一种自成靶中子管充氚台及其充氚方法

摘要

本发明涉及一种自成靶中子管充氚台及其充氚方法，该充氚台包括氘氚气计量装置、真空系统、供电电源和管路；氘氚气计量装置包括氘储存器、氚储存器、氘氚混合储存器和氘氚气计量计。本发明通过设置氘氚气计量装置，利用氘储存器、氚储存器、氘氚混合储存器和氘氚气计量计相互之间的管路连通实现氘气和氚气的准确定量配制，保证了氘氚混合气比例和氘氚混合气总量的可控性，进而确保自成靶中子管的中子产额高和中子输出稳定。

说明书

技术领域

本发明涉及一种自成靶中子管充氚台及其充氚方法。

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，形成自成靶，这类靶制成的中子管耐温和使用寿命都优于前者。自成靶是通过充氚工艺完成的，充氚工艺的质量直接影响到自成靶中子管靶的中子产额和工作稳定性，进而影响到制造自成靶中子管的成败。

发明内容

本发明的目的是提供一种自成靶中子管充氚台及其充氚方法，提高自成靶中子管充氚工艺的质量。

本发明的技术解决方案是：一种自成靶中子管充氚台，其特殊之处在于：包括氘氚气计量装置、真空系统、供电电源和管路；

所述氘氚气计量装置包括氘储存器、氚储存器、氘氚混合储存器和氘氚气计量计；所述氘储存器一端与氘气瓶相连，氘储存器的另一端通过一个真空阀与所述管路相连；所述氚储存器一端与氚气瓶相连，氚储存器的另一端通过一个真空阀与所述管路相连；所述氘氚混合储存器通过一个真空阀与所述管路相连；所述氘氚气计量计通过一个真空阀与所述管路相连；

所述真空系统与管路连通，用于管路的抽真空和真空度测量；

所述供电电源用于为氘氚气计量装置供电。

上述真空系统包括机械泵、分子泵和离子泵；所述机械泵与分子泵相连，然后再通过真空阀E与管路相连；所述离子泵通过真空阀与管路相连。

上述自成靶中子管充氚台还包括加热装置；所述加热装置包括温控加热器和密封钟罩；所述温控加热器和待充气的中子管均位于密封钟罩内。

上述氘储存器通过真空阀A与管路相连，所述氚储存器通过真空阀B与管路相连，所述氘氚混合储存器通过真空阀C与管路相连。

上述氘储存器的储存容量大于5kPa；所述氚储存器的储存容量大于5kPa；所述氘氚混合储存器的储存容量大于10kPa；所述氘氚气计量计的计量范围为0-100kPa。

上述温控加热器的温度控制范围为0-600℃。

本发明还提供一种基于上述自成靶中子管充氚台的充氚方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】抽真空；

1.1】将自成靶中子管接入管路；

1.2】打开真空阀E，启动机械泵和分子泵；

1.3】当管路真空度达到4×10^-4Pa以上时，打开真空阀F，启动离子泵；

2】除气；

2.1】当管路真空度达到1×10^-5Pa以上时，分别打开氘气储存器的电源开关K1、氚气储存器的电源开关K2、氘氚混合气储存器的电源开关K3和中子管储存器的电源开关K4，依次进行除气；

