專利名稱：微型中子管及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測量儀器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于小直徑測井儀器中的密封中子管。
在小直徑測井儀器中，裝配直徑更小的中子發(fā)生器；制作該類中子發(fā)生器采用直徑還要小的微型中子管?，F(xiàn)在商用小直徑中子發(fā)生器已做到直徑約35mm，測井領(lǐng)域還要求進(jìn)一步減小其直徑，因此需要研制滿足該要求的微型中子管。
目前，關(guān)于微型中子管有代表性的專利是1991年2月公開的美國專利4996017號。該專利公開的中子管，由潘寧離子源、耐高壓絕緣密封外殼、氘氚混合自成靶、抑制電極和氘氚混合存儲器構(gòu)成。該潘寧離子源和耐高壓絕緣密封外殼直徑一樣大；耐高壓絕緣密封外殼較短，能夠承受的高壓僅約11萬伏；抑制電極固定在耐高壓絕緣密封外殼的封接金屬管內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致靶面的直徑僅有11毫米左右。上述因素使該類中子管的中子產(chǎn)額受到較大限制。靶處高壓電位，導(dǎo)致源距較長，限制了該類中子管的應(yīng)用范圍。中子管使用失效后，用戶難以自行修復(fù)。用該類中子管可以裝配出直徑約35毫米的中子發(fā)生器，難以再進(jìn)一步減小其直徑。
對微型中子管的理想要求是直徑要足夠小，比如可用于制作直徑小于35mm的中子發(fā)生器；中子產(chǎn)額要足夠高，比如大于108中子/秒；有效使用壽命要足夠長，比如大于100小時；耐高溫性能要足夠好，比如高于170℃；此外抗震性能要好，價格還要容易為用戶接受等等。從目前的情況看，現(xiàn)有商用產(chǎn)品的綜合指標(biāo)離上述要求相差很遠(yuǎn)。
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出兩種新型微型中子管及相應(yīng)的制作方法；它們可用于制作直徑等于或小于35mm的中子發(fā)生器；而且具有中子產(chǎn)額高，有效使用壽命長，耐高溫性能佳，抗震性能好，價格相對低等優(yōu)點。
本發(fā)明提出的一種微型中子管，它由耐高壓絕緣密封殼、潘寧離子源、靶室、加速電極和氫同位素存儲器構(gòu)成，其特征在于所述耐高壓絕緣密封殼是由一端粗一端細(xì)的高壓絕緣管，在兩端分別與一個側(cè)壁為多層結(jié)構(gòu)的粗環(huán)型可伐合金部件、一個細(xì)環(huán)型可伐合金部件分別封接而成；所述加速電極固定在所述粗環(huán)型可伐合金部件上；所述靶室與所述粗環(huán)型可伐合金部件焊接在一起，所述潘寧離子源與細(xì)環(huán)型可伐合金部件焊接在一起；所述靶室是用無磁和導(dǎo)熱性能極好的金屬材料做成的帶底金屬圓筒，所述金屬圓筒的底部充當(dāng)靶基體；所述靶基體的外直徑接近于所述高壓絕緣管的粗端內(nèi)直徑，在它的內(nèi)端面上制有直徑與內(nèi)端面直徑略小一點的氫同位素靶；所述靶室側(cè)壁外面裝有偏轉(zhuǎn)電子永久磁鐵；所述靶室接地電位；所述氫同位素存儲器焊接在所述靶基體外端面上；所述潘寧離子源是一端細(xì)、一端粗，其粗端外直徑接近于所述高壓絕緣管的粗端內(nèi)直徑，其粗端內(nèi)部含有陽極；所述潘寧離子源接正高壓電位；在所述細(xì)環(huán)型可伐合金部件這一端外放置有輔助高壓絕緣筒。
