CSNT2451中子管加速系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉炯,岳愛忠,丁希金,秦愛玲,魯寧,李兵

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司測(cè)井技術(shù)研究院,陜西西安710077)

0 引 言

隨著小井眼測(cè)井儀器種類的不斷增多,測(cè)井儀器對(duì)中子管提出了持續(xù)縮小直徑的要求[1-2]。測(cè)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(shuō)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?yàn)槭芗夹g(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(lái)制作直徑38 mm的測(cè)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(cè)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(jì)工作壽命150 h。該中子管不僅直徑縮至25 mm,有效長(zhǎng)度也只有160 mm。有效長(zhǎng)度的縮短主要由于其中間絕緣部分陶瓷的長(zhǎng)度只有77 mm,設(shè)計(jì)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(zhǎng)度的關(guān)鍵。

1 加速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論計(jì)算

利用有限元分析法對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真,可以有效避免設(shè)計(jì)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(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撘罁?jù)和改進(jìn)方向。對(duì)中子管設(shè)計(jì)經(jīng)常出現(xiàn)的典型問(wèn)題,從理論層面上進(jìn)行分析,正確地引導(dǎo)設(shè)計(jì)改進(jìn)。經(jīng)過(guò)從理論計(jì)算到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jì)

中子管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)包括離子源離子輸出口及離子源外形尺寸設(shè)計(jì),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(jì)等。CSNT2451中子管結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)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(jì)關(guān)系到中子管離子光學(xué)路徑、加速間隙空間電場(chǎng)分布合理性的問(wèn)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(jì)形成的加速電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)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(chǎng)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(dāng)于1個(gè)浸沒(méi)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(guò)電極B孔欄射入無(wú)場(chǎng)區(qū),L為電極B到靶面的距離,如果r遠(yuǎn)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(jiǎn)化模型

(1)

式中,V為電極B相對(duì)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(shí)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(diǎn)發(fā)出[4]。按此簡(jiǎn)化模型近似計(jì)算,可以計(jì)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(zhǎng),電極B離子引入口半徑為r,則由簡(jiǎn)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(jì)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(jì)算得出靶面光斑半徑為7.33 mm。

通過(guò)理論計(jì)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(jì)上,加速電極在靶面前端開口直徑為18 mm,考慮到靶面在實(shí)際鍍膜工藝時(shí),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(rèn)為設(shè)計(jì)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(chǎng)分布模擬分析

1.2.1建模

該文使用有限元電磁場(chǎng)分析軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的CSNT2451中子管加速系統(tǒng)進(jìn)行電場(chǎng)仿真,在建模中對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行材料設(shè)定、網(wǎng)格劃分、電壓激勵(lì)值等操作。材料確定為純鐵DT4(標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中無(wú)DT4材料,為自建庫(kù)元件參數(shù))、不銹鋼steel_stainless、無(wú)氧銅copper、陶瓷Ceramic5等,網(wǎng)格的劃分按長(zhǎng)度模式“Length Based”進(jìn)行軟件默認(rèn)網(wǎng)格大小設(shè)定,電壓激勵(lì)設(shè)定為-100 kV,外部區(qū)域按中子管比例適當(dāng)設(shè)置。

1.2.2分析結(jié)果

(1)加速空間電場(chǎng)等位面分布

圖2為模擬仿真得到的加速系統(tǒng)空間電場(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)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(jì)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(jì)為1 mm,實(shí)驗(yàn)證明是合理的。電壓明顯增大處,在離子源的外形設(shè)計(jì)上已適當(dāng)避開。

(2)加速空間電場(chǎng)強(qiáng)度分布

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

圖4 加速系統(tǒng)電場(chǎng)強(qiáng)度分布模擬圖

圖5 沿路徑1、路徑2提取電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值分布曲線

注意2條曲線的起始點(diǎn)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(chǎng)強(qiáng)度值陡峭處,在設(shè)計(jì)上已適當(dāng)避開。

在設(shè)計(jì)上,改變了離子源外形形狀(曲率),與改進(jìn)前的模擬仿真結(jié)果(見圖6)對(duì)比,可以看出電場(chǎng)強(qiáng)度值的分布變化:除了電場(chǎng)強(qiáng)度值絕對(duì)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(chǎng)強(qiáng)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(jì)算的優(yōu)勢(shì)所在,可以較為清晰地顯示設(shè)計(jì)所形成的電場(chǎng)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(chǎng)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(jì)算結(jié)果反復(fù)比較、權(quán)衡的設(shè)計(jì)。當(dāng)然,理論計(jì)算只是科學(xué)設(shè)計(jì)的前提和有利條件,中子管是一種工藝性很強(qiáng)的電真空產(chǎn)品,合理的工藝實(shí)施,是最終產(chǎn)品性能表現(xiàn)的關(guān)鍵因素。

圖6 改進(jìn)前離子源沿路徑1的電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值分布曲線

2 CSNT2451中子管實(shí)測(cè)結(jié)果

對(duì)3只樣管22001號(hào)、22002號(hào)、22003號(hào)進(jìn)行各參數(shù)性能實(shí)測(cè),獲得理想結(jié)果,符合設(shè)計(jì)期望。中子管性能指標(biāo)測(cè)試包括:中子產(chǎn)額大小及穩(wěn)定性、高溫150 ℃時(shí)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(wèn)題。

圖7為22002號(hào)中子管中子產(chǎn)額隨時(shí)間分布的實(shí)測(cè)曲線,即中子管累計(jì)發(fā)射中子進(jìn)行測(cè)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(yáng)極電流100～150 μA時(shí),中子管靶流40～80 μA,中子產(chǎn)額≥1.2×108n/s。

圖7 22002號(hào)中子管中子產(chǎn)額隨時(shí)間分布實(shí)測(cè)曲線

3 結(jié) 論

(1)CSNT2451中子管的加速系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dá)到較高水平。典型工作參數(shù)情況下,靶壓80 kV時(shí),中子產(chǎn)額≥1.2×108n/s;高參數(shù)情況下:靶壓100 kV時(shí),中子產(chǎn)額≥4×108n/s。

(2)中子管內(nèi)部電場(chǎng)分布得到優(yōu)化,實(shí)際測(cè)量證明中子管工作穩(wěn)定。中子管測(cè)試過(guò)程中,無(wú)打火放電現(xiàn)象,長(zhǎng)時(shí)間的壽命測(cè)試工作穩(wěn)定,證明中子管內(nèi)空間電場(chǎng)設(shè)計(jì)合理。

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