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(lái)，隨著國(guó)內(nèi)核電機(jī)組的大力建設(shè)，堆芯中子探測(cè)器長(zhǎng)期依賴(lài)國(guó)外進(jìn)口，研發(fā)國(guó)產(chǎn)堆芯中子探測(cè)器的需求變得異常的迫切。為了滿足國(guó)內(nèi)壓水堆核電機(jī)組堆芯中子探測(cè)器國(guó)產(chǎn)化需求，中廣核研究院設(shè)立堆芯中子探測(cè)器國(guó)產(chǎn)化的研發(fā)項(xiàng)目。

中子是一種不帶電的粒子。中子探測(cè)器的工作原理是：中子與某種核產(chǎn)生反應(yīng)時(shí)放出帶電粒子，帶電粒子在氣體中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生氣體電離，通過(guò)測(cè)量氣體電離量來(lái)確定中子注量率水平。圖1探測(cè)器工作區(qū)域展示了氣體電離的工作機(jī)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(shù)與電極間電壓的關(guān)系。其中，Ⅰ區(qū)表示生成的離子在被電極收集到以前，就部分復(fù)合了。隨著電壓的升高，離子重新復(fù)合的概率越來(lái)越低。Ⅱ區(qū)表示所產(chǎn)生的離子全部被電極收集到，稱(chēng)飽和電離電流區(qū)。在一個(gè)相當(dāng)寬的電壓變化范圍內(nèi)，收集到的離子數(shù)僅與中子注量率成正比而與電壓無(wú)關(guān)，即出現(xiàn)一個(gè)“坪”。電離室就工作在這個(gè)“坪”的范圍內(nèi)。此時(shí)探測(cè)器的電流與中子注量率成正比關(guān)系，通過(guò)測(cè)量探測(cè)器的電流就可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的中子注量率。

本文驗(yàn)證的探測(cè)器就是基于這個(gè)原理研發(fā)的，該探測(cè)器采用圓柱式平行電極，封裝在不銹鋼外殼內(nèi)，接合處通過(guò)絕緣設(shè)計(jì)，使漏電流最小。中心電極與外殼之間電阻高達(dá)1012Ω以上，這種結(jié)構(gòu)的好處是靈敏體處的電場(chǎng)均勻，由γ引起的電流在探測(cè)器電流占比較小，對(duì)熱中子產(chǎn)生的電流容易進(jìn)行甄別。

此次驗(yàn)證試驗(yàn)主要是為了驗(yàn)證探測(cè)器的國(guó)產(chǎn)化的制造過(guò)程和工藝，為之后的改進(jìn)提供經(jīng)驗(yàn)積累，早日實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)探測(cè)器的供貨。通過(guò)驗(yàn)證，完善和提升制造過(guò)程。驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期試驗(yàn)設(shè)計(jì)，為后續(xù)的驗(yàn)證試驗(yàn)的改進(jìn)積累了經(jīng)驗(yàn)，給探測(cè)器的制造過(guò)程和工藝改進(jìn)提供了良好的輸入。

1 設(shè)計(jì)要求

見(jiàn)表1。

表1 探測(cè)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Probe design parameters

2 總體設(shè)計(jì)

見(jiàn)圖2。

國(guó)產(chǎn)探測(cè)器結(jié)構(gòu)包含裂變室探測(cè)器和驅(qū)動(dòng)電纜兩部分?？紤]到國(guó)產(chǎn)探測(cè)器與目前在運(yùn)的壓水堆核電機(jī)組的適用性，探測(cè)器外徑尺寸4.7（±0.05）mm。為了避免探測(cè)器在使用過(guò)程中出現(xiàn)卡澀的問(wèn)題，探測(cè)器長(zhǎng)度尺寸66mm，靈敏體長(zhǎng)度27mm。如圖2所示，探測(cè)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(cè)器部分的作用是進(jìn)入堆芯不同高度位置時(shí)，采集由靈敏體與熱中子裂變反應(yīng)電離工作氣體產(chǎn)生的電流。

驅(qū)動(dòng)電纜由螺旋電纜和同軸電纜組成，螺旋電纜的材質(zhì)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(cè)器進(jìn)出堆芯，同軸電纜用于采集和傳輸電流信號(hào)到監(jiān)控系統(tǒng)。

3 電氣性能測(cè)試

1）測(cè)試環(huán)境要求

室溫，濕度＜70%。

探測(cè)器放置于金屬屏蔽箱內(nèi)，屏蔽箱接地，并且減少人員靠近測(cè)試設(shè)備和屏蔽箱。

2）測(cè)試地點(diǎn)

