涂硼電離室中子靈敏度計(jì)算與驗(yàn)證

周治江，武文超，章航洲，王軍成，劉開(kāi)弟，莫雙榮，傅源杰

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都 610005）

0 引言

圖1 圓柱型涂硼中子電離室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of cylindrical boron-coated neutron ionization chamber

反應(yīng)堆堆外中子探測(cè)器將反應(yīng)堆堆外的中子注量及其變化率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸至測(cè)量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、控制及保護(hù)[1]。反應(yīng)堆由啟動(dòng)至滿(mǎn)功率運(yùn)行時(shí)，反應(yīng)堆堆外中子注量率范圍為100～1010n·cm-2·s-1，反應(yīng)堆堆外中子注量率的跨度約為10 個(gè)量級(jí)，單一的中子探測(cè)器不能實(shí)現(xiàn)覆蓋全量程測(cè)量，通常采用源量程、中間量程、功率量程中子探測(cè)器組合實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆堆外中子注量率的監(jiān)測(cè)[1-3]。源量程探測(cè)器采用BF3正比計(jì)數(shù)管或涂硼正比計(jì)數(shù)管，中間量程探測(cè)器采用涂硼補(bǔ)償電離室或者裂變電離室，功率量程采用涂硼電離室或者裂變電離室。裂變電離室由于高豐度的235U 受到管控，材料獲取困難；其次裂變電離室經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間中子活化，其后處理相對(duì)麻煩。涂硼電離室使用10B 材料獲取容易，材料使用無(wú)需取得相應(yīng)授權(quán)，在涂硼電離室反應(yīng)堆中子注量率監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用較為廣泛。

涂硼電離室為反應(yīng)堆運(yùn)行所需的關(guān)鍵設(shè)備，而中子靈敏度為涂硼中子電離室核性能核心的指標(biāo)之一，因此開(kāi)展涂硼中子電離室的核性能計(jì)算與驗(yàn)證研究，為后續(xù)開(kāi)展探測(cè)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 涂硼電離室的結(jié)構(gòu)

涂硼中子電離室按照結(jié)構(gòu)分為平板型、圓柱型、疊片型。圓柱型涂硼中子電離室由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作工藝成熟，在工程應(yīng)用方面應(yīng)用最廣。圖1 為圓柱型涂硼中子電離室結(jié)構(gòu)示意圖。

涂硼中子電離室由：1-接插件；2-引出線(xiàn)纜；3-頂部封頭；4-上絕緣座；5-外管；6-正高壓極管；7-收集極管；8-下絕緣座；9-底部封頭；10-抽氣管組成，正高壓極管的內(nèi)壁和收集極管的外壁涂覆10B 靈敏層，通過(guò)上絕緣座和下絕緣座實(shí)現(xiàn)正高壓極管和收集極管支撐和絕緣，正高壓極管的內(nèi)壁和收集極管外壁構(gòu)成電離室的靈敏腔體；抽氣管實(shí)現(xiàn)對(duì)頂部封頭、外管、底部封頭等部件構(gòu)成的工作腔體內(nèi)氣體注入與密封；引出線(xiàn)纜通過(guò)接插件與外部高壓電源和測(cè)量?jī)x表的連接，實(shí)現(xiàn)工作高壓的輸入和信號(hào)的輸出。

2 中子靈敏度導(dǎo)出和計(jì)算

影響中子靈敏度的參數(shù)有涂硼面積、涂硼豐度、涂硼層厚度、充氣壓力、電極間距、充氣成分等參數(shù)。當(dāng)電極間距一定時(shí)，充氣壓力足夠大時(shí)可保證涂硼電離室的出射粒子完全被收集。不同種類(lèi)的氣體，α 粒子與Li 粒子射線(xiàn)電離能不同，同等能量的粒子沉積到氣體中產(chǎn)生的電荷不同，根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)，目前涂硼中子電離室所用氣體通常用P10（90%氬氣和10%甲烷構(gòu)成）。

