CSNT2451中子管加速系统优化设计

刘炯,岳爱忠,丁希金,秦爱玲,鲁宁,李兵

(中国石油集团测井有限公司测井技术研究院,陕西西安710077)

0 引 言

随着小井眼测井仪器种类的不断增多,测井仪器对中子管提出了持续缩小直径的要求[1-2]。测井用中子管的直径从60 mm经历54、46、40、39 mm,逐渐缩减到30、29 mm和27 mm;之所以有这么多尺寸类型,说明缩小中子管直径是一件艰难的研究工作,只要中子管满足仪器要求的性能,好多尺寸都是因为受技术条件限制而不得不采取的妥协。直径27 mm的中子管已经可以用来制作直径38 mm的测井仪器,直径为25 mm的中子管可以用于开发直径大于36 mm的任何测井仪器,所以直径25 mm的中子管有更广阔的应用空间。

该文所研究的中子管是直径为25 mm的CSNT2451中子管。它是陶瓷外壳中子管,剪口后外形尺寸Φ25 mm×160 mm,耐高温150 ℃,设计工作寿命150 h。该中子管不仅直径缩至25 mm,有效长度也只有160 mm。有效长度的缩短主要由于其中间绝缘部分陶瓷的长度只有77 mm,设计合理的带电粒子加速系统是缩小直径和降低绝缘部分长度的关键。

1 加速系统设计的理论计算

利用有限元分析法对设计的结构进行模拟仿真,可以有效避免设计上的明显缺陷,节省大量人力、物力,提高产品研发的效率,也为产品提供严谨的理论依据和改进方向。对中子管设计经常出现的典型问题,从理论层面上进行分析,正确地引导设计改进。经过从理论计算到实验验证的研制循环,使中子管性能不断得以提升,这也是CSNT2451中子管研发的思路与方法。

1.1 结构设计

中子管结构设计涉及离子源结构、加速系统结构、靶子结构和密封结构这4部分,本文只涉及加速系统结构的讨论。加速系统设计包括离子源离子输出口及离子源外形尺寸设计,加速间隙结构和尺寸、加速电极离子引入口径及形状尺寸设计等。CSNT2451中子管结构件的设计在径向采用紧配合方式,在轴向采用顶紧装配方式,充分保障了结构件之间的共轴和间距尺寸的精确控制。

加速系统的设计关系到中子管离子光学路径、加速间隙空间电场分布合理性的问题,既要使得离子束有效地在靶面上形成尽可能覆盖靶面的光斑,又要充分地考虑到设计形成的加速电场在中子管内部空间的分布,尤其是在加速间隙的中子管外壳内壁上的场强分布,尽可能地减小打火、放电造成的中子管工作不稳定。一般影响中子管工作稳定性的因素除了离子源电离、空间高压绝缘等,最主要的就是加速间隙的打火、放电。加速间隙放电分为空间结构件之间的直接放电(如场致发射等)和加速间隙外壳内壁上的沿面闪络放电,前者主要涉及到中子管生产中的零件处理工艺,而后者主要与中子管加速间隙的空间电场分布、外壳内壁处理工艺相关。

常用的双电极离子源引出系统相当于1个浸没孔栏透镜(见图1)。在A、B两电极间发射引出1束受空间电荷限制的半径为r的离子束,通过电极B孔栏射入无场区,L为电极B到靶面的距离,如果r远小于加速间隙距离d,可得到求取近似焦距f的公式

图1 加速系统的简化模型

(1)

式中,V为电极B相对于电极A的电压,V;E1为离子引出口端电压,V;E2为离子引入口端电压,V。

德维桑凯尔皮克(Davisson-Calbick)膜孔透镜焦距公式,作近似处理时有[3]

E2≈4V/3d

(2)

式中,d为速间隙距离,mm。带入式(1)中,则有

f=-3d

(3)

即:离子束近似为从焦距为3d的“源”点发出[4]。按此简化模型近似计算,可以计算得到离子束在靶面形成的光斑大小。设在靶面形成的光斑半径为R,电极B到靶面的距离为L,电极B离子引入口半径为r,则由简化模型的几何关系可推导出

(4)

式中,R为靶面光斑半径,mm;L为电极B到靶面的距离,mm;r为电极B离子引入口半径,mm。

带入相应参数,可粗略计算离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,计算得出靶面光斑半径为7.33 mm。

