементов 14_1-4). Первичный повышающий элемент 14₁, обеспечивающий первое увеличение потенциала в рамках системы последовательно соединенных элементов, получает электропитание от электрического регулятора 2, который запитывается напряжением постоянного или переменного тока, как правило, в диапазоне от 3 до 400 В, подаваемого от дистанционного источника питания (не показан). Регулятор 2 выдает напряжение возбуждения переменного тока V_АС при частоте выше 60 Гц, предпочтительно, не менее 65 кГц, при этом элементы увеличения отрицательного электрического потенциала 14₁-14₄ выполнены таким образом, что система катушек трансформатора на каждой ступени используется для увеличения отрицательного потенциала δV₁, δV₁₊₂, δV₁₊₂₊₃, δV_1+2+3+4 переменного тока относительно потенциала заземления охватывающего корпуса 1 так, чтобы ряд элементов увеличения отрицательного электрического потенциала 14₁-14₄ увеличивал электрический потенциал до общего уровня, превышающего - 100000 В.

Каждый из элементов увеличения отрицательного электрического потенциала 14₁-14₄ расположен по центру и поддерживается внутри электрически заземленного корпуса 1 осесимметричной опорной конструкцией 3, выполненной из материала или композита, обладающего высоким диэлектрическим сопротивлением и хорошей теплопроводностью. В предпочтительном варианте осуществления изобретения применяется смесь полиакрилэфирэфиркетона и нитрида бора, однако может использоваться любой материал с высоким диэлектрическим сопротивлением. Осесимметричная опорная конструкция 3 выполнена таким образом, что расстояние, которое должна будет покрыть электрическая энергия опорной конструкции при распространении вдоль конструкции или сквозь материал опорной конструкции 3 от элементов увеличения отрицательного электрического потенциала 14₁-14₄ до заземленного охватывающего корпуса 1, намного больше, чем физическое расстояние по радиусу между элементами увеличения отрицательного электрического потенциала 14₁-14₄ и корпусом 1, чтобы препятствовать образованию дугового электрического разряда или искрения между проводниками, имеющими большую разность напряжений. Для непрерывного поддержания распределения электрического потенциала по поверхности элементов увеличения отрицательного электрического потенциала 14₁-14₄ с целью предотвращения возможных возмущений, способных привести к искрению или образованию дугового электрического разряда, на внешней поверхности каждого из элементов увеличения отрицательного электрического потенциала 14₁-14₄ расположен цилиндрический регулятор возбуждения 4, обеспечивающий, чтобы радиальный потенциал между каждым из элементов увеличения отрицательного электрического потенциала 14₁-14₄ и охватывающим корпусом 1 оставался постоянным по всей осевой длине элемента увеличения отрицательного электрического потенциала 14₁-14₄, образуя тем самым однородное поле, направленное к земле независимо от электрического потенциала δV₁, δV₁₊₂, δV₁₊₂₊₃, δV_1+2+3+4, конкретного элемента увеличения отрицательного электрического потенциала 14₁-14₄. Вместо того, чтобы использовать лишь один одноступенчатый элемент увеличения отрицательного электрического потенциала, применение многоступенчатых элементов увеличения отрицательного электрического потенциала 14₁-14₄ обеспечивает возможность уменьшения общего электрического потенциала на конце каждой ступени до минимального регулируемого потенциала ступени (см. график разностей потенциалов на ФИГ.1), вследствие чего разности потенциалов между компонентами или на компонентах в пределах каждой ступени не приводят к искрению или образованию дугового электрического разряда из-за коротких промежутков, используемых обычно в электрических цепях.

Выходную мощность электрического регулятора 2 можно увеличивать или уменьшать, регулируя тем самым величину выходного сигнала элементов увеличения отрицательного электрического потенциала 14₁-14₄. Однако в объем настоящего изобретения может входить любая конструкция, благодаря которой каждая ступень системы будет включать устройства для увеличения общего создаваемого потенциала. Например, в такой системе может использоваться умножитель напряжения на основе диодов/конденсаторов, относящийся к полуволновым умножителям по схеме Грейнахера/Вийяра.

Возбудитель 5 термоэлектронного эмиттера выпрямляет переменный ток высокого потенциала в целях подачи выпрямленного тока высокого напряжения на термоэлектронный эмиттер 11. Тем самым, обеспечивается ток возбуждения термоэлектронного эмиттера 11 и сохранения на термоэлектронном эмиттере 11 разности электрических потенциалов, превышающей -100000 В. Поскольку дифференциал напряжения переменного тока остается неизменным на каждой ступени системы последовательно соединенных элементов увеличения отрицательного электрического потенциала 14₁-14₄, изменяется только постоянная составляющая тока.

