中子发生器模拟盒的研制与应用

郭道连

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163153)

0 引 言

中子发生器是一种小型加速器中子源[1]，由中子管、倍压电路等组成，它是脉冲中子测井仪器的一个关键部件，应用十分广泛。脉冲中子测井仪器故障多集中于中子发生器控制电路，在维修调试电路时需要连接中子发生器，最后需要打靶来验证仪器工作是否正常。而中子发生器属于射线装置，由于安全原因，维修调试及打靶时对操作人员及场地都有极高要求，造成仪器的维修调试很不方便，严重影响了脉冲中子类仪器的推广应用。 目前，国内有关中子发生器安全使用方面的研究多集中在辐射防护与安全管理[2]上，而油田大多地处偏远，实际测井工作流动性又大，现场缺少辐射防护设施，安全风险又集中在连接中子发生器维修调试期间(仪器在井下测井时非常安全)，因此，急需可以模拟中子发生器工作的设备。中子发生器模拟盒的研制正是基于此目的，其主要作用是在维修调试期间实现对中子发生器的替代，所以中子发生器模拟盒的研制与应用具有较大的安全意义。

1 中子发生器的结构和工作原理

1.1 中子发生器的构成

中子发生器主要是由倍压电路和中子管组成，其内部的高压电源的绝缘主要采用气密封和油密封两种。在中子发生器的实际应用中，大部分都是采用具有卓越电绝缘性和灭弧特性、耐热性能好的SF6[3]气体而密封。中子管则是由氚靶、灯丝、阳极组成。其结构如图1所示。

图1 中子管的结构图

1.2 中子发生器工作原理

给氘气储存器即灯丝加热，使附着在灯丝上的氘气释放出来，同时给阳极加上1.8～2.4 kV的脉冲高压，在电磁场的作用下，使释放出的氘气电离成氘离子，再通过给靶极加上高压，使氘离子加速并轰击含有氚的靶极，从而获得能量为14 MeV的高能中子。

离子源产生的氘离子，经加速后打在靶上，与附着在靶上的氚发生以下核反应：

D+T→He+ n+17.6 MeV

2 中子发生器模拟盒组成及参数计算

2.1 中子发生器模拟器盒的组成

中子发生器模拟盒的主要功能就是模拟中子发生器的工作过程，接收仪器总线上的命令，上传各参数的采样值。中子发生器模拟盒主要由通讯及采样主板、模拟灯丝、模拟阳极、模拟靶、灯丝及阳极电流表、采样电路等组成。以多功能水流仪为例，其原理如图2所示。

图2 中子发生器模拟盒及控制电路的原理框图

2.2 模拟灯丝的选择

多功能水流仪内的中子发生器灯丝预热电流为490 mA左右，当阳极高压打开后，氘气体开始电离，阳极电流缓慢上升到设定值。灯丝供电由3.3 V电源通过场效应管提供，场效应管门极在单片机的控制下改变漏源极压降来调整灯丝上的电压，从而改变灯丝电流，阳极电流上升到设定值后灯丝电流为300 mA。由于场效应管漏源极压降的存在，灯丝上的压降会小于3.3 V，实际灯丝阻值一般在3 ～ 5 Ω之间。中子发生器模拟盒灯丝供电为3.3 V，灯丝电流设计为300 mA，根据R=V/I得出灯丝电阻值在为：3.3/0.3=11 Ω。实际选用型号为TMC-10的电阻。

2.3 模拟阳极的选择

阳极由供电极板组成，在不加脉冲高压时阻值很大，阳极脉冲高压要求具有宽频带、锐截止[4]特点，仪器工作时阳极电流在占空比为10%时为82 μA。阳极脉冲电压为2 000 V时，其有效值为200 V，可以计算出模拟阳极的电阻阻值为2.5 MΩ 。由于模拟阳极使用的是纯电阻，所以中子发生器模拟盒的阳极电流与阳极高压占空比成线性关系，而实际中子发生器的阳极电流值的控制是通过调整灯丝电流改变氘的释放量[5]来实现的，因此中子发生器模拟盒阳极电流在通电后就稳定在一定值，没有缓慢上升的过程即缺少电离过程，就调试检修仪器来说没有影响。中子发生器模拟盒阳极电流与仪器阳极电流有所差别，如表1所示。

