本實用新型涉及一種用于中子管制造的自成靶。

背景技術(shù)：

隨著油田開采進(jìn)程和測井技術(shù)的發(fā)展，對中子管技術(shù)也提出了更高的要求，不但要求中子產(chǎn)額達(dá)到2×10⁸n/s以上，還要求耐溫達(dá)到175℃，使用壽命達(dá)到500h以上。目前，用于中子管制造的靶類型主要有預(yù)制氚靶和自成靶兩類。用預(yù)制氚靶制管時，靶內(nèi)事先已經(jīng)吸滿氚,中子管工作時，氘轟擊氚而產(chǎn)生中子。用這類靶制成的中子管單位靶流中子產(chǎn)額較高，但是耐溫只能達(dá)到150℃，使用壽命一般也不會超過100小時。而用自成靶制管時，靶內(nèi)事先不吸氚，在儲存器內(nèi)吸入一定數(shù)量的氘氚混合氣，中子管工作時，將氘氚離子逐漸注入靶內(nèi)，經(jīng)過一段時間后，靶內(nèi)氘氚含量達(dá)到飽和，形成了自成靶。用這類靶制成的中子管耐溫和使用壽命都優(yōu)于前者，但是單位靶流中子產(chǎn)額較前者低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有的中子管無法兼顧中子產(chǎn)額、耐溫性能和使用壽命的技術(shù)問題，本實用新型提供一種用于中子管制造的自成靶。

本實用新型的技術(shù)解決方案是：

一種用于中子管制造的自成靶，包括自成靶，其特殊之處在于：所述自成靶包括靶基和靶膜，所述靶基的一端為靶面，所述靶膜為鍍制于靶面上的金屬薄膜，所述靶基的另一端為中空的腔體，腔體內(nèi)安裝有磁鋼和用于固定磁鋼的磁鋼托。所述靶面是經(jīng)過機(jī)械粗化處理的平面結(jié)構(gòu)或者是經(jīng)過機(jī)械粗化處理的向內(nèi)凹陷的錐面結(jié)構(gòu)。

上述靶膜的厚度為1.0～1.5mg/cm²。

上述靶膜的材料為鈦、鋯、鈧、鉺、釔或者鑭。

上述靶基的材料為無氧銅、鉬、鎢、銀、金、鉑、鉭、鎳基不銹鋼或者鋁。

上述磁鋼為耐溫大于200℃的磁性材料。

上述磁鋼托為無氧銅材料。

本實用新型的有益效果在于：

(1)本實用新型通過在自成靶靶底部設(shè)置磁鋼，產(chǎn)生的磁場可以改變二次電子的運動方向，減小了二次電子電流，提高了單位有效束流，即提高了中子產(chǎn)額。

(2)本實用新型在靶膜鍍制前對靶面進(jìn)行機(jī)械粗化處理，既增大了靶面的表面積，又減小了靶內(nèi)二次電子的發(fā)射。同時，還能增加靶膜的附著力，這種靶膜不會因為濺射使其脫落而影響使用壽命。

(3)采用本實用新型自成靶構(gòu)成的中子管在整個封接過程中，不接觸氚氣，因而不存在氚氣泄漏的問題，操作者可以免受放射性傷害，環(huán)境也免受污染。

附圖說明

圖1為平面自成靶結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為凹面自成靶結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為二次電子抑制原理示意圖；

附圖標(biāo)記如下：1-靶膜，2-靶基，3-磁鋼，4-磁鋼托，5-加速電極。

具體實施方式

參見圖1，本實用新型較佳實施例的自成靶結(jié)構(gòu)包括靶膜1、靶基2、磁鋼3和磁鋼托4。靶膜1是在“靶面”表面上鍍制的一層金屬薄膜，成為氘氚核反應(yīng)發(fā)射中子的界面，靶基2起到承載靶膜和靶散熱的功能，磁鋼3主要用于抑制靶面產(chǎn)生的二次電子，磁鋼托4主要起固定磁鋼和靶散熱的作用。本實施例中的靶面為平面結(jié)構(gòu)，表面積為4.15cm²。

