175℃自成靶中子管的結構設計和指標測試

郤方華，王建民，王志全，于傳武，錢莉

（大慶鉆探工程公司測井公司，黑龍江大慶163412）

175℃自成靶中子管的結構設計和指標測試

郤方華，王建民，王志全，于傳武，錢莉

（大慶鉆探工程公司測井公司，黑龍江大慶163412）

介紹了175℃自成靶中子管的組成及工作原理，詳細闡述了它的離子源、加速系統、靶和氘氚儲存器的結構設計和材料選用。離子源采用冷陰極潘寧離子源，陰陽極材料都選用鉬材料，磁鋼選用釤鈷磁鋼。175℃自成靶中子管采用輸出陰極孔徑為4～5 mm、加速間距為15 mm的單隙加速系統。靶基采用圓錐凹面結構，靶基材料選用無氧銅，靶膜厚度為0.74～0.78 mg／cm2。采用由鋯－石墨材料構成的吸氣劑作為氘氚儲存器。對175℃自成靶中子管進行測試，其中子產額高于2×108n／s，使用壽命大于300 h，工作溫度達到了175℃。測試結果表明，175℃自成靶中子管具有使用壽命長、工作溫度高、穩定性好的優點。

核測井；自成靶中子管；離子源；結構設計；指標測試

0 引 言

由中子管組成的可控中子源作為核測井儀器的重要部件，已經廣泛應用于脈沖中子能譜、熱中子俘獲、中子壽命及氧活化水流等測井儀器中。這些儀器是生產測井中儲層評價、管外竄槽檢測及注入剖面測井的最佳方法之一。但是隨著油田開發的深入，目前中子管技術已不能滿足這些測井技術發展的需要，國產可控中子源的工作溫度一般不超過150℃，這在很大程度上取決于中子管的工作溫度。因此，研發175℃高溫中子管是提升可控中子源耐溫指標、擴大可控中子源技術應用領域首先要攻克的關鍵技術。

大慶鉆探工程公司測井公司自成靶中子管的研究工作開始于2001年，10年期間通過對自成靶中子管結構的改進和工藝的創新，使中子管的技術指標得到了極大提高，其平均使用壽命達到了370 h以上，有的甚至超過1 800 h，尤其在溫度性能方面，解決了多項技術難題，工作溫度由150℃提高到175℃。本文從結構設計和指標測試2個方面對該中子管有關技術進行探討。

1 中子管組成及工作原理

ZZ50型175℃自成靶中子管由離子源、加速系統、靶和氘氚儲存器等組成。自成靶中子管工作時，在陽極加2 k V左右的直流或脈沖電壓，靶極加－120 k V直流高壓。以適當的電流加熱氘氚儲存器，使其放出氘氚混合氣，在陽極電壓和磁場的共同作用下，使氘氚氣體電離。電離后的電子由于磁場的作用以螺旋線軌跡運動，因而延長了這些電子的飛行路程，增加了電子與氘氚分子碰撞幾率，使得氘氚氣體電離更充分。在加速系統的電場作用下，氘氚離子從離子源引出孔引出，并經加速電極加速后轟擊靶，與靶中的氘氚核發生核反應，即

發射出能量為2.5 MeV和14 MeV等2種快中子。

2 結構設計

2.1 離子源

采用冷陰極潘寧離子源，它由陽極、陰極、輸出陰極和磁鋼構成。在設計中將陰極的形狀設計為外凸形，輸出陰極設計為平面圓盤形，陰陽極間距設計為2 mm，同時還設計了一種獨特的離子源組裝方法，它既能牢固地固定陽極筒，又能很好地防止離子濺射而破壞陰陽極之間的絕緣。

陰陽極材料都選用鉬材料［1］，因為鉬能釬焊，可以進一步簡化封接工藝。磁鋼的選用根據中子管的結構和工作溫度選擇。鋁鎳鈷磁鋼磁能積較低，稀土磁鋼工作溫度和居里溫度低，而釤鈷磁鋼工作溫度為300～350℃，居里溫度為800℃，能滿足工作要求，故選用釤鈷磁鋼。

2.2 加速系統

由離子源的輸出陰極和加速電極構成1個單隙加速系統。這種單隙加速系統可完成離子的引出、成形和加速。由于離子加速系統工作在－120 k V高壓下，其耐壓性能是首要解決的難題。耐壓性能與輸出陰極孔徑、加速間距以及加速電極形狀和材料等有關。

（1）輸出陰極孔徑確定。輸出陰極孔徑是由實驗方法確定的，在實驗中用由不同孔徑的輸出陰極組成了不同的實驗中子管，進行了反復實驗比較，認為選用輸出陰極孔徑為4～5 mm較為合適，既能正常引出離子束，又能保證耐壓性能。

（2）加速間距確定。在管內真空度為10－5Pa量級的條件下，直流真空擊穿電壓VDC與間距d有一定關系［2］：當d＞5 mm時，VDC＝46 d0.4（d的分數冪通常為0.4～0.7）；當選擇d＝15 mm時，采用保守設計，取d的分數冪為0.4，VDC＝135.9 k V。

