氧活化模擬中子發(fā)生器的研制與應(yīng)用

◇中石化經(jīng)緯有限公司中原測(cè)控公司 趙 燕

中子發(fā)生器屬于放射性裝置，為保障人員、環(huán)境安全，打靶需要特定環(huán)境，儀器維修不便利，急需研制模擬中子發(fā)生器替代中子發(fā)生器。本文首先描述了儀器工作原理，然后根據(jù)原理設(shè)計(jì)了模擬器的電路及參數(shù)，最后用實(shí)例驗(yàn)證了模擬器的應(yīng)用。

SWFL-B型氧活化水流測(cè)井儀屬于脈沖中子測(cè)井儀器，內(nèi)有中子管，中子管屬于射線裝置，在打靶的情況下，會(huì)產(chǎn)生中子和伽馬射線。根據(jù)儀器使用安全規(guī)定，為保障操作人員和維修人員以及周邊環(huán)境的安全，在室內(nèi)和地面檢測(cè)、保養(yǎng)維修時(shí)，嚴(yán)禁打靶操作，如果確定檢測(cè)靶壓，必須在特定測(cè)試罐內(nèi)進(jìn)行，又由于中子會(huì)對(duì)部分材質(zhì)產(chǎn)生微弱火花反應(yīng)，打靶停止30分鐘后才可接觸儀器[1]，因此儀器維修調(diào)試非常不便，所以需要研制模擬中子發(fā)生器，替代中子發(fā)生器，以達(dá)到方便故障判斷、維修的目的。

1 中子發(fā)生器工作原理

1.1 中子發(fā)生器的組成

氧活化中子發(fā)生器是一個(gè)產(chǎn)生中子的裝置，內(nèi)部由靶壓倍壓電路、高壓變壓器、高壓采樣電路和中子管構(gòu)成。其中中子管是由氚靶、燈絲和陽(yáng)極組成，就是一個(gè)小型的靜電加速器式的中子源[2]。

圖1 中子管結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 中子管發(fā)生器工作原理

在地面依次打開(kāi)陽(yáng)極命令Vaon，燈絲命令I(lǐng)fon，熱絲使得儲(chǔ)存在燈絲上的氘氣被釋放出來(lái)，氘氣在陽(yáng)極2000V脈沖高壓的作用下電離形成氘離子，此時(shí)增加靶壓，使氘離子加速打到氚靶上，發(fā)生D-T核反應(yīng)，產(chǎn)生中子，反應(yīng)式如下：

2 模擬中子發(fā)生器參數(shù)的選擇

燈絲、陽(yáng)極、靶壓命令同時(shí)控制中子發(fā)生器產(chǎn)生中子，模擬中子發(fā)生器需要對(duì)這三路信號(hào)分別設(shè)計(jì)電路，使的面板可以顯示燈絲電流、陽(yáng)極電流和實(shí)現(xiàn)靶壓增減，達(dá)到可以檢測(cè)控制信號(hào)輸出和采樣電路是否正確的目的。

2.1 靶壓電路的設(shè)計(jì)

靶壓電路工作原理：地面發(fā)出增減靶壓命令時(shí)，上采集單片機(jī)控制低壓模塊輸出0～80V電壓，通過(guò)MOS管的導(dǎo)通截止形成靶壓振蕩信號(hào)，送給中子發(fā)生器中的高壓變壓器共同構(gòu)成推挽升壓電路，產(chǎn)生0～100kV的高壓，經(jīng)采樣電阻采樣產(chǎn)生0～10V采樣電壓上傳至上采集，經(jīng)處理后在地面顯示出真實(shí)靶壓值。

模擬中子發(fā)生器靶壓電路設(shè)計(jì)：模擬器僅需要檢查上采集發(fā)出的靶壓控制命令及采樣電路是否正確，無(wú)需產(chǎn)生高壓，繞制1:1的變壓器起到隔離作用即可，整流濾波后選擇合適的采樣電阻阻值，使得采樣的電壓值和中子發(fā)生器采樣電壓值一致。首先連接中子發(fā)生器測(cè)量靶壓采樣與低壓模塊電壓輸出值的關(guān)系，如表1所示。通過(guò)計(jì)算比例，本著降低功耗的原則，確定總阻值300K，采樣阻值100K。電路圖如圖2所示。

表1 采樣電壓值和低壓模塊輸出電壓值

圖2 靶壓電路圖

2.2 燈絲電路的設(shè)計(jì)

