用于中子測(cè)井的自成靶密封中子管性能評(píng)價(jià)

宋應(yīng)民，楊洪廣，張家善，盧仕起，郭鐵軍

(中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

中子管是將離子源、氚靶、加速器、存儲(chǔ)器密封在陶瓷或玻璃管內(nèi)，形成一種通電可控的微型加速器中子源。與普通同位素中子源相比，其中子產(chǎn)額高，能譜單色性好，無γ本底，可產(chǎn)生脈沖中子，不用時(shí)可關(guān)斷，防護(hù)容易，儲(chǔ)存管理和運(yùn)輸方便；與反應(yīng)堆或加速器中子源相比，其體積小，重量輕，消耗功率小，無須真空系統(tǒng)和冷卻設(shè)備，不必更換氚靶，操作容易，維護(hù)管理簡(jiǎn)單，便于攜帶和移動(dòng)，適于流動(dòng)輻照或現(xiàn)場(chǎng)輻照。隨著中子管技術(shù)的發(fā)展，中子管已廣泛應(yīng)用于中子測(cè)井、煤質(zhì)分析、中子照相、爆炸物及毒品檢測(cè)等領(lǐng)域[1-2]。

測(cè)井中子管與地面應(yīng)用相比有其特殊的難度，主要表現(xiàn)為：(1) 受井孔尺寸限制，井下儀器的直徑一般需小于90 mm，中子發(fā)生器的直徑需小于76 mm，要求中子管的直徑通常不大于28 mm；(2) 井下溫度高，每千米溫升為30～40 ℃，中子測(cè)井環(huán)境溫度最高可達(dá)175 ℃，而井下又難以采取散熱措施，因此，中子管應(yīng)具有長(zhǎng)期穩(wěn)定的高溫工作性能才能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要；(3) 井下儀器通過數(shù)千米電纜由地面供電，受電纜纜芯數(shù)目和直徑的限制，中子發(fā)生器的供電電流只能控制在幾百毫安以內(nèi)，電壓也不得超過二三百伏，因此，對(duì)測(cè)井中子管的輸出功率有嚴(yán)格限值[3-6]。

圍繞測(cè)井中子管在小直徑、耐高溫、長(zhǎng)壽命、高穩(wěn)定性及功耗要求等性能指標(biāo)，利用自成

靶工藝長(zhǎng)壽命、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)[7-8]，成功研制了SNT-DT/25型密封氘氚中子管，其管體直徑僅25 mm，老練測(cè)試結(jié)果表明，中子管各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足中子測(cè)井要求，達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。

1 工作原理及結(jié)構(gòu)

密封中子管結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。中子管裸管加工完成后，需依次進(jìn)行高溫真空除氣、充氘氚、老練測(cè)試及排氣口冷掐封接等項(xiàng)操作，完成密封氘氚中子管制作程序。中子管工作時(shí)無需抽真空設(shè)備和氣源裝置，因而能夠組裝成小型輕便的中子源設(shè)備。

圖1 SNT-DT/25型密封中子管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of the SNT-DT/25 type neutron tube

其工作原理是由離子源放點(diǎn)產(chǎn)生的氘離子，經(jīng)加速器加速后，與靶中的氚原子發(fā)生T(d,n)聚變核反應(yīng)，放出14 MeV中子。

2 實(shí)驗(yàn)方法

采用專用的中子管老練考驗(yàn)試驗(yàn)裝置進(jìn)行中子產(chǎn)額、功耗等性能測(cè)試，用于中子產(chǎn)額測(cè)定的3He管預(yù)先經(jīng)中國原子能科學(xué)研究院計(jì)量站(國防科技工業(yè)電離輻射一級(jí)計(jì)量站)進(jìn)行標(biāo)定，中子產(chǎn)額的計(jì)數(shù)間隔設(shè)定為10 s。中子管常溫老練測(cè)試試驗(yàn)采用硅油作為絕緣介質(zhì)，所用硅油使用前進(jìn)行真空除水處理，以提高其絕緣性能；高溫老練測(cè)試試驗(yàn)采用六氟化硫作為絕緣介質(zhì)，工作時(shí)的氣體壓力為3～4個(gè)大氣壓，絕緣介質(zhì)厚度≥10 mm，避免管體表面在高溫鍛煉測(cè)試過程中發(fā)生電離擊穿現(xiàn)象。

3 結(jié)果與分析

3.1 產(chǎn)額穩(wěn)定性

設(shè)定靶極電壓為-80 kV，靶極電流為100 μA，陽極電流為400 μA，使中子管連續(xù)運(yùn)行25 h以上，獲得自成靶密封氘氚中子管中子產(chǎn)額隨老練時(shí)間關(guān)系曲線示于圖2。

圖2 中子產(chǎn)額隨老練時(shí)間變化關(guān)系曲線Fig.2 Neutron yields of the D-T neutron tube at different running time

