肖偉 胡嬋 邱順利 翟春榮 董進誠 葛孟團 周宇琳 曾樂

摘 要： 堆外核測量系統(tǒng)源量程測量通道設計使用涂硼正比計數(shù)管，研制了一種高靈敏度探測器，設計并搭建出一套源量程探測裝置。給出了熱中子靈敏度、堆上試驗條件及試驗方法，對探測裝置靈敏度、甄別閾特性、高壓坪特性、計數(shù)率線性及測量范圍等指標進行試驗驗證。測試結果表明，該探測裝置具有優(yōu)良的輻射性能，熱中子靈敏度可達22 s-1 / （ cm-2·s-1 ） ，高壓坪特性坪長為150 V，坪斜為28. 3% / 100 V，探測器輸出脈沖計數(shù)率與中子注量率有顯著的線性符合，中子注量率測量上限可達到1×105 cm-2·s-1 ，符合堆外核測量系統(tǒng)源量程通道的使用要求，可廣泛應用于核電及船用堆外核測量監(jiān)測系統(tǒng)。

關鍵詞：堆外核測量系統(tǒng);源量程;涂硼正比計數(shù)管;輻射性能;中子靈敏度;堆上試驗

中圖分類號：TL81 文獻標識碼：A

堆外核測量系統(tǒng)是壓水堆核電站必需的儀表系統(tǒng)，屬于保護和安全監(jiān)測的子系統(tǒng)，實現(xiàn)從停堆工況到滿功率堆芯泄漏中子注量率全覆蓋監(jiān)測，是核電站重要的安全級系統(tǒng)之一[1] 。國外從事壓水堆核電站堆外核測量系統(tǒng)設計、生產(chǎn)的公司主要有英國R&R 公司（ 原DS&S） 和美國ThermoFisher Scientific 公司[2] 。反應堆堆外核測量系統(tǒng)通過在反應堆壓力容器周圍布置的若干個中子探測器來測量反應堆周圍的熱中子通量，進而推算出反應堆的實時功率。核電站堆外核測量系統(tǒng)均將監(jiān)測功率水平分為源量程、中間量程和功率量程三個量程[3] ，采用三種不同的熱中子探測器，每兩種相鄰量程的探測器在同一量級上互為冗余測量[4] 。

源量程探測裝置主要用于堆外核測量系統(tǒng)源量程測量通道，用于監(jiān)測反應10-11 RTP ～10-5 RTP（額定熱功率）運行的中子注量率水平[5] ，包括位于反應堆壓力容器周圍測量孔道內(nèi)的探測器組件、位于輔助廠房的前置放大器，及其相關連接電纜及電纜連接器。

基于涂硼正比計數(shù)管具有脈沖上升時間快、使用溫度高、量程范圍廣、可靠性高、中子靈敏度高，使用壽命長等優(yōu)點[6-7] ，堆外核測量系統(tǒng)源量程測量通道設計使用涂硼正比計數(shù)管探測器，用于反應堆停堆、啟堆及堆芯裝載時的中子監(jiān)測。

1 源量程探測通道設計

1. 1 源量程探測裝置設計

源量程探測通道主要包括探測器組件、安裝支座組件、電纜接線盒、前置放大器及相關的電纜等，探測器組件包含涂硼正比計數(shù)管、中子慢化體、陶瓷絕緣件及與一體化礦物質三軸鎧裝電纜。

探測器組件安裝在帶鋼襯的測量孔道內(nèi)，向外輸出信號經(jīng)過三軸連接器在電纜接線箱內(nèi)與高可靠四軸有機電纜連接，經(jīng)過電氣貫穿件輸出至安全殼外的前置放大電路盒進行放大處理。探測器組件的核心采用涂硼正比計數(shù)管，輸出與中子注量率成比例的計數(shù)率信號[8] ，通過源量程前置放大器處理后傳送給核測儀表信號處理機柜的源量程信號處理組件。源量程探測裝置測量通道示意圖如圖1 所示。

