用于中子测井的自成靶密封中子管性能评价

宋应民，杨洪广，张家善，卢仕起，郭铁军

(中国原子能科学研究院，北京 102413)

中子管是将离子源、氚靶、加速器、存储器密封在陶瓷或玻璃管内，形成一种通电可控的微型加速器中子源。与普通同位素中子源相比，其中子产额高，能谱单色性好，无γ本底，可产生脉冲中子，不用时可关断，防护容易，储存管理和运输方便；与反应堆或加速器中子源相比，其体积小，重量轻，消耗功率小，无须真空系统和冷却设备，不必更换氚靶，操作容易，维护管理简单，便于携带和移动，适于流动辐照或现场辐照。随着中子管技术的发展，中子管已广泛应用于中子测井、煤质分析、中子照相、爆炸物及毒品检测等领域[1-2]。

测井中子管与地面应用相比有其特殊的难度，主要表现为：(1) 受井孔尺寸限制，井下仪器的直径一般需小于90 mm，中子发生器的直径需小于76 mm，要求中子管的直径通常不大于28 mm；(2) 井下温度高，每千米温升为30～40 ℃，中子测井环境温度最高可达175 ℃，而井下又难以采取散热措施，因此，中子管应具有长期稳定的高温工作性能才能满足实际生产的需要；(3) 井下仪器通过数千米电缆由地面供电，受电缆缆芯数目和直径的限制，中子发生器的供电电流只能控制在几百毫安以内，电压也不得超过二三百伏，因此，对测井中子管的输出功率有严格限值[3-6]。

围绕测井中子管在小直径、耐高温、长寿命、高稳定性及功耗要求等性能指标，利用自成

靶工艺长寿命、高稳定性的优点[7-8]，成功研制了SNT-DT/25型密封氘氚中子管，其管体直径仅25 mm，老练测试结果表明，中子管各项性能指标满足中子测井要求，达到了国内领先水平。

1 工作原理及结构

密封中子管结构示意图如图1所示。中子管裸管加工完成后，需依次进行高温真空除气、充氘氚、老练测试及排气口冷掐封接等项操作，完成密封氘氚中子管制作程序。中子管工作时无需抽真空设备和气源装置，因而能够组装成小型轻便的中子源设备。

图1 SNT-DT/25型密封中子管结构示意图Fig.1 Diagram of the SNT-DT/25 type neutron tube

其工作原理是由离子源放点产生的氘离子，经加速器加速后，与靶中的氚原子发生T(d,n)聚变核反应，放出14 MeV中子。

2 实验方法

采用专用的中子管老练考验试验装置进行中子产额、功耗等性能测试，用于中子产额测定的3He管预先经中国原子能科学研究院计量站(国防科技工业电离辐射一级计量站)进行标定，中子产额的计数间隔设定为10 s。中子管常温老练测试试验采用硅油作为绝缘介质，所用硅油使用前进行真空除水处理，以提高其绝缘性能；高温老练测试试验采用六氟化硫作为绝缘介质，工作时的气体压力为3～4个大气压，绝缘介质厚度≥10 mm，避免管体表面在高温锻炼测试过程中发生电离击穿现象。

3 结果与分析

3.1 产额稳定性

设定靶极电压为-80 kV，靶极电流为100 μA，阳极电流为400 μA，使中子管连续运行25 h以上，获得自成靶密封氘氚中子管中子产额随老练时间关系曲线示于图2。

图2 中子产额随老练时间变化关系曲线Fig.2 Neutron yields of the D-T neutron tube at different running time

结果表明，在老练试验初期，中子产额随老练时间近似呈线性关系逐步增加，在6～7 h后基本趋于稳定。在随后进行的约20 h老练测试过程中，中子产额总体呈缓慢上升趋势，但中子产额浮动≤10%，表现出良好的产额稳定性。中子管锻炼测试初期，中子产额逐步增加表明D-T原子反应几率逐步增加，即靶膜表面氚原子浓度逐步增加。中子管连续老练测试6～7 h后，氘氚混合离子注入到靶膜表面氚气浓度达到所能容纳的最大值，即所谓的“饱和浓度”，这时中子管工作时注入钛膜的氘氚气体量与损失的氘氚气体量基本相等，达到“动态平衡”，即产额既不增加也不减少，只要有足够的氘氚混合气来源，靶膜表面又有足够的氘氚气体，中子管将有连续稳定的中子产生。因此，自成靶中子管具有稳定性好、长寿命的特点。

此外，采用SF6作为绝缘介质，将中子管环境温度逐步升至175 ℃，并设定靶极电压为-100 kV，阳极电流为300 μA，中子管连续工作30 min，其中子产额维持在(2.0～2.2)×108n/s之间。可见，此类型中子管的工作温度满足中子测井使用要求。

3.2 靶极电压影响

中子管产额基本稳定后，设定阳极电流分别为300 μA和400 μA，测定中子产额随靶极电压变化关系曲线示于图3。

图3 中子产额随靶极电压变化关系曲线Fig.3 Neutron yields of the D-T neutron tube with different accaleration voltage

结果表明，中子产额与靶极电压符合幂函数关系。靶极电压由-80 kV升至-110 kV，其中子产额增加2倍。中子管靶极电压最高可升至-140 kV，中子产额可高达109n/s量级。

3.3 阳极电流影响

中子管产额基本稳定后，设定靶极电压为-80 kV，测定中子产额随阳极电流变化曲线如图4所示。结果表明，阳极电流≤450 μA时，中子产额与阳极电流呈良好的线性关系,而当阳极电流>450 μA时，随阳极电流的增加，中子产额的上升趋势逐步降低。分析原因如下：阳极电流的增加是通过增大储存器电流，提高管体气压而实现的，中子管工作时的气压通常在10-2～10-3Pa之间，当气压相对较低时，管体气腔内的氘(氚)原子对注入氚钛靶的氘、氚离子阻挡的影响可忽略不计。当管体气压继续提升至一定限值后，管体气腔内的氘(氚)原子对注入氚钛靶的氘、氚离子阻挡作用已不可忽略，并随着阳极电流的继续增加，这种阻挡作用表现更加明显，造成当阳极电流>450 μA时，随阳极电流的增加，中子产额的上升趋势逐步降低。

图4 中子产额随阳极电流变化关系曲线Fig.4 Neutron yields of the D-T neutron tube with different anode electric current

设定靶极电压为-80 kV，阳极电流为300 μA，中子管稳定工作时的靶流为80 μA，中子产额达到1×108n/s。可见，此类型中子管的功耗小、负载轻，满足中子测井使用要求。

目前，研制的SNT-DT/25型密封氘氚中子管已突破关键技术，获得国家环保部颁发的密封氘氚中子管生产销售许可证，进入批量化生产阶段。

4 结论

研制的SNT-DT/25型密封氘氚中子管已突破关键技术，其靶极电压最高可加至-140 kV，中子产额可高达109n/s量级；在靶极电压为-80 kV，阳极电流为300 μA，靶流为80 μA的工作条件下，中子产额可达到1×108n/s；中子管使用温度可达175 ℃；中子管连续运行约20 h，中子产额浮动≤10%。结果表明，此类型中子管完全满足中子测井使用要求。

中子产额随靶极电压、阳极电流变化关系曲线表明：中子产额与靶极电压符合幂函数关系；当阳极电流≤450 μA时，中子产额与阳极电流呈良好的线性关系，当阳极电流>450 μA时，随阳极电流的增加，中子产额的上升趋势逐步降低，主要是由于管体气压的升高造成的。

参考文献：

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