涂硼電離室中子靈敏度計算與驗證

周治江，武文超，章航洲，王軍成，劉開弟，莫雙榮，傅源杰

（中國核動力研究設計院，成都 610005）

0 引言

圖1 圓柱型涂硼中子電離室結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of cylindrical boron-coated neutron ionization chamber

反應堆堆外中子探測器將反應堆堆外的中子注量及其變化率信號轉換為電信號傳輸至測量控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對反應堆運行狀態(tài)監(jiān)視、控制及保護[1]。反應堆由啟動至滿功率運行時，反應堆堆外中子注量率范圍為100～1010n·cm-2·s-1，反應堆堆外中子注量率的跨度約為10 個量級，單一的中子探測器不能實現(xiàn)覆蓋全量程測量，通常采用源量程、中間量程、功率量程中子探測器組合實現(xiàn)對反應堆堆外中子注量率的監(jiān)測[1-3]。源量程探測器采用BF3正比計數(shù)管或涂硼正比計數(shù)管，中間量程探測器采用涂硼補償電離室或者裂變電離室，功率量程采用涂硼電離室或者裂變電離室。裂變電離室由于高豐度的235U 受到管控，材料獲取困難；其次裂變電離室經(jīng)長時間中子活化，其后處理相對麻煩。涂硼電離室使用10B 材料獲取容易，材料使用無需取得相應授權，在涂硼電離室反應堆中子注量率監(jiān)測方面應用較為廣泛。

涂硼電離室為反應堆運行所需的關鍵設備，而中子靈敏度為涂硼中子電離室核性能核心的指標之一，因此開展涂硼中子電離室的核性能計算與驗證研究，為后續(xù)開展探測器的結構設計奠定基礎。

1 涂硼電離室的結構

涂硼中子電離室按照結構分為平板型、圓柱型、疊片型。圓柱型涂硼中子電離室由于結構簡單，制作工藝成熟，在工程應用方面應用最廣。圖1 為圓柱型涂硼中子電離室結構示意圖。

涂硼中子電離室由：1-接插件；2-引出線纜；3-頂部封頭；4-上絕緣座；5-外管；6-正高壓極管；7-收集極管；8-下絕緣座；9-底部封頭；10-抽氣管組成，正高壓極管的內壁和收集極管的外壁涂覆10B 靈敏層，通過上絕緣座和下絕緣座實現(xiàn)正高壓極管和收集極管支撐和絕緣，正高壓極管的內壁和收集極管外壁構成電離室的靈敏腔體；抽氣管實現(xiàn)對頂部封頭、外管、底部封頭等部件構成的工作腔體內氣體注入與密封；引出線纜通過接插件與外部高壓電源和測量儀表的連接，實現(xiàn)工作高壓的輸入和信號的輸出。

2 中子靈敏度導出和計算

影響中子靈敏度的參數(shù)有涂硼面積、涂硼豐度、涂硼層厚度、充氣壓力、電極間距、充氣成分等參數(shù)。當電極間距一定時，充氣壓力足夠大時可保證涂硼電離室的出射粒子完全被收集。不同種類的氣體，α 粒子與Li 粒子射線電離能不同，同等能量的粒子沉積到氣體中產(chǎn)生的電荷不同，根據(jù)相關的文獻，目前涂硼中子電離室所用氣體通常用P10（90%氬氣和10%甲烷構成）。

2.1 中子靈敏度導出

入射中子與電極表面10B 發(fā)生核反應生成的α 粒子和Li 離子，粒子射出硼層使P10氣體分子電離產(chǎn)生電子離子對；在電離室兩極外加電場作用下，電子離子對分別向陽極和陰極運動，在電極上出現(xiàn)感應電荷形成電流。進入平板式電離室靈敏體積的α 粒子或Li 離子將其全部能量沉積在P10氣體中而被探測，根據(jù)文獻[4]，計算得到的α 粒子或Li 離子對電離室探測效率的貢獻εα和εLi，結果為：

式（1）和式（2）中，σ 為中子與10B 反應截面，n 為原子密度，t0為硼層厚度，Rα為α 粒子在P10氣體中的射程，RLi為Li 離子在P10氣體中的射程。由式（1）可知，硼層厚度等于α 粒子的射程時，α 粒子探測器效率最高。由式（2）可知，硼層厚度等于Li 離子的射程時，Li 離子的探測效率最高。

中子靈敏度η 定義為單位注量率φ 的中子輻射場中所產(chǎn)生的累計電流I，即：

根據(jù)文獻[4]，當t0≤Rα 時，α 粒子對探測器輸出電流貢獻為：

t0≤RLi得到Li 粒子對探測器輸出電流貢獻為：

式（4）和式（5）中，S 為涂硼面積，W0為氣體電離能，Eα為α 粒子的能量；SEα為α 粒子的電子阻止本領， ELi為Li 離子的能量，SE為LiLi 離子的電子阻止本領，e 為常數(shù)。根據(jù)文獻[4]，Eα=1.47MeV 和ELi=0.84MeV，對應的SEα=3.381×102MeV/mm，SELi=7.938×102MeV/mm。

