CN205793593U - 微型测井中子管 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种微型测井中子管，将阴极的形状设计为外凸形，输出阴极为平面圆盘形，加速系统为圆弧形的单隙加速系统，管壳外径为25mm，所述阳极筒和阴极之间的距离为2mm；所述阳极筒与输出阴极之间的距离为2mm；所述输出阴极的孔径为φ4～φ5mm，所述输出阴极和加速电极之间的距离为12～14mm。可应用在38mm脉冲中子测井仪中，满足了小型化的需求，使得仪器的可靠性和使用寿命得到了保障。

Description

微型测井中子管

技术领域

本实用新型属于测井中子管，尤其是涉及一种外径为25mm的微型测井中子管。

背景技术

在油田测井中，由中子管组成的可控中子源作为核测井仪的重要部件，广泛应用于脉冲中子能谱、中子寿命及氧活化水流等测井仪中，为油田动态监测发挥了重要的作用。目前这些测井仪的外径一般大于42mm，所使用的中子管外径一般为27或30mm。随着油田三次采油进程，测井技术的发展及可控中子源的小型化，国内外测井界相继推出了外径为38mm多种核测井方法的脉冲中子测井仪，部分国外脉冲中子测井仪被我国引进。

伴随着测井仪的小型化趋势，对中子管的结构尺寸也有了相应的要求。目前的中子管大多为27mm、30mm等，难以与最新设计的小型测井仪结构充分适配，勉强使用27或30mm，则必然会给仪器的耐高压结构设计增加难度，仪器的可靠性和使用寿命都得不到保障，为了解决这项瓶颈技术，我们开展研发了更为小型化的测井中子管。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种微型测井中子管，解决现有国内38mm脉冲中子测井仪耐高压结构复杂，可靠性差和使用寿命短的问题。

本实用新型的技术解决方案是：

一种微型测井中子管，包括管壳、离子源、加速系统、靶部件、第一电极、第二电极和氘储存器，上述离子源包括封接离子源外部的离子源封接环和离子源罩，离子源内部同轴设置主磁钢、阴极、阳极筒、阳极瓷环、输出阴极、磁环和定位环；其特别之处在于：

上述阴极的形状为外凸形，输出阴极为平面圆盘形，阴极和输出阴极接地；上述阳极筒和第一电极连接并且用上瓷管和下瓷管隔离绝缘，该阳极筒位于阴极和输出阴极之间；上述阳极瓷环用来固定阳极筒和阴极之间的距离；上述阳极瓷环为单个阳极瓷环；上述定位环用来固定阳极筒与输出阴极之间的距离；上述加速系统为单隙加速系统，由离子源的输出阴极和加速电极组成；上述加速电极同轴设置于离子源的输出阴极孔径的出口处；该加速电极的形状为圆弧形；

上述靶部件由氚钛靶、靶磁钢、磁钢托和密封环组成；上述氚钛靶的结构为圆锥凹面形，靶磁钢设置于氚钛靶的底部，磁钢托设置于靶磁钢的底部；

上述氘储存器由吸气剂组成，用来储存氘气，该氘储存器和第二电极连接；

上述管壳包括依次钎焊的上密封环、芯柱、上封接环、陶瓷管壳、下密封环和下封接环，将所述离子源、加速系统、靶部件和氘存储器密封在该管壳内。

上述管壳外径为25mm，上述阳极筒和阴极之间的距离为2mm；上述阳极筒与输出阴极之间的距离为2mm；上述输出阴极的孔径为φ4～φ5mm，上述输出阴极和加速电极之间的距离为12～14mm。

