基于模糊综合评判和层次分析法的中子管故障风险评估

中子管是一种用途广泛的关键部件,然而目前国产中子管的可靠性水平与国外相比还有一定差距,难以满足各行业的使用需求。本文分析了中子管的主要故障模式,采用模糊综合评判和层次分析法对中子管故障进行了多级模糊综合评判,并对中子管故障风险进行了评估。结果表明,中子管总体故障风险水平中等,故障风险前3位的部件为靶、氘氚储存器和加速极,在设计和使用中应重点关注靶释放氦气,靶膜氧化,氘氚储存器吸气剂局部破损,绝缘瓷管破损,加速极离子加速、聚焦不稳定等故障。     

基于FMEA的密封氘氚中子管可靠性分析

中子管是可控中子发生器的关键核心部件。国产中子管在可靠性、稳定性等方面与国外先进水平还有一定差距。为了得出影响中子管可靠性的关键因素,以预制靶密封氘氚中子管为例,采用风险优先数法(Risk Priority Number, RPN)开展了故障模式及影响分析(Failure Mode and Effect Analysis, FMEA),按不同约定层次对所有可能的故障模式、故障原因、故障影响、后果严酷度、发生概率及危害程度进行了详细分析。根据FMEA结果,讨论了危害性较大的故障模式,并给出了提高中子管可靠性的设计改进方向。研究表明:离子源和靶是影响中子管可靠性的关键部件,离子源阴极/阳极短路导致的电离异常、靶膜氧化或脱落导致的吸附氘氚气体能力丧失等故障模式的危害性较大。     

用于中子测井的自成靶密封中子管性能评价

采用自成靶工艺,研制了SNT-DT/25型密封氘氚中子管,对其工作温度、使用寿命、功耗、中子产额及其稳定性等性能参数进行了测试。结果表明:中子管使用温度可达175℃,最高中子产额≥1×109 n/s,中子产额浮动≤10%;在靶极电压-80kV、阳极电流300μA、靶流80μA的工作条件下,中子产额可达1×108 n/s,中子管的性能指标完全满足中子测井使用要求。此外,本文还对中子产额随靶极电压、阳极电流的影响进行了分析。     

大面积氘/氚靶制备及中子产额分析

大面积氘/氚靶是实现高产额强流中子源的关键部件,是氘、氚中子源广泛应用的前提条件。本工作采用磁控溅射镀膜与多弧离子镀结合的方式,制备以铜或钼为基底、直径大于500 mm的大面积钛膜。针对制备的钛膜,采用自研的氘/氚靶生产系统,经过除气、净化、高温吸氘/氚、尾气回收等流程,生产了氘/氚钛原子比大于1.85的氘靶、氚靶,采用Ф22 mm的小靶片,进行氘束流加速器中子产额测试,研制的氘靶中子产额达到8.0×10⁸/s,根据氘靶与氚靶反应截面计算氚靶中子产额,相同条件下,氚靶的中子产额在1.0×10¹¹/s以上。以上测试结果表明,本工作研制的Ф500 mm大面积氘/氚靶,可实现强流中子源的高产额中子输出,达到国际先进水平。     

基于固体靶的D-T和D-D中子源特性模拟计算

基于氚(氘)钛固体靶,利用TARGET程序结合实际的氚(氘)靶和靶室建模,对D-T中子和D-D中子的能量和微分截面角分布、氘离子能量损失率和平均能量、中子平均能量和能散、反应率在氚(氘)钛靶中的深度分布、中子注量率谱和中子产额进行了计算,获得了D-T和D-D中子的相关特性参数。计算结果可为在其他蒙特卡罗模型中精确描述各项异性中子源提供数据,对中子能量单色性和中子产额等指标的选择提供了参考数据。     

一种提高中子管产额及改善输出特性的方法

一 概述 国产LNA型密封中子管是由吸附氘气的钛丝、冷阴极潘宁离子源及氚靶组成,密封于高真空度圆柱形玻璃容器内。工作原理是:加热钛丝逸出氘气,在离子源中电离成氘离子,经加速到达于120kV负高压的氚靶上,由D-T反应产生能量为14MeV的快中子。控制钛丝放出的氘气量以调节离子流,从而改变中子产额。若使离子源电压脉冲化,则可同步得到脉冲中子。该中子管由于结构紧凑、携带方便、有一定的中子产额(10~8n/sec),被广泛应用于地质勘探、石油测井等各部门,也是科学研究中常用工具之一。     

厚靶T(d,n)4He反应加速器中子源的中子产额、能谱和角分布

本文给出一种氚钛厚靶氘氚反应加速器中子源的中子产额、能谱和角分布的计算方法,并开发了相应的计算模拟程序。用自行开发的计算程序计算了入射氘束流能量低于1.0MeV时加速器中子源的中子产额、能谱和角分布,给出了氚钛厚靶的一些典型计算结果,并对结果的可靠性进行分析。     

厚靶T(d,n)4He反应加速器中子源的中子产额、能谱和角分布

本文给出一种氚钛厚靶氘氚反应加速器中子源的中子产额、能谱和角分布的计算方法,并开发了相应的计算模拟程序.用自行开发的计算程序计算了入射氘束流能量低于1.0 MeV时加速器中子源的中子产额、能谱和角分布,给出了氚钛厚靶的一些典型计算结果,并对结果的可靠性进行分析.     