В предпочтительном варианте осуществления каждая трансформаторная катушка будет выполнена так, что третичная обмотка, имеющая число витков, равное числу витков в первичной обмотке, индуктивно связана таким образом, что отказ компонента любой ступени не приведет к отказу выхода при формировании высоких потенциалов в системе последовательно соединенных элементов, так как переменная составляющая тока будет передаваться через следующий элемент увеличения отрицательного электрического потенциала 14 независимо от того, был ли повышен уровень напряжения постоянного тока.

Возбудитель 5 термоэлектронного эмиттера может получать электропитание от выпрямленной переменной составляющей тока с выхода элементов увеличения отрицательного электрического потенциала 14₁-14₄. Возбудитель 5 термоэлектронного эмиттера и возбудитель 2а отрицательного электрического регулятора взаимодействуют беспроводным способом, обеспечивающим возможность проверки выхода элементов увеличения отрицательного электрического потенциала 14₁-14₄ без подключения проводов измерительной аппаратуры между двумя возбудителями 2а, 5. В предпочтительном варианте осуществления используется радиосвязь, при этом антенна располагается на возбудителе 5 термоэлектронного эмиттера и на возбудителе 2а отрицательного электрического регулятора, но при наличии линии прямой видимости за счет юстировки оптических окон или апертур ряда элементов увеличения отрицательного электрического потенциала 14₁-14₄ может также использоваться лазер.

Таким же образом выполнена система последовательно соединенных элементов увеличения положительного потенциала 17₁-17₄, выполняющих функции, аналогичные элементам увеличения отрицательного потенциала 14₁-14₄. Они расположены так, что выход системы подключен к лептонной мишени 6 через возбудитель 16 лептонной мишени, чтобы каждая ступень постепенно повышала потенциал для создания высокого положительного электрического потенциала δV_1+2+3+4 на выходе системы последовательно соединенных элементов увеличения положительного потенциала 17i₁-17₄. Возбудитель 16 лептонной мишени выпрямляет положительный переменный ток с выхода элементов увеличения положительного потенциала 17_i- 17₄ для поддержания на лептонной мишени 6 разности электрических потенциалов, превышающей +100000 В.

Возбудитель 16 лептонной мишени и возбудитель 2b положительного электрического регулятора взаимодействуют беспроводным способом, обеспечивающим возможность проверки выхода элементов увеличения положительного электрического потенциала 17₁-17₄ без подключения проводов измерительной аппаратуры между двумя возбудителями 2b, 16. В предпочтительном варианте осуществления используется радиосвязь, при этом антенна располагается на возбудителе 16 лептонной мишени и на возбудителе 2b положительного электрического регулятора, но при наличии линии прямой видимости за счет юстировки оптических окон или апертур ряда элементов увеличения положительного электрического потенциала 17₁-17₄ может также использоваться лазер.

Лептоны 8, которые ускоряются в сильном дипольном электрическом поле, созданном высоким отрицательным потенциалом термоэлектронного эмиттера 11 и высоким положительным потенциалом лептонной мишени 6, проносятся неослабленными через вакуум 10 контейнера 9 и сталкиваются с лептонной мишенью 6 на высокой скорости. Кинетическая энергия лептонов 8, которая возрастает за счет ускорения в электрическом поле, генерируемом между термоэлектронным эмиттером 11 и лептонной мишенью 6, выделяется в виде ионизирующего излучения 12 после столкновения с лептонной мишенью 6 вследствие резкой потери кинетической энергии. Поскольку лептонная мишень 6 сохраняет свой высокий положительный потенциал, лептоны 8 при помощи элементов увеличения положительного потенциала 17 переносятся электрическим полем от лептонной мишени 6 к возбудителю 2b положительного регулятора.

В предпочтительном варианте осуществления лептонная мишень 6 представляет собой коническую конструкцию, выполненную из вольфрама, однако, помимо любого нерадиоактивного изотопа элемента с высоким атомным номером (выше 55), могут также использоваться сплавы и композиты из вольфрама, тантала, гафния, титана, молибдена и меди. Лептонной мишени 6 может также быть придана осесимметричная форма, например цилиндрического или кольцевого гиперболоида, или любой фигуры, обеспечивающей осевую симметрию.

