壓水堆微型裂變室中子探測器的設(shè)計驗證

柴生正，黎宏塊，李崇劍，吳 昊，張繼付，溫都蘇

（中廣核研究院有限公司 北京分公司，北京 100086）

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)核電機組的大力建設(shè)，堆芯中子探測器長期依賴國外進口，研發(fā)國產(chǎn)堆芯中子探測器的需求變得異常的迫切。為了滿足國內(nèi)壓水堆核電機組堆芯中子探測器國產(chǎn)化需求，中廣核研究院設(shè)立堆芯中子探測器國產(chǎn)化的研發(fā)項目。

中子是一種不帶電的粒子。中子探測器的工作原理是：中子與某種核產(chǎn)生反應(yīng)時放出帶電粒子，帶電粒子在氣體中運動時產(chǎn)生氣體電離，通過測量氣體電離量來確定中子注量率水平。圖1探測器工作區(qū)域展示了氣體電離的工作機理，曲線表示兩電極間氣體在受到裂變碎片電離后，在電極上收集到的離子數(shù)與電極間電壓的關(guān)系。其中，Ⅰ區(qū)表示生成的離子在被電極收集到以前，就部分復(fù)合了。隨著電壓的升高，離子重新復(fù)合的概率越來越低。Ⅱ區(qū)表示所產(chǎn)生的離子全部被電極收集到，稱飽和電離電流區(qū)。在一個相當(dāng)寬的電壓變化范圍內(nèi)，收集到的離子數(shù)僅與中子注量率成正比而與電壓無關(guān)，即出現(xiàn)一個“坪”。電離室就工作在這個“坪”的范圍內(nèi)。此時探測器的電流與中子注量率成正比關(guān)系，通過測量探測器的電流就可計算出對應(yīng)的中子注量率。

本文驗證的探測器就是基于這個原理研發(fā)的，該探測器采用圓柱式平行電極，封裝在不銹鋼外殼內(nèi)，接合處通過絕緣設(shè)計，使漏電流最小。中心電極與外殼之間電阻高達1012Ω以上，這種結(jié)構(gòu)的好處是靈敏體處的電場均勻，由γ引起的電流在探測器電流占比較小，對熱中子產(chǎn)生的電流容易進行甄別。

此次驗證試驗主要是為了驗證探測器的國產(chǎn)化的制造過程和工藝，為之后的改進提供經(jīng)驗積累，早日實現(xiàn)國產(chǎn)探測器的供貨。通過驗證，完善和提升制造過程。驗證試驗的結(jié)果基本實現(xiàn)了預(yù)期試驗設(shè)計，為后續(xù)的驗證試驗的改進積累了經(jīng)驗，給探測器的制造過程和工藝改進提供了良好的輸入。

1 設(shè)計要求

見表1。

表1 探測設(shè)計參數(shù)Table 1 Probe design parameters

2 總體設(shè)計

見圖2。

國產(chǎn)探測器結(jié)構(gòu)包含裂變室探測器和驅(qū)動電纜兩部分?？紤]到國產(chǎn)探測器與目前在運的壓水堆核電機組的適用性，探測器外徑尺寸4.7（±0.05）mm。為了避免探測器在使用過程中出現(xiàn)卡澀的問題，探測器長度尺寸66mm，靈敏體長度27mm。如圖2所示，探測器部分由裂變室及其他零部件組成。裂變室的金屬部分選用304L不銹鋼，靈敏體部分選用豐度＞90%的235U鍍層，用于絕緣的部分選用高純氧化鋁陶瓷。探測器部分的作用是進入堆芯不同高度位置時，采集由靈敏體與熱中子裂變反應(yīng)電離工作氣體產(chǎn)生的電流。

