CSNT2451中子管加速系統優化設計

劉炯,岳愛忠,丁希金,秦愛玲,魯寧,李兵

(中國石油集團測井有限公司測井技術研究院,陜西西安710077)

0 引 言

隨著小井眼測井儀器種類的不斷增多,測井儀器對中子管提出了持續縮小直徑的要求[1-2]。測井用中子管的直徑從60 mm經歷54、46、40、39 mm,逐漸縮減到30、29 mm和27 mm;之所以有這么多尺寸類型,說明縮小中子管直徑是一件艱難的研究工作,只要中子管滿足儀器要求的性能,好多尺寸都是因為受技術條件限制而不得不采取的妥協。直徑27 mm的中子管已經可以用來制作直徑38 mm的測井儀器,直徑為25 mm的中子管可以用于開發直徑大于36 mm的任何測井儀器,所以直徑25 mm的中子管有更廣闊的應用空間。

該文所研究的中子管是直徑為25 mm的CSNT2451中子管。它是陶瓷外殼中子管,剪口后外形尺寸Φ25 mm×160 mm,耐高溫150 ℃,設計工作壽命150 h。該中子管不僅直徑縮至25 mm,有效長度也只有160 mm。有效長度的縮短主要由于其中間絕緣部分陶瓷的長度只有77 mm,設計合理的帶電粒子加速系統是縮小直徑和降低絕緣部分長度的關鍵。

1 加速系統設計的理論計算

利用有限元分析法對設計的結構進行模擬仿真,可以有效避免設計上的明顯缺陷,節省大量人力、物力,提高產品研發的效率,也為產品提供嚴謹的理論依據和改進方向。對中子管設計經常出現的典型問題,從理論層面上進行分析,正確地引導設計改進。經過從理論計算到實驗驗證的研制循環,使中子管性能不斷得以提升,這也是CSNT2451中子管研發的思路與方法。

1.1 結構設計

中子管結構設計涉及離子源結構、加速系統結構、靶子結構和密封結構這4部分,本文只涉及加速系統結構的討論。加速系統設計包括離子源離子輸出口及離子源外形尺寸設計,加速間隙結構和尺寸、加速電極離子引入口徑及形狀尺寸設計等。CSNT2451中子管結構件的設計在徑向采用緊配合方式,在軸向采用頂緊裝配方式,充分保障了結構件之間的共軸和間距尺寸的精確控制。

加速系統的設計關系到中子管離子光學路徑、加速間隙空間電場分布合理性的問題,既要使得離子束有效地在靶面上形成盡可能覆蓋靶面的光斑,又要充分地考慮到設計形成的加速電場在中子管內部空間的分布,尤其是在加速間隙的中子管外殼內壁上的場強分布,盡可能地減小打火、放電造成的中子管工作不穩定。一般影響中子管工作穩定性的因素除了離子源電離、空間高壓絕緣等,最主要的就是加速間隙的打火、放電。加速間隙放電分為空間結構件之間的直接放電(如場致發射等)和加速間隙外殼內壁上的沿面閃絡放電,前者主要涉及到中子管生產中的零件處理工藝,而后者主要與中子管加速間隙的空間電場分布、外殼內壁處理工藝相關。

常用的雙電極離子源引出系統相當于1個浸沒孔欄透鏡(見圖1)。在A、B兩電極間發射引出1束受空間電荷限制的半徑為r的離子束,通過電極B孔欄射入無場區,L為電極B到靶面的距離,如果r遠小于加速間隙距離d,可得到求取近似焦距f的公式

圖1 加速系統的簡化模型

(1)

式中,V為電極B相對于電極A的電壓,V;E1為離子引出口端電壓,V;E2為離子引入口端電壓,V。

德維桑凱爾皮克(Davisson-Calbick)膜孔透鏡焦距公式,作近似處理時有[3]

E2≈4V/3d

(2)

式中,d為速間隙距離,mm。帶入式(1)中,則有

f=-3d

(3)

即:離子束近似為從焦距為3d的“源”點發出[4]。按此簡化模型近似計算,可以計算得到離子束在靶面形成的光斑大小。設在靶面形成的光斑半徑為R,電極B到靶面的距離為L,電極B離子引入口半徑為r,則由簡化模型的幾何關系可推導出

(4)

式中,R為靶面光斑半徑,mm;L為電極B到靶面的距離,mm;r為電極B離子引入口半徑,mm。

帶入相應參數,可粗略計算離子束在靶面形成的光斑大小。CSNT2451中子管中,r=4 mm,d=14 mm,L=35 mm,計算得出靶面光斑半徑為7.33 mm。

