具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明高产额自成靶D-D中子管的结构如图1所示，包括管壳组件、芯柱组件、气压调节组件、潘宁离子源组件、加速电极181以及自成靶组件；其中，气压调节组件在通电加热条件下热子释放出一定量的氘气，潘宁离子源使氘气电离而产生氘离子，加速电极181氘离子引出、成形和加速后轰击自成靶靶面，在靶面发生氘-氘核反应而产生能量为2.5MeV的快中子。

①管壳组件包括从上到下依次连接的上封接环5、中子管管壳17以及下封接环182；中子管管壳17为陶瓷管壳。管壳组件的作用是将潘宁离子源组件、加速电极181、自成靶组件和气压调节组件全部密封在一个圆柱筒内。

②芯柱组件包括芯柱4、工艺排气管1、低压电极2、高压电极3及接地电极25，如图2所示，芯柱4包括设置在上封接环5内的中空圆柱形芯柱基座41和设置在芯柱基座41下部的芯柱支撑柱42，芯柱基座41外壁与上封接环5内壁之间封接；工艺排气管1、低压电极2、高压电极3以及接地电极25设置在芯柱基座41上，其中，上封接环5、芯柱4均设置为公共地；在中子管经过双真空排气后，就可以将工艺排气管1的上端封闭；接地电极25与芯柱基座41相连，均为公共地。

③气压调节组件的作用是储存氘气，同时也用它来调节中子管内部的工作气压。气压调节组件位于芯柱基座41下端面和潘宁离子源组件之间，包括热子24及包裹在热子24外部的吸气剂6；热子24的一端连接低压电极2，另一端与接地电极25连接，即与公共地连接，图1中，因剖面图中没有示出接地电极25，因此将热子24的另一端连接在同为公共地的芯柱基座41上；吸气剂6中吸附有氘气。吸气剂选用锆-石墨非蒸散型吸气材料，吸气量大且在温度升高和降低时可以快速释气和吸气，可在175℃下快速有效地调节管内气压。在中子管断电后，随着温度的降低，吸气剂6会将密封腔内氘气吸收，使氘离子消失，中子管停止发射中子。本实施例中，锆-石墨非蒸散型吸气材料的吸气剂外形尺寸为850℃下激活10min，吸氘气速率可达到900ml/s·cm²，吸氘气总量可达到898Pa·ml/cm²。

④潘宁离子源组件的作用是产生氘离子，包括离子源罩8、离子源封接环7、主磁钢10、阴极12、阳极13、输出阴极15和磁环16。离子源罩8设置在中子管管壳17内，且与上封接环5连接；上封接环5下端沿径向向内设置凸台，所述离子源罩8外壁上端设置有与凸台相配合的凸缘；所述离子源罩8通过凸缘和凸台配合与上封接环5连接，这种连接结构保证了离子源罩和上封接环之间稳固连接；凸台的上端边缘设有倒角，防止离子源罩放入管壳时外壁磨损产生尖峰放电而影响中子管正常工作。离子源罩8为软磁材料，可以避免磁场外泄而减弱离子源内部的磁场强度，导致氘离子不集中无法形成有效束流。

离子源封接环7设置在离子源罩8上端，其上端面与芯柱支撑柱42连接，离子源封接环7上开设有第一通孔。主磁钢10、阴极12、阳极13、输出阴极15和磁环16从上至下依次设置在离子源罩8内；主磁钢10设置在离子源封接环7的下端面与阴极12之间。阴极12包括阴极主体121和设置在阴极主体121上的阴极槽122，主磁钢10设置在阴极槽122内；阴极槽122的上端沿径向设有凸耳，凸耳的外缘与离子源罩8的内壁连接，凸耳上沿轴向对称设置两个阳极电极绝缘瓷管11。主磁钢10选用钐钴材料，工作温度为300～350℃，居里温度为800℃。本发明在结构上加大了主磁钢10体积，增强磁场强度，提高了离子束密度。

阴极12与阳极13之间沿轴向设有间隙，可以防止阴极主体和阳极主体离得太近导致放电打火，该间隙不能太大，否则会因电场能量不足而无法产生足够的氘离子，通常该间隙为1～3mm，本发明实施例中，阴极与阳极之间的间隙为2mm。

