中子發(fā)生器模擬盒的研制與應(yīng)用

郭道連

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163153)

0 引 言

中子發(fā)生器是一種小型加速器中子源[1]，由中子管、倍壓電路等組成，它是脈沖中子測(cè)井儀器的一個(gè)關(guān)鍵部件，應(yīng)用十分廣泛。脈沖中子測(cè)井儀器故障多集中于中子發(fā)生器控制電路，在維修調(diào)試電路時(shí)需要連接中子發(fā)生器，最后需要打靶來驗(yàn)證儀器工作是否正常。而中子發(fā)生器屬于射線裝置，由于安全原因，維修調(diào)試及打靶時(shí)對(duì)操作人員及場地都有極高要求，造成儀器的維修調(diào)試很不方便，嚴(yán)重影響了脈沖中子類儀器的推廣應(yīng)用。 目前，國內(nèi)有關(guān)中子發(fā)生器安全使用方面的研究多集中在輻射防護(hù)與安全管理[2]上，而油田大多地處偏遠(yuǎn)，實(shí)際測(cè)井工作流動(dòng)性又大，現(xiàn)場缺少輻射防護(hù)設(shè)施，安全風(fēng)險(xiǎn)又集中在連接中子發(fā)生器維修調(diào)試期間(儀器在井下測(cè)井時(shí)非常安全)，因此，急需可以模擬中子發(fā)生器工作的設(shè)備。中子發(fā)生器模擬盒的研制正是基于此目的，其主要作用是在維修調(diào)試期間實(shí)現(xiàn)對(duì)中子發(fā)生器的替代，所以中子發(fā)生器模擬盒的研制與應(yīng)用具有較大的安全意義。

1 中子發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 中子發(fā)生器的構(gòu)成

中子發(fā)生器主要是由倍壓電路和中子管組成，其內(nèi)部的高壓電源的絕緣主要采用氣密封和油密封兩種。在中子發(fā)生器的實(shí)際應(yīng)用中，大部分都是采用具有卓越電絕緣性和滅弧特性、耐熱性能好的SF6[3]氣體而密封。中子管則是由氚靶、燈絲、陽極組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 中子管的結(jié)構(gòu)圖

1.2 中子發(fā)生器工作原理

給氘氣儲(chǔ)存器即燈絲加熱，使附著在燈絲上的氘氣釋放出來，同時(shí)給陽極加上1.8～2.4 kV的脈沖高壓，在電磁場的作用下，使釋放出的氘氣電離成氘離子，再通過給靶極加上高壓，使氘離子加速并轟擊含有氚的靶極，從而獲得能量為14 MeV的高能中子。

離子源產(chǎn)生的氘離子，經(jīng)加速后打在靶上，與附著在靶上的氚發(fā)生以下核反應(yīng)：

D+T→He+ n+17.6 MeV

2 中子發(fā)生器模擬盒組成及參數(shù)計(jì)算

2.1 中子發(fā)生器模擬器盒的組成

中子發(fā)生器模擬盒的主要功能就是模擬中子發(fā)生器的工作過程，接收儀器總線上的命令，上傳各參數(shù)的采樣值。中子發(fā)生器模擬盒主要由通訊及采樣主板、模擬燈絲、模擬陽極、模擬靶、燈絲及陽極電流表、采樣電路等組成。以多功能水流儀為例，其原理如圖2所示。

圖2 中子發(fā)生器模擬盒及控制電路的原理框圖

2.2 模擬燈絲的選擇

多功能水流儀內(nèi)的中子發(fā)生器燈絲預(yù)熱電流為490 mA左右，當(dāng)陽極高壓打開后，氘氣體開始電離，陽極電流緩慢上升到設(shè)定值。燈絲供電由3.3 V電源通過場效應(yīng)管提供，場效應(yīng)管門極在單片機(jī)的控制下改變漏源極壓降來調(diào)整燈絲上的電壓，從而改變燈絲電流，陽極電流上升到設(shè)定值后燈絲電流為300 mA。由于場效應(yīng)管漏源極壓降的存在，燈絲上的壓降會(huì)小于3.3 V，實(shí)際燈絲阻值一般在3 ～ 5 Ω之間。中子發(fā)生器模擬盒燈絲供電為3.3 V，燈絲電流設(shè)計(jì)為300 mA，根據(jù)R=V/I得出燈絲電阻值在為：3.3/0.3=11 Ω。實(shí)際選用型號(hào)為TMC-10的電阻。

2.3 模擬陽極的選擇

陽極由供電極板組成，在不加脈沖高壓時(shí)阻值很大，陽極脈沖高壓要求具有寬頻帶、銳截止[4]特點(diǎn)，儀器工作時(shí)陽極電流在占空比為10%時(shí)為82 μA。陽極脈沖電壓為2 000 V時(shí)，其有效值為200 V，可以計(jì)算出模擬陽極的電阻阻值為2.5 MΩ 。由于模擬陽極使用的是純電阻，所以中子發(fā)生器模擬盒的陽極電流與陽極高壓占空比成線性關(guān)系，而實(shí)際中子發(fā)生器的陽極電流值的控制是通過調(diào)整燈絲電流改變氘的釋放量[5]來實(shí)現(xiàn)的，因此中子發(fā)生器模擬盒陽極電流在通電后就穩(wěn)定在一定值，沒有緩慢上升的過程即缺少電離過程，就調(diào)試檢修儀器來說沒有影響。中子發(fā)生器模擬盒陽極電流與儀器陽極電流有所差別，如表1所示。

