涂硼电离室中子灵敏度计算与验证

2020-12-10周治江武文超章航洲王军成刘开弟莫双荣傅源杰

仪器仪表用户 2020年12期

周治江，武文超，章航洲，王军成，刘开弟，莫双荣，傅源杰

（中国核动力研究设计院，成都 610005）

0 引言

图1 圆柱型涂硼中子电离室结构示意图Fig.1 Schematic diagram of cylindrical boron-coated neutron ionization chamber

反应堆堆外中子探测器将反应堆堆外的中子注量及其变化率信号转换为电信号传输至测量控制系统，实现对反应堆运行状态监视、控制及保护[1]。反应堆由启动至满功率运行时，反应堆堆外中子注量率范围为100～1010n·cm-2·s-1，反应堆堆外中子注量率的跨度约为10 个量级，单一的中子探测器不能实现覆盖全量程测量，通常采用源量程、中间量程、功率量程中子探测器组合实现对反应堆堆外中子注量率的监测[1-3]。源量程探测器采用BF3正比计数管或涂硼正比计数管，中间量程探测器采用涂硼补偿电离室或者裂变电离室，功率量程采用涂硼电离室或者裂变电离室。裂变电离室由于高丰度的235U 受到管控，材料获取困难；其次裂变电离室经长时间中子活化，其后处理相对麻烦。涂硼电离室使用10B 材料获取容易，材料使用无需取得相应授权，在涂硼电离室反应堆中子注量率监测方面应用较为广泛。

涂硼电离室为反应堆运行所需的关键设备，而中子灵敏度为涂硼中子电离室核性能核心的指标之一，因此开展涂硼中子电离室的核性能计算与验证研究，为后续开展探测器的结构设计奠定基础。

1 涂硼电离室的结构

涂硼中子电离室按照结构分为平板型、圆柱型、叠片型。圆柱型涂硼中子电离室由于结构简单，制作工艺成熟，在工程应用方面应用最广。图1 为圆柱型涂硼中子电离室结构示意图。

涂硼中子电离室由：1-接插件；2-引出线缆；3-顶部封头；4-上绝缘座；5-外管；6-正高压极管；7-收集极管；8-下绝缘座；9-底部封头；10-抽气管组成，正高压极管的内壁和收集极管的外壁涂覆10B 灵敏层，通过上绝缘座和下绝缘座实现正高压极管和收集极管支撑和绝缘，正高压极管的内壁和收集极管外壁构成电离室的灵敏腔体；抽气管实现对顶部封头、外管、底部封头等部件构成的工作腔体内气体注入与密封；引出线缆通过接插件与外部高压电源和测量仪表的连接，实现工作高压的输入和信号的输出。

2 中子灵敏度导出和计算

影响中子灵敏度的参数有涂硼面积、涂硼丰度、涂硼层厚度、充气压力、电极间距、充气成分等参数。当电极间距一定时，充气压力足够大时可保证涂硼电离室的出射粒子完全被收集。不同种类的气体，α 粒子与Li 粒子射线电离能不同，同等能量的粒子沉积到气体中产生的电荷不同，根据相关的文献，目前涂硼中子电离室所用气体通常用P10（90%氩气和10%甲烷构成）。

2.1 中子灵敏度导出

入射中子与电极表面10B 发生核反应生成的α 粒子和Li 离子，粒子射出硼层使P10气体分子电离产生电子离子对；在电离室两极外加电场作用下，电子离子对分别向阳极和阴极运动，在电极上出现感应电荷形成电流。进入平板式电离室灵敏体积的α 粒子或Li 离子将其全部能量沉积在P10气体中而被探测，根据文献[4]，计算得到的α 粒子或Li 离子对电离室探测效率的贡献εα和εLi，结果为：

式（1）和式（2）中，σ 为中子与10B 反应截面，n 为原子密度，t0为硼层厚度，Rα为α 粒子在P10气体中的射程，RLi为Li 离子在P10气体中的射程。由式（1）可知，硼层厚度等于α 粒子的射程时，α 粒子探测器效率最高。由式（2）可知，硼层厚度等于Li 离子的射程时，Li 离子的探测效率最高。

中子灵敏度η 定义为单位注量率φ 的中子辐射场中所产生的累计电流I，即：

根据文献[4]，当t0≤Rα 时，α 粒子对探测器输出电流贡献为：

t0≤RLi得到Li 粒子对探测器输出电流贡献为：

式（4）和式（5）中，S 为涂硼面积，W0为气体电离能，Eα为α 粒子的能量；SEα为α 粒子的电子阻止本领， ELi为Li 离子的能量，SE为LiLi 离子的电子阻止本领，e 为常数。根据文献[4]，Eα=1.47MeV 和ELi=0.84MeV，对应的SEα=3.381×102MeV/mm，SELi=7.938×102MeV/mm。

