CN107567174A - 一种中子发生管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及中子源设备技术领域，具体涉及一种中子发生管。本发明要克服现有技术存在的轰击靶子产生的脉冲中子波形具有几微秒到几十微秒的延迟，达不到锐截止的问题。所提供的技术方案是，一种中子发生管，包括离子源、外壳、栅极、加速极和靶子，所述外壳内的真空腔体中，离子源与加速极之间设置有薄片状的栅极，所述栅极由金属钼材料制备，其上设置有网状的孔格。栅极相当于控制离子束的“门”，开启时，离子束从离子源引出经加速轰击靶面产生中子，关闭时无离子束从离子源引出，中子管不产生中子。本发明中子发生管产生中子脉冲波形延迟时间可以缩短在5μs以内，达到锐截止的目的。

Description

一种中子发生管

技术领域：

本发明涉及中子源设备技术领域，具体涉及一种中子发生管。

背景技术：

中子发生管可以应用到多个领域，尤其在石油测井方面取得了非常好的效果。中子发生管是由离子源、外壳、加速极和靶子四部分组成，外壳内为真空腔体。离子源产生氘离子，外壳起绝缘和密封作用，加速极加速氘离子使其获得足以发生核反应的能量，氚（氘）靶吸附氚（氘）气。其工作原理是：由冷阴极潘宁离子源电离氘气生成氘离子，氘离子经强电场加速后打在氚（氘）靶上，与靶中的氚（氘）气发生核反应，产生中子。与普通同位素中子源相比其具有中子产额高、能谱单色性好、无伽马本底，不用时没有放射性，绿色环保。冷阴极潘宁离子源阳极加载脉冲电压，可产生不同频率和宽度的脉冲中子，便于谱分析。

传统的测井中子发生管大多采用冷阴极潘宁离子源，其具有体积小结构简单等优点。工作时离子源是在脉冲状态下工作的，通过引出孔引出的氘离子也是脉冲的，经加速电场加速轰击靶子，产生的中子也是脉冲的。脉冲中子的波形对测井仪器来说很关键。

离子源阳极电压波形已经可以做到较理想的方波，但是由于氘气电离涉及较复杂的物理过程，即使阳极电压波形是理想方波，电离产生的氘离子波形仍然会有明显的上升下降沿，轰击靶子产生的脉冲中子波形具有几微秒到几十微秒的延迟，这对各种测井方法来说是很不利。

如何使中子发生管产生较理想波形的中子脉冲，目前提供的很多技术方案都是通过改进离子源的结构和改善离子源阳极电压波形达到这个目的。但是结果显示这些方案根本达不到中子脉冲波形锐截止的目的。

发明内容：

本发明要提供一种中子发生管，以克服现有技术存在的轰击靶子产生的脉冲中子波形具有几微秒到几十微秒的延迟的问题，可达到锐截止的目的。

为了克服现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案是：一种中子发生管，包括离子源、外壳、栅极、加速极和靶子，外壳内为真空腔体，其特殊之处在于：所述真空腔体内在离子源与加速极之间设置有薄片状的栅极，该栅极的直径大于外壳直径，栅极平面垂直于中子发生管轴线且在外壳外形成环状台阶，所述栅极由金属钼材料制成，其上设置有网状的孔格。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明通过离子源阳极加直流电压，在中子发生管的加速间隙增加一个栅极，栅极加理想的矩形脉冲电压，可以从离子源引出较理想矩形波形的氘离子脉冲，从而避免了现有技术中存在的离子源电离的复杂物理过程对引出氘离子脉冲波形的影响。采用本发明的结构对中子发生管进行改进，对改进前中子发生管离子源工作状态的扰动很小。

2、本发明增加的栅极，与离子源引出孔和法拉利筒加速极形成了一个离子光学系统，该系统能够保证离子束轰击到全靶面，减少轰击法拉利筒加速电极内表面，有效降低二次电子发射和离子溅射。

3、选择钼作为栅极的材料，结构设计时优化栅极孔的大小和栅极的厚度，以及栅极离离子源引出孔的距离。用于中子发生管的钼栅极按一定的工艺进行装配前和装配后处理，本发明中子发生管的使用寿命，与改进前中子发生管寿命相当。

