可控中子发生器由于具有体积小、单色性好、使用安全、易于辐射防护等优点，在中子测井、核能开发、在线成分分析、中子照相、爆炸物与毒品检测、危险源识别等领域得到了广泛的应用^[1]。中子管是可控中子发生器的关键核心部件，其性能指标（如使用寿命、可靠性水平等）对可控中子发生器的稳定运行十分关键。国内已经研究形成了一些系列化的中子管产品，如西安石油勘探仪器总厂的MZ和MZT系列^[2]、东北师范大学的DSD系列^[3-4]、中国原子能科学研究院（北京信成科技集团）的DT系列^[5-6]等。与国外先进技术相比，国产中子管技术在中子产额、高温稳定性和可靠性、使用寿命等方面还具有一定差距。目前，国外在高性能长寿命中子管技术上实行严格的技术封锁，国产中子管的可靠性和稳定性尚不能完全满足各行业的使用需求。因此在设计阶段对中子管的可靠性进行深入分析，从设计上提高中子管的可靠性水平显得十分重要。

故障模式及影响分析(Failure Mode and Effect Analysis, FMEA)是一种重要的可靠性分析方法之一。FMEA的基本原理是采用“自下而上”的系统分析方法，根据实际情况将系统分解为若干的子系统或元件，然后逐个分析子系统或元件的所有可能故障模式、故障发生的原因及故障产生的影响，最后对影响系统可靠性的关键因素进行评定。在设计阶段开展FMEA分析，对提高中子管的固有可靠性水平具有重要作用。

本文以某型预制靶密封氘氚中子管为例，开展FMEA分析并采用风险优先数法进行危害度量化评价，在此基础上得出影响中子管可靠性水平的关键因素，为改进中子管的可靠性设计、提高可靠性水平提供参考依据。

中子管是一种典型的加速器真空系统。预制靶密封氘氚中子管的组成结构如图 1所示，主要由管体、离子源、氘氚储存器、加速极、靶和二次电子抑制结构等组成。

图 1

图 1 预制靶密封氘氚中子管组成结构示意图 Figure 1 Diagram of the structure of pre-absorbing target sealed D-T neutron tube

预制靶密封氘氚中子管管体主要起到支撑管内各部件结构作用，提供密闭的真空环境和高压绝缘条件。氘氚储存器主要功能是存储中子管工作所需的氘气，通过吸放气控制工作时管内气压。离子源起到电离氘气的作用，同时使离子束能够有效引出。加速极提供中子管工作时所需的高压引出电场。靶是氚源及中子产生场所，同时需要有效地导出束流轰击靶膜时产生的热量。二次电子抑制结构抑制并降低束流在轰击靶面时产生的二次电子，减少无效靶流。

离子源阳极高压电源开始工作时，将高压加在中子管阳极上，同时灯丝恒流电源也为氘氚贮存器提供加热电流。贮存器加热后释放氘气，气体发生电离，同时离子流可采回电流信号，检测电流的大小来调节灯丝恒流源从而使离子源达到需要的稳定工作状态。离子源工作稳定后靶端高压电源开始工作，输入的低电压经过震荡、变压及倍压整流后形成最高-140 kV的直流高压，通过高压反馈系统调节高压值到所需工作电压。靶高压加在中子管靶及加速系统上，使电离后的氘离子加速打在中子管靶端，氘离子与靶膜内的氚发生核反应产生中子：

根据预制靶密封氘氚中子管的组成结构及功能，建立如图 2所示的功能与结构层次对应图。

图 2

图 2 氘氚中子管功能与结构层次对应图 Figure 2 Reciprocal diagram of function and structure of D-T neutron tube

根据预制靶密封氘氚中子管的主要功能，定义中子管主要的故障如下：1)产额下降预期要求的50%，无法达到预期稳定产额；2)真空度下降或丧失；3)绝缘能力下降，高压加载不正常；4)无法产生中子，功能失效。

根据中子管的功能及结构分解，将中子管划分层次如下：

1) 初始约定层次：中子管；

2) 第二约定层次：管体、离子源、氘氚储存器、加速极、靶、二次电子抑制结构；

3) 最低约定层次：a)管体：陶瓷筒体、芯柱盘、靶端瓷环；b)离子源：阴极、阳极、离子源端永磁体、离子源罩；c)氘氚储存器：加热丝、绝缘瓷管、吸气剂；d)靶：靶膜、靶基；e)二次电子抑制结构：靶端永磁体、抑制电阻。