驅(qū)動電纜由螺旋電纜和同軸電纜組成，螺旋電纜的材質(zhì)選用耐磨的合金鋼材料，外徑尺寸4.7（±0.05）mm，同軸電纜的材料選用304L不銹鋼和高純氧化鋁陶瓷。螺旋電纜用于輸送探測器進出堆芯，同軸電纜用于采集和傳輸電流信號到監(jiān)控系統(tǒng)。

3 電氣性能測試

1）測試環(huán)境要求

室溫，濕度＜70%。

探測器放置于金屬屏蔽箱內(nèi)，屏蔽箱接地，并且減少人員靠近測試設(shè)備和屏蔽箱。

2）測試地點

國內(nèi)某研究所。

3）探測器

一支國產(chǎn)探測器，一支對比探測器。

4）測試設(shè)備

靜電計，連接電纜選用絕緣≥1012Ω，導(dǎo)體電阻50Ω的同軸電纜，500×600×250可以接地的金屬屏蔽箱、萬用表。

5）測試電路

將探測器放置于金屬屏蔽箱內(nèi)，屏蔽箱接地，具體接線如圖3所示。

6）測試方法

按照測試電路示意圖連接測試電路，使用靜電計施加150V電壓，讀取并記錄探測器的電流值，使用R=U/I公式計算出探測器的絕緣電阻值。

7）測試結(jié)果

測試結(jié)果見表2，兩支探測器的絕緣電阻都大于1012Ω。國產(chǎn)探測器滿足設(shè)計要求。

表2 絕緣電阻測試結(jié)果Table 2 Insulation resistance test results

4 核性能測試

探測器的核性能測試內(nèi)容包含兩部分：一部分是在γ源下的探測器的γ感應(yīng)度；另一部分是在熱中子輻射源下的探測器的坪特性，即測試并計算探測的坪斜、探測器的熱中子靈敏度以及探測器的線性。

驗證試驗選用兩支探測器進行測試，一支國產(chǎn)探測器，另一支為對比探測器。對比探測器選用目前國內(nèi)壓水堆核電機組在用的進口探測器，選用對比探測器的目的不僅可以作為測試結(jié)果與國產(chǎn)探測器測試結(jié)果進行對比，同時因為對比探測器是已標(biāo)定了熱中子靈敏度的探測器，在測試時可以通過計算獲得慢化后的熱中子注量率。

4.1 γ感應(yīng)度測試[4]

1）測試環(huán)境要求

室溫，濕度＜70%。

2）測試地點

中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所。

3）探測器

一支國產(chǎn)探測器，一支對比探測器。

4）γ源

γ源使用中國科學(xué)院應(yīng)用物理研究所的60Co源，源強度11000Gy/h。

5）測試設(shè)備

靜電計，連接電纜選用絕緣≥1012Ω，導(dǎo)體電阻50Ω的同軸電纜、萬用表。

6）測試方法

啟動靜電計預(yù)熱30min以后，用靜電計測試1GΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻和空氣。測試電阻時，電壓設(shè)定為150V，查看測試結(jié)果，確定測試設(shè)備正常穩(wěn)定后，按圖2測試電路示意圖連接靜電計與探測器，探測器置于設(shè)定的位置處，在不啟動γ源的情況下，測量并記錄探測器的電流值，測試電壓150V。開啟γ源，測量并記錄γ源輻照下，探測器的電流值，依據(jù)公式γ感應(yīng)度 = 探測器電流/γ源強度計算出探測器的γ感應(yīng)度。

7）測試結(jié)果

測試結(jié)果見表3，兩支探測器的γ感應(yīng)度都滿足＜2×10-12A/Gy/h。國產(chǎn)探測器的γ感應(yīng)度滿足設(shè)計要求。

