氧活化模拟中子发生器的研制与应用

◇中石化经纬有限公司中原测控公司 赵 燕

中子发生器属于放射性装置，为保障人员、环境安全，打靶需要特定环境，仪器维修不便利，急需研制模拟中子发生器替代中子发生器。本文首先描述了仪器工作原理，然后根据原理设计了模拟器的电路及参数，最后用实例验证了模拟器的应用。

SWFL-B型氧活化水流测井仪属于脉冲中子测井仪器，内有中子管，中子管属于射线装置，在打靶的情况下，会产生中子和伽马射线。根据仪器使用安全规定，为保障操作人员和维修人员以及周边环境的安全，在室内和地面检测、保养维修时，严禁打靶操作，如果确定检测靶压，必须在特定测试罐内进行，又由于中子会对部分材质产生微弱火花反应，打靶停止30分钟后才可接触仪器[1]，因此仪器维修调试非常不便，所以需要研制模拟中子发生器，替代中子发生器，以达到方便故障判断、维修的目的。

1 中子发生器工作原理

1.1 中子发生器的组成

氧活化中子发生器是一个产生中子的装置，内部由靶压倍压电路、高压变压器、高压采样电路和中子管构成。其中中子管是由氚靶、灯丝和阳极组成，就是一个小型的静电加速器式的中子源[2]。

图1 中子管结构示意图

1.2 中子管发生器工作原理

在地面依次打开阳极命令Vaon，灯丝命令Ifon，热丝使得储存在灯丝上的氘气被释放出来，氘气在阳极2000V脉冲高压的作用下电离形成氘离子，此时增加靶压，使氘离子加速打到氚靶上，发生D-T核反应，产生中子，反应式如下：

2 模拟中子发生器参数的选择

灯丝、阳极、靶压命令同时控制中子发生器产生中子，模拟中子发生器需要对这三路信号分别设计电路，使的面板可以显示灯丝电流、阳极电流和实现靶压增减，达到可以检测控制信号输出和采样电路是否正确的目的。

2.1 靶压电路的设计

靶压电路工作原理：地面发出增减靶压命令时，上采集单片机控制低压模块输出0～80V电压，通过MOS管的导通截止形成靶压振荡信号，送给中子发生器中的高压变压器共同构成推挽升压电路，产生0～100kV的高压，经采样电阻采样产生0～10V采样电压上传至上采集，经处理后在地面显示出真实靶压值。

模拟中子发生器靶压电路设计：模拟器仅需要检查上采集发出的靶压控制命令及采样电路是否正确，无需产生高压，绕制1:1的变压器起到隔离作用即可，整流滤波后选择合适的采样电阻阻值，使得采样的电压值和中子发生器采样电压值一致。首先连接中子发生器测量靶压采样与低压模块电压输出值的关系，如表1所示。通过计算比例，本着降低功耗的原则，确定总阻值300K，采样阻值100K。电路图如图2所示。

表1 采样电压值和低压模块输出电压值

图2 靶压电路图

2.2 灯丝电路的设计

灯丝电路原理：地面发出打开灯丝的命令后，上采集单片机发出3.3V脉冲信号，控制MOS管导通截止，变成5V脉冲信号给中子发生器的灯丝，产生电流。

灯丝约在5Ω左右的电阻，经测量灯丝电压有效值约是2.4V，使用公式计算I=U/R，计算得出I=480mA，即地面显示480mA。通过公式P=U2/R，确定使用5Ω/10W电阻。

2.3 阳极电路设计

阳极电路原理，当地面发出打开阳极的命令时，单片机发出脉冲信号，经反向驱动放大整形后控制MOS管与90V直流电源形成振荡，通过变压器产生2000V的脉冲高压，再经过阳极开关模块使脉冲上下沿陡峭，输送给中子发生器形成回路产生阳极电流。

中子发生器阳极电流通常稳定在120μA，经测量阳极脉冲高压实际有效值为230V，为了降低模拟器功耗，将阳极电流设定在20μA，通过公式R=U/I计算得出R=11.5M，线路中使用 12M/0.25W的电阻。

3 模拟中子发生器的应用

3.1 靶压电路故障判断

现场测试某1井，灯丝电流、阳极电流均正常，增加靶压无显示，同时无中子发出。

故障判断：根据电路原理分析，造成该故障的原因有2个，一是上采集短节无靶压控制信号产生，二是中子发生器靶压倍压电路故障。不连接中子发生器，空载时供电，故障现象无法显示，常规检查办法是拆开上采集，分别测量靶压控制电路各点的波形和电压值，现仅需连接模拟器中子发生器通电检查，增减靶压若地面有靶压显示，则说明中子发生器故障，若面板仍无靶压显示，则需打开上采集短节根据靶压控制电路产生流程维修。此次故障为中子发生器的靶压倍压电路故障，因中子发生器为密封短节，则要返回厂家维修。

3.2 阳极电路故障判断

现场测井某2井，阳极电流仅有10μA，不在增加，灯丝电流输出380μA，不再降低。

故障判断：根据灯丝和阳极电路工作原理分析，造成故障的原因应该是有2个，一是上采集阳极高压故障，使得中子管内部气压不平衡，灯丝高值输出。二是中子发生器内部中子管故障。此时连接模拟中子发生器，可以帮助判断是上采集短节故障还是中子发生器故障，若连接模拟发生器，阳极电流显示20μA，则可以肯定是中子发生器故障；若故障仍然存在，则需检查上采集短节阳极高压电路部分。此次故障为阳极开关模块故障，使得阳极高压输出不足1000V，更换阳极高压模块，故障排除。

4 结论

（1）中子模拟发生器的研制，使得仪器故障排查简单、快捷，提高了维修时效。

（2）不使用中子发生器检测仪器避免了因误操作造成的人员辐射伤害，降低了施工风险。

（3）中子管使用时间固定，维修使用中子发生器打靶会产生损耗，使用模拟中子发生器可以减少损耗。