多節(jié)點微口袋裂變電離室信號串?dāng)_的抑制

尹振羽,言 杰,陳鴻飛,溫中偉,何 遙

(中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所,四川 綿陽 621000)

核反應(yīng)堆堆芯中子注量率是反映核反應(yīng)堆運行狀態(tài)的重要參數(shù)之一,堆芯中子注量率的實時在線監(jiān)測對于保障核反應(yīng)堆堆芯安全運行極其重要。此外,對于研究堆,輻照樣品處的中子注量率是評價材料輻照性能的關(guān)鍵參數(shù)。因此,長期以來,適應(yīng)核反應(yīng)堆堆芯環(huán)境的微型中子注量率探測器一直是相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點。21世紀(jì)初,堪薩斯州立大學(xué)(KSU)首次提出了一種微口袋裂變電離室(micro-pocket fission detector, MPFD)的設(shè)計概念[1]。這種MPFD探測器設(shè)計利用了陶瓷耐高溫、耐輻照,同時還是良好的電真空絕緣材料等的特點,采用陶瓷基的半導(dǎo)體加工工藝,使得MPFD的幾何尺寸小至mm量級。因此,可將多個MPFD組合,形成多節(jié)點的微型裂變室探測器陣列,與研究堆中的輻照樣品緊貼,對輻照樣品處的中子注量率進(jìn)行實時準(zhǔn)確的原位測量[2-3]。經(jīng)過十幾年的不斷研發(fā),先后開發(fā)了平板電極結(jié)構(gòu)[4-5]及平行導(dǎo)線電極疊片式結(jié)構(gòu)[6],并在KSU的TRIGA MARK-Ⅱ反應(yīng)堆、麻省理工學(xué)院MITR研究堆和CEA MINERE零功率反應(yīng)堆上開展了多節(jié)點陣列的集成和測試[7]。

對于平行導(dǎo)線電極疊片式結(jié)構(gòu)的多節(jié)點MPFD,由于結(jié)構(gòu)尺寸小,限制了探測器內(nèi)部各節(jié)點的信號讀出電極導(dǎo)線之間的距離。在探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理的情況下各節(jié)點之間會產(chǎn)生一定的信號串?dāng)_,即在其中一個MPFD節(jié)點中產(chǎn)生的帶電粒子除在本節(jié)點的信號讀出電極上產(chǎn)生信號外,也會在MPFD內(nèi)其他節(jié)點對應(yīng)的電極上感應(yīng)出相仿的測量信號[8],這將可能導(dǎo)致探測器對裂變事件的計數(shù)率失真(脈沖模式)或電流幅度失真(電流模式和均方根模式),從而影響MPFD測量堆芯中子注量率數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此,能否降低串?dāng)_信號的干擾是衡量這種多節(jié)點MPFD探測器性能的重要指標(biāo)。串?dāng)_信號的幅度受探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的因素影響,利用軟件對串?dāng)_信號的極性和脈沖幅度進(jìn)行模擬計算,可為MPFD探測器設(shè)計提供理論指導(dǎo)。本工作設(shè)計一種3節(jié)點的MPFD探測器,利用Garfield蒙特卡羅軟件包,并結(jié)合離子電離能損計算軟件SRIM和有限元電場計算方法,針對與產(chǎn)生串?dāng)_信號緊密相關(guān)的各電極權(quán)重電場分布,氣體電離及電荷漂移等方面對該MPFD的串?dāng)_信號產(chǎn)生過程進(jìn)行模擬研究,并研制3節(jié)點MPFD探測器樣機,利用MPFD內(nèi)部的濃縮235U鍍層衰變發(fā)射的4.775 MeV的α粒子輸出信號對兩個節(jié)點之間的信號串?dāng)_進(jìn)行實驗測試。