表3 γ感應(yīng)度測試結(jié)果Table 3 γ Sensitivity test results

4.2 坪特性及線性度[4]測試

1）測試環(huán)境要求

室溫，濕度＜70%。

探測器放置于金屬屏蔽箱內(nèi)，屏蔽箱接地，并且減少人員靠近測試設(shè)備和屏蔽箱。

2）測試地點

國內(nèi)某研究所。

3）探測器

一支國產(chǎn)探測器，一支對比探測器。對比探測器除了作為國產(chǎn)探測器驗證試驗參考之外，還能對熱中子注量率進行實時測量。

4）中子源

中子源為國內(nèi)某研究所型號KT-400的加速器，加速器產(chǎn)生的中子產(chǎn)額最高2×1014［n/( cm2/s)］。由于加速器產(chǎn)生的中子能譜不是熱中子能譜，需要對加速器產(chǎn)生的中子進行慢化，通過計算慢化體選用聚乙烯材料。

5）測試設(shè)備

靜電計，連接電纜選用絕緣≥1012Ω，導(dǎo)體電阻50Ω的同軸電纜，500×600×250可以接地的金屬屏蔽箱、萬用表、KT-400加強器。

6）測試電路

探測器放置于金屬屏蔽箱內(nèi)，金屬屏蔽箱接地，在加速器靶頭與屏蔽箱之間放置慢化體，使用50Ω電纜（絕緣大于1TΩ）連接靜電計與探測器。

7）測試方法[1-3,5]

啟動靜電計預(yù)熱30min以后，用靜電計測試1GΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻和空氣。測試電阻時，電壓設(shè)定為150V，查看測試結(jié)果，確定測試設(shè)備正常穩(wěn)定后，按圖4測試電路示意圖連接靜電計與探測器。探測器置于設(shè)定的位置處，在不啟動加速器中子源的情況下，依次測量50V～195V下的探測器電流值并記錄，以5V為一個電壓間隔，完成加速器測試前的測試環(huán)境及探測器本底的測試。

啟動加速器，將加速器的計數(shù)率在200～2000范圍內(nèi)依次增加，以200為一個間隔增加并穩(wěn)定，測量并記錄150V電壓下探測器的電流值，完成探測器的線性測試，不同中子計數(shù)率下的線性計算公式d=[(In-Ip)/In]×100%。其中，In為理論電流值；Ip為實測電流值。理論電流值通過坪特性測試結(jié)果標(biāo)定的熱中子靈敏度與對應(yīng)的等效熱中子注量率的乘積獲得。

將加速器的中子計數(shù)率穩(wěn)定在2000后，依次測量50V～195V下的探測器電流值并記錄，以5V為一個電壓間隔，完成探測器的坪特性測試。坪斜p=[(I175-I125)×100]/50×I150，其中，I175為坪特性測試中175V電壓下的探測器電流值；I125為坪特性測試中125V電壓下的探測器電流值；I150為坪特性測試中150V電壓下的探測器電流值，公式分母中的50為175V～125V的差值即坪長，利用上邊公式即可計算出探測器的坪斜。熱中子靈敏度s=I150/φ，φ為坪特性測試的熱中子注量率，可通過加速器的計數(shù)率計算獲得或者通過已經(jīng)標(biāo)定了熱中子靈敏度的對比探測器計算獲得，計算公式：φ=I150/s對比探測器。

8）探測器本底電流測試結(jié)果

圖5所示為兩支探測器的本底測試結(jié)果，縱坐標(biāo)為電流坐標(biāo)軸，橫坐標(biāo)為電壓坐標(biāo)軸，紅色曲線為對比探測器電流隨電壓變化曲線，黑色曲線為國產(chǎn)探測器電流隨電壓變化曲線。本底電流測試過程中無中子源。從兩條曲線可以看出，兩支探測器的變化趨勢都是隨電壓的升高而電流變大，兩支探測器的變化趨勢基本一致。由于電流非常小，測量設(shè)備極易受到外部的干擾。排除這些干擾因素，從測試結(jié)果來看，國產(chǎn)探測器的本底電流是基本滿足后續(xù)坪特性和線性測試要求的。

