多节点微口袋裂变电离室信号串扰的抑制

尹振羽,言 杰,陈鸿飞,温中伟,何 遥

(中国工程物理研究院 核物理与化学研究所,四川 绵阳 621000)

核反应堆堆芯中子注量率是反映核反应堆运行状态的重要参数之一,堆芯中子注量率的实时在线监测对于保障核反应堆堆芯安全运行极其重要。此外,对于研究堆,辐照样品处的中子注量率是评价材料辐照性能的关键参数。因此,长期以来,适应核反应堆堆芯环境的微型中子注量率探测器一直是相关领域的研究热点。21世纪初,堪萨斯州立大学(KSU)首次提出了一种微口袋裂变电离室(micro-pocket fission detector, MPFD)的设计概念[1]。这种MPFD探测器设计利用了陶瓷耐高温、耐辐照,同时还是良好的电真空绝缘材料等的特点,采用陶瓷基的半导体加工工艺,使得MPFD的几何尺寸小至mm量级。因此,可将多个MPFD组合,形成多节点的微型裂变室探测器阵列,与研究堆中的辐照样品紧贴,对辐照样品处的中子注量率进行实时准确的原位测量[2-3]。经过十几年的不断研发,先后开发了平板电极结构[4-5]及平行导线电极叠片式结构[6],并在KSU的TRIGA MARK-Ⅱ反应堆、麻省理工学院MITR研究堆和CEA MINERE零功率反应堆上开展了多节点阵列的集成和测试[7]。

对于平行导线电极叠片式结构的多节点MPFD,由于结构尺寸小,限制了探测器内部各节点的信号读出电极导线之间的距离。在探测器结构设计不合理的情况下各节点之间会产生一定的信号串扰,即在其中一个MPFD节点中产生的带电粒子除在本节点的信号读出电极上产生信号外,也会在MPFD内其他节点对应的电极上感应出相仿的测量信号[8],这将可能导致探测器对裂变事件的计数率失真(脉冲模式)或电流幅度失真(电流模式和均方根模式),从而影响MPFD测量堆芯中子注量率数据的准确性。因此,能否降低串扰信号的干扰是衡量这种多节点MPFD探测器性能的重要指标。串扰信号的幅度受探测器结构设计方面的因素影响,利用软件对串扰信号的极性和脉冲幅度进行模拟计算,可为MPFD探测器设计提供理论指导。本工作设计一种3节点的MPFD探测器,利用Garfield蒙特卡罗软件包,并结合离子电离能损计算软件SRIM和有限元电场计算方法,针对与产生串扰信号紧密相关的各电极权重电场分布,气体电离及电荷漂移等方面对该MPFD的串扰信号产生过程进行模拟研究,并研制3节点MPFD探测器样机,利用MPFD内部的浓缩235U镀层衰变发射的4.775 MeV的α粒子输出信号对两个节点之间的信号串扰进行实验测试。

1 MPFD设计概念

2004年,KSU首先提出MPFD的设计概念[9],其基本结构类似于一个平板电极结构的裂变电离室,如图1所示。不同的是,1个MPFD基本单元由3个陶瓷基片叠在一起,上、下两个陶瓷基片分别镀易裂变材料和金属电极,分别作为探测中子的灵敏材料和收集信号的收集极,中间陶瓷基片中空,充入工作气体后形成裂变电离室的气室。此外,MPFD并不依赖于裂变碎片将全部能量沉积在气体口袋内,这使得它的裂变室节点体积更小,同时它还能获得足够的能量以区分中子与本底辐射,裂变室甄别本底射线的能力并不随电离室尺寸的减小而降低[10]。由于尺寸变小,其内部电离电荷的漂移距离明显小于其他探测器,这使得它能更快清除电荷并由此达到较其他裂变室更高的计数率测量范围。

为实现对试验研究堆中待辐照样品不同位置处的中子注量率进行同时测量,KSU研制平板电极结构的第1代MPFD后又开发了平行导线电极结构的第2代MPFD,在同一根探测器封装套管内的不同位置处布置4～5个裂变室节点[11-12],并成功用于堆芯中子注量率测量[13-14]。

图1 MPFD的设计概念Fig.1 Concept of MPFD

2 探测器设计

2.1 3节点MPFD设计

本工作设计3节点的MPFD,探测器内的裂变室节点由3个陶瓷基片贴在一起组成,基片直径7.4 mm、厚2 mm,结构如图2所示。基片中心的孔穿阴极导线,四周的3个孔穿阳极导线,阳极和阴极导线直径为0.5 mm,阳极与阴极之间的间距约2.2 mm;在基片2上阴极和1个阳极之间的区域有直径2.9 mm的圆柱形槽,形成裂变室节点的气体腔室;基片3上对齐基片2开槽位置处镀235U作为中子反应镀层,对热中子进行探测,镀层尺寸为2.7 mm×0.9 mm。探测器放入中子场时,从235U镀层发射的裂变碎片进入气体腔室将气体电离,电离产生电子离子对在电场作用下分别向阳极导线和阴极导线漂移并产生感应信号。

