CSNT2451中子管加速系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

劉炯,岳愛忠,丁希金,秦愛玲,魯寧,李兵

(中國石油集團測井有限公司測井技術(shù)研究院,陜西西安710077)

0 引 言

隨著小井眼測井儀器種類的不斷增多,測井儀器對中子管提出了持續(xù)縮小直徑的要求[1-2]。測井用中子管的直徑從60 mm經(jīng)歷54、46、40、39 mm,逐漸縮減到30、29 mm和27 mm;之所以有這么多尺寸類型,說明縮小中子管直徑是一件艱難的研究工作,只要中子管滿足儀器要求的性能,好多尺寸都是因為受技術(shù)條件限制而不得不采取的妥協(xié)。直徑27 mm的中子管已經(jīng)可以用來制作直徑38 mm的測井儀器,直徑為25 mm的中子管可以用于開發(fā)直徑大于36 mm的任何測井儀器,所以直徑25 mm的中子管有更廣闊的應(yīng)用空間。

該文所研究的中子管是直徑為25 mm的CSNT2451中子管。它是陶瓷外殼中子管,剪口后外形尺寸Φ25 mm×160 mm,耐高溫150 ℃,設(shè)計工作壽命150 h。該中子管不僅直徑縮至25 mm,有效長度也只有160 mm。有效長度的縮短主要由于其中間絕緣部分陶瓷的長度只有77 mm,設(shè)計合理的帶電粒子加速系統(tǒng)是縮小直徑和降低絕緣部分長度的關(guān)鍵。

1 加速系統(tǒng)設(shè)計的理論計算

利用有限元分析法對設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行模擬仿真,可以有效避免設(shè)計上的明顯缺陷,節(jié)省大量人力、物力,提高產(chǎn)品研發(fā)的效率,也為產(chǎn)品提供嚴謹?shù)睦碚撘罁?jù)和改進方向。對中子管設(shè)計經(jīng)常出現(xiàn)的典型問題,從理論層面上進行分析,正確地引導(dǎo)設(shè)計改進。經(jīng)過從理論計算到實驗驗證的研制循環(huán),使中子管性能不斷得以提升,這也是CSNT2451中子管研發(fā)的思路與方法。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

中子管結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及離子源結(jié)構(gòu)、加速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、靶子結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)這4部分,本文只涉及加速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的討論。加速系統(tǒng)設(shè)計包括離子源離子輸出口及離子源外形尺寸設(shè)計,加速間隙結(jié)構(gòu)和尺寸、加速電極離子引入口徑及形狀尺寸設(shè)計等。CSNT2451中子管結(jié)構(gòu)件的設(shè)計在徑向采用緊配合方式,在軸向采用頂緊裝配方式,充分保障了結(jié)構(gòu)件之間的共軸和間距尺寸的精確控制。

加速系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)系到中子管離子光學(xué)路徑、加速間隙空間電場分布合理性的問題,既要使得離子束有效地在靶面上形成盡可能覆蓋靶面的光斑,又要充分地考慮到設(shè)計形成的加速電場在中子管內(nèi)部空間的分布,尤其是在加速間隙的中子管外殼內(nèi)壁上的場強分布,盡可能地減小打火、放電造成的中子管工作不穩(wěn)定。一般影響中子管工作穩(wěn)定性的因素除了離子源電離、空間高壓絕緣等,最主要的就是加速間隙的打火、放電。加速間隙放電分為空間結(jié)構(gòu)件之間的直接放電(如場致發(fā)射等)和加速間隙外殼內(nèi)壁上的沿面閃絡(luò)放電,前者主要涉及到中子管生產(chǎn)中的零件處理工藝,而后者主要與中子管加速間隙的空間電場分布、外殼內(nèi)壁處理工藝相關(guān)。

常用的雙電極離子源引出系統(tǒng)相當于1個浸沒孔欄透鏡(見圖1)。在A、B兩電極間發(fā)射引出1束受空間電荷限制的半徑為r的離子束,通過電極B孔欄射入無場區(qū),L為電極B到靶面的距離,如果r遠小于加速間隙距離d,可得到求取近似焦距f的公式

圖1 加速系統(tǒng)的簡化模型

(1)

式中,V為電極B相對于電極A的電壓,V;E1為離子引出口端電壓,V;E2為離子引入口端電壓,V。

德維桑凱爾皮克(Davisson-Calbick)膜孔透鏡焦距公式,作近似處理時有[3]

E2≈4V/3d

(2)

式中,d為速間隙距離,mm。帶入式(1)中,則有

f=-3d

(3)

即:離子束近似為從焦距為3d的“源”點發(fā)出[4]。按此簡化模型近似計算,可以計算得到離子束在靶面形成的光斑大小。設(shè)在靶面形成的光斑半徑為R,電極B到靶面的距離為L,電極B離子引入口半徑為r,則由簡化模型的幾何關(guān)系可推導(dǎo)出

(4)

式中,R為靶面光斑半徑,mm;L為電極B到靶面的距離,mm;r為電極B離子引入口半徑,mm。

帶入相應(yīng)參數(shù),可粗略計算離子束在靶面形成的光斑大小。CSNT2451中子管中,r=4 mm,d=14 mm,L=35 mm,計算得出靶面光斑半徑為7.33 mm。

通過理論計算,近似得到離子束在靶面可形成半徑約為7.33 mm的光斑。在設(shè)計上,加速電極在靶面前端開口直徑為18 mm,考慮到靶面在實際鍍膜工藝時,靶面外緣存在一定空白區(qū),加上固定靶片的結(jié)構(gòu)件尺寸,認為設(shè)計值合理,既充分利用了靶面積,又避免了離子束打在靶外空間的結(jié)構(gòu)件表面造成濺射。