結(jié)果表明，在老練試驗(yàn)初期，中子產(chǎn)額隨老練時(shí)間近似呈線性關(guān)系逐步增加，在6～7 h后基本趨于穩(wěn)定。在隨后進(jìn)行的約20 h老練測(cè)試過程中，中子產(chǎn)額總體呈緩慢上升趨勢(shì)，但中子產(chǎn)額浮動(dòng)≤10%，表現(xiàn)出良好的產(chǎn)額穩(wěn)定性。中子管鍛煉測(cè)試初期，中子產(chǎn)額逐步增加表明D-T原子反應(yīng)幾率逐步增加，即靶膜表面氚原子濃度逐步增加。中子管連續(xù)老練測(cè)試6～7 h后，氘氚混合離子注入到靶膜表面氚氣濃度達(dá)到所能容納的最大值，即所謂的“飽和濃度”，這時(shí)中子管工作時(shí)注入鈦膜的氘氚氣體量與損失的氘氚氣體量基本相等，達(dá)到“動(dòng)態(tài)平衡”，即產(chǎn)額既不增加也不減少，只要有足夠的氘氚混合氣來源，靶膜表面又有足夠的氘氚氣體，中子管將有連續(xù)穩(wěn)定的中子產(chǎn)生。因此，自成靶中子管具有穩(wěn)定性好、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。

此外，采用SF6作為絕緣介質(zhì)，將中子管環(huán)境溫度逐步升至175 ℃，并設(shè)定靶極電壓為-100 kV，陽極電流為300 μA，中子管連續(xù)工作30 min，其中子產(chǎn)額維持在(2.0～2.2)×108n/s之間。可見，此類型中子管的工作溫度滿足中子測(cè)井使用要求。

3.2 靶極電壓影響

中子管產(chǎn)額基本穩(wěn)定后，設(shè)定陽極電流分別為300 μA和400 μA，測(cè)定中子產(chǎn)額隨靶極電壓變化關(guān)系曲線示于圖3。

圖3 中子產(chǎn)額隨靶極電壓變化關(guān)系曲線Fig.3 Neutron yields of the D-T neutron tube with different accaleration voltage

結(jié)果表明，中子產(chǎn)額與靶極電壓符合冪函數(shù)關(guān)系。靶極電壓由-80 kV升至-110 kV，其中子產(chǎn)額增加2倍。中子管靶極電壓最高可升至-140 kV，中子產(chǎn)額可高達(dá)109n/s量級(jí)。

3.3 陽極電流影響

中子管產(chǎn)額基本穩(wěn)定后，設(shè)定靶極電壓為-80 kV，測(cè)定中子產(chǎn)額隨陽極電流變化曲線如圖4所示。結(jié)果表明，陽極電流≤450 μA時(shí)，中子產(chǎn)額與陽極電流呈良好的線性關(guān)系,而當(dāng)陽極電流>450 μA時(shí)，隨陽極電流的增加，中子產(chǎn)額的上升趨勢(shì)逐步降低。分析原因如下：陽極電流的增加是通過增大儲(chǔ)存器電流，提高管體氣壓而實(shí)現(xiàn)的，中子管工作時(shí)的氣壓通常在10-2～10-3Pa之間，當(dāng)氣壓相對(duì)較低時(shí)，管體氣腔內(nèi)的氘(氚)原子對(duì)注入氚鈦靶的氘、氚離子阻擋的影響可忽略不計(jì)。當(dāng)管體氣壓繼續(xù)提升至一定限值后，管體氣腔內(nèi)的氘(氚)原子對(duì)注入氚鈦靶的氘、氚離子阻擋作用已不可忽略，并隨著陽極電流的繼續(xù)增加，這種阻擋作用表現(xiàn)更加明顯，造成當(dāng)陽極電流>450 μA時(shí)，隨陽極電流的增加，中子產(chǎn)額的上升趨勢(shì)逐步降低。

圖4 中子產(chǎn)額隨陽極電流變化關(guān)系曲線Fig.4 Neutron yields of the D-T neutron tube with different anode electric current

設(shè)定靶極電壓為-80 kV，陽極電流為300 μA，中子管穩(wěn)定工作時(shí)的靶流為80 μA，中子產(chǎn)額達(dá)到1×108n/s。可見，此類型中子管的功耗小、負(fù)載輕，滿足中子測(cè)井使用要求。

目前，研制的SNT-DT/25型密封氘氚中子管已突破關(guān)鍵技術(shù)，獲得國家環(huán)保部頒發(fā)的密封氘氚中子管生產(chǎn)銷售許可證，進(jìn)入批量化生產(chǎn)階段。

4 結(jié)論

研制的SNT-DT/25型密封氘氚中子管已突破關(guān)鍵技術(shù)，其靶極電壓最高可加至-140 kV，中子產(chǎn)額可高達(dá)109n/s量級(jí)；在靶極電壓為-80 kV，陽極電流為300 μA，靶流為80 μA的工作條件下，中子產(chǎn)額可達(dá)到1×108n/s；中子管使用溫度可達(dá)175 ℃；中子管連續(xù)運(yùn)行約20 h，中子產(chǎn)額浮動(dòng)≤10%。結(jié)果表明，此類型中子管完全滿足中子測(cè)井使用要求。

中子產(chǎn)額隨靶極電壓、陽極電流變化關(guān)系曲線表明：中子產(chǎn)額與靶極電壓符合冪函數(shù)關(guān)系；當(dāng)陽極電流≤450 μA時(shí)，中子產(chǎn)額與陽極電流呈良好的線性關(guān)系，當(dāng)陽極電流>450 μA時(shí)，隨陽極電流的增加，中子產(chǎn)額的上升趨勢(shì)逐步降低，主要是由于管體氣壓的升高造成的。

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