影響中子管產(chǎn)額因素的分析

劉 炯 駱慶鋒 魯 寧 麻惠生 閆水浪 魏阿勃

(中國(guó)石油測(cè)井集團(tuán)有限公司隨鉆測(cè)井中心 陜西西安)

影響中子管產(chǎn)額因素的分析

劉 炯 駱慶鋒 魯 寧 麻惠生 閆水浪 魏阿勃

(中國(guó)石油測(cè)井集團(tuán)有限公司隨鉆測(cè)井中心 陜西西安)

通過(guò)中子管計(jì)算產(chǎn)額與實(shí)際產(chǎn)額的對(duì)比,從理論和試制經(jīng)驗(yàn)分析了導(dǎo)致中子產(chǎn)額下降的幾個(gè)因素,為中子管設(shè)計(jì)改進(jìn)和工藝優(yōu)化提供了參考。

中子管;產(chǎn)額;影響因素

0 引 言

對(duì)一定型號(hào)中子管產(chǎn)品,其中子產(chǎn)額的潛力有多大?有怎樣的期待值可挖掘或者評(píng)判中子管工作在什么樣的狀態(tài)?對(duì)確定的工作參數(shù)下,我們應(yīng)該有一個(gè)可信的基準(zhǔn)作為參考來(lái)比較實(shí)際工作中的中子管,評(píng)價(jià)它的優(yōu)良性或分析找出問(wèn)題存在的可能性,進(jìn)而找到努力的方向進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 中子管理論產(chǎn)額的計(jì)算與實(shí)測(cè)產(chǎn)額

1.1 物理模型下理論產(chǎn)額計(jì)算

以中石油測(cè)井儀器廠生產(chǎn)的MZ30自生靶中子管為物理模型作理論產(chǎn)額計(jì)算。首先對(duì)中子管作如下理想狀態(tài)的設(shè)定:

儲(chǔ)存器吸入的氘、氚混合氣原子比為1:1;離子源輸出單原子離子D+1、T+1所占比例約20%;這些離子形成的靶流100%到達(dá)靶面,并截止于鈦膜中;經(jīng)過(guò)注入飽和后,鈦與D、T的吸附比為1:1:1;D、T在靶膜中不擴(kuò)散不逸出。

工作參數(shù)為:中子管靶壓Vt=-100 kV,靶流It=100μA(陽(yáng)極高壓Ua=2 500 V)。以此進(jìn)行中子產(chǎn)額的理論計(jì)算。

由靶流值可得到每秒到達(dá)靶面的D+1、T+1數(shù)I:

式(1)中,e-為電子基本電量。

以典型的膜重為3 mg靶子為例,則中子管靶子的鈦膜膜厚d為:

式(2)中:G為鍍鈦膜質(zhì)量,S為150中子管靶面積,cm2。由膜厚d可得出靶單位面積的靶核數(shù)(即鈦原子數(shù)),因Ti與D、T的吸附率設(shè)定為1:1:1,所以也就代表了靶單位面積上的氘、氚核數(shù)Ns。

式(3)中,Na為阿伏加德羅常數(shù),A為氫原子量。

由3H(d,n)4He反應(yīng)激發(fā)曲線可獲得對(duì)應(yīng)于100 kV的入射氘離子,其D-T反應(yīng)截面σ=4(b)[1]。σ的物理意義表示一個(gè)入射粒子同單位面積靶上一個(gè)靶核所發(fā)生反應(yīng)的幾率,可表示為:

式(4)中,N為單位時(shí)間發(fā)生的反應(yīng)數(shù)(單指DT反應(yīng)),I為單位時(shí)間入射到靶上的粒子數(shù),Ns為單位面積的靶核數(shù)。如此,N代表了D-T反應(yīng)所產(chǎn)生的中子數(shù)?？紤]到入射氘離子數(shù)占入射離子流I的1/2,且單原子離子D+1比例為10%,靶中氚核數(shù)也占Ns的1/2,所以中子產(chǎn)額Y可為:

即理論中子產(chǎn)額Y應(yīng)達(dá)到109量級(jí)水平?？紤]實(shí)際與模型假設(shè)的誤差以及氘氚核反應(yīng)是在入射離子的有效射程內(nèi)進(jìn)行,因此,實(shí)際中子產(chǎn)額應(yīng)比理論中子產(chǎn)額低。嚴(yán)格控制中子管生產(chǎn)工藝,合理設(shè)計(jì)靶膜厚度(為氘離子有效射程的1～1.5倍),力求接近理論中子產(chǎn)額的1/10左右,也在5×108水平,遠(yuǎn)高于現(xiàn)有自生靶中子管的實(shí)際中子產(chǎn)額。

1.2 實(shí)際150中子管產(chǎn)額

表1是近年生產(chǎn)的自生靶150中子管的實(shí)際產(chǎn)額原始記錄。

表1 2005-2006年交檢的幾支150中子管記錄

其中中子計(jì)數(shù)與中子產(chǎn)額的換算關(guān)系為:

中子產(chǎn)額Y=中子計(jì)數(shù)平均值×8.46×104

系數(shù)8.46×104是中子測(cè)試大廳內(nèi)中子輻射通量測(cè)量?jī)x經(jīng)過(guò)計(jì)量標(biāo)定的換算值,中子計(jì)數(shù)平均值取自每支管子最終檢驗(yàn)測(cè)量時(shí)的10組計(jì)數(shù)值?？梢?jiàn)實(shí)際中子管的產(chǎn)額要遠(yuǎn)低于理論中子產(chǎn)額值。

2 實(shí)際中子產(chǎn)額低的分析

實(shí)際中子管產(chǎn)額低于理論中子產(chǎn)額,其原因大致可歸結(jié)為以下幾個(gè)方面。

2.1 離子源效率

現(xiàn)生產(chǎn)的MZ30系列中子管(包括150中子管)均采用同樣的離子源結(jié)構(gòu),由于磁材料的限制,采取的是外置式結(jié)構(gòu),離子源陽(yáng)極電離室磁場(chǎng)較弱,一般在0.08T的量級(jí)。冷陰極潘寧離子源是基于電子在兩個(gè)電極間運(yùn)動(dòng)與中性氣體(氘、氚氣體)發(fā)生電離碰撞的原理,磁場(chǎng)位于軸向,陰陽(yáng)極間有上千伏的電壓,當(dāng)電離開(kāi)始時(shí),電子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同作用下呈螺旋形運(yùn)動(dòng),同時(shí)也防止電子向陽(yáng)極壁擴(kuò)散。離子源中等離子體的密度主要依靠磁場(chǎng)產(chǎn)生的擠壓作用,若增大磁場(chǎng)強(qiáng)度,能增大離子密度,也可增加電子在放電區(qū)域內(nèi)的軌跡長(zhǎng)度,增加氘、氚氣體的電離機(jī)會(huì),達(dá)到增加單原子離子的目的。查閱相關(guān)文獻(xiàn),在150中子管的離子源結(jié)構(gòu)和陽(yáng)極高壓(2 000～2 500 V)以及中子管內(nèi)工作氣壓(～10-2Pa)的工作條件下,放電室中心區(qū)域即陽(yáng)極環(huán)中心處磁場(chǎng)強(qiáng)度大致應(yīng)在0.2T量級(jí)較為理想[2]。這就要求尋找更加優(yōu)異的磁材料。除了考慮磁材料的磁能積,還需考慮磁材料的溫度特性。當(dāng)然也可對(duì)離子源的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì),如法國(guó)中子管離子源結(jié)構(gòu)形式。

2.2 靶流的品質(zhì)