本發(fā)明提出的另一種微型中子管，它由耐高壓絕緣密封殼、潘寧離子源、靶室和氫同位素存儲器構(gòu)成，其特征在于所述耐高壓絕緣密封殼是由一端粗、一端細(xì)的高壓絕緣管，在兩端分別與一個粗環(huán)型可伐合金部件、一個側(cè)壁為多層結(jié)構(gòu)的細(xì)環(huán)型可伐合金部件分別封接而成；所述粗環(huán)型可伐合金部件的外直徑比所述高壓絕緣管粗端的外直徑大6—8毫米，且與所要裝配的中子發(fā)生器的外殼內(nèi)徑滑動匹配；所述粗環(huán)型可伐合金部件又充當(dāng)所述潘寧離子源外磁路的一部分；所述潘寧離子源陰極接地電位；所述氫同位素存儲器焊接在所述潘寧離子源內(nèi)部；所述靶室由導(dǎo)熱性能特別好的金屬材料制成的靶基體和抑制電極構(gòu)成，所述抑制電極通過陶瓷部件絕緣固定在所述靶基體上；所述抑制電極通過所述靶基體的內(nèi)部絕緣孔道中的導(dǎo)線與供電引線聯(lián)接在一起；所述靶基體內(nèi)端粗、外端細(xì)，其內(nèi)端面的直徑略小于所述高壓絕緣管的粗端內(nèi)直徑，其外端面的直徑與細(xì)環(huán)型可伐合金部件的內(nèi)直徑滑動匹配；在所述靶基體內(nèi)端面上制有氫同位素靶；所述靶基體接負(fù)高壓電位；在所述細(xì)環(huán)型可伐合金部件這一端外放置有輔助高壓絕緣筒。
上述中子管所說的氫同位素存儲器可包括一個氘存儲器，一個氚存儲器。
上述中子管所說的氫同位素靶是在中子管排氣完成后和排氣管剪斷之前制作而成的內(nèi)制氚靶或氘氚混合靶。
上述中子管所說的輔助高壓絕緣筒用氮化鋁陶瓷制成。
上述中子管所說的偏轉(zhuǎn)電子永久磁鐵是圓環(huán)型永久磁鐵，或者是呈環(huán)狀的U型永久磁鐵。
上述中子管所說的加速電極用抗濺射性能好的無磁材料做成。
本發(fā)明還提出一種制作含內(nèi)制純氚靶或氘氚混合靶的中子管的制作方法，包括以下步驟1).按常規(guī)工藝制作完成中子管的主體，包括將潘寧離子源，耐高壓絕緣密封殼，靶室依次焊接構(gòu)成一密封整體，在中子管內(nèi)部靶基體內(nèi)表面上制作好靶膜，裝好氫同位素存儲器；2).對中子管主體進(jìn)行裝架烘烤排氣時，在靶基體周圍套上特制的加熱環(huán)；3).中子管主體烘烤排氣結(jié)束后，讓烘烤爐降溫，同時給加熱環(huán)通電慢慢加熱靶基體；4).通過控溫儀器監(jiān)視，讓靶基體的溫度處在400℃以上，中子管主體的其它部件處在180℃以下；5).關(guān)閉排氣系統(tǒng)，啟動氘氚充氣系統(tǒng)，向中子管主體里注入預(yù)定量的氚氣或氘氚混合氣，它們被靶膜迅速吸收，形成純氚靶或氘氚混合靶；6).停止加熱靶基體，讓整個中子管主體所有部件降到室溫；7).按常規(guī)工藝給氘存儲器充入定量的氘氣或氘氚混合氣；
8).最后剪斷排氣管，即獲得含有內(nèi)制氚靶或氘氚混合靶的成品中子管。
本發(fā)明的特點本發(fā)明提出的第一種微型中子管，其處地電位的靶室外部還套有偏轉(zhuǎn)電子永久磁鐵，用以抑制二次電子；靶面積是現(xiàn)有同類中子管靶面積的三倍以上；靶基體可以直接與中子發(fā)生器外殼接觸，其導(dǎo)熱、散熱性能特別好；處高電位的潘寧離子源所在端外套導(dǎo)熱性能好的輔助高壓絕緣筒；可同時裝有氘存儲器和氚存儲器；可在中子管制作過程中制作純氚靶或氘氚混合靶。該發(fā)明的應(yīng)用特點是特別適于在高溫環(huán)境下工作；其源距短，應(yīng)用范圍廣；中子產(chǎn)額高，工作壽命長；而且使用失效后，用戶可以自行修復(fù)；可以用于制作直徑等于或小于35mm的中子發(fā)生器。