根據計算結果進行了實驗驗證。驗證分2步進行：① 使中子管處于高真空狀態（排氣后管內真空度為1.5×10－5Pa），此時在間隙兩端加140 k V直流高壓，連續工作8 h而沒有被擊穿；② 使中子管處于工作狀態，管內真空度為10－2～10－3Pa，間隙兩端電壓為136 k V（實際使用為120 k V），同樣連續工作8 h，其結果與前面相同。實驗表明這個間距完全能夠滿足實際使用的要求。

（3）加速電極形狀和材料的確定。一般來說，加速電極形狀使電場越不均勻，則擊穿電壓越低。為了能保持較高的擊穿電壓，將輸出陰極（離子源罩）和加速電極設計成圓弧形，特別注意邊緣形狀盡量圓滑，避免尖端放電而造成高壓擊穿。加速電極材料選用可伐合金，它既能滿足耐壓性能要求，又能適應900℃高溫封接和470℃高溫排氣工藝的要求，使得加速電極的揮發性雜質和含氣量都很低，從而提高了耐壓性能。

2.3 靶結構

靶基采用圓錐凹面型結構，其表面積比平面靶擴大近1倍左右，承受離子束的轟擊面積也將擴大1倍，有利于提高中子產額。靶基材料選用無氧銅，它散熱效果好，可以防止靶過熱而放氣。單位面積靶膜質量是根據氘粒子在靶膜中的射程確定的，當入射氘核的能量為100～150 ke V時，正好能穿透厚度為0.4～0.6 mg／cm2的靶［3］。依據氘粒子這個射程值，設計中取靶膜厚度為0.74～0.78 mg／cm2，經實際使用驗證這種靶膜厚度的靶效果很好。

2.4 氘氚儲存器的選擇

氘氚儲存器有2個作用：儲存氘氚混合氣體和調節管內工作氣壓。這就要求選用吸氣量大，吸氣速率高的吸氣劑作為中子管的儲存器。比較了多種吸氣劑的吸氣量和吸氣速率，最后選定了由鋯－石墨材料構成的吸氣劑作為氘氚儲存器。

3 指標測試

3.1 中子產額

中子產額指標的測試是在室溫環境中進行的，因為175℃環境下的中子產額是室溫的某個百分數，因而室溫的指標同樣能說明高溫下的指標。

中子產額測試采用銅活化方法。63Cu經中子管產生的14 MeV快中子照射后，產生β＋放射體62Cu，測量62Cu的放射性強度，求出中子通量，從而推算出中子管的中子產額。銅片（63Cu）直徑為11 mm，質量為0.286 8 g，豐度為69.1%，半衰期為9.73 min，分支比為97.5%，反應截面為500 mb（非法定計量單位；1 b＝10－28m2，下同）。

在t＝0時將銅片63Cu放入距靶15.5 cm處受14 Me V快中子照射，在t0時取出，放到測量裝置中，于t1時開始測量62Cu的放射性強度N2，到t2時結束。根據截面的定義可知，照射期間生成的放射性強度N2與中子通量φ、銅片63Cu的原子核數N1、反應截面σ成正比［4］。

當t＝0時，N2＝0，可得在t2－t1時間內測得62Cu放射性強度N2為

62Cu的放射性強度采用鐘罩型β計數管進行測量。由于62Cu與14 Me V快中子的其他反應產物如64Cu、66Cu等的β＋和β－放射性的干擾，還有中子吸收、β吸收等使測得的計數增加4%［5］或更多，但是作為中子管的中子產額標定，其誤差不大于20%，對中子管的使用是毫無影響的。用鐘罩型β計數管測得的計數ΔN2為

式中，K為62Cu的β＋放射性分支比，K＝97.5%；ε為計數裝置總的探測效率［4］。

表1是管號為500713中子管在實驗室里2次實測的數據。根據上述方法和測試數據，求得該中子管在120 k V／100μA條件下中子產額為2.9× 108n／s。

表1 500713號中子管測試數據

3.2 工作溫度

2009年4月9日對管號為500505號中子管進行了175℃的高溫實驗，歷時8.5 h。在實驗過程中通過調節氘氚儲存器的電壓或電流值，保持靶壓和靶流值不變（即靶壓120 k V，靶流100μA），觀察中子產額和陽極電流的變化，其實驗曲線見圖1。由圖1可知，在最初的1 h內，即溫度在50℃以下，中子產額的變化很小。當溫度在60～175℃范圍內，中子產額隨著溫度的逐漸上升而呈下降趨勢。當溫度升至175℃且進人恒溫區，隨著溫度的平穩中子產額也隨之趨于穩定。在整個實驗過程中陽極電流一直很穩定，最大變化幅度不超過30μA，而氘氚儲存器（即管內氣壓調節系統）的電流只下降了0.04 A。

由實驗可知，該中子管能夠在175℃的溫度環境中正常工作，并且工作時間超過了4 h，沒有因為溫度升高使管內釋放雜氣，也沒有因為溫度升高使靶內氘氚氣體逸出而導致管內氣壓不可控。經計算得知從室溫到175℃溫度范圍內中子產額只下降了24%，完全能夠滿足實際測井的需要。

