數(shù)控脈沖中子發(fā)生器的設(shè)計*

張 偉 張 建 尹德有 霍 亮

(丹東東方測控技術(shù)股份有限公司)

目前中子活化元素分析技術(shù)中，產(chǎn)生中子的方式是使用放射源，存在放射性危害。使用中子管和中子發(fā)生器產(chǎn)生中子是替代放射源的唯一手段。數(shù)控脈沖中子發(fā)生器(簡稱中子發(fā)生器)由中子管短節(jié)和中子發(fā)生器電路組成，用于產(chǎn)生14 MeV的脈沖中子，其散射和吸收引起各種元素原子釋放出可分辨能量的伽馬射線。探測器測定這些特征伽馬射線的能量，形成非彈性能譜和俘獲伽馬射線的能量譜。通過形成實驗室已知形態(tài)，獲得每種元素的響應(yīng)特征，然后在矩陣變換中使用這些信息，分析未知形態(tài)元素的俘獲譜和非彈性光譜，從而得出元素計數(shù)率。然后采用特殊的函數(shù)將這些元素產(chǎn)率轉(zhuǎn)化為重量百分率，元素種類包括鈣、碳、鐵、鎂、氧和硅等元素成分。

1 中子管工作原理

中子管是中子發(fā)生器的重要組成部分，結(jié)構(gòu)見圖1。

中子管分為D-D(氘氘)型中子管和D-T(氘氚)型中子管。目前使用的D-T中子管內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括存儲器、離子源、加速極(靶極)。中子管工作原理是通過給存儲器內(nèi)部燈絲通電加熱，使其釋放出D-T氣體，施加2 kV的離子源高壓使D-T氣體電離，再通過加速極(靶極)施加100 kV高壓，使電離的離子轟擊在靶上，從而產(chǎn)生中子。

圖1 中子管結(jié)構(gòu)示意

由于中子產(chǎn)額及穩(wěn)定性由存儲器施加電壓釋放的D-T氣體、離子源高壓、加速極(靶極)高壓三者共同決定，因此要求中子發(fā)生器的電源控制輸出可控，并能穩(wěn)定控制不同電源的輸出。

2 數(shù)控脈沖中子發(fā)生器

中子發(fā)生器由中子發(fā)生器短節(jié)和發(fā)生器驅(qū)動電路兩部分組成。中子管短節(jié)[1]包括升壓變壓器、倍壓電路和中子管，其中升壓變壓器采用耐高溫漆包線，并使用高耐壓材料做絕緣；倍壓電路由高耐壓的二極管和高耐壓材料自制電容組成；中子管引出離子源、存儲器、地線等連接線。中子發(fā)生器電路包括接口電路、低壓電源電路、通訊控制、供電電源、存儲器電源、離子源脈沖電源、加速極驅(qū)動電路等。中子管短節(jié)結(jié)構(gòu)示意見圖2，中子發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

圖2 中子管短節(jié)結(jié)構(gòu)示意

圖3 中子發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)框圖

3 數(shù)控脈沖中子發(fā)生器設(shè)計

(1)總體連接。中子發(fā)生器通過外部電源供電，由RS485通訊連接上位機，上位機軟件控制中子發(fā)生器工作并顯示當前工作狀態(tài)和相關(guān)技術(shù)參數(shù)，連接示意見圖4。

圖4 中子發(fā)生器連接示意

(2)電源轉(zhuǎn)換電路。外部供電為交流供電方式，通過內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生系統(tǒng)電源所需的各種低壓電源。

(3)控制器電路。控制器用MCU控制器，內(nèi)置16個A/D采樣通道，并通過CPU控制產(chǎn)生3組6路帶死區(qū)控制的PWM信號，用于控制離子源脈沖、離子源高壓脈沖驅(qū)動和加速極升壓變壓器高壓脈沖驅(qū)動。另外還需外接3路D/A和3路I/O控制存儲器、離子源可調(diào)電源、加速極可調(diào)電源的幅值和開關(guān)。

(4)存儲器電路。中子管存儲器用于貯存D-T或D-D氣體，內(nèi)部燈絲通電后加熱釋放氣體。存儲器電源用于控制燈絲電流，可通過控制器調(diào)整燈絲電流，從而控制氣體的釋放速度。控制電壓范圍0～10 V，輸出電流最大750 mA。

(5)離子源電路。中子管離子源高壓可調(diào)，通過控制器控制可調(diào)離子源供電電源電壓為0～5 V，通過控制器高壓脈沖驅(qū)動升壓變壓器及倍壓電路，實現(xiàn)2 kV離子源高壓。另外通過控制器產(chǎn)生1組PWM脈沖，使離子源2 kV高壓經(jīng)過高壓MOSET管[2]，產(chǎn)生脈沖高壓，頻率最大10 kHz，脈寬40 μs。由于離子源2 kV高壓為隔離高壓，通過高壓隔離可以接離子源電流反饋電路，用于監(jiān)測中子產(chǎn)額穩(wěn)定性。脈沖高壓上升沿小于3 μs，下降沿低于5 μs。

(6)加速極電路[3]。中子管加速極高壓通過控制器控制可調(diào)加速極供電電源，通過驅(qū)動中子管短節(jié)內(nèi)部升壓變壓器，實現(xiàn)0～100 kV可調(diào)加速極高壓。

4 中子發(fā)生器測試

中子當量儀放置于中子發(fā)生器2 m位置，當量儀外部裝置是聚四氟乙烯慢化體[4]，打開離子源脈沖高壓，電壓2 kV，頻率10 kHz，脈寬40 μs，同時打開存儲器電源，使中子管離子源電流保持在一定值。通過控制加速極高壓，測試對應(yīng)不同高壓下的中子產(chǎn)額量[5]。其中中子當量儀是用于監(jiān)測周圍中子劑量當量率的便攜式智能儀器，也可用于核反應(yīng)堆、核電站、核潛艇、中子輻照、中子測水、中子實驗及其他存在中子輻射的場合。脈沖工作方式下中子產(chǎn)額測試結(jié)果見表1。

表1 中子產(chǎn)額測試結(jié)果

表1表明，在儲存器電流0.541 A、離子源高壓2.0 kV、離子源電流200 A、加速極高壓100 A的條件下，中子產(chǎn)額可達1.02 ×108n/s，對應(yīng)的中子當量儀計數(shù)為2 076.483。

5 結(jié) 論

數(shù)控脈沖中子發(fā)生器由中子發(fā)生器短節(jié)和發(fā)生器驅(qū)動電路兩部分組成，設(shè)計的中子發(fā)生器中子產(chǎn)額可達1.02 ×108n/s，可作為工礦企業(yè)中在線元素分析儀表的重要組成部分，在水泥、煤炭、石油測井等多個領(lǐng)域中能替換放射源進行元素分析，避免放射風(fēng)險。

[1] 肖坤祥，艾 軍.小直徑石油測井中子發(fā)生器研制[J].原子核物理評論，2012，29(1):81-84.

[2] 陳 靜，周曉青.基于固體開關(guān)器件的新型高壓脈沖驅(qū)動源[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(4):208-210.

[3] 盧小龍，姚澤恩，楊 堯，等.400 kV強流中子發(fā)生器的物理設(shè)計[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2012，46(12):1473-1479.

[4] 袁 濤，羅永峰，袁 偉，等.14.1 MeV小型脈沖中子發(fā)生器的屏蔽[J].兵器裝備工程學(xué)報，2012，33(7):37-38.

[5] 宋朝輝，張子川.DT聚變脈沖中子產(chǎn)額的活化測量法[J].核聚變與等離子體物理，2011，31 (2) :172-175.