自成靶陶瓷中子管的主要技术特点.doc

自成靶陶瓷中子管的主要技术特点第l期l994年东北师大学较自熊科学版JOURNALOFNORTHEASTNORMALUNIVERSITYN0.1l994自成靶陶瓷中子管的主要技术特点魏宝杰岳成波李文生卢洪波(东北师范大学物理未,长春,130024)李国锋7t_j摘要报道了自成靶陶瓷中子管研究的最新进展.舟绍了自成靶陶瓷中子管的关键技术措施及其长期工作性能和平均工作寿命.关键词自成陶瓷I中子管;技术措施工作寿命11一1自成靶陶瓷中子管的关键技术措施中子管的功能原理和加速器相似,把离子源,气压调节系统,加速系统和靶真空密封在一支玻璃或陶瓷管内,构成一个结构紧凑的电真空器件,从而可以组装成小型轻便的中子源设备中子管制作技术难度高,工作寿命短例如,随同石油测井设备进口的中子管,其标定寿命为100h,实际平均工作寿命仅为4oh左右,因此提高中子管的工作寿命就成为各种实际应用急需解决的重要课题.1973年我们开始进行中子管研制,研制出几种不同直径的玻璃中子管,采用的是商品氚靶,在研究和使用中我们发现商品氚靶玻璃中子管存在固有的缺欠,这种缺欠决定了单纯仿造国外现有工艺结构,其技术指标难以有新的突破.为此我们花费了近十年的时间,进行了一系列专项研究,总结并采用了以下关键性的技术措藏.1.1自成靶玻璃中子管采用商品氚靶,靶在制作前已吸满氚.制管过程中不能采取高温烘烤排气工艺,管内零件不能衡底除气,工作时管内气压增高,容易出现放电击穿现象,影响其耐压性能.它的稳定工作束流仅限于100/*A以内,中子产铺仅限于10n?s,而且工作状态不易稳定,工作参数需随时调整商品靶内的jIIc会被氘置换.氚的浓度下降,中子产额也会很快降低+其寿命有限,一般为几mA?h-cm_.中子管的耐压性,工作稳定性和工作寿命等指标很难提高采用自成靶可以解决上述问题,即开始制管时靶上无氘氚气,而是在储存器内吸入一定数量的氘氚混合气,老练时氘氚离子逐渐打入靶内,数小时后靶内氘氚含量达到饱最蠢8翁冀责3-8-1家委点83和,形成自成靶.采用这种工艺,中子管在制作过程中可以在高温下排气,保证其具有良好的真空性能.由于靶内氘氚含量在工作时自动补偿保持恒定,从而能保证稳定的中子产额.中子管的工作寿命也不再受靶的限制.自成靶材料的选择和工艺处理方法对中子管的性能有很大影响.,通过试验,晟后我们选用了Al.O作为靶材料.经过多年的实际应用表明,这种靶的显着优点是:(1)靶的温度升高时,靶内气体不逸出,管内气压容易稳定不变,因而在自然冷却条件下能耐住较大的离子柬流.这种靶材料z小,轫致功率小.中子产额高于其它金属材料.虽然单位束流中子产额低于钛涂层靶.但可以通过提高束流来补偿,从而得到较高中子产额,经过改进可以超过10.n?s-.(2)靶寿命长这种靶不会固溅射或涂层脱落而影响使用寿命.其平均工作寿命已超过500h.(3)成本低.加工制作容易1.2陶瓷绝缘外壳玻璃中子管的外壳一般采用8玻璃.这种玻璃易碎,易炸.其机械强度远远低于95氧化铝陶瓷.其体积电阻比95氧化铝陶瓷低两个数量级.其化学性能不够稳定.容易出现水解现象.8玻璃的软化温度为550左右,95氧化铝是在1700的高温下烧结而成的,其软化温度为1650,高温工作时不易出现放电击穿现象.95陶瓷的导热系数和不锈钢差不多.与8玻璃相比,95陶瓷具有高机械强度,高电气性能,高导热系数和低蒸气压等特点.因此采用陶瓷绝缘外壳具有极大优越性1.3气压调节元件如前所述.管内气压的稳定性对耐压性能和中子产额有重要影响,为了保证管内工作气压稳定,就要求:(1)制管时.管内零件除气彻底,工作时没有杂气逸出.(2)靶有较好的温度特性.即温度升高时靶内气体亦不逸出.(3)储存器气压调节灵敏.如前两点能够实现.则管内气压完全由储存器加热电流控制,这时要求储存器材料有较好的吸气速率.玻璃中子管采用钍粉作储存器,吸气速率不高,调节缓慢.再加上前二点不易保证,商品靶玻璃中子管的气压不易控制,容易出现放电击穿现象.试验选择一种吸气容量大,吸气速率高的材科作储存器是提高中子管性能的重要措旋.