電離室電路耐輻照性能研究

羅鵬李忠良馮冬安寧李源

電離室電路耐輻照性能研究

羅鵬1，李忠良1，2，馮冬1，安寧1，李源1

（1.陜西秦洲核與輻射安全技術(shù)有限公司，陜西 西安 710054；2.西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049）

核電廠一回路管線周圍的輻射劑量水平較高，其工藝監(jiān)測用輻射探測器在設(shè)計時需要考慮其電子學(xué)電路耐輻照性能。為了評估電子學(xué)電路累積γ劑量與其工作特性之間的關(guān)系，通過實驗測試了無輻射屏蔽加固與有輻射屏蔽加固兩種情況下電離室電路的耐輻射能力，為電路耐輻照加固提供參考。

電離室；耐輻射；電路；核電廠

1 概述

電離室探測器作為一種技術(shù)成熟的電離輻射探測器，在核電廠輻射監(jiān)測中有著廣泛的應(yīng)用。目前大量的電離室探測器被用于反應(yīng)堆堆內(nèi)測量、一回路泄漏測量等[1]，這些應(yīng)用場所均屬于高輻射環(huán)境。但是電離室探測器內(nèi)置電路的耐輻射能力制約了該設(shè)備在高輻射場合的應(yīng)用。解決這個難題有兩種方法，一種解決方式是使用電纜將內(nèi)置電路外移，但環(huán)境電磁場會干擾電子學(xué)信號；另一種解決方式是采取防護(hù)措施，對探測器電路進(jìn)行耐輻照加固。本文通過實驗對電離室電路的耐輻射特性及輻照加固措施展開研究，對于解決電離室抗干擾問題，提高電離室探測器的穩(wěn)定性有重要意義。

2 電離室測量原理

電離室探測器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理為γ射線入射電離室后，會造成電極間的氣體電離，形成的電子和正離子對。通過給極間加高壓形成電場，在電場作用下電子產(chǎn)生漂移，最后收集到電極上，電極產(chǎn)生感生電荷在輸出回路中形成電離電流[2]。后端電路將電流信號放大，并將電流信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號輸出。在此過程中探測電路是探測器內(nèi)唯一包含電子元件的部位，也是對高劑量輻射最為敏感的 部件。

圖1 探測器結(jié)構(gòu)示意圖

探測電路采用I-F變換電路[3]，其中充電電容和放大器負(fù)責(zé)將電離室輸入的電流進(jìn)行累積和放大，比較器和觸發(fā)電路負(fù)責(zé)將電流信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號，放電開關(guān)負(fù)責(zé)接收放電信號并對充電電容放電。當(dāng)電離室輸出的電流越大，則放電頻率越高，輸出脈沖頻率也越高，進(jìn)而反映出輻射場強(qiáng)度 信息。探測電路原理如圖2所示。

圖2 探測電路原理框圖

3 輻照試驗

3.1 試驗方法

核電廠一回路管線設(shè)備輻射場能量偏高，主要的劑量率的射線能量在600 keV以上。為了能夠真實模擬核電廠堆內(nèi)及一回路管線周圍設(shè)備的輻射場效應(yīng)，本文采用平均能量為1.25 MeV的60Co輻射場對電路耐輻照性能進(jìn)行測試[4]。對于電路耐輻照加固，可通過增加鉛合金或鎢合金材料組件的方法進(jìn)行。為了測試該方法對于探測器電路防護(hù)是否有效，本文設(shè)計了2組試驗，即一組為無鉛塊防護(hù)，另一組為安裝鉛塊防護(hù)，觀察記錄電路輸出脈沖的變化情況。

無鉛塊防護(hù)電離室電路耐輻照測試如圖3所示，60Co源活度為5 000 Ci，電路輻照區(qū)域劑量均勻性優(yōu)于94%，輻射劑量率為30 Gy/h。探測器電路安裝在電離室內(nèi)，探測器外殼和電離室腔室能夠阻擋一部分入射射線。為了保證探測電路輸入信號穩(wěn)定，避免輻射劑量率變化對輸入信號的影響，使用外置電流源作為電路輸入源。電路60Co輻照試驗照片如圖4所示。