信號處理模塊將來自放大器的中子脈沖信號，經(jīng)放大、甄別、濾波整形后進行計數(shù)處理，得到中子計數(shù)率信號送到PMS（保護和安全監(jiān)測系統(tǒng)）。

1. 2 探測器設計

設計的源量程探測器組件核心為涂硼正比計數(shù)管，涂硼計數(shù)管探測器設計采用正比計數(shù)管陣列以增加涂硼面積，從而實現(xiàn)高靈敏度測量[9-10] ，探測器結構示意圖如圖2 所示。探測器靈敏段為涂硼計數(shù)管芯體，計數(shù)管芯體陽極并聯(lián)后共同連接至探測器輸出端，輸出端通過絕緣子與殼體進行絕緣并保證密封，探測器采用三同軸礦物質鎧裝電纜及連接器形成多層屏蔽結構，進行信號和高壓的傳輸。三軸鎧裝電纜有兩層金屬屏蔽層的弱信號傳輸用耐高溫電纜，采用高絕緣、低衰減系數(shù)的氧化物做絕緣材料，可實現(xiàn)探測器信號回路和電纜外殼之間的物理隔離，能長期耐受高溫、高濕、高輻射等惡劣環(huán)境。

計數(shù)管芯體采用圓柱體同軸結構，結構原理如圖3 所示，從中心向外依次為陽極絲、靈敏氣體、硼層、陰極及外殼[11] ，兩端分別為底部固定座和密封頭。其中，陽極絲為鍍金鎢絲，陰極筒體為鈦金屬。陽極絲貫穿于探測器芯體軸心，通過絕緣子與陰極進行絕緣并保證密封，陰極內(nèi)壁硼層用富集度（≥95%） 的10 B 作為熱中子靈敏材料。

探測器內(nèi)充稀薄的靈敏氣體作為工作氣體，中子通過硼層時發(fā)生核反應，產(chǎn)生帶電的α 粒子和7 Li+離子穿越靈敏層進入靈敏氣體，引起靈敏氣體的電離。在陽極施加的高壓作用下，帶電粒子進行定向漂移，電子進行雪崩并不斷增殖，最終在陽極絲上被收集。在電子漂移、雪崩放大的過程中形成感應脈沖，實現(xiàn)中子探測。

由于堆外核測量系統(tǒng)探測器安裝孔道對探測器外部尺寸的限制，設計單支計數(shù)管靈敏體積的總長度約為770 mm，陰極直徑為27 mm。使用Geant4 進行模擬仿真不同計數(shù)管陰極內(nèi)表面硼層厚度時，單位注量的熱中子與硼層發(fā)生核反應產(chǎn)生的α 粒子和7 Li+ 粒子在計數(shù)管靈敏氣體內(nèi)沉積能量-計數(shù)的關系，進而選擇0. 8 mg/ cm2 硼層厚度可以保證計數(shù)管有較高的中子靈敏度。

本研究中涂硼工藝采用電泳法，以金屬正比計數(shù)管基材作為陰極，鉑金絲作為陽極，外加電場使懸浮于電泳液中的含硼物質微粒定向遷移并沉積在陰極基材內(nèi)表面，形成薄膜。該方法可得到較高的涂硼效率和良好的成膜均勻性能。

2 熱中子靈敏度試驗測試

2. 1 熱中子靈敏度試驗

熱中子靈敏度標定試驗在中國計量科學研究院的標準熱中子場中進行，該熱中子場輻射裝置采用12 枚241Am-Be 中子源，分別由高純石墨和重水慢化而成。利用金箔活化法進行熱中子注量率的測量，測量結果表明其豎直面內(nèi)區(qū)域均勻性1%，水平面內(nèi)區(qū)域均勻性為5. 2%[12] ，測試參考JJG 2081—1990《熱中子注量率計量器具》及GB /T 7164—2004《用于核反應堆的輻射探測器特性及其試方法》。該標準熱中子場為經(jīng)過CNAS 認證的熱中子注量率基準裝置，報告編號國基證（2002）第103 號。試驗裝置結構示意及實物如圖4 所示，主要由中子源、慢化體、反射腔及屏蔽體等組成。