2.1 中子靈敏度導(dǎo)出

入射中子與電極表面10B 發(fā)生核反應(yīng)生成的α 粒子和Li 離子，粒子射出硼層使P10氣體分子電離產(chǎn)生電子離子對(duì)；在電離室兩極外加電場(chǎng)作用下，電子離子對(duì)分別向陽(yáng)極和陰極運(yùn)動(dòng)，在電極上出現(xiàn)感應(yīng)電荷形成電流。進(jìn)入平板式電離室靈敏體積的α 粒子或Li 離子將其全部能量沉積在P10氣體中而被探測(cè)，根據(jù)文獻(xiàn)[4]，計(jì)算得到的α 粒子或Li 離子對(duì)電離室探測(cè)效率的貢獻(xiàn)εα和εLi，結(jié)果為：

式（1）和式（2）中，σ 為中子與10B 反應(yīng)截面，n 為原子密度，t0為硼層厚度，Rα為α 粒子在P10氣體中的射程，RLi為L(zhǎng)i 離子在P10氣體中的射程。由式（1）可知，硼層厚度等于α 粒子的射程時(shí)，α 粒子探測(cè)器效率最高。由式（2）可知，硼層厚度等于Li 離子的射程時(shí)，Li 離子的探測(cè)效率最高。

中子靈敏度η 定義為單位注量率φ 的中子輻射場(chǎng)中所產(chǎn)生的累計(jì)電流I，即：

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，當(dāng)t0≤Rα 時(shí)，α 粒子對(duì)探測(cè)器輸出電流貢獻(xiàn)為：

t0≤RLi得到Li 粒子對(duì)探測(cè)器輸出電流貢獻(xiàn)為：

式（4）和式（5）中，S 為涂硼面積，W0為氣體電離能，Eα為α 粒子的能量；SEα為α 粒子的電子阻止本領(lǐng)， ELi為L(zhǎng)i 離子的能量，SE為L(zhǎng)iLi 離子的電子阻止本領(lǐng)，e 為常數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，Eα=1.47MeV 和ELi=0.84MeV，對(duì)應(yīng)的SEα=3.381×102MeV/mm，SELi=7.938×102MeV/mm。

假設(shè)α 粒子或Li 離子探測(cè)器在探測(cè)效率相同時(shí)，探測(cè)器的輸出電流相等。假設(shè)t 為實(shí)際涂硼厚度，當(dāng)t ≤RLi時(shí)，t0=t，代入可得中子靈敏度為：

表1 不同壓力下電離室樣件坪特性測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Measurement data of flat characteristics of ionization chamber samples under different pressure

當(dāng)涂硼厚度Rα>t>RLi時(shí)，對(duì)于Li 離子其等效涂硼厚度為：t0=2RLi-t。代入式中可得中子靈敏度為：

2.2 中子靈敏度計(jì)算

涂硼材料采用豐度為90%富集硼粉，原子密度n=1.297×1023cm-3。圓柱型硼層總表面積為S=3455.8cm2，對(duì)應(yīng)的等效平板型涂硼面積為200cm2。對(duì)于能量為0.025ev 的熱中子，反應(yīng)截面為σ=3.84×10-21cm2，涂硼面密度為0.8mg/cm2，代入式（7）可求出得靈敏度為5.25×10-13A/(cm-2·s-1)。

