本實用新型屬于測井中子管，尤其是涉及一種外徑為25mm的微型測井中子管。
背景技術(shù)：
在油田測井中，由中子管組成的可控中子源作為核測井儀的重要部件，廣泛應(yīng)用于脈沖中子能譜、中子壽命及氧活化水流等測井儀中，為油田動態(tài)監(jiān)測發(fā)揮了重要的作用。目前這些測井儀的外徑一般大于42mm，所使用的中子管外徑一般為27或30mm。隨著油田三次采油進(jìn)程，測井技術(shù)的發(fā)展及可控中子源的小型化，國內(nèi)外測井界相繼推出了外徑為38mm多種核測井方法的脈沖中子測井儀，部分國外脈沖中子測井儀被我國引進(jìn)。
伴隨著測井儀的小型化趨勢，對中子管的結(jié)構(gòu)尺寸也有了相應(yīng)的要求。目前的中子管大多為27mm、30mm等，難以與最新設(shè)計的小型測井儀結(jié)構(gòu)充分適配，勉強使用27或30mm，則必然會給儀器的耐高壓結(jié)構(gòu)設(shè)計增加難度，儀器的可靠性和使用壽命都得不到保障，為了解決這項瓶頸技術(shù)，我們開展研發(fā)了更為小型化的測井中子管。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本實用新型的目的是提供一種微型測井中子管，解決現(xiàn)有國內(nèi)38mm脈沖中子測井儀耐高壓結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差和使用壽命短的問題。
本實用新型的技術(shù)解決方案是：
一種微型測井中子管，包括管殼、離子源、加速系統(tǒng)、靶部件、第一電極、第二電極和氘儲存器，上述離子源包括封接離子源外部的離子源封接環(huán)和離子源罩，離子源內(nèi)部同軸設(shè)置主磁鋼、陰極、陽極筒、陽極瓷環(huán)、輸出陰極、磁環(huán)和定位環(huán)；其特別之處在于：
上述陰極的形狀為外凸形，輸出陰極為平面圓盤形，陰極和輸出陰極接地；上述陽極筒和第一電極連接并且用上瓷管和下瓷管隔離絕緣，該陽極筒位于陰極和輸出陰極之間；上述陽極瓷環(huán)用來固定陽極筒和陰極之間的距離；上述陽極瓷環(huán)為單個陽極瓷環(huán)；上述定位環(huán)用來固定陽極筒與輸出陰極之間的距離； 上述加速系統(tǒng)為單隙加速系統(tǒng)，由離子源的輸出陰極和加速電極組成；上述加速電極同軸設(shè)置于離子源的輸出陰極孔徑的出口處；該加速電極的形狀為圓弧形；
上述靶部件由氚鈦靶、靶磁鋼、磁鋼托和密封環(huán)組成；上述氚鈦靶的結(jié)構(gòu)為圓錐凹面形，靶磁鋼設(shè)置于氚鈦靶的底部，磁鋼托設(shè)置于靶磁鋼的底部；
上述氘儲存器由吸氣劑組成，用來儲存氘氣，該氘儲存器和第二電極連接；
上述管殼包括依次釬焊的上密封環(huán)、芯柱、上封接環(huán)、陶瓷管殼、下密封環(huán)和下封接環(huán)，將所述離子源、加速系統(tǒng)、靶部件和氘存儲器密封在該管殼內(nèi)。
上述管殼外徑為25mm，上述陽極筒和陰極之間的距離為2mm；上述陽極筒與輸出陰極之間的距離為2mm；上述輸出陰極的孔徑為φ4～φ5mm，上述輸出陰極和加速電極之間的距離為12～14mm。
為了進(jìn)一步簡化封接工藝，陰極和陽極筒材料為鉬。
上述陽極瓷環(huán)為陶瓷材料。
上述主磁鋼和磁環(huán)采用釤鈷材料。
上述陽極筒和陽極瓷環(huán)通過釬焊的方式連接。
為了防止磁場外泄而減弱離子源內(nèi)部的磁場強度，上述離子源封接環(huán)和離子源罩的材料均選用軟磁材料。
為了使得加速電極的揮發(fā)性雜質(zhì)和含氣量低，上述加速電極的材料為可伐合金。
上述氚鈦靶的材料為無氧銅，靶膜厚度為1.0～1.5mg/cm2，氚鈦比為1.6～1.8。
上述氘儲存器的材料選用吸氣速率高的鋯-石墨材料。
上述上密封環(huán)、上封接環(huán)、下密封環(huán)和下封接環(huán)的材料為可伐合金材料，芯柱的材料為無氧銅材料，陶瓷管殼的材料為氧化鋁陶瓷。
本實用新型的有益效果是：
本實用新型以外徑為25mm的中子管為例，結(jié)構(gòu)總長可以控制在165mm，可應(yīng)用在38mm脈沖中子測井儀中，滿足了小型化的需求，使得儀器的可靠性和使用壽命得到了保障。
