一種抗干擾涂硼正比計數管研制

蔣 波，武文超

（中國核動力研究設計院，成都 610213）

0 引言

涂硼正比計數管屬于一種用于熱中子探測的氣體電離室，具有中子靈敏度高、工作電壓較低、使用壽命長、穩定性好的特點，適用于在具有較高溫度、強γ 輻射場的環境中進行中子探測[1,2]。涂硼正比計數管廣泛應用于核電站、船用堆、快中子增殖反應堆、航空航天、以及邊防放射性檢測等領域。目前M310、華龍一號、EPR 等堆型核電站，中國實驗快堆（CEFR）、釷基熔鹽堆（TMSR）、高溫氣冷堆等四代試驗堆堆外核測量系統的源量程探測器均采用涂硼正比計數管[3-5]。涂硼正比計數管作為堆外核測量系統源量程的中子探測器，用于堆芯裝載、反應堆啟動和停堆期間的中子監測，為主控室提供計數率和倍增時間。當中子注量率超過閾值時，向反應堆保護系統提供中子注量率高停堆信號，以限制了反應性增加事故所引發后果的嚴重性，對運行人員掌握堆內狀態及反應堆安全穩定運行具有重要的作用。

堆外核測系統的探測器布置在壓力容器外側，通過測量中子注量率的大小及其變化來判斷反應堆的功率水平及運行狀態。據統計，中國商運機組堆外核測系統共發生10多起運行事件，嚴重影響機組的現場調試和商運，因堆外核測系統故障導致停堆以及調試工期延誤折算成的經濟損失已經遠遠超出堆外核測系統的合同價格[6,7]。涂硼正比計數管輸出為mV 級微弱脈沖信號, 探測器到機柜間的信號電纜傳輸路徑長，信號電纜附近常有高溫、大功率設備，且整個信號傳輸路徑中無信號放大環節，極易受到外部環境的干擾。在中國實驗快堆、高通量工程堆臨界裝置、模式堆調試過程中，均出現由于干擾引起的噪聲將探測器信號完全淹沒的情形，導致源量程通道無法正常工作。因此，涂硼正比計數管對安裝方式、安裝現場的溫度、濕度及電磁環境提出了較高的要求。

引起源量程通道測量異常的因素主要有電磁干擾、接地干擾、環境溫度變化。當前抗干擾的處理方式主要有加金屬管進行電磁屏蔽，探測器及電纜外側纏繞玻璃絲帶或熱縮管等方式進行防接地干擾，探測器安裝位置循環通風降低環境溫度。因反應堆運行時間增長及意外情況發生，核電站運行過程中曾出現過以上抗干擾措施失效的情形，如玻璃絲帶破裂、探測器浸水情況下入起接地干擾。當前涂硼正比計數管的使用環境溫度不超過150℃，四代先進核能系統對涂硼正比計數管的使用環境提出了新的要求[8]。隨著對核電站穩定運行以及四代先進核能系統的迫切需求，亟需開發一種可在更惡劣和具有挑戰性的環境中使用的抗干擾涂硼正比計數管。

1 探測器工作原理及改進方向

涂硼正比計數管采用核反應法測量中子，其結構如圖1 所示。涂硼正比計數管主要由外管、陽極絲、密封頭、抽注氣管、絕緣材料、靈敏層、礦物絕緣電纜等組成。由外管、密封頭形成一個密封的腔體；外管的內壁上通過電泳、原子層沉積、電磁濺射、噴涂等方式將10B 材料附著在表面形成探測中子的靈敏層；陽極絲安裝在腔體的中心，并通過絕緣子實現絕緣、密封；通過抽注氣管將一定壓力的工作氣體注入腔體內。涂硼正比計數管工作時，陽極絲接入正高壓，外管接地，陽極絲與外管間形成電場；中子與10B 發生核反應，產生帶電的Li 離子和α 粒子，Li 離子和α 粒子穿過靈敏層后進入腔體中將工作氣體電離形成帶電粒子，帶電粒子在電場作用下定向漂移，其中帶負電子的電子在經過8 ～9 次的電離碰撞后到達陽極絲，在陽極絲附近通過電子雪崩而產生氣體倍增，最后在陽極絲上輸出脈沖信號，從而實現對中子的探測。