3 中子靈敏度試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 測(cè)試裝置

測(cè)試裝置為國(guó)防科技工業(yè)5114 二級(jí)計(jì)量站的中子靈敏度校準(zhǔn)裝置。中子靈敏度校準(zhǔn)裝置由線(xiàn)中子源、儲(chǔ)源容器、慢化體、探測(cè)器定位裝置、中子源升降裝置和屏蔽體組成。線(xiàn)中子源由20 顆活度為1.85×1010Bq 的241Am-Be 間隔50mm 依次排列組裝而成；儲(chǔ)源容器用聚乙烯制作而成，用于存放線(xiàn)中子源；慢化體的構(gòu)成材料也是聚乙烯，慢化體用于慢化從放射源發(fā)出的快中子；探測(cè)器定位裝置用于固定中子探測(cè)器和調(diào)節(jié)探測(cè)器與線(xiàn)中子源之間的距離，有效調(diào)節(jié)距離162.5mm ～2210mm；屏蔽體用于屏蔽中子輻射和相關(guān)部件的安裝。中子靈敏度校準(zhǔn)裝置靈敏區(qū)長(zhǎng)度為1000 mm，中子注量率范圍為（10 ～3.9×103）n·cm-2·s-1，靈敏區(qū)中子注量率均勻性＜15%。中子靈敏度校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 中子靈敏度校準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of neutron sensitivity calibration device

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

采用10B 豐度為90%富集硼粉對(duì)正高壓極管內(nèi)表面和收集極管外表面涂覆中子靈敏層，涂硼面密度為0.8mg/cm2，正高壓極管內(nèi)表面和收集極管的外表面總面積為S=3455.8cm2，將涂覆后的電極管組裝成電離室樣件，利用圖2 所示的中子靈敏度校準(zhǔn)裝置對(duì)電離室樣件的坪特性進(jìn)行測(cè)試。電離室樣件依次充裝氣體壓力為0.025MPa、0.06MPa、0.08MPa、0.1MPa、0.16MPa、0.22MPa、0.3MPa的P10氣體，按照GB/T 7164-2004 規(guī)定的中子靈敏度測(cè)試方法分別在注量為2.33×103（n·cm-2·s-1）位置上測(cè)試電離室樣件的坪特性[5]，表1 不同氣體壓力電離室樣件的坪特性測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖3 工作氣體壓力與中子靈敏度的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.3 The neutron sensitivity with the working gas pressure

根據(jù)表1 的測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算出電離室樣件的中子靈敏度，圖3 為工作氣體壓力與中子靈敏度的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖3 可知，隨著氣體壓力增大，沉積于工作氣體的能量增加，產(chǎn)生的電子離子對(duì)增加，致使電離室樣件的中子靈敏度增加；在0.16MPa 以后，粒子的能量完全沉積于工作氣體中，產(chǎn)生的電子趨于飽和，從而使樣件輸出電流飽和，從而使電離室樣件的中子靈敏度趨于穩(wěn)定。

采用10B 豐度為90% 的靈敏材料，按照面密度為0.8mg/cm2，面積為S=3455.8cm2，涂覆的電極管組成的電離室樣件的中子靈敏度為4.01×10-13A/(n·cm-2·s-1)。理論計(jì)算電離室的中子靈敏度為5.25×10-13A/(n·cm-2·s-1)，與理論值偏差約為25%。造成這種問(wèn)題的原因?yàn)椋航槔碚撃Ｐ停c實(shí)際物理過(guò)程存在差異；靈敏材料通過(guò)成膜劑固化于電極管，成膜劑會(huì)阻礙離子射出，造成粒子能量損失。在實(shí)際工程中，選取合適的工作氣體壓力，使電離室的中子靈敏度滿(mǎn)足測(cè)量要求，同時(shí)盡可能減少探測(cè)器內(nèi)部與外部的工作環(huán)境的壓差，利于探測(cè)器的工作氣體注入后密封工藝的實(shí)現(xiàn)，保證制造的探測(cè)器一致性。

4 小結(jié)

本文計(jì)算了涂硼面密度為0.8mg/cm2，涂硼總面積為S=3455.8cm2的涂硼中子電離室的中子靈敏度并開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算偏差約為25%，偏差在可接受范圍。

在探測(cè)器核性能設(shè)計(jì)中，通過(guò)理論計(jì)算結(jié)合工作氣體壓力與中子靈敏度的關(guān)系曲線(xiàn)，選定參數(shù)范圍，開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證確定涂硼面積、面密度、工作氣體壓力等參數(shù)。