雷柏茂，李江燕，梁佩博，楊林森，孫 強(qiáng)

(1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實驗室，廣東 廣州 510610；3.電子信息產(chǎn)品可靠性分析與測試技術(shù)國家地方聯(lián)合工程中心，廣東 廣州 510610；4.北京信成科技集團(tuán)，北京 100038)

中子管作為可控中子源的核心關(guān)鍵部件，在石油測井、在線成分分析、中子照相、爆炸物與毒品檢測等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-5]。由于國外在高性能長壽命中子管技術(shù)上對我國實行嚴(yán)格的技術(shù)封鎖，國產(chǎn)中子管技術(shù)在中子產(chǎn)額、高溫穩(wěn)定性和可靠性等方面與國外相比還具有一定差距，國產(chǎn)中子管的可靠性尚不能完全滿足各行業(yè)的使用需求[6-9]。因此，對中子管的潛在故障風(fēng)險進(jìn)行分析評估，針對中子管薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，對提高中子管的可靠性水平具有重要的參考價值。

影響中子管可靠性的因素較多，故障模式及影響分析是一種重要的可靠性分析方法，該方法通過分析系統(tǒng)所有可能的故障模式、故障發(fā)生的原因及故障產(chǎn)生的影響，對故障嚴(yán)酷度、發(fā)生度和檢測度進(jìn)行評分，從而求出風(fēng)險順序數(shù)[10-12]。然而，對于不同的系統(tǒng)和部件，故障嚴(yán)酷度、發(fā)生度和檢測度對風(fēng)險的貢獻(xiàn)程度不盡相同，系統(tǒng)中不同部件的故障對系統(tǒng)風(fēng)險的貢獻(xiàn)程度也不同。傳統(tǒng)故障模式及影響分析方法無法體現(xiàn)貢獻(xiàn)程度的差別，對故障嚴(yán)酷度、發(fā)生度和檢測度進(jìn)行評分的主觀性較大，存在一定的局限性。

模糊綜合評判法采用模糊數(shù)學(xué)的分析方法，將風(fēng)險數(shù)據(jù)采用模糊集進(jìn)行描述，并結(jié)合層次分析法考慮部件和評判因素對系統(tǒng)風(fēng)險的貢獻(xiàn)程度，采用加權(quán)方法對故障風(fēng)險進(jìn)行模糊綜合分析，能有效解決傳統(tǒng)故障模式及影響分析方法難以對模糊概念進(jìn)行精確定量評價、受主觀影響較大的問題，在許多行業(yè)得到了較廣泛的應(yīng)用[13-16]。

本文在分析中子管結(jié)構(gòu)組成和主要故障模式的基礎(chǔ)上，采用模糊綜合評判和層次分析法對中子管故障進(jìn)行多級模糊綜合評判，并開展故障風(fēng)險評估，為進(jìn)一步改進(jìn)中子管設(shè)計、提高其可靠性水平提供參考依據(jù)。

1 中子管組成結(jié)構(gòu)及故障模式

1.1 中子管組成結(jié)構(gòu)

中子管是將離子源、加速極、靶等結(jié)構(gòu)全部密封在管體中構(gòu)成的一種典型的電真空器件，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括管體、離子源、氘氚儲存器、加速極、靶和二次電子抑制結(jié)構(gòu)等。工作時，氘氚儲存器加熱釋放的氘氚混合氣體在離子源陽極高壓及磁場作用下發(fā)生電離形成等離子體，加速極和離子源之間的高壓電場從離子源等離子體中引出并加速氘氚混合束轟擊在靶上，與靶上注入的氘氚發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生中子，反應(yīng)方程為：

(1)

(2)

圖1 中子管組成結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schemtic of structure for neutron tube

D-D反應(yīng)釋放出能量約為2.5 MeV的快中子，D-T反應(yīng)釋放出能量約為14 MeV的快中子。

中子管管體提供了密閉的真空環(huán)境和高壓絕緣條件并支撐管內(nèi)各部件。氘氚儲存器存儲中子管工作所需的氘氚氣體，工作時通過吸放氣控制管內(nèi)氣壓。離子源產(chǎn)生等離子體束并使其有效引出。加速極提供中子管工作時所需的高壓引出電場。靶是氚源及中子產(chǎn)生場所，同時導(dǎo)出離子束流轟擊靶膜時產(chǎn)生的熱量。二次電子抑制結(jié)構(gòu)抑制并降低束流在轟擊靶面時產(chǎn)生的二次電子，起到降低無效靶流的作用。