1.2 加速系統(tǒng)電場分布模擬分析

1.2.1建模

該文使用有限元電磁場分析軟件對所設(shè)計的CSNT2451中子管加速系統(tǒng)進行電場仿真,在建模中對結(jié)構(gòu)進行材料設(shè)定、網(wǎng)格劃分、電壓激勵值等操作。材料確定為純鐵DT4(標準庫中無DT4材料,為自建庫元件參數(shù))、不銹鋼steel_stainless、無氧銅copper、陶瓷Ceramic5等,網(wǎng)格的劃分按長度模式“Length Based”進行軟件默認網(wǎng)格大小設(shè)定,電壓激勵設(shè)定為-100 kV,外部區(qū)域按中子管比例適當設(shè)置。

1.2.2分析結(jié)果

(1)加速空間電場等位面分布

圖2為模擬仿真得到的加速系統(tǒng)空間電場等位面分布圖。設(shè)置2條路徑提取靶壓的數(shù)值分布曲線:路徑1為沿軸向陶瓷外殼內(nèi)壁,從離子源端(可伐陶瓷封接處)至靶面端;路徑2為沿軸向中心線,離子源后陰極端面至靶面。后續(xù)都是按這2條路徑分別提取電壓數(shù)值分布曲線(見圖3)。

圖2 加速系統(tǒng)空間電場等位面分布圖

圖3 沿路徑1、路徑2提取的電壓數(shù)值分布曲線

由圖3可見,離子源端陶瓷內(nèi)壁上的電壓在較長一段距離上電壓值是較低的,約在幾千伏左右。因此,在設(shè)計上,離子源外徑尺寸大小可以盡量放大,CSNT2451中子管的安全間距設(shè)計為1 mm,實驗證明是合理的。電壓明顯增大處,在離子源的外形設(shè)計上已適當避開。

(2)加速空間電場強度分布

圖4為加速系統(tǒng)電場強度分布模擬圖。同樣,沿路徑1、路徑2提取電場強度分布曲線(見圖5)。

圖4 加速系統(tǒng)電場強度分布模擬圖

圖5 沿路徑1、路徑2提取電場強度數(shù)值分布曲線

注意2條曲線的起始點位置不同。由圖5可見,離子源前端因外形曲率變化造成的電場強度值陡峭處,在設(shè)計上已適當避開。

在設(shè)計上,改變了離子源外形形狀(曲率),與改進前的模擬仿真結(jié)果(見圖6)對比,可以看出電場強度值的分布變化:除了電場強度值絕對值的變化外,分布也更趨于平緩和向加速電極方向平移。電場強度值的平緩分布極大地降低了陶瓷外殼內(nèi)壁上形成打火放電的幾率,這也是理論計算的優(yōu)勢所在,可以較為清晰地顯示設(shè)計所形成的電場分布,改變離子源和加速電極形狀、尺寸,可以反復(fù)得到加速系統(tǒng)的電壓、電場分布情況,得出較為理想的結(jié)果,CSNT2451中子管就是以此理論計算結(jié)果反復(fù)比較、權(quán)衡的設(shè)計。當然,理論計算只是科學(xué)設(shè)計的前提和有利條件,中子管是一種工藝性很強的電真空產(chǎn)品,合理的工藝實施,是最終產(chǎn)品性能表現(xiàn)的關(guān)鍵因素。

圖6 改進前離子源沿路徑1的電場強度數(shù)值分布曲線

2 CSNT2451中子管實測結(jié)果

對3只樣管22001號、22002號、22003號進行各參數(shù)性能實測,獲得理想結(jié)果,符合設(shè)計期望。中子管性能指標測試包括:中子產(chǎn)額大小及穩(wěn)定性、高溫150 ℃時的性能、電離穩(wěn)定性、連續(xù)工作穩(wěn)定性、工作壽命等,本文討論只涉及中子產(chǎn)額、中子管工作穩(wěn)定性問題。

圖7為22002號中子管中子產(chǎn)額隨時間分布的實測曲線,即中子管累計發(fā)射中子進行測試201 h后的曲線截圖。中子管工作參數(shù)分別取靶壓80～95 kV,陽極電流100～150 μA時,中子管靶流40～80 μA,中子產(chǎn)額≥1.2×108n/s。

圖7 22002號中子管中子產(chǎn)額隨時間分布實測曲線

3 結(jié) 論

(1)CSNT2451中子管的加速系統(tǒng)設(shè)計滿足要求,配合離子源、氚靶等組裝的中子管離子光路合理、有效覆蓋靶面,中子產(chǎn)額高。在管徑小、靶面尺寸相應(yīng)減小情況下,中子產(chǎn)額能達到較高水平。典型工作參數(shù)情況下,靶壓80 kV時,中子產(chǎn)額≥1.2×108n/s;高參數(shù)情況下:靶壓100 kV時,中子產(chǎn)額≥4×108n/s。

(2)中子管內(nèi)部電場分布得到優(yōu)化,實際測量證明中子管工作穩(wěn)定。中子管測試過程中,無打火放電現(xiàn)象,長時間的壽命測試工作穩(wěn)定,證明中子管內(nèi)空間電場設(shè)計合理。

(3)3只樣管實際測試均呈現(xiàn)相同的性能表現(xiàn):無打火放電現(xiàn)象,中子產(chǎn)額高,優(yōu)化設(shè)計的加速系統(tǒng),保證了中子管的工作穩(wěn)定性。