为了进一步简化封接工艺，阴极和阳极筒材料为钼。

上述阳极瓷环为陶瓷材料。

上述主磁钢和磁环采用钐钴材料。

上述阳极筒和阳极瓷环通过钎焊的方式连接。

为了防止磁场外泄而减弱离子源内部的磁场强度，上述离子源封接环和离子源罩的材料均选用软磁材料。

为了使得加速电极的挥发性杂质和含气量低，上述加速电极的材料为可伐合金。

上述氚钛靶的材料为无氧铜，靶膜厚度为1.0～1.5mg/cm²，氚钛比为1.6～1.8。

上述氘储存器的材料选用吸气速率高的锆-石墨材料。

上述上密封环、上封接环、下密封环和下封接环的材料为可伐合金材料，芯柱的材料为无氧铜材料，陶瓷管壳的材料为氧化铝陶瓷。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型以外径为25mm的中子管为例，结构总长可以控制在165mm，可应用在38mm脉冲中子测井仪中，满足了小型化的需求，使得仪器的可靠性和使用寿命得到了保障。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图中附图标记为：1-排气管；2-上密封环；3-第一电极；4-第二电极；5-芯柱；6-上封接环；7-氘储存器；8-离子源封接环；9-上瓷管；10-主磁钢；11-下瓷管；12-阴极；13-阳极瓷环；14-阳极筒；15-定位环；16-输出阴极；17-离子源罩；18-磁环；19-陶瓷管壳；20-加速电极；21-氚钛靶；22-靶磁钢；23-下密封环；24-磁钢托。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型做进一步的描述。

如图1所示，为本实用新型的结构示意图，其外径为25mm，结构总长度为165mm，由24件不同形状、不同尺寸和不同材料的零件组成。

1)离子源：由主磁钢10、阴极12、阳极筒14、输出阴极16和磁环18组成冷阴极潘宁离子源(简称离子源)。其作用是产生氘离子。用阳极瓷环13固定阳极筒14与阴极12之间的间距，用定位环15固定阳极筒14与输出阴极16之间的间距，并且阴极12和输出阴极16都接地。用离子源封接环8和离子源罩17将离子源各部分的零件进行封接，构成整体离子源。

在离子源结构设计中将阴极12的形状设计为外凸形的，输出阴极16设计为平面圆盘形的，阴阳极间距设计为2mm。阴阳极材料都选用钼材料，因为钼能钎焊，可以进一步简化封接工艺。阴阳极间绝缘由陶瓷材料构成，为了简化其结构，设计为单个阳极瓷环13，并用钎焊方法将阳极筒14焊接在阳极瓷环13上。主磁钢10和磁环18的选用是根据中子管的结构和工作温度来选择，铝镍钴磁钢磁能级较低，稀土磁钢工作温度和居里温度低，而钐钴磁钢工作温度为300～350℃，居里温度为800℃，能满足我们设计要求，故选用钐钴永久磁钢。封接离子源用的离子源封接环8和离子源罩17的材料均选用软磁材料，防止磁场外泄而减弱离子源内部的磁场强度。

2)加速系统：由离子源的输出阴极16和加速电极20组成一个单隙加速系统。其作用是在加速电极所形成的电场作用下，将离子源产生的氘离子引出、成形和加速后轰击靶。

输出阴极16孔径的大小是由实验方法确定的，在实验中用由不同孔径的输出阴极16组成了不同的实验中子管，进行了反复实验比较，得出输出阴极16的孔径选择φ4～φ5mm较为合适，既能正常引出离子束，又能保证耐压性能。加速间距由理论计算和实验验证确定，其值选择12～14mm之间能够满足实际使用的要求。

加速电极形状和材料的确定。一般来说，加速电极形状使电场越不均匀，则击穿电压越低。为了能保持较高的击穿电压，对离子源罩17和加速电极20设计成圆弧形，特别注意边缘形状尽量圆滑，避免尖端放电而造成高压击穿。加速电极材料选用可伐合金，它既能满足耐压性能要求，又能适应900℃高温封接和350℃高温排气工艺的要求，使得加速电极的挥发性杂质和含气量都很低。