2.2】当管路真空度不再发生变化时，关闭真空阀B、真空阀C和真空阀D；

2.3】关闭电源开关K2、电源开关K3和电源开关K4；

3】供氘氚气；

3.1】关闭真空阀E和真空阀F，打开氘气瓶阀门，向氘气储存器输送氘气；

3.2】氘气输送完成后关闭电源开关K1、真空阀A和氘气瓶阀门；

3.3】打开氚气瓶阀门、电源开关K2和真空阀B，向氚气储存器输送氚气；

3.4】氚气输送完成后关闭电源开关K2、真空阀B和氘气瓶阀门；

4】氘气计量；

4.1】打开真空阀A和电源开关K1，观察氘氚气计量计读数，当读数达到所需氘气量时关闭真空阀A；

4.2】打开真空阀C和电源开关K3，将氘气吸入氘氚混合气储存器后关闭真空阀C和电源开关K3；

5】氚气计量；

5.1】打开真空阀B和电源开关K2，观察氘氚气计量计读数，当读数达到所需氚气量时关闭真空阀B；

5.2】打开真空阀C和电源开关K3，将氚气吸入氘氚混合气储存器后关闭真空阀C和电源开关K3；

6】中子管充气；

6.1】打开真空阀C和电源开关K3，放出氘氚混合气；

6.2】打开真空阀D和电源开关K4，将氘氚混合气吸入中子管储存器中。

上述基于自成靶中子管充氚台的充氚方法，还包括步骤0】确定氘氚混合气的比例和总量；

0.1】获取氘气的纯度为d₁，氘气量为d₂，氚气的纯度为t₁，氚气量为t₂，氘气量与氚气量之比为b，其中d₁＞t₁，则有

$d_1-t_1={\Delta }_{d_1-t_1}$

在给定氘气量d₂条件下，取氚气量t₂为

$t_2=d_2+d_2·{\Delta }_{d_1-t_1}$

则氘氚混合气的比例为：

$b=\frac{d_2}{t_2}\times 100\%$

0.2】按照步骤0.1】中确定的氘氚混合气的比例配制氘氚混合气后储存在氘氚混合气储存器中；

0.3】将自成靶中子管接入管路，打开真空阀C和真空阀D，中子管吸入一定量的氘氚混合气后关闭真空阀D和真空阀C。

0.4】打开中子管阳极的电源开关K5为中子管阳极供电，再打开电源开关K4为中子管储存器供电，观察中子管阳极的电流变化；若电流不变或者变化缓慢，则氘氚混合气总量合适；若电流持续下降，则氘氚混合气总量过低；若电流持续上升，则氘氚混合气总量过高；根据电流变化情况调整并确定氘氚混合气总量。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过设置氘氚气计量装置，利用氘储存器、氚储存器、氘氚混合储存器和氘氚气计量计相互之间的管路连通实现氘气和氚气的准确定量配制，保证了氘氚混合气比例和氘氚混合气总量的可控性，进而确保自成靶中子管的中子产额高和中子输出稳定。

(2)本发明的真空系统装置由机械泵、分子泵、离子泵和真空计组成，抽真空能力逐级递增，便于监控和调整管路和各个储存器内部的真空度。中子管管外真空度可以达到10^-4Pa量级，管内可以达到10^-6Pa量级。

(3)本发明的充氚台还设置有加热装置，用于完成中子管的二次排气(或除气)，主要除去靶内氘气和管内壁杂气，便于控制充气比例和充气量的精度。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的充氚台结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明较佳实施例的充氚台由氘氚气计量装置、供电电源、真空系统、管路和加热装置组成。

氘氚气计量装置：完成氘气或氚气量的计量。它由氘储存器1、氚储存器2、氘氚混合储存器3和氘氚气计量计4组成。氘储存器1用来储存氘气，其储存容量大于5KPa；氚储存器2用来储存氚气，其储存容量大于5KPa；氘氚混合储存器3用来储存氘氚混合气，其储存容量大于10KPa；氘氚气计量计4用来分别计量氘气量、氚气量和氘氚混合气总量，其计量范围为0～100KPa。另外，为了配制氘氚比例和氘氚总量的便捷和准确，分别在氘气、氚气、氘氚混合气三个储存器和待充氚中子管5与管路6之间各安设一个真空阀，它们分别是真空阀A、B、C和D。

供电电源：为氘氚气计量装置和待充氚中子管的储存器提供直流电源(也可以替换使用交流电)。它由四路直流电源组成，其中三路为32V/5A，分别给氘或氚、氘氚混合和待充氚中子管的储存器供电，另外一路为3KV/2mA，为待充氚中子管的阳极供电。

真空系统：用于管路的真空获得和测量。它由机械泵7、分子泵8、离子泵9和真空计10组成，中子管管外真空度可以达到10^-4Pa量级，管内可以达到10^-6Pa量级。

管路：用于连接氘氚气计量装置和真空系统各部件以及待充氚中子管。

钟罩式加热装置：完成中子管的二次排气(或除气)，主要除去靶内氘气和管内壁杂气。它主要由0～600℃温控加热器11和密封钟罩12组成。

本发明的自成靶中子管充氚工艺主要包括氘氚气比例的选择、氘氚混合气总量的确定和充氚工艺过程三方面。分别阐述如下：

1)氘氚气比例的选择

对于自成靶来说，在氘气、氚气纯度完全一样的理想条件下，取氘气量与氚气量的比例为1:1时，氘氚核反应的几率达到最大，产生的中子产额最高。但是实际中氘气、氚气的纯度很难一致，一般情况下，氘气纯度要高于氚气的纯度，也就是说实际制管时要使中子管产生的中子产额高，应该取氚气量大于氘气量。

在实际制管时，可以通过氘气和氚气纯度的差异估算氚气量。设氘气的纯度为d₁，氘气量为d₂，氚气的纯度为t₁，氚气量为t₂，氘气量与氚气量之比(即氘氚混合气的比例)为b，一般情况下有d₁＞t₁，即有