本發(fā)明提出的第二種微型中子管，其處在地電位的潘寧離子源的外直徑大于高壓絕緣密封管的直徑，并與所要裝配的中子發(fā)生器的內(nèi)徑滑動匹配；處高電位的靶室端外套導(dǎo)熱性能好的輔助高壓絕緣筒；靶面積是現(xiàn)有同類中子管靶面積的兩倍以上；可同時裝有氘存儲器和氚存儲器；可在中子管制作過程中制作純氚靶或氘氚混合靶。該發(fā)明的應(yīng)用特點是其結(jié)構(gòu)特別適于制作直徑顯著小于35mm(小到φ28mm)的中子發(fā)生器，中子產(chǎn)額高，工作壽命長，而且使用失效后，用戶可以自行修復(fù)。


圖1為本發(fā)明實施例1沿中心軸線的剖面圖。
圖2為本發(fā)明實施例2沿中心軸線的剖面圖。
圖3為本發(fā)明實施例2沿中心軸線的另一剖面圖，其剖面與圖2的剖面互相垂直。
圖4為圖2中4-4處徑向截面右視圖。
下面參考圖1至圖4，具體說明本發(fā)明兩種實施例的結(jié)構(gòu)與工作原理。
實施例1的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1是該中子管沿中心軸線的剖視圖，它包括冷陰極潘寧離子源(下面簡稱潘寧離子源)11，耐高壓絕緣密封殼12，靶室13以及氘氚氣體存儲器14。上述各部分依次相連組構(gòu)成一密封整體。
其中，潘寧離子源11的結(jié)構(gòu)是由導(dǎo)磁金屬材料做成的密封蓋21、由無磁材料做成的密封管22和由導(dǎo)磁材料做成的陰極基體23焊在一起，陽極高壓絕緣引線24和排氣管25焊接在密封蓋21上，這樣形成中子管密封系統(tǒng)的一部分。由導(dǎo)磁金屬材料做成的杯狀殼26固定在密封蓋21上，它們共同形成潘寧離子源的外磁路。用無磁材料做的金屬環(huán)27是陽極，固定在陽極引線24的中心導(dǎo)線29上。圓柱狀釤鈷磁鐵28由中心導(dǎo)孔51插入密封管22中，通過陰極基體23在陽極27內(nèi)部建立縱向磁場。在陰極基體23接近陽極的凹型端面和杯狀殼26底部接近陽極的內(nèi)表面上鍍上二次電子發(fā)射系數(shù)高的金屬膜充當(dāng)陰極。杯狀殼26底部中心孔52，是縱向離子引出孔。
耐高壓絕緣密封殼12由高壓絕緣管31和環(huán)型可伐合金部件32及33封接而成。封接部件33的縱截面呈“之”字型，使該端能夠承受高溫烘烤。
靶室13的結(jié)構(gòu)是由無磁金屬材料做成的靶室殼36、由無氧銅做成的靶基體37和氘存儲器41、氚存儲器42焊接在一起，構(gòu)成中子管密封系統(tǒng)的一部分；靶膜38做在靶基體37內(nèi)表面上，加速電極39固定在靶室殼上。
如上所述，將潘寧離子源11、耐高壓絕緣密封殼12和靶室13分別在6、7處焊接在一起，形成一個氣密性的中子管原件。
本實施例的特色表現(xiàn)在以下方面該中子管是潘寧離子源端接正高壓電位，靶室端接地電位，因此用它裝配而成的小直徑中子發(fā)生器將具有“短源距”的特點，在應(yīng)用中具有普適性；它將特別適用于需要源距愈小愈好的場合，比如用在快中子氧活化測井儀中。潘寧離子源端將密封在中子發(fā)生器的主絕緣筒內(nèi)(圖中未示出)。由于受空間的限制，一般主絕緣筒壁厚在3～4mm左右，可以承受的擊穿電壓在10萬伏左右；該主絕緣筒的內(nèi)徑和本實施例的高壓絕緣管31的外徑差不多，因此本實施例的封接金屬部件32的直徑小于發(fā)生器主絕緣筒的內(nèi)徑4mm以上。在裝配中子發(fā)生器時，需要將潘寧離子源端再套上厚度在2.0mm左右、可以承受4萬伏以上電壓的絕緣筒(圖中未示出)，這樣從整體上來看，本實施例的中子管高壓端與中子發(fā)生器的金屬外殼間的絕緣介質(zhì)可以承受12萬伏以上的高電壓，就可以保證中子管安全供電。
中子管內(nèi)潘寧離子源陽極內(nèi)部的體積愈大，則可引出的束流強度就愈大。本實施例的潘寧離子源的外徑相當(dāng)接近高壓絕緣管31的內(nèi)徑，離子引出強度可供產(chǎn)生每秒108以上的中子。