通过反复试验,我们选用一种新型吸气材料,井仔细选定激活和吸气温度,达到了满意的效果.1,4加速系统和离子源结构加速系统设计和制作时应综合考虑以下因素:(1)满足耐压要求.引出离子流的大小与离子源引出孔径有关,孔径越大,所引出的离子流越大,但孔径过大会降低离子束聚焦特性,影响耐压性能.加速间隙过大,会增加气体电离几率.过小会增加场致发射几率,都会降低耐压性能.(2)高压电极宜选用二次电子发射系数小,溅射率低的金属.(3)应尽量避免二次电子进入加速间隙,二次电子进入加速间隙会降低耐压性能,同时使相同束流的中子产额降低.(4)能适应金属陶瓷封接工艺要求.潘宁离子源能在低气压下满意的工作,并且具有结构简单,工作稳定,寿命长,耗电功率小等特点,所以自成靶陶瓷中子管采用潘宁离子源.该离子源在低气压条件下的放电起辉特性,放电电流和等离子体密度对磁场的依赖性很大.放电电流的大小和等离子体密度又影响着质子比和离子束的引出效率.因此磁场强度的强弱是影响离子源性能一84的关键固素.为了减少中子管的体积,简化其供电系统,应采用永磁铁来提供磁场过去的中子管多采铝镍钴磁钢,但这种磁钢的磁能积较低.现在我们选用一种国产新型磁钢,设计出一种体积很小.重量很轻的磁路系统由于这种磁钢的居里点较低,中子管排气温度要达到470.在这样高的温度下,磁钢容易退磁.通过进一步改进离子源结构.成功的解决了这一矛盾.1.5排气和充氚方法排气质量的好坏对中子管的性能影响很大,如除气不彻底,除了影响耐压性能外,管内残留的杂气会降低离子流的有效成分,同样的束流只有较低的中子产额叉因为储存器对其它气体的吸气速率远低于氢气,杂气的存在严重影响气压调节的效果,即影响中子管工作的稳定性.在其它条件相同的情况下,中子产额因排气质量的差别可相差一倍以上.针对自成靶陶瓷中子管工艺的特殊要求,我们研究试验出一种独特的排气系统和排气方法,其优点是无油,真空度高,不怕停水停电,消耗功率小.而且制作容易,成本低,可作消耗品一次性使用,避免了放射性污染.2自成靶陶中子管长期工作的性能针对不同应用场合的需要,我们研制出三种不同参数的中子管.其指标见下表.附表白成靶陶瓷中子管的研制采取了一系列关键性的技术措施,因此具有三个特点:工作寿命长,耐高温,工作稳定.大庆油田地球物理研究所利用我校NT601型自成靶陶瓷中子管研制的C/O比能谱测井仪先后在大庆油田,河南油田,江苏油田测井200余I:1.都取得了良好的地质效果.经过5年的现场测井使用表明:工作环境温度可达130C.可以满足3000m深井的测井要求,中子管的工作寿命可达400h(一支管测井6O余口),工作稳定,操作时不必时刻监视,长时间使用仍能保持产额稳定不变.沈阳农业大学用我校的中子管进行低荆量幅照刺激生物生长试验,在海产养殖(对虾,鱼苗等)上获得了成功.现已作为星火计划在国内大面积推广目前该管已使用5年,一85仍保持良好的性能,中子产额无变化.东北师大物理系利用自成靶陶瓷中子管组装成多台密封中子发生器,开展核物理教学实验,中子物理基础研究,中子应用技术研究.如中子照相研究,中子幅照生物遗传特性研究等,完成硕士研究生论文等多项工作,中子管的平均工作寿命已超过500h,存放和工作累计时间已超过6年.参考文献柯显进.术軎之.地球物理离井.1991.15(4);256东北师太原于按研究室.原于能科学拄术.1g79.1499JinehoonKtmNuclnslrMcth,1979.145l9魏宝燕.辈鼹英.原于艟科学拄术,1990,24z)178郭清生等.地球物理井,199I,15(4)26ITheMainTechnicalCharacteristics0fCeramicNeutronTubewithDrive-inTargetWeiBaojieYueChengboLiWenshengLuHongboLiGuofeng(Departmentofphyss.NortheastNormalUnji.Changchun,130024)AbstractReportedthenewdevolopmentofceramicneu