CN205793592U - 用于中子管制造的自成靶 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于中子管制造的自成靶，该自成靶包括靶基和靶膜，靶基的一端为靶面，靶膜为镀制于靶面上的金属薄膜，靶基的另一端为中空的腔体，腔体内安装有磁钢和用于固定磁钢的磁钢托；靶面是经过机械粗化处理的平面结构或者是经过机械粗化处理的向内凹陷的锥面结构。本实用新型通过在自成靶靶底部设置磁钢，产生的磁场可以改变二次电子的运动方向，减小了二次电子电流，提高了单位有效束流，即提高了中子产额，解决了现有的中子管无法兼顾中子产额、耐温性能和使用寿命的技术问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于中子管制造的自成靶。
背景技术
随着油田开采进程和测井技术的发展，对中子管技术也提出了更高的要求，不但要求中子产额达到2×108n/s以上，还要求耐温达到175℃，使用寿命达到500h以上。目前，用于中子管制造的靶类型主要有预制氚靶和自成靶两类。用预制氚靶制管时，靶内事先已经吸满氚,中子管工作时，氘轰击氚而产生中子。用这类靶制成的中子管单位靶流中子产额较高，但是耐温只能达到150℃，使用寿命一般也不会超过100小时。而用自成靶制管时，靶内事先不吸氚，在储存器内吸入一定数量的氘氚混合气，中子管工作时，将氘氚离子逐渐注入靶内，经过一段时间后，靶内氘氚含量达到饱和，形成了自成靶。用这类靶制成的中子管耐温和使用寿命都优于前者，但是单位靶流中子产额较前者低。
发明内容
为了解决现有的中子管无法兼顾中子产额、耐温性能和使用寿命的技术问题，本实用新型提供一种用于中子管制造的自成靶。
本实用新型的技术解决方案是：
一种用于中子管制造的自成靶，包括自成靶，其特殊之处在于：所述自成靶包括靶基和靶膜，所述靶基的一端为靶面，所述靶膜为镀制于靶面上的金属薄膜，所述靶基的另一端为中空的腔体，腔体内安装有磁钢和用于固定磁钢的磁钢托。所述靶面是经过机械粗化处理的平面结构或者是经过机械粗化处理的向内凹陷的锥面结构。
上述靶膜的厚度为1.0～1.5mg/cm2。
上述靶膜的材料为钛、锆、钪、铒、钇或者镧。
上述靶基的材料为无氧铜、钼、钨、银、金、铂、钽、镍基不锈钢或者铝。
上述磁钢为耐温大于200℃的磁性材料。
上述磁钢托为无氧铜材料。
本实用新型的有益效果在于：
(1)本实用新型通过在自成靶靶底部设置磁钢，产生的磁场可以改变二次电子的运动方向，减小了二次电子电流，提高了单位有效束流，即提高了中子产额。
(2)本实用新型在靶膜镀制前对靶面进行机械粗化处理，既增大了靶面的表面积，又减小了靶内二次电子的发射。同时，还能增加靶膜的附着力，这种靶膜不会因为溅射使其脱落而影响使用寿命。
(3)采用本实用新型自成靶构成的中子管在整个封接过程中，不接触氚气，因而不存在氚气泄漏的问题，操作者可以免受放射性伤害，环境也免受污染。
附图说明
图1为平面自成靶结构示意图；
图2为凹面自成靶结构示意图；
图3为二次电子抑制原理示意图；
附图标记如下：1-靶膜，2-靶基，3-磁钢，4-磁钢托，5-加速电极。
具体实施方式
参见图1，本实用新型较佳实施例的自成靶结构包括靶膜1、靶基2、磁钢3和磁钢托4。靶膜1是在“靶面”表面上镀制的一层金属薄膜，成为氘氚核反应发射中子的界面，靶基2起到承载靶膜和靶散热的功能，磁钢3主要用于抑制靶面产生的二次电子，磁钢托4主要起固定磁钢和靶散热的作用。本实施例中的靶面为平面结构，表面积为4.15cm2。
