等效中子注量在线测量系统的研制工艺

荣 茹，邹德慧，鲁 艺，邱 东，范晓强

(中国工程物理研究院 核物理与化学研究所,绵阳621900)

等效中子注量在线测量系统的研制工艺

荣 茹，邹德慧，鲁 艺，邱 东，范晓强

(中国工程物理研究院 核物理与化学研究所,绵阳621900)

分析了等效中子注量在线测量系统研制的要素，确定了探测器制作、连接、退火、数据采集等关键工艺，研制了等效中子注量在线测量系统，实现了探测器的小型化以及多路测量。经实验验证，该系统的中子注量测量结果与用活化箔法测量的结果吻合。

等效中子注量；探测器；双极晶体管

中子注量是反应堆辐射场的一个重要场量参数, 通常采用活化箔法和裂变电离室法测量。活化箔法是一种离线测量方法，而裂变电离室法则可用于在线测量。由于受γ射线的干扰，裂变电离室法只能在低功率下进行测量，而且由于电离室体积大、测量通道有限，它无法满足在狭小空间及对大样品中子注量多点监测的需要。目前国外建立了双极晶体管离线测量中子注量的方法[1]，该方法利用双极晶体管的辐照效应来反推中子注量。由于双极晶体管可以实现小型化，因此将双极晶体管离线测量方法发展成为一种在线测量方法成为可行的技术路线。国内西北核技术研究所曾利用分时测量技术进行等效中子注量在线测量[2]，由于面临诸多工程问题，技术发展遇到瓶颈，一直处于原理验证状态。邹德慧、鲁艺等开展了等效中子注量在线测量技术研究[3-4]，突破了工程应用影响因素，开发了工程样机，并投入了实际应用。本文详细介绍了该测量系统开发过程中的关键工艺。

1 测量原理

根据Messenger-Spartt方程，在不考虑γ射线贡献的条件下，随着辐照中子注量增加，双极晶体管的直流增益下降，增益倒数与辐照中子注量具有线性响应关系，如图1所示。

图1 双极晶体管直流增益与辐照中子注量的关系Fig.1Current gain of a bipolar transistor vs.neutron fluence

利用双极晶体管直流增益随辐照中子注量的响应规律，可将双极晶体管作为探测器，在参考中子场中进行标定，获得其损伤常数[5]，再将损伤常数作为转换系数，结合同一只探测器在待测场中的直流增益变化，即可计算出辐照工位的等效中子注量。总的来说，该方法是根据效应参数的变化来反推中子注量。即

(1)

2 测试方法

依据测量原理，首先利用参考中子场对定型的探测器进行标定，根据在线测量得到的直流增益及辐照中子注量率，计算出探测器的损伤常数，然后将已标定的探测器取出进行深度退火，使其直流增益恢复至辐照前的70%，再将探测器放入待测场中进行辐照，同时在线测量直流增益，根据得到的直流增益及损伤常数，计算待测场的等效中子注量。测量流程如图2所示。

3 测量系统

等效中子注量在线测量系统由探测器、电源、信号源、测试转接电路、数据采集系统等组成，结构如图3所示，实物图如图4所示。

图2 等效中子注量测量流程图Fig.2Procedure of measuring the equivalent neutron fluence

图3 等效中子注量在线测量系统结构框图Fig.3Layout of online acquisition system of the equivalent neutron fluence

图4 等效中子注量在线测量系统实物图Fig.4Photo of online acquisition system of the equivalent neutron fluence

4 系统研制工艺

等效中子注量在线测量系统从研制到定型需要经过大量实验考核，要求系统在满足既定功能的条件下尽可能小型化、标准化并易于调试。

4.1探测器小型化工艺

探测器是等效中子注量在线测量技术实现的关键部件。探测器由双极晶体管和偏置电阻组成，核心器件采用小功率晶体三极管3DG121C，其直流增益随辐照中子注量的变化响应灵敏且性能稳定。封装采用UB表贴型，体积小，符合小型化的工艺要求。

在探测器设计过程中，考虑到中子辐射环境对电阻的影响，设计时将电阻从探测器上分离出来，布放在测试转接板上。探测器的工作电压和偏置电流由测试转接板提供。将探测器置于辐射大厅，测试转接板置于测试间，二者通过100 m的长线连接。如图5所示。

在长线连接的测试模式下，长线带来的信号干扰直接影响探测器的输出。因此，设计时，在晶体管的集电极与发射极之间增加一个滤波电容以消除极间噪声。

图5 测试原理图Fig.5Schematic of the measurement

采取上述工艺可使探测器的尺寸缩小至18 mm×6 mm×10 mm，且在加电工作时，性能稳定并同时满足对狭小空间多点布放的需求。

图6和图7分别为探测器及测试转接板的实物图。

图6 探测器实物图Fig.6Photo of the detector

图7 转接板实物图Fig.7Photo of the patch panel

4.2探测器连接工艺

为了满足对中子注量多点测量的要求，将探测器通道数设计为10路，探测器的工作电压和偏置电流，由外部电源和信号源通过长电缆馈入。从探测器引出至测试转接板上的信号分为2路，每路为一根双绞线，汇聚到转接板上共有20路信号线。为了便于调试，使用多芯双绞电缆连接探测器与转接板。

