3.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 北京 102413）

摘 要：對(duì)單晶硅的中子嬗變摻雜，是將原始單晶硅放入反應(yīng)堆孔道中進(jìn)行輻照，從而實(shí)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(diǎn)。中子輻照摻雜方法，使原始單晶硅的利用率達(dá)到100% ，滿足了市場(chǎng)需求，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。近年來，隨著市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，單晶硅輻照的任務(wù)量與日遞增，客戶的要求也進(jìn)一步提高?，F(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(duì)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(yùn)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(shí)踐中的通過了有效性檢驗(yàn)，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：?jiǎn)尉Ч?中子擅變摻雜 輻照數(shù)據(jù) 管理系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TL71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）08（b）-0109-04

1 149-2反應(yīng)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(yīng)為：30Si（n，γ） 31Si→31p。

1.1.2 輻照時(shí)間的計(jì)算

已知硅棒的原始和目標(biāo)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(shí)間的計(jì)算公式：

（1）設(shè)原始為N型的單晶硅，電阻率為ρo，輻照目標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(shí)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(jì)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?？椎罏闈窨椎?。

旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(jī)構(gòu)抓住吊裝孔后，可實(shí)現(xiàn)單晶硅的出入堆操作。未照硅預(yù)處理后碼放至操作平臺(tái)，用機(jī)械手將硅放入吊蘭內(nèi)，再用吊車吊入孔道內(nèi)進(jìn)行輻照。輻照時(shí)電機(jī)帶動(dòng)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(cè)定：49-2堆采用活化探測(cè)片（鋁鈷片）隨堆測(cè)量與退火數(shù)據(jù)跟蹤倒推法相結(jié)合的方式來測(cè)定各個(gè)輻照孔道的中子通量；（2）輻照時(shí)間控制：采用時(shí)間控制法控制輻照精度。使用時(shí)間和排位計(jì)算程序，根據(jù)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，批量計(jì)算出每支硅所需要的輻照時(shí)間，并進(jìn)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(zhǎng)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(shí)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(gè)運(yùn)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?？梢姡瑔尉Ч枭a(chǎn)過程所需數(shù)據(jù)量是比較大的，現(xiàn)有的時(shí)間計(jì)算與排位程序解決了批量計(jì)算與排位的問題，但數(shù)據(jù)的檢索、糾錯(cuò)、清點(diǎn)、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(jì)與建立

單晶硅輻照管理的主要內(nèi)容是對(duì)單晶硅的實(shí)物以及與之對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，對(duì)單晶硅數(shù)據(jù)的管理滲透到生產(chǎn)過程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)。雖然輻照時(shí)間計(jì)算程序能夠成批量完成輻照時(shí)間計(jì)算、組合、排位、制表等工作，但其運(yùn)行需要以詳實(shí)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(yīng)現(xiàn)今單晶硅輻照工作的需要。2011年初，在對(duì)比同行業(yè)單晶硅輻照管理先進(jìn)模式，借鑒其他研究堆單晶硅輻照數(shù)據(jù)管理經(jīng)驗(yàn)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(jì)研究工作。

2.1 分析實(shí)際工作中所遇到的困難

舊的數(shù)據(jù)管理方式是簡(jiǎn)單的將不同廠家、不同批次、不同入庫時(shí)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(jìn)行粗獷式的管理。其主要缺點(diǎn)包括：

（1）沒有原始數(shù)據(jù)自動(dòng)報(bào)錯(cuò)的功能。

（2）不能提供實(shí)時(shí)的與庫存硅相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

（3）不能對(duì)單晶硅的詳細(xì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確查找。

（4）當(dāng)單晶硅的某些屬性發(fā)生改動(dòng)時(shí)，無法及時(shí)的對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhǎng)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(yán)重影響著49-2堆單晶硅輻照工作的順利開展，進(jìn)而影響了單晶硅輻照的經(jīng)濟(jì)效益。因此單晶硅輻照數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建立勢(shì)在必行。

2.2 設(shè)計(jì)思想的建立

針對(duì)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(jìn)而管理單晶硅生產(chǎn)的想法?；镜乃悸肥菍?duì)各廠家提供的每一只硅的硅名、直徑、長(zhǎng)度、硅型、原始電阻、目標(biāo)電阻等原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分類管理，對(duì)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(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤管理，為庫房的庫存硅與歷史數(shù)據(jù)提供核對(duì)依據(jù)。

2.3 單晶硅輻照管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

（1）開發(fā)環(huán)境程序運(yùn)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(duì)普遍的開發(fā)環(huán)境保證了程序的可兼容性和可擴(kuò)展性。