參見圖2，本實用新型的靶面還可以設(shè)計為向內(nèi)凹陷的錐面結(jié)構(gòu)，其表面積為8.05cm²，即在相同外徑的條件下，凹面靶的靶表面積比平面靶擴(kuò)大近一倍，也就是說凹面靶承受離子束的轟擊面積也較平面靶擴(kuò)大一倍，這樣有利于彌補(bǔ)用于中子管制造的自成靶單位靶流中子產(chǎn)額低的不足。

在材料選擇方面，靶基2的材料應(yīng)選擇熔點高、在氫氣氛圍中強(qiáng)度好和吸收氫同位素少的金屬，常用材料有鉬、鎢和銅等，此外，還有銀、金、鉑、鉭、鎳基不銹鋼和鋁等。由于無氧銅材料的氧含量極少，而且其散熱效果好于其它材料，可以有效防止靶過熱而釋氣，所以選用無氧銅作為用于中子管制造的自成靶的靶基材料更為適宜；靶膜1的常用材料有鈦和鋯，此外，還有鈧、鉺、 釔、鑭等元素也可作為靶膜材料。由于鈦是迄今為止發(fā)現(xiàn)吸氫密度最高的單質(zhì)金屬材料，且價格便宜，制備容易，因此選用鈦作為自成靶的靶膜材料更佳；磁鋼3要求選用表磁強(qiáng)，耐溫大于200℃的磁性材料；磁鋼托4選用無氧銅材料，便于自成靶散熱。

中子產(chǎn)額不但與靶中氚濃度緊密相關(guān)，而且與氘離子射程也直接相關(guān)，除了選用高純膜材料鍍制靶膜外，靶膜厚度也是至關(guān)重要的參數(shù)。當(dāng)膜厚小于氘離子射程時，有一部分氘離子將穿透膜層，損失掉與氚發(fā)生反應(yīng)的機(jī)會，自然影響了中子產(chǎn)額；當(dāng)膜厚超過氘離子射程的2倍以上時，靶內(nèi)深層的氚不能與氘發(fā)生核反應(yīng)，既對中子產(chǎn)額沒有貢獻(xiàn)，同時還浪費了氚氣。因此，靶膜厚度既不能太薄，又不能太厚，要選擇合適的厚度。由于發(fā)生氘氚核反應(yīng)時氘核的能量為100～150KeV，而這個能量的氘核的氘離子射程為0.5mg/cm²左右，基于氘離子的射程，同時考慮到氚氣在靶膜中分布不均勻性及留有一定余量的靶膜深度，靶膜厚度選用在1.0～1.5mg/cm²之間較為合適。

中子管工作時，引出的束流包括離子電流和二次電子電流兩部分，由于二次電子電流的存在，減小了單位有效束流，降低了中子產(chǎn)額。為了解決這個問題，采取了兩點措施，一是在靶膜鍍制前對靶面進(jìn)行機(jī)械粗化處理，既增大了靶面的表面積，又減小了靶內(nèi)二次電子的發(fā)射，同時，還能增加鈦膜的附著力，這種靶膜不會因為濺射使其脫落而影響使用壽命，其平均使用壽命已經(jīng)超過500小時；二是在自成靶靶底部放置一塊圓柱形磁鋼3。參見圖3，磁鋼3在自成靶與加速電極孔之間形成一個磁場，當(dāng)離子束轟擊靶時，由于這個磁場的存在，使離子束順著磁力線直達(dá)靶面，而靶表面產(chǎn)生的二次電子在這個磁場作用下改變原有運動方向，打到加速電極5的內(nèi)壁上，加速電極5的內(nèi)壁上又產(chǎn)生二次電子，這些二次電子在靶和加速電極間來回運動，能量越來越低，最終被吸收而不形成電子電流，進(jìn)而提高了中子產(chǎn)額。

