榮 茹，鄒德慧，魯 藝，邱 東，范曉強

(中國工程物理研究院 核物理與化學研究所,綿陽621900)

等效中子注量在線測量系統(tǒng)的研制工藝

榮 茹，鄒德慧，魯 藝，邱 東，范曉強

(中國工程物理研究院 核物理與化學研究所,綿陽621900)

分析了等效中子注量在線測量系統(tǒng)研制的要素，確定了探測器制作、連接、退火、數(shù)據(jù)采集等關鍵工藝，研制了等效中子注量在線測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了探測器的小型化以及多路測量。經實驗驗證，該系統(tǒng)的中子注量測量結果與用活化箔法測量的結果吻合。

等效中子注量；探測器；雙極晶體管

中子注量是反應堆輻射場的一個重要場量參數(shù), 通常采用活化箔法和裂變電離室法測量。活化箔法是一種離線測量方法，而裂變電離室法則可用于在線測量。由于受γ射線的干擾，裂變電離室法只能在低功率下進行測量，而且由于電離室體積大、測量通道有限，它無法滿足在狹小空間及對大樣品中子注量多點監(jiān)測的需要。目前國外建立了雙極晶體管離線測量中子注量的方法[1]，該方法利用雙極晶體管的輻照效應來反推中子注量。由于雙極晶體管可以實現(xiàn)小型化，因此將雙極晶體管離線測量方法發(fā)展成為一種在線測量方法成為可行的技術路線。國內西北核技術研究所曾利用分時測量技術進行等效中子注量在線測量[2]，由于面臨諸多工程問題，技術發(fā)展遇到瓶頸，一直處于原理驗證狀態(tài)。鄒德慧、魯藝等開展了等效中子注量在線測量技術研究[3-4]，突破了工程應用影響因素，開發(fā)了工程樣機，并投入了實際應用。本文詳細介紹了該測量系統(tǒng)開發(fā)過程中的關鍵工藝。

1 測量原理

根據(jù)Messenger-Spartt方程，在不考慮γ射線貢獻的條件下，隨著輻照中子注量增加，雙極晶體管的直流增益下降，增益倒數(shù)與輻照中子注量具有線性響應關系，如圖1所示。

圖1 雙極晶體管直流增益與輻照中子注量的關系Fig.1Current gain of a bipolar transistor vs.neutron fluence

利用雙極晶體管直流增益隨輻照中子注量的響應規(guī)律，可將雙極晶體管作為探測器，在參考中子場中進行標定，獲得其損傷常數(shù)[5]，再將損傷常數(shù)作為轉換系數(shù)，結合同一只探測器在待測場中的直流增益變化，即可計算出輻照工位的等效中子注量?？偟膩碚f，該方法是根據(jù)效應參數(shù)的變化來反推中子注量。即

(1)

2 測試方法

依據(jù)測量原理，首先利用參考中子場對定型的探測器進行標定，根據(jù)在線測量得到的直流增益及輻照中子注量率，計算出探測器的損傷常數(shù)，然后將已標定的探測器取出進行深度退火，使其直流增益恢復至輻照前的70%，再將探測器放入待測場中進行輻照，同時在線測量直流增益，根據(jù)得到的直流增益及損傷常數(shù)，計算待測場的等效中子注量。測量流程如圖2所示。

3 測量系統(tǒng)

等效中子注量在線測量系統(tǒng)由探測器、電源、信號源、測試轉接電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，結構如圖3所示，實物圖如圖4所示。

圖2 等效中子注量測量流程圖Fig.2Procedure of measuring the equivalent neutron fluence

圖3 等效中子注量在線測量系統(tǒng)結構框圖Fig.3Layout of online acquisition system of the equivalent neutron fluence

圖4 等效中子注量在線測量系統(tǒng)實物圖Fig.4Photo of online acquisition system of the equivalent neutron fluence

