浅析单晶硅辐照中子注量在线测量信号刻度的影响因素

王云波 操节宝 邹鹏 徐涛忠

【摘 要】使用自给能中子探测器在线监测单晶硅受照热中子注量时，需要对其测量信号（电流值）进行刻度。由于探测器无法布置在硅体上，导致其信号刻度的影响因素较多且复杂。为保证刻度的准确性，本文对影响自给能中子探测器和单晶硅位置的热中子注量率分布及中子能谱的因素进行了简要梳理和分析，并提出了一些刻度试验策略。

【关键词】单晶硅;自给能中子探测器;信号刻度

中图分类号： O774 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）03-0192-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.079

Brief Analysis on the Influence Factors of Signal Calibration for On-line Measurement of Neutron Flux Irradiated on Single Crystalline Silicon

WANG Yun-bo CAO Jie-bao ZOU Peng XU Tao-zhong WANG Hao

（Nuclear Power Institute of China， Chengdu Sichuan 610005，China）

【Abstract】When the self-powered neutron detector is used to on-line monitor the thermal neutron flux irradiated on single crystalline silicon， the measurement signal （current value） is needed to be calibrated. Since the detector cannot be installed on silicon ingot， the influence factors of signal calibration are numerous and complicated. In order to ensure the accuracy of calibration， the factors influenced on the distribution of thermal neutron flux and neutron spectrum were briefly organized and analyzed in this paper. In addition， some strategies of calibration test were given.

【Key words】Single crystal silicon; Self-powered neutron detector; Signal calibration

0 前言

单晶硅中子嬗变掺杂（Neutron transmutation doping，NTD）是研究堆的重要应用之一，其掺杂原理是通过靶核30Si俘获中子后衰变生成31P杂质，核反应过程表示如下[1]：

30Si（n，？酌）31Si→（β-）31P（T1/2=2.62h）

为保证单晶硅的掺杂精度，需要精确控制其辐照热中子注量，并达到辐照目标值。因此，需对单晶硅辐照期间的热中子注量率进行准确测定。目前，常采用活化箔方法和自给能中子探测器（Self-powered neutron detector，SPND）对其进行测量[1]。前一种方法属于离线测量法，该方法具有测量精度高、灵活性好、对中子场扰动小等诸多优点，但无法测量热中子注量率随时间的变化。后一种方法属于在线测量法，能够在线监测热中子注量率的变化，并实时给出单晶硅的辐照热中子注量，进而在线判断其是否达到辐照目标值。

SPND是一种结构简单、寿命长、体积小，且不需要外加电源的固体探测器，能够固定在堆内进行长时间的测量工作[2]。然而，单晶硅辐照期间要绕轴向进行旋转，因此该探测器无法布置在单晶硅体上，导致探测器与硅体位置不同。反应堆内不同位置的中子场具有一定差异，并且这种差异会随着一些因素（如控制棒位移动、堆芯装载变化、燃料元件的燃耗等）的变化而变化，导致SPND测量信号（电流值）与硅体受照热中子注量率的关系参数数值并不恒定。为保证二者关系参数的准确性，有必要对这些影响因素进行梳理和分析。

1 测量原理及刻度方法

1.1 测量原理

SPND主要由发射体、绝缘体和收集极等三部分组成，如图1所示。其中，发射体是中子灵敏体，靶核俘获中子后生成活化核，并发射β-粒子（（n， β）反应），或者发射γ射线后经光电效应或康普顿响应产生电子（（n，γ，e）反应），进而形成测量信号（电流）[2]。另外，堆内γ射线同样也会与其发生作用产生电子（即（γ，e）反应），形成干扰信号。收集极用于收集由发射体发射出的β-粒子或电子，而绝缘体则是为了保证收集极与发射体之间的绝缘性。

SPND输出信号为电流值，不能直接反映待测位置的热中子注量率绝对值，因此，需要对其进行刻度，并确定刻度因子。本文所涉及的刻度因子定义为SPND输出信号（电流值）与单晶硅受照热中子注量率绝对值的比值。

1.2 刻度方法

在刻度SPND的中子灵敏度时，通常采用两种方法，即绝对刻度法和相对刻度法[2]。绝对刻度法是将SPND和活化箔或丝（如Co、Au等材料）同时放入同一中子场进行照射，将SPND输出信号（电流值）除以活化法确定的热中子注量率绝对值得到中子灵敏度。相对刻度法则是将待刻度的SPND和标准的SPND（中子灵敏度已知）同时放入中子场进行照射，将前者的输出电流值除以后者的電流值，再乘以标准SPND的中子灵敏度便可得到待刻度SPND的中子灵敏度。

活化箔法具有測量精度高、位置分辨率好、对中子场扰动小、不受γ射线场干扰等优点，可保证绝对刻度法的刻度结果准确性较好。但该方法不能实时给出刻度结果，且耗时较长。相对刻度法可实时给出刻度结果，但待刻度SPND与标准SPND所在位置的中子场难以保证相同，且彼此对其中子场有一定扰动，因此需要对刻度结果进行修正。