故障影响严酷度等级(Effect Severity Ranking, ESR)是指故障模式可能导致的人员伤亡、任务失败、经济损失和环境损害等方面的影响程度。根据中子管的每个功能故障模式对系统的最终影响程度，定义其严酷度等级和评分标准如表 1所示。

表 1

表 1 氘氚中子管故障模式严酷度定义 Table 1 Severity definition of D-T neutron tube failure mode 类别 Type ESR等级 ESR level ESR评分 ESR marking 定义 Definition Ⅰ 灾难的 Catastrophic 9, 10 引起中子管的主要或关键功能全部丧失，或对环境、人员造成危害 The failure may result in complete unsafe operation and possible multiple deaths Ⅱ 致命的 Critical 7, 8 引起中子管主要或部分关键功能丧失，或造成中子发生器系统其他设备的损坏 Causes a loss of primary function; severe damage in other devices Ⅲ 严重的 Serious 4, 5, 6 引起中子管部分关键性能降低，影响其主要功能的执行 Affects part of the system and its normal operation Ⅳ 轻度的 Minor 1, 2, 3 引起中子管轻度损伤，但不影响主要功能的执行，可能导致非计划性的维护或修理 Cause minor damage which lead to unplanned maintenance, but does not affect the main function

表 1 氘氚中子管故障模式严酷度定义 Table 1 Severity definition of D-T neutron tube failure mode

故障发生概率等级(Occurrence Probability Ranking, OPR)表示故障发生的可能性大小。中子管的每个功能故障模式发生概率等级和评分标准定义如表 2所示。

表 2

表 2 氘氚中子管故障模式发生概率定义 Table 2 Occurrence probability definition of D-T neutron tube failure mode 等级Level OPR评分OPR marking 故障发生的可能性Probability of failure A 9, 10 非常高Very high B 7, 8 高High C 4, 5, 6 中等Moderate D 2, 3 较低Low E 1 极低Remote

表 2 氘氚中子管故障模式发生概率定义 Table 2 Occurrence probability definition of D-T neutron tube failure mode

将每个故障模式的严酷度评分等级乘以故障模式发生概率评分，得到故障模式的风险优先数(Risk Priority Number, RPN)：

RPN的数值越高，表示故障模式的危害性越大，需要在设计和使用过程中重点关注。

根据预制靶密封氘氚中子管的组成结构和故障判据，按照约定层次，确定所有可能的故障模式、故障发生的原因和产生的影响，分析确定每一个故障模式的严酷度和发生概率等级。

第二约定层次管体的FMEA分析结果见表 3。

表 3

表 3 管体FMEA Table 3 FMEA of neutron tube body 名称 Object 故障模式 Failure mode 故障原因 Cause 故障影响 Effect ESR OPR RPN 陶瓷管体 Ceramic tube 表面污染Surface contamination ⑴ ① 2 1 2 高压击穿High-voltage breakdown ⑵ ② 8 1 8 焊缝开裂Weld failure ⑶ ② 8 2 16 芯柱盘Core tray 芯柱断裂Core break ⑷ ② 8 1 8 靶端磁环Magnetic ring at target 焊缝开裂Weld failure ⑷ ② 8 1 8

表 3 管体FMEA Table 3 FMEA of neutron tube body

表 3中⑴~⑷分别为：⑴陶瓷筒体表面接触到污染源；⑵筒体外部绝缘油中的杂质导致内部加速极对管壳外部放电；⑶振动或高温引起变形过大；⑷受到外部冲击或振动。①~②分别为：①管体绝缘性下降；②管体真空环境破坏。

第二约定层次离子源的FMEA分析结果如表 4所示。

表 4

表 4 离子源FMEA Table 4 FMEA of ion source 名称 Object 故障模式 Failure Mode 故障原因 Cause 故障影响 Effect ESR OPR RPN 阴极Cathode 短路Short circuit ⑴ ① 7 3 21 阴极脱落Cathode shedding ⑵ ② 7 1 7 阳极Anode 短路Short circuit ⑴⑶ ① 7 9 63 阳极引线断路Anode lead disconnection ⑷ ② 7 1 7 离子源端永磁体Permanent magnet at ion source 磁通量衰减Magnetic flux attenuation ⑸ ③ 5 3 15 永磁体破损Permanent magnet damage ⑹ ③ 5 2 10 离子源罩 Ion source cover 接地极电场放电异常 Abnormal discharge of grounding electric field ⑺ ④ 6 5 30

表 4 离子源FMEA Table 4 FMEA of ion source

表 4中⑴~⑺分别为：⑴管内真空度过低；⑵离子流过大导致阴极改性；⑶吸气剂脱落产生导电杂质；⑷阳极与芯柱的连接引线焊点脱落；⑸离子流过大导致永磁体裸露；⑹束流过大，高温引起退磁；⑺二次电子轰击导致外表面损伤。①~④分别为：①电离异常；②电离功能丧失；③离子流波动异常；④施加加速电场后，离子流和靶流波动异常。