图2 本工作设计的MPFD基片结构Fig.2 Substrate structure of MPFD

封装好的3节点MPFD探测器直径9.8 mm、长32 mm,整体结构如图3所示。第2个节点和第3个节点绕阴极导线相对于第1个节点分别旋转120°和240°,各使1根阳极导线穿过气体腔室;各节点之间可依据反应堆中不同位置待辐照样品的间距以相应厚度的绝缘子隔开。这种MPFD设计特点是将阴极导线共用,每个裂变室节点利用其中1根阳极导线与共用的阴极导线组成1对电极,这种电极布局使其他节点的阳极远离本节点的气体腔室,有利于减弱这些阳极在气体腔室中形成的电场。由于氩气和氮气化学性质稳定,耐受反应堆内的高温强辐照环境,氩气中加入少量的双原子分子氮气可提高电子漂移速度,因此选择95%Ar+5%N2作为MPFD的工作气体,充气压力为两个大气压。

图3 封装好的3节点MPFD整体设计Fig.3 Overall design of encapsulated 3-node MPFD

2.2 电子学模块

脉冲模式下,探测器连接的电子学模块如图4所示。

图4 脉冲模式下探测器的电子学模块Fig.4 Electronics module for pulse mode

探测器的节点3因为未镀铀(用于测量γ本底),所以相应的阳极3未连接电子学设备进行测试,只对节点1和节点2进行测试。阳极1和共用的阴极通过同轴电缆连接电荷灵敏前置放大器ORTEC 142PC及主放大器ORTEC 572A;阳极2和共用的阴极通过相同长度及规格的同轴电缆连接另一路前置放大器ORTEC 142PC及主放大器ORTEC 572A。

带电粒子在某节点的气体腔室中沉积的能量与该节点的阳极输出到前置放大器ORTEC 142PC积分电容上的感应电荷的电量呈正比,而对于电荷灵敏前置放大器ORTEC 142PC,其输出电压脉冲幅度与其内部积分电容的电量呈正比,因此,电子学系统中产生的电压脉冲幅度信息反映了粒子在气体中电离的能力。裂变碎片电离能力强,其在气体腔室中沉积的能量远超过本底射线,因此,裂变碎片在电子学系统中产生的电压脉冲幅度远高于本底射线产生的脉冲,使用多道分析器可从本底射线中甄别出裂变碎片从而实现对中子注量率的探测。但该MPFD的3个节点的阳极导线之间距离非常近,阳极1除穿过节点1的气体腔室,也穿过节点2的气体腔室旁的导线孔;当节点2中发生裂变时,除使阳极2输出大量感应电荷到其连接的电子学线路中,也可能会在阳极1上感应一定量的感应电荷,并输出到阳极1连接的电子学线路中产生一定幅度的电压脉冲信号。若该串扰信号与节点1中的裂变产生的脉冲信号极性相同且幅度相当,则难以甄别该串扰信号,从而降低节点1位置的中子注量率测量数据的准确性。串扰信号的极性及脉冲幅度受MPFD电极导线的布局及间距等探测器结构设计方面的因素影响,利用软件对串扰信号的极性和脉冲幅度进行模拟计算,可为MPFD探测器设计提供理论指导。

MPFD各节点具有相同的结构和对称的布局,因此,当节点1中发生裂变时也会在节点2连接的电子学线路中产生一定幅度的串扰信号;通过对比节点1中的裂变事件分别在阳极1上产生的主信号与在阳极2上产生的串扰信号的极性与脉冲幅度,可评估串扰信号对中子注量率测量的干扰程度。

2.3 信号串扰模拟计算

2.3.1建模输入条件 3节点MPFD中某节点235U镀层衰变发射的4.775 MeV α粒子会在其余两个节点的电极上产生串扰信号,且这两个电极的串扰信号具有对称性,考虑到α粒子产生串扰信号的原理与裂变碎片产生串扰信号的原理完全相同,因此本工作利用该α粒子在阳极2上产生的串扰信号对MPFD节点间的信号串扰进行模拟计算研究;以α粒子从235U镀层中央垂直于镀层发射作为典型事例进行建模,建模计算的流程如图5所示。

图5 建模计算流程图Fig.5 Flow chart of modeling and calculation

2.3.2计算结果及分析

1) 权重电场

用有限元方法分别计算节点1的电场分布以及阳极1和阳极2在节点1中产生的权重电场(图6a、b)。阳极1和阳极2的权重电场分别作为计算主信号和串扰信号的输入条件。

a——阳极1的权重电场;b——阳极2的权重电场图6 两个电极的权重电场Fig.6 Weighting field of two electrodes

节点1气体腔室中电场为各阳极产生电场的叠加,由图6可见,阳极1产生的电场贡献了气体腔室中电场的主要部分,阳极2产生的电场主要分布于气体腔室外,对腔室内部影响小。

2) 电荷漂移路径

以电场分布信息、α粒子在气体中的运动路径和电离能损信息为输入条件,利用Garfield软件的AvalancheMC类计算电离电荷簇团生成位置和电量及电荷漂移信息,计算得到节点1中电离电荷的漂移路径如图7所示。

