用於中子管制造的自成靶的製作方法

2023-12-11 17:24:07 1

本實用新型涉及一種用於中子管制造的自成靶。

背景技術：

隨著油田開採進程和測井技術的發展，對中子管技術也提出了更高的要求，不但要求中子產額達到2×108n/s以上，還要求耐溫達到175℃，使用壽命達到500h以上。目前，用於中子管制造的靶類型主要有預製氚靶和自成靶兩類。用預製氚靶制管時，靶內事先已經吸滿氚,中子管工作時，氘轟擊氚而產生中子。用這類靶製成的中子管單位靶流中子產額較高，但是耐溫只能達到150℃，使用壽命一般也不會超過100小時。而用自成靶制管時，靶內事先不吸氚，在儲存器內吸入一定數量的氘氚混合氣，中子管工作時，將氘氚離子逐漸注入靶內，經過一段時間後，靶內氘氚含量達到飽和，形成了自成靶。用這類靶製成的中子管耐溫和使用壽命都優於前者，但是單位靶流中子產額較前者低。

技術實現要素：

為了解決現有的中子管無法兼顧中子產額、耐溫性能和使用壽命的技術問題，本實用新型提供一種用於中子管制造的自成靶。

本實用新型的技術解決方案是：

一種用於中子管制造的自成靶，包括自成靶，其特殊之處在於：所述自成靶包括靶基和靶膜，所述靶基的一端為靶面，所述靶膜為鍍制於靶面上的金屬薄膜，所述靶基的另一端為中空的腔體，腔體內安裝有磁鋼和用於固定磁鋼的磁鋼託。所述靶面是經過機械粗化處理的平面結構或者是經過機械粗化處理的向內凹陷的錐面結構。

上述靶膜的厚度為1.0～1.5mg/cm2。

上述靶膜的材料為鈦、鋯、鈧、鉺、釔或者鑭。

上述靶基的材料為無氧銅、鉬、鎢、銀、金、鉑、鉭、鎳基不鏽鋼或者鋁。

上述磁鋼為耐溫大於200℃的磁性材料。

上述磁鋼託為無氧銅材料。

本實用新型的有益效果在於：

(1)本實用新型通過在自成靶靶底部設置磁鋼，產生的磁場可以改變二次電子的運動方向，減小了二次電子電流，提高了單位有效束流，即提高了中子產額。

(2)本實用新型在靶膜鍍制前對靶面進行機械粗化處理，既增大了靶面的表面積，又減小了靶內二次電子的發射。同時，還能增加靶膜的附著力，這種靶膜不會因為濺射使其脫落而影響使用壽命。

(3)採用本實用新型自成靶構成的中子管在整個封接過程中，不接觸氚氣，因而不存在氚氣洩漏的問題，操作者可以免受放射性傷害，環境也免受汙染。

附圖說明

圖1為平面自成靶結構示意圖；

圖2為凹面自成靶結構示意圖；

圖3為二次電子抑制原理示意圖；

附圖標記如下：1-靶膜，2-靶基，3-磁鋼，4-磁鋼託，5-加速電極。

具體實施方式

參見圖1，本實用新型較佳實施例的自成靶結構包括靶膜1、靶基2、磁鋼3和磁鋼託4。靶膜1是在「靶面」表面上鍍制的一層金屬薄膜，成為氘氚核反應發射中子的界面，靶基2起到承載靶膜和靶散熱的功能，磁鋼3主要用於抑制靶面產生的二次電子，磁鋼託4主要起固定磁鋼和靶散熱的作用。本實施例中的靶面為平面結構，表面積為4.15cm2。

參見圖2，本實用新型的靶面還可以設計為向內凹陷的錐面結構，其表面積為8.05cm2，即在相同外徑的條件下，凹面靶的靶表面積比平面靶擴大近一倍，也就是說凹面靶承受離子束的轟擊面積也較平面靶擴大一倍，這樣有利於彌補用於中子管制造的自成靶單位靶流中子產額低的不足。

在材料選擇方面，靶基2的材料應選擇熔點高、在氫氣氛圍中強度好和吸收氫同位素少的金屬，常用材料有鉬、鎢和銅等，此外，還有銀、金、鉑、鉭、鎳基不鏽鋼和鋁等。由於無氧銅材料的氧含量極少，而且其散熱效果好於其它材料，可以有效防止靶過熱而釋氣，所以選用無氧銅作為用於中子管制造的自成靶的靶基材料更為適宜；靶膜1的常用材料有鈦和鋯，此外，還有鈧、鉺、 釔、鑭等元素也可作為靶膜材料。由於鈦是迄今為止發現吸氫密度最高的單質金屬材料，且價格便宜，製備容易，因此選用鈦作為自成靶的靶膜材料更佳；磁鋼3要求選用表磁強，耐溫大於200℃的磁性材料；磁鋼託4選用無氧銅材料，便於自成靶散熱。

