秦愛玲 麻惠生

(中國石油測井集團(tuán)有限公司測井儀器廠 陜西西安)

一種新型的小直徑150℃中子發(fā)生器

秦愛玲 麻惠生

(中國石油測井集團(tuán)有限公司測井儀器廠 陜西西安)

隨著脈沖中子測井的發(fā)展,小直徑、長壽命耐高溫中子發(fā)生器是市場的迫切需求。文章介紹了150℃中子發(fā)生器,該新產(chǎn)品是采用自成靶中子管和高負(fù)載能力的密封高壓實現(xiàn)150℃175h的中子發(fā)生器技術(shù)。

中子發(fā)生器;密封高壓;負(fù)載能力;中子管;自成靶;CZF45-E

0 引 言

自成靶中子管和中子發(fā)生器的研究工作斷斷續(xù)續(xù)開展了很多年,在1997年左右就開展了150℃自成靶中子管的研究工作,其后又開展了150℃中子發(fā)生器的研究工作。自成靶中子管靶子采用了新工藝,其耐受溫度高、使用壽命長,但是在相同產(chǎn)額情況下負(fù)載重、產(chǎn)額低,這樣的特點對密封高壓提出了更高的要求。密封高壓在耐受溫度更高、使用壽命更長的苛刻條件下還需要提高負(fù)載能力,從設(shè)計上出現(xiàn)了瓶頸,沒能解決強負(fù)載能力的密封高壓,而中子管的靶流也沒有得到有效的降低。由于這個原因,一直以來沒有形成150℃中子發(fā)生器的完整技術(shù),也就沒有形成150℃的測井儀器。這極大的影響了儀器從135℃向150℃提升的進(jìn)程。本項目的開展正是針對這個問題,2009年底最終研制出了長壽命耐高溫的自成靶中子管和負(fù)載能力更強、可靠性更高、耐受溫度更高的密封高壓,解決了許多年來中子管與中子發(fā)生器的配接問題,最終形成了完整的150℃中子發(fā)生器儀器。

1 關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

1.1 中子管[1]

中子管是本項目的主要部件,其性能尤其是穩(wěn)定性直接影響了中子發(fā)生器的整體性能,CZF45E-JB中子發(fā)生器采用該項目研制的自成靶150℃MZ30EJB中子管,該中子管技術(shù)指標(biāo)如下:

外徑:30 mm×200 mm

溫度:150℃

壽命:≥175 h

常、高溫產(chǎn)額變化率≤±15%

產(chǎn)額穩(wěn)定性變化率≤15%

陽極高壓≤4 kV

靶壓≤110 kV

靶流≤120μA

采用潘寧離子源,潘寧離子源具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠、壽命長、耗電功率小,并能在低氣壓下工作的優(yōu)點。

中子管采用自成靶技術(shù)是中子管提高耐受溫度的關(guān)鍵措施,傳統(tǒng)的125℃中子管采用的是商品靶技術(shù),由于預(yù)先在靶子上充有十幾居里的氚,使得中子管去氣溫度不能過高,零件去氣不徹底,影響真空度;另一方面大量的氚造成的氚的自然衰變生成的氦隨著環(huán)境溫度的升高會從靶子中釋放出來[2、3],這也會極大破壞中子管的真空狀態(tài),這兩項對真空度的破壞造成商品靶中子管的使用壽命和耐受溫度的局限。商品靶的中子管在使用的開始由于靶子上氚的居里數(shù)較大,所以產(chǎn)額很高,其壽命的主要原因并不是氚的耗盡,而是中子管內(nèi)部真空度的破壞,135℃中子管的使用壽命在60 h～80 h左右。

自成靶技術(shù)是給組裝排完氣的中子管內(nèi)貯存器供D-T混合氣,再采用注入方法使中子管自生形成氚靶。注入過程中中子管的中子產(chǎn)額隨著時間的延長產(chǎn)額逐漸增加,最后達(dá)到飽和即產(chǎn)額既不增加也不減少,這種新工藝技術(shù)有如下的優(yōu)點:

1)因為貯存器里供的是D-T混合氣,中子管工作時可以使靶子上的氚濃度保持動態(tài)平衡(即中子管工作時注入的氚等于參加D-T核反應(yīng)的氚),只要貯存器里有D—T混合氣就有穩(wěn)定的中子輸出。中子管的使用壽命不再由靶子決定而是決定于其它因素如:真空度、絕緣性能等,這就延長了中子管的使用壽命。

