Ф25测井用微型自成靶中子管

2014-05-11郤方华王建民王志全陈路丁柱

测井技术 2014年1期

郤方华, 王建民, 王志全, 陈路, 丁柱

(大庆钻探工程公司测井公司, 黑龙江大庆 163412)

0 引言

大庆油田已进入三次采油进程,采用分层注水的开采技术注入井中心管内径为42 mm,需要采用外径为38 mm氧活化测井仪测量其注入剖面。按该测井仪的外径要求,中子管的外径要求为25 mm,为此,Ф25中子管是首当其冲要解决的瓶颈技术。

大庆钻探工程公司测井公司相继研制了ZZ50[1]和ZZ30[2]自成靶中子管,成功应用于碳氧比和氧活化测井仪,经多年现场应用表明,它们技术成熟,性能指标优良,工作稳定可靠。在此基础上,又开展了Ф25测井用微型自成靶中子管(简称ZZ25中子管)的研发工作,攻克了多项关键技术,取得了突破性的进展。本文就自主研发的ZZ25中子管的结构特点、制造工艺和主要指标等方面进行技术探讨。

1 结构特点

1.1 结构组成和工作原理

ZZ25中子管的外形主体结构尺寸为Ф25 mm×162 mm,其内部总体结构由离子源、氘氚储存器(或称气压调节系统)、加速系统和自成靶等组成[1]。

自成靶中子管工作时,在阳极加2 kV左右的直流或脉冲电压,靶极加-120 kV直流高压,同时,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,电离后的电子在加速系统的电场作用下,氘氚离子从离子源引出孔引出,经加速电极加速后轰击靶,与靶中的氘氚核发生核反应

发射出能量为2.5 MeV和14 MeV的2种快中子。

1.2 防溅射的微型离子源

ZZ25中子管的离子源采用冷阴极潘宁离子源。为了适应管内空间的限制,离子源外径设计为14 mm,阳极筒外径设计为9 mm,阴阳极间的横向绝缘距离设计为2 mm;为防止离子溅射使阴阳极间绝缘程度变差或短路,阴阳极间的陶瓷绝缘环设计成迷宫式结构[3]。

1.3 耐高压的加速系统

加速系统由离子源的输出阴极和加速电极组成,它是一种简单的单极加速系统,可同时完成离子的引出、成形和加速[4]。自成靶中子管工作时需要的加速电压往往比商品靶中子管要高,为此在结构设计中,考虑了2个方面的问题。

(1) 合理确定加速间隙的长度。依据直流真空击穿电压VDC(kV)与间距d(mm)的经验公式[5]设计耐压间隙。

当d>5 mm时,VDC= 46d0.4(d的分数幂通常为0.4～0.7);当选择d=13 mm时,采用保守设计,取d的分数幂为0.4,得VDC= 128.3 kV。

根据计算结果,对其进行了实验验证,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130 kV(实际使用为90～100 kV),连续工作4 h没有被击穿。

(2) 进行电场屏蔽和防止离子溅射。-120 kV高压形成很强的电场极容易使中子管击穿;由于管内空间小,离子溅射极容易造成管内壁与加速电极之间绝缘程度降低,要尽量提高电场屏蔽和防止离子溅射保证加速系统的耐压。

通过上述2个方面结构设计并经实验测试求证,这种结构的加速系统在-120 kV高压下能够长时间可靠工作。

1.4 抗高温的自成靶

ZZ25中子管的靶基采用无氧铜凹面靶,在靶外端设计一个可拆卸的散热器,便于靶散热。室内实验证实,这种靶在150 ℃高温环境中连续工作5 h靶内氘氚气体也不会逸出。靶膜仍然采用高纯钛材料,由于ZZ25中子管的靶表面面积较ZZ30小1.3倍,要达到ZZ30中子管同样的靶膜重量,其靶膜厚度要增加1.3倍才能满足中子产额的要求。

2 制造工艺创新

2.1 镀膜工艺

以往靶膜镀制工艺简单,靶基表面不进行净化处理,且采用电阻蒸发镀膜方式,靶膜附着力差,镀膜设备本底真空度低(为10-1Pa量级),镀制的靶膜往往被氧化,其结果造成靶膜部分脱落,导致中子产额下降。针对该问题改进了靶膜镀制工艺:①将靶基进行去油处理后,再对其进行900 ℃高温净化处理,除去靶表面的杂质;②将靶面进行粗化处理,用机械喷砂的方法将靶面粗糙处理,既增强了膜与靶结合面的亲和力,还可以有效减少靶面二次电子的发射[6];③改进镀膜设备功能,提高本底真空度,同时将镀膜方法由电阻蒸发镀膜改为磁控溅射镀膜,增强靶膜的附着力。通过靶面镀膜工艺的改进,提高了靶膜质量,减少了溅射效应,有利于提高中子管工作的可靠性和延长中子管的使用寿命。

