微型測井中子管的製作方法

2023-12-11 20:39:17 1

本實用新型屬於測井中子管，尤其是涉及一種外徑為25mm的微型測井中子管。

背景技術：

在油田測井中，由中子管組成的可控中子源作為核測井儀的重要部件，廣泛應用於脈衝中子能譜、中子壽命及氧活化水流等測井儀中，為油田動態監測發揮了重要的作用。目前這些測井儀的外徑一般大於42mm，所使用的中子管外徑一般為27或30mm。隨著油田三次採油進程，測井技術的發展及可控中子源的小型化，國內外測井界相繼推出了外徑為38mm多種核測井方法的脈衝中子測井儀，部分國外脈衝中子測井儀被我國引進。

伴隨著測井儀的小型化趨勢，對中子管的結構尺寸也有了相應的要求。目前的中子管大多為27mm、30mm等，難以與最新設計的小型測井儀結構充分適配，勉強使用27或30mm，則必然會給儀器的耐高壓結構設計增加難度，儀器的可靠性和使用壽命都得不到保障，為了解決這項瓶頸技術，我們開展研發了更為小型化的測井中子管。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種微型測井中子管，解決現有國內38mm脈衝中子測井儀耐高壓結構複雜，可靠性差和使用壽命短的問題。

本實用新型的技術解決方案是：

一種微型測井中子管，包括管殼、離子源、加速系統、靶部件、第一電極、第二電極和氘儲存器，上述離子源包括封接離子源外部的離子源封接環和離子源罩，離子源內部同軸設置主磁鋼、陰極、陽極筒、陽極瓷環、輸出陰極、磁環和定位環；其特別之處在於：

上述陰極的形狀為外凸形，輸出陰極為平面圓盤形，陰極和輸出陰極接地；上述陽極筒和第一電極連接並且用上瓷管和下瓷管隔離絕緣，該陽極筒位於陰極和輸出陰極之間；上述陽極瓷環用來固定陽極筒和陰極之間的距離；上述陽極瓷環為單個陽極瓷環；上述定位環用來固定陽極筒與輸出陰極之間的距離； 上述加速系統為單隙加速系統，由離子源的輸出陰極和加速電極組成；上述加速電極同軸設置於離子源的輸出陰極孔徑的出口處；該加速電極的形狀為圓弧形；

上述靶部件由氚鈦靶、靶磁鋼、磁鋼託和密封環組成；上述氚鈦靶的結構為圓錐凹面形，靶磁鋼設置於氚鈦靶的底部，磁鋼託設置於靶磁鋼的底部；

上述氘儲存器由吸氣劑組成，用來儲存氘氣，該氘儲存器和第二電極連接；

上述管殼包括依次釺焊的上密封環、芯柱、上封接環、陶瓷管殼、下密封環和下封接環，將所述離子源、加速系統、靶部件和氘存儲器密封在該管殼內。

上述管殼外徑為25mm，上述陽極筒和陰極之間的距離為2mm；上述陽極筒與輸出陰極之間的距離為2mm；上述輸出陰極的孔徑為φ4～φ5mm，上述輸出陰極和加速電極之間的距離為12～14mm。

為了進一步簡化封接工藝，陰極和陽極筒材料為鉬。

上述陽極瓷環為陶瓷材料。

上述主磁鋼和磁環採用釤鈷材料。

上述陽極筒和陽極瓷環通過釺焊的方式連接。

為了防止磁場外洩而減弱離子源內部的磁場強度，上述離子源封接環和離子源罩的材料均選用軟磁材料。

為了使得加速電極的揮發性雜質和含氣量低，上述加速電極的材料為可伐合金。

上述氚鈦靶的材料為無氧銅，靶膜厚度為1.0～1.5mg/cm2，氚鈦比為1.6～1.8。

上述氘儲存器的材料選用吸氣速率高的鋯-石墨材料。

上述上密封環、上封接環、下密封環和下封接環的材料為可伐合金材料，芯柱的材料為無氧銅材料，陶瓷管殼的材料為氧化鋁陶瓷。

本實用新型的有益效果是：

本實用新型以外徑為25mm的中子管為例，結構總長可以控制在165mm，可應用在38mm脈衝中子測井儀中，滿足了小型化的需求，使得儀器的可靠性和使用壽命得到了保障。