2. 2 試驗方法及測試結果

將涂硼正比計數(shù)管探測器置于如圖4 所示標準熱中子輻射裝置腔體的中心位置，保證熱中子場覆蓋整個探測器靈敏體積，根據(jù)中國計量科學研究院采用金箔活化法標定的熱中子輻射裝置，可得探測器所在位置的熱中子注量率為505. 4cm-2·s-1 。將探測器通過一體化鎧裝電纜、三同軸有機電纜連接器前置放大器，前置放大器放大后的信號輸入信號處理機箱進行進一步調理，讀取計數(shù)率值。

完成試驗配置后讀取探測器平均輸出計數(shù)率為11 121 s-1 ，則該涂硼正比計數(shù)管靈敏度為：

3 反應堆上試驗測試

3. 1 試驗條件

涂硼正比計數(shù)管反應堆性能試驗在中國原子能科學研究院49-2 游泳池式堆上進行。反應堆輻射孔道有垂直輻射孔道和水平熱柱孔道，根據(jù)49-2 堆上試驗條件，反應堆功率在2 ～ 3 500 kW范圍時，堆功率與孔道內(nèi)熱中子注量率線性度符合良好。反應堆水平熱柱孔道深度約為3 m，其熱中子注量率與孔道深度呈正相關分布，其在3 200kW 功率下的中子注量率分布如圖5 所示。

由于源量程通道測量范圍為1×10-1 ～ 1×105cm-2·s-1 ，因此涂硼正比計數(shù)管堆上性能試驗在水平熱柱孔道進行。由圖5 可知，將涂硼正比計數(shù)管探測器置于水平孔道邊緣處，通過調節(jié)堆功率操作便可實現(xiàn)全量程范圍的測量。

3. 2 堆上試驗方法

根據(jù)49-2 堆上試驗條件，通過調節(jié)反應堆功率可實現(xiàn)3～4 個量級的線性測量。而涂硼正比計數(shù)管探測裝置量程范圍為6 個量級，為使熱中子注量率能覆蓋探測器的全部量程，試驗中通過改變一次探測器在孔道內(nèi)的位置，依次在探測裝置處于較高熱中子注量率（孔道靠內(nèi)位置）和較低熱中子注量率（孔道靠外位置）時調節(jié)反應堆功率，得到兩段中子熱注量率范圍的探測裝置測試結果，且使這兩段熱中子注量率范圍存在一定的重疊。

按照圖1 進行源量程測量通道的配置，將探測器及端接處鎧裝電纜外壁進行絕緣處理后置于水平孔道熱柱口處，使其靈敏區(qū)完全置于熱柱孔道內(nèi)，并連接好后端測試系統(tǒng)。試驗進行升功率操作，反應堆功率分別在功率臺階穩(wěn)定后進行測量探測器輸出計數(shù)率，試驗中根據(jù)計量院標定的探測器靈敏度，計算得到探測器位置的平均中子注量率。在反應堆上不同臺階下分別進行甄別特性測試、坪特性測試、計數(shù)率線性測量范圍測試。

3. 3 甄別閾曲線測試

在穩(wěn)定的各功率臺階中，通過信號處理裝置調節(jié)涂硼計數(shù)管的甄別閾電平，測試各功率臺階涂硼正比計數(shù)管的甄別閾曲線。試驗測試中，不同功率臺階下的甄別閾曲線的變化趨勢大致相同，本文以10 kW 功率為例，繪制涂硼正比計數(shù)管探測器的甄別閾曲線，如圖6 所示。

如圖6 所示，探測器甄別閾曲線存在明顯拐點，拐點處甄別電平約為100 mV。根據(jù)GB / T7164《用于核反應堆的輻射探測器特性及其測試方法》[13] 7. 1. 1 節(jié)可知該電平為甄別掉噪聲的最低閾值，300～700 mV 區(qū)間為甄別特性曲線的坪。