附圖說明
圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中附圖標(biāo)記為：1-排氣管；2-上密封環(huán)；3-第一電極；4-第二電極；5-芯柱；6-上封接環(huán)；7-氘儲存器；8-離子源封接環(huán)；9-上瓷管；10-主磁鋼；11-下瓷管；12-陰極；13-陽極瓷環(huán)；14-陽極筒；15-定位環(huán)；16-輸出陰極；17-離子源罩；18-磁環(huán)；19-陶瓷管殼；20-加速電極；21-氚鈦靶；22-靶磁鋼；23-下密封環(huán)；24-磁鋼托。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型做進(jìn)一步的描述。
如圖1所示，為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，其外徑為25mm，結(jié)構(gòu)總長度為165mm，由24件不同形狀、不同尺寸和不同材料的零件組成。
1)離子源：由主磁鋼10、陰極12、陽極筒14、輸出陰極16和磁環(huán)18組成冷陰極潘寧離子源(簡稱離子源)。其作用是產(chǎn)生氘離子。用陽極瓷環(huán)13固定陽極筒14與陰極12之間的間距，用定位環(huán)15固定陽極筒14與輸出陰極16之間的間距，并且陰極12和輸出陰極16都接地。用離子源封接環(huán)8和離子源罩17將離子源各部分的零件進(jìn)行封接，構(gòu)成整體離子源。
在離子源結(jié)構(gòu)設(shè)計中將陰極12的形狀設(shè)計為外凸形的，輸出陰極16設(shè)計為平面圓盤形的，陰陽極間距設(shè)計為2mm。陰陽極材料都選用鉬材料，因為鉬能釬焊，可以進(jìn)一步簡化封接工藝。陰陽極間絕緣由陶瓷材料構(gòu)成，為了簡化其結(jié)構(gòu)，設(shè)計為單個陽極瓷環(huán)13，并用釬焊方法將陽極筒14焊接在陽極瓷環(huán)13上。主磁鋼10和磁環(huán)18的選用是根據(jù)中子管的結(jié)構(gòu)和工作溫度來選擇，鋁鎳鈷磁鋼磁能級較低，稀土磁鋼工作溫度和居里溫度低，而釤鈷磁鋼工作溫度為300～350℃，居里溫度為800℃，能滿足我們設(shè)計要求，故選用釤鈷永久磁鋼。封接離子源用的離子源封接環(huán)8和離子源罩17的材料均選用軟磁材料，防止磁場外泄而減弱離子源內(nèi)部的磁場強度。
2)加速系統(tǒng)：由離子源的輸出陰極16和加速電極20組成一個單隙加速系統(tǒng)。其作用是在加速電極所形成的電場作用下，將離子源產(chǎn)生的氘離子引出、成形和加速后轟擊靶。
輸出陰極16孔徑的大小是由實驗方法確定的，在實驗中用由不同孔徑的輸出陰極16組成了不同的實驗中子管，進(jìn)行了反復(fù)實驗比較，得出輸出陰極16 的孔徑選擇φ4～φ5mm較為合適，既能正常引出離子束，又能保證耐壓性能。加速間距由理論計算和實驗驗證確定，其值選擇12～14mm之間能夠滿足實際使用的要求。
加速電極形狀和材料的確定。一般來說，加速電極形狀使電場越不均勻，則擊穿電壓越低。為了能保持較高的擊穿電壓，對離子源罩17和加速電極20設(shè)計成圓弧形，特別注意邊緣形狀盡量圓滑，避免尖端放電而造成高壓擊穿。加速電極材料選用可伐合金，它既能滿足耐壓性能要求，又能適應(yīng)900℃高溫封接和350℃高溫排氣工藝的要求，使得加速電極的揮發(fā)性雜質(zhì)和含氣量都很低。
3)靶部件：由氚鈦靶21和下密封環(huán)23組成靶部件。其作用是加速后的氘離子束轟擊氚鈦靶表面，與靶內(nèi)氚發(fā)生氘-氚核反應(yīng)而產(chǎn)生中子。靶磁鋼22和磁鋼托24組成靶極二次電子抑制系統(tǒng)，將靶產(chǎn)生的二次電子抑制在加速電極20筒內(nèi)。
氚鈦靶21采用圓錐凹面型結(jié)構(gòu)，則其表面積比平面靶擴大近一倍左右，承受離子束的轟擊面積也將擴大一倍，有利于提高中子產(chǎn)額。氚鈦靶21材料選用無氧銅，它散熱效果好，可以防止靶過熱而放氣。靶膜厚度是根據(jù)氘粒子在靶膜中的射程確定的，設(shè)計中取1.0～1.5mg/cm2，氚鈦比為1.6～1.8。