為了阻止靶受到轟擊時放出的二次電子，在電場加速下射向潘寧離子源，本實施例在環(huán)形靶室殼36外面裝上偏轉(zhuǎn)電子永久磁鐵49，在靶的前方產(chǎn)生含有徑向分量的磁場，使向潘寧離子源運動的電子在磁場力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，被周圍的金屬導(dǎo)體吸收掉。該磁鐵可以采用多種形狀，如圓環(huán)形或者環(huán)狀U型，本實施例采用圓環(huán)形。
本實施例的中子管靶室13還包括安裝在靶膜38前方的加速電極39。靶38是按傳統(tǒng)工藝在靶基體37內(nèi)表面上蒸鍍一層鈦膜做成。加速電極39用抗濺射性能好的無磁材料制作，帶有離子加速入射孔53。靶室外殼36左端上的兩個O型槽55用于放置密封橡膠圈。在裝配小直徑中子發(fā)生器時，中子管從中子發(fā)生器外殼的一端插入，在O型槽處形成氣密性連接。這樣中子管從部件33向左的高壓部分都處在發(fā)生器的主絕緣筒內(nèi)，而靶室則處在發(fā)生器的主絕緣筒外。這樣做有下述好處一是靶室的直徑將不再受主絕緣筒內(nèi)徑的約束，可以做得較大，便于得到大靶面。本實施例的靶直徑可以達(dá)到22mm，這對采用潘寧離子源的微型中子管來說是相當(dāng)理想的；二是靶室處在中子發(fā)生器的密封區(qū)域外，可以自由地放置偏轉(zhuǎn)電子永久磁鐵；三是靶基體的尺寸與結(jié)構(gòu)可以方便地變通，使之具有最佳的導(dǎo)熱、散熱性能。在中子測井儀器中，吸收靶熱的“冷源”是中子發(fā)生器外殼和測井儀器外殼，采用上述設(shè)計可以容易地使靶基體與“冷源”之間實現(xiàn)良性熱傳導(dǎo)。綜上所述，本實施例將具有最佳的耐高溫性能。
本實施例的氘存儲器41采用鋯存儲器，有很強的吸氫能力。氚存儲器42采用吸氫金屬絲做成，吸氫能力相對較差，只能在溫度很高時(高于300℃)才開始吸氫；氚存儲器42的額定常溫飽和吸氫量較小，遠(yuǎn)小于氘存儲器41。它們的外殼43、44用無磁不銹鋼做成，外端口焊上耐高溫烘烤的陶瓷引線45、46，靶基體內(nèi)部孔道56、57將存儲器的內(nèi)部空間和靶室內(nèi)部空間連成一體。通過調(diào)節(jié)電流控制氘存儲器加熱絲47與存儲器42的儲氣絲48的溫度。
本實施例的制造方法是將潘寧離子源11、耐高壓絕緣密封殼12以及靶室13分別在6、7處焊接在一起，形成氣密性的中子管主件。此時潘寧離子源中不裝永久磁鐵，靶膜38沒有吸附氫同位素，靶室13外側(cè)未裝偏轉(zhuǎn)電子永久磁鐵，因此整體主件允許采用超高溫烘烤排氣。中子管原件通過排氣管25與排氣臺連接，排氣臺帶有定量氘氚充氣系統(tǒng)。通過較長時間的高溫、高真空排氣，中子管主件內(nèi)部的所有部件接近被徹底去氣；徹底去氣對提高中子管的耐高溫特性和延長使用壽命是至關(guān)重要的。在中子管主件排氣結(jié)束后，開始制作含氫同位素靶38，除采用常規(guī)“氘氚混合自成靶”制作技術(shù)外，還可以采取以下本發(fā)明的制作方法1.臺上“氘氚混合靶”制作技術(shù)這里“臺上”是指沒有剪斷排氣管，中子管沒有從排氣臺上取下。
中子管裝架排氣時，先在靶基體周圍套上特制的加熱環(huán)，在排氣結(jié)束讓烘烤爐降溫時，給加熱環(huán)通電。靶基體是熱的優(yōu)良導(dǎo)體，通過控溫儀器監(jiān)視，可以讓靶膜與中子管的其它部件處在不同的溫度，取值的標(biāo)準(zhǔn)是，靶基體的溫度要足夠高(400℃以上)，以便靶膜有足夠好的吸氣速率；中子管其它部位的溫度要盡可能低(180℃以下)，其吸氣干擾可以忽略不計。待溫度合適后，關(guān)閉排氣系統(tǒng)，啟動氘氚充氣系統(tǒng)，向中子管里注入預(yù)定量的氘氚混合氣，它們將被靶膜迅速吸收，形成含有氘氚混合氣的靶，本發(fā)明稱之為“氘氚混合靶”。待中子管降到室溫后，按常規(guī)工藝給氘存儲器充上預(yù)定量的氘氚混合氣，最后剪斷排氣管25，即獲得成品中子管。