用兩臺(tái)電腦組建小型網(wǎng)絡(luò)，可以同時(shí)訪問數(shù)據(jù)庫，工作可同時(shí)進(jìn)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(jì)的需求分析。

①單晶硅從運(yùn)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(duì)這幾種狀態(tài)的標(biāo)注和記錄，對(duì)單晶硅的輻照數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤管理。

②需要在導(dǎo)入原始TXT格式數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫的過程中，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)處理，并提供報(bào)錯(cuò)，以供核實(shí)和修正。

③需要將原始數(shù)據(jù)中的每一個(gè)單項(xiàng)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(dǎo)出項(xiàng)，導(dǎo)出的數(shù)據(jù)符合時(shí)間計(jì)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(xiàng)，并要求可批量修改狀態(tài)，達(dá)到跟蹤記錄每支硅不同狀態(tài)的要求。

⑥需要對(duì)返照硅進(jìn)行比對(duì)顯示，以挑出改檔返照硅。

⑦需要實(shí)時(shí)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(jī)交互界面應(yīng)簡(jiǎn)單明了易于理解掌握，對(duì)不同狀態(tài)的數(shù)據(jù)通過顏色進(jìn)行區(qū)分。

（3）功能的實(shí)現(xiàn)針對(duì)上述需求分析，我們?cè)O(shè)計(jì)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(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，在導(dǎo)入過程中設(shè)置糾錯(cuò)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)每支硅的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行逐一比對(duì)，并顯示結(jié)果，根據(jù)結(jié)果修改數(shù)據(jù)，再次導(dǎo)入。

②硅庫房查詢模塊：可查詢項(xiàng)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(shí)間、制作入堆清單時(shí)間、直徑范圍、長(zhǎng)度范圍、重量、目標(biāo)電阻范圍、備注情況。查詢結(jié)果的各分項(xiàng)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(dǎo)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(duì)產(chǎn)品庫未照硅進(jìn)行查詢，根據(jù)輻照需要，建立對(duì)應(yīng)的入堆新建清單，并且導(dǎo)出可供計(jì)算程序計(jì)算的txt文本格式，以計(jì)算輻照時(shí)間。該功能會(huì)自動(dòng)記錄制單時(shí)間，以方便停堆后的出堆數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計(jì)。

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(shí)，可通過查詢?yōu)g覽與出堆界面，根據(jù)制單時(shí)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(jìn)行批量統(tǒng)計(jì)和輻照狀態(tài)更改，將這些數(shù)據(jù)分類標(biāo)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(duì)輻照狀態(tài)的標(biāo)定，確保數(shù)據(jù)庫與產(chǎn)量、庫房實(shí)際庫存數(shù)目相對(duì)應(yīng)。該功能可導(dǎo)出出堆走料清單，以供廠家核對(duì)。

⑤單晶硅輻照數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)運(yùn)行流程。

3 應(yīng)用過程的總結(jié)

3.1 在應(yīng)用過程中，對(duì)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(shì)

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

（2）實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫與庫房的實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)，減少了檢點(diǎn)庫房的工作量，降低出錯(cuò)概率。

（3）實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(cuò)概率。

（5）實(shí)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(yīng)用。

（6）應(yīng)用數(shù)據(jù)庫后，工作人員出錯(cuò)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(diǎn)建議

（1）目前的輻照管理軟件對(duì)單支和批量硅的輻照時(shí)間沒有編寫計(jì)算程序，需導(dǎo)出文件進(jìn)入原時(shí)間計(jì)算程序求得輻照時(shí)間。下一步可繼續(xù)開展這項(xiàng)工作，將時(shí)間計(jì)算程序與輻照管理軟件有機(jī)結(jié)合，進(jìn)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(shí)，記錄人員只需在軟件界面中完成點(diǎn)擊就可在電腦中準(zhǔn)確記錄輻照對(duì)象、輻照孔道、入堆時(shí)間、出堆時(shí)間等詳細(xì)信息，軟件可智能提示出堆時(shí)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(cè)器和中子注量積分器，對(duì)孔道通量的測(cè)量還需采用退火數(shù)據(jù)倒推法及理論通量測(cè)量方法進(jìn)行，準(zhǔn)確率有所欠缺。今后如果加裝自給能探測(cè)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(shí)間計(jì)算程序，進(jìn)行出對(duì)時(shí)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?yán)碚?；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(jìn)的數(shù)據(jù)管理方法，對(duì)原有工作方式進(jìn)行優(yōu)化改良，從而設(shè)計(jì)和建立一套先進(jìn)的單晶硅輻照數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的過程；最后對(duì)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(yīng)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(jìn)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(duì)其他反應(yīng)堆輻照應(yīng)用工作，具有示范效果，并具有可借鑒、可移植的實(shí)際意義。

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