1 MPFD設(shè)計概念

2004年,KSU首先提出MPFD的設(shè)計概念[9],其基本結(jié)構(gòu)類似于一個平板電極結(jié)構(gòu)的裂變電離室,如圖1所示。不同的是,1個MPFD基本單元由3個陶瓷基片疊在一起,上、下兩個陶瓷基片分別鍍易裂變材料和金屬電極,分別作為探測中子的靈敏材料和收集信號的收集極,中間陶瓷基片中空,充入工作氣體后形成裂變電離室的氣室。此外,MPFD并不依賴于裂變碎片將全部能量沉積在氣體口袋內(nèi),這使得它的裂變室節(jié)點體積更小,同時它還能獲得足夠的能量以區(qū)分中子與本底輻射,裂變室甄別本底射線的能力并不隨電離室尺寸的減小而降低[10]。由于尺寸變小,其內(nèi)部電離電荷的漂移距離明顯小于其他探測器,這使得它能更快清除電荷并由此達(dá)到較其他裂變室更高的計數(shù)率測量范圍。

為實現(xiàn)對試驗研究堆中待輻照樣品不同位置處的中子注量率進(jìn)行同時測量,KSU研制平板電極結(jié)構(gòu)的第1代MPFD后又開發(fā)了平行導(dǎo)線電極結(jié)構(gòu)的第2代MPFD,在同一根探測器封裝套管內(nèi)的不同位置處布置4～5個裂變室節(jié)點[11-12],并成功用于堆芯中子注量率測量[13-14]。

圖1 MPFD的設(shè)計概念Fig.1 Concept of MPFD

2 探測器設(shè)計

2.1 3節(jié)點MPFD設(shè)計

本工作設(shè)計3節(jié)點的MPFD,探測器內(nèi)的裂變室節(jié)點由3個陶瓷基片貼在一起組成,基片直徑7.4 mm、厚2 mm,結(jié)構(gòu)如圖2所示。基片中心的孔穿陰極導(dǎo)線,四周的3個孔穿陽極導(dǎo)線,陽極和陰極導(dǎo)線直徑為0.5 mm,陽極與陰極之間的間距約2.2 mm;在基片2上陰極和1個陽極之間的區(qū)域有直徑2.9 mm的圓柱形槽,形成裂變室節(jié)點的氣體腔室;基片3上對齊基片2開槽位置處鍍235U作為中子反應(yīng)鍍層,對熱中子進(jìn)行探測,鍍層尺寸為2.7 mm×0.9 mm。探測器放入中子場時,從235U鍍層發(fā)射的裂變碎片進(jìn)入氣體腔室將氣體電離,電離產(chǎn)生電子離子對在電場作用下分別向陽極導(dǎo)線和陰極導(dǎo)線漂移并產(chǎn)生感應(yīng)信號。

圖2 本工作設(shè)計的MPFD基片結(jié)構(gòu)Fig.2 Substrate structure of MPFD

封裝好的3節(jié)點MPFD探測器直徑9.8 mm、長32 mm,整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。第2個節(jié)點和第3個節(jié)點繞陰極導(dǎo)線相對于第1個節(jié)點分別旋轉(zhuǎn)120°和240°,各使1根陽極導(dǎo)線穿過氣體腔室;各節(jié)點之間可依據(jù)反應(yīng)堆中不同位置待輻照樣品的間距以相應(yīng)厚度的絕緣子隔開。這種MPFD設(shè)計特點是將陰極導(dǎo)線共用,每個裂變室節(jié)點利用其中1根陽極導(dǎo)線與共用的陰極導(dǎo)線組成1對電極,這種電極布局使其他節(jié)點的陽極遠(yuǎn)離本節(jié)點的氣體腔室,有利于減弱這些陽極在氣體腔室中形成的電場。由于氬氣和氮氣化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,耐受反應(yīng)堆內(nèi)的高溫強輻照環(huán)境,氬氣中加入少量的雙原子分子氮氣可提高電子漂移速度,因此選擇95%Ar+5%N2作為MPFD的工作氣體,充氣壓力為兩個大氣壓。