4、本发明中子发生管产生中子脉冲波形延迟时间可以缩短在5μs以

内，效果非常显著。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图。

图2是没有栅极时场强分布及结构中轴线场强曲线。

图3是加入栅极（-1.5kV）时场强分布及结构中轴线场强曲线。

图4是加入栅极（+4kV）时场强分布及结构中轴线场强曲线。

附图标记说明如下：

1:离子源 2：外壳 3：栅极 4：加速极 5：靶子

具体实施方式：

下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地说明。

本发明提供的一种中子发生管，包括离子源1、外壳2、栅极3、加速极4和靶子5。所述外壳2由石英玻璃制备而成，其内为真空腔体，所述真空腔体内在离子源1与加速极4之间设置有薄片状的栅极3，该栅极3的直径大于外壳直径，栅极3平面垂直于中子发生管轴线且在外壳2外形成环状台阶，所述栅极3由金属钼材料制备，其上设置有网状的孔格。

栅极电源具有较理想的方波波形，同时幅度及频率、占空比可调。栅极脉冲电压的幅值在-1.5KV—+4KV之间，栅极孔的半径为2.25mm。

本发明的工作原理是：

中子发生管离子源阳极加直流高压，潘宁离子源产生电离，氘离子的等离子体稳定不随时间变化。栅极加负电压，没有氘离子从离子源引出，没有中子产生。栅极加适当正电压，将从离子源引出一定强度的离子束，经加速间隙加速轰击靶产生中子。栅极电压是正负周期变化的理想矩形波，决定中子脉冲的波形。

栅极与离子源和加速极之间都是绝缘的，离子源和加速极高压都在直流条件下工作，栅极加脉冲电压，此电压控制氘离子流的强度和波形，当有离子流轰击靶面时有中子产生，无离子流离子流轰击靶面时就无中子产生，即栅极相当于控制离子束的“门”，开启时，离子束从离子源引出经加速轰击靶面产生中子，关闭时无离子束从离子源引出，中子发生管不产生中子。

本项目用计算机模拟了未加栅极的传统中子发生管内电场分布，根据计算机仿真实验结果确定了栅极在加速间隙所加的位置。根据对改进前中子发生管离子源工作状态扰动尽可能小的思路确定了栅极脉冲电压的幅值。本发明栅极采用网状结构，网状栅极比较合理。本发明中我们只给出了最简单网状栅极（单孔栅极）的模拟结果。

参见图2，图中的中子发生管没有栅极结构，中子发生管引出孔电位为0伏，加速电极电位为-100KV。加速间隙为15mm。中子发生管产生的中子脉冲波形上升下降沿时间为30μs.离子源阳极加0至+2.5KV矩形波电压。

参见图3，图中的中子发生管增加了栅极结构，栅极距离子源引出口5mm，离子源阳极加+2.5KV直流电压，引出口电位为0V,加速电极电位为-100KV,栅极加-1.5KV电压，栅极结构为一圆环。结果表明，此时中子发生管能够从离子源引出氘离子，中子发生管产生中子。“门”打开。像改进前中子发生管一样能稳定工作，离子源扰动较小。同时中子脉冲比较理想，接近栅极电压的矩形脉冲波形，实现了锐截止。中子发生管产生中子脉冲波形延迟时间小于5μs。

参见图4，图中的中子发生管增加了栅极结构，栅极中心位置距离栅极发射端面为5mm，栅极外边沿半径为11mm，栅极开口半径为2.25mm。离子源阳极加+2.5KV直流电压，引出口电位为0V,加速电极电位为-100KV,栅极加+4KV电压，本实施例中结果表明，中子发生管从离子源不引出了氘离子，中子发生管不产生中子，“门”关上。

Claims (2)

1.一种中子发生管，包括离子源（1）、外壳（2）、栅极（3）、加速极（4）和靶子（5），外壳（2）内为真空腔体，其特征在于：所述真空腔体内在离子源（1）与加速极（4）之间设置有薄片状的栅极（3），该栅极（3）的直径大于外壳直径，栅极（3）平面垂直于中子管轴线且在外壳外形成环状台阶，所述栅极由金属钼材料制成，其上设置有网状的孔格。

2.如权利要求1所述的一种中子发生管，其特征在于：所述外壳（2）由石英玻璃制备。