针对单晶硅受照热中子注量的在线监测，通常采用绝对刻度法对SPND输出信号进行刻度[1]。单晶硅辐照期间，为保证其受照热中子注量率径向分布的均匀性，通常使其绕轴向匀速旋转。因此，SPND不能布置在单晶硅体上，而活化箔或丝的布置不受硅体运动的影响。为了使SPND靠近硅体，一般将其布置在辐照孔道壁上。由于SPND和硅体所处位置不同，二者的受照热中子注量率及中子能谱存在一定差异。因此，在确定SPND输出信号的刻度因子时，必须考虑SPND和硅体位置的热中子注量率及中子能谱的变化。

2 分析及讨论

2.1 影响因素

由1.2节的讨论可知，如果SPND和单晶硅体位置的热中子注量率分布及中子能谱受到影响，其刻度因子便会发生变化。这些影响因素大致可归纳为：单晶硅体径向尺寸变化、控制棒位的移动、堆芯装载的变化、燃料元件的燃耗、相邻辐照孔道靶件或样品的装载或提取等。除此之外，还要考虑SPND发射体自身燃耗导致刻度因子的变化。

2.2 中子能谱响应差异

堆内的热中子、超热中子和快中子对单晶硅目标核素30Si生成31P杂质均具有贡献，但快中子反应截面非常小（见图2），只需要关注热中子和超热中子贡献即可。同理，活化箔或SPND发射体靶核素（如59Co、 103Rh等）也主要对热中子和超热中子灵敏。因此，单晶硅、活化箔或SPND发射体靶核的活化反应率可认为由热中子和超热中子两部分组成，使用式（1）表示[1]：

2.3 单晶硅体径向尺寸变化

单晶硅体的中子吸收能力和慢化能力不同于反应堆冷却剂或慢化剂（如轻水），因此，当单晶硅体占据一部分冷却剂空间后，该区域的中子能谱和中子注量率会发生相应变化，硅体尺寸（直径）越大该变化越明显。并且，不同尺寸的硅体对SPND位置的中子场扰动也是不同的。因此，对于不同尺寸的单晶硅体，SPND的信号刻度因子并不同。

为了准确确定不同尺寸硅体对应的SPND信号刻度因子，可在反应堆操作和堆芯环境无明显变化的情况下，将若干活化箔或丝布置在不同尺寸硅体上，确定其辐照期间的热中子注量率测量值及SPND输出电流值，进而建立刻度因子随硅体尺寸的变化关系。

2.4 控制棒位移动

反应堆运行期间，需要不断调节控制棒位，而棒位的变化会导致堆芯中子注量率分布及中子能谱发生变化。因此，SPND输出信号的刻度因子不可避免也会发生变化，需要准确确定刻度因子随控制棒位的变化关系。可依据实际情况在多个控制棒位下，选择尺寸相同的单晶硅体布置若干活化箔或丝进行辐照，获取辐照期间SPND的输出电流值，并确定热中子注量率的活化法测量值，进而建立刻度因子随控制棒位的变化关系。

2.5 堆芯装载变化及元件燃耗

当反应堆堆芯装载变动较大或元件燃耗深度相差较大时，堆芯中子注量率分布及中子能谱也会发生变化。为了减少刻度试验的工作量，可依据实际情况选取三个控制棒位，并使用同一尺寸的硅体进行刻度试验，将刻度结果与堆芯装载变动或元件燃耗显著变化前的刻度因子进行比较，确定相对关系，进而确定其余控制棒位下的刻度因子。

2.6 相邻孔道环境变化

堆内辐照靶件或样品的中子反应截面通常较大，因此，当与硅体相邻的辐照孔道中靶件或样品装载或取出时，SPND和硅体位置的中子注量率分布及中子能谱势必会发生变化。针对该影响因素，可选择与2.5节相同的刻度试验策略，确定相邻孔道环境变化后不同控制棒位下的刻度因子。

总体而言，使用SPND在线监测单晶硅受照热中子注量率时，由于影响刻度因子的一些堆内因素的变化难以准确量化，并且，这些影响因素的变化并不是单一的，而是相互叠加的，无法保证在针对某一因素进行刻度试验时，其它因素保持不变。为了保证刻度因子的准确性，在针对某一因素下进行刻度试验时，可尽量选择其它因素变化较平缓的阶段。同时，还应定期进行刻度试验，并对刻度因子进行校核。

3 结论

使用SPND在线监测单晶硅受照热中子注量时，由于SPND与硅体在堆内处于不同位置，导致信号刻度因子的影响因素较多且复杂，增加了刻度因子的误差来源。为了保证刻度因子的准确性，除了SPND中子灵敏体自身燃耗外，本文对堆内影响因素进行了一些梳理和分析，并提出了一些针对不同影响因素的刻度试验策略。

【参考文献】

[1]Neutron Transmutation Doping of Silicon at Research Reactors[M].Vienna： International Atomic Energy Agency， 2012.

[2]BS IEC 61468：2000.Nuclear Power Plants In-core Instrumentation Characteristics and Test Methods of Self-powered Neutron Detectors[S].