通過理論計算,近似得到離子束在靶面可形成半徑約為7.33 mm的光斑。在設計上,加速電極在靶面前端開口直徑為18 mm,考慮到靶面在實際鍍膜工藝時,靶面外緣存在一定空白區,加上固定靶片的結構件尺寸,認為設計值合理,既充分利用了靶面積,又避免了離子束打在靶外空間的結構件表面造成濺射。

1.2 加速系統電場分布模擬分析

1.2.1建模

該文使用有限元電磁場分析軟件對所設計的CSNT2451中子管加速系統進行電場仿真,在建模中對結構進行材料設定、網格劃分、電壓激勵值等操作。材料確定為純鐵DT4(標準庫中無DT4材料,為自建庫元件參數)、不銹鋼steel_stainless、無氧銅copper、陶瓷Ceramic5等,網格的劃分按長度模式“Length Based”進行軟件默認網格大小設定,電壓激勵設定為-100 kV,外部區域按中子管比例適當設置。

1.2.2分析結果

(1)加速空間電場等位面分布

圖2為模擬仿真得到的加速系統空間電場等位面分布圖。設置2條路徑提取靶壓的數值分布曲線:路徑1為沿軸向陶瓷外殼內壁,從離子源端(可伐陶瓷封接處)至靶面端;路徑2為沿軸向中心線,離子源后陰極端面至靶面。后續都是按這2條路徑分別提取電壓數值分布曲線(見圖3)。

圖2 加速系統空間電場等位面分布圖

圖3 沿路徑1、路徑2提取的電壓數值分布曲線

由圖3可見,離子源端陶瓷內壁上的電壓在較長一段距離上電壓值是較低的,約在幾千伏左右。因此,在設計上,離子源外徑尺寸大小可以盡量放大,CSNT2451中子管的安全間距設計為1 mm,實驗證明是合理的。電壓明顯增大處,在離子源的外形設計上已適當避開。

(2)加速空間電場強度分布

圖4為加速系統電場強度分布模擬圖。同樣,沿路徑1、路徑2提取電場強度分布曲線(見圖5)。

圖4 加速系統電場強度分布模擬圖

圖5 沿路徑1、路徑2提取電場強度數值分布曲線

注意2條曲線的起始點位置不同。由圖5可見,離子源前端因外形曲率變化造成的電場強度值陡峭處,在設計上已適當避開。

在設計上,改變了離子源外形形狀(曲率),與改進前的模擬仿真結果(見圖6)對比,可以看出電場強度值的分布變化:除了電場強度值絕對值的變化外,分布也更趨于平緩和向加速電極方向平移。電場強度值的平緩分布極大地降低了陶瓷外殼內壁上形成打火放電的幾率,這也是理論計算的優勢所在,可以較為清晰地顯示設計所形成的電場分布,改變離子源和加速電極形狀、尺寸,可以反復得到加速系統的電壓、電場分布情況,得出較為理想的結果,CSNT2451中子管就是以此理論計算結果反復比較、權衡的設計。當然,理論計算只是科學設計的前提和有利條件,中子管是一種工藝性很強的電真空產品,合理的工藝實施,是最終產品性能表現的關鍵因素。

圖6 改進前離子源沿路徑1的電場強度數值分布曲線

2 CSNT2451中子管實測結果

對3只樣管22001號、22002號、22003號進行各參數性能實測,獲得理想結果,符合設計期望。中子管性能指標測試包括:中子產額大小及穩定性、高溫150 ℃時的性能、電離穩定性、連續工作穩定性、工作壽命等,本文討論只涉及中子產額、中子管工作穩定性問題。

圖7為22002號中子管中子產額隨時間分布的實測曲線,即中子管累計發射中子進行測試201 h后的曲線截圖。中子管工作參數分別取靶壓80～95 kV,陽極電流100～150 μA時,中子管靶流40～80 μA,中子產額≥1.2×108n/s。

圖7 22002號中子管中子產額隨時間分布實測曲線

3 結 論

(1)CSNT2451中子管的加速系統設計滿足要求,配合離子源、氚靶等組裝的中子管離子光路合理、有效覆蓋靶面,中子產額高。在管徑小、靶面尺寸相應減小情況下,中子產額能達到較高水平。典型工作參數情況下,靶壓80 kV時,中子產額≥1.2×108n/s;高參數情況下:靶壓100 kV時,中子產額≥4×108n/s。

(2)中子管內部電場分布得到優化,實際測量證明中子管工作穩定。中子管測試過程中,無打火放電現象,長時間的壽命測試工作穩定,證明中子管內空間電場設計合理。

(3)3只樣管實際測試均呈現相同的性能表現:無打火放電現象,中子產額高,優化設計的加速系統,保證了中子管的工作穩定性。