這與離子源的離子引出口結(jié)構(gòu)以及加速間隙電場(chǎng)分布直接相關(guān),離子源的離子引出口過(guò)大,引出離子離散性大,被加速的離子會(huì)聚差,造成對(duì)管壁及加速電極的轟擊形成濺射;引出口過(guò)小,直接減弱靶流對(duì)產(chǎn)額形成影響,所以,應(yīng)根據(jù)工作靶壓的范圍,適當(dāng)調(diào)整引出口尺寸。離子源和加速極的外形形狀和加速間隙大小關(guān)乎加速間隙電場(chǎng)的分布,優(yōu)化電極的外形設(shè)計(jì)能形成較理想的電場(chǎng)分布,有利于對(duì)離子束流的會(huì)聚作用,形成理想的離子束軌跡光路,使得加速的離子束充分打在靶面上,即提高束流品質(zhì)。

2.3 離子轟擊靶面或加速電極產(chǎn)生的二次電子[3]

針對(duì)此問(wèn)題,較為有效的方法是引入帶二次電子抑制的靶結(jié)構(gòu),查閱有關(guān)文獻(xiàn),離子轟擊靶面或加速電極產(chǎn)生的二次電子約占到了近靶流的10%[4],甚至更大(注:引用資料中實(shí)驗(yàn)為無(wú)抑制加速電極及平面靶結(jié)構(gòu))。二次電子抑制結(jié)構(gòu)基本有兩種結(jié)構(gòu)形式,一種為反向電壓電極法,另一種為靶面軸向弱磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)法,兩種方法均需在工作中進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)以確定具體參數(shù)(如抑制電壓比例、磁場(chǎng)強(qiáng)弱等)。

2.4 由中子管生產(chǎn)工藝過(guò)程中引入的問(wèn)題

在中子管生產(chǎn)過(guò)程中,由于各種原因致使可能的工藝上的缺陷,造成中子管真空潔凈度不夠,或存在污染,導(dǎo)致中子管在封離真空系統(tǒng)后的電離、加靶壓工作中,在加速間隙空間和中子管管壁形成放電,嚴(yán)重影響中子產(chǎn)額,這需要嚴(yán)格控制零件處理工藝過(guò)程。

另外,使用溫度特性、高壓絕緣好的真空陶瓷(A-95)替代玻璃外殼,使中子管排氣溫度由原來(lái)的470°C提高至近600°C左右,這可提高中子管真空度,有力提升了管子高壓絕緣與溫度性能。

2.5 自然損耗原因

這主要是由于氚自然衰變和正常工作條件下DT反應(yīng)所產(chǎn)生氦氣對(duì)管內(nèi)氣壓影響造成的[3]。對(duì)此,需綜合考慮靶的膜厚、充氚量等因素加以控制。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)可能造成中子管產(chǎn)額降低的因素分析,設(shè)計(jì)上可進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化的內(nèi)容主要有離子源電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和二次電子抑制結(jié)構(gòu),這對(duì)提高離子流品質(zhì)起著關(guān)鍵作用。從中子管老練試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)產(chǎn)額隨著靶壓的提高在100kV后仍然還在不斷提高,說(shuō)明離子流中雙原子、甚至三原子比例的存在,所以針對(duì)以上分析的影響因素進(jìn)行改進(jìn),提高中子管產(chǎn)額的空間還是比較大的。

[1] 盧希庭,原子核物理[M].北京:原子能出版社,1981

[2] 宵坤祥,周明貴,談效華,等.用于石油測(cè)井中子管的微型潘寧源的研制[J].核技術(shù),2005,28(7)

[3] 梁 蜂,麻惠生.測(cè)井用中子管的損耗問(wèn)題[J].測(cè)井技術(shù),1997,21(2)

[4] 王 靜,段 萍.中子管靶面二次電子抑制[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào),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

劉 炯,男,1963年生,高級(jí)工程師,1986年畢業(yè)于蘭州大學(xué)原子核物理專業(yè),長(zhǎng)期從事核測(cè)井儀器、脈沖中子類儀器、中子管的研究與制造。郵編:710054

2010-04-08編輯:姜 婷)