表1 不同阳极高压占空比对应的阳极电流

2.4 模拟靶的选择

多功能水流仪靶压一般在-70～-95 kV之间，由于靶压很高，中子发生器内部都需充SF6来提供绝缘，为了安全，中子发生器模拟盒内的靶压值未经升压及倍压，同时，为了不改变靶压取样值，调整靶压取样电阻网络中电阻比例。由于中子发生器模拟盒靶压值较低(80 V以内)，因此模拟靶的电阻只是提供供电回路，选功率为3 W阻值为8 kΩ电阻来模拟。

2.5 靶压供电电路的处理

多功能水流仪靶压变压器供电由内部低压电源V2提供，V2在单片机DAC的控制下输出范围为0～80 V,变压器震荡频率固定，因此靶压供电方式为调压式。为安全考虑，中子发生器模拟盒的靶压变压器变比为1，仅起隔离作用，电压输出较低。

3 中子发生器模拟盒的应用实例

中子发生器模拟盒的主要用途是在维修多调试功能水流仪时代替中子发生器，多功能水流仪的控制电路可以实现对中子发生器模拟盒的控制，同时中子发生器模拟盒可以将关键参数的采样值送回控制电路。这样，仪器出现故障时可以使用中子发生器模拟盒对控制电路进行检测，方便了仪器的维修调试。

3.1 灯丝电流采样电路故障的判断

某多功能水流仪在测井现场出现地面软件无灯丝电流现象，而此时仪器通信正常，根据原理分析，造成这种现象的原因有2种，一种为灯丝采样电路故障，另外一种为灯丝供电回路断路。之前，遇到这种故障只能拆开多功能水流仪上采集，对控制电路中灯丝控制部分进行逐一排查，费时费力，总体效率较低。现在只需将中子发生器模拟盒与上采集连接(如图3所示)，在通信正常的情况下，由地面软件控制打开灯丝供电，如果中子发生器模拟盒上的灯丝电流表有300 mA电流显示，说明灯丝供电回路正常而采样电路故障，否则，灯丝供电回路存在断路。在现场通过上述方法将中子发生器与多功能水流仪连接，通电检查发现模拟盒上灯丝电流显示正常，因此可以确定问题出在灯丝采样电路上。

图3 中子发生器模拟盒与多功能水流仪的连接示意图

3.2 阳极升压变压器故障的判断

某前线班组返修的一支多功能水流仪出现阳极电流不稳的现象，电流在50～290 μA范围内上下跳变。由于阳极电流最大时达290 μA且中子发生器属于精密贵重仪器，无法长时间连接中子发生器检修，但在故障查找过程中不下挂中子发生器，故障现象消失，仪器检修又变得十分盲目。此时用中子发生器模拟盒代替中子发生器，通电后故障现象重现，接着卸下上采集短接外壳，发现阳极升压变压器有打火的声音，最终确定故障是由阳极升压变压器绕组绝缘不良造成，更换后仪器工作正常。

4 结 论

1)中子发生器属于射线类仪器，维修调试时对维修人员及场地要求高，一旦误操作就会导致重大安全事故，因此，在仪器的维修调试过程中中子发生器模拟盒对中子发生器的替代消除了潜在的安全风险。

2)在仪器维修调试过程中中子发生器模拟盒替代了中子发生器，可以同时将灯丝电流、阳极电流、靶压这三个重要参数同时打开，这样可以更全面地对控制电路进行检测，大大提高了仪器的维修效率和准确性。

3)在仪器的维修调试过程中及维修后打靶测试中都存在损坏中子发生器的可能，中子发生器模拟盒的使用避免了这种可能。

4)中子发生器模拟盒实现了对中子发生器稳定工作条件下的模拟，可以满足维修调试仪器的需求，但缺少电离过程，即阳极电流的缓慢上升及相应灯丝电流的变化，后期可以用真实的氘存储器及离子源来使模拟盒具有更加理想的模拟效果。