圖3 封裝好的3節(jié)點MPFD整體設(shè)計Fig.3 Overall design of encapsulated 3-node MPFD

2.2 電子學(xué)模塊

脈沖模式下,探測器連接的電子學(xué)模塊如圖4所示。

圖4 脈沖模式下探測器的電子學(xué)模塊Fig.4 Electronics module for pulse mode

探測器的節(jié)點3因為未鍍鈾(用于測量γ本底),所以相應(yīng)的陽極3未連接電子學(xué)設(shè)備進(jìn)行測試,只對節(jié)點1和節(jié)點2進(jìn)行測試。陽極1和共用的陰極通過同軸電纜連接電荷靈敏前置放大器ORTEC 142PC及主放大器ORTEC 572A;陽極2和共用的陰極通過相同長度及規(guī)格的同軸電纜連接另一路前置放大器ORTEC 142PC及主放大器ORTEC 572A。

帶電粒子在某節(jié)點的氣體腔室中沉積的能量與該節(jié)點的陽極輸出到前置放大器ORTEC 142PC積分電容上的感應(yīng)電荷的電量呈正比,而對于電荷靈敏前置放大器ORTEC 142PC,其輸出電壓脈沖幅度與其內(nèi)部積分電容的電量呈正比,因此,電子學(xué)系統(tǒng)中產(chǎn)生的電壓脈沖幅度信息反映了粒子在氣體中電離的能力。裂變碎片電離能力強,其在氣體腔室中沉積的能量遠(yuǎn)超過本底射線,因此,裂變碎片在電子學(xué)系統(tǒng)中產(chǎn)生的電壓脈沖幅度遠(yuǎn)高于本底射線產(chǎn)生的脈沖,使用多道分析器可從本底射線中甄別出裂變碎片從而實現(xiàn)對中子注量率的探測。但該MPFD的3個節(jié)點的陽極導(dǎo)線之間距離非常近,陽極1除穿過節(jié)點1的氣體腔室,也穿過節(jié)點2的氣體腔室旁的導(dǎo)線孔;當(dāng)節(jié)點2中發(fā)生裂變時,除使陽極2輸出大量感應(yīng)電荷到其連接的電子學(xué)線路中,也可能會在陽極1上感應(yīng)一定量的感應(yīng)電荷,并輸出到陽極1連接的電子學(xué)線路中產(chǎn)生一定幅度的電壓脈沖信號。若該串?dāng)_信號與節(jié)點1中的裂變產(chǎn)生的脈沖信號極性相同且幅度相當(dāng),則難以甄別該串?dāng)_信號,從而降低節(jié)點1位置的中子注量率測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。串?dāng)_信號的極性及脈沖幅度受MPFD電極導(dǎo)線的布局及間距等探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的因素影響,利用軟件對串?dāng)_信號的極性和脈沖幅度進(jìn)行模擬計算,可為MPFD探測器設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

MPFD各節(jié)點具有相同的結(jié)構(gòu)和對稱的布局,因此,當(dāng)節(jié)點1中發(fā)生裂變時也會在節(jié)點2連接的電子學(xué)線路中產(chǎn)生一定幅度的串?dāng)_信號;通過對比節(jié)點1中的裂變事件分別在陽極1上產(chǎn)生的主信號與在陽極2上產(chǎn)生的串?dāng)_信號的極性與脈沖幅度,可評估串?dāng)_信號對中子注量率測量的干擾程度。