阳极13的两侧对称设置两个阳极电极132，两个阳极电极132分别伸入两个阳极电极绝缘瓷管11中，其中一个阳极电极132上引出阳极引线22，阳极引线22从离子源封接环7上的第一通孔穿出，并与高压电极3连接；阳极引线22的外部套有阳极引线绝缘瓷管9，阳极引线绝缘瓷管9穿出离子源封接环7时，和第一通孔之间存在空隙，用于使吸气剂6释放的氘气从离子源封接环7的上端进入到离子源罩8内部。

阴极12和阳极13的材料均为钼，高温性能好，可有效保证潘宁离子源在测井下的正常工作。

离子源罩8底部设置第二通孔，磁环16和输出阴极15依次设置在第二通孔的上方，输出阴极15的边缘与离子源罩8的内壁连接；输出阴极15的上端设置定位环14；定位环14的外径与离子源罩8内径配合，其上端与阴极槽122的凸耳边缘连接。其中，输出阴极15、磁环16及第二通孔形成氘离子束流通道；输出阴极15的孔径为3～5mm，既可以通过较大的氘离子束流，又可以使氘离子束流较为集中。本实施例中，输出阴极15孔径由实验确定，取值为

⑤下封接环182内壁上端向上设置锥筒状结构的加速电极181，加速电极181的加速间距为10～12mm，这个距离可以保证氘离子加速后达到足够的轰击能量，如果加速间距过短，加速电极距离离子源罩太近，可能会导致放电打火；加速电极181顶端设置一个通孔，用于氘离子束流进入，通孔孔径为8～10mm，用于氘离子束流聚焦，孔径过大时氘离子束流聚焦差，加速过程中容易打在加速电极内壁而不是靶上，孔径太小时加速后的氘离子束流无法覆盖整个靶面，氘-氘核反应效率低。本实施例中，加速间距由理论计算，经实验验证确定，取值为12mm，加速电极181顶端通孔的孔径为为了避免尖端放电造成管壳高压击穿，将加速电极181的通孔设计为圆弧形，加速电极181的外表面抛光处理至镜面程度。

⑥自成靶组件设置在加速电极181下方的下封接环182内，包括靶基19，靶基19外壁与下封接环182的内壁之间封接；靶基19下端中间设有圆形凹槽，圆形凹槽中放置靶磁钢20，靶磁钢20的下方设置靶磁钢托21；靶磁钢20和磁钢托21组成靶极二次电子抑制系统，将靶中产生的二次电子抑制在加速电极181形成的锥筒内，减小了二次电子电流，提高了单位有效束流。靶磁钢20的材料选用钐钴合金，钐钴合金材料的高温性能好，能够有效保证潘宁离子源在测井下的正常工作。

靶基19上表面上镀有靶膜23，靶膜23上吸附有氘气；靶膜23为高纯锆材料，锆材料作为靶膜吸气量大，不但提高了单位面积内吸附氘气量，增大了D-D核反应几率，而且还提高了自成靶释放氘气的温度点，在测井下175°高温时仍可正常释气。

靶基19为无氧铜材料，无氧铜熔点高、氧含量少、在氘气氛围中强度好、吸收氘少，不会与靶膜争夺氘气，且散热效果好，有效防止靶膜因过热而不释气。靶基19的上表面设置为向内凹陷的锥面结构，该结构可以增加结合在靶基表面的靶膜的总面积，进而增加氘气吸附量，增加氘氘核反应几率，增加中子产额；该结构还增加了靶基的表面积，利于靶基散热，防止氘氘核反应释放出大量的热量导致靶膜因为过热而不释放氘气。

所述管壳组件内部从芯柱基座41下端面到靶基19的上端面的空间为真空环境。

本发明高产额自成靶D-D中子管的制作方法包括以下步骤：

1)结构装配

1.1)将下封接环182、陶瓷管壳17以及上封接环5从下到上依次焊接，形成管壳，具体操作为：将下封接环182和加速电极181、陶瓷管壳17以及上封接环5从下到上依次装入定位工装内，并在陶瓷管壳17上下两端面放上银铜焊料片，用钎焊方式焊接为管壳组件。

