[实用新型]用于井下测量的高压发生装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种在需要超高压情况下使用的高压发生装置。更具体地说，本实用新型涉及一种用在井下测量情况下的高压发生装置。

背景技术

高压发生装置是一种将AC转换为DC的装置，其通常包括AC电源以及与其连接的倍压电路，其可应用于可控中子发生器等需要超高压的领域。

在通过可控中子源对井下进行测试时，高压倍压装置给中子管提供稳定的-100KV超高压，以在中子管内部形成高压电场，离子经电场加速后进行轰靶。而由于井下仪器的特点，高压倍压装置通常设计成管状柱结构。

目前为中子管提供100KV的电路一般是Cockroft-Walton串联形式的倍压电路，如图1所示，其包括电容和二极管，输入端为变压器，它提供高达 5-8KVAC信号，工作在半波方式的倍压电路通过多级串联，将AC信号转换为高压直流电压信号输出。这种电路被广泛用于测井设备中，但其也存在如下缺点：

首先，传统的高压倍压电路都是采用串联电路，由于电路拓扑结构的特点，在高温环境下(150度以上)，输出的电压会有很大的跌落电压和纹波电压(与级数的平方或立方值成正比)。所用的高温高压器件，虽然是货架标品，但由于是极限环境下使用，可靠性要求极高，成本很高，且在150℃高压倍压电路可稳定工作，而当温度高过150℃后，电路中的高压电容和二极管，漏电流会随温度呈现指数级的增加，不仅降低了输出电压，而且大大加重了前级的驱动电路的负载，降低了在更高温度，更深的地层使用的可靠性。

其次，使用Cockroft-Walton串联形式电路的级数也受到限制，原因是输出电压跌落值和纹波电压值随级数增加，具体来说，测井用中子管工作一般工作在1K-10K Hz脉冲状态下，即是说，倍压电路的负载不断在开路和全负载切换状态中。这种状态切换使得在中子管导通瞬间，倍压电路的输出电压产生电压跌落，跌落电压值与倍压级数的立方，电容值，输入AC频率，输出DC电流值即导通时的靶流相关，其关系可公式(1)可得出：

(其中，V_reg为跌落电压，N为级数(1个电容+1个二极管＝1级)，f为输入AC频率(Hz)，C为电容值(F)，I为DC输出电流(A)。

举例来计算：计算18级倍压器，1000pF电容，5KHz输入频率，120uA 输出电流，100KV的直流输出电压，将其导入以上公式，可得出V_reg＝13.14KV：也就是说在导通瞬间，100KV的输出电压会跌落至13.14KV，而跌落电压会严重影响中子产额，对数据统计的非弹谱和总谱带来误差。

另外就是高压输出时产生的纹波，这个噪声电压会影响中子管内离子加速速度。同样的，纹波的数值与串联倍压电路的级数的平方成正比，如公式 (2)所示：

V_Rip＝I(N²+N/2)/8fC

其中，V_RiP为纹波电压，N为级数(1个电容+1个二极管＝1级)，f为输入AC频率(Hz)，C为电容值(F)，I为DC输出电流(A)。

研究发现半导体二极管使用在150℃的温度上后，其耐受反向电压下降，漏电流增加。然而，如果二极管工作在较低的电压时，可以在175℃，甚至更高温度下正常工作。这样，如果能将加在二极管的电压降低，整个倍压装置就可以工作在175℃以上。通过增加倍压级数，则加在二极管上的反向电压就会下降。然而，如前所述，增加级数会导致跌落电压和纹波电压呈指数级增加。

2003年，Karthaus和Fischer提出一种改进型的Cockcroft-walton倍压电路，称为Karthaus-Fischer电路，如图2所示，简称并联方式的倍压电路。当使用并联拓扑结构的倍压器，输出电压的跌落与倍压级数呈正比关系，纹波电压只与电容值有关，与级数无关。因此，可通过更多的倍压级数来获得高压DC输出，而无需担心严重的电压跌落和纹波，其关系可由公式(3) 来表示：

V_Reg＝IN/fC