國(guó)內(nèi)某研究所。

3）探測(cè)器

一支國(guó)產(chǎn)探測(cè)器，一支對(duì)比探測(cè)器。

4）測(cè)試設(shè)備

靜電計(jì)，連接電纜選用絕緣≥1012Ω，導(dǎo)體電阻50Ω的同軸電纜，500×600×250可以接地的金屬屏蔽箱、萬(wàn)用表。

5）測(cè)試電路

將探測(cè)器放置于金屬屏蔽箱內(nèi)，屏蔽箱接地，具體接線如圖3所示。

6）測(cè)試方法

按照測(cè)試電路示意圖連接測(cè)試電路，使用靜電計(jì)施加150V電壓，讀取并記錄探測(cè)器的電流值，使用R=U/I公式計(jì)算出探測(cè)器的絕緣電阻值。

7）測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，兩支探測(cè)器的絕緣電阻都大于1012Ω。國(guó)產(chǎn)探測(cè)器滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 絕緣電阻測(cè)試結(jié)果Table 2 Insulation resistance test results

4 核性能測(cè)試

探測(cè)器的核性能測(cè)試內(nèi)容包含兩部分：一部分是在γ源下的探測(cè)器的γ感應(yīng)度；另一部分是在熱中子輻射源下的探測(cè)器的坪特性，即測(cè)試并計(jì)算探測(cè)的坪斜、探測(cè)器的熱中子靈敏度以及探測(cè)器的線性。

驗(yàn)證試驗(yàn)選用兩支探測(cè)器進(jìn)行測(cè)試，一支國(guó)產(chǎn)探測(cè)器，另一支為對(duì)比探測(cè)器。對(duì)比探測(cè)器選用目前國(guó)內(nèi)壓水堆核電機(jī)組在用的進(jìn)口探測(cè)器，選用對(duì)比探測(cè)器的目的不僅可以作為測(cè)試結(jié)果與國(guó)產(chǎn)探測(cè)器測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)因?yàn)閷?duì)比探測(cè)器是已標(biāo)定了熱中子靈敏度的探測(cè)器，在測(cè)試時(shí)可以通過(guò)計(jì)算獲得慢化后的熱中子注量率。

4.1 γ感應(yīng)度測(cè)試[4]

1）測(cè)試環(huán)境要求

室溫，濕度＜70%。

2）測(cè)試地點(diǎn)

中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所。

3）探測(cè)器

一支國(guó)產(chǎn)探測(cè)器，一支對(duì)比探測(cè)器。

4）γ源

γ源使用中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用物理研究所的60Co源，源強(qiáng)度11000Gy/h。

5）測(cè)試設(shè)備

靜電計(jì)，連接電纜選用絕緣≥1012Ω，導(dǎo)體電阻50Ω的同軸電纜、萬(wàn)用表。

6）測(cè)試方法

啟動(dòng)靜電計(jì)預(yù)熱30min以后，用靜電計(jì)測(cè)試1GΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻和空氣。測(cè)試電阻時(shí)，電壓設(shè)定為150V，查看測(cè)試結(jié)果，確定測(cè)試設(shè)備正常穩(wěn)定后，按圖2測(cè)試電路示意圖連接靜電計(jì)與探測(cè)器，探測(cè)器置于設(shè)定的位置處，在不啟動(dòng)γ源的情況下，測(cè)量并記錄探測(cè)器的電流值，測(cè)試電壓150V。開(kāi)啟γ源，測(cè)量并記錄γ源輻照下，探測(cè)器的電流值，依據(jù)公式γ感應(yīng)度 = 探測(cè)器電流/γ源強(qiáng)度計(jì)算出探測(cè)器的γ感應(yīng)度。

7）測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，兩支探測(cè)器的γ感應(yīng)度都滿足＜2×10-12A/Gy/h。國(guó)產(chǎn)探測(cè)器的γ感應(yīng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 γ感應(yīng)度測(cè)試結(jié)果Table 3 γ Sensitivity test results

4.2 坪特性及線性度[4]測(cè)試

1）測(cè)試環(huán)境要求

室溫，濕度＜70%。

探測(cè)器放置于金屬屏蔽箱內(nèi)，屏蔽箱接地，并且減少人員靠近測(cè)試設(shè)備和屏蔽箱。

2）測(cè)試地點(diǎn)