第二约定层次氘氚储存器的FMEA分析结果如表 5所示。

表 5

表 5 氘氚储存器FMEA Table 5 FMEA of D-T storage 名称 Object 故障模式 Failure mode 故障原因 Cause 故障影响 Effect ESR OPR RPN 加热丝 Heater strip 断路Open circuit ⑴ ① 7 2 14 间歇性短路Intermittent short circuit ⑵ ② 4 3 12 短路Short circuit ⑵ ① 7 2 14 绝缘瓷管 Insulated porcelain tube 瓷管破损Porcelain tube broken ⑶ ① 8 2 16 吸气剂 Getter 局部破损Partial damage ⑶⑷ ③ 6 3 18 脱落 Shedding ⑶⑷ ① 7 2 14

表 5 氘氚储存器FMEA Table 5 FMEA of D-T storage

表 5中⑴~⑷分别为：⑴电流过大导致熔断；⑵电流过大导致熔连，或绝缘瓷管破损；⑶电流过大导致温度突变，引起热失配；⑷吸附杂质气体产生氧化。①~③分别为：①吸、放气功能丧失；②吸、放气能力不稳定；③吸、放气能力下降。

第二约定层次靶的FMEA分析结果见表 6。表 6中⑴~⑷分别为：⑴部件材料除气不彻底，管体密封性下降；⑵靶膜成型时存在缺陷，或靶流过大；⑶离子持续轰击靶膜导致温升过高；⑷离子轰击温度过高。①~③分别为：①靶吸附氘氚气体能力下降；②靶吸附氘氚气体能力丧失；③氦压升高。

表 6

表 6 靶FMEA Table 6 FMEA of target 名称 Object 故障模式 Failure mode 故障原因 Cause 故障影响 Effect ESR OPR RPN 靶膜Target film 部分氧化Partial oxidation ⑴ ① 3 8 24 严重氧化Severe oxidation ⑴ ② 6 6 36 破损Breakage ⑵ ① 3 8 24 脱落Shedding ⑵ ② 6 5 30 释放氦气Release helium ⑶ ③ 4 6 24 靶基Target base 表面热点蚀Surface hot erosion ⑷ ① 2 3 6

表 6 靶FMEA Table 6 FMEA of target

第二约定层次二次电子抑制结构的FMEA分析结果如表 7所示。

表 7

表 7 二次电子抑制结构FMEA Table 7 FMEA of secondary electron suppression structure 名称Object 故障模式Failure mode 故障原因 Cause 故障影响 Effect ESR OPR RPN 靶端永磁体Permanent magnet at target 磁通量衰减Flux attenuation ⑴ ① 5 1 5 抑制电阻Resistive resistance 断路Open circuit ⑵ ② 6 2 12 参数漂移Parameter drift ⑵ ①③ 5 3 15

表 7 二次电子抑制结构FMEA Table 7 FMEA of secondary electron suppression structure

表 7中⑴~⑵分别为：⑴局部温度过高导致退磁；⑵靶流过大，温度过高。①~③分别为：①二次电子抑制能力下降；②二次电子抑制功能丧失；③二次电子抑制能力不稳定。

根据第二约定层次的FMEA分析表中的故障影响和故障模式可分别确定初始约定层次的故障模式和故障原因。由表 3~7可分析得出初始约定层次中子管的FMEA结果如表 8所示。

表 8

表 8 氘氚中子管FMEA Table 8 FMEA of D-T neutron tube 名称 Object 故障模式 Failure mode 故障原因 Cause 故障影响 Effect ESR OPR RPN 管体 Tube 绝缘性下降Insulation degraded ⑴ ① 2 1 2 真空环境破坏Vacuum environmental destruction ⑵ ② 8 3 24 离子源 Ion source 电离异常Abnormal ionization ⑶ ③ 7 9 63 电离功能丧失Ionization ability loss ⑷ ③ 7 1 7 离子流波动异常Abnormal ion flow fluctuations ⑸ ④ 5 3 15 氘氚储存器 D-T storage 吸、放气不稳定Unstable suction and deflation ability ⑹ ④ 4 3 12 吸、放气能力下降Suction and deflation ability degraded ⑺ ④⑤ 6 3 18 吸、放气能力丧失Suction and deflation ability loss ⑻ ③ 8 3 24 加速极 Accelerator supply 高压加载异常Abnormal high-pressure loading ⑼ ⑤ 6 5 30 离子加速、聚焦不稳定Unstable ion acceleration and focusing ⑼ ④ 5 4 20 靶 Target 吸附氘氚气体能力下降Absorbing ability degraded ⑽ ⑥ 3 8 24 吸附氘氚气体能力丧失Absorbing ability loss ⑾ ④ 6 6 36 氦压升高Helium pressure increased ⑿ ⑦ 4 6 24 靶流波动异常Abnormal target flow fluctuation ⒀ ④⑤ 6 6 36 二次电子抑制结构 Secondary electron suppression structure 抑制能力下降Suppression ability degraded ⒁ ④ 5 3 15 抑制能力不稳Suppression ability unstable ⒂ ④ 5 3 15 抑制功能丧失Suppression ability loss ⒃ ④ 6 2 12