1.2 中子管主要故障模式

中子管故障主要表現(xiàn)為無法達(dá)到預(yù)期穩(wěn)定產(chǎn)額、真空度下降或喪失、絕緣能力下降、無法產(chǎn)生中子等。根據(jù)中子管的組成結(jié)構(gòu)和功能可分析得知，管體故障主要表現(xiàn)為密封性或絕緣性喪失；離子源故障主要是電離功能異?；騿适?、離子流異常波動；氘氚儲存器故障主要是吸、放氣能力異?；騿适В患铀贅O故障主要是高壓電場加載異常，離子加速、聚焦不穩(wěn)定等；靶故障主要是吸附氘氚氣體能力下降、不穩(wěn)定或喪失，靶流異?；蚝荷?；二次電子抑制結(jié)構(gòu)的故障主要表現(xiàn)為二次電子抑制能力下降、不穩(wěn)定或喪失。中子管的主要故障模式如圖2所示。

圖2 中子管故障模式Fig.2 Failure mode of neutron tube

2 評估模型及方法

本文采用模糊綜合評判和層次分析法對中子管故障進(jìn)行風(fēng)險評估。模糊綜合評判法基于模糊數(shù)學(xué)，對不方便量化的系統(tǒng)合成模糊關(guān)系，將一些模糊因素定量化，從而對多個因素進(jìn)行評判。該方法可定量地研究和處理客觀存在的模糊因素，充分考慮因素的中間過渡狀態(tài)。層次分析法是一種對多目標(biāo)進(jìn)行分析決策的方法，將1個多目標(biāo)的復(fù)雜問題分解成若干個因素，并按關(guān)系分組形成層次結(jié)構(gòu)，從而確定層次中各因素的相對重要性。

本文采用的評估模型和方法[17-20]如下。

1) 確定隸屬度矩陣R

通過專家調(diào)查對評價指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到每個評價指標(biāo)的對應(yīng)模糊評語頻率，將歸一化頻率作為每個評價指標(biāo)對應(yīng)模糊評語的隸屬度，從而建立隸屬度矩陣R：

(3)

2) 確定相對權(quán)重

采用層次分析法確定復(fù)雜系統(tǒng)各評價指標(biāo)的相對權(quán)重。對于評價指標(biāo)ux和uy(x=1，2，…，m，y=1，2，…，m)，可按照表1所列的九標(biāo)度指標(biāo)重要程度判斷表來確定它們之間的相對重要程度。

表1 九標(biāo)度指標(biāo)重要程度判斷表Table 1 Nine-scale judgement of indicator important degree

由以上定義，對于任意的評價指標(biāo)ux和uy，按九標(biāo)度指標(biāo)重要程度判斷表有axy=1/ayx。對于系統(tǒng)的m個評價指標(biāo)，可構(gòu)造m×m判斷矩陣A：

(4)

可按式(5)計算判斷矩陣的特征值λ：

AX=λX

(5)

其中，X為特征向量。當(dāng)判斷矩陣A具有完全一致性的條件下，有唯一非零、最大的特征值λmax=m。一般情況下，判斷矩陣A的最大特征值λmax稍大于矩陣階數(shù)m，且其余特征根接近于0。

為了保證應(yīng)用層次分析法得到的評價指標(biāo)相對權(quán)重基本合理，需進(jìn)行一致性檢驗?？砂词?6)計算一致性指標(biāo)CI：

(6)

根據(jù)一致性指標(biāo)CI計算一致性比例CR，即：

(7)

其中，RI為平均一致性指標(biāo)，它與m有關(guān)，具體取值列于表2。

表2 平均一致性指標(biāo)值Table 2 Indicator value of average consistency

3) 確定模糊綜合評判集

(8)