$d_1-t_1={\Delta }_{d_1-t_1}$

在给定氘气量d₂条件下，要使氚气量t₂的原子或分子数目与氘气量d₂的原子或分子数目相等，应取氚气量t₂为

$t_2=d_2+d_2·{\Delta }_{d_1-t_1}$

上式表示氚气量t₂取值比氘气量d₂多d₂·Δ_d1-t1

则氘氚混合气的比例为：

$b=\frac{d_2}{t_2}\times 100\%$

在实际操作中，除依据上述计算结果外，还需考虑中子管管内残留氘气的除气程度等因素影响，要进行适当调整，以达到最佳氘氚混合气的比例。

2)氘氚混合气总量的确定。在自成靶中子管中，氘氚混合气储存器吸气量的多少，直接影响到中子管性能指标的好坏，吸气量少，储存器加热电流增大，功耗增大，难以保证中子管长期稳定工作，但又不能过多，过多不但浪费氘氚气体，而且影响氘氚储存器的气压调节性能，同样难以保证中子管稳定工作。所以在制管前确定中子管所需的氘氚混合气总量是首要解决的问题。其方法如下：

(1)按照已经确定的氘氚比例配制一定量的氘氚混合气，储存在氘氚混合气储存器3内，关闭真空阀D，待用；

(2)将待充氚中子管5接入充氚台，再打开真空阀C和D，让该中子管5吸入一定量的氘氚混合气，然后再关闭真空阀D和C；

(3)打开开关K5给中子管阳极供以2KV左右电压，再打开开关K4给中子管储存器供电，调节电压使阳极电流为150μA左右，此时观察阳极电流的变化情况，若此时阳极电流不变或变化很缓慢，表明氘氚混合气正合适；若阳极电流持续下降，表明该中子管吸入氘氚混合气量不够；若阳极电流持续上升，表明该中子管吸入氘氚混合气量太多。氘氚混合气量的多少，都要按照上述方法通过反复调整，最终确定中子管所需的氘氚混合气总量。

3)充氚工艺过程

(1)抽真空。将氘气瓶、储氚容器和待充氘氚混合气的中子管5分别接入充氚台的管路6上，打开真空阀A、B、C和D，启动机械泵7，打开分子泵8的真空阀E，当管路6的真空度达到4×10^-4Pa以上时，再打开离子泵9的真空阀F，使管路6和中子管5的管内真空度进一步获得提高；

(2)除气。当真空度达到10^-5Pa量级以上时，分别打开氘气储存器1、氚气储存器2、氘氚混合气储存器3和中子管储存器的电源开关K1、K2、K3和K4，依次对它们除气。氘气储存器1、氚气储存器2和氘氚混合气储存器3的除气电流最大不能超过4A，中子管储存器最大不能超过1A。除气时间视管路真空度而定，如果再增加除气电流真空度不变，表明储存器内无任何杂气，关闭储存器真空阀B、C和D，再关闭储存器的电源开关K2、K3和K4；

(3)供氘氚气。关闭真空阀E和F，打开氘气瓶阀向氘气储存器1供氘气，当氘气储存器1吸满氘气后，关闭电源开关K1、真空阀A和氘气瓶阀，完成供氘气；打开储氚容器阀、真空阀B和电源开关K2向氚气储存器2供氚气，当氚气储存器2吸满氚气后，关闭电源开关K2、真空阀B和储氚容器阀，完成供氚气。

(4)氘气计量。打开真空阀A和开关K1，从氘气储存器1内放出氘气，此时观察氘氚气计量计4显示的数值，当达到所需的氘气量时，迅速关闭真空阀A，再打开真空阀C和开关K3，此时氘气被吸入氘氚混合气储存器3内，关闭真空阀C和开关K3；

(5)氚气计量。打开真空阀B和开关K2，从氚气储存器2内放出氚气，观察氘氚气计量计4显示的数值，当达到所需的氚气量时，迅速关闭真空阀B，再打开真空阀C和开关K3，将氘氚混合气储存器3内的氘气放出，与此时计量的氚气在管路6内互相混合后再吸回氘氚混合气储存器3内待用，然后关闭真空阀C和开关K3，完成了氘氚混合气的配制；

(6)中子管吸氘氚混合气。打开真空阀C和开关K3，放出氘氚混合气，再打开真空阀D和开关K4，中子管5内储存器将氘氚混合气吸入，此时完成了中子管充氚工艺的全过程。