為提高正比計數管的倍增計數，降低工作電壓，增大電場強度，探測器均采用較細的陽極絲[9]。陽極絲在腔體內為一種懸鏈線形式，當溫度變化時導致陽極絲長度發生改變，中間部分由于重力作用而下垂，而陽極絲在腔體內非常小的位置變化會改變陽極和外管間隙，尤其是陽極絲與絕緣材料固定的端部將產生擊穿脈沖，引起干擾。為此，需要陽極絲安裝時初加一個預拉力克服熱脹冷縮的影響，確保陽極絲垂度始終在允許范圍內[8,10]。

圖1 涂硼正比計數管結構示意圖Fig.1 Boron-proportional counting tube structure diagram

涂硼正比計數管一般安裝在探測器孔道或安裝小車內，使用耐輻照的礦物絕緣電纜進行信號輸出。根據核能行業規范，儀表控制系統應遵守單點接地的原則，當屏蔽電纜的屏蔽層也作為信號傳輸線時（如同軸電纜的屏蔽層），只有在末端才允許作為信號的公共零線單點接地[11]。礦物絕緣電纜的芯線及屏蔽層多采用不銹鋼材料，其中芯線與探測器陽極絲連接，屏蔽層與探測器外管連接，芯線作為信號傳輸的“+”端，礦物絕緣電纜的屏蔽層為信號傳輸的“-”端，構成信號傳輸回路。為實現單點接地，當前核電站使用的中子探測器安裝時，需在礦物絕緣電纜外表面纏繞玻璃絲膠帶進行絕緣。由于安裝過程中的磨損、長期運行的老化、意外情況下的浸水等因素將導致玻璃絲膠帶破損，造成兩點接地，地環路產生的感應電勢差會在測量環路引入干擾[12]。反應堆現場有大量的泵、風機、動力電纜，探測器信號傳輸線路極易受到外界電磁干擾，導致不確定的監測結果和系統誤報警[13]。為此，需要對探測器的結構及信號傳輸線路進行改進，提高正比計數管抗電磁干擾、接地干擾的能力。

2 探測器設計

2.1 探測器結構設計

本文設計的抗干擾涂硼正比計數管結構如圖2 所示。探測器由靈敏段和密封段、三同軸礦物絕緣電纜等組成，靈敏段實現對中子的探測，密封段實現信號線引出及工作氣體注入，三同軸礦物絕緣電纜實現高壓引入及信號輸出。探測器外殼、陰極管、陽極絲分別與礦物絕緣電纜外屏蔽層、內屏蔽層、芯線連接。探測器的外殼、陰極管均采用鈦金屬，陽極絲采用鍍金鎢絲，探測器整體采用焊接方式密封；探測器外殼與陰極管，陰極管與陽極絲之間均采用氧化鋁陶瓷進行絕緣、固定；在陰極管的內表面涂覆有95%富集度的硼粉作為靈敏層，實現中子的探測器；陽極絲安裝在陰極管的中心，一端與絕緣子連接，一端與彈簧組件連接，為防止使用過程中陽極絲因溫度增大出現的下垂導致電場強度變化，通過彈簧組件來確保陽極絲保持足夠的張力；陽極絲與絕緣子、絕緣子與陰極管上封頭、三同軸礦物絕緣電纜與密封段上封頭均采用釬焊方式固定；密封段外管上封頭設計有排氣管，實現抽真空及工作氣體注入、密封。

圖2 抗干擾涂硼正比計數管結構圖Fig.2 Anti-jamubol ratio counting tube structure diagram

彈簧組件由陶瓷座、陶瓷墊片、彈簧、黃銅銷針組成。陶瓷座、陶瓷墊片實現陽極絲與陰極管下封頭固定、絕緣，黃銅銷針用于陽極絲固定，彈簧為陽極絲提供合適的張力。陽極絲安裝步驟如下：鍍金鎢絲穿過黃銅銷針后，用壓接工具將銷針壓接，使銷針和陽極絲固定；黃銅銷針上安裝外徑3mm，長度10mm 的10 圈彈簧，然后將其固定在陶瓷座內并加蓋陶瓷墊片；彈簧組件在陰極管下封頭內通過蓋板鎖緊；將探測器垂直放置，使絕緣子處于下側，陽極絲穿過絕緣并上懸掛一定量的重物，賦予陽極絲所需的張力；將陽極絲與絕緣子釬焊連接。可根據鍍金鎢絲的破斷拉力、極限工作溫度條件下陽極絲軸向形變、極限工作溫度條件下陰極管軸向形變、彈簧的彈性系數來確定陽極絲所施加的張力及彈簧壓縮量。