对照图6a和图7可见,对应于阳极1的权重电场,电子在其漂移路径的起止点之间的权重电势差介于0.5与1之间,漂移路径终点的权重电势高于起点的权重电势,权重电势差为正值;对照图6b和图7可见,对应于阳极2的权重电场,电子在其漂移路径的起止点之间的权重电势差小于0.1,漂移路径终点的权重电势低于起点的权重电势,权重电势差为负值。后者的绝对值远小于前者,这是因为这种电极布局使气体腔室中的电子漂移主要被阳极1产生的电场所支配而远离阳极2,因此减小了阳极2权重电场在电子漂移路径起止点之间的权重电势差。

根据Shockley-Ramo理论,裂变室电极上输出的感应电荷的电量Q可以用下式计算[15-16]:

(1)

式中:q为粒子在气体介质中电离产生的电量;φw(r2)-φw(r1)为这些电荷在相应电极的权重电场中漂移路径起止点之间的权重电势差。由于该MPFD中离子漂移时间为ms量级,较电子长约3个量级,大于实验中使用的ORTEC 142PC前置放大器积分电容放电时间常数τ(约50 μs)。因此,可忽略离子漂移产生的感应电荷,而只考虑电子漂移产生的感应电荷。

图7 电离电荷漂移路径Fig.7 Drift paths of electrons and ions

由式(1)可见,在电离产生电荷的电量q相同的条件下,感应电荷的电量Q由φw(r2)-φw(r1)决定,因此根据权重电场的计算结果,阳极2上感应电荷的电量将小于阳极1上感应电荷的电量,两者极性相反。

3) 主信号和串扰信号

以电荷漂移信息和权重电场信息为输入条件,利用Garfield软件计算得到阳极1的感应电荷(主信号)和阳极2的感应电荷(串扰信号)如图8所示。图中,纵坐标为相应电极输出的感应电荷的电量,从图8可见,阳极1输出的感应电荷的电量约-1.1 fC,阳极2输出的感应电荷的电量约0.08 fC,串扰信号计算结果与Shockley-Ramo理论分析一致。

裂变室将电量为Q的感应电荷输入到电荷灵敏前置放大器时,前置放大器输出电压脉冲幅度为:

V=Q/C

(2)

式中:C为前置放大器积分电容的电容;Q为裂变室输出到前置放大器积分电容上的感应电量。因为C为常量,所以V只由裂变室输出的总感应电量Q决定。根据感应电荷计算结果,阳极2在前置放大器上产生的电压脉冲幅度(串扰信号)将较阳极1在前置放大器上产生的电压脉冲幅度(主信号)低1个量级,极性相反。

图8 Garfield软件计算得到的MPFD输出感应电量Fig.8 Induced charge on different anodes calculated by Garfield software

3 实验测试

按前述设计结构,制作了3节点MPFD探测器样机,如图9所示,探测器工作于脉冲模式。

探测器连接的电子学线路如图4所示,两个节点连接的ORTEC572A主放大器调节成相同的放大增益10倍及相同的整形时间0.5 μs,测α粒子信号脉冲时,经反复实验调试,阳极加100 V高压,探测器工作于饱和曲线坪区中央,因此阳极电压设置为100 V,阴极接地。对铀靶衰变发射的4.775 MeV的α粒子进行探测,得到α粒子产生的信号脉冲,实验结果如图10所示,可明显看出,α粒子在阳极1上产生的主信号较在阳极2上产生的串扰信号高约1个量级,且极性相反,实验结果与模拟计算结果符合很好。

图10 α粒子产生的主信号与串扰信号Fig.10 Main signal and crosstalk signal induced by α particle

4 结论

本工作在KSU提出的MPFD设计概念基础上,提出了一种3节点的MPFD设计,利用Garfiled、SRIM以及有限元分析方法,建立了MPFD信号产生的计算模型,对节点间的信号串扰进行了模拟分析研究。计算结果表明,串扰信号较主信号低1个量级,且极性相反。同时,研制了一个3节点的MPFD样机,并搭建了测试系统,利用MPFD内部的235U自发衰变发射的4.775 MeV的α粒子对主信号和串扰信号进行了实验测量,实验结果与模拟计算结果一致,证实该3节点的MPFD探测器设计可通过信号极性和脉冲幅度对主信号和串扰信号进行甄别,主信号不受其他节点产生的串扰信号的干扰。该3节点的MPFD样机后续还将在研究堆中进行更细致的测量工作,未来有望将这种多节点的MPFD应用于反应堆中的三维中子注量率原位监测。