圖3 探測電路60Co輻照試驗示意圖

圖4 電路60Co輻照試驗照片

安裝鉛塊防護(hù)電離室電路耐輻照試驗如圖5所示，探測器內(nèi)增加一組厚度為20 mm的鉛塊，輻射劑量率為 100 Gy/h，其他試驗條件與上組相同。

圖5 防護(hù)探測電路輻照試驗示意圖

3.2 試驗結(jié)果

無鉛塊防護(hù)電離室電路輻照試驗情況如圖6所示。電路累積劑量在0～82 Gy區(qū)段，脈沖計數(shù)率變化幅度較小，變化率為﹣1.44%，累積劑量在82～255 Gy區(qū)段，脈沖計數(shù)率呈上升趨勢，變化率最高達(dá)到了60.4%。累積劑量達(dá)到 257 Gy時，脈沖計數(shù)率瞬時降為0，經(jīng)檢查電路放大器失效無法正常工作。

圖6 電路60Co輻射試驗計數(shù)率趨勢圖

安裝鉛塊防護(hù)電離室電路輻照試驗情況如圖7所示，試驗照射累計4 085 Gy。電路累積劑量在0～2 430 Gy區(qū)段，脈沖計數(shù)率變化率在﹣11%～﹣4.83%之間，脈沖計數(shù)與累計劑量近似線性下降趨勢。累計劑量在2 430～2 990 Gy區(qū)段，脈沖計數(shù)率變化率在﹣49%～﹣40%之間，計數(shù)率下降幅度增大，在2 990～4 085 Gy區(qū)間，脈沖計數(shù)率出現(xiàn)大幅擾動，變化率在﹣66%～28%之間。在試驗結(jié)束時電路仍能輸出脈沖。整理2項試驗的數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。其中，可用累計劑量參考國標(biāo)[5]中對于輻射探測器統(tǒng)計漲落的要求，探測器計數(shù)率變異系數(shù)小于20%視為可用。

圖7 防護(hù)電路輻照試驗計數(shù)率趨勢圖

表1 耐輻照試驗測試結(jié)果

試驗對象受照累積劑量/Gy受照劑量率/（Gy·h﹣1）受照時間/h可用累積劑量/Gy 探測器內(nèi)電路255308.5142 防護(hù)電路4 085100402 430

4 結(jié)論

對耐輻照試驗的結(jié)果進(jìn)行分析，無鉛塊防護(hù)電路和安裝鉛塊防護(hù)電路在輻照后輸出均發(fā)生變化。無鉛塊防護(hù)電路最終失效，安裝鉛塊防護(hù)電路在大劑量輻照后仍可輸出脈沖，可用累計劑量同樣高于無鉛塊防護(hù)電路。綜合來看安裝鉛塊防護(hù)可有效改善電路的耐輻照特性。通過電離室電路的輻照試驗，對探測器電路的耐輻照特性進(jìn)行了研究，為改進(jìn)電離室探測器結(jié)構(gòu)和電路的設(shè)計提供了參考。

［1］孫光智，王益元，李亞堅，等.核電站事故后監(jiān)測電離室設(shè)計方法研究［J］.艦船技術(shù)，2011，33（8）：145-148.

［2］吳治華，齊卉荃.原子核物理實驗方法［M］.北京：原子核能出版社，1996：73-74.

［3］吳瑞生，任枕海，張永明，等.n-γ電離室輸出電流測量中I-F變換器的設(shè)計［J］.核電子學(xué)與探測技術(shù)，2001，21（6）：468-470.

［4］劉立業(yè).基于高純鍺探測器的核電廠一回路系統(tǒng)輻射源項就地γ譜測量［J］.輻射防護(hù)，2015，35（5）：257-261.

［5］西安核儀器廠.GB/T 14054—2013 輻射防護(hù)儀器能量在50 keV～7 MeV的Χ和γ輻射固定式劑量率儀、報警裝置和監(jiān)測儀［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

2095－6835（2020）10－0038－02

TL81

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.10.015

羅鵬（1980—），男，碩士，總工程師，高級工程師，主要從事輻射探測與輻射防護(hù)技術(shù)研究。

李忠良（1982—），男，博士研究生在讀，注冊核安全工程師，主要從事輻射探測技術(shù)研究。

〔編輯：張思楠〕