3)靶部件：由氚钛靶21和下密封环23组成靶部件。其作用是加速后的氘离子束轰击氚钛靶表面，与靶内氚发生氘-氚核反应而产生中子。靶磁钢22和磁钢托24组成靶极二次电子抑制系统，将靶产生的二次电子抑制在加速电极20筒内。

氚钛靶21采用圆锥凹面型结构，则其表面积比平面靶扩大近一倍左右，承受离子束的轰击面积也将扩大一倍，有利于提高中子产额。氚钛靶21材料选用无氧铜，它散热效果好，可以防止靶过热而放气。靶膜厚度是根据氘粒子在靶膜中的射程确定的，设计中取1.0～1.5mg/cm²，氚钛比为1.6～1.8。

4)氘储存器：由吸气剂组成氘储存器7。其作用是储存氘气，同时，也用它来调节中子管内部的工作气压。

氘储存器7选用吸气量大，吸气速率高的锆-石墨材料构成的吸气剂作为中子管的氘储存器。

5)管壳封装：管壳封装由上密封环2、芯柱5、上封接环6、陶瓷管壳19、下密封环24和下封接环20组成。其作用是将上述的离子源、加速系统、靶部件和氘储存器密封在一个圆柱筒内，形成一个完整的25mm测井中子管。

25mm测井中子管管壳封装采用可伐合金、无氧铜与陶瓷封装。上密封环2、上封接环6、下密封环23和下封接环20选用可伐合金材料，芯柱5选用无氧铜材料，陶瓷管壳19选用氧化铝陶瓷，这种封接方式机械强度高，电气性能好，适合高温900℃左右钎焊，管内除气彻底，中子管高温工作时不易出现放电击穿现象。

测井中子管工作时，通过第一电极3给离子源的阳极筒14加上2KV左右的直流或脉冲电压，同时，通过第二电极4以适当的电流加热氘储存器7，使氘储存器放出氘气，在离子源阳极电压的作用下，使氘气对阴极12和输出阴极16表面放电，从阴极12和输出阴极16发射出二次电子，这些电子使氘气电离，由主磁钢10和磁环18产生的磁场使这些电子以螺旋线轨迹运动，因而延长了这些电子的飞行路程，增加了电子与氘分子碰撞几率，使得氘气电离更充分，氘离子密度倍增。氘气在电离过程中产生了电子和氘离子，阳极电压又使这些电子飞向阳极，从而使氘离子聚集在磁场中心轴线附近，形成等离子体。此时在加速系统的氚钛靶21上加以-100～-120KV直流高压，在此加速系统所形成的电场作用下，氘离子从离子源引出孔(输出阴极孔)被引出，并经加速电极20加速后轰击氚钛靶21的靶面，与靶中的氚发生如下核反应：

发射出平均能量为14MeV的快中子。

本实用新型的制作工艺为：

1)封接工艺。对于微型氚钛靶中子管来说，其封接工艺包括零件表面处理、管壳部件封接、芯柱部件封接、离子源封接和靶部件封接四部分。

零件表面处理：对于无氧铜零件需要进行除油处理；对于可伐合金零件在除油处理的基础上还要在其表面镀以10μm镍镀层；对于陶瓷管壳两端需要金属化，最后所有零件都要进行800℃真空除气。

管壳部件封接：按照图1所示的结构将上封接环6、陶瓷管壳19和下封接环20采用钎焊方式封接成一体。

芯柱部件封接：按照图1所示的结构将排气管1、芯柱5、第一电极3、第二电极4和密封环2采用钎焊方式封接成一体。

离子源封接：离子源内部采用积木式结构组装，依次将磁环18、输出阴极16、定位环15、阳极瓷环13、阳极筒14、阴极12和主磁钢10装入离子源罩17内，再用点焊方式将离子源封接环8封接为整体离子源。