2.3 信號串?dāng)_模擬計算

2.3.1建模輸入條件 3節(jié)點MPFD中某節(jié)點235U鍍層衰變發(fā)射的4.775 MeV α粒子會在其余兩個節(jié)點的電極上產(chǎn)生串?dāng)_信號,且這兩個電極的串?dāng)_信號具有對稱性,考慮到α粒子產(chǎn)生串?dāng)_信號的原理與裂變碎片產(chǎn)生串?dāng)_信號的原理完全相同,因此本工作利用該α粒子在陽極2上產(chǎn)生的串?dāng)_信號對MPFD節(jié)點間的信號串?dāng)_進(jìn)行模擬計算研究;以α粒子從235U鍍層中央垂直于鍍層發(fā)射作為典型事例進(jìn)行建模,建模計算的流程如圖5所示。

圖5 建模計算流程圖Fig.5 Flow chart of modeling and calculation

2.3.2計算結(jié)果及分析

1) 權(quán)重電場

用有限元方法分別計算節(jié)點1的電場分布以及陽極1和陽極2在節(jié)點1中產(chǎn)生的權(quán)重電場(圖6a、b)。陽極1和陽極2的權(quán)重電場分別作為計算主信號和串?dāng)_信號的輸入條件。

a——陽極1的權(quán)重電場;b——陽極2的權(quán)重電場圖6 兩個電極的權(quán)重電場Fig.6 Weighting field of two electrodes

節(jié)點1氣體腔室中電場為各陽極產(chǎn)生電場的疊加,由圖6可見,陽極1產(chǎn)生的電場貢獻(xiàn)了氣體腔室中電場的主要部分,陽極2產(chǎn)生的電場主要分布于氣體腔室外,對腔室內(nèi)部影響小。

2) 電荷漂移路徑

以電場分布信息、α粒子在氣體中的運動路徑和電離能損信息為輸入條件,利用Garfield軟件的AvalancheMC類計算電離電荷簇團(tuán)生成位置和電量及電荷漂移信息,計算得到節(jié)點1中電離電荷的漂移路徑如圖7所示。

對照圖6a和圖7可見,對應(yīng)于陽極1的權(quán)重電場,電子在其漂移路徑的起止點之間的權(quán)重電勢差介于0.5與1之間,漂移路徑終點的權(quán)重電勢高于起點的權(quán)重電勢,權(quán)重電勢差為正值;對照圖6b和圖7可見,對應(yīng)于陽極2的權(quán)重電場,電子在其漂移路徑的起止點之間的權(quán)重電勢差小于0.1,漂移路徑終點的權(quán)重電勢低于起點的權(quán)重電勢,權(quán)重電勢差為負(fù)值。后者的絕對值遠(yuǎn)小于前者,這是因為這種電極布局使氣體腔室中的電子漂移主要被陽極1產(chǎn)生的電場所支配而遠(yuǎn)離陽極2,因此減小了陽極2權(quán)重電場在電子漂移路徑起止點之間的權(quán)重電勢差。

根據(jù)Shockley-Ramo理論,裂變室電極上輸出的感應(yīng)電荷的電量Q可以用下式計算[15-16]:

(1)

式中:q為粒子在氣體介質(zhì)中電離產(chǎn)生的電量;φw(r2)-φw(r1)為這些電荷在相應(yīng)電極的權(quán)重電場中漂移路徑起止點之間的權(quán)重電勢差。由于該MPFD中離子漂移時間為ms量級,較電子長約3個量級,大于實驗中使用的ORTEC 142PC前置放大器積分電容放電時間常數(shù)τ(約50 μs)。因此,可忽略離子漂移產(chǎn)生的感應(yīng)電荷,而只考慮電子漂移產(chǎn)生的感應(yīng)電荷。

圖7 電離電荷漂移路徑Fig.7 Drift paths of electrons and ions

由式(1)可見,在電離產(chǎn)生電荷的電量q相同的條件下,感應(yīng)電荷的電量Q由φw(r2)-φw(r1)決定,因此根據(jù)權(quán)重電場的計算結(jié)果,陽極2上感應(yīng)電荷的電量將小于陽極1上感應(yīng)電荷的電量,兩者極性相反。

