175℃自成靶中子管的结构设计和指标测试

郤方华，王建民，王志全，于传武，钱莉

（大庆钻探工程公司测井公司，黑龙江大庆163412）

175℃自成靶中子管的结构设计和指标测试

郤方华，王建民，王志全，于传武，钱莉

（大庆钻探工程公司测井公司，黑龙江大庆163412）

介绍了175℃自成靶中子管的组成及工作原理，详细阐述了它的离子源、加速系统、靶和氘氚储存器的结构设计和材料选用。离子源采用冷阴极潘宁离子源，阴阳极材料都选用钼材料，磁钢选用钐钴磁钢。175℃自成靶中子管采用输出阴极孔径为4～5 mm、加速间距为15 mm的单隙加速系统。靶基采用圆锥凹面结构，靶基材料选用无氧铜，靶膜厚度为0.74～0.78 mg／cm2。采用由锆－石墨材料构成的吸气剂作为氘氚储存器。对175℃自成靶中子管进行测试，其中子产额高于2×108n／s，使用寿命大于300 h，工作温度达到了175℃。测试结果表明，175℃自成靶中子管具有使用寿命长、工作温度高、稳定性好的优点。

核测井；自成靶中子管；离子源；结构设计；指标测试

0 引 言

由中子管组成的可控中子源作为核测井仪器的重要部件，已经广泛应用于脉冲中子能谱、热中子俘获、中子寿命及氧活化水流等测井仪器中。这些仪器是生产测井中储层评价、管外窜槽检测及注入剖面测井的最佳方法之一。但是随着油田开发的深入，目前中子管技术已不能满足这些测井技术发展的需要，国产可控中子源的工作温度一般不超过150℃，这在很大程度上取决于中子管的工作温度。因此，研发175℃高温中子管是提升可控中子源耐温指标、扩大可控中子源技术应用领域首先要攻克的关键技术。

大庆钻探工程公司测井公司自成靶中子管的研究工作开始于2001年，10年期间通过对自成靶中子管结构的改进和工艺的创新，使中子管的技术指标得到了极大提高，其平均使用寿命达到了370 h以上，有的甚至超过1 800 h，尤其在温度性能方面，解决了多项技术难题，工作温度由150℃提高到175℃。本文从结构设计和指标测试2个方面对该中子管有关技术进行探讨。

1 中子管组成及工作原理

ZZ50型175℃自成靶中子管由离子源、加速系统、靶和氘氚储存器等组成。自成靶中子管工作时，在阳极加2 k V左右的直流或脉冲电压，靶极加－120 k V直流高压。以适当的电流加热氘氚储存器，使其放出氘氚混合气，在阳极电压和磁场的共同作用下，使氘氚气体电离。电离后的电子由于磁场的作用以螺旋线轨迹运动，因而延长了这些电子的飞行路程，增加了电子与氘氚分子碰撞几率，使得氘氚气体电离更充分。在加速系统的电场作用下，氘氚离子从离子源引出孔引出，并经加速电极加速后轰击靶，与靶中的氘氚核发生核反应，即

发射出能量为2.5 MeV和14 MeV等2种快中子。

2 结构设计

2.1 离子源

采用冷阴极潘宁离子源，它由阳极、阴极、输出阴极和磁钢构成。在设计中将阴极的形状设计为外凸形，输出阴极设计为平面圆盘形，阴阳极间距设计为2 mm，同时还设计了一种独特的离子源组装方法，它既能牢固地固定阳极筒，又能很好地防止离子溅射而破坏阴阳极之间的绝缘。

阴阳极材料都选用钼材料［1］，因为钼能钎焊，可以进一步简化封接工艺。磁钢的选用根据中子管的结构和工作温度选择。铝镍钴磁钢磁能积较低，稀土磁钢工作温度和居里温度低，而钐钴磁钢工作温度为300～350℃，居里温度为800℃，能满足工作要求，故选用钐钴磁钢。

2.2 加速系统

由离子源的输出阴极和加速电极构成1个单隙加速系统。这种单隙加速系统可完成离子的引出、成形和加速。由于离子加速系统工作在－120 k V高压下，其耐压性能是首要解决的难题。耐压性能与输出阴极孔径、加速间距以及加速电极形状和材料等有关。

