电离室电路耐辐照性能研究

罗鹏李忠良冯冬安宁李源

电离室电路耐辐照性能研究

罗鹏1，李忠良1，2，冯冬1，安宁1，李源1

（1.陕西秦洲核与辐射安全技术有限公司，陕西 西安 710054；2.西安交通大学核科学与技术学院，陕西 西安 710049）

核电厂一回路管线周围的辐射剂量水平较高，其工艺监测用辐射探测器在设计时需要考虑其电子学电路耐辐照性能。为了评估电子学电路累积γ剂量与其工作特性之间的关系，通过实验测试了无辐射屏蔽加固与有辐射屏蔽加固两种情况下电离室电路的耐辐射能力，为电路耐辐照加固提供参考。

电离室；耐辐射；电路；核电厂

1 概述

电离室探测器作为一种技术成熟的电离辐射探测器，在核电厂辐射监测中有着广泛的应用。目前大量的电离室探测器被用于反应堆堆内测量、一回路泄漏测量等[1]，这些应用场所均属于高辐射环境。但是电离室探测器内置电路的耐辐射能力制约了该设备在高辐射场合的应用。解决这个难题有两种方法，一种解决方式是使用电缆将内置电路外移，但环境电磁场会干扰电子学信号；另一种解决方式是采取防护措施，对探测器电路进行耐辐照加固。本文通过实验对电离室电路的耐辐射特性及辐照加固措施展开研究，对于解决电离室抗干扰问题，提高电离室探测器的稳定性有重要意义。

2 电离室测量原理

电离室探测器的结构如图1所示，其工作原理为γ射线入射电离室后，会造成电极间的气体电离，形成的电子和正离子对。通过给极间加高压形成电场，在电场作用下电子产生漂移，最后收集到电极上，电极产生感生电荷在输出回路中形成电离电流[2]。后端电路将电流信号放大，并将电流信号转化为脉冲信号输出。在此过程中探测电路是探测器内唯一包含电子元件的部位，也是对高剂量辐射最为敏感的 部件。

图1 探测器结构示意图

探测电路采用I-F变换电路[3]，其中充电电容和放大器负责将电离室输入的电流进行累积和放大，比较器和触发电路负责将电流信号转化为脉冲信号，放电开关负责接收放电信号并对充电电容放电。当电离室输出的电流越大，则放电频率越高，输出脉冲频率也越高，进而反映出辐射场强度 信息。探测电路原理如图2所示。

图2 探测电路原理框图

3 辐照试验

3.1 试验方法

核电厂一回路管线设备辐射场能量偏高，主要的剂量率的射线能量在600 keV以上。为了能够真实模拟核电厂堆内及一回路管线周围设备的辐射场效应，本文采用平均能量为1.25 MeV的60Co辐射场对电路耐辐照性能进行测试[4]。对于电路耐辐照加固，可通过增加铅合金或钨合金材料组件的方法进行。为了测试该方法对于探测器电路防护是否有效，本文设计了2组试验，即一组为无铅块防护，另一组为安装铅块防护，观察记录电路输出脉冲的变化情况。

无铅块防护电离室电路耐辐照测试如图3所示，60Co源活度为5 000 Ci，电路辐照区域剂量均匀性优于94%，辐射剂量率为30 Gy/h。探测器电路安装在电离室内，探测器外壳和电离室腔室能够阻挡一部分入射射线。为了保证探测电路输入信号稳定，避免辐射剂量率变化对输入信号的影响，使用外置电流源作为电路输入源。电路60Co辐照试验照片如图4所示。

图3 探测电路60Co辐照试验示意图

图4 电路60Co辐照试验照片

安装铅块防护电离室电路耐辐照试验如图5所示，探测器内增加一组厚度为20 mm的铅块，辐射剂量率为 100 Gy/h，其他试验条件与上组相同。

图5 防护探测电路辐照试验示意图

3.2 试验结果

无铅块防护电离室电路辐照试验情况如图6所示。电路累积剂量在0～82 Gy区段，脉冲计数率变化幅度较小，变化率为﹣1.44%，累积剂量在82～255 Gy区段，脉冲计数率呈上升趋势，变化率最高达到了60.4%。累积剂量达到 257 Gy时，脉冲计数率瞬时降为0，经检查电路放大器失效无法正常工作。

图6 电路60Co辐射试验计数率趋势图

安装铅块防护电离室电路辐照试验情况如图7所示，试验照射累计4 085 Gy。电路累积剂量在0～2 430 Gy区段，脉冲计数率变化率在﹣11%～﹣4.83%之间，脉冲计数与累计剂量近似线性下降趋势。累计剂量在2 430～2 990 Gy区段，脉冲计数率变化率在﹣49%～﹣40%之间，计数率下降幅度增大，在2 990～4 085 Gy区间，脉冲计数率出现大幅扰动，变化率在﹣66%～28%之间。在试验结束时电路仍能输出脉冲。整理2项试验的数据，结果如表1所示。其中，可用累计剂量参考国标[5]中对于辐射探测器统计涨落的要求，探测器计数率变异系数小于20%视为可用。

图7 防护电路辐照试验计数率趋势图

表1 耐辐照试验测试结果

试验对象受照累积剂量/Gy受照剂量率/（Gy·h﹣1）受照时间/h可用累积剂量/Gy 探测器内电路255308.5142 防护电路4 085100402 430

4 结论

对耐辐照试验的结果进行分析，无铅块防护电路和安装铅块防护电路在辐照后输出均发生变化。无铅块防护电路最终失效，安装铅块防护电路在大剂量辐照后仍可输出脉冲，可用累计剂量同样高于无铅块防护电路。综合来看安装铅块防护可有效改善电路的耐辐照特性。通过电离室电路的辐照试验，对探测器电路的耐辐照特性进行了研究，为改进电离室探测器结构和电路的设计提供了参考。

［1］孙光智，王益元，李亚坚，等.核电站事故后监测电离室设计方法研究［J］.舰船技术，2011，33（8）：145-148.

［2］吴治华，齐卉荃.原子核物理实验方法［M］.北京：原子核能出版社，1996：73-74.

［3］吴瑞生，任枕海，张永明，等.n-γ电离室输出电流测量中I-F变换器的设计［J］.核电子学与探测技术，2001，21（6）：468-470.

［4］刘立业.基于高纯锗探测器的核电厂一回路系统辐射源项就地γ谱测量［J］.辐射防护，2015，35（5）：257-261.

［5］西安核仪器厂.GB/T 14054—2013 辐射防护仪器能量在50 keV～7 MeV的Χ和γ辐射固定式剂量率仪、报警装置和监测仪［S］.北京：中国标准出版社，2013.

2095－6835（2020）10－0038－02

TL81

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.10.015

罗鹏（1980—），男，硕士，总工程师，高级工程师，主要从事辐射探测与辐射防护技术研究。

李忠良（1982—），男，博士研究生在读，注册核安全工程师，主要从事辐射探测技术研究。

〔编辑：张思楠〕