Характерная для лептонов 8 естественная тенденция отклоняться при пролете между термоэлектронным эмиттером 11 и лептонной мишенью 6 приводит к возникновению зоны столкновений лептонов 8 на лептонной мишени 6, образующей кольцевое поле вокруг вершины конического тела. Результирующее первичное ионизирующее излучение 12, которое частично затеняется лептонной мишенью 6, как правило, рассеивается, имея распределение, напоминающее сплюснутый сфероид. Вследствие этого, ионизирующее излучение 12 распространяется во всех направлениях, сохраняя осевую симметрию вокруг продольной оси устройства, тем самым одновременно облучая все структуры прилегающего пласта и ствола скважины. Максимальная выходная энергия ионизирующего излучения 12 прямо пропорциональна разности потенциалов между термоэлектронным эмиттером 11 и лептонной мишенью 6. Если термоэлектронный эмиттер 11 имеет потенциал -331000 В и связан с лептонной мишенью 6 с потенциалом +331000 В, то между термоэлектронным эмиттером 11 и лептонной мишенью 6 будет получена разность потенциалов 662000 эВ, которая обеспечивает результирующую пиковую энергию выходного ионизирующего излучения 12 порядка 662000 эВ, соответствующую первичной выходной энергии цезия-137, который обычно используется при плотностном каротаже геологического разреза. Тепловая энергия, создаваемая при взаимодействии лептонов 8 с лептонной мишенью 6, отводится к электрически заземленному охватывающему корпусу 1 при помощи электронепроводящей теплопроводной конструкции 13, геометрически и функционально напоминающей осесимметричные опорные конструкции 4, хотя, в предпочтительном варианте осуществления, используется более высокий объемный процент нитрида бора с целью повышения эффективности теплопередачи.

Потенциалы термоэлектронного эмиттера 11 и лептонной мишени 6 могут изменяться по отдельности, целенаправленно либо из-за отказа ступени. Общая разность потенциалов между термоэлектронным эмиттером 11 и лептонной мишенью 6 продолжает определяться суммированием двух потенциалов. В наиболее предпочтительном варианте осуществления устройство выполнено с двойной полярностью согласно настоящему описанию, однако данное устройство может также функционировать в однополярном режиме, в котором лептонная мишень 6 имеет нулевой электрический потенциал благодаря присоединению к охватывающему цилиндрическому корпусу 1, при этом лептонная мишень 6 обладает такой конфигурацией, которая позволяет направлять выходное излучение, по существу, в осевом или радиальном направлении устройства, как видно из ФИГ.4 и 5.

Чтобы лучше воспроизводить выходной спектр, обычно связанный с изотопами химических элементов, можно использовать цилиндрический фильтр 18 для увеличения жесткости спектра, который охватывает радиальный выход лептонной мишени 6 (см. ФИГ.3). В предпочтительном варианте осуществления используется фильтр 18 для увеличения жесткости спектра из меди и родия, однако может также применяться любой материал, фильтрующий ионизирующее излучение или его композиты, например медь, родий, цирконий, серебро и алюминий. Фильтр 18 для увеличения жесткости спектра обладает эффектом исключения излучения малой энергии и характеристических спектров, связанных с выходным излучением лептонной мишени 6, что повышает среднюю энергию всего спектра испускания в направлении более высоких фотонных энергий (см. графики на ФИГ.2a-2d). Можно также применять комбинацию из нескольких фильтров 18.

В предпочтительном варианте осуществления фильтр 18 для увеличения жесткости спектра можно расположить таким образом, чтобы вводить и выводить его из зоны излучения, воздействуя тем самым на фильтрацию спектра. Можно также применять фиксированный фильтр или комбинацию фиксированных фильтров.

Когда желательно получить управляемое по направлению излучение из лептонной мишени 6, вокруг выхода лептонной мишени 6 можно расположить поворотный или фиксированный цилиндрический защитный экран 20 с одним или несколькими отверстиями, что создает излучение 19, управляемое по направлению (см. ФИГ.3).

Устройство и способ позволяют создавать ионизирующее излучение как функцию электрического потенциала, прикладываемого к системе. Соответственно, мощность на выходе системы намного больше мощности, достигаемой при использовании изотопов, что существенно сокращает время, необходимое для регистрации достаточного объема данных в ходе каротажных работ, благодаря чему уменьшается общий расход времени и затраты.

Поскольку входной потенциал системы можно изменять, что дает возможность соответствующего увеличения или уменьшения энергии первичного излучения, одна и та же система может заменить широкий спектр изотопов химических элементов, каждый из которых обладает конкретным значением выходной энергии фотонного излучения, просто регулируя приложенную энергию в соответствии с конкретными требованиями к выходному излучению.

Модульная система увеличения электрического потенциала позволяет подавать на устройство, находящееся в стволе скважины, ток низкого напряжения, поскольку высокое напряжение, необходимое для генерации ионизирующего излучения, формируется и регулируется внутри устройства.

В системе не используются радиоактивные изотопы химических элементов, например, такие как кобальт-60 или цезий-137, что устраняет недостатки, связанные с контролем, логистикой, мерами по охране окружающей среды и мерами безопасности при работе с радиоактивными изотопами.

