一種自給能中子探測器結構的優化設計方法與流程

本發明涉及反應堆中子通量測量技術領域，具體涉及一種自給能中子探測器結構的優化設計方法。

背景技術：

核能因為能量密度高，在可持續能源結構中占有不可替代的地位。但是核安全是核能應用中必須解決的關鍵問題。在核反應堆中，中子通量密度是監測和控制反應堆正常運行的關鍵物理量。由于反應堆堆芯是高溫高壓和強輻照環境，一般的探測器難以勝任。而自給能探測器由于具有不需偏壓、結構簡單、體積小、全體固化、電子學設備簡單等特性，成為監控反應堆堆芯中子通量的重要探測器。其典型結構如圖2所示，主要由發射體、絕緣體和收集體三部分組成，其中發射體可以與中子發生中子俘獲反應產生γ射線。不穩定核素通過放射性衰變放出γ射線或β射線。γ射線通過光電效應、康普頓效應、電子對效應等產生次級電子。β射線和次級電子在運動過程中會發生電離效應、韌致輻射等一系列級聯反應，當電子從發射體或絕緣體漂移至收集體時，就會形成電流，從而使中子信號轉變成電流信號。

它的相互作用原理分為兩個部分：

1)中子穿過收集體和絕緣體與發射體中的核素(主要是銠、鈷和釩等)發生中子俘獲反應，并生成不穩定核素。γ射線通過光電效應、康普頓效應、電子對效應等在發射體、絕緣體和收集體中產生次級電子，次級電子會在探測器中發生電離效應、韌致輻射等一系列級聯反應；

2)生成的不穩定核素會以一定的半衰期發生放射性衰變放出γ射線或β射線，其中γ射線又會在發射體、絕緣體和收集體中產生次級電子，次級電子又會在探測器中發生電離效應、韌致輻射等一系列級聯反應。

由于絕緣體的存在，發射體與收集體之間就會形成電勢差，若在發射體與收集體之間用導線連通，電子就會從發射體和絕緣體漂移至收集體，從而形成電流，其電流也可分為兩部分：1)通過中子俘獲產生的γ光子在發射體和絕緣體中經過一系列級聯反應產生的電子漂移至收集體時形成的電流，其作用時間很短，常稱為瞬發電流；2)通過不穩定核素衰變放出的γ射線或β射線在發射體和絕緣體中經過一系列級聯反應產生的電子漂移至收集體時形成的電流，由于不穩定核素存在半衰期，所以這部分電流在時間上有一定的延遲效應，故稱為緩發電流。其中瞬發電流所占的比例越大，自給能中子探測器的實時響應特性就更好，因此有人提出了關于自給能中子探測器的延遲響應的各種修正方法，但是這些修正方法都對電流成分的相關參數依賴很大，所以并沒有從根本上解決問題。探測器的中子靈敏度越高，在同樣的中子通量密度下輸出的電流就越大，電流的可觀測性越好，同時也會增大信噪比，使探測器的性能有所提高。

而發射體、絕緣體和收集體的尺寸不同，能進入到發射體里面的中子數量的比例就不同，中子俘獲產生的γ光子轉化成電流的比例也不同，衰變過程放出的粒子轉化成電流的比例也不同，所以發射體、絕緣體和收集體的尺寸的改變會使自給能中子探測器的中子靈敏度和瞬態電流所占的比例發生變化，從而影響整個自給能中子探測器的性能。

技術實現要素：

本發明提供一種自給能中子探測器結構的優化設計方法，通過改變自給能中子探測器中發射體、絕緣體和收集體的尺寸來研究中子靈敏度和瞬態電流所占的比例隨尺寸變化的關系，然后根據需求選擇合適的探測器尺寸，從而達到提高自給能中子探測器性能的目的。此法也能模擬本底電流，同時也可應用于沒有延遲效應的自給能中子探測器結構的優化設計，通過改變探測器的結構和尺寸來提高它的中子靈敏度，從而提高其性能。

