钴自给能中子探测器的测量及补偿原理分析

曾 力 张 睿 任立永 田亚杰 史 觊

(深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518172)

0 引言

自给能中子探测器在进行中子通量测量时无需外加工作电源，其电流由探测器中的发射体部件在中子作用下发射β 粒子或电子形成［1］，有别于其他类型的中子探测器，该探测器主要应用于堆芯内中子通量的测量。目前三代核电项目的堆芯中子通量测量都采用了自给能中子探测器，本文将对钴自给能中子探测器的组成、测量及补偿原理进行分析。

1 自给能中子探测器的组成

自给能中子探测器由发射体、绝缘体、电缆和外套四部分组成［1］。

根据IEC 61468 标准中的介绍，自给能中子探测器有两种典型的结构［2］。一种结构是连接电缆和探头为一个整体，连接电缆的信号芯线直接与发射体相连，两部分有共同的绝缘体，探头发射体的收集极同时也是探测器连接电缆的外壳。这种结构的探测器称为一体式自给能中子探测器，如图1 所示。

图1 一体式自给能中子探测器Fig.1 The all-in-one self-powered neutron detector

另一种结构是自给能中子探测器由独立的探头和连接电缆组装而成，这种结构的探测器成为模块式自给能中子探测器，如图2 所示。

图2 模块式自给能中子探测器Fig.2 The modular self-powered neutron detector

根据发射体材料的不同，自给能中子探测器可分为钴自给能中子探测器、铑自给能中子探测器、钒自给能中子探测器、铂自给能中子探测器等。绝缘体材料一般选用Al2O3、MgO 或者SiO2［1］。收集极材料选用因科镍或者不锈钢。

2 钴自给能中子探测器

2.1 钴自给能中子探测器工作原理

相比铑和钒材料的自给能中子探测器，钴自给能中子探测器具有燃耗率中等、对反应堆局部功率扰动较小、信号为瞬发信号等优点。本文以模块式钴自给能中子探测器为原型介绍，钴自给能中子探测器由Co59发射体、信号电缆/补偿电缆、绝缘体等部分组成。信号电缆与Co59发射体相连，而补偿电缆不与Co59发射体相连，信号电缆与补偿电缆平行布置，钴自给能中子探测器结构如图3 所示。

图3 钴自给能中子探测器Fig.3 Cobalt self-powered neutron detector

钴自给能中子探测器信号产生的原理如图4 所示。

图4 钴自给能中子探测器信号产生原理图Fig.4 Signal generation principle of cobalt self-powered neutron detector

Co59吸收中子后产生γ 射线，通过康普顿效应和光电效应产生电子，此过程为瞬发效应，如图5 所示，是测量中子通量的唯一考虑过程。其他延迟效应如图6所示，这些延迟反应不能有效反映当前通量水平，部分延迟信号会随着探测器的使用而增加，影响探测器的测量精度。

图5 瞬发效应示意图Fig.5 Schematic diagram of prompt effect

瞬发效应过程:

(1)Co59+n →Co60 + γ，即 中子 → 俘获 →γ→e-散射 →穿过绝缘层。

(2)Co60→Ni60 +γ，即 裂变 → 活化 →γ →e-散射 →穿过绝缘层。

延迟效应过程:

(1)γ 延迟效应:即 裂变 →延迟 γ→e- 散射→穿过绝缘层。

(2)β 延迟效应:Co60→Co61，即 中子 → 俘获→不稳定核 →缓发衰变 →e-散射/β 离子 →穿过绝缘层。

图6 延迟效应示意图Fig.6 Schematic diagram of delay effect

Co59自给能探测器输出的测量信号由以上4 部分组成。只有上面描述的瞬时测量值与测量位置处的中子通量成正比，并且能够快速反映出中子通量的变化;其他的信号为延迟信号，延迟信号不能有效地反映中子通量信息。

2.2 钴自给能中子探测器电流产生计算

采集到的电流值由5 部分组成，分别是来自(n，γ)捕捉γ 放射装置瞬态电流ig、来自激活产物放射装置的延迟电流id、外部γ 放射装置引发的电流ir、由于不同中子和γ 效应在信号电缆芯线处产生的电流iMK和由于不同中子和γ 效应在补偿芯线处产生的电流iNM，钴自给能探测器电流示意图如图7 所示。

图7 电流示意图Fig.7 Schematic diagram of current

中子探测器的总电流公式如下:

①在钴自给能探测器的电流估算过程中，首先针对来自(n，γ)捕捉γ 放射装置瞬态电流ig。

假设每立方厘米的钴原子数量为NV，宏观有效界面为:

在流量为1 cm-2/s时，使用(n，y)分析过程中的Np为:

要获悉电子的吸收系数，即需要知道电子能量，平均电子能量¯Ee与平均γ 能量¯Er成正比，并且由能量吸收系数σa与康普顿效应总衰减系数σges相除得到:

在已知电子能量时，采用衰减系数μ。计算发射体表面上的电子流Φe:

假设绝缘体中的电子达到平衡状态，在这种情况下，每个减速的电子即所含电子能量不足以让电子穿过绝缘体的电子属于新的电子，且不能形成带负电的空间电荷。在这种前提条件下，钴探测器中的电流以单位为1 cm-2/s的电子流为准来进行计算。

然后用ig乘以表面积得到总电流。

②来自激活产物放射装置的延迟电流id。

每秒衰变的已激活原子数量为NBλB，其中:

激活的产物Co60在发出电子后衰减。钴自给能探测器的工作活性与放射时间相关，为了确定β 衰变引发的信号电流，相关的γ 放射为此会被忽略。放射体表面的电子流Φe计算公式如下:

即可得到电流信号id:

然后用id乘以表面积即得到总电流。

③外部γ 放射装置引发的电流ir。

从外部到达自给能探测器的γ 放射强度大于钴自给能探测器中产生的捕捉γ 放射。与之对应，外部γ放射可以引发发射体外壳的电流，该电流大于与(n，γ)效应成正比的电流。外部γ 放射也可以释放外壳中的电子，这些电子会流向发射体。这些电流的补偿作用可让探测器的γ 灵敏度变小。探测器的γ 灵敏度与其几何结构和发射体的原子序数相关。有关几何结构只需计算其相关比例，在比例关系中，需将发射体表面积与发射体外壳的内部面积相比。对于γ 灵敏度较小的情况，需要使用到发射体直径与外壳内部直径相比的较大值。

式中:ir，H为由于γ 放射引发的发射体到外壳的电流;αE为与放射体长度相关的正比系数;Z 为原子序数。

式中:ir，H为由于γ 放射引发的外壳到发射体的电流;αH为与探测器外壳长度的正比系数;Z 为原子序数。

④电缆芯线电流iMK和iNM。

连接电缆芯线中的电流通过中子或γ 放射引发。该电流的时间运行过程既可以由于外部放射提前，也可以由于已激活核素的相应半衰期而延迟。

激活线缆套中的原子核，在该类原子核衰变时放射出的β 粒子持续具备电流负值。为了避免该类电流分量的产生，在电缆套中应不存在含较大(n，γ)效应有效截面的核素。捕捉γ 放射即可在电缆套中产生补偿电子，且该类电子会产生负的电流值，也可在绝缘体和内部导体中产生补偿电子，该类电子能产生正的电流值。

3 钴自给能中子探测器信号补偿原理

根据钴自给能中子探测器的测量原理，其输出电流由Co59、Co60、Co61和外部γ 射线作用4 个途径产生，但是4 个电流中只有Co59产生的电流值才能真实反映堆内中子通量密度。

3.1 补偿外部γ 射线作用

对于外部γ 射线在信号芯线中引起的本底电流，根据IEC 61468 标准中的介绍，可以通过以下3 种方法实现本底补偿［2］，如图8 所示。

①设置一根单独的(不带发射体)本底芯线，用自给能中子探测器的信号减去本底芯线的信号，实现本底补偿，如图8(a)所示。

②通过优化芯线导体和外壳的尺寸，使得正的(n，β)和(n，γ，e)的信号份额和负的(n，β)信号份额抵消，如图8(b)所示。

③在自给能中子探测器中设置两根同轴的芯线，一根连接到发射体，另外一根作为本底芯线，如图8(c)所示。

为了补偿信号电缆产生的电流，在探测器内部装有与信号电缆平行的补偿电缆。补偿电缆在外部γ 射线的作用下产生补偿电缆电流Ig。Ie和Ig的电流值近似相同。

图8 自给能中子探测器本底信号补偿方法Fig.8 Method of background signal compensation for self-powered neutron detector

由探测器信号电缆和补偿电缆传输出的Ie和Ig，通过探测器调节机柜内各自的放大器进行信号转换放大处理。在该环节初始的测量输出信号通过放大器转换和放大后成为Ue和Ug，且信号由电流信号转换为电压，数值放大V1倍。

Ue和Ug信号由放大器传送至减法器，在减法器内部将Ue和Ug相减，以补偿外部γ 射线的影响。在减法器的信号输出处产生Uq。

放大参数V2可以手动调节。

3.2 补偿Co60、Co61产生的本底信号

随着探测器的测量燃耗，Co59的数量越来越少，Co60数量越来越多，直到达到一定的饱和数量。

Co59的燃耗过程为:

对于Co59数量的燃耗，可通过下列公式得出:

式中:σ59为Co59的中子吸收截面;φn为中子通量。

Co60的数量主要通过式(16)产生;Co60的数量通过式(18)和式(19)消耗。

Co60数量的变化可通过下列公式给出:

式中:λ60为俘获中子Co60产生率;σ60为β-消失率。

Co61的数量主要通过式(19)过程产生;Co61数量消耗为:

Co61数量的变化可通过下列公式给出:

式中:λ61为β-消失率。

根据前面计算得出Co60和Co61的数量变化趋势，Co61量小，变化趋于稳定，主要是Co60的影响。对于Co60的影响，在两个连续的自给能中子探测器校验期间，Co60产生的本底信号可以认定为一个近似值。

因此，通过在Ud中减去一个可调节的UCO值来补偿Co60、Co61产生的本底信号，并得到代表堆芯中子通量产生的有效电压Ucore。该值即可代表堆内中子通量密度，参与各项保护和控制动作。

4 结束语

自给能中子探测器是三代核电项目堆芯中子通量测量普遍采用的探测器，它不需要外加电源，信号反应快，能够在线实时监测中子通量密度的变化。本文通过对钴自给能中子探测器的测量及补偿原理进行分析，为后续新项目堆芯中子通量测量探测器的选择和信号补偿处理提供技术支持。

［1］ EJ/T 678 -1992 自给能中子探测器［S］.1992.

［2］ IEC 61468 -2000 核电厂堆芯测量仪表自给能中子探测器的特性和试验方法［S］.2000.