（1）输出阴极孔径确定。输出阴极孔径是由实验方法确定的，在实验中用由不同孔径的输出阴极组成了不同的实验中子管，进行了反复实验比较，认为选用输出阴极孔径为4～5 mm较为合适，既能正常引出离子束，又能保证耐压性能。

（2）加速间距确定。在管内真空度为10－5Pa量级的条件下，直流真空击穿电压VDC与间距d有一定关系［2］：当d＞5 mm时，VDC＝46 d0.4（d的分数幂通常为0.4～0.7）；当选择d＝15 mm时，采用保守设计，取d的分数幂为0.4，VDC＝135.9 k V。

根据计算结果进行了实验验证。验证分2步进行：① 使中子管处于高真空状态（排气后管内真空度为1.5×10－5Pa），此时在间隙两端加140 k V直流高压，连续工作8 h而没有被击穿；② 使中子管处于工作状态，管内真空度为10－2～10－3Pa，间隙两端电压为136 k V（实际使用为120 k V），同样连续工作8 h，其结果与前面相同。实验表明这个间距完全能够满足实际使用的要求。

（3）加速电极形状和材料的确定。一般来说，加速电极形状使电场越不均匀，则击穿电压越低。为了能保持较高的击穿电压，将输出阴极（离子源罩）和加速电极设计成圆弧形，特别注意边缘形状尽量圆滑，避免尖端放电而造成高压击穿。加速电极材料选用可伐合金，它既能满足耐压性能要求，又能适应900℃高温封接和470℃高温排气工艺的要求，使得加速电极的挥发性杂质和含气量都很低，从而提高了耐压性能。

2.3 靶结构

靶基采用圆锥凹面型结构，其表面积比平面靶扩大近1倍左右，承受离子束的轰击面积也将扩大1倍，有利于提高中子产额。靶基材料选用无氧铜，它散热效果好，可以防止靶过热而放气。单位面积靶膜质量是根据氘粒子在靶膜中的射程确定的，当入射氘核的能量为100～150 ke V时，正好能穿透厚度为0.4～0.6 mg／cm2的靶［3］。依据氘粒子这个射程值，设计中取靶膜厚度为0.74～0.78 mg／cm2，经实际使用验证这种靶膜厚度的靶效果很好。

2.4 氘氚储存器的选择

氘氚储存器有2个作用：储存氘氚混合气体和调节管内工作气压。这就要求选用吸气量大，吸气速率高的吸气剂作为中子管的储存器。比较了多种吸气剂的吸气量和吸气速率，最后选定了由锆－石墨材料构成的吸气剂作为氘氚储存器。

3 指标测试

3.1 中子产额

中子产额指标的测试是在室温环境中进行的，因为175℃环境下的中子产额是室温的某个百分数，因而室温的指标同样能说明高温下的指标。

中子产额测试采用铜活化方法。63Cu经中子管产生的14 MeV快中子照射后，产生β＋放射体62Cu，测量62Cu的放射性强度，求出中子通量，从而推算出中子管的中子产额。铜片（63Cu）直径为11 mm，质量为0.286 8 g，丰度为69.1%，半衰期为9.73 min，分支比为97.5%，反应截面为500 mb（非法定计量单位；1 b＝10－28m2，下同）。

在t＝0时将铜片63Cu放入距靶15.5 cm处受14 Me V快中子照射，在t0时取出，放到测量装置中，于t1时开始测量62Cu的放射性强度N2，到t2时结束。根据截面的定义可知，照射期间生成的放射性强度N2与中子通量φ、铜片63Cu的原子核数N1、反应截面σ成正比［4］。

当t＝0时，N2＝0，可得在t2－t1时间内测得62Cu放射性强度N2为

62Cu的放射性强度采用钟罩型β计数管进行测量。由于62Cu与14 Me V快中子的其他反应产物如64Cu、66Cu等的β＋和β－放射性的干扰，还有中子吸收、β吸收等使测得的计数增加4%［5］或更多，但是作为中子管的中子产额标定，其误差不大于20%，对中子管的使用是毫无影响的。用钟罩型β计数管测得的计数ΔN2为