2.臺上“內(nèi)制氚靶”制作技術(shù)這里“臺上”是指沒有剪斷排氣管，中子管沒有從排氣臺上取下。
這里“內(nèi)制氚靶”是指在中子管的制作后期，讓靶膜吸收氚氣，形成的純氚靶。其基本過程和上面所述的臺上“氘氚混合靶”制作過程完全一樣，只是充入的氣體有別。在中子管排氣結(jié)束后讓烘烤爐降溫；給加熱環(huán)通電，控制靶基體和中子管其它部位分別處在適當(dāng)?shù)臏囟?；關(guān)閉排氣系統(tǒng)，啟動氘氚充氣系統(tǒng)，讓鈦膜吸入定量的氚，形成氚鈦靶。待中子管降到室溫后，按常規(guī)工藝先給氘存儲器41充入定量的氘，后給氚存儲器42充入定量的氚，最后剪斷排氣管25，即獲得成品中子管。給氚存儲器42充氚是為了當(dāng)氚靶失效后再修復(fù)中子管。
“內(nèi)制氚靶”和“氘氚混合靶”(包括現(xiàn)有“氘氚混合自成靶”)各有特色。
含“內(nèi)制氚靶”中子管運行前期，主要存在產(chǎn)生14MeV中子的核反應(yīng)d＋T4He＋n，在設(shè)定中子產(chǎn)額的條件下，所需要的入射離子束強度相對含“氘氚混合靶”的中子管小得多。隨著中子管的運行，被注入到靶內(nèi)的氘離子不斷積累，使純氚靶也逐漸變成了“氘氚混合靶”，當(dāng)然這個過程需要很長的時間。含“氘氚混合靶”中子管的優(yōu)點是中子產(chǎn)額穩(wěn)定性能好。總體說來，“內(nèi)制氚靶”優(yōu)于“氘氚混合靶”；“氘氚混合靶”優(yōu)于“氘氚混合自成靶”；三者皆優(yōu)于傳統(tǒng)的“預(yù)置氚靶”。
含“內(nèi)制氚靶”中子管，當(dāng)中子產(chǎn)額降到臨界后，可以利用氚存儲器42，再造新氚靶，或者改造成含“氘氚混合靶”的中子管，以提高中子產(chǎn)額，延長中子管的使用壽命。具體做法如下1.加熱靶基體讓鈦膜迅速放出氘和氚，加熱氘存儲器41讓它增加吸氫能力，所達(dá)溫度的標(biāo)準(zhǔn)是鈦膜的平衡氣壓高于氘存儲器41的平衡氣壓10倍以上，因此鈦膜放出的氘和氚將為氘存儲器所吸收。接著停止加熱氘存儲器，讓它降至室溫；讓靶基體也降溫到一定程度，但是要具有較強的吸氫能力；再給氚存儲器加高溫，使之迅速放出所含的氚并為鈦膜所吸收。最終結(jié)果是，鈦靶又變成了純氚靶，氚存儲器放出所存的氚，氘存儲器吸收了原來鈦靶的氘和氚，當(dāng)然其整體氘含量遠(yuǎn)大于氚含量。修復(fù)后的中子管，其性能將接近最初使用時的特性。上述操作可在具有必要條件的用戶實驗室中完成。
2.加熱氚存儲器42，讓它迅速放出所含的氚，同時給氘存儲器41加熱，讓它具有較強的吸氚能力；經(jīng)過一小段時間氚轉(zhuǎn)移基本完畢，讓氘存儲器先降溫，進(jìn)一步吸收余下的氚，再停止加熱氚存儲器。最終結(jié)果是，鈦靶沒有變，相當(dāng)于氘氚混合靶；氘存儲器中存放了氘氚混合氣。修復(fù)后的中子管，其性能將接近于新制的含氘氚混合靶的中子管。上述操作可在用戶實驗室中完成。非常安全、可靠和方便。
本實施例1所述的微型中子管，特別適于在高溫環(huán)境下工作，其中子產(chǎn)額高，工作壽命長，而且使用失效后，用戶可以自行修復(fù)；可以用于制作直徑等于或小于35mm的中子發(fā)生器。它之所以具備這些顯著的優(yōu)點，主要技巧在于整體原件允許采用超高溫烘烤排氣；耐高壓絕緣管外徑雖小，但是潘寧離子源直徑相對不?。话惺以O(shè)計使靶面直徑大，靶基體導(dǎo)熱散熱性能特別好；利用偏轉(zhuǎn)電子永久磁鐵去抑制二次電子；整體設(shè)計允許施加高達(dá)12萬伏的工作電壓；特別是可同時裝有氘存儲器和氚存儲器；制作配備“內(nèi)制氚靶”或“氘氚混合靶”。