2.2 封接工艺

在封接ZZ25中子管的过程中解决了2个技术难点:①采用微型离子源的封接技术,解决了由于离子源内部空间小,零件多,同时还要保证电气高度绝缘的封接问题;②采用薄壁封接技术,有效防止管内壁不被各种离子溅射,保证管内的高压绝缘,在保证中子管真空度要求的前提下,尽可能减少各部件的壁厚,达到管内空间最大化。

2.3 排气工艺

排气质量直接影响到中子管的性能。排气不彻底,除了影响管子耐压性能外,管内残留的杂气还会降低离子流的有效成分,降低中子产额。在其他条件相同的情况下,中子产额因排气质量的差别可相差1倍以上[7]。又因为储存器对其他气体的吸气速率远低于氘氚气,杂气的存在严重影响了管内气压调节效果,即影响了中子管工作的稳定性。ZZ25中子管改变常态排气工艺,完善排气设备功能,改中子管内部真空排气为中子管内外同时进行真空排气,既达到了排气效果又使中子管表面不被氧化;改手动升降温度为自动升降温度,可以有效控制中子管排气温度的平稳升降;提高排气温度,由460 ℃提高到500 ℃,并且在500 ℃温度下恒温2 h,更容易排出中子管内外表面深层的杂气;延长排气时间,由10 h延长到20 h,可以保证中子管排气更彻底。

2.4 充氚工艺及老炼工艺

将要充氚的ZZ25中子管进行二次排气,除去管子靶内的氘气和管壳内壁的溅射物;配置精确的氘氚比例,使氘氚核反应几率达到最大,产生的中子产额最高。

采用耐压锻炼工艺,其过程与商品靶中子管耐压锻炼相同,不同之处在于ZZ25中子管的耐压值要求达到-120 kV;采用靶饱和锻炼工艺,老炼时将氘氚离子逐渐注入靶内,经过一定的时间(8～10 h)靶内氘氚含量达到饱和,形成中子产额稳定的自成靶。

3 主要指标测试

3.1 中子产额

中子产额根据与镅-铍中子源的活度比对标定。方法原理:用中子管的测试设备测量镅-铍中子源的计数率,并与出厂时源的活度建立对应关系,得到计数率与中子产额之间的标定系数,用该标定系数求得中子管的中子产额。

测试中选用了 0.5、19 Ci的2枚镅-铍中子源,用中子管测试设备(三氟化硼探测器)对它们分别进行测量,各自测量得到30个数据,取其平均值,经计算得到两者之间的标定系数K=1.025×105。由此得到中子产额与计数率的对应关系

A=K×B=1.025×105×B

(1)

式中,A为中子产额值,n/s;B为室内测量计数率,1/s。

根据上述计算方法,对管号为251203中子管的中子产额进行了计算,结果见表1。当靶极供电为-80 kV/100 A(即8 W)时,该中子管的中子产额达到了1×108n/s以上,能够满足测井仪的需求。

3.2 工作温度

工作温度测试在实验室进行。将ZZ25中子管置于装有绝缘油的容器中,中子管处于正常工作状态,并加热绝缘油至150 ℃,观察中子管在整个温升过程中的变化情况。图1是管号为251202自成靶中子管工作温度测试曲线。实验从7:30开始至16:00结束,历时8.5 h。在测试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100 kV,靶流80 A),观察中子产额和阳极电流的变化。由图1可以看出,中子产额在80 ℃以下能够保持很好的稳定,在80～150 ℃区间下降较快,当进入150 ℃恒温区后,随着温度的平稳,中子产额的下降速度减缓,并且逐渐趋于稳定;阳极电流在整个测试过程中保持了相当的稳定,也就说明了离子源工作的稳定。由图1可知,该中子管不但在整个温度测试区间内能正常工作,而且在150 ℃恒温区工作时间超过了5 h。

表1 251203自成靶中子管计数率和中子产额对比

图1 251202中子管工作温度测试

3.3 使用寿命

ZZ25中子管使用寿命的设计借鉴了ZZ30中子管的设计思想,主要考虑靶膜磨损、高压绝缘破坏和氘氚气体自然损耗3个重要因素[8]。ZZ25中子管的靶镀膜工艺保证了靶膜的耐磨性,防离子溅射的结构设计保证了高压绝缘性;采用了自成靶结构和充以足够的氘氚混合气,可以保证氘氚气体长久性和中子输出稳定性。考虑到上述因素,预计使用寿命超过300 h。