1.2)将阴极12与两个阳极电极绝缘瓷管11钎焊连接，然后将两个阳极电极132分别与两个阳极电极绝缘瓷管11钎焊连接，其中一个阳极电极132与阳极引线22连接，阳极引线22外部套上阳极引线绝缘瓷管9，形成电场组件；将磁环16、输出阴极15、定位环14、电场组件、主磁钢10、离子源封接环7从下往上依次装入离子源罩8内并压紧，同时将阳极引线22和阳极引线绝缘瓷管9从离子源封接环7上引出，阳极引线绝缘瓷管9和离子源封接环7之间存在间隙；用点焊机将所述离子源封接环7和离子源罩8在上端面结合处点焊封接，构成潘宁离子源组件。

1.3)将工艺排气管1、低压电极2、高压电极3、接地电极25分别钎焊连接在芯柱4的芯柱基座41上，构成芯柱组件；将芯柱4的芯柱支撑柱42与离子源封接环7的上端面钎焊连接，将阳极引线22与高压电极3点焊连接；芯柱组件和潘宁离子源组件连接为一体。

1.4)将吸气剂6包裹在热子24的外部，用点焊机将热子24一端连接低压电极2，另一端连接在芯柱支撑柱42上(公共地)，形成供气组件，供气组件、芯柱组件、潘宁离子源组件连接为一体。

1.5)将连接为一体的芯柱组件、供气组件以及潘宁离子源组件一起从步骤1.1)中所得管壳上部装入管壳组件，并将芯柱基座41外壁与上封接环5内壁之间用氩弧焊接方法进行封接。

1.6)将靶膜23镀在靶基19上；将靶磁钢20装入靶基下端面上的圆形凹槽，并通过靶磁钢托21将靶磁钢20固定在靶基19上。

1.7)将自成靶组件从步骤1.1)所得管壳下方装入管壳组件，并将靶基19外壁和下封接环182内壁之间用氩弧焊接方法进行封接，即完成中子管的结构装配。

2)双真空高温排气

双真空高温排气去除所述中子管内部和外部表面及深层的杂气。将步骤1)所得中子管的工艺排气管1打开并连接真空泵，且将整个中子管置于真空环境中，由于自成靶靶膜在排气前没有吸附任何气体，将所述真空环境温度设置为450～500℃，开始排气，排气时间20小时以上。本实施例中，排气温度设置为470℃。排气结束后供入氘气，将工艺排气管1封闭。

排气质量的优劣直接影响到中子管的性能好坏，除气不彻底，除了影响管子耐压性能外，管内残留的杂气还会降低离子流的有效成分，自然降低了中子产额，在其它条件相同的情况下，中子产额因排气质量的差别可相差一倍以上。

3)老练测试

①耐压锻炼

将完成上述双真空高温排气后的中子管置于绝缘环境中，降温至常温，然后将中子管所处环境温度由常温逐步升温到175℃，在此过程中，逐步提高管内电压，最终在高温175℃下D-D中子管的工作耐压达到140KV以上，持续时间为8到10个小时。耐压锻炼在消除管中子内的毛刺、导电微粒的同时，还可以去除高温175℃下管内零件释放出来的杂气，从而提高了管子的耐温性能，这样有利于D-D中子管在更大的工作高压范围内输出更高的中子产额。

②靶饱和锻炼

耐压锻炼结束后，为中子管的加速电极181提供60KV～100KV的电压，并通过低压电极2为热子24供电，通过高压电极3为阳极13供电，则吸气剂6受热释放氘气，氘气经过电离、加速后轰击靶膜23，将氘离子逐渐注入自成靶靶膜内，持续时间为8到10个小时，靶膜23内氘气含量达到饱和，形成中子产额稳定的自成靶。

③指标测试

在完成前面两项工艺后，测试在高温175℃下的D-D中子产额以及各项供电参数，经测试，本发明高产额自成靶D-D中子管的D-D中子产额达到了1×10⁷n/s以上。

本发明高产额自成靶D-D中子管通电发射能量为2.5MeV的快中子，在不使用情况下可以关断，安全性好，D-D中子产额达到1×10⁷n/s以上，能够替代油田、煤田补偿中子测井和煤炭、水泥和矿山等在线分析所用的²⁴¹Am-Be、²³⁸Pu-Be、²⁵²Cf同位素中子源和14MeV可控中子源，具有体积小、寿命长、运输方便、设备维修方便等优点。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并非对本发明技术方案的限制，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。