通过理论计算,近似得到离子束在靶面可形成半径约为7.33 mm的光斑。在设计上,加速电极在靶面前端开口直径为18 mm,考虑到靶面在实际镀膜工艺时,靶面外缘存在一定空白区,加上固定靶片的结构件尺寸,认为设计值合理,既充分利用了靶面积,又避免了离子束打在靶外空间的结构件表面造成溅射。

1.2 加速系统电场分布模拟分析

1.2.1建模

该文使用有限元电磁场分析软件对所设计的CSNT2451中子管加速系统进行电场仿真,在建模中对结构进行材料设定、网格划分、电压激励值等操作。材料确定为纯铁DT4(标准库中无DT4材料,为自建库元件参数)、不锈钢steel_stainless、无氧铜copper、陶瓷Ceramic5等,网格的划分按长度模式“Length Based”进行软件默认网格大小设定,电压激励设定为-100 kV,外部区域按中子管比例适当设置。

1.2.2分析结果

(1)加速空间电场等位面分布

图2为模拟仿真得到的加速系统空间电场等位面分布图。设置2条路径提取靶压的数值分布曲线:路径1为沿轴向陶瓷外壳内壁,从离子源端(可伐陶瓷封接处)至靶面端;路径2为沿轴向中心线,离子源后阴极端面至靶面。后续都是按这2条路径分别提取电压数值分布曲线(见图3)。

图2 加速系统空间电场等位面分布图

图3 沿路径1、路径2提取的电压数值分布曲线

由图3可见,离子源端陶瓷内壁上的电压在较长一段距离上电压值是较低的,约在几千伏左右。因此,在设计上,离子源外径尺寸大小可以尽量放大,CSNT2451中子管的安全间距设计为1 mm,实验证明是合理的。电压明显增大处,在离子源的外形设计上已适当避开。

(2)加速空间电场强度分布

图4为加速系统电场强度分布模拟图。同样,沿路径1、路径2提取电场强度分布曲线(见图5)。

图4 加速系统电场强度分布模拟图

图5 沿路径1、路径2提取电场强度数值分布曲线

注意2条曲线的起始点位置不同。由图5可见,离子源前端因外形曲率变化造成的电场强度值陡峭处,在设计上已适当避开。

在设计上,改变了离子源外形形状(曲率),与改进前的模拟仿真结果(见图6)对比,可以看出电场强度值的分布变化:除了电场强度值绝对值的变化外,分布也更趋于平缓和向加速电极方向平移。电场强度值的平缓分布极大地降低了陶瓷外壳内壁上形成打火放电的几率,这也是理论计算的优势所在,可以较为清晰地显示设计所形成的电场分布,改变离子源和加速电极形状、尺寸,可以反复得到加速系统的电压、电场分布情况,得出较为理想的结果,CSNT2451中子管就是以此理论计算结果反复比较、权衡的设计。当然,理论计算只是科学设计的前提和有利条件,中子管是一种工艺性很强的电真空产品,合理的工艺实施,是最终产品性能表现的关键因素。

图6 改进前离子源沿路径1的电场强度数值分布曲线

2 CSNT2451中子管实测结果

对3只样管22001号、22002号、22003号进行各参数性能实测,获得理想结果,符合设计期望。中子管性能指标测试包括:中子产额大小及稳定性、高温150 ℃时的性能、电离稳定性、连续工作稳定性、工作寿命等,本文讨论只涉及中子产额、中子管工作稳定性问题。

图7为22002号中子管中子产额随时间分布的实测曲线,即中子管累计发射中子进行测试201 h后的曲线截图。中子管工作参数分别取靶压80～95 kV,阳极电流100～150 μA时,中子管靶流40～80 μA,中子产额≥1.2×108n/s。

图7 22002号中子管中子产额随时间分布实测曲线

3 结 论

(1)CSNT2451中子管的加速系统设计满足要求,配合离子源、氚靶等组装的中子管离子光路合理、有效覆盖靶面,中子产额高。在管径小、靶面尺寸相应减小情况下,中子产额能达到较高水平。典型工作参数情况下,靶压80 kV时,中子产额≥1.2×108n/s;高参数情况下:靶压100 kV时,中子产额≥4×108n/s。

(2)中子管内部电场分布得到优化,实际测量证明中子管工作稳定。中子管测试过程中,无打火放电现象,长时间的寿命测试工作稳定,证明中子管内空间电场设计合理。

(3)3只样管实际测试均呈现相同的性能表现:无打火放电现象,中子产额高,优化设计的加速系统,保证了中子管的工作稳定性。