3) 主信號和串?dāng)_信號

以電荷漂移信息和權(quán)重電場信息為輸入條件,利用Garfield軟件計算得到陽極1的感應(yīng)電荷(主信號)和陽極2的感應(yīng)電荷(串?dāng)_信號)如圖8所示。圖中,縱坐標(biāo)為相應(yīng)電極輸出的感應(yīng)電荷的電量,從圖8可見,陽極1輸出的感應(yīng)電荷的電量約-1.1 fC,陽極2輸出的感應(yīng)電荷的電量約0.08 fC,串?dāng)_信號計算結(jié)果與Shockley-Ramo理論分析一致。

裂變室將電量為Q的感應(yīng)電荷輸入到電荷靈敏前置放大器時,前置放大器輸出電壓脈沖幅度為:

V=Q/C

(2)

式中:C為前置放大器積分電容的電容;Q為裂變室輸出到前置放大器積分電容上的感應(yīng)電量。因為C為常量,所以V只由裂變室輸出的總感應(yīng)電量Q決定。根據(jù)感應(yīng)電荷計算結(jié)果,陽極2在前置放大器上產(chǎn)生的電壓脈沖幅度(串?dāng)_信號)將較陽極1在前置放大器上產(chǎn)生的電壓脈沖幅度(主信號)低1個量級,極性相反。

圖8 Garfield軟件計算得到的MPFD輸出感應(yīng)電量Fig.8 Induced charge on different anodes calculated by Garfield software

3 實驗測試

按前述設(shè)計結(jié)構(gòu),制作了3節(jié)點MPFD探測器樣機,如圖9所示,探測器工作于脈沖模式。

探測器連接的電子學(xué)線路如圖4所示,兩個節(jié)點連接的ORTEC572A主放大器調(diào)節(jié)成相同的放大增益10倍及相同的整形時間0.5 μs,測α粒子信號脈沖時,經(jīng)反復(fù)實驗調(diào)試,陽極加100 V高壓,探測器工作于飽和曲線坪區(qū)中央,因此陽極電壓設(shè)置為100 V,陰極接地。對鈾靶衰變發(fā)射的4.775 MeV的α粒子進(jìn)行探測,得到α粒子產(chǎn)生的信號脈沖,實驗結(jié)果如圖10所示,可明顯看出,α粒子在陽極1上產(chǎn)生的主信號較在陽極2上產(chǎn)生的串?dāng)_信號高約1個量級,且極性相反,實驗結(jié)果與模擬計算結(jié)果符合很好。

圖10 α粒子產(chǎn)生的主信號與串?dāng)_信號Fig.10 Main signal and crosstalk signal induced by α particle

4 結(jié)論

本工作在KSU提出的MPFD設(shè)計概念基礎(chǔ)上,提出了一種3節(jié)點的MPFD設(shè)計,利用Garfiled、SRIM以及有限元分析方法,建立了MPFD信號產(chǎn)生的計算模型,對節(jié)點間的信號串?dāng)_進(jìn)行了模擬分析研究。計算結(jié)果表明,串?dāng)_信號較主信號低1個量級,且極性相反。同時,研制了一個3節(jié)點的MPFD樣機,并搭建了測試系統(tǒng),利用MPFD內(nèi)部的235U自發(fā)衰變發(fā)射的4.775 MeV的α粒子對主信號和串?dāng)_信號進(jìn)行了實驗測量,實驗結(jié)果與模擬計算結(jié)果一致,證實該3節(jié)點的MPFD探測器設(shè)計可通過信號極性和脈沖幅度對主信號和串?dāng)_信號進(jìn)行甄別,主信號不受其他節(jié)點產(chǎn)生的串?dāng)_信號的干擾。該3節(jié)點的MPFD樣機后續(xù)還將在研究堆中進(jìn)行更細(xì)致的測量工作,未來有望將這種多節(jié)點的MPFD應(yīng)用于反應(yīng)堆中的三維中子注量率原位監(jiān)測。