式中，K为62Cu的β＋放射性分支比，K＝97.5%；ε为计数装置总的探测效率［4］。

表1是管号为500713中子管在实验室里2次实测的数据。根据上述方法和测试数据，求得该中子管在120 k V／100μA条件下中子产额为2.9× 108n／s。

表1 500713号中子管测试数据

3.2 工作温度

2009年4月9日对管号为500505号中子管进行了175℃的高温实验，历时8.5 h。在实验过程中通过调节氘氚储存器的电压或电流值，保持靶压和靶流值不变（即靶压120 k V，靶流100μA），观察中子产额和阳极电流的变化，其实验曲线见图1。由图1可知，在最初的1 h内，即温度在50℃以下，中子产额的变化很小。当温度在60～175℃范围内，中子产额随着温度的逐渐上升而呈下降趋势。当温度升至175℃且进人恒温区，随着温度的平稳中子产额也随之趋于稳定。在整个实验过程中阳极电流一直很稳定，最大变化幅度不超过30μA，而氘氚储存器（即管内气压调节系统）的电流只下降了0.04 A。

由实验可知，该中子管能够在175℃的温度环境中正常工作，并且工作时间超过了4 h，没有因为温度升高使管内释放杂气，也没有因为温度升高使靶内氘氚气体逸出而导致管内气压不可控。经计算得知从室温到175℃温度范围内中子产额只下降了24%，完全能够满足实际测井的需要。

图1 500505号中子管耐温测试曲线

3.3 使用寿命

使用寿命指中子管的中子产额不低于额定值以下的使用时间。这个指标最直接的测试方法是让中子管每天工作一定时间（如8～10 h）直至该管的中子产额低于额定值以下止，累计这个过程的总时间。但这种做法很不现实，因为仅是为了得到使用寿命这个指标，毫无意义地浪费掉1个成品中子管，既浪费了财力又花费了大量的人力和时间；其次即使在实验室里取得了这个指标，但它仅仅是抽样结果，并不能代表产品的全部。事实上可以跟踪管子的实际使用情况，从实际使用中统计中子管的使用寿命。表2列举了部分自成靶中子管的使用情况和使用时间。由表2可知，4支中子管的累计时间都超过了800 h。

表2 部分自成靶中子管的使用时间统计

表3统计了2003～2010年期间11支中子管的总体使用情况，它可以说明自成靶中子管的总体使用寿命和总体质量水平。由表3可知，中子管的平均使用寿命达到了373 h。

表3 历年自成靶中子管的使用情况统计

3.4 产额稳定性

由图2可见，当温度刚进入175℃而没有完全达到恒温时，中子产额随温度继续波动，随着时间推移，温度完全达到恒温时中子产额也随之稳定，经计算得知在175℃整个恒温段中子产额只波动了4.1%。结果表明，该中子管由于采用了自成靶结构方式，没有受到外界温度波动的影响，或者说在一个恒温的环境中其中子产额的变化是很小的。

在整个实验过程中，阳极电流和氘氚储存器电流变化幅度都很小，说明管内工作气压一直能够保持稳定状态，从而也保证了供电参数的稳定。表4为自成靶中子管的供电参数和技术指标。

表4 自成靶中子管性能指标

4 结 论

（1）使用寿命长。自成靶中子管工作时靶内消耗的氚能及时得到补偿，并且始终保持靶饱和状态，只要管内氘氚储存器中有足够的氘氚混合气，靶中就有足够的氘和氚，中子管将有连续稳定的中子产生。

（2）工作温度高。采用自成靶结构，保证了管内零件除气彻底，保证了靶有良好的散热效果，即使中子管工作在175℃环境中，也不会从管内释放出杂气和从靶内释放出氘氚气体。

（3）稳定性好。中子管工作时，靶内的氘氚含量自动补偿而保持恒定，保证了稳定的中子输出；采用吸气量大、吸气速率高的氘氚储存器，保证了管内工作气压的稳定，也保证了电参数的稳定。

［1］ 许志祥.冷阴极潘宁（Penning）离子源［J］.核技术，1987，10（9）：45－48.

［2］ 莫纯昌，陈国华.电真空工艺［M］.北京：国防工业出版社，1980.

［3］ 黄国华，金晓.中子发生器靶工作特性［J］.国外科技资料，1995（1）：62.

［4］ 复旦大学，清华大学，北京大学.原子核物理实验方法［M］.北京：原子能出版社，1997.

［5］ 魏宝杰，钟海明.中子管及其应用技术［M］.长春：东北师范大学出版社：142－145.

［6］ 李三庆.测井用中子管寿命分析［J］.西安工业学院学报，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

郤方华，男，1957年生，硕士研究生，从事自成靶中子管研发工作。

2011－06－17 本文编辑 王小宁）