用于中子測井的自成靶密封中子管性能評價

宋應民，楊洪廣，張家善，盧仕起，郭鐵軍

(中國原子能科學研究院，北京 102413)

中子管是將離子源、氚靶、加速器、存儲器密封在陶瓷或玻璃管內，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，其中子產額高，能譜單色性好，無γ本底，可產生脈沖中子，不用時可關斷，防護容易，儲存管理和運輸方便；與反應堆或加速器中子源相比，其體積小，重量輕，消耗功率小，無須真空系統和冷卻設備，不必更換氚靶，操作容易，維護管理簡單，便于攜帶和移動，適于流動輻照或現場輻照。隨著中子管技術的發展，中子管已廣泛應用于中子測井、煤質分析、中子照相、爆炸物及毒品檢測等領域[1-2]。

測井中子管與地面應用相比有其特殊的難度，主要表現為：(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 ℃，中子測井環境溫度最高可達175 ℃，而井下又難以采取散熱措施，因此，中子管應具有長期穩定的高溫工作性能才能滿足實際生產的需要；(3) 井下儀器通過數千米電纜由地面供電，受電纜纜芯數目和直徑的限制，中子發生器的供電電流只能控制在幾百毫安以內，電壓也不得超過二三百伏，因此，對測井中子管的輸出功率有嚴格限值[3-6]。

圍繞測井中子管在小直徑、耐高溫、長壽命、高穩定性及功耗要求等性能指標，利用自成

靶工藝長壽命、高穩定性的優點[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，老練測試結果表明，中子管各項性能指標滿足中子測井要求，達到了國內領先水平。

1 工作原理及結構

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

圖1 SNT-DT/25型密封中子管結構示意圖Fig.1 Diagram of the SNT-DT/25 type neutron tube

其工作原理是由離子源放點產生的氘離子，經加速器加速后，與靶中的氚原子發生T(d,n)聚變核反應，放出14 MeV中子。

2 實驗方法

采用專用的中子管老練考驗試驗裝置進行中子產額、功耗等性能測試，用于中子產額測定的3He管預先經中國原子能科學研究院計量站(國防科技工業電離輻射一級計量站)進行標定，中子產額的計數間隔設定為10 s。中子管常溫老練測試試驗采用硅油作為絕緣介質，所用硅油使用前進行真空除水處理，以提高其絕緣性能；高溫老練測試試驗采用六氟化硫作為絕緣介質，工作時的氣體壓力為3～4個大氣壓，絕緣介質厚度≥10 mm，避免管體表面在高溫鍛煉測試過程中發生電離擊穿現象。

3 結果與分析

3.1 產額穩定性

設定靶極電壓為-80 kV，靶極電流為100 μA，陽極電流為400 μA，使中子管連續運行25 h以上，獲得自成靶密封氘氚中子管中子產額隨老練時間關系曲線示于圖2。

圖2 中子產額隨老練時間變化關系曲線Fig.2 Neutron yields of the D-T neutron tube at different running time

結果表明，在老練試驗初期，中子產額隨老練時間近似呈線性關系逐步增加，在6～7 h后基本趨于穩定。在隨后進行的約20 h老練測試過程中，中子產額總體呈緩慢上升趨勢，但中子產額浮動≤10%，表現出良好的產額穩定性。中子管鍛煉測試初期，中子產額逐步增加表明D-T原子反應幾率逐步增加，即靶膜表面氚原子濃度逐步增加。中子管連續老練測試6～7 h后，氘氚混合離子注入到靶膜表面氚氣濃度達到所能容納的最大值，即所謂的“飽和濃度”，這時中子管工作時注入鈦膜的氘氚氣體量與損失的氘氚氣體量基本相等，達到“動態平衡”，即產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，中子管將有連續穩定的中子產生。因此，自成靶中子管具有穩定性好、長壽命的特點。

此外，采用SF6作為絕緣介質，將中子管環境溫度逐步升至175 ℃，并設定靶極電壓為-100 kV，陽極電流為300 μA，中子管連續工作30 min，其中子產額維持在(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井使用要求。

3.2 靶極電壓影響

中子管產額基本穩定后，設定陽極電流分別為300 μA和400 μA，測定中子產額隨靶極電壓變化關系曲線示于圖3。

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

結果表明，中子產額與靶極電壓符合冪函數關系。靶極電壓由-80 kV升至-110 kV，其中子產額增加2倍。中子管靶極電壓最高可升至-140 kV，中子產額可高達109n/s量級。

3.3 陽極電流影響

中子管產額基本穩定后，設定靶極電壓為-80 kV，測定中子產額隨陽極電流變化曲線如圖4所示。結果表明，陽極電流≤450 μA時，中子產額與陽極電流呈良好的線性關系,而當陽極電流>450 μA時，隨陽極電流的增加，中子產額的上升趨勢逐步降低。分析原因如下：陽極電流的增加是通過增大儲存器電流，提高管體氣壓而實現的，中子管工作時的氣壓通常在10-2～10-3Pa之間，當氣壓相對較低時，管體氣腔內的氘(氚)原子對注入氚鈦靶的氘、氚離子阻擋的影響可忽略不計。當管體氣壓繼續提升至一定限值后，管體氣腔內的氘(氚)原子對注入氚鈦靶的氘、氚離子阻擋作用已不可忽略，并隨著陽極電流的繼續增加，這種阻擋作用表現更加明顯，造成當陽極電流>450 μA時，隨陽極電流的增加，中子產額的上升趨勢逐步降低。

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

設定靶極電壓為-80 kV，陽極電流為300 μA，中子管穩定工作時的靶流為80 μA，中子產額達到1×108n/s。可見，此類型中子管的功耗小、負載輕，滿足中子測井使用要求。

目前，研制的SNT-DT/25型密封氘氚中子管已突破關鍵技術，獲得國家環保部頒發的密封氘氚中子管生產銷售許可證，進入批量化生產階段。

4 結論

研制的SNT-DT/25型密封氘氚中子管已突破關鍵技術，其靶極電壓最高可加至-140 kV，中子產額可高達109n/s量級；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，中子產額可達到1×108n/s；中子管使用溫度可達175 ℃；中子管連續運行約20 h，中子產額浮動≤10%。結果表明，此類型中子管完全滿足中子測井使用要求。

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

參考文獻：

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