参见图2，本实用新型的靶面还可以设计为向内凹陷的锥面结构，其表面积为8.05cm2，即在相同外径的条件下，凹面靶的靶表面积比平面靶扩大近一倍，也就是说凹面靶承受离子束的轰击面积也较平面靶扩大一倍，这样有利于弥补用于中子管制造的自成靶单位靶流中子产额低的不足。
在材料选择方面，靶基2的材料应选择熔点高、在氢气氛围中强度好和吸收氢同位素少的金属，常用材料有钼、钨和铜等，此外，还有银、金、铂、钽、镍基不锈钢和铝等。由于无氧铜材料的氧含量极少，而且其散热效果好于其它材料，可以有效防止靶过热而释气，所以选用无氧铜作为用于中子管制造的自成靶的靶基材料更为适宜；靶膜1的常用材料有钛和锆，此外，还有钪、铒、 钇、镧等元素也可作为靶膜材料。由于钛是迄今为止发现吸氢密度最高的单质金属材料，且价格便宜，制备容易，因此选用钛作为自成靶的靶膜材料更佳；磁钢3要求选用表磁强，耐温大于200℃的磁性材料；磁钢托4选用无氧铜材料，便于自成靶散热。
中子产额不但与靶中氚浓度紧密相关，而且与氘离子射程也直接相关，除了选用高纯膜材料镀制靶膜外，靶膜厚度也是至关重要的参数。当膜厚小于氘离子射程时，有一部分氘离子将穿透膜层，损失掉与氚发生反应的机会，自然影响了中子产额；当膜厚超过氘离子射程的2倍以上时，靶内深层的氚不能与氘发生核反应，既对中子产额没有贡献，同时还浪费了氚气。因此，靶膜厚度既不能太薄，又不能太厚，要选择合适的厚度。由于发生氘氚核反应时氘核的能量为100～150KeV，而这个能量的氘核的氘离子射程为0.5mg/cm2左右，基于氘离子的射程，同时考虑到氚气在靶膜中分布不均匀性及留有一定余量的靶膜深度，靶膜厚度选用在1.0～1.5mg/cm2之间较为合适。
中子管工作时，引出的束流包括离子电流和二次电子电流两部分，由于二次电子电流的存在，减小了单位有效束流，降低了中子产额。为了解决这个问题，采取了两点措施，一是在靶膜镀制前对靶面进行机械粗化处理，既增大了靶面的表面积，又减小了靶内二次电子的发射，同时，还能增加钛膜的附着力，这种靶膜不会因为溅射使其脱落而影响使用寿命，其平均使用寿命已经超过500小时；二是在自成靶靶底部放置一块圆柱形磁钢3。参见图3，磁钢3在自成靶与加速电极孔之间形成一个磁场，当离子束轰击靶时，由于这个磁场的存在，使离子束顺着磁力线直达靶面，而靶表面产生的二次电子在这个磁场作用下改变原有运动方向，打到加速电极5的内壁上，加速电极5的内壁上又产生二次电子，这些二次电子在靶和加速电极间来回运动，能量越来越低，最终被吸收而不形成电子电流，进而提高了中子产额。
选用如图2所示的外径为40mm的自成靶制成中子管，对其进行靶底磁钢、耐温性能和中子稳定性的室内实验测试，测试结果如下：
(1)靶底磁钢对中子计数影响的实验测试。在束流保持为100μA，靶压分别在80、100和120KV条件下，当靶底无磁钢3时，测得的中子计数分别为681、1302和2204n/s；当靶底有磁钢3时，测得的中子计数分别为1155、2269和 3891n/s，有磁钢3与无磁钢(3)的比值分别为1.70、1.74和1.71。从测试结果可知，在束流相同，靶压不相同的情况下，有磁钢3和无磁钢3所测得的中子计数的倍数均为1.7倍左右，也就是说有磁钢3后，使单位有效束流大幅度增加，从而也使中子计数得到了大幅度提高。