4 系統(tǒng)研制工藝

等效中子注量在線測量系統(tǒng)從研制到定型需要經過大量實驗考核，要求系統(tǒng)在滿足既定功能的條件下盡可能小型化、標準化并易于調試。

4.1探測器小型化工藝

探測器是等效中子注量在線測量技術實現(xiàn)的關鍵部件。探測器由雙極晶體管和偏置電阻組成，核心器件采用小功率晶體三極管3DG121C，其直流增益隨輻照中子注量的變化響應靈敏且性能穩(wěn)定。封裝采用UB表貼型，體積小，符合小型化的工藝要求。

在探測器設計過程中，考慮到中子輻射環(huán)境對電阻的影響，設計時將電阻從探測器上分離出來，布放在測試轉接板上。探測器的工作電壓和偏置電流由測試轉接板提供。將探測器置于輻射大廳，測試轉接板置于測試間，二者通過100 m的長線連接。如圖5所示。

在長線連接的測試模式下，長線帶來的信號干擾直接影響探測器的輸出。因此，設計時，在晶體管的集電極與發(fā)射極之間增加一個濾波電容以消除極間噪聲。

圖5 測試原理圖Fig.5Schematic of the measurement

采取上述工藝可使探測器的尺寸縮小至18 mm×6 mm×10 mm，且在加電工作時，性能穩(wěn)定并同時滿足對狹小空間多點布放的需求。

圖6和圖7分別為探測器及測試轉接板的實物圖。

圖6 探測器實物圖Fig.6Photo of the detector

圖7 轉接板實物圖Fig.7Photo of the patch panel

4.2探測器連接工藝

為了滿足對中子注量多點測量的要求，將探測器通道數(shù)設計為10路，探測器的工作電壓和偏置電流，由外部電源和信號源通過長電纜饋入。從探測器引出至測試轉接板上的信號分為2路，每路為一根雙絞線，匯聚到轉接板上共有20路信號線。為了便于調試，使用多芯雙絞電纜連接探測器與轉接板。

實驗大廳與測試間相隔近100 m，為了降低電纜阻抗引起的信號衰減，減小信號線間共模噪聲和差模噪聲，選擇使用了阻抗小于5 Ω的鍍銀柔性多芯雙絞屏蔽電纜。為了保證每次接線正確，對不同色系的電纜進行分組記錄；為保證探測器與電纜連接牢固且電氣性能可靠，在焊接后進行線間的絕緣處理；通電前為保障探測器處于良好工作狀態(tài)，利用萬用表對雙極晶體管進行靜態(tài)測試。

4.3探測器退火操作工藝

如第2節(jié)所述，每次輻照實驗結束后，探測器需進行高溫退火處理，以用于下一次輻照實驗。由于信號線不耐高溫，退火前需將信號線從探測器上取下，而在下一次使用前，又需將信號線再次焊接在探測器上，這種連接方式給實驗人員帶來了很大的不便，且降低了探測器的使用壽命。目前正著手設計一種耐高溫的小型接插件連接方式，以實現(xiàn)探測器和信號線之間的快捷連接，提高工作效率和探測器的使用壽命。

4.4轉接板工藝改進

經過大量驗證實驗后，探測器與轉接板完成定型，為了快速完成轉接板、電纜、探測器之間的一體連接，對連接方式進行了改進，將圖7中的接線端子排連接方式改進為BNC連接方式，如圖8所示。連接時間由最初的40 min縮短為5 min。這不僅減少了工作人員在實驗大廳滯留的時間, 而且提高了實驗效率。

圖8 連接方式改進后的轉接板實物圖Fig.8Photo of the improved patch panel

4.5數(shù)據(jù)采集準確度

在調試過程中發(fā)現(xiàn)，探測器直流增益的測試結果波動較大，經分析，這是由于在采樣率一定的情況下，信號源給出偏壓的掃描頻率過高引起的。待降低信號頻率后，這個問題得以解決。驗證結果如表1所列。靜態(tài)測試結果如圖9所示。