靶部件封接：按照图1所示的结构将氚钛靶21和密封环24采用钎焊方式封接成一体，然后装入靶磁钢22和磁钢托24。

整体封接：将离子源从管壳部件的上端装入，再装入芯柱部件，然后用氩弧焊将上端口封接，同时，将靶部件从管壳部件的下端装入，再用氩弧焊将下端口封接，至此完成了25mm测井中子管的整体封接。

2)排气工艺。将封接完成的测井中子管接入真空排气台，并将其置于高温中烘烤，除去其内表面的杂气。

将排气台温度加至200℃，逐步加氘储存器电流至0.8～0.9A，对氘储存器进行除气；

将温度加至350℃，并恒温16小时，排除微型中子管内外表面深层的杂气；

将氘储存器内供以一定的氘气。

3)老炼工艺。老炼工艺包括两方面：一方面耐压锻炼，要逐步提高老炼电压，消除毛刺等脏物，耐压值要求达到120KV，老炼时间一般为4～10小时，另一方面测试微型中子管的中子产额指标、耐温指标以及各项供电参数。

Claims (10)

1.一种微型测井中子管，包括管壳、离子源、加速系统、靶部件、第一电极、第二电极和氘储存器，所述离子源包括封接离子源外部的离子源封接环和离子源罩，离子源内部同轴设置主磁钢、阴极、阳极筒、阳极瓷环、输出阴极、磁环和定位环，所述阳极筒和第一电极连接且位于阴极和输出阴极之间，其特征在于：

所述阴极的形状为外凸形，输出阴极为平面圆盘形，阴极和输出阴极接地；所述阳极瓷环用来固定阳极筒和阴极之间的距离；所述阳极瓷环为单个阳极瓷环；所述定位环用来固定阳极筒与输出阴极之间的距离；

所述加速系统为单隙加速系统，由离子源的输出阴极和加速电极组成；所述加速电极同轴设置于离子源的输出阴极孔径的出口处；该加速电极的形状为圆弧形；

所述靶部件由氚钛靶、靶磁钢、磁钢托和密封环组成；所述氚钛靶的结构为圆锥凹面形，靶磁钢设置于氚钛靶的底部，磁钢托设置于靶磁钢的底部；

所述氘储存器由吸气剂组成，用来储存氘气，该氘储存器和第二电极连接；

所述管壳包括依次钎焊的上密封环、芯柱、上封接环、陶瓷管壳、下密封环和下封接环，将所述离子源、加速系统、靶部件和氘存储器密封在该管壳内。

2.根据权利要求1所述的微型测井中子管，其特征在于：所述管壳外径为25mm，所述阳极筒和阴极之间的距离为2mm；所述阳极筒与输出阴极之间的距离为2mm；所述输出阴极的孔径为φ4～φ5mm，所述输出阴极和加速电极之间的距离为12～14mm。

3.根据权利要求1所述的微型测井中子管，其特征在于：阴极、输出阴极和阳极筒的材料为钼。

4.根据权利要求1所述的微型测井中子管，其特征在于：所述阳极瓷环为陶瓷材料。

5.根据权利要求1所述的微型测井中子管，其特征在于：所述主磁钢和磁环采用钐钴材料。

6.根据权利要求1所述的微型测井中子管，其特征在于：所述阳极筒通过钎焊的方式固定在阳极瓷环上。

7.根据权利要求1所述的微型测井中子管，其特征在于：所述离子源封接环和离子源罩的材料均选用软磁材料。

8.根据权利要求1所述的微型测井中子管，其特征在于：所述加速电极的材料为可伐合金。

9.根据权利要求1所述的微型测井中子管，其特征在于：所述氚钛靶的材料为无氧铜，靶膜厚度为1.0～1.5mg/cm²，氚钛比为1.6～1.8，氘储存器的材料为锆-石墨材料。

10.根据权利要求1所述的微型测井中子管，其特征在于：所述上密封环、上封接环、下密封环和下封接环的材料为可伐合金材料，芯柱的材料为无氧铜材料，陶瓷管壳的材料为氧化铝陶瓷。