9）探測器線性測試結(jié)果

圖6所示為兩支探測器的線性測試結(jié)果，縱坐標(biāo)為電流坐標(biāo)軸，橫坐標(biāo)為加速器計數(shù)率坐標(biāo)軸，紅色曲線為對比探測器電流隨加速器計數(shù)率變化曲線，黑色曲線為國產(chǎn)探測器電流隨加速器計數(shù)率變化曲線。線性測試過程中，電壓為150V不變。

從兩條曲線可以看出，國產(chǎn)探測器在200～1400計數(shù)率范圍，電流表現(xiàn)出的是隨計數(shù)率的升高而升高。在1600計數(shù)率時突然變小，之后1800～2000計數(shù)率范圍電流又開始升高。對比探測器在200～1400計數(shù)率范圍，電流表現(xiàn)出的是隨計數(shù)率的升高而降低。在1600～2000計數(shù)率范圍電流又開始升高，導(dǎo)致這樣的結(jié)果可能是在200～1600的加速器計數(shù)率下，探測器的電流與本底電流結(jié)果無法甄別，中子產(chǎn)生的電流是增益的效果，本底電流變化趨勢在中子輻射，環(huán)境溫度濕度的變化以及環(huán)境中的靜電等電磁干擾的因素下，表現(xiàn)的趨勢不確定，有可能是增益的變化或者是相反的變化。但是，兩支探測器在加速器計數(shù)率1600～2000的范圍內(nèi)，電流隨計數(shù)率的增加而升高。因此，在這個范圍探測器的線性測試結(jié)果更具有可信性，測試結(jié)果比較符合預(yù)期。

10）探測器坪特性測試結(jié)果

圖7所示為兩支探測器的坪特性測試結(jié)果，縱坐標(biāo)為電流坐標(biāo)軸，橫坐標(biāo)為電壓坐標(biāo)軸，紅色曲線為對比探測器電流隨電壓變化曲線，黑色曲線為國產(chǎn)探測器電流隨電壓變化曲線。坪特性測試過程中加速器計數(shù)率為2000不變，等效熱中子注量率6.5×106［n/(cm2/s)］

從兩條曲線可以看出，兩支探測器在50V～100V電壓范圍，排除突變點，電流隨電壓的升高都是升高趨勢；在100V～150V電壓范圍，電流隨電壓的升高表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的趨勢；在150V～195V電壓范圍，電流隨電壓的升高先突然下降后逐漸升高。因此，坪特性測試結(jié)果基本滿足預(yù)期。

5 總結(jié)

從探測器的驗證試驗結(jié)果來看，探測器的電氣性能和γ感應(yīng)度能夠充分驗證，探測器的坪特性、熱中子靈敏度以及線性只能做到定性驗證。為了能充分驗證探測器的坪特性、熱中子靈敏度以及線性，還需要在以下幾個方面進行改進：

1）具備更高熱中子注量率的中子源（＞109[n/(cm2/s)]）

由于加速器產(chǎn)生的等效熱中子注量率只有6.5×106[n/(cm2/s)]，在這個數(shù)量級下，由熱中子產(chǎn)生的電流約0.01nA與探測器的本底電流相當(dāng)。因此，測試結(jié)果很難甄別出由熱中子產(chǎn)生的電流，測試結(jié)果極易受測試環(huán)境的本底影響。

2）更高穩(wěn)定的測試環(huán)境

由于電流較小，測試環(huán)境本底對測試結(jié)果影響較大，主要表現(xiàn)在對測試設(shè)備以及探測器本身的影響。因此，在不具備更高注量率的中子源的條件下，測試環(huán)境的穩(wěn)定對測試極為關(guān)鍵。

總體而言，探測器在加速器上的核特性測試還是必要的。雖然不能充分驗證探測器的核特性，但是可以在更高熱中子注量率的反應(yīng)堆上驗證前，對探測器的核特性進行定性的判斷，對于探測器的設(shè)計驗證有一定的意義，對后續(xù)的驗證提供了經(jīng)驗積累。