國(guó)內(nèi)某研究所。

3）探測(cè)器

一支國(guó)產(chǎn)探測(cè)器，一支對(duì)比探測(cè)器。對(duì)比探測(cè)器除了作為國(guó)產(chǎn)探測(cè)器驗(yàn)證試驗(yàn)參考之外，還能對(duì)熱中子注量率進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

4）中子源

中子源為國(guó)內(nèi)某研究所型號(hào)KT-400的加速器，加速器產(chǎn)生的中子產(chǎn)額最高2×1014［n/( cm2/s)］。由于加速器產(chǎn)生的中子能譜不是熱中子能譜，需要對(duì)加速器產(chǎn)生的中子進(jìn)行慢化，通過(guò)計(jì)算慢化體選用聚乙烯材料。

5）測(cè)試設(shè)備

靜電計(jì)，連接電纜選用絕緣≥1012Ω，導(dǎo)體電阻50Ω的同軸電纜，500×600×250可以接地的金屬屏蔽箱、萬(wàn)用表、KT-400加強(qiáng)器。

6）測(cè)試電路

探測(cè)器放置于金屬屏蔽箱內(nèi)，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(jì)與探測(cè)器。

7）測(cè)試方法[1-3,5]

啟動(dòng)靜電計(jì)預(yù)熱30min以后，用靜電計(jì)測(cè)試1GΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻和空氣。測(cè)試電阻時(shí)，電壓設(shè)定為150V，查看測(cè)試結(jié)果，確定測(cè)試設(shè)備正常穩(wěn)定后，按圖4測(cè)試電路示意圖連接靜電計(jì)與探測(cè)器。探測(cè)器置于設(shè)定的位置處，在不啟動(dòng)加速器中子源的情況下，依次測(cè)量50V～195V下的探測(cè)器電流值并記錄，以5V為一個(gè)電壓間隔，完成加速器測(cè)試前的測(cè)試環(huán)境及探測(cè)器本底的測(cè)試。

啟動(dòng)加速器，將加速器的計(jì)數(shù)率在200～2000范圍內(nèi)依次增加，以200為一個(gè)間隔增加并穩(wěn)定，測(cè)量并記錄150V電壓下探測(cè)器的電流值，完成探測(cè)器的線性測(cè)試，不同中子計(jì)數(shù)率下的線性計(jì)算公式d=[(In-Ip)/In]×100%。其中，In為理論電流值；Ip為實(shí)測(cè)電流值。理論電流值通過(guò)坪特性測(cè)試結(jié)果標(biāo)定的熱中子靈敏度與對(duì)應(yīng)的等效熱中子注量率的乘積獲得。

將加速器的中子計(jì)數(shù)率穩(wěn)定在2000后，依次測(cè)量50V～195V下的探測(cè)器電流值并記錄，以5V為一個(gè)電壓間隔，完成探測(cè)器的坪特性測(cè)試。坪斜p=[(I175-I125)×100]/50×I150，其中，I175為坪特性測(cè)試中175V電壓下的探測(cè)器電流值；I125為坪特性測(cè)試中125V電壓下的探測(cè)器電流值；I150為坪特性測(cè)試中150V電壓下的探測(cè)器電流值，公式分母中的50為175V～125V的差值即坪長(zhǎng)，利用上邊公式即可計(jì)算出探測(cè)器的坪斜。熱中子靈敏度s=I150/φ，φ為坪特性測(cè)試的熱中子注量率，可通過(guò)加速器的計(jì)數(shù)率計(jì)算獲得或者通過(guò)已經(jīng)標(biāo)定了熱中子靈敏度的對(duì)比探測(cè)器計(jì)算獲得，計(jì)算公式：φ=I150/s對(duì)比探測(cè)器。

8）探測(cè)器本底電流測(cè)試結(jié)果

圖5所示為兩支探測(cè)器的本底測(cè)試結(jié)果，縱坐標(biāo)為電流坐標(biāo)軸，橫坐標(biāo)為電壓坐標(biāo)軸，紅色曲線為對(duì)比探測(cè)器電流隨電壓變化曲線，黑色曲線為國(guó)產(chǎn)探測(cè)器電流隨電壓變化曲線。本底電流測(cè)試過(guò)程中無(wú)中子源。從兩條曲線可以看出，兩支探測(cè)器的變化趨勢(shì)都是隨電壓的升高而電流變大，兩支探測(cè)器的變化趨勢(shì)基本一致。由于電流非常小，測(cè)量設(shè)備極易受到外部的干擾。排除這些干擾因素，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，國(guó)產(chǎn)探測(cè)器的本底電流是基本滿足后續(xù)坪特性和線性測(cè)試要求的。