2)自成靶工藝技術(shù)中子管在組裝前靶子不需要充氚,靶子的污染幾率大幅度減少,排氣時靶子的去氣溫度很高,由于靶子去氣徹底所以中子管耐溫性能提高、高溫穩(wěn)定性好,使用壽命長。

3)放射性氚是在封閉的條件下充入中子管,所以大幅度降低了氚對環(huán)境、設(shè)備、人員的污染,這就徹底解決了中子管表面氚污染問題,非常利于環(huán)保。

4)中子管生產(chǎn)成本降低:首先每只中子管的用氚量降低,氚氣非常昂貴,用氚量小意味節(jié)約資金。其次縮短了中子管生產(chǎn)周期,縮短真空產(chǎn)品的生產(chǎn)周期,對產(chǎn)品的成品率和質(zhì)量的提高有很大的幫助,同時節(jié)約了生產(chǎn)成本。

自成靶中子管的最大缺點是產(chǎn)額低,是預(yù)制靶中子管產(chǎn)額的1/3,這是我們?yōu)榱颂岣咧凶庸艿哪蜏丶笆褂脡勖仨毟冻龅拇鷥r。但是由于自成靶技術(shù)工藝靶子受污染小,靶子去氣徹底,產(chǎn)額會得到一定的補償,可達(dá)予預(yù)制靶中子管產(chǎn)額的1/2,加之提高密封高壓的負(fù)載能力,產(chǎn)額可以滿足測井要求。

1.2 密封高壓

密封高壓是本項目的另一個關(guān)鍵技術(shù)。密封高壓的設(shè)計思想是在原有密封高壓的基礎(chǔ)上,對影響負(fù)載能力及輸出能力的影響因素進(jìn)行理論分析,給出設(shè)計方案。對于密封高壓,我們的主要目標(biāo)有兩個:

1)提高高壓的負(fù)載能力,由原來的80μA提高到110μA

2)高壓的可靠性設(shè)計

倍壓電路中決定輸出能力的因素有高壓變壓器的高壓變換能力、倍壓級數(shù)、供電頻率、級數(shù)等,這些因素互相有限制和制約關(guān)系,比如,減少級數(shù),會極大的提高負(fù)載能力,但是在輸出能力不變的情況下,硅堆、電容的電壓耐受值需要提高,這就增加器件的體積進(jìn)而增加儀器的體積,如果級數(shù)減小,高壓變壓器的損耗提高,降低了變壓器效率,這都是不良效應(yīng);如果級數(shù)增加,在一定的范圍內(nèi)會使輸出增加,但要達(dá)到相同的負(fù)載能力,供電頻率需要大幅度提高,這需要對高壓變壓器進(jìn)行新的設(shè)計方案。對這幾項制約進(jìn)行分析對比,加之實際的電路試驗,最終確定了如下實施措施:提高負(fù)載能力。

②倍壓級數(shù)由原來的15級提高到20級,提高輸出能力,減小電容和硅堆的承壓,提高了器件工作的可靠性。

1.3 控制電路的優(yōu)化

我們目前油田中使用的中子壽命發(fā)生器的高壓步進(jìn)方式是采用調(diào)寬進(jìn)行高壓升壓,這種方法雖然結(jié)構(gòu)簡單,但是升壓的連續(xù)性差,而且高壓供電脈沖波形不理想,升壓效率較低。為此本項目特別設(shè)計了調(diào)幅方式進(jìn)行升壓,提高了升壓效率,升壓的連續(xù)性也得到了改善。

2 中子發(fā)生器發(fā)射中子試驗結(jié)果

采用了上述三種較大的技術(shù)措施后,于2009年底完成了150℃中子發(fā)生器項目的研制工作。為了全面測試150℃中子發(fā)生器的性能,在實驗室條件下對中子發(fā)生器進(jìn)行了試驗,并對實驗數(shù)據(jù)整理,繪制相關(guān)曲線。