Кроме того, технология внутрискважинных работ требует размещения радиоактивных изотопов химических элементов в части компоновки низа бурильной колонны, что максимально облегчает их извлечение из бурильной колонны в случае потери компоновки низа бурильной колонны при выполнении буровых работ. По этой причине приходится помещать изотоп на высоте 50 метров над бурильной головкой в точке, где бурильная колонна присоединяется к компоновке низа бурильной колонны. Устройство, которое не содержит радиоактивных веществ и, следовательно, может быть оставлено в скважине, нет необходимости располагать с учетом возможности извлечения. Соответственно, устройство, испускающее излучение, и детекторную систему можно располагать ближе к бурильной головке, приближая поступление сигнала обратной связи из ствола скважины к реальному времени.

Преимущество регулируемого источника излучения также состоит в том, что он позволяет выполнять различные каротажные работы при разных уровнях энергии без необходимости извлекать его из ствола скважины для перенастройки, что дает оператору возможность получить больший объем данных за более короткий промежуток времени.

1. Устройство для управляемой скважинной генерации ионизирующего излучения (12), превышающего 200 кэВ, с основной частью спектрального распределения, находящейся в пределах комптоновского диапазона длин волн, содержащее, по меньшей мере, термоэлектронный эмиттер (11), расположенный в первой оконечной части (7а) электрически изолированного вакуумного контейнера (9), и лептонную мишень (6), расположенную во второй оконечной части (7b) электрически изолированного вакуумного контейнера (9), отличающееся тем, что термоэлектронный эмиттер (11) подключен к ряду последовательно соединенных элементов увеличения отрицательного электрического потенциала (14₁, 14₂, 14₃, 14₄), каждый из которых выполнен с возможностью увеличения приложенного потенциала постоянного тока (δV₀, δV₁, δV₁₊₂, …, δV₁₊₂₊₃) путем преобразования приложенного напряжения возбуждения (V_AC) и с возможностью передачи увеличенного отрицательного потенциала постоянного тока (δV₁, δV₁₊₂, …, δV_1+2+3+4), а также напряжения возбуждения (V_AC) к следующей ячейке ряда указанных последовательно соединенных элементов (14₂, 14₃, 14₄, 5).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вакуумный контейнер (9) представляет собой электровакуумную трубку.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что лептонная мишень (6) имеет осесимметричную форму.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что лептонная мишень (6) имеет коническую форму.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что лептонная мишень (6), по существу, выполнена из материала, сплава или композита, выбранного из группы, которая включает в себя вольфрам, тантал, гафний, титан, молибден, медь и любой нерадиоактивный изотоп элемента с атомным номером выше 55.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что лептонная мишень (6) подключена к ряду последовательно соединенных элементов увеличения положительного электрического потенциала (17₁, 17₂, 17₃, 17₄), каждый из которых выполнен с возможностью увеличения приложенного потенциала постоянного тока (δV₀, δV₁, δV₁₊₂, …, δV₁₊₂₊₃) путем преобразования высокочастотного напряжения возбуждения (V_AC) и с возможностью передачи увеличенного положительного потенциала постоянного тока (δV₁, δV₁₊₂, …, δV_1+2+3+4), а также напряжения возбуждения (V_AC) к следующей ячейке ряда указанных последовательно соединенных элементов (17₁, 17₂, 17₃, 17₄, 16).

7. Устройство по п.1 или 6, отличающееся тем, что напряжение возбуждения (V_AC) представляет собой высокочастотное напряжение переменного тока с частотой выше 60 Гц.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что предусмотрен фильтр (18) для увеличения жесткости спектра, выполненный с возможностью исключения части излучения малой энергии из генерируемого ионизирующего излучения (12).

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что фильтр (18) для увеличения жесткости спектра выполнен из материала, сплава или композита, выбранного из группы, которая включает в себя медь, родий, цирконий, серебро и алюминий.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что лептонная мишень (6) снабжена защитным экраном (20) с одним или более отверстиями для создания управляемого по направлению излучения (19).

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что включает корпус (1), который выполнен с возможностью герметизации с помощью электроизоляционного вещества (15) в газообразной форме.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что электроизоляционное вещество (15) представляет собой гексафторид серы.

13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что корпус (1) имеет поперечный размер, который не превышает 101 мм.

14. Устройство по п.1 или 6, отличающееся тем, что каждый элемент увеличения электрического потенциала (14₁, 14₂, 14₃, 14₄; 17₁, 17₂, 17₃, 17₄) включает средства для приложения входного потенциала, равного его собственному входному потенциалу, к следующему элементу увеличения электрического потенциала (14₁, 14₂, 14₃, 14₄; 17₁, 17₂, 17₃, 17₄).