49—2反應堆單晶硅輻照數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

3.中國原子能科學研究院 北京 102413）

摘 要：對單晶硅的中子嬗變摻雜，是將原始單晶硅放入反應堆孔道中進行輻照，從而實現(xiàn)硅材料的磷摻雜，再經(jīng)過必要的處理，獲得性能優(yōu)良的N型（NTD）硅。使用該方法輻照后的N型硅具有摻雜均勻性好、精度高的優(yōu)點。中子輻照摻雜方法，使原始單晶硅的利用率達到100% ，滿足了市場需求，大大提高了經(jīng)濟效益。近年來，隨著市場需求的增長，單晶硅輻照的任務(wù)量與日遞增，客戶的要求也進一步提高。現(xiàn)有的輻照管理模式中存在的一些弊端，在新形式下逐漸顯露出來，這就對單晶硅輻照的管理和質(zhì)量控制工作提出了更高的要求。由此提出了通過引入數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，優(yōu)化現(xiàn)有輻照管理模式的建議。2011年，經(jīng)過需求分析、研制開發(fā)、運行調(diào)試等過程，49-2堆成功建立了單晶硅輻照管理系統(tǒng)，并在工作實踐中的通過了有效性檢驗，大力保證了49-2堆單晶硅輻照工作高質(zhì)、高效、安全、有序的開展。

關(guān)鍵詞：單晶硅 中子擅變摻雜 輻照數(shù)據(jù) 管理系統(tǒng)

中圖分類號：TL71 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（b）-0109-04

1 149-2反應堆單晶硅輻照生產(chǎn)工藝與質(zhì)量控制

1.1 單晶硅輻照摻雜原理

1.1.1 單晶硅輻照摻雜的核物理過程

單晶硅輻照摻雜的主要核反應為：30Si（n，γ） 31Si→31p。

1.1.2 輻照時間的計算

已知硅棒的原始和目標電阻率，通過控制單晶硅接受的中子注量，來控制摻雜后31p的濃度，其濃度決定單晶硅輻照后的和電阻率。輻照時間的計算公式：

（1）設(shè)原始為N型的單晶硅，電阻率為ρo，輻照目標電阻率ρt，則有：

Фt=K·（1/ρt-1/ρo） （1）

（2）設(shè)原始為P型的單晶硅，電阻率為ρo，輻照目標為N型、電阻率ρt，則有：

Фt=K·（1/ρt+3/ρo） （2）

（3）設(shè)原始為N/P型的單晶硅，輻照目標為N型、電阻率ρt，則有：

Фt=K·1/ρt （3）

K表示摻雜系數(shù)，Фt表示中子注量，已知各孔道中子注量率，則可求輻照時間t。

1.2 輻照工藝流程（見圖1）

1.3 輻照裝置

49-2堆設(shè)置單晶硅生產(chǎn)直孔道共計20根，其中9根（Ф70 mm×1.5 mm）固定在堆芯反射層內(nèi)，另外11根（Ф125 mm×4 mm）固定在堆芯反射層外。孔道為濕孔道。

旋轉(zhuǎn)電機固定在渦頭內(nèi)，渦頭上部有吊裝孔，通過金屬鏈與單晶硅吊蘭連接，吊車上的吊裝機構(gòu)抓住吊裝孔后，可實現(xiàn)單晶硅的出入堆操作。未照硅預處理后碼放至操作平臺，用機械手將硅放入吊蘭內(nèi)，再用吊車吊入孔道內(nèi)進行輻照。輻照時電機帶動硅樣品旋轉(zhuǎn)，以保證輻照的徑向均勻性。輻照裝置見圖2。