实验大厅与测试间相隔近100 m，为了降低电缆阻抗引起的信号衰减，减小信号线间共模噪声和差模噪声，选择使用了阻抗小于5 Ω的镀银柔性多芯双绞屏蔽电缆。为了保证每次接线正确，对不同色系的电缆进行分组记录；为保证探测器与电缆连接牢固且电气性能可靠，在焊接后进行线间的绝缘处理；通电前为保障探测器处于良好工作状态，利用万用表对双极晶体管进行静态测试。

4.3探测器退火操作工艺

如第2节所述，每次辐照实验结束后，探测器需进行高温退火处理，以用于下一次辐照实验。由于信号线不耐高温，退火前需将信号线从探测器上取下，而在下一次使用前，又需将信号线再次焊接在探测器上，这种连接方式给实验人员带来了很大的不便，且降低了探测器的使用寿命。目前正着手设计一种耐高温的小型接插件连接方式，以实现探测器和信号线之间的快捷连接，提高工作效率和探测器的使用寿命。

4.4转接板工艺改进

经过大量验证实验后，探测器与转接板完成定型，为了快速完成转接板、电缆、探测器之间的一体连接，对连接方式进行了改进，将图7中的接线端子排连接方式改进为BNC连接方式，如图8所示。连接时间由最初的40 min缩短为5 min。这不仅减少了工作人员在实验大厅滞留的时间, 而且提高了实验效率。

图8 连接方式改进后的转接板实物图Fig.8Photo of the improved patch panel

4.5数据采集准确度

在调试过程中发现，探测器直流增益的测试结果波动较大，经分析，这是由于在采样率一定的情况下，信号源给出偏压的扫描频率过高引起的。待降低信号频率后，这个问题得以解决。验证结果如表1所列。静态测试结果如图9所示。

图9 采集信号准确度验证结果Fig.9Results of accuracy verification of the collected signals

DetectorNo.CurrentgainmeasuredbyBC3193individualsemiconductoranalyzerCurrentgainmeasuredby1MeVequivalentfluenceonlineacquisitionsystem(100Hz)Currentgainmeasuredusing1MeVequivalentfluenceonlineacquisitionsystem(50Hz)17128.513512827132.113713023128.213613030128.113812836128.713512552127.913112453128.214213156128.913812957128.613512858127.7147132

5 应用验证

采用该测量系统在脉冲堆上进行了等效中子注量在线测量，在相同位置布放了活化箔进行同步测量，二者结果在不确定度范围内吻合，测量结果如表2所列。

表2 脉冲堆10路探测器在线监测中子注量Tab.2The measured online neutron fluence by 10 detectors for the pulsed reactor

6 结论

利用研制的等效中子注量在线测量系统，开展了等效中子注量测量实验，获得的中子注量与采用活化箔测量的中子注量之间的偏差小于3%。建立了等效中子注量在线测量系统研制工艺，满足了探测器的小型化和多点测量要求。在后续工作中，建议采取信号衰减的补偿措施，提高系统的稳定性和可靠性，为工程样机研制打下基础。

[1]ASTM. Standard test method for use of 2N2222A silicon bipolar transistors as neutron spectrum sensors and displacement damage monitors：ASTM E1855-10[S]. 2013.

[2]杨善潮, 郭晓强, 林东生, 等. 基于晶体管测量的中子注量在线实时测量系统[J].信息与电子工程, 2012, 10(5): 621-626.(YANG Shan-chao, GUO Xiao-qiang, LIN Dong-sheng,et al. Online real-time measurement system based on the transistor measurement of neutron fluence[J]. Information and Electronic Engineering, 2012,10(5): 621-626.)

[3]邹德慧, 高辉, 鲁艺, 等. 中子位移损伤监测技术研究[J]. 原子能科学技术, 2010, 44(增刊): 472-475.(ZOU De-hui, GAO Hui, LU Yi, et al. Monitor technology about neutron displacement damage[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2010, 44(Suppl.): 472-475.)

[4]鲁艺, 邱东, 荣茹. 基于晶体管的辐射效应在线测量系统研制[J]. 科技纵览, 2016, 24(4): 119-123.(LU Yi, QIU Dong, RONG Ru. Development of online measurement system for radiation effects of transistor[J]. IEEE Spectrum, 2016, 24(4): 119-123.)

[5]金晓明, 杨善潮, 白晓燕, 等. 双极晶体管中子辐射损伤K的不确定度评定[J]. 现代应用物理, 2015, 6(4): 281-285.(JIN Xiao-ming, YANG Shan-chao, BAI Xiao-yan, et al. Uncertainty evaluation of neutron radiation damage constant of bipolar transistors[J]. Modern Applied Physics, 2015, 6(4): 281-285.)

Techniques of Online Acquisition System of an Equivalent Neutron Fluence

RONG Ru,ZOU De-hui,LU Yi,QIU Dong,FAN Xiao-qiang

(Institute of Nuclear Physics and Chemistry,China Academy of Engineering PhysicsMianyang621900,China)

An online acquisition system of equivalent neutron fluence is developed by analyzing the key elements and techniques including detector fabrication, connection, annealing, and data acquisition. The miniaturization of the detector and the measurement for multiple point are achieved. It has been proved that the measurement results obtained by this system agree well with the results got by the activation foil method.

equivalent neutron fluence;detector;bipolar transistor

2016-10-29；

2016-11-15

荣茹(1968- )，女，河北蠡县人，高级技师，本科，主要从事核电子学仪器仪表技术研究。

E-mail:rongru@163.com

TL81，TN322

A

2095-6223(2016)040202(5)