圖1 500505號中子管耐溫測試曲線

3.3 使用壽命

使用壽命指中子管的中子產額不低于額定值以下的使用時間。這個指標最直接的測試方法是讓中子管每天工作一定時間（如8～10 h）直至該管的中子產額低于額定值以下止，累計這個過程的總時間。但這種做法很不現實，因為僅是為了得到使用壽命這個指標，毫無意義地浪費掉1個成品中子管，既浪費了財力又花費了大量的人力和時間；其次即使在實驗室里取得了這個指標，但它僅僅是抽樣結果，并不能代表產品的全部。事實上可以跟蹤管子的實際使用情況，從實際使用中統計中子管的使用壽命。表2列舉了部分自成靶中子管的使用情況和使用時間。由表2可知，4支中子管的累計時間都超過了800 h。

表2 部分自成靶中子管的使用時間統計

表3統計了2003～2010年期間11支中子管的總體使用情況，它可以說明自成靶中子管的總體使用壽命和總體質量水平。由表3可知，中子管的平均使用壽命達到了373 h。

表3 歷年自成靶中子管的使用情況統計

3.4 產額穩定性

由圖2可見，當溫度剛進入175℃而沒有完全達到恒溫時，中子產額隨溫度繼續波動，隨著時間推移，溫度完全達到恒溫時中子產額也隨之穩定，經計算得知在175℃整個恒溫段中子產額只波動了4.1%。結果表明，該中子管由于采用了自成靶結構方式，沒有受到外界溫度波動的影響，或者說在一個恒溫的環境中其中子產額的變化是很小的。

在整個實驗過程中，陽極電流和氘氚儲存器電流變化幅度都很小，說明管內工作氣壓一直能夠保持穩定狀態，從而也保證了供電參數的穩定。表4為自成靶中子管的供電參數和技術指標。

表4 自成靶中子管性能指標

4 結 論

（1）使用壽命長。自成靶中子管工作時靶內消耗的氚能及時得到補償，并且始終保持靶飽和狀態，只要管內氘氚儲存器中有足夠的氘氚混合氣，靶中就有足夠的氘和氚，中子管將有連續穩定的中子產生。

（2）工作溫度高。采用自成靶結構，保證了管內零件除氣徹底，保證了靶有良好的散熱效果，即使中子管工作在175℃環境中，也不會從管內釋放出雜氣和從靶內釋放出氘氚氣體。

（3）穩定性好。中子管工作時，靶內的氘氚含量自動補償而保持恒定，保證了穩定的中子輸出；采用吸氣量大、吸氣速率高的氘氚儲存器，保證了管內工作氣壓的穩定，也保證了電參數的穩定。

［1］ 許志祥.冷陰極潘寧（Penning）離子源［J］.核技術，1987，10（9）：45－48.

［2］ 莫純昌，陳國華.電真空工藝［M］.北京：國防工業出版社，1980.

［3］ 黃國華，金曉.中子發生器靶工作特性［J］.國外科技資料，1995（1）：62.

［4］ 復旦大學，清華大學，北京大學.原子核物理實驗方法［M］.北京：原子能出版社，1997.

［5］ 魏寶杰，鐘海明.中子管及其應用技術［M］.長春：東北師范大學出版社：142－145.

［6］ 李三慶.測井用中子管壽命分析［J］.西安工業學院學報，2001，21（4）：355－357.

Structural Design and Performance Index Test of 175℃Neutron Tube with Drive－in Target

XI Fanghua，WANG Jianmin，WANG Zhiquan，YU Chuanwu，QIAN Li
（The First Wireline Company，Daqing Drilling＆Exploration Engineering Corporation，Daqing，Heilongjiang 163412，China）

Introduced is the structure and working principle of 175℃neutron tube with drive－in target.Presented in detail is the design and material selection of its ion source，accelerating system，targets and deuterium－tritium holder.Ion source for this neutron tube is cold－cathode Penning ion source，cathode and anode made from molybdenum materials，its magnetic steel uses SmCo magnets.175℃neutron tube with drive－in target uses single gap accelerated system with output cathode bore diameter 4～5 mm，and 15 mm acceleration gap.Its target base adopts cone convex structure with oxygen－free copper，and its target membrance thickness is 0.74～0.78 mg／cm2.Deuterium－tritium holder of neutron tube is getter made from Zr－graphite.Testing result shows that neutron yield of 175℃neutron tube with drive－in target is above 2×108n／s，its operating life extends to over 300 h，and especially its temperature resistance reaches 175℃.Concluded is that this kind of neutron tube has advantages of long serving life，high working temperature，and good stability.

nuclear logging，neutron tube with drive－in target，ion source，structural design，performance test

1004－1338（2011）06－0585－04

P631.83

A

郤方華，男，1957年生，碩士研究生，從事自成靶中子管研發工作。

2011－06－17 本文編輯 王小寧）