1.4 單晶硅輻照命中率和產(chǎn)量的控制

1.4.1 摻雜均勻性的控制

用硅樣品旋轉(zhuǎn)輻照的方法來保證。摻雜的軸向均勻性的控制，用倒頭或換位來保證。

1.4.2 控制輻照精度和產(chǎn)量的方法

（1）孔道積分通量的測定：49-2堆采用活化探測片（鋁鈷片）隨堆測量與退火數(shù)據(jù)跟蹤倒推法相結(jié)合的方式來測定各個輻照孔道的中子通量；（2）輻照時間控制：采用時間控制法控制輻照精度。使用時間和排位計算程序，根據(jù)原始數(shù)據(jù)進行計算，批量計算出每支硅所需要的輻照時間，并進行組罐和排位；（3）硅尺寸與輻照質(zhì)量控制：輻照有效段在50 mm至450 mm，兩支硅總長度要求小于400 mm；中子注量率分布不均（如圖4所示），所以單支硅要求不超過220 mm；輻照中半時倒頭，保證軸向均勻性。

1.5 單晶硅輻照生產(chǎn)現(xiàn)狀

單支硅的平均重量約1kg，49-2堆每個運行周期約10天，產(chǎn)量約600 kg，折合單周期輻照單晶硅支數(shù)約為600支；單晶硅庫房通常情況下存放單晶硅約5 t，按平均重量折合成支數(shù)約5000支。可見，單晶硅生產(chǎn)過程所需數(shù)據(jù)量是比較大的，現(xiàn)有的時間計算與排位程序解決了批量計算與排位的問題，但數(shù)據(jù)的檢索、糾錯、清點、批量處理等問題仍待解決。

2 單晶硅輻照數(shù)據(jù)管理程序的設(shè)計與建立

單晶硅輻照管理的主要內(nèi)容是對單晶硅的實物以及與之對應的數(shù)據(jù)進行管理，對單晶硅數(shù)據(jù)的管理滲透到生產(chǎn)過程中的每一個環(huán)節(jié)。雖然輻照時間計算程序能夠成批量完成輻照時間計算、組合、排位、制表等工作，但其運行需要以詳實的原始數(shù)據(jù)作為支撐。

隨著單晶硅產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展壯大，原始的數(shù)據(jù)管理方式已經(jīng)很難適應現(xiàn)今單晶硅輻照工作的需要。2011年初，在對比同行業(yè)單晶硅輻照管理先進模式，借鑒其他研究堆單晶硅輻照數(shù)據(jù)管理經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，49-2堆開展了單晶硅輻照數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計研究工作。

2.1 分析實際工作中所遇到的困難

舊的數(shù)據(jù)管理方式是簡單的將不同廠家、不同批次、不同入庫時間的原始數(shù)據(jù)存入不同的TXT文檔以及不同的文件夾中，進行粗獷式的管理。其主要缺點包括：

（1）沒有原始數(shù)據(jù)自動報錯的功能。

（2）不能提供實時的與庫存硅相對應的數(shù)據(jù)。

（3）不能對單晶硅的詳細數(shù)據(jù)進行精確查找。

（4）當單晶硅的某些屬性發(fā)生改動時，無法及時的對其數(shù)據(jù)進行更新。

（5）可視化效果不好，邏輯聯(lián)系不清晰，不緊密，容易造成數(shù)據(jù)的混亂。

長期以來在單晶硅輻照工作中，還有很多老的數(shù)據(jù)管理方式所帶來的不便，由此產(chǎn)生的各種問題嚴重影響著49-2堆單晶硅輻照工作的順利開展，進而影響了單晶硅輻照的經(jīng)濟效益。因此單晶硅輻照數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計與建立勢在必行。

2.2 設(shè)計思想的建立

針對前面所提到的問題，作者提出了通過建立數(shù)據(jù)庫程序管理單晶硅數(shù)據(jù)并進而管理單晶硅生產(chǎn)的想法。基本的思路是對各廠家提供的每一只硅的硅名、直徑、長度、硅型、原始電阻、目標電阻等原始數(shù)據(jù)進行分類管理，對輻照前與輻照后的各種狀態(tài)（未輻照硅、正在輻照、已輻照、部分輻照、不輻照）進行實時跟蹤管理，為庫房的庫存硅與歷史數(shù)據(jù)提供核對依據(jù)。

2.3 單晶硅輻照管理系統(tǒng)的設(shè)計與功能實現(xiàn)

