淺析單晶硅輻照中子注量在線測量信號刻度的影響因素

王云波 操節(jié)寶 鄒鵬 徐濤忠

【摘 要】使用自給能中子探測器在線監(jiān)測單晶硅受照熱中子注量時，需要對其測量信號（電流值）進行刻度。由于探測器無法布置在硅體上，導致其信號刻度的影響因素較多且復雜。為保證刻度的準確性，本文對影響自給能中子探測器和單晶硅位置的熱中子注量率分布及中子能譜的因素進行了簡要梳理和分析，并提出了一些刻度試驗策略。

【關(guān)鍵詞】單晶硅;自給能中子探測器;信號刻度

中圖分類號： O774 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）03-0192-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.079

Brief Analysis on the Influence Factors of Signal Calibration for On-line Measurement of Neutron Flux Irradiated on Single Crystalline Silicon

WANG Yun-bo CAO Jie-bao ZOU Peng XU Tao-zhong WANG Hao

（Nuclear Power Institute of China， Chengdu Sichuan 610005，China）

【Abstract】When the self-powered neutron detector is used to on-line monitor the thermal neutron flux irradiated on single crystalline silicon， the measurement signal （current value） is needed to be calibrated. Since the detector cannot be installed on silicon ingot， the influence factors of signal calibration are numerous and complicated. In order to ensure the accuracy of calibration， the factors influenced on the distribution of thermal neutron flux and neutron spectrum were briefly organized and analyzed in this paper. In addition， some strategies of calibration test were given.

【Key words】Single crystal silicon; Self-powered neutron detector; Signal calibration

0 前言

單晶硅中子嬗變摻雜（Neutron transmutation doping，NTD）是研究堆的重要應(yīng)用之一，其摻雜原理是通過靶核30Si俘獲中子后衰變生成31P雜質(zhì)，核反應(yīng)過程表示如下[1]：

30Si（n，？酌）31Si→（β-）31P（T1/2=2.62h）

為保證單晶硅的摻雜精度，需要精確控制其輻照熱中子注量，并達到輻照目標值。因此，需對單晶硅輻照期間的熱中子注量率進行準確測定。目前，常采用活化箔方法和自給能中子探測器（Self-powered neutron detector，SPND）對其進行測量[1]。前一種方法屬于離線測量法，該方法具有測量精度高、靈活性好、對中子場擾動小等諸多優(yōu)點，但無法測量熱中子注量率隨時間的變化。后一種方法屬于在線測量法，能夠在線監(jiān)測熱中子注量率的變化，并實時給出單晶硅的輻照熱中子注量，進而在線判斷其是否達到輻照目標值。

SPND是一種結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、體積小，且不需要外加電源的固體探測器，能夠固定在堆內(nèi)進行長時間的測量工作[2]。然而，單晶硅輻照期間要繞軸向進行旋轉(zhuǎn)，因此該探測器無法布置在單晶硅體上，導致探測器與硅體位置不同。反應(yīng)堆內(nèi)不同位置的中子場具有一定差異，并且這種差異會隨著一些因素（如控制棒位移動、堆芯裝載變化、燃料元件的燃耗等）的變化而變化，導致SPND測量信號（電流值）與硅體受照熱中子注量率的關(guān)系參數(shù)數(shù)值并不恒定。為保證二者關(guān)系參數(shù)的準確性，有必要對這些影響因素進行梳理和分析。

1 測量原理及刻度方法

1.1 測量原理

SPND主要由發(fā)射體、絕緣體和收集極等三部分組成，如圖1所示。其中，發(fā)射體是中子靈敏體，靶核俘獲中子后生成活化核，并發(fā)射β-粒子（（n， β）反應(yīng)），或者發(fā)射γ射線后經(jīng)光電效應(yīng)或康普頓響應(yīng)產(chǎn)生電子（（n，γ，e）反應(yīng)），進而形成測量信號（電流）[2]。另外，堆內(nèi)γ射線同樣也會與其發(fā)生作用產(chǎn)生電子（即（γ，e）反應(yīng)），形成干擾信號。收集極用于收集由發(fā)射體發(fā)射出的β-粒子或電子，而絕緣體則是為了保證收集極與發(fā)射體之間的絕緣性。

SPND輸出信號為電流值，不能直接反映待測位置的熱中子注量率絕對值，因此，需要對其進行刻度，并確定刻度因子。本文所涉及的刻度因子定義為SPND輸出信號（電流值）與單晶硅受照熱中子注量率絕對值的比值。

1.2 刻度方法

在刻度SPND的中子靈敏度時，通常采用兩種方法，即絕對刻度法和相對刻度法[2]。絕對刻度法是將SPND和活化箔或絲（如Co、Au等材料）同時放入同一中子場進行照射，將SPND輸出信號（電流值）除以活化法確定的熱中子注量率絕對值得到中子靈敏度。相對刻度法則是將待刻度的SPND和標準的SPND（中子靈敏度已知）同時放入中子場進行照射，將前者的輸出電流值除以后者的電流值，再乘以標準SPND的中子靈敏度便可得到待刻度SPND的中子靈敏度。

活化箔法具有測量精度高、位置分辨率好、對中子場擾動小、不受γ射線場干擾等優(yōu)點，可保證絕對刻度法的刻度結(jié)果準確性較好。但該方法不能實時給出刻度結(jié)果，且耗時較長。相對刻度法可實時給出刻度結(jié)果，但待刻度SPND與標準SPND所在位置的中子場難以保證相同，且彼此對其中子場有一定擾動，因此需要對刻度結(jié)果進行修正。