2.1 模擬負(fù)載試驗

在對密封高壓單獨進(jìn)行負(fù)載能力、高壓穩(wěn)定性及可靠性的測試時,為排除中子管的干擾,采用約1 MΩ的高壓電阻,進(jìn)行直流負(fù)載測試,如圖1所示,密封高壓穩(wěn)定性指標(biāo)達(dá)到2%,在100 kV的高壓輸出情況下可以負(fù)載100μ Α的負(fù)載電流,可以經(jīng)受110 kV、110 μ Α的沖擊。

圖1 密封高壓的模擬直流負(fù)載曲線

2.2 負(fù)載曲線

圖2 CZF45E-150℃中子發(fā)生器負(fù)載曲線

中子發(fā)生器的負(fù)載特性是密封高壓的主要研制目標(biāo),圖2是在高溫150℃密封高壓配接中子管的負(fù)載曲線。x軸表示靶流,y軸表示靶壓。該曲線公式為y=-0.324x+109.13,其中斜率就是密封高壓的等效內(nèi)阻。實驗步驟是:將靶壓空載情況下從零緩慢勻速加至100 kV,由于高溫下中子管內(nèi)有少量放氣,電離電流和靶流并不為零,此后通過手動調(diào)節(jié)電離電流,由小變大,靶流也由小變大,靶壓則由大變小,逐次記錄靶流和對應(yīng)的靶壓變化,從而得到曲線。

2.3 常、高溫中子發(fā)射穩(wěn)定性試驗

穩(wěn)定性是中子發(fā)生器的另一項重要指標(biāo),對中子發(fā)生器的靶壓、產(chǎn)額等穩(wěn)定性進(jìn)行了常溫、高溫兩種情況下的實驗,如圖3、4所示。

圖3 CZF45E-150℃中子發(fā)生器常溫產(chǎn)額及靶壓穩(wěn)定性曲線

圖4 CZF45E-150℃中子發(fā)生器高溫產(chǎn)額及靶壓穩(wěn)定性曲線

在圖3和圖4所示的曲線中可以看出,該中子發(fā)生器的常溫產(chǎn)額為1.4×108n/s,產(chǎn)額變化率為2. 5%,高溫情況下產(chǎn)額變化率為3.5%。

2.4 中子管使用壽命的試驗

在2009年底對150℃中子管進(jìn)行了壽命消耗試驗,統(tǒng)計證明該中子管在150℃環(huán)境下使用壽命≥175 h。

3 150℃中子發(fā)生器達(dá)到的整體指標(biāo)

儀器的尺寸:Ф45 mm×1 100 mm+Ф45 mm× 600 mm

溫度:150℃

常、高溫產(chǎn)額變化率≤±15%

中子產(chǎn)額:≥1.2×108n/s

產(chǎn)額穩(wěn)定性變化率≤15%

靶壓≤110 kV

靶流≤120μA

發(fā)射模式:125 Hz、250 Hz、500 Hz、1 kHz

中子管使用壽命:175 h

4 結(jié) 論

新型150℃小直徑中子發(fā)生器在自成靶中子管工藝及密封高壓的負(fù)載能力方面所作的新嘗試,其合理性得到了試驗的驗證,有望在2010年將該新技術(shù)推向市場。

[1] 梁 峰.測井用系列密封中子管[J].測井技術(shù),1994,18 (6)

[2] 梁 峰,麻惠生.測井用中子管的損耗問題[J].測井技術(shù),1997,21(2)

[3] 羅順中,楊本福,龍興貴.中子發(fā)生器氚靶的進(jìn)展[J].原子能科學(xué)技術(shù),2002,36(4/5)

Qin Ailing and Ma Huisheng.A new kind of neutron generator of small diameter and a high temperature of 150℃.PI,2010,24(4):25～27

Small diameter and long life neutron generator of high temperature is required urgently in the field of logging with the development of pulse neutron logging.We introduce the new neutron generator in a high temperature of 150℃and with a long life of 175 hours that uses the new technique of automatic target neutron tube,high voltage and high load ability.

Neutron generator;sealed high voltage;loading ability;neutron tube;drive-in target

P631.8+17

B

1004-9134(2010)04-0025-03

秦愛玲,女,1967年生,高級工程師,畢業(yè)于蘭州大學(xué)現(xiàn)代物理系原子核物理專業(yè),現(xiàn)在中國石油測井集團(tuán)有限公司測井儀器廠從事核測井發(fā)射性儀器研發(fā)工作。郵編:710054

2010-02-03 編輯:高紅霞)

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