實施例2的結(jié)構(gòu)如圖2、3和4所示，圖2和圖3是該實施例中子管沿中心軸線剖面圖，其剖面相互垂直。圖4是圖2中4-4處徑向截面右視圖。本實施例的中子管由潘寧離子源71，耐高壓絕緣體殼72，靶室73，氫同位素存儲器74和抑制電極75組成。
其中，潘寧離子源71的結(jié)構(gòu)是由導(dǎo)磁材料做成的密封蓋81、由無磁材料做成的密封管82和由導(dǎo)磁材料做成的陰極基體83密封焊接在一起構(gòu)成密封外殼；陽極引線84、排氣管85以及兩個氫同位素存儲器101、102的引線105和106焊接在密封蓋81上，這樣形成中子管密封系統(tǒng)的一部分。由導(dǎo)磁材料做成的杯狀殼86固定在可伐封接管92上，它門共同形成潘寧離子源的外磁路。用無磁材料做成的金屬環(huán)87是陽極，它固定在陽極引線84的中心導(dǎo)線89上。圓柱形釤鈷磁鐵88由中心導(dǎo)孔111插入內(nèi)部建立縱向磁場。在陰極基體83的凹型內(nèi)端面上和杯狀殼86底部靠近陽極的內(nèi)表面上鍍上二次電子發(fā)射系數(shù)高的金屬膜充當(dāng)陰極。杯狀殼86底部中心孔112，是縱向離子引出孔。
耐高壓絕緣密封殼72由絕緣管91和金屬封接部件92、93封接而成。環(huán)形部件93的測壁面是三層結(jié)構(gòu)，使該端能夠承受高溫烘烤。
靶室73的結(jié)構(gòu)是用導(dǎo)熱性能特別良好的無氧銅做靶基體97，靶基體的內(nèi)端面直徑要比外端直徑大一些，以便獲得較大的靶面積，靶98是按傳統(tǒng)工藝在靶基體97內(nèi)端面上蒸鍍一層鈦膜做成；在靶基體的外端焊接抑制電極絕緣引線99，利用其中心導(dǎo)線100，通過靶基體的內(nèi)部絕緣孔道116將電壓加到抑制電極75上；抑制電極75用抗濺射性能好的無磁材料制作，帶有離子加速入射孔113，它通過陶瓷封接件96固定在靶基體97上。
如上所述，將潘寧離子源71、耐高壓絕緣密封殼72和靶室73在8、9處焊接在一起，則形成一個氣密性的中子管原件。它的特色表現(xiàn)在以下方面。
該中子管是潘寧離子源端接地電位，靶室端接負(fù)高壓電位，靶室端被密封在中子發(fā)生器的主絕緣筒內(nèi)；由于受空間的限制，一般中子發(fā)生器主絕緣筒壁厚在3到4mm左右，可以承受10萬伏左右的擊穿電壓。中子管高壓絕緣管91的外徑和主絕緣筒的內(nèi)徑很接近，因此可伐封接件93的外徑必須小于中子發(fā)生器主絕緣筒內(nèi)徑4到5mm。在組裝小直徑中子發(fā)生器時，要在該端套上厚度在2mm以上、可以承受4萬伏以上擊穿電壓的輔助高壓絕緣筒(圖中未示出)。這樣從整體來看，中子管高壓端與中子發(fā)生器金屬外殼之間的絕緣介質(zhì)可以承受12萬伏以上的體擊穿電壓，這樣就可以保證中子管獲得必需的可靠的高壓供電。為了使靶上的熱量更快地散失，可以采用耐高壓且導(dǎo)熱性能好的特種陶瓷(比如氮化鋁陶瓷)制作輔助高壓絕緣筒。
抑制電極75通過絕緣引線99供電，其好處是允許靶面的直徑大到絕緣管91的內(nèi)徑，有利于制作直徑更細(xì)的中子管和中子發(fā)生器。