其中，⊙表示廣義模糊合成運(yùn)算。

本文選取的模糊算子bj為：

(9)

4) 模糊綜合評判

模糊綜合評判集B是一模糊向量，不夠直觀。為了直觀而明確地表達(dá)評判結(jié)果，采用模糊等級向量C=[c1，c2，…，cn]將模糊向量清晰化，將其轉(zhuǎn)化為一簡單分?jǐn)?shù)作為模糊綜合評判值Z。

Z=B·CT

(10)

3 中子管故障多級模糊綜合評判

按照圖1所示的中子管故障層次結(jié)構(gòu)，進(jìn)行多級模糊綜合評判。建立二級評價指標(biāo)和模糊評語(表3)。采用層次分析法得到中子管故障二級評價指標(biāo)的相對權(quán)重(表4)。

表3 中子管故障二級評價指標(biāo)和模糊評語Table 3 Secondary evaluation indicator and fuzzy comment of neutron tube failure

表4 中子管故障二級評價指標(biāo)判斷矩陣及相對權(quán)重Table 4 Secondary evaluation indicator judgement matrix and relative weight of neutron tube failure

3.1 管體故障模糊綜合評判

根據(jù)專家調(diào)研情況統(tǒng)計管體故障一級評價指標(biāo)各模糊評語出現(xiàn)的概率，構(gòu)建隸屬度矩陣。中子管管體故障一級評價指標(biāo)各評語的隸屬度矩陣列于表5。采用層次分析法得到的中子管管體故障一級評價指標(biāo)的判斷矩陣及相對權(quán)重列于表6。

根據(jù)中子管管體故障一級評價指標(biāo)的隸屬度矩陣及相對權(quán)重，按照式(8)、(9)進(jìn)行一級模糊綜合評判，得到的結(jié)果為管體故障二級評價指標(biāo)評語的隸屬度矩陣。再結(jié)合表4的二級評價指標(biāo)相對權(quán)重，按照式(8)、(9)進(jìn)行二級模糊綜合評判，得到模糊綜合評判集。本文中取模糊風(fēng)險等級向量C=[90，70，50，30，10]，代入式(10)，可得中子管管體故障的二級模糊綜合評判集的清晰化結(jié)果為Z=48.417，對照表3可知管體故障的風(fēng)險等級為中等。

3.2 離子源故障模糊綜合評判

根據(jù)專家調(diào)研結(jié)果，中子管離子源故障一級評價指標(biāo)各評語的隸屬度矩陣列于表7。采用層次分析法得到的中子管離子源故障一級評價指標(biāo)的判斷矩陣及相對權(quán)重列于表8。

表5 中子管管體故障一級評價指標(biāo)評語的隸屬度矩陣Table 5 Membership degree matrix of primary evaluation indicator comment for neutron tube body failure

表6 中子管管體故障一級評價指標(biāo)判斷矩陣及相對權(quán)重Table 6 Primary evaluation indicator judgement matrix and relative weight of neutron tube body failure

表7 中子管離子源故障一級評價指標(biāo)評語的隸屬度矩陣Table 7 Membership degree matrix of primary evaluation indicator comment for neutron tube ion source failure

表8 中子管離子源故障一級評價指標(biāo)判斷矩陣及相對權(quán)重Table 8 Primary evaluation indicator judgement matrix and relative weight of neutron tube ion source failure

根據(jù)中子管離子源故障一級評價指標(biāo)的隸屬度矩陣及相對權(quán)重，按照式(8)、(9)進(jìn)行一級模糊綜合評判，得到離子源故障二級評價指標(biāo)評語的隸屬度矩陣，再結(jié)合表4的二級評價指標(biāo)相對權(quán)重，按照式(8)、(9)進(jìn)行二級模糊綜合評判，得到模糊綜合評判集。中子管離子源故障的二級模糊綜合評判集的清晰化結(jié)果為Z=41.431，對照表3可知離子源故障的風(fēng)險等級為中等。

3.3 氘氚儲存器故障模糊綜合評判

根據(jù)專家調(diào)研結(jié)果，中子管氘氚儲存器故障一級評價指標(biāo)各評語的隸屬度矩陣列于表9。采用層次分析法得到的中子管氘氚儲存器故障一級評價指標(biāo)的判斷矩陣及相對權(quán)重列于表10。

