秦爱玲 麻惠生

(中国石油测井集团有限公司测井仪器厂 陕西西安)

一种新型的小直径150℃中子发生器

秦爱玲 麻惠生

(中国石油测井集团有限公司测井仪器厂 陕西西安)

随着脉冲中子测井的发展,小直径、长寿命耐高温中子发生器是市场的迫切需求。文章介绍了150℃中子发生器,该新产品是采用自成靶中子管和高负载能力的密封高压实现150℃175h的中子发生器技术。

中子发生器;密封高压;负载能力;中子管;自成靶;CZF45-E

0 引 言

自成靶中子管和中子发生器的研究工作断断续续开展了很多年,在1997年左右就开展了150℃自成靶中子管的研究工作,其后又开展了150℃中子发生器的研究工作。自成靶中子管靶子采用了新工艺,其耐受温度高、使用寿命长,但是在相同产额情况下负载重、产额低,这样的特点对密封高压提出了更高的要求。密封高压在耐受温度更高、使用寿命更长的苛刻条件下还需要提高负载能力,从设计上出现了瓶颈,没能解决强负载能力的密封高压,而中子管的靶流也没有得到有效的降低。由于这个原因,一直以来没有形成150℃中子发生器的完整技术,也就没有形成150℃的测井仪器。这极大的影响了仪器从135℃向150℃提升的进程。本项目的开展正是针对这个问题,2009年底最终研制出了长寿命耐高温的自成靶中子管和负载能力更强、可靠性更高、耐受温度更高的密封高压,解决了许多年来中子管与中子发生器的配接问题,最终形成了完整的150℃中子发生器仪器。

1 关键技术的实现

1.1 中子管[1]

中子管是本项目的主要部件,其性能尤其是稳定性直接影响了中子发生器的整体性能,CZF45E-JB中子发生器采用该项目研制的自成靶150℃MZ30EJB中子管,该中子管技术指标如下:

外径:30 mm×200 mm

温度:150℃

寿命:≥175 h

常、高温产额变化率≤±15%

产额稳定性变化率≤15%

阳极高压≤4 kV

靶压≤110 kV

靶流≤120μA

采用潘宁离子源,潘宁离子源具有结构简单、工作稳定可靠、寿命长、耗电功率小,并能在低气压下工作的优点。

中子管采用自成靶技术是中子管提高耐受温度的关键措施,传统的125℃中子管采用的是商品靶技术,由于预先在靶子上充有十几居里的氚,使得中子管去气温度不能过高,零件去气不彻底,影响真空度;另一方面大量的氚造成的氚的自然衰变生成的氦随着环境温度的升高会从靶子中释放出来[2、3],这也会极大破坏中子管的真空状态,这两项对真空度的破坏造成商品靶中子管的使用寿命和耐受温度的局限。商品靶的中子管在使用的开始由于靶子上氚的居里数较大,所以产额很高,其寿命的主要原因并不是氚的耗尽,而是中子管内部真空度的破坏,135℃中子管的使用寿命在60 h～80 h左右。

自成靶技术是给组装排完气的中子管内贮存器供D-T混合气,再采用注入方法使中子管自生形成氚靶。注入过程中中子管的中子产额随着时间的延长产额逐渐增加,最后达到饱和即产额既不增加也不减少,这种新工艺技术有如下的优点:

1)因为贮存器里供的是D-T混合气,中子管工作时可以使靶子上的氚浓度保持动态平衡(即中子管工作时注入的氚等于参加D-T核反应的氚),只要贮存器里有D—T混合气就有稳定的中子输出。中子管的使用寿命不再由靶子决定而是决定于其它因素如:真空度、绝缘性能等,这就延长了中子管的使用寿命。

2)自成靶工艺技术中子管在组装前靶子不需要充氚,靶子的污染几率大幅度减少,排气时靶子的去气温度很高,由于靶子去气彻底所以中子管耐温性能提高、高温稳定性好,使用寿命长。

3)放射性氚是在封闭的条件下充入中子管,所以大幅度降低了氚对环境、设备、人员的污染,这就彻底解决了中子管表面氚污染问题,非常利于环保。

4)中子管生产成本降低:首先每只中子管的用氚量降低,氚气非常昂贵,用氚量小意味节约资金。其次缩短了中子管生产周期,缩短真空产品的生产周期,对产品的成品率和质量的提高有很大的帮助,同时节约了生产成本。

自成靶中子管的最大缺点是产额低,是预制靶中子管产额的1/3,这是我们为了提高中子管的耐温及使用寿命所必须付出的代价。但是由于自成靶技术工艺靶子受污染小,靶子去气彻底,产额会得到一定的补偿,可达予预制靶中子管产额的1/2,加之提高密封高压的负载能力,产额可以满足测井要求。

