影响中子管产额因素的分析

刘 炯 骆庆锋 鲁 宁 麻惠生 闫水浪 魏阿勃

(中国石油测井集团有限公司随钻测井中心 陕西西安)

影响中子管产额因素的分析

刘 炯 骆庆锋 鲁 宁 麻惠生 闫水浪 魏阿勃

(中国石油测井集团有限公司随钻测井中心 陕西西安)

通过中子管计算产额与实际产额的对比,从理论和试制经验分析了导致中子产额下降的几个因素,为中子管设计改进和工艺优化提供了参考。

中子管;产额;影响因素

0 引 言

对一定型号中子管产品,其中子产额的潜力有多大?有怎样的期待值可挖掘或者评判中子管工作在什么样的状态?对确定的工作参数下,我们应该有一个可信的基准作为参考来比较实际工作中的中子管,评价它的优良性或分析找出问题存在的可能性,进而找到努力的方向进行优化设计。

1 中子管理论产额的计算与实测产额

1.1 物理模型下理论产额计算

以中石油测井仪器厂生产的MZ30自生靶中子管为物理模型作理论产额计算。首先对中子管作如下理想状态的设定:

储存器吸入的氘、氚混合气原子比为1:1;离子源输出单原子离子D+1、T+1所占比例约20%;这些离子形成的靶流100%到达靶面,并截止于钛膜中;经过注入饱和后,钛与D、T的吸附比为1:1:1;D、T在靶膜中不扩散不逸出。

工作参数为:中子管靶压Vt=-100 kV,靶流It=100μA(阳极高压Ua=2 500 V)。以此进行中子产额的理论计算。

由靶流值可得到每秒到达靶面的D+1、T+1数I:

式(1)中,e-为电子基本电量。

以典型的膜重为3 mg靶子为例,则中子管靶子的钛膜膜厚d为:

式(2)中:G为镀钛膜质量,S为150中子管靶面积,cm2。由膜厚d可得出靶单位面积的靶核数(即钛原子数),因Ti与D、T的吸附率设定为1:1:1,所以也就代表了靶单位面积上的氘、氚核数Ns。

式(3)中,Na为阿伏加德罗常数,A为氢原子量。

由3H(d,n)4He反应激发曲线可获得对应于100 kV的入射氘离子,其D-T反应截面σ=4(b)[1]。σ的物理意义表示一个入射粒子同单位面积靶上一个靶核所发生反应的几率,可表示为:

式(4)中,N为单位时间发生的反应数(单指DT反应),I为单位时间入射到靶上的粒子数,Ns为单位面积的靶核数。如此,N代表了D-T反应所产生的中子数。考虑到入射氘离子数占入射离子流I的1/2,且单原子离子D+1比例为10%,靶中氚核数也占Ns的1/2,所以中子产额Y可为:

即理论中子产额Y应达到109量级水平。考虑实际与模型假设的误差以及氘氚核反应是在入射离子的有效射程内进行,因此,实际中子产额应比理论中子产额低。严格控制中子管生产工艺,合理设计靶膜厚度(为氘离子有效射程的1～1.5倍),力求接近理论中子产额的1/10左右,也在5×108水平,远高于现有自生靶中子管的实际中子产额。

1.2 实际150中子管产额

表1是近年生产的自生靶150中子管的实际产额原始记录。

表1 2005-2006年交检的几支150中子管记录

其中中子计数与中子产额的换算关系为:

中子产额Y=中子计数平均值×8.46×104

系数8.46×104是中子测试大厅内中子辐射通量测量仪经过计量标定的换算值,中子计数平均值取自每支管子最终检验测量时的10组计数值。可见实际中子管的产额要远低于理论中子产额值。