為提高探測抗震動、抗沖擊能力，減少振動對中子計數的影響，需在陰極管與外管之間設置減震措施。在陰極管的上、下陶瓷座均設置3 個防沖擊組件，3 個防沖擊組件以120°角均勻布置。該組件由彈簧和定位球組成，通過防沖擊組件將陰極管固定在中心位置，探測器受到沖擊時，降低徑向沖擊對中子測量的影響。在下陶瓷座與外管下底座之間設置有減震彈簧，安裝時給與彈簧預壓縮的初始力，減小探測器受到軸向震動、顛震的影響。

探測器的外殼與礦物絕緣電纜外屏蔽層焊接在一起形成屏蔽層，能有效防止現場電磁干擾的影響。探測器的陰極管與礦物絕緣電纜內屏蔽層、陽極絲、礦物絕緣電纜芯線構成了信號傳輸回路，信號傳輸回路與探測器外殼、礦物絕緣電纜外屏蔽層均通過氧化鋁陶瓷絕緣，能有效確保探測器處于單點接地方式，有效避免多點接地引入地環流干擾。探測器的外殼與礦物絕緣電纜外屏蔽層采用焊接密封，具有高可靠性的防水、防潮能力。

2.2 探測器其他參數設計

涂硼正比計數管中陰極管內表面靈敏層的厚度，直接影響探測器對中子的探測效率和中子靈敏度。若靈敏層太薄，部分中子未與10B 反應而不能被探測，將大大降低探測的探測效率；若靈敏層太厚，大量中子與10B 反應生成的Li離子和α 粒子在靈敏層內損耗而不能進入工作氣體中，也將降低探測器的中子靈敏度，所以存在一個最佳靈敏層厚度使探測器中子靈敏度最大[14]。通過SRIM 軟件計算Li 離子和α 粒子在靈敏層內的射程，推導出探測效率隨靈敏層厚度的變化關系曲線。當靈敏層厚度為3μm，即靈敏層的質量厚度約為0.7mg/cm2時，探測器的探測效率最高。涂硼工藝主要影響靈敏層的均勻性及探測器產品質量的一致性，探測器產品的靈敏層制作工藝主要有陽極電泳涂硼、微量噴涂。采用專用裝置進行微量噴涂可提高探測器靈敏層的均勻性，制作的探測器中子靈敏層厚度一致性優于陽極電泳涂硼方式。對陰極管噴砂、酸洗處理后，可增強靈敏層的附著力，進一步提高靈敏層均勻度。

涂硼正比計數管的電場分布、倍增系數、最小工作電壓與陽極絲直徑、陰極管內徑、工作氣體壓力相關。通過理論分析和Diethorn 公式進行相關參數計算，推導涂硼正比計數管陽極絲附近約化電場分布、最小工作電壓隨陽極絲直徑變化曲線、最小工作電壓隨陰極管內徑變化曲線、不同工作氣壓力下倍增因子與陽極絲直徑變化曲線[15]。最小工作電壓隨陽極絲直徑和陰極管內徑增大而增大，但隨陰極管內徑變化較緩慢；陽極絲直徑減小可增大其附近電場；降低工作氣體壓力可增大氣體分子的自由程，增加次級電子產生數目而增大倍增因子。因此，通過選取較細的陽極絲、降低工作氣體壓力可降低探測器的工作電壓，優化其放大性能。綜合考慮，選取25μm 的鍍金鎢絲作為陽極絲，探測器內部充滿26kPa 工作氣體（95%Ar+5%CO2）。

3 性能測試

測試涂硼正比計數管的信號地與屏蔽管之間的絕緣電阻，絕緣電阻大于1GΩ，滿足使用要求。將探測器置于電磁閥附近，電磁閥動作時，未觀測到干擾脈沖。對涂硼正比計數管進行熱循環測試，在熱循環前后對涂硼正比計數管的絕緣電阻和坪特性進行測試。將探測器處于高溫環境下，并在附近放置一個慢化中子源，觀測探測器輸出信號，測試期間未發現擊穿脈沖。探測器工作電壓小于1000V，坪長大于100V。

4 結論

通過改進涂硼正比計數管結構、陽極絲安裝方式，提高了涂硼正比計數管抗電磁干擾、接地干擾、振動、沖擊、環境溫度變化的能力，可用于核電站堆外核測量系統源量程中子注量率測量，四代堆型在高溫場合下中子注量率監測，邊防放射性檢測等領域。