1.2 密封高压

密封高压是本项目的另一个关键技术。密封高压的设计思想是在原有密封高压的基础上,对影响负载能力及输出能力的影响因素进行理论分析,给出设计方案。对于密封高压,我们的主要目标有两个:

1)提高高压的负载能力,由原来的80μA提高到110μA

2)高压的可靠性设计

倍压电路中决定输出能力的因素有高压变压器的高压变换能力、倍压级数、供电频率、级数等,这些因素互相有限制和制约关系,比如,减少级数,会极大的提高负载能力,但是在输出能力不变的情况下,硅堆、电容的电压耐受值需要提高,这就增加器件的体积进而增加仪器的体积,如果级数减小,高压变压器的损耗提高,降低了变压器效率,这都是不良效应;如果级数增加,在一定的范围内会使输出增加,但要达到相同的负载能力,供电频率需要大幅度提高,这需要对高压变压器进行新的设计方案。对这几项制约进行分析对比,加之实际的电路试验,最终确定了如下实施措施:提高负载能力。

②倍压级数由原来的15级提高到20级,提高输出能力,减小电容和硅堆的承压,提高了器件工作的可靠性。

1.3 控制电路的优化

我们目前油田中使用的中子寿命发生器的高压步进方式是采用调宽进行高压升压,这种方法虽然结构简单,但是升压的连续性差,而且高压供电脉冲波形不理想,升压效率较低。为此本项目特别设计了调幅方式进行升压,提高了升压效率,升压的连续性也得到了改善。

2 中子发生器发射中子试验结果

采用了上述三种较大的技术措施后,于2009年底完成了150℃中子发生器项目的研制工作。为了全面测试150℃中子发生器的性能,在实验室条件下对中子发生器进行了试验,并对实验数据整理,绘制相关曲线。

2.1 模拟负载试验

在对密封高压单独进行负载能力、高压稳定性及可靠性的测试时,为排除中子管的干扰,采用约1 MΩ的高压电阻,进行直流负载测试,如图1所示,密封高压稳定性指标达到2%,在100 kV的高压输出情况下可以负载100μ Α的负载电流,可以经受110 kV、110 μ Α的冲击。

图1 密封高压的模拟直流负载曲线

2.2 负载曲线

图2 CZF45E-150℃中子发生器负载曲线

中子发生器的负载特性是密封高压的主要研制目标,图2是在高温150℃密封高压配接中子管的负载曲线。x轴表示靶流,y轴表示靶压。该曲线公式为y=-0.324x+109.13,其中斜率就是密封高压的等效内阻。实验步骤是:将靶压空载情况下从零缓慢匀速加至100 kV,由于高温下中子管内有少量放气,电离电流和靶流并不为零,此后通过手动调节电离电流,由小变大,靶流也由小变大,靶压则由大变小,逐次记录靶流和对应的靶压变化,从而得到曲线。

2.3 常、高温中子发射稳定性试验

稳定性是中子发生器的另一项重要指标,对中子发生器的靶压、产额等稳定性进行了常温、高温两种情况下的实验,如图3、4所示。

图3 CZF45E-150℃中子发生器常温产额及靶压稳定性曲线

图4 CZF45E-150℃中子发生器高温产额及靶压稳定性曲线

在图3和图4所示的曲线中可以看出,该中子发生器的常温产额为1.4×108n/s,产额变化率为2. 5%,高温情况下产额变化率为3.5%。

2.4 中子管使用寿命的试验

在2009年底对150℃中子管进行了寿命消耗试验,统计证明该中子管在150℃环境下使用寿命≥175 h。

3 150℃中子发生器达到的整体指标

仪器的尺寸:Ф45 mm×1 100 mm+Ф45 mm× 600 mm

温度:150℃

常、高温产额变化率≤±15%

中子产额:≥1.2×108n/s

产额稳定性变化率≤15%

靶压≤110 kV

靶流≤120μA

发射模式:125 Hz、250 Hz、500 Hz、1 kHz

中子管使用寿命:175 h

4 结 论

新型150℃小直径中子发生器在自成靶中子管工艺及密封高压的负载能力方面所作的新尝试,其合理性得到了试验的验证,有望在2010年将该新技术推向市场。

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

[2] 梁 峰,麻惠生.测井用中子管的损耗问题[J].测井技术,1997,21(2)

[3] 罗顺中,杨本福,龙兴贵.中子发生器氚靶的进展[J].原子能科学技术,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

秦爱玲,女,1967年生,高级工程师,毕业于兰州大学现代物理系原子核物理专业,现在中国石油测井集团有限公司测井仪器厂从事核测井发射性仪器研发工作。邮编:710054

2010-02-03 编辑:高红霞)

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