表9 中子管氘氚儲存器故障一級評價指標(biāo)評語的隸屬度矩陣Table 9 Membership degree matrix of primary evaluation indicator comment of neutron tube D-T storage failure

表10 中子管氘氚儲存器故障一級評價指標(biāo)判斷矩陣及相對權(quán)重Table 10 Primary evaluation indicator judgement matrix and relative weight of neutron tube D-T storage failure

根據(jù)中子管氘氚儲存器故障一級評價指標(biāo)的隸屬度矩陣及相對權(quán)重，按照式(8)、(9)進(jìn)行一級模糊綜合評判，得到的結(jié)果為氘氚儲存器故障二級評價指標(biāo)評語的隸屬度矩陣。再結(jié)合表4的二級評價指標(biāo)相對權(quán)重，按照式(8)、(9)進(jìn)行二級模糊綜合評判，得到模糊綜合評判集。中子管氘氚儲存器故障的二級模糊綜合評判集的清晰化結(jié)果為Z=51.995，對照表3可知氘氚儲存器故障的風(fēng)險等級為中等。

3.4 加速極故障模糊綜合評判

根據(jù)專家調(diào)研結(jié)果，中子管加速極故障一級評價指標(biāo)各評語的隸屬度矩陣列于表11。采用層次分析法得到的中子管加速極故障一級評價指標(biāo)的判斷矩陣及相對權(quán)重列于表12。

表11 中子管加速極故障一級評價指標(biāo)評語的隸屬度矩陣Table 11 Membership degree matrix of primary evaluation indicator comment of neutron tube acceleration pole failure

表12 中子管加速極故障一級評價指標(biāo)判斷矩陣及相對權(quán)重Table 12 Primary evaluation indicator judgement matrix and relative weight of neutron tube acceleration pole failure

根據(jù)中子管加速極故障一級評價指標(biāo)的隸屬度矩陣及相對權(quán)重，按照式(8)、(9)進(jìn)行一級模糊綜合評判，得到加速極故障二級評價指標(biāo)評語的隸屬度矩陣。再結(jié)合表4的二級評價指標(biāo)相對權(quán)重，按照式(8)、(9)進(jìn)行二級模糊綜合評判，得到模糊綜合評判集。中子管加速極故障的二級模糊綜合評判集的清晰化結(jié)果為Z=51.037，對照表3可知加速極故障的風(fēng)險等級為中等。

3.5 靶故障模糊綜合評判

根據(jù)專家調(diào)研結(jié)果，中子管靶故障一級評價指標(biāo)各評語的隸屬度矩陣列于表13。采用層次分析法得到的中子管靶故障一級評價指標(biāo)的判斷矩陣及相對權(quán)重列于表14。

表13 中子管靶故障一級評價指標(biāo)評語的隸屬度矩陣Table 13 Membership degree matrix of primary evaluation indicator comment of neutron tube target failure

表14 中子管靶故障一級評價指標(biāo)判斷矩陣及相對權(quán)重Table 14 Primary evaluation indicator judgement matrix and relative weight of neutron tube target failure

根據(jù)中子管靶故障一級評價指標(biāo)的隸屬度矩陣及相對權(quán)重，按照式(8)、(9)進(jìn)行一級模糊綜合評判，得到靶故障二級評價指標(biāo)評語的隸屬度矩陣。再結(jié)合表4的二級評價指標(biāo)相對權(quán)重，按照式(8)、(9)進(jìn)行二級模糊綜合評判，得到模糊綜合評判集。中子管靶故障的二級模糊綜合評判集的清晰化結(jié)果為Z=54.871，對照表3可知靶故障的風(fēng)險等級為中等。

3.6 二次電子抑制結(jié)構(gòu)故障模糊綜合評判

根據(jù)專家調(diào)研結(jié)果，中子管二次電子抑制結(jié)構(gòu)故障一級評價指標(biāo)各評語的隸屬度矩陣列于表15。采用層次分析法得到的中子管二次電子抑制結(jié)構(gòu)故障一級評價指標(biāo)的判斷矩陣及相對權(quán)重列于表16。