9）探測(cè)器線性測(cè)試結(jié)果

圖6所示為兩支探測(cè)器的線性測(cè)試結(jié)果，縱坐標(biāo)為電流坐標(biāo)軸，橫坐標(biāo)為加速器計(jì)數(shù)率坐標(biāo)軸，紅色曲線為對(duì)比探測(cè)器電流隨加速器計(jì)數(shù)率變化曲線，黑色曲線為國(guó)產(chǎn)探測(cè)器電流隨加速器計(jì)數(shù)率變化曲線。線性測(cè)試過(guò)程中，電壓為150V不變。

從兩條曲線可以看出，國(guó)產(chǎn)探測(cè)器在200～1400計(jì)數(shù)率范圍，電流表現(xiàn)出的是隨計(jì)數(shù)率的升高而升高。在1600計(jì)數(shù)率時(shí)突然變小，之后1800～2000計(jì)數(shù)率范圍電流又開(kāi)始升高。對(duì)比探測(cè)器在200～1400計(jì)數(shù)率范圍，電流表現(xiàn)出的是隨計(jì)數(shù)率的升高而降低。在1600～2000計(jì)數(shù)率范圍電流又開(kāi)始升高，導(dǎo)致這樣的結(jié)果可能是在200～1600的加速器計(jì)數(shù)率下，探測(cè)器的電流與本底電流結(jié)果無(wú)法甄別，中子產(chǎn)生的電流是增益的效果，本底電流變化趨勢(shì)在中子輻射，環(huán)境溫度濕度的變化以及環(huán)境中的靜電等電磁干擾的因素下，表現(xiàn)的趨勢(shì)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(cè)器在加速器計(jì)數(shù)率1600～2000的范圍內(nèi)，電流隨計(jì)數(shù)率的增加而升高。因此，在這個(gè)范圍探測(cè)器的線性測(cè)試結(jié)果更具有可信性，測(cè)試結(jié)果比較符合預(yù)期。

10）探測(cè)器坪特性測(cè)試結(jié)果

圖7所示為兩支探測(cè)器的坪特性測(cè)試結(jié)果，縱坐標(biāo)為電流坐標(biāo)軸，橫坐標(biāo)為電壓坐標(biāo)軸，紅色曲線為對(duì)比探測(cè)器電流隨電壓變化曲線，黑色曲線為國(guó)產(chǎn)探測(cè)器電流隨電壓變化曲線。坪特性測(cè)試過(guò)程中加速器計(jì)數(shù)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(cè)器在50V～100V電壓范圍，排除突變點(diǎn)，電流隨電壓的升高都是升高趨勢(shì)；在100V～150V電壓范圍，電流隨電壓的升高表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的趨勢(shì)；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(cè)試結(jié)果基本滿足預(yù)期。

5 總結(jié)

從探測(cè)器的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，探測(cè)器的電氣性能和γ感應(yīng)度能夠充分驗(yàn)證，探測(cè)器的坪特性、熱中子靈敏度以及線性只能做到定性驗(yàn)證。為了能充分驗(yàn)證探測(cè)器的坪特性、熱中子靈敏度以及線性，還需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

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(chǎn)生的等效熱中子注量率只有6.5×106[n/(cm2/s)]，在這個(gè)數(shù)量級(jí)下，由熱中子產(chǎn)生的電流約0.01nA與探測(cè)器的本底電流相當(dāng)。因此，測(cè)試結(jié)果很難甄別出由熱中子產(chǎn)生的電流，測(cè)試結(jié)果極易受測(cè)試環(huán)境的本底影響。

2）更高穩(wěn)定的測(cè)試環(huán)境

由于電流較小，測(cè)試環(huán)境本底對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大，主要表現(xiàn)在對(duì)測(cè)試設(shè)備以及探測(cè)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(cè)試環(huán)境的穩(wěn)定對(duì)測(cè)試極為關(guān)鍵。

總體而言，探測(cè)器在加速器上的核特性測(cè)試還是必要的。雖然不能充分驗(yàn)證探測(cè)器的核特性，但是可以在更高熱中子注量率的反應(yīng)堆上驗(yàn)證前，對(duì)探測(cè)器的核特性進(jìn)行定性的判斷，對(duì)于探測(cè)器的設(shè)計(jì)驗(yàn)證有一定的意義，對(duì)后續(xù)的驗(yàn)證提供了經(jīng)驗(yàn)積累。