現(xiàn)有的中子管通常是潘寧離子源外直徑小于或等于中子管高壓絕緣管的外直徑；該中子管的特點是潘寧離子源71的外直徑大于中子管高壓絕緣管91的外直徑6-8mm左右，并與所要裝配的中子發(fā)生器金屬外殼(圖中未示出)的內(nèi)徑滑動匹配。這樣做是基于下述考慮假設(shè)要制作φ30mm的中子發(fā)生器，去除中子發(fā)生器外殼、發(fā)生器主絕緣筒以及高壓絕緣管91的壁厚，中子管腔體內(nèi)部直徑只有15mm左右；在φ15mm的腔體內(nèi)難以做出供產(chǎn)生108/秒中子的潘寧離子源。因此必須把潘寧離子源設(shè)置在中子管高壓絕緣管91的一端外面，使之處地電位，并讓其直徑盡可能地大，大至中子發(fā)生器外殼的內(nèi)徑。此時雖然中子發(fā)生器的直徑小到30mm，但是可以制作的潘寧離子源的直徑卻在29mm左右，這對獲得高的中子產(chǎn)額是十分有利的。該實施例采用的方案為制作直徑顯著小于35mm的中子發(fā)生器開辟了可能性。分析表明，采用該類中子管后，小直徑中子發(fā)生器的直徑能小到何種程度，將再也不會受到來自中子管的制約。
本實施例的氘存儲器101以及氚存儲器102置于潘寧離子源內(nèi)部，氘存儲器的加熱絲以及氚存儲器的加熱絲兩端分別與潘寧離子源密封殼和陶瓷引線105和106的中心導(dǎo)線聯(lián)接。
將潘寧離子源71、耐高壓絕緣密封殼72以及靶基體97分別在8、9處焊接在一起，則形成氣密性的中子管原件。其后的烘烤排氣以及制作含氫同位素靶的方法與實施例1有關(guān)同類說明完全一樣。
本實施例2所述的微型中子管，特別適于制作直徑非常小(小到φ28mm)的中子發(fā)生器，其中子產(chǎn)額高，工作壽命長，而且使用失效后，用戶可以自行修復(fù)。它之所以具備這些顯著的優(yōu)點，主要技巧在于整體原件允許采用超高溫烘烤排氣；耐高壓絕緣管外徑雖小，但是潘寧離子源直徑相當(dāng)大，非常接近所要裝配的中子發(fā)生器的內(nèi)徑；抑制電極通過內(nèi)部供電允許靶面直徑做得較大；整體設(shè)計允許施加高達(dá)12萬伏的工作電壓；特別是可同時裝有氘存儲器和氚存儲器，以及制作配備“內(nèi)制氚靶”或“氘氚混合靶”。
權(quán)利要求
1.一種微型中子管，它由耐高壓絕緣密封殼、潘寧離子源、靶室、加速電極和氫同位素存儲器構(gòu)成，其特征在于所述耐高壓絕緣密封殼是由一端粗、一端細(xì)的高壓絕緣管，在兩端分別與一個側(cè)壁為多層結(jié)構(gòu)的粗環(huán)型可伐合金部件、一個細(xì)環(huán)型可伐合金部件分別封接而成；所述加速電極固定在所述粗環(huán)型可伐合金部件上；所述靶室與所述粗環(huán)型可伐合金部件焊接在一起，所述潘寧離子源與細(xì)環(huán)型可伐合金部件焊接在一起；所述靶室是用無磁和導(dǎo)熱性能極好的金屬材料做成的帶底金屬圓筒，所述金屬圓筒的底部充當(dāng)靶基體；所述靶基體的外直徑接近于所述高壓絕緣管的粗端內(nèi)直徑，在它的內(nèi)端面上制有直徑與內(nèi)端面直徑略小一點的氫同位素靶；所述靶室側(cè)壁外面裝有偏轉(zhuǎn)電子永久磁鐵；所述靶室接地電位；所述氫同位素存儲器焊接在所述靶基體外端面上；所述潘寧離子源是一端細(xì)、一端粗，其粗端外直徑接近于所述高壓絕緣管的粗端內(nèi)直徑，其粗端內(nèi)部含有陽極；所述潘寧離子源接正高壓電位；在所述細(xì)環(huán)型可伐合金部件這一端外放置有輔助高壓絕緣筒。