附圖說明

圖1為本實用新型的結構示意圖。

圖中附圖標記為：1-排氣管；2-上密封環；3-第一電極；4-第二電極；5-芯柱；6-上封接環；7-氘儲存器；8-離子源封接環；9-上瓷管；10-主磁鋼；11-下瓷管；12-陰極；13-陽極瓷環；14-陽極筒；15-定位環；16-輸出陰極；17-離子源罩；18-磁環；19-陶瓷管殼；20-加速電極；21-氚鈦靶；22-靶磁鋼；23-下密封環；24-磁鋼託。

具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型做進一步的描述。

如圖1所示，為本實用新型的結構示意圖，其外徑為25mm，結構總長度為165mm，由24件不同形狀、不同尺寸和不同材料的零件組成。

1)離子源：由主磁鋼10、陰極12、陽極筒14、輸出陰極16和磁環18組成冷陰極潘寧離子源(簡稱離子源)。其作用是產生氘離子。用陽極瓷環13固定陽極筒14與陰極12之間的間距，用定位環15固定陽極筒14與輸出陰極16之間的間距，並且陰極12和輸出陰極16都接地。用離子源封接環8和離子源罩17將離子源各部分的零件進行封接，構成整體離子源。

在離子源結構設計中將陰極12的形狀設計為外凸形的，輸出陰極16設計為平面圓盤形的，陰陽極間距設計為2mm。陰陽極材料都選用鉬材料，因為鉬能釺焊，可以進一步簡化封接工藝。陰陽極間絕緣由陶瓷材料構成，為了簡化其結構，設計為單個陽極瓷環13，並用釺焊方法將陽極筒14焊接在陽極瓷環13上。主磁鋼10和磁環18的選用是根據中子管的結構和工作溫度來選擇，鋁鎳鈷磁鋼磁能級較低，稀土磁鋼工作溫度和居裡溫度低，而釤鈷磁鋼工作溫度為300～350℃，居裡溫度為800℃，能滿足我們設計要求，故選用釤鈷永久磁鋼。封接離子源用的離子源封接環8和離子源罩17的材料均選用軟磁材料，防止磁場外洩而減弱離子源內部的磁場強度。

2)加速系統：由離子源的輸出陰極16和加速電極20組成一個單隙加速系統。其作用是在加速電極所形成的電場作用下，將離子源產生的氘離子引出、成形和加速後轟擊靶。

輸出陰極16孔徑的大小是由實驗方法確定的，在實驗中用由不同孔徑的輸出陰極16組成了不同的實驗中子管，進行了反覆實驗比較，得出輸出陰極16 的孔徑選擇φ4～φ5mm較為合適，既能正常引出離子束，又能保證耐壓性能。加速間距由理論計算和實驗驗證確定，其值選擇12～14mm之間能夠滿足實際使用的要求。

加速電極形狀和材料的確定。一般來說，加速電極形狀使電場越不均勻，則擊穿電壓越低。為了能保持較高的擊穿電壓，對離子源罩17和加速電極20設計成圓弧形，特別注意邊緣形狀儘量圓滑，避免尖端放電而造成高壓擊穿。加速電極材料選用可伐合金，它既能滿足耐壓性能要求，又能適應900℃高溫封接和350℃高溫排氣工藝的要求，使得加速電極的揮發性雜質和含氣量都很低。

3)靶部件：由氚鈦靶21和下密封環23組成靶部件。其作用是加速後的氘離子束轟擊氚鈦靶表面，與靶內氚發生氘-氚核反應而產生中子。靶磁鋼22和磁鋼託24組成靶極二次電子抑制系統，將靶產生的二次電子抑制在加速電極20筒內。

氚鈦靶21採用圓錐凹面型結構，則其表面積比平面靶擴大近一倍左右，承受離子束的轟擊面積也將擴大一倍，有利於提高中子產額。氚鈦靶21材料選用無氧銅，它散熱效果好，可以防止靶過熱而放氣。靶膜厚度是根據氘粒子在靶膜中的射程確定的，設計中取1.0～1.5mg/cm2，氚鈦比為1.6～1.8。