(2)耐高温实验测试。实验测试是在175℃环境中进行的，整个实验测试历时了8.5小时，在实验测试过程中通过调节用于中子管制造的自成靶的储存器的电压或电流值，保持靶压和束流值不变，观察中子计数和阳极电流的变化情况，在最初的1小时内，即温度在80℃以下，中子计数变化很小，当温度升至90～175℃范围内时，中子计数随着温度上升而呈下降趋势，当温度升至175℃(开始加温4小时后)且进入恒温区，随着温度的平稳中子计数也随之趋于稳定。在整个实验测试过程中阳极电流最大变化幅度不超过20μA，而储存器电流只下降了0.04A。由实验测试表明，用这种自成靶构成的中子管能够在175℃温度环境中正常工作，并且工作时间超过了4小时，完全能够满足实际使用的需求。究其原因，自成靶结构中靶基2和磁钢托4都采用无氧铜，材料本身传热快，再加之靶基2体积大，磁钢托4又置于管外，这样靶内温度可以通过靶基2和磁钢托4很快地传递到管外，使靶内温度与管外空间温度保持一致。另外，用这种结构的自成靶构成的中子管，其排气温度可以达到470～500℃，可以保证了管内零部件除气彻底。即使自成靶工作在175℃环境中，也不会从靶内释放出杂气，也不会从靶内逸出氘氚混合气，因而保证了用于中子管制造的自成靶耐高温性能。
(3)中子输出稳定性实验测试。在实验测试过程中保持阳极、储存器和靶极供电参数不变条件下，用于中子管制造的自成靶工作半小时后，每隔半小时记录一次中子计数，连续工作8小时后，在室温环境下，中子计数最大波动值只有4.1％。在175℃恒温环境中，中子计数只波动了5.5％，并且从室温升至175℃又恒温4小时后，中子计数只下降了15％，这项技术指标明显好于由预制氚靶构成的中子管指标。用于中子管制造的自成靶中子输出稳定性与采用自成靶类型有直接关系，制管时将氘氚混合气逐渐注入靶内直至使其饱和，并且之后始终保持靶饱和状态，此时中子输出也保持相对恒定，只要储存器内有足够的氘氚混合气，靶内消耗的氘氚气就能及时得到自动补偿而保持饱和，因而自成靶 也就能有连续稳定的中子输出，中子管使用寿命也不再受靶的限制。
以上实验测试结果表明，本实用新型提供的用于中子管制造的自成靶可以有效地抑制靶内二次电子的发射，中子计数得到大幅度提高，而且耐高温性能好，中子产额输出稳定。
Claims (6)
1.一种用于中子管制造的自成靶，其特征在于：所述自成靶包括靶基和靶膜，所述靶基的一端为靶面，所述靶膜为镀制于靶面上的金属薄膜，所述靶基的另一端为中空的腔体，腔体内安装有磁钢和用于固定磁钢的磁钢托；
所述靶面是经过机械粗化处理的平面结构或者是经过机械粗化处理的向内凹陷的锥面结构。
2.根据权利要求1所述的用于中子管制造的自成靶，其特征在于：所述靶膜的厚度为1.0～1.5mg/cm2。
3.根据权利要求1或2所述的用于中子管制造的自成靶，其特征在于：所述靶膜的材料为钛、锆、钪、铒、钇或者镧。
4.根据权利要求3所述的用于中子管制造的自成靶，其特征在于：所述靶基的材料为无氧铜、钼、钨、银、金、铂、钽、镍基不锈钢或者铝。
5.根据权利要求4所述的用于中子管制造的自成靶，其特征在于：所述磁钢为耐温大于200℃的磁性材料。
6.根据权利要求5所述的用于中子管制造的自成靶，其特征在于：所述磁钢托为无氧铜材料。
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