3. 4 高壓坪曲線測試

與甄別閾曲線測試條件相同，在穩(wěn)定功率為10 kW 臺階下，通過信號處理裝置調節(jié)涂硼正比計數(shù)管工作電壓U，讀出脈沖計數(shù)率值，測量計數(shù)率隨工作電壓U 的變化曲線，如圖7 所示。由圖7可知，涂硼正比計數(shù)管的高壓坪區(qū)范圍為850 ～1 000 V，根據(jù)坪特性計算坪長為150 V，坪斜為28. 3% / 100 V[13] ，滿足核測量系統(tǒng)對源量程探測裝置的使用要求。

3. 5 計數(shù)率線性測試

涂硼正比計數(shù)管探測裝置量程范圍為6 個量級，為使中子注量率能覆蓋探測器的全部量程，試驗中通過改變一次探測器在孔道內(nèi)的位置，依次在探測裝置處于較高中子注量率（孔道靠內(nèi)位置）和較低中子注量率（孔道靠外位置）時調節(jié)反應堆功率，得到兩段中子注量率范圍的探測裝置測試結果，試驗中根據(jù)計量院標定的探測器靈敏度，計算得到探測器位置的平均中子注量率。待每個臺階反應堆功率穩(wěn)定時，分別記錄測量輸出脈沖信號與反應堆功率的符合情況，根據(jù)各功率平臺下的測試數(shù)據(jù)，得到探測裝置輸出計數(shù)率與中子注量率關系如圖8 所示。

由2. 2 節(jié)熱中子靈敏度試驗測試可知該涂硼正比計數(shù)管靈敏度為22 s-1 / （cm-2 ·s-1 ），由此可得探測器輸出計數(shù)率與中子注量率理論關系為：C = 22×?。式中，C 為輸出計數(shù)率，s-1 ，? 為中子注量率，cm-2·s-1 。由圖8 可知，探測器測量輸出脈沖計數(shù)率與探測器所在位置處中子注量率有顯著的線性符合，中子注量率約在3×104 cm-2·s-1 時，探測器輸出計數(shù)率出現(xiàn)壓頭趨勢。

因計數(shù)系統(tǒng)存在死時間，對測量的計數(shù)率進行死時間修正以得到更準確的測量結果。死時間修正公式如下：

由圖9 可知，探測器在計數(shù)率達到106 量級時依然可保持良好的線性，計算可得修正后探測區(qū)輸出計數(shù)率與理論計數(shù)率偏差最大值為2. 55%，滿足堆外核測量系統(tǒng)源量程通道測量上限1×105cm-2 ·s-1 的使用要求。

4 結論

本課題結合堆外核測量系統(tǒng)現(xiàn)場實際工程應用情況，設計并搭建出一套源量程探測裝置，對探測器進行詳細設計以滿足堆外核測量環(huán)境及性能要求。給出了熱中子靈敏度試驗、堆上試驗條件及試驗方法，對探測裝置進行試驗驗證。試驗測試結果表明：設計的涂硼正比計數(shù)管探測器具有較高的中子靈敏度，探測器脈沖甄別閾曲線存在明顯的拐點，具備優(yōu)異的高壓坪特性，可選擇合適甄別閾及工作電壓使計數(shù)管穩(wěn)定工作;探測器具有較寬的測量范圍，其輸出脈沖計數(shù)率與中子注量率有顯著的線性符合，各項指標均滿足設計要求，可應用于堆外核測量系統(tǒng)源量程測量通道，對其在核電廠及船用核測量工程應用具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[ 1 ] 毛歡， 熊文彬， 闕驥，等. 核電站堆外核測量系統(tǒng)的原理及工程實踐[J]. 核電子學與探測技術， 2014， 34（6）：758-761+783.

MAO Huan， XIONG Wenbin， QUE Ji， et al. Principle and engineering practice of nuclear measurement system outside nuclear power plant [J]. Nuclear Electronics & Detection Technology，2014， 34（6）：758-761+783.

[ 2 ] 花鋒， 杜俊濤， 鄭勛濤，等. 核電廠堆用核儀器技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 核電子學與探測技術， 2019， 39（4）：517-522.