4)氘儲存器：由吸氣劑組成氘儲存器7。其作用是儲存氘氣，同時，也用它來調節中子管內部的工作氣壓。

氘儲存器7選用吸氣量大，吸氣速率高的鋯-石墨材料構成的吸氣劑作為中子管的氘儲存器。

5)管殼封裝：管殼封裝由上密封環2、芯柱5、上封接環6、陶瓷管殼19、下密封環24和下封接環20組成。其作用是將上述的離子源、加速系統、靶部件和氘儲存器密封在一個圓柱筒內，形成一個完整的25mm測井中子管。

25mm測井中子管管殼封裝採用可伐合金、無氧銅與陶瓷封裝。上密封環2、上封接環6、下密封環23和下封接環20選用可伐合金材料，芯柱5選用無氧銅材料，陶瓷管殼19選用氧化鋁陶瓷，這種封接方式機械強度高，電氣性能好，適合高溫900℃左右釺焊，管內除氣徹底，中子管高溫工作時不易出現放電擊穿現象。

測井中子管工作時，通過第一電極3給離子源的陽極筒14加上2KV左右 的直流或脈衝電壓，同時，通過第二電極4以適當的電流加熱氘儲存器7，使氘儲存器放出氘氣，在離子源陽極電壓的作用下，使氘氣對陰極12和輸出陰極16表面放電，從陰極12和輸出陰極16發射出二次電子，這些電子使氘氣電離，由主磁鋼10和磁環18產生的磁場使這些電子以螺旋線軌跡運動，因而延長了這些電子的飛行路程，增加了電子與氘分子碰撞機率，使得氘氣電離更充分，氘離子密度倍增。氘氣在電離過程中產生了電子和氘離子，陽極電壓又使這些電子飛向陽極，從而使氘離子聚集在磁場中心軸線附近，形成等離子體。此時在加速系統的氚鈦靶21上加以-100～-120KV直流高壓，在此加速系統所形成的電場作用下，氘離子從離子源引出孔(輸出陰極孔)被引出，並經加速電極20加速後轟擊氚鈦靶21的靶面，與靶中的氚發生如下核反應：

發射出平均能量為14MeV的快中子。

本實用新型的製作工藝為：

1)封接工藝。對於微型氚鈦靶中子管來說，其封接工藝包括零件表面處理、管殼部件封接、芯柱部件封接、離子源封接和靶部件封接四部分。

零件表面處理：對於無氧銅零件需要進行除油處理；對於可伐合金零件在除油處理的基礎上還要在其表面鍍以10μm鎳鍍層；對於陶瓷管殼兩端需要金屬化，最後所有零件都要進行800℃真空除氣。

管殼部件封接：按照圖1所示的結構將上封接環6、陶瓷管殼19和下封接環20採用釺焊方式封接成一體。

芯柱部件封接：按照圖1所示的結構將排氣管1、芯柱5、第一電極3、第二電極4和密封環2採用釺焊方式封接成一體。

離子源封接：離子源內部採用積木式結構組裝，依次將磁環18、輸出陰極16、定位環15、陽極瓷環13、陽極筒14、陰極12和主磁鋼10裝入離子源罩17內，再用點焊方式將離子源封接環8封接為整體離子源。

靶部件封接：按照圖1所示的結構將氚鈦靶21和密封環24採用釺焊方式封接成一體，然後裝入靶磁鋼22和磁鋼託24。

整體封接：將離子源從管殼部件的上端裝入，再裝入芯柱部件，然後用氬 弧焊將上埠封接，同時，將靶部件從管殼部件的下端裝入，再用氬弧焊將下埠封接，至此完成了25mm測井中子管的整體封接。

2)排氣工藝。將封接完成的測井中子管接入真空排氣臺，並將其置於高溫中烘烤，除去其內表面的雜氣。

將排氣臺溫度加至200℃，逐步加氘儲存器電流至0.8～0.9A，對氘儲存器進行除氣；

將溫度加至350℃，並恆溫16小時，排除微型中子管內外表面深層的雜氣；

將氘儲存器內供以一定的氘氣。

3)老煉工藝。老煉工藝包括兩方面：一方面耐壓鍛鍊，要逐步提高老煉電壓，消除毛刺等髒物，耐壓值要求達到120KV，老煉時間一般為4～10小時，另一方面測試微型中子管的中子產額指標、耐溫指標以及各項供電參數。