（1）開發(fā)環(huán)境程序運行在現(xiàn)階段廣泛使用的winXP系統(tǒng)下，使用SQLserver2000建立數(shù)據(jù)庫，用Power Builder建立界面程序。相對普遍的開發(fā)環(huán)境保證了程序的可兼容性和可擴展性。

用兩臺電腦組建小型網(wǎng)絡(luò)，可以同時訪問數(shù)據(jù)庫，工作可同時進行、互不妨礙，提高了數(shù)據(jù)利用率和工作效率。

（2）需求分析根據(jù)現(xiàn)有工作方式存在的缺陷，提出了程序設(shè)計的需求分析。

①單晶硅從運至我單位到發(fā)貨返回廠家，需經(jīng)歷（未輻照、正在輻照、已輻照、部分輻照、不輻照）幾種狀態(tài)。因此，數(shù)據(jù)庫需要通過對這幾種狀態(tài)的標注和記錄，對單晶硅的輻照數(shù)據(jù)進行實時的跟蹤管理。

②需要在導入原始TXT格式數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)庫的過程中，對原始數(shù)據(jù)進行糾錯處理，并提供報錯，以供核實和修正。

③需要將原始數(shù)據(jù)中的每一個單項區(qū)分為一類數(shù)據(jù)，以便操作人員分類查找和修改。

④需要設(shè)置入堆清單制作和導出項，導出的數(shù)據(jù)符合時間計算程序的格式要求。

⑤需要設(shè)置單晶硅出堆后的數(shù)據(jù)處理項，并要求可批量修改狀態(tài)，達到跟蹤記錄每支硅不同狀態(tài)的要求。

⑥需要對返照硅進行比對顯示，以挑出改檔返照硅。

⑦需要實時顯示查詢清單中數(shù)據(jù)的總支數(shù)與總公斤數(shù)。

⑧可視化程度要高，人機交互界面應簡單明了易于理解掌握，對不同狀態(tài)的數(shù)據(jù)通過顏色進行區(qū)分。

（3）功能的實現(xiàn)針對上述需求分析，我們設(shè)計了單晶硅數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。具體功能如下。

①新數(shù)據(jù)入庫模塊：將原始的txt文本格式數(shù)據(jù)分類導入數(shù)據(jù)庫，在導入過程中設(shè)置糾錯標準，對每支硅的各項參數(shù)進行逐一比對，并顯示結(jié)果，根據(jù)結(jié)果修改數(shù)據(jù)，再次導入。

②硅庫房查詢模塊：可查詢項依次包括：廠家、硅名、批次、硅型、輻照狀態(tài)、是否為返照、入庫時間、制作入堆清單時間、直徑范圍、長度范圍、重量、目標電阻范圍、備注情況。查詢結(jié)果的各分項將顯示在數(shù)據(jù)欄中，還要顯示符合查詢條件的支數(shù)、重量等參數(shù)，并且具備刪除和導出所查數(shù)據(jù)清單、更改與批量更改數(shù)據(jù)、增加備注等功能。

③建立入堆清單功能：開堆前，通過對產(chǎn)品庫未照硅進行查詢，根據(jù)輻照需要，建立對應的入堆新建清單，并且導出可供計算程序計算的txt文本格式，以計算輻照時間。該功能會自動記錄制單時間，以方便停堆后的出堆數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計。

④輻照后的數(shù)據(jù)處理功能：停堆后經(jīng)過5～7天的衰變，單晶硅出堆。此時，可通過查詢?yōu)g覽與出堆界面，根據(jù)制單時間查到本次入堆的數(shù)據(jù)清單，并且根據(jù)單晶硅輻照表中人工記錄，進行批量統(tǒng)計和輻照狀態(tài)更改，將這些數(shù)據(jù)分類標定為已輻照、未照、部分輻照等，并用不同顏色顯示出來，支數(shù)重量顯示在數(shù)據(jù)界面中表格的上方。通過對輻照狀態(tài)的標定，確保數(shù)據(jù)庫與產(chǎn)量、庫房實際庫存數(shù)目相對應。該功能可導出出堆走料清單，以供廠家核對。