HUA Feng， DU Juntao， ZHENG Xuntao， et al. Technical status and development trend of nuclear instruments for nuclear power plants [J]. Nuclear Electronics & Detection Technology， 2019， 39（4）：517-522.

[ 3 ] 李彪，張杰. 反應堆堆外核測系統(tǒng)探測器選型分析[J]. 核電子學與探測技術， 2016， 36（2）：232-236.

LI Biao， ZHANG Jie. Analysis of detector type selection for nuclear measurement system outside reactor [J]. Nuclear Electronics & Detection Technology，2016， 36（2）：232-236.

[ 4 ] 楊道廣， 陸雙桐. 百萬千瓦級核電站M310 堆型國產(chǎn)化堆外核探測器綜述[J]. 核電子學與探測技術， 2013， 33（7）：860-864.

YANG Daoguang， LU Shuangtong. Overview of M310 type home-made out of core nuclear detector for a megawatt nuclear power plant [J]. Nuclear Electronics & Detection Technology， 2013， 33（7）：860-864.

[ 5 ] 陳學勇， 廖燕飛， 祝慶軍，等. 涂硼正比計數(shù)管慢化體對中子探測效率影響研究[J]. 核科學與工程， 2013，33（1）：55-59.

CHEN Xueyong， LIAO Yanfei， ZHU Qingjun， et al. Study on the influence of boron coated proportional counter moderator on neutron detection efficiency [J]. Nuclear Science and Engineering，2013，33（1）：55-59.

[ 6 ] Mazed D. Experimental gas amplification study in boron-lined proportional counters for neutron detection[J]. Radiation Measurements， 2007， 42（2）：245-250.

[ 7 ] Zhou T， Rose D， Beekman S， et al. Neutron detection based on a boron shielded gamma detector： WO/ 2012/ 012101[P]. 2012.

[ 8 ] 周劍良， 程曉龍， 趙修良. 圓柱形涂硼正比計數(shù)管的性能參數(shù)研究[C] / / 中國核學會輻射防護分會2013 年學術年會. 福建廈門，2013.

ZHOU Jianliang， CHENG Xiaolong， ZHAO Xiuliang. Study on performance parameters of cylindrical boron coated proportional counter [C] / / 2013 Annual Academic Meeting of Radiation Protection Branch of Chinese Nuclear Society.Fujian Xiamen，2013.

[ 9 ] 趙修良， 程曉龍， 周劍良，等. 涂硼正比計數(shù)管性能參數(shù)優(yōu)化研究進展[J]. 科技導報， 2013， 31（33）： 75-79.

ZHAO Xiuliang， CHENG Xiaolong， ZHOU Jianliang， et al. Research progress in optimization of performance parameters of boron coated proportional counter [J]. Science and Technology Guide， 2013， 31（33）： 75-79.

[10] Dighe P M， Prasad D N， Prasad K R， et al. Boron-lined proportional counters with improved neutron sensitivity[ J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment， 2003， 496（1）：154-161.

[11] 蔣波， 武文超. 一種抗干擾涂硼正比計數(shù)管研制[J]. 儀器儀表用戶， 2020， 27（3）：61-64.

JIANG Bo， WU Wenchao. Development of an anti-interference boron coated proportional counter [J]. Instrument Users，2020， 27（3）：61-64.

[12] 楊竣凱， 王平全， 張輝，等. 熱中子參考輻射裝置參數(shù)的實驗測量[J]. 核技術， 2021， 44（11）：62-68.

YANG Junkai， WANG Pingquan， ZHANG Hui， et al. Experimental measurement of parameters of thermal neutronreference radiation device [J]. Nuclear Technology， 2021， 44（11）：62-68.

[13] 北京核儀器廠. 用于核反應堆的輻射探測器特性及其測試方法：GB/ T 7164—2004[S]. 北京： 中國標準出版社， 2004.

Beijing Nuclear Instrument Factory. Characteristics and test methods of radiation detectors for nuclear reactors： GB/ T 7164—2004[S]. Beijing： China Standards Press， 2004.