假設α 粒子或Li 離子探測器在探測效率相同時，探測器的輸出電流相等。假設t 為實際涂硼厚度，當t ≤RLi時，t0=t，代入可得中子靈敏度為：

表1 不同壓力下電離室樣件坪特性測試數(shù)據(jù)Table 1 Measurement data of flat characteristics of ionization chamber samples under different pressure

當涂硼厚度Rα>t>RLi時，對于Li 離子其等效涂硼厚度為：t0=2RLi-t。代入式中可得中子靈敏度為：

2.2 中子靈敏度計算

涂硼材料采用豐度為90%富集硼粉，原子密度n=1.297×1023cm-3。圓柱型硼層總表面積為S=3455.8cm2，對應的等效平板型涂硼面積為200cm2。對于能量為0.025ev 的熱中子，反應截面為σ=3.84×10-21cm2，涂硼面密度為0.8mg/cm2，代入式（7）可求出得靈敏度為5.25×10-13A/(cm-2·s-1)。

3 中子靈敏度試驗驗證

3.1 測試裝置

測試裝置為國防科技工業(yè)5114 二級計量站的中子靈敏度校準裝置。中子靈敏度校準裝置由線中子源、儲源容器、慢化體、探測器定位裝置、中子源升降裝置和屏蔽體組成。線中子源由20 顆活度為1.85×1010Bq 的241Am-Be 間隔50mm 依次排列組裝而成；儲源容器用聚乙烯制作而成，用于存放線中子源；慢化體的構成材料也是聚乙烯，慢化體用于慢化從放射源發(fā)出的快中子；探測器定位裝置用于固定中子探測器和調節(jié)探測器與線中子源之間的距離，有效調節(jié)距離162.5mm ～2210mm；屏蔽體用于屏蔽中子輻射和相關部件的安裝。中子靈敏度校準裝置靈敏區(qū)長度為1000 mm，中子注量率范圍為（10 ～3.9×103）n·cm-2·s-1，靈敏區(qū)中子注量率均勻性＜15%。中子靈敏度校準裝置結構示意圖如圖2 所示。

圖2 中子靈敏度校準裝置的結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of neutron sensitivity calibration device

3.2 試驗結果與討論

采用10B 豐度為90%富集硼粉對正高壓極管內表面和收集極管外表面涂覆中子靈敏層，涂硼面密度為0.8mg/cm2，正高壓極管內表面和收集極管的外表面總面積為S=3455.8cm2，將涂覆后的電極管組裝成電離室樣件，利用圖2 所示的中子靈敏度校準裝置對電離室樣件的坪特性進行測試。電離室樣件依次充裝氣體壓力為0.025MPa、0.06MPa、0.08MPa、0.1MPa、0.16MPa、0.22MPa、0.3MPa的P10氣體，按照GB/T 7164-2004 規(guī)定的中子靈敏度測試方法分別在注量為2.33×103（n·cm-2·s-1）位置上測試電離室樣件的坪特性[5]，表1 不同氣體壓力電離室樣件的坪特性測試數(shù)據(jù)。

圖3 工作氣體壓力與中子靈敏度的關系曲線Fig.3 The neutron sensitivity with the working gas pressure

根據(jù)表1 的測試數(shù)據(jù)，計算出電離室樣件的中子靈敏度，圖3 為工作氣體壓力與中子靈敏度的關系曲線。由圖3 可知，隨著氣體壓力增大，沉積于工作氣體的能量增加，產(chǎn)生的電子離子對增加，致使電離室樣件的中子靈敏度增加；在0.16MPa 以后，粒子的能量完全沉積于工作氣體中，產(chǎn)生的電子趨于飽和，從而使樣件輸出電流飽和，從而使電離室樣件的中子靈敏度趨于穩(wěn)定。

采用10B 豐度為90% 的靈敏材料，按照面密度為0.8mg/cm2，面積為S=3455.8cm2，涂覆的電極管組成的電離室樣件的中子靈敏度為4.01×10-13A/(n·cm-2·s-1)。理論計算電離室的中子靈敏度為5.25×10-13A/(n·cm-2·s-1)，與理論值偏差約為25%。造成這種問題的原因為：建模為理論模型，與實際物理過程存在差異；靈敏材料通過成膜劑固化于電極管，成膜劑會阻礙離子射出，造成粒子能量損失。在實際工程中，選取合適的工作氣體壓力，使電離室的中子靈敏度滿足測量要求，同時盡可能減少探測器內部與外部的工作環(huán)境的壓差，利于探測器的工作氣體注入后密封工藝的實現(xiàn)，保證制造的探測器一致性。

4 小結

本文計算了涂硼面密度為0.8mg/cm2，涂硼總面積為S=3455.8cm2的涂硼中子電離室的中子靈敏度并開展試驗驗證，試驗結果與理論計算偏差約為25%，偏差在可接受范圍。

在探測器核性能設計中，通過理論計算結合工作氣體壓力與中子靈敏度的關系曲線，選定參數(shù)范圍，開展試驗驗證確定涂硼面積、面密度、工作氣體壓力等參數(shù)。