2 实际中子产额低的分析

实际中子管产额低于理论中子产额,其原因大致可归结为以下几个方面。

2.1 离子源效率

现生产的MZ30系列中子管(包括150中子管)均采用同样的离子源结构,由于磁材料的限制,采取的是外置式结构,离子源阳极电离室磁场较弱,一般在0.08T的量级。冷阴极潘宁离子源是基于电子在两个电极间运动与中性气体(氘、氚气体)发生电离碰撞的原理,磁场位于轴向,阴阳极间有上千伏的电压,当电离开始时,电子在电场和磁场共同作用下呈螺旋形运动,同时也防止电子向阳极壁扩散。离子源中等离子体的密度主要依靠磁场产生的挤压作用,若增大磁场强度,能增大离子密度,也可增加电子在放电区域内的轨迹长度,增加氘、氚气体的电离机会,达到增加单原子离子的目的。查阅相关文献,在150中子管的离子源结构和阳极高压(2 000～2 500 V)以及中子管内工作气压(～10-2Pa)的工作条件下,放电室中心区域即阳极环中心处磁场强度大致应在0.2T量级较为理想[2]。这就要求寻找更加优异的磁材料。除了考虑磁材料的磁能积,还需考虑磁材料的温度特性。当然也可对离子源的结构进行重新优化设计,如法国中子管离子源结构形式。

2.2 靶流的品质

这与离子源的离子引出口结构以及加速间隙电场分布直接相关,离子源的离子引出口过大,引出离子离散性大,被加速的离子会聚差,造成对管壁及加速电极的轰击形成溅射;引出口过小,直接减弱靶流对产额形成影响,所以,应根据工作靶压的范围,适当调整引出口尺寸。离子源和加速极的外形形状和加速间隙大小关乎加速间隙电场的分布,优化电极的外形设计能形成较理想的电场分布,有利于对离子束流的会聚作用,形成理想的离子束轨迹光路,使得加速的离子束充分打在靶面上,即提高束流品质。

2.3 离子轰击靶面或加速电极产生的二次电子[3]

针对此问题,较为有效的方法是引入带二次电子抑制的靶结构,查阅有关文献,离子轰击靶面或加速电极产生的二次电子约占到了近靶流的10%[4],甚至更大(注:引用资料中实验为无抑制加速电极及平面靶结构)。二次电子抑制结构基本有两种结构形式,一种为反向电压电极法,另一种为靶面轴向弱磁场结构法,两种方法均需在工作中进行反复实验以确定具体参数(如抑制电压比例、磁场强弱等)。

2.4 由中子管生产工艺过程中引入的问题

在中子管生产过程中,由于各种原因致使可能的工艺上的缺陷,造成中子管真空洁净度不够,或存在污染,导致中子管在封离真空系统后的电离、加靶压工作中,在加速间隙空间和中子管管壁形成放电,严重影响中子产额,这需要严格控制零件处理工艺过程。

另外,使用温度特性、高压绝缘好的真空陶瓷(A-95)替代玻璃外壳,使中子管排气温度由原来的470°C提高至近600°C左右,这可提高中子管真空度,有力提升了管子高压绝缘与温度性能。

2.5 自然损耗原因

这主要是由于氚自然衰变和正常工作条件下DT反应所产生氦气对管内气压影响造成的[3]。对此,需综合考虑靶的膜厚、充氚量等因素加以控制。

3 结束语

针对可能造成中子管产额降低的因素分析,设计上可进行改进与优化的内容主要有离子源电磁场结构和二次电子抑制结构,这对提高离子流品质起着关键作用。从中子管老练试验可发现产额随着靶压的提高在100kV后仍然还在不断提高,说明离子流中双原子、甚至三原子比例的存在,所以针对以上分析的影响因素进行改进,提高中子管产额的空间还是比较大的。

[1] 卢希庭,原子核物理[M].北京:原子能出版社,1981

[2] 宵坤祥,周明贵,谈效华,等.用于石油测井中子管的微型潘宁源的研制[J].核技术,2005,28(7)

[3] 梁 蜂,麻惠生.测井用中子管的损耗问题[J].测井技术,1997,21(2)

[4] 王 静,段 萍.中子管靶面二次电子抑制[J].长安大学学报,2003,23(2)

PI,2010,24(6):22～23

By contrasting calculation yield to actual yield of neutron tube,several factors leading to neutron yield decline are found from theory and trial experience,which can be used as the reference to neutron tube design improvements and process optimization.

Key words:neutron tube,yield

Analysis on the influence factors of neu-tron tube yield.

Liu Jiong,Yan Shuilang,Luo Qingfeng,Lu Ning and Ma Huisheng.

P631.8+17

B

1004-9134(2010)06-0022-02

刘 炯,男,1963年生,高级工程师,1986年毕业于兰州大学原子核物理专业,长期从事核测井仪器、脉冲中子类仪器、中子管的研究与制造。邮编:710054

2010-04-08编辑:姜 婷)