中子產額不但與靶中氚濃度緊密相關，而且與氘離子射程也直接相關，除了選用高純膜材料鍍制靶膜外，靶膜厚度也是至關重要的參數。當膜厚小於氘離子射程時，有一部分氘離子將穿透膜層，損失掉與氚發生反應的機會，自然影響了中子產額；當膜厚超過氘離子射程的2倍以上時，靶內深層的氚不能與氘發生核反應，既對中子產額沒有貢獻，同時還浪費了氚氣。因此，靶膜厚度既不能太薄，又不能太厚，要選擇合適的厚度。由於發生氘氚核反應時氘核的能量為100～150KeV，而這個能量的氘核的氘離子射程為0.5mg/cm2左右，基於氘離子的射程，同時考慮到氚氣在靶膜中分布不均勻性及留有一定餘量的靶膜深度，靶膜厚度選用在1.0～1.5mg/cm2之間較為合適。

中子管工作時，引出的束流包括離子電流和二次電子電流兩部分，由於二次電子電流的存在，減小了單位有效束流，降低了中子產額。為了解決這個問題，採取了兩點措施，一是在靶膜鍍制前對靶面進行機械粗化處理，既增大了靶面的表面積，又減小了靶內二次電子的發射，同時，還能增加鈦膜的附著力，這種靶膜不會因為濺射使其脫落而影響使用壽命，其平均使用壽命已經超過500小時；二是在自成靶靶底部放置一塊圓柱形磁鋼3。參見圖3，磁鋼3在自成靶與加速電極孔之間形成一個磁場，當離子束轟擊靶時，由於這個磁場的存在，使離子束順著磁力線直達靶面，而靶表面產生的二次電子在這個磁場作用下改變原有運動方向，打到加速電極5的內壁上，加速電極5的內壁上又產生二次電子，這些二次電子在靶和加速電極間來回運動，能量越來越低，最終被吸收而不形成電子電流，進而提高了中子產額。

選用如圖2所示的外徑為40mm的自成靶製成中子管，對其進行靶底磁鋼、耐溫性能和中子穩定性的室內實驗測試，測試結果如下：

(1)靶底磁鋼對中子計數影響的實驗測試。在束流保持為100μA，靶壓分別在80、100和120KV條件下，當靶底無磁鋼3時，測得的中子計數分別為681、1302和2204n/s；當靶底有磁鋼3時，測得的中子計數分別為1155、2269和 3891n/s，有磁鋼3與無磁鋼(3)的比值分別為1.70、1.74和1.71。從測試結果可知，在束流相同，靶壓不相同的情況下，有磁鋼3和無磁鋼3所測得的中子計數的倍數均為1.7倍左右，也就是說有磁鋼3後，使單位有效束流大幅度增加，從而也使中子計數得到了大幅度提高。

(2)耐高溫實驗測試。實驗測試是在175℃環境中進行的，整個實驗測試歷時了8.5小時，在實驗測試過程中通過調節用於中子管制造的自成靶的儲存器的電壓或電流值，保持靶壓和束流值不變，觀察中子計數和陽極電流的變化情況，在最初的1小時內，即溫度在80℃以下，中子計數變化很小，當溫度升至90～175℃範圍內時，中子計數隨著溫度上升而呈下降趨勢，當溫度升至175℃(開始加溫4小時後)且進入恆溫區，隨著溫度的平穩中子計數也隨之趨於穩定。在整個實驗測試過程中陽極電流最大變化幅度不超過20μA，而儲存器電流只下降了0.04A。由實驗測試表明，用這種自成靶構成的中子管能夠在175℃溫度環境中正常工作，並且工作時間超過了4小時，完全能夠滿足實際使用的需求。究其原因，自成靶結構中靶基2和磁鋼託4都採用無氧銅，材料本身傳熱快，再加之靶基2體積大，磁鋼託4又置於管外，這樣靶內溫度可以通過靶基2和磁鋼託4很快地傳遞到管外，使靶內溫度與管外空間溫度保持一致。另外，用這種結構的自成靶構成的中子管，其排氣溫度可以達到470～500℃，可以保證了管內零部件除氣徹底。即使自成靶工作在175℃環境中，也不會從靶內釋放出雜氣，也不會從靶內逸出氘氚混合氣，因而保證了用於中子管制造的自成靶耐高溫性能。

(3)中子輸出穩定性實驗測試。在實驗測試過程中保持陽極、儲存器和靶極供電參數不變條件下，用於中子管制造的自成靶工作半小時後，每隔半小時記錄一次中子計數，連續工作8小時後，在室溫環境下，中子計數最大波動值只有4.1％。在175℃恆溫環境中，中子計數隻波動了5.5％，並且從室溫升至175℃又恆溫4小時後，中子計數隻下降了15％，這項技術指標明顯好於由預製氚靶構成的中子管指標。用於中子管制造的自成靶中子輸出穩定性與採用自成靶類型有直接關係，制管時將氘氚混合氣逐漸注入靶內直至使其飽和，並且之後始終保持靶飽和狀態，此時中子輸出也保持相對恆定，只要儲存器內有足夠的氘氚混合氣，靶內消耗的氘氚氣就能及時得到自動補償而保持飽和，因而自成靶 也就能有連續穩定的中子輸出，中子管使用壽命也不再受靶的限制。

以上實驗測試結果表明，本實用新型提供的用於中子管制造的自成靶可以有效地抑制靶內二次電子的發射，中子計數得到大幅度提高，而且耐高溫性能好，中子產額輸出穩定。