4)氘儲存器：由吸氣劑組成氘儲存器7。其作用是儲存氘氣，同時，也用它來調(diào)節(jié)中子管內(nèi)部的工作氣壓。
氘儲存器7選用吸氣量大，吸氣速率高的鋯-石墨材料構(gòu)成的吸氣劑作為中子管的氘儲存器。
5)管殼封裝：管殼封裝由上密封環(huán)2、芯柱5、上封接環(huán)6、陶瓷管殼19、下密封環(huán)24和下封接環(huán)20組成。其作用是將上述的離子源、加速系統(tǒng)、靶部件和氘儲存器密封在一個圓柱筒內(nèi)，形成一個完整的25mm測井中子管。
25mm測井中子管管殼封裝采用可伐合金、無氧銅與陶瓷封裝。上密封環(huán)2、上封接環(huán)6、下密封環(huán)23和下封接環(huán)20選用可伐合金材料，芯柱5選用無氧銅材料，陶瓷管殼19選用氧化鋁陶瓷，這種封接方式機械強度高，電氣性能好，適合高溫900℃左右釬焊，管內(nèi)除氣徹底，中子管高溫工作時不易出現(xiàn)放電擊穿現(xiàn)象。
測井中子管工作時，通過第一電極3給離子源的陽極筒14加上2KV左右 的直流或脈沖電壓，同時，通過第二電極4以適當(dāng)?shù)碾娏骷訜犭畠Υ嫫?，使氘儲存器放出氘氣，在離子源陽極電壓的作用下，使氘氣對陰極12和輸出陰極16表面放電，從陰極12和輸出陰極16發(fā)射出二次電子，這些電子使氘氣電離，由主磁鋼10和磁環(huán)18產(chǎn)生的磁場使這些電子以螺旋線軌跡運動，因而延長了這些電子的飛行路程，增加了電子與氘分子碰撞幾率，使得氘氣電離更充分，氘離子密度倍增。氘氣在電離過程中產(chǎn)生了電子和氘離子，陽極電壓又使這些電子飛向陽極，從而使氘離子聚集在磁場中心軸線附近，形成等離子體。此時在加速系統(tǒng)的氚鈦靶21上加以-100～-120KV直流高壓，在此加速系統(tǒng)所形成的電場作用下，氘離子從離子源引出孔(輸出陰極孔)被引出，并經(jīng)加速電極20加速后轟擊氚鈦靶21的靶面，與靶中的氚發(fā)生如下核反應(yīng)：
發(fā)射出平均能量為14MeV的快中子。
本實用新型的制作工藝為：
1)封接工藝。對于微型氚鈦靶中子管來說，其封接工藝包括零件表面處理、管殼部件封接、芯柱部件封接、離子源封接和靶部件封接四部分。
零件表面處理：對于無氧銅零件需要進(jìn)行除油處理；對于可伐合金零件在除油處理的基礎(chǔ)上還要在其表面鍍以10μm鎳鍍層；對于陶瓷管殼兩端需要金屬化，最后所有零件都要進(jìn)行800℃真空除氣。
管殼部件封接：按照圖1所示的結(jié)構(gòu)將上封接環(huán)6、陶瓷管殼19和下封接環(huán)20采用釬焊方式封接成一體。
芯柱部件封接：按照圖1所示的結(jié)構(gòu)將排氣管1、芯柱5、第一電極3、第二電極4和密封環(huán)2采用釬焊方式封接成一體。
離子源封接：離子源內(nèi)部采用積木式結(jié)構(gòu)組裝，依次將磁環(huán)18、輸出陰極16、定位環(huán)15、陽極瓷環(huán)13、陽極筒14、陰極12和主磁鋼10裝入離子源罩17內(nèi)，再用點焊方式將離子源封接環(huán)8封接為整體離子源。
靶部件封接：按照圖1所示的結(jié)構(gòu)將氚鈦靶21和密封環(huán)24采用釬焊方式封接成一體，然后裝入靶磁鋼22和磁鋼托24。
整體封接：將離子源從管殼部件的上端裝入，再裝入芯柱部件，然后用氬 弧焊將上端口封接，同時，將靶部件從管殼部件的下端裝入，再用氬弧焊將下端口封接，至此完成了25mm測井中子管的整體封接。
2)排氣工藝。將封接完成的測井中子管接入真空排氣臺，并將其置于高溫中烘烤，除去其內(nèi)表面的雜氣。
將排氣臺溫度加至200℃，逐步加氘儲存器電流至0.8～0.9A，對氘儲存器進(jìn)行除氣；
將溫度加至350℃，并恒溫16小時，排除微型中子管內(nèi)外表面深層的雜氣；
將氘儲存器內(nèi)供以一定的氘氣。
3)老煉工藝。老煉工藝包括兩方面：一方面耐壓鍛煉，要逐步提高老煉電壓，消除毛刺等臟物，耐壓值要求達(dá)到120KV，老煉時間一般為4～10小時，另一方面測試微型中子管的中子產(chǎn)額指標(biāo)、耐溫指標(biāo)以及各項供電參數(shù)。