圖9 采集信號準確度驗證結果Fig.9Results of accuracy verification of the collected signals

DetectorNo.CurrentgainmeasuredbyBC3193individualsemiconductoranalyzerCurrentgainmeasuredby1MeVequivalentfluenceonlineacquisitionsystem(100Hz)Currentgainmeasuredusing1MeVequivalentfluenceonlineacquisitionsystem(50Hz)17128.513512827132.113713023128.213613030128.113812836128.713512552127.913112453128.214213156128.913812957128.613512858127.7147132

5 應用驗證

采用該測量系統(tǒng)在脈沖堆上進行了等效中子注量在線測量，在相同位置布放了活化箔進行同步測量，二者結果在不確定度范圍內吻合，測量結果如表2所列。

表2 脈沖堆10路探測器在線監(jiān)測中子注量Tab.2The measured online neutron fluence by 10 detectors for the pulsed reactor

6 結論

利用研制的等效中子注量在線測量系統(tǒng)，開展了等效中子注量測量實驗，獲得的中子注量與采用活化箔測量的中子注量之間的偏差小于3%。建立了等效中子注量在線測量系統(tǒng)研制工藝，滿足了探測器的小型化和多點測量要求。在后續(xù)工作中，建議采取信號衰減的補償措施，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為工程樣機研制打下基礎。

[1]ASTM. Standard test method for use of 2N2222A silicon bipolar transistors as neutron spectrum sensors and displacement damage monitors：ASTM E1855-10[S]. 2013.

[2]楊善潮, 郭曉強, 林東生, 等. 基于晶體管測量的中子注量在線實時測量系統(tǒng)[J].信息與電子工程, 2012, 10(5): 621-626.(YANG Shan-chao, GUO Xiao-qiang, LIN Dong-sheng,et al. Online real-time measurement system based on the transistor measurement of neutron fluence[J]. Information and Electronic Engineering, 2012,10(5): 621-626.)

[3]鄒德慧, 高輝, 魯藝, 等. 中子位移損傷監(jiān)測技術研究[J]. 原子能科學技術, 2010, 44(增刊): 472-475.(ZOU De-hui, GAO Hui, LU Yi, et al. Monitor technology about neutron displacement damage[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2010, 44(Suppl.): 472-475.)

[4]魯藝, 邱東, 榮茹. 基于晶體管的輻射效應在線測量系統(tǒng)研制[J]. 科技縱覽, 2016, 24(4): 119-123.(LU Yi, QIU Dong, RONG Ru. Development of online measurement system for radiation effects of transistor[J]. IEEE Spectrum, 2016, 24(4): 119-123.)

[5]金曉明, 楊善潮, 白曉燕, 等. 雙極晶體管中子輻射損傷K的不確定度評定[J]. 現(xiàn)代應用物理, 2015, 6(4): 281-285.(JIN Xiao-ming, YANG Shan-chao, BAI Xiao-yan, et al. Uncertainty evaluation of neutron radiation damage constant of bipolar transistors[J]. Modern Applied Physics, 2015, 6(4): 281-285.)

Techniques of Online Acquisition System of an Equivalent Neutron Fluence

RONG Ru,ZOU De-hui,LU Yi,QIU Dong,FAN Xiao-qiang

(Institute of Nuclear Physics and Chemistry,China Academy of Engineering PhysicsMianyang621900,China)

An online acquisition system of equivalent neutron fluence is developed by analyzing the key elements and techniques including detector fabrication, connection, annealing, and data acquisition. The miniaturization of the detector and the measurement for multiple point are achieved. It has been proved that the measurement results obtained by this system agree well with the results got by the activation foil method.

equivalent neutron fluence;detector;bipolar transistor

2016-10-29；

2016-11-15

榮茹(1968- )，女，河北蠡縣人，高級技師，本科，主要從事核電子學儀器儀表技術研究。

E-mail:rongru@163.com

TL81，TN322

A

2095-6223(2016)040202(5)