利用伴随α粒子能谱分析固体氚靶中氚浓度深度分布

在目前的氘氚中子发生器源中子分析过程中,固体氚靶中氚浓度深度分布信息的缺失是普遍遇到的问题。为解决此问题,本文建立了利用伴随粒子能谱反演氚浓度深度分布的模型,采用来自氚钛靶的α实验能谱作为模型测试对象,通过该模型获得了氚钛靶中氚浓度深度分布的数据。结果表明,氚浓度随氚钛靶深度的增加呈双峰趋势,两峰之间的氚浓度波谷位于靶中0.94 μm处,该深度正是入射氘粒子的射程极限。所得的氚浓度深度分布趋势与其他实验方法测量结果相符,表明该模型能为氘氚中子发生器的源中子分析提供即时的氚浓度深度分布信息。     

100千伏高压加速管

本文描述了一台100千伏高压加速管。在距离子源出口约2.5米远的靶上获得了大于150微安的离子流。靶点直径约7毫米。使用氘锆靶时,中子产额可大于5×10~6个/秒;使用氚锆靶时,中子产额可大于2×10~8个/秒。根据运行经验讨论了:(1)整流管工作情况;(2)在电压较低的加速器中(100—200千伏),电晕屏蔽罩的设计问题;(3)离子源寿命短的原因,并提出了改进方法;(4)聚焦过程中所遇到的一些问题和所作的一些实验结果;(5)水平型式加速管的优缺点。     

D-T中子管照相装置的感生放射性研究

介绍了D-T中子管照相装置的应用及其优势,结合D-T中子管的特性和快中子照相的特征分析了其感生放射性危险性。利用ENDF数据库计算了感生放射性,并依托IAEA关于豁免活度的定义计算方法,提出了风险指数的概念来直观表示核素感生放射性的危险程度。采用计算风险指数、横向比较等方法,对常见的核素、元素、不锈钢的感生放射性风险贡献进行了比较。研究发现元素Mo、Fe、Cu风险较大,铁素体不锈钢16Cr25N的风险较小,在不锈钢的选材上要重点关注Fe、Ni、Mn和Cr的含量。     

D-T脉冲中子发生器随钻中子孔隙度测井的蒙特卡罗模拟

利用蒙特卡罗方法模拟研究了D-T脉冲中子发生器和241Am-Be中子源产生的中子与地层的作用过程,以探讨D-T脉冲中子发生器在随钻中子孔隙度测井中的应用价值。模拟结果显示,使用这两种中子源,热中子计数均随源距增加而呈指数下降;孔隙度较小时,两者的计数差异较小,当地层孔隙度达到40%时,D-T脉冲中子发生器产生的热中子和超热中子计数均比²⁴¹Am-Be中子源高很多,其分布范围也更宽,近探测器的源距选择20～30 cm,远探测器的源距选择约60～70 cm;D-T脉冲中子发生器用于中子孔隙度测井时对地层孔隙度的灵敏度降低,而相同源距条件下探测深度几乎不变。以上结果提示,利用D-T脉冲中子发生器可以进行补偿中子孔隙度测井,在增加源距的同时既可以保证计数统计性,又可以提高灵敏度和探测深度,在随钻测井仪器设计中可以取代²⁴¹Am-Be中子源。     

兰州大学的中子发生器研制及应用展望

1988年兰州大学成功研制了3×10¹² s^-1的ZF-300强流中子发生器,主要用于核数据测量、材料辐照损伤等研究。为进一步开展活化法中子核数据测量、裂变物理等研究,兰州大学启动了基于倍压加速器的ZF-400强流中子发生器研制工程,该中子发生器的设计指标为D束流能量400 keV、D束流强度大于30 mA、D-D中子产额大于5×10¹⁰ s^-1,D-T中子产额大于5×10¹² s^-1。在裂变物理研究方面,已成功发展了描述裂变核断点裂变势的势驱动模型（potential-driving model）,并开展了中子诱发典型锕系核素裂变发射中子前裂变产物的质量分布计算研究;将potential-driving model植入Geant4程序,发展了用于裂变发射中子后裂变产物质量分布、动能分布、裂变中子能谱等模拟的蒙特卡罗方法,并开展了可靠性评估研究;研制了一套用于裂变产物实验测量的双屏栅电离室（TFGIC）,并完成了初步实验测试。在中子应用技术方面,为满足小型化中子应用技术系统的研发需求,兰州大学成功研制了长度984 mm、直径234 mm的紧凑型中子发生器,通过在引出加速电极和靶之间加电阻的方式产生偏置电场,实现对靶上二次电子的抑制。在自注入靶条件和150 keV氘束流能量下,D-D中子产额可大于5×10⁸ s^-1,该中子发生器已具备产生D-T中子产额大于10¹⁰ s^-1量级的潜力。完成了基于紧凑型D-T中子发生器的快中子准直屏蔽体的设计,并研发了基于微通道板的快中子成像探测器,初步D-T快中成像测试显示,图像空间分辨率约为500 μm。开展了基于紧凑型D-D中子发生器的核燃料棒²³⁵U富集度及均匀性检测系统研发,仿真研究表明,在D-D中子产额5×10⁸ s^-1条件下,对核燃料棒中10%范围内的²³⁵U富集度相对变化的检测置信度可达到99%。     