選用如圖2所示的外徑為40mm的自成靶制成中子管，對其進(jìn)行靶底磁鋼、耐溫性能和中子穩(wěn)定性的室內(nèi)實驗測試，測試結(jié)果如下：

(1)靶底磁鋼對中子計數(shù)影響的實驗測試。在束流保持為100μA，靶壓分別在80、100和120KV條件下，當(dāng)靶底無磁鋼3時，測得的中子計數(shù)分別為681、1302和2204n/s；當(dāng)靶底有磁鋼3時，測得的中子計數(shù)分別為1155、2269和 3891n/s，有磁鋼3與無磁鋼(3)的比值分別為1.70、1.74和1.71。從測試結(jié)果可知，在束流相同，靶壓不相同的情況下，有磁鋼3和無磁鋼3所測得的中子計數(shù)的倍數(shù)均為1.7倍左右，也就是說有磁鋼3后，使單位有效束流大幅度增加，從而也使中子計數(shù)得到了大幅度提高。

(2)耐高溫實驗測試。實驗測試是在175℃環(huán)境中進(jìn)行的，整個實驗測試歷時了8.5小時，在實驗測試過程中通過調(diào)節(jié)用于中子管制造的自成靶的儲存器的電壓或電流值，保持靶壓和束流值不變，觀察中子計數(shù)和陽極電流的變化情況，在最初的1小時內(nèi)，即溫度在80℃以下，中子計數(shù)變化很小，當(dāng)溫度升至90～175℃范圍內(nèi)時，中子計數(shù)隨著溫度上升而呈下降趨勢，當(dāng)溫度升至175℃(開始加溫4小時后)且進(jìn)入恒溫區(qū)，隨著溫度的平穩(wěn)中子計數(shù)也隨之趨于穩(wěn)定。在整個實驗測試過程中陽極電流最大變化幅度不超過20μA，而儲存器電流只下降了0.04A。由實驗測試表明，用這種自成靶構(gòu)成的中子管能夠在175℃溫度環(huán)境中正常工作，并且工作時間超過了4小時，完全能夠滿足實際使用的需求。究其原因，自成靶結(jié)構(gòu)中靶基2和磁鋼托4都采用無氧銅，材料本身傳熱快，再加之靶基2體積大，磁鋼托4又置于管外，這樣靶內(nèi)溫度可以通過靶基2和磁鋼托4很快地傳遞到管外，使靶內(nèi)溫度與管外空間溫度保持一致。另外，用這種結(jié)構(gòu)的自成靶構(gòu)成的中子管，其排氣溫度可以達(dá)到470～500℃，可以保證了管內(nèi)零部件除氣徹底。即使自成靶工作在175℃環(huán)境中，也不會從靶內(nèi)釋放出雜氣，也不會從靶內(nèi)逸出氘氚混合氣，因而保證了用于中子管制造的自成靶耐高溫性能。

(3)中子輸出穩(wěn)定性實驗測試。在實驗測試過程中保持陽極、儲存器和靶極供電參數(shù)不變條件下，用于中子管制造的自成靶工作半小時后，每隔半小時記錄一次中子計數(shù)，連續(xù)工作8小時后，在室溫環(huán)境下，中子計數(shù)最大波動值只有4.1％。在175℃恒溫環(huán)境中，中子計數(shù)只波動了5.5％，并且從室溫升至175℃又恒溫4小時后，中子計數(shù)只下降了15％，這項技術(shù)指標(biāo)明顯好于由預(yù)制氚靶構(gòu)成的中子管指標(biāo)。用于中子管制造的自成靶中子輸出穩(wěn)定性與采用自成靶類型有直接關(guān)系，制管時將氘氚混合氣逐漸注入靶內(nèi)直至使其飽和，并且之后始終保持靶飽和狀態(tài)，此時中子輸出也保持相對恒定，只要儲存器內(nèi)有足夠的氘氚混合氣，靶內(nèi)消耗的氘氚氣就能及時得到自動補(bǔ)償而保持飽和，因而自成靶 也就能有連續(xù)穩(wěn)定的中子輸出，中子管使用壽命也不再受靶的限制。

以上實驗測試結(jié)果表明，本實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內(nèi)二次電子的發(fā)射，中子計數(shù)得到大幅度提高，而且耐高溫性能好，中子產(chǎn)額輸出穩(wěn)定。