⑤單晶硅輻照數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)運行流程。

3 應用過程的總結(jié)

3.1 在應用過程中，對比舊的數(shù)據(jù)管理方式，單晶硅數(shù)據(jù)庫管理軟件的優(yōu)勢

（1）實現(xiàn)了數(shù)據(jù)糾錯，解決了人因的數(shù)據(jù)錄入失誤問題。

（2）實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫與庫房的實時對應，減少了檢點庫房的工作量，降低出錯概率。

（3）實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的批量、精確查找，提高了數(shù)據(jù)處理的工作效率。

（4）批量修改并提供備注，減少了因疏忽遺漏而造成的出錯概率。

（5）實現(xiàn)了數(shù)據(jù)管理的可視化，使各種數(shù)據(jù)操作清晰、直觀、明了，更易于理解與應用。

（6）應用數(shù)據(jù)庫后，工作人員出錯的幾率減少了90%，使用的紙質(zhì)文件減少為原來的1/3，工作量減少了3成。

3.2 幾點建議

（1）目前的輻照管理軟件對單支和批量硅的輻照時間沒有編寫計算程序，需導出文件進入原時間計算程序求得輻照時間。下一步可繼續(xù)開展這項工作，將時間計算程序與輻照管理軟件有機結(jié)合，進而以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，用單晶硅輻照值班軟件的方式將現(xiàn)有的紙質(zhì)值班表全部代替。屆時，記錄人員只需在軟件界面中完成點擊就可在電腦中準確記錄輻照對象、輻照孔道、入堆時間、出堆時間等詳細信息，軟件可智能提示出堆時間等信息，盡可能避免人因誤操作，大幅提高輻照的整體命中率。

（2）目前單晶硅輻照孔道，沒有安裝自給能中子探測器和中子注量積分器，對孔道通量的測量還需采用退火數(shù)據(jù)倒推法及理論通量測量方法進行，準確率有所欠缺。今后如果加裝自給能探測器和中子注量積分器，并將其接入輻照管理系統(tǒng)中，結(jié)合輻照時間計算程序，進行出對時間提醒。這樣，可以大幅提高單晶硅輻照的命中率。

4 結(jié)語

文中介紹了49-2堆單晶硅輻照的工藝理論；而后主要論述了在深入調(diào)研原有單晶硅輻照管理工作中存在不足的基礎(chǔ)上，結(jié)合先進的數(shù)據(jù)管理方法，對原有工作方式進行優(yōu)化改良，從而設(shè)計和建立一套先進的單晶硅輻照數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的過程；最后對輻照數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)研究的下一步研究做出了展望。

單晶硅輻照數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的建立與應用，保證了單晶硅輻照工作得以安全、有序、保質(zhì)、保量順利進行。為49-2室的單晶硅輻照工作提高了輻照效率、節(jié)約了輻照成本，增加了輻照產(chǎn)量。對其他反應堆輻照應用工作，具有示范效果，并具有可借鑒、可移植的實際意義。

參考文獻

[1]張亞東.49-2反應堆安全分析報告[M].北京：中國原子能科學研究院，2010.

[2]高集金.利用游泳池反應堆研制NTD硅的輻照技術(shù)[J].電力電子技術(shù)，1981（3）：20-23.

[3]郭文慧.49-2反應堆單晶硅輻照時間的計算及單晶硅時間控制系統(tǒng)[M].北京：中國原子能科學研究院，2009.

[4]陳煒.#300反應堆單晶硅輻照計算軟件的開發(fā)[C]//中國工程物理研究院科技年報——2003論文集，2003.

[5]沈顗華，朱文章，吳孫桃，等.中子輻照的單晶硅參數(shù)研究[J].固體電子學研究與進展，1994（2）：136-141.

[6]張松寶.單晶硅嬗變摻雜輻照生產(chǎn)線[C]//第三屆全國核技術(shù)與應用學術(shù)研討會會議論文集，2012.