2.一種微型中子管，它由耐高壓絕緣密封殼、潘寧離子源、靶室和氫同位素存儲器構(gòu)成，其特征在于所述耐高壓絕緣密封殼是由一端粗、一端細(xì)的高壓絕緣管，在兩端分別與一個粗環(huán)型可伐合金部件、一個側(cè)壁為多層結(jié)構(gòu)的細(xì)環(huán)型可伐合金部件分別封接而成；所述粗環(huán)型可伐合金部件的外直徑比所述高壓絕緣管粗端的外直徑大6—8毫米，且與所要裝配的中子發(fā)生器的外殼內(nèi)徑滑動匹配；所述粗環(huán)型可伐合金部件又充當(dāng)所述潘寧離子源外磁路的一部分；所述潘寧離子源陰極接地電位；所述氫同位素存儲器焊接在所述潘寧離子源內(nèi)部；所述靶室由導(dǎo)熱性能特別好的金屬材料制成的靶基體和抑制電極構(gòu)成，所述抑制電極通過陶瓷部件絕緣固定在所述靶基體上；所述抑制電極通過所述靶基體的內(nèi)部絕緣孔道中的導(dǎo)線與供電引線聯(lián)接在一起；所述靶基體內(nèi)端粗、外端細(xì)，其內(nèi)端面的直徑略小于所述高壓絕緣管的粗端內(nèi)直徑，其外端面的直徑與細(xì)環(huán)型可伐合金部件的內(nèi)直徑滑動匹配；在所述靶基體內(nèi)端面上制有氫同位素靶；所述靶基體接負(fù)高壓電位；在所述細(xì)環(huán)型可伐合金部件這一端外放置有輔助高壓絕緣筒。
3.由權(quán)利要求1或2所說的微型中子管，其特征在于，所說的氫同位素存儲器包括一個氘存儲器，一個氚存儲器。
4.由權(quán)利要求1或2所說的中子管，其特征在于所說的氫同位素靶是在中子管排氣完成后和排氣管剪斷之前制作而成的內(nèi)制氚靶。
5.由權(quán)利要求1或2所說的中子管，其特征在于，所說的氫同位素靶是在中子管排氣完成后和排氣管剪斷之前做成的氘氚混合靶。
6.由權(quán)利要求1或2所說的中子管，其特征在于，所說的輔助高壓絕緣筒用氮化鋁陶瓷制成。
7.由權(quán)利要求1所說的中子管，其特征在于，所說的偏轉(zhuǎn)電子永久磁鐵是圓環(huán)型永久磁鐵，或者是呈環(huán)狀的U型永久磁鐵。
8.由權(quán)利要求1所說的中子管，其特征在于，所說的加速電極用抗濺射性能好的無磁材料做成。
9.一種制作含內(nèi)制純氚靶或氘氚混合靶的中子管的方法，其特征在于包括以下步驟1).按常規(guī)工藝制作完成中子管的主體，包括將潘寧離子源、耐高壓絕緣密封殼、靶室依次焊接構(gòu)成一密封整體，在中子管內(nèi)部靶基體內(nèi)表面上制作好靶膜，裝好氫同位素存儲器；2).對中子管主體進(jìn)行裝架烘烤排氣時，在靶基體周圍套上特制的加熱環(huán)；3).中子管主體烘烤排氣結(jié)束后，讓烘烤爐降溫，同時給加熱環(huán)通電慢慢加熱靶基體；4).通過控溫儀器監(jiān)視，讓靶基體的溫度處在400℃以上，中子管主體的其它部件處在180℃以下；5).關(guān)閉排氣系統(tǒng)，啟動氘氚充氣系統(tǒng)，向中子管主體里注入預(yù)定量的氚氣或氘氚混合氣，它們被靶膜迅速吸收，形成純氚靶或氘氚混合靶；6).停止加熱靶基體，讓整個中子管主體所有部件降到室溫；7).按常規(guī)工藝給氘存儲器充入定量的氘氣或氘氚混合氣；8).最后剪斷排氣管，即獲得含有內(nèi)制氚靶或氘氚混合靶的成品中子管。
全文摘要
本發(fā)明屬于測量儀器技術(shù)領(lǐng)域,本發(fā)明提出兩種微型中子管及相應(yīng)的制作方法。一種是其靶室外部套有偏轉(zhuǎn)電子永久磁鐵;含有靶面積很大的內(nèi)制純氚靶或氘氚混合靶;耐高溫,源距短,應(yīng)用范圍廣。另一種是其潘寧離子源特別大,外直徑與所要裝配的中子發(fā)生器的內(nèi)直徑滑動匹配;特別適于裝配直徑顯著小于30mm的中子發(fā)生器。本發(fā)明中子產(chǎn)額高,工作壽命長;可同時裝有氘存儲器和氚存儲器,當(dāng)使用失效后,用戶可以自行修復(fù)再用。
文檔編號G01V5/00GK1329461SQ0111532
公開日2002年1月2日 申請日期2001年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月20日
發(fā)明者陳振鵬, 孫業(yè)英 申請人:清華大學(xué)