假设α 粒子或Li 离子探测器在探测效率相同时，探测器的输出电流相等。假设t 为实际涂硼厚度，当t ≤RLi时，t0=t，代入可得中子灵敏度为：

表1 不同压力下电离室样件坪特性测试数据Table 1 Measurement data of flat characteristics of ionization chamber samples under different pressure

当涂硼厚度Rα>t>RLi时，对于Li 离子其等效涂硼厚度为：t0=2RLi-t。代入式中可得中子灵敏度为：

2.2 中子灵敏度计算

涂硼材料采用丰度为90%富集硼粉，原子密度n=1.297×1023cm-3。圆柱型硼层总表面积为S=3455.8cm2，对应的等效平板型涂硼面积为200cm2。对于能量为0.025ev 的热中子，反应截面为σ=3.84×10-21cm2，涂硼面密度为0.8mg/cm2，代入式（7）可求出得灵敏度为5.25×10-13A/(cm-2·s-1)。

3 中子灵敏度试验验证

3.1 测试装置

测试装置为国防科技工业5114 二级计量站的中子灵敏度校准装置。中子灵敏度校准装置由线中子源、储源容器、慢化体、探测器定位装置、中子源升降装置和屏蔽体组成。线中子源由20 颗活度为1.85×1010Bq 的241Am-Be 间隔50mm 依次排列组装而成；储源容器用聚乙烯制作而成，用于存放线中子源；慢化体的构成材料也是聚乙烯，慢化体用于慢化从放射源发出的快中子；探测器定位装置用于固定中子探测器和调节探测器与线中子源之间的距离，有效调节距离162.5mm ～2210mm；屏蔽体用于屏蔽中子辐射和相关部件的安装。中子灵敏度校准装置灵敏区长度为1000 mm，中子注量率范围为（10 ～3.9×103）n·cm-2·s-1，灵敏区中子注量率均匀性＜15%。中子灵敏度校准装置结构示意图如图2 所示。

图2 中子灵敏度校准装置的结构示意图Fig.2 Schematic diagram of neutron sensitivity calibration device

3.2 试验结果与讨论

采用10B 丰度为90%富集硼粉对正高压极管内表面和收集极管外表面涂覆中子灵敏层，涂硼面密度为0.8mg/cm2，正高压极管内表面和收集极管的外表面总面积为S=3455.8cm2，将涂覆后的电极管组装成电离室样件，利用图2 所示的中子灵敏度校准装置对电离室样件的坪特性进行测试。电离室样件依次充装气体压力为0.025MPa、0.06MPa、0.08MPa、0.1MPa、0.16MPa、0.22MPa、0.3MPa的P10气体，按照GB/T 7164-2004 规定的中子灵敏度测试方法分别在注量为2.33×103（n·cm-2·s-1）位置上测试电离室样件的坪特性[5]，表1 不同气体压力电离室样件的坪特性测试数据。

图3 工作气体压力与中子灵敏度的关系曲线Fig.3 The neutron sensitivity with the working gas pressure

根据表1 的测试数据，计算出电离室样件的中子灵敏度，图3 为工作气体压力与中子灵敏度的关系曲线。由图3 可知，随着气体压力增大，沉积于工作气体的能量增加，产生的电子离子对增加，致使电离室样件的中子灵敏度增加；在0.16MPa 以后，粒子的能量完全沉积于工作气体中，产生的电子趋于饱和，从而使样件输出电流饱和，从而使电离室样件的中子灵敏度趋于稳定。

采用10B 丰度为90% 的灵敏材料，按照面密度为0.8mg/cm2，面积为S=3455.8cm2，涂覆的电极管组成的电离室样件的中子灵敏度为4.01×10-13A/(n·cm-2·s-1)。理论计算电离室的中子灵敏度为5.25×10-13A/(n·cm-2·s-1)，与理论值偏差约为25%。造成这种问题的原因为：建模为理论模型，与实际物理过程存在差异；灵敏材料通过成膜剂固化于电极管，成膜剂会阻碍离子射出，造成粒子能量损失。在实际工程中，选取合适的工作气体压力，使电离室的中子灵敏度满足测量要求，同时尽可能减少探测器内部与外部的工作环境的压差，利于探测器的工作气体注入后密封工艺的实现，保证制造的探测器一致性。