表1 不同陽極高壓占空比對(duì)應(yīng)的陽極電流

2.4 模擬靶的選擇

多功能水流儀靶壓一般在-70～-95 kV之間，由于靶壓很高，中子發(fā)生器內(nèi)部都需充SF6來提供絕緣，為了安全，中子發(fā)生器模擬盒內(nèi)的靶壓值未經(jīng)升壓及倍壓，同時(shí)，為了不改變靶壓取樣值，調(diào)整靶壓取樣電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻比例。由于中子發(fā)生器模擬盒靶壓值較低(80 V以內(nèi))，因此模擬靶的電阻只是提供供電回路，選功率為3 W阻值為8 kΩ電阻來模擬。

2.5 靶壓供電電路的處理

多功能水流儀靶壓變壓器供電由內(nèi)部低壓電源V2提供，V2在單片機(jī)DAC的控制下輸出范圍為0～80 V,變壓器震蕩頻率固定，因此靶壓供電方式為調(diào)壓式。為安全考慮，中子發(fā)生器模擬盒的靶壓變壓器變比為1，僅起隔離作用，電壓輸出較低。

3 中子發(fā)生器模擬盒的應(yīng)用實(shí)例

中子發(fā)生器模擬盒的主要用途是在維修多調(diào)試功能水流儀時(shí)代替中子發(fā)生器，多功能水流儀的控制電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)中子發(fā)生器模擬盒的控制，同時(shí)中子發(fā)生器模擬盒可以將關(guān)鍵參數(shù)的采樣值送回控制電路。這樣，儀器出現(xiàn)故障時(shí)可以使用中子發(fā)生器模擬盒對(duì)控制電路進(jìn)行檢測(cè)，方便了儀器的維修調(diào)試。

3.1 燈絲電流采樣電路故障的判斷

某多功能水流儀在測(cè)井現(xiàn)場出現(xiàn)地面軟件無燈絲電流現(xiàn)象，而此時(shí)儀器通信正常，根據(jù)原理分析，造成這種現(xiàn)象的原因有2種，一種為燈絲采樣電路故障，另外一種為燈絲供電回路斷路。之前，遇到這種故障只能拆開多功能水流儀上采集，對(duì)控制電路中燈絲控制部分進(jìn)行逐一排查，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，總體效率較低?，F(xiàn)在只需將中子發(fā)生器模擬盒與上采集連接(如圖3所示)，在通信正常的情況下，由地面軟件控制打開燈絲供電，如果中子發(fā)生器模擬盒上的燈絲電流表有300 mA電流顯示，說明燈絲供電回路正常而采樣電路故障，否則，燈絲供電回路存在斷路。在現(xiàn)場通過上述方法將中子發(fā)生器與多功能水流儀連接，通電檢查發(fā)現(xiàn)模擬盒上燈絲電流顯示正常，因此可以確定問題出在燈絲采樣電路上。

圖3 中子發(fā)生器模擬盒與多功能水流儀的連接示意圖

3.2 陽極升壓變壓器故障的判斷

某前線班組返修的一支多功能水流儀出現(xiàn)陽極電流不穩(wěn)的現(xiàn)象，電流在50～290 μA范圍內(nèi)上下跳變。由于陽極電流最大時(shí)達(dá)290 μA且中子發(fā)生器屬于精密貴重儀器，無法長時(shí)間連接中子發(fā)生器檢修，但在故障查找過程中不下掛中子發(fā)生器，故障現(xiàn)象消失，儀器檢修又變得十分盲目。此時(shí)用中子發(fā)生器模擬盒代替中子發(fā)生器，通電后故障現(xiàn)象重現(xiàn)，接著卸下上采集短接外殼，發(fā)現(xiàn)陽極升壓變壓器有打火的聲音，最終確定故障是由陽極升壓變壓器繞組絕緣不良造成，更換后儀器工作正常。

4 結(jié) 論

1)中子發(fā)生器屬于射線類儀器，維修調(diào)試時(shí)對(duì)維修人員及場地要求高，一旦誤操作就會(huì)導(dǎo)致重大安全事故，因此，在儀器的維修調(diào)試過程中中子發(fā)生器模擬盒對(duì)中子發(fā)生器的替代消除了潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2)在儀器維修調(diào)試過程中中子發(fā)生器模擬盒替代了中子發(fā)生器，可以同時(shí)將燈絲電流、陽極電流、靶壓這三個(gè)重要參數(shù)同時(shí)打開，這樣可以更全面地對(duì)控制電路進(jìn)行檢測(cè)，大大提高了儀器的維修效率和準(zhǔn)確性。

3)在儀器的維修調(diào)試過程中及維修后打靶測(cè)試中都存在損壞中子發(fā)生器的可能，中子發(fā)生器模擬盒的使用避免了這種可能。

4)中子發(fā)生器模擬盒實(shí)現(xiàn)了對(duì)中子發(fā)生器穩(wěn)定工作條件下的模擬，可以滿足維修調(diào)試儀器的需求，但缺少電離過程，即陽極電流的緩慢上升及相應(yīng)燈絲電流的變化，后期可以用真實(shí)的氘存儲(chǔ)器及離子源來使模擬盒具有更加理想的模擬效果。