The design of “multiple energies from one source” in D-T neutron tube

To obtain multiple monoenergetic neutron sources and realize the on-site calibration of radiation monitoring equipment for nuclear-involved places,the structural characteristics and neutron source features of D-T neutron tube were analyzed;Monte Carlo method was adopted to simulate the effect of interaction between typical materials and different energy neutrons;multilayered shielding materials were combined and optimized to acquire the optimal scheme to shield the neutron sources from the neutron tube.On the base,a tapered alignment filtration construction was designed and Monte Carlo method was employed to simulate the effect of alignment construction.The result showed that the tapered alignment filtration construction can create monoenergetic neutrons including14.1 MeV,0.18 MeV and thermal neutrons and demonstrated good monochrome performance which provides multiple monoenergetic sources for the on-site calibration.     

Recent progress in nuclear data measurement for ADS at IMP

Recent progress in nuclear data measurement for ADS at Institute of Modern Physics is reviewed briefly.Based on the cooler storage ring of the Heavy Ion Research Facility in Lanzhou, nuclear data terminal was established.The nuclear data measurement facility for the ADS spallation target has been constructed, which provides a very important platform for the experimental measurements of spallation reactions. A number of experiments have been conducted in the nuclear data terminal. A Neutron Time-of-Flight(NTOF)spectrometer was developed for the study of neutron production from spallation reactions related to the ADS project.The experiments of 400 MeV/u ~(16)O bombarded on a tungsten target were presented using a NTOF spectrometer.Neutron yields for 250 MeV protons incident on a thick grain-made tungsten target and a thick solid lead target have been measured using the water-bath neutron activation method. Spallation residual productions were studied by bombarding W and Pb targets with a 250 MeV proton beam using the neutron activation method. Benchmarking of evaluated nuclear data libraries was performed for D-T neutrons on ADS relevant materials by using the benchmark experimental facility at the China Institute of Atomic Energy.     

D-T中子源束斑尺寸测量技术及应用

D-T中子发生器作为高能中子源，已用于特种核材料的有源探测技术中，利用时间符合法可实现被测物体的多模式成像，而中子源束斑尺寸是影响成像位置分辨的一个重要的因素。因此，结合D-T反应的特点和实际应用环境，开发了n-α关联符合测量确定中子源束斑尺寸的方法。利用该方法对小型移动中子发生器的束斑尺寸进行了测量，获得的束斑尺寸为（2.8±0.9） mm，与用CCD相机直接观测得到的约3 mm的测量结果一致，证明了该方法测量束斑尺寸的可行性。该方法也可用于辅助D-T中子源调束和关联粒子成像实验过程中的束斑监测。     

Beam Spot Size Measurement Technology and Application for D-T Neutron Source

As a high-energy neutron source, the D-T neutron generator has been used in the active detection technology of special nuclear materials. The time coincidence method can be used to achieve multi-mode imaging of the measured object, and the beam spot size of the neutron source is a very important factor that affects the imaging position resolution. Therefore, combined with the characteristics of D-T reaction and practical application environment, a method for n-α correlation coincidence measurement to determine the beam spot size of neutron source was developed. This method was used to measure the beam spot size of a small mobile neutron generator. The beam spot size obtained is （2.8±0.9） mm, which is consistent with the measurement result of about 3 mm obtained by direct observation with CCD camera, which proves that this method is feasible. This method can also be used to assist D-T neutron source beam tuning and beam spot size monitoring in associated particle imaging experiments.     

D-T中子源的反冲质子望远镜模拟研究

为了设计用于监测D-T中子产额的反冲质子望远镜系统,采用MCNP程序模拟了14MeV中子在不同厚度的聚乙烯膜上产生的反冲质子的产额、能谱及角分布,通过对反冲质子的产额、能谱和角分布数据的分析,给出了用于D-T中子产额监测的反冲质子望远镜系统的聚乙烯膜最佳厚度和探测器放置位置。建立了D-T中子源模型,模拟设计了反冲质子望远镜系统,并给出了系统的探测效率。