表15 中子管二次電子抑制結(jié)構(gòu)故障一級評價指標(biāo)評語的隸屬度矩陣Table 15 Membership degree matrix of primary evaluation indicator comment of neutron tube secondary electron suppression structure failure

表16 中子管二次電子抑制結(jié)構(gòu)故障一級評價指標(biāo)判斷矩陣及相對權(quán)重Table 16 Primary evaluation indicator judgement matrix and relative weight of neutron tube secondary electron suppression structure failure

根據(jù)中子管二次電子抑制結(jié)構(gòu)故障一級評價指標(biāo)的隸屬度矩陣及相對權(quán)重，按照式(8)、(9)進(jìn)行一級模糊綜合評判，得到二次電子抑制結(jié)構(gòu)故障二級評價指標(biāo)評語的隸屬度矩陣。再結(jié)合表4的二級評價指標(biāo)相對權(quán)重，按照式(8)、(9)進(jìn)行二級模糊綜合評判，得到模糊綜合評判集。中子管二次電子抑制結(jié)構(gòu)故障的二級模糊綜合評判集的清晰化結(jié)果為Z=38.677，對照表3可知二次電子抑制結(jié)構(gòu)故障的風(fēng)險等級為較小。

4 中子管故障風(fēng)險評估

根據(jù)中子管故障模糊綜合評判結(jié)果，中子管除二次電子抑制結(jié)構(gòu)的潛在故障風(fēng)險等級為較小外，其他部件潛在故障的風(fēng)險等級均為中等，總體故障模糊風(fēng)險水平為中等水平。中子管故障風(fēng)險列于表17，故障風(fēng)險前3位的部件為靶、氘氚儲存器和加速極。

表17 中子管故障風(fēng)險Table 17 Risk of neutron tube failure

中子管靶潛在故障總體故障風(fēng)險為中等。根據(jù)表14的分析結(jié)果，對中子管靶應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注靶釋放氦氣、靶膜氧化等故障，可分別導(dǎo)致中子管氦壓升高、靶吸附氘氚氣體能力下降或喪失，從而導(dǎo)致中子管無法達(dá)到預(yù)期穩(wěn)定產(chǎn)額。可考慮采取抗氧化能力更強(qiáng)的靶膜材料，并提高靶膜固氦能力，同時優(yōu)化靶基散熱結(jié)構(gòu)，避免靶膜溫升過高，減少氦氣的釋放。

中子管氘氚儲存器潛在故障總體故障風(fēng)險為中等。根據(jù)表10的分析結(jié)果，對中子管氘氚儲存器應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注吸氣劑局部破損、絕緣瓷管破損等故障，這些故障可導(dǎo)致吸、放氣能力下降或喪失，從而導(dǎo)致中子管無法達(dá)到預(yù)期穩(wěn)定中子產(chǎn)額。由于吸氣劑局部破損、絕緣瓷管破損多由電流過大導(dǎo)致，因此在使用過程中應(yīng)注意規(guī)范操作，可適當(dāng)增加外部電流保護(hù)器件。

中子管加速極潛在故障總體故障風(fēng)險為中等。根據(jù)表12的分析結(jié)果，對中子管加速極應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注離子加速、聚焦不穩(wěn)定的故障，這些故障可導(dǎo)致中子管無法達(dá)到預(yù)期穩(wěn)定產(chǎn)額，其通常由加速極表面損傷、陶瓷筒體內(nèi)部附著雜質(zhì)引起，可考慮改進(jìn)工藝，提高筒體表面光潔度。

5 結(jié)論

本文采用模糊綜合評判和層次分析法對中子管開展了故障風(fēng)險評估，結(jié)果表明：中子管總體故障風(fēng)險水平中等，故障風(fēng)險前3位的部件為靶、氘氚儲存器和加速極，在設(shè)計和使用中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注靶釋放氦氣，靶膜氧化，氘氚儲存器吸氣劑局部破損，絕緣瓷管破損，加速極離子加速、聚焦不穩(wěn)定等故障。