針對單晶硅受照熱中子注量的在線監(jiān)測，通常采用絕對刻度法對SPND輸出信號進行刻度[1]。單晶硅輻照期間，為保證其受照熱中子注量率徑向分布的均勻性，通常使其繞軸向勻速旋轉(zhuǎn)。因此，SPND不能布置在單晶硅體上，而活化箔或絲的布置不受硅體運動的影響。為了使SPND靠近硅體，一般將其布置在輻照孔道壁上。由于SPND和硅體所處位置不同，二者的受照熱中子注量率及中子能譜存在一定差異。因此，在確定SPND輸出信號的刻度因子時，必須考慮SPND和硅體位置的熱中子注量率及中子能譜的變化。

2 分析及討論

2.1 影響因素

由1.2節(jié)的討論可知，如果SPND和單晶硅體位置的熱中子注量率分布及中子能譜受到影響，其刻度因子便會發(fā)生變化。這些影響因素大致可歸納為：單晶硅體徑向尺寸變化、控制棒位的移動、堆芯裝載的變化、燃料元件的燃耗、相鄰輻照孔道靶件或樣品的裝載或提取等。除此之外，還要考慮SPND發(fā)射體自身燃耗導致刻度因子的變化。

2.2 中子能譜響應(yīng)差異

堆內(nèi)的熱中子、超熱中子和快中子對單晶硅目標核素30Si生成31P雜質(zhì)均具有貢獻，但快中子反應(yīng)截面非常?。ㄒ妶D2），只需要關(guān)注熱中子和超熱中子貢獻即可。同理，活化箔或SPND發(fā)射體靶核素（如59Co、 103Rh等）也主要對熱中子和超熱中子靈敏。因此，單晶硅、活化箔或SPND發(fā)射體靶核的活化反應(yīng)率可認為由熱中子和超熱中子兩部分組成，使用式（1）表示[1]：

2.3 單晶硅體徑向尺寸變化

單晶硅體的中子吸收能力和慢化能力不同于反應(yīng)堆冷卻劑或慢化劑（如輕水），因此，當單晶硅體占據(jù)一部分冷卻劑空間后，該區(qū)域的中子能譜和中子注量率會發(fā)生相應(yīng)變化，硅體尺寸（直徑）越大該變化越明顯。并且，不同尺寸的硅體對SPND位置的中子場擾動也是不同的。因此，對于不同尺寸的單晶硅體，SPND的信號刻度因子并不同。

為了準確確定不同尺寸硅體對應(yīng)的SPND信號刻度因子，可在反應(yīng)堆操作和堆芯環(huán)境無明顯變化的情況下，將若干活化箔或絲布置在不同尺寸硅體上，確定其輻照期間的熱中子注量率測量值及SPND輸出電流值，進而建立刻度因子隨硅體尺寸的變化關(guān)系。

2.4 控制棒位移動

反應(yīng)堆運行期間，需要不斷調(diào)節(jié)控制棒位，而棒位的變化會導致堆芯中子注量率分布及中子能譜發(fā)生變化。因此，SPND輸出信號的刻度因子不可避免也會發(fā)生變化，需要準確確定刻度因子隨控制棒位的變化關(guān)系?？梢罁?jù)實際情況在多個控制棒位下，選擇尺寸相同的單晶硅體布置若干活化箔或絲進行輻照，獲取輻照期間SPND的輸出電流值，并確定熱中子注量率的活化法測量值，進而建立刻度因子隨控制棒位的變化關(guān)系。

2.5 堆芯裝載變化及元件燃耗

當反應(yīng)堆堆芯裝載變動較大或元件燃耗深度相差較大時，堆芯中子注量率分布及中子能譜也會發(fā)生變化。為了減少刻度試驗的工作量，可依據(jù)實際情況選取三個控制棒位，并使用同一尺寸的硅體進行刻度試驗，將刻度結(jié)果與堆芯裝載變動或元件燃耗顯著變化前的刻度因子進行比較，確定相對關(guān)系，進而確定其余控制棒位下的刻度因子。

2.6 相鄰孔道環(huán)境變化

堆內(nèi)輻照靶件或樣品的中子反應(yīng)截面通常較大，因此，當與硅體相鄰的輻照孔道中靶件或樣品裝載或取出時，SPND和硅體位置的中子注量率分布及中子能譜勢必會發(fā)生變化。針對該影響因素，可選擇與2.5節(jié)相同的刻度試驗策略，確定相鄰孔道環(huán)境變化后不同控制棒位下的刻度因子。

總體而言，使用SPND在線監(jiān)測單晶硅受照熱中子注量率時，由于影響刻度因子的一些堆內(nèi)因素的變化難以準確量化，并且，這些影響因素的變化并不是單一的，而是相互疊加的，無法保證在針對某一因素進行刻度試驗時，其它因素保持不變。為了保證刻度因子的準確性，在針對某一因素下進行刻度試驗時，可盡量選擇其它因素變化較平緩的階段。同時，還應(yīng)定期進行刻度試驗，并對刻度因子進行校核。

3 結(jié)論

使用SPND在線監(jiān)測單晶硅受照熱中子注量時，由于SPND與硅體在堆內(nèi)處于不同位置，導致信號刻度因子的影響因素較多且復雜，增加了刻度因子的誤差來源。為了保證刻度因子的準確性，除了SPND中子靈敏體自身燃耗外，本文對堆內(nèi)影響因素進行了一些梳理和分析，并提出了一些針對不同影響因素的刻度試驗策略。

【參考文獻】

[1]Neutron Transmutation Doping of Silicon at Research Reactors[M].Vienna： International Atomic Energy Agency， 2012.

[2]BS IEC 61468：2000.Nuclear Power Plants In-core Instrumentation Characteristics and Test Methods of Self-powered Neutron Detectors[S].