燈絲電路原理：地面發(fā)出打開(kāi)燈絲的命令后，上采集單片機(jī)發(fā)出3.3V脈沖信號(hào)，控制MOS管導(dǎo)通截止，變成5V脈沖信號(hào)給中子發(fā)生器的燈絲，產(chǎn)生電流。

燈絲約在5Ω左右的電阻，經(jīng)測(cè)量燈絲電壓有效值約是2.4V，使用公式計(jì)算I=U/R，計(jì)算得出I=480mA，即地面顯示480mA。通過(guò)公式P=U2/R，確定使用5Ω/10W電阻。

2.3 陽(yáng)極電路設(shè)計(jì)

陽(yáng)極電路原理，當(dāng)?shù)孛姘l(fā)出打開(kāi)陽(yáng)極的命令時(shí)，單片機(jī)發(fā)出脈沖信號(hào)，經(jīng)反向驅(qū)動(dòng)放大整形后控制MOS管與90V直流電源形成振蕩，通過(guò)變壓器產(chǎn)生2000V的脈沖高壓，再經(jīng)過(guò)陽(yáng)極開(kāi)關(guān)模塊使脈沖上下沿陡峭，輸送給中子發(fā)生器形成回路產(chǎn)生陽(yáng)極電流。

中子發(fā)生器陽(yáng)極電流通常穩(wěn)定在120μA，經(jīng)測(cè)量陽(yáng)極脈沖高壓實(shí)際有效值為230V，為了降低模擬器功耗，將陽(yáng)極電流設(shè)定在20μA，通過(guò)公式R=U/I計(jì)算得出R=11.5M，線路中使用 12M/0.25W的電阻。

3 模擬中子發(fā)生器的應(yīng)用

3.1 靶壓電路故障判斷

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試某1井，燈絲電流、陽(yáng)極電流均正常，增加靶壓無(wú)顯示，同時(shí)無(wú)中子發(fā)出。

故障判斷：根據(jù)電路原理分析，造成該故障的原因有2個(gè)，一是上采集短節(jié)無(wú)靶壓控制信號(hào)產(chǎn)生，二是中子發(fā)生器靶壓倍壓電路故障。不連接中子發(fā)生器，空載時(shí)供電，故障現(xiàn)象無(wú)法顯示，常規(guī)檢查辦法是拆開(kāi)上采集，分別測(cè)量靶壓控制電路各點(diǎn)的波形和電壓值，現(xiàn)僅需連接模擬器中子發(fā)生器通電檢查，增減靶壓若地面有靶壓顯示，則說(shuō)明中子發(fā)生器故障，若面板仍無(wú)靶壓顯示，則需打開(kāi)上采集短節(jié)根據(jù)靶壓控制電路產(chǎn)生流程維修。此次故障為中子發(fā)生器的靶壓倍壓電路故障，因中子發(fā)生器為密封短節(jié)，則要返回廠家維修。

3.2 陽(yáng)極電路故障判斷

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井某2井，陽(yáng)極電流僅有10μA，不在增加，燈絲電流輸出380μA，不再降低。

故障判斷：根據(jù)燈絲和陽(yáng)極電路工作原理分析，造成故障的原因應(yīng)該是有2個(gè)，一是上采集陽(yáng)極高壓故障，使得中子管內(nèi)部氣壓不平衡，燈絲高值輸出。二是中子發(fā)生器內(nèi)部中子管故障。此時(shí)連接模擬中子發(fā)生器，可以幫助判斷是上采集短節(jié)故障還是中子發(fā)生器故障，若連接模擬發(fā)生器，陽(yáng)極電流顯示20μA，則可以肯定是中子發(fā)生器故障；若故障仍然存在，則需檢查上采集短節(jié)陽(yáng)極高壓電路部分。此次故障為陽(yáng)極開(kāi)關(guān)模塊故障，使得陽(yáng)極高壓輸出不足1000V，更換陽(yáng)極高壓模塊，故障排除。

4 結(jié)論

（1）中子模擬發(fā)生器的研制，使得儀器故障排查簡(jiǎn)單、快捷，提高了維修時(shí)效。

（2）不使用中子發(fā)生器檢測(cè)儀器避免了因誤操作造成的人員輻射傷害，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

（3）中子管使用時(shí)間固定，維修使用中子發(fā)生器打靶會(huì)產(chǎn)生損耗，使用模擬中子發(fā)生器可以減少損耗。