壓水堆微型裂變室中子探測器的設計驗證

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，隨著國內核電機組的大力建設，堆芯中子探測器長期依賴國外進口，研發國產堆芯中子探測器的需求變得異常的迫切。為了滿足國內壓水堆核電機組堆芯中子探測器國產化需求，中廣核研究院設立堆芯中子探測器國產化的研發項目。

中子是一種不帶電的粒子。中子探測器的工作原理是：中子與某種核產生反應時放出帶電粒子，帶電粒子在氣體中運動時產生氣體電離，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與電極間電壓的關系。其中，Ⅰ區表示生成的離子在被電極收集到以前，就部分復合了。隨著電壓的升高，離子重新復合的概率越來越低。Ⅱ區表示所產生的離子全部被電極收集到，稱飽和電離電流區。在一個相當寬的電壓變化范圍內，收集到的離子數僅與中子注量率成正比而與電壓無關，即出現一個“坪”。電離室就工作在這個“坪”的范圍內。此時探測器的電流與中子注量率成正比關系，通過測量探測器的電流就可計算出對應的中子注量率。

本文驗證的探測器就是基于這個原理研發的，該探測器采用圓柱式平行電極，封裝在不銹鋼外殼內，接合處通過絕緣設計，使漏電流最小。中心電極與外殼之間電阻高達1012Ω以上，這種結構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化的制造過程和工藝，為之后的改進提供經驗積累，早日實現國產探測器的供貨。通過驗證，完善和提升制造過程。驗證試驗的結果基本實現了預期試驗設計，為后續的驗證試驗的改進積累了經驗，給探測器的制造過程和工藝改進提供了良好的輸入。

1 設計要求

見表1。

表1 探測設計參數Table 1 Probe design parameters

2 總體設計

見圖2。

國產探測器結構包含裂變室探測器和驅動電纜兩部分。考慮到國產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電離工作氣體產生的電流。

驅動電纜由螺旋電纜和同軸電纜組成，螺旋電纜的材質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控系統。

3 電氣性能測試

1）測試環境要求

室溫，濕度＜70%。

探測器放置于金屬屏蔽箱內，屏蔽箱接地，并且減少人員靠近測試設備和屏蔽箱。

2）測試地點

國內某研究所。

3）探測器

一支國產探測器，一支對比探測器。

4）測試設備

靜電計，連接電纜選用絕緣≥1012Ω，導體電阻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，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）測試結果

測試結果見表2，兩支探測器的絕緣電阻都大于1012Ω。國產探測器滿足設計要求。

表2 絕緣電阻測試結果Table 2 Insulation resistance test results

4 核性能測試

探測器的核性能測試內容包含兩部分：一部分是在γ源下的探測器的γ感應度；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，一支國產探測器，另一支為對比探測器。對比探測器選用目前國內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果與國產探測器測試結果進行對比，同時因為對比探測器是已標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感應度測試[4]

1）測試環境要求

室溫，濕度＜70%。

2）測試地點

中國科學院上海應用物理研究所。

3）探測器

一支國產探測器，一支對比探測器。

4）γ源

γ源使用中國科學院應用物理研究所的60Co源，源強度11000Gy/h。

5）測試設備

靜電計，連接電纜選用絕緣≥1012Ω，導體電阻50Ω的同軸電纜、萬用表。

6）測試方法

啟動靜電計預熱30min以后，用靜電計測試1GΩ標準電阻和空氣。測試電阻時，電壓設定為150V，查看測試結果，確定測試設備正常穩定后，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，依據公式γ感應度 = 探測器電流/γ源強度計算出探測器的γ感應度。

7）測試結果

測試結果見表3，兩支探測器的γ感應度都滿足＜2×10-12A/Gy/h。國產探測器的γ感應度滿足設計要求。

表3 γ感應度測試結果Table 3 γ Sensitivity test results

4.2 坪特性及線性度[4]測試

1）測試環境要求

室溫，濕度＜70%。

探測器放置于金屬屏蔽箱內，屏蔽箱接地，并且減少人員靠近測試設備和屏蔽箱。

2）測試地點

國內某研究所。

3）探測器

一支國產探測器，一支對比探測器。對比探測器除了作為國產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

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

5）測試設備

靜電計，連接電纜選用絕緣≥1012Ω，導體電阻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，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]

啟動靜電計預熱30min以后，用靜電計測試1GΩ標準電阻和空氣。測試電阻時，電壓設定為150V，查看測試結果，確定測試設備正常穩定后，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境及探測器本底的測試。

啟動加速器，將加速器的計數率在200～2000范圍內依次增加，以200為一個間隔增加并穩定，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果標定的熱中子靈敏度與對應的等效熱中子注量率的乘積獲得。

將加速器的中子計數率穩定在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率計算獲得或者通過已經標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果

圖5所示為兩支探測器的本底測試結果，縱坐標為電流坐標軸，橫坐標為電壓坐標軸，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，測量設備極易受到外部的干擾。排除這些干擾因素，從測試結果來看，國產探測器的本底電流是基本滿足后續坪特性和線性測試要求的。

9）探測器線性測試結果

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

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

10）探測器坪特性測試結果

圖7所示為兩支探測器的坪特性測試結果，縱坐標為電流坐標軸，橫坐標為電壓坐標軸，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出相對穩定的趨勢；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，坪特性測試結果基本滿足預期。

5 總結

從探測器的驗證試驗結果來看，探測器的電氣性能和γ感應度能夠充分驗證，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)]）

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

2）更高穩定的測試環境

由于電流較小，測試環境本底對測試結果影響較大，主要表現在對測試設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，測試環境的穩定對測試極為關鍵。

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，對于探測器的設計驗證有一定的意義，對后續的驗證提供了經驗積累。