表 8 氘氚中子管FMEA Table 8 FMEA of D-T neutron tube

表 8中⑴~⒃分别为：⑴陶瓷筒体表面污染；⑵陶瓷筒体高压击穿、焊缝开裂，芯柱盘芯柱断裂，靶端磁环焊缝开裂；⑶阴极、阳极短路；⑷阴极脱落，阳极引线短路；⑸离子源端永磁体破损或磁通量衰减，离子源罩接地极电场放电异常；⑹加热丝间歇性短路；⑺吸气剂局部破损；⑻加热丝短路、断路，绝缘瓷管破损，吸气剂脱落；⑼加速极表面损伤，陶瓷筒体内部附着杂质；⑽靶膜部分氧化、破损，靶基表面热点蚀；⑾靶膜严重氧化、脱落；⑿靶膜释放氦气；⒀离子源罩接地极电场放电异常；⒁靶端永磁体磁通量衰减，抑制电阻参数漂移；⒂抑制电阻参数漂移；⒃抑制电阻断路。

表 8中①~⑦分别为：①中子管绝缘能力下降；②中子管真空度丧失；③无法产生中子；④无法达到预期稳定中子产额；⑤绝缘能力下降，高压加载不正常；⑥产额下降；⑦真空度下降。

根据表 3~8的FMEA分析结果可知，对于密封氘氚中子管，危害性最大的故障模式为离子源阴极、阳极短路导致的电离异常，造成中子管无法产生中子。造成离子源阴极、阳极短路的主要原因有加工工艺导致的管内真空度过低，或在中子管使用过程中吸气剂脱落产生导电杂质。在设计中应对离子源阴极、阳极短路这一故障模式特别加以关注，可采取改进中子管结构或供气工艺的方式提高管内真空度，并改进吸气剂材料减少其在使用过程中的脱落。

靶膜吸附氘氚气体能力丧失和靶流波动异常也是危害性较大的故障模式，可导致中子管无法达到预期稳定产额。造成靶吸附氘氚气体能力丧失的主要原因有部件材料除气不彻底导致的靶膜严重氧化，或靶膜成型缺陷导致的靶膜脱落，在设计上可考虑采取抗氧化能力更强的靶膜材料，并提高膜基结合力。此外，二次电子轰击导致外表面损伤，可导致离子源罩接地极电场放电异常，使得靶流波动异常。离子持续轰击靶膜导致温升过高，可能使靶膜释放氦气，或在靶基表面形成热点蚀。对于这些故障模式，应在设计上加强二次电子抑制，提高靶膜固氦能力，优化靶基散热结构。

对于氘氚储存器，需要关注加热丝短路或断路、绝缘瓷管破损、吸气剂脱落导致的吸放气功能丧失。由于加热丝短路、断路和绝缘瓷管破损多由电流过大导致，因此在使用过程中应注意规范操作，可适当增加外部电流保护器件。对于吸气剂脱落问题，可选用抗毒化能力强的吸气剂。

加速极表面损伤、陶瓷筒体内部附着杂质导致的加速极高压加载异常也是危害较大的故障模式，应改进工艺，提高筒体表面光洁度。

此外，陶瓷筒体外部绝缘油杂质导致筒体高压击穿，振动、冲击或热变形过大导致的焊缝开裂，芯柱盘芯柱断裂，靶端磁环焊缝开裂等也是中子管在使用中需要注意的故障模式。

本文采用风险优先数法对预制靶密封氘氚中子管开展了FMEA分析，并在此基础上进行了可靠性分析。结果表明：离子源和靶是影响中子管可靠性的关键部件，离子源阴级/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。针对密封氘氚中子管主要故障模式，提出了改进中子管结构、吸气剂和靶膜材料、供气工艺等设计改进方向，为提高中子管的可靠性提供参考。