為達到以上目的，本發明采用如下技術方案：

一種自給能中子探測器結構的優化設計方法，包括如下步驟：

步驟1：選取自給能中子探測器幾何體的形狀及參數，包括探測器的結構，發射體半徑，絕緣體厚度，收集體厚度以及發射體、絕緣體和收集體的共同長度，典型的自給能中子探測器的結構從內到外依次為發射體、絕緣體和收集體，探測器幾何參數的初始值根據典型的自給能中子探測器的尺寸選取，其中發射體半徑、絕緣體厚度和收集體厚度在典型尺寸基礎上減小一半后的±0.1mm范圍內選取，而發射體、絕緣體和收集體的共同長度在典型尺寸基礎上減小一半后的±1cm范圍內選取；

步驟2：在蒙特卡羅軟件中輸入探測器幾何參數建立自給能中子探測器的基本幾何特征層，基本幾何特征層分為同軸的三部分，從內到外分別為發射體、絕緣體和收集體，第一次按步驟1所選用的探測器幾何參數的初始值建立，而后按經過步驟8循環回到步驟2時的新幾何參數建立；

步驟3：給步驟2中建立的基本幾何特征層賦予材料，發射體層賦予發射體材料，絕緣體層賦予絕緣體材料，收集體層賦予收集體材料，材料的參數包括：材料的密度、核素及其比例；

步驟4：定義初始入射的中子的能量、位置以及入射方向，入射中子的能量通過對所測量對象的中子能譜進行隨機抽樣獲得，入射中子的位置和入射方向根據所研究中子的實際入射情況設定；

步驟5：根據入射中子的能量以及入射后發生的反應在蒙特卡羅軟件中添加物理過程；中子入射后發生的反應包括中子的彈性散射、中子的非彈性散射、中子俘獲反應、光電效應、康普頓散射、電子對效應、電子的電離、電子的韌致輻射以及放射性核素的衰變，在蒙特卡羅軟件模擬過程中，添加這些物理過程后，當發生其中一種反應時，軟件就會自動選用該反應所對應的截面數據或半衰期進行蒙特卡羅模擬；

步驟6：模擬一定數目的中子入射事例：在每個事例中，模擬中子入射后與步驟3中所賦予的材料發生的物理相互作用過程，并判斷電子是否由發射體或絕緣體漂移至收集體；如果是直接在收集體產生的電子，就舍棄，如果是由發射體或絕緣體漂移至收集體的電子，就輸出這些電子的數目和到達時間；

步驟7：計算自給能中子探測器在步驟2所設置的尺寸下的中子靈敏度s和瞬發電流所占的比例p；計算方法如下：

設在同一時刻入射了n個中子，由這n個中子在發射體和絕緣體中經過一系列相互作用后產生的并漂移至收集體的總電子數為m，電子電量e＝1.6×10^-19c，將這些電子到達收集體時的時間以△t的間隔進行分組統計，然后用每一組中的電子數乘以電子電量e再除以時間間隔長度△t就得到時間間隔長度△t內的平均電流，因為所有中子是同時入射的，所以得到的電流是沖擊響應電流，對沖擊響應電流做卷積處理得到階躍響應電流；在階躍響應中，當電流達到穩定時，總電流的值it在數值上滿足如下關系：

式中總電流it表示在階躍響應中當電流達到穩定時單位時間內在發射體和絕緣體中產生的并漂移至收集體的所有電子形成的電流，其單位為安培a；

設由這n個中子在發射體和絕緣體中經過一系列相互作用后產生的并漂移至收集體的瞬發電子數為k，經過同樣的處理后，在階躍響應中，當電流達到穩定時，瞬發電流if在數值上滿足：

式中瞬發電流if表示在階躍響應中當電流達到穩定時單位時間內在發射體和絕緣體中產生的并漂移至收集體的瞬發電子形成的電流，其單位為安培a；

因此，瞬發電流所占的比例p為

式中瞬發電流所占比例p表示單位時間內在發射體和絕緣體中產生的并漂移至收集體的瞬發電子形成的電流在總電流中所占的比例；

設探測器的橫截面積為a，單位為cm²，則入射的中子通量密度ф為

式中中子通量密度ф表示單位時間內入射到探測器單位橫截面積上的中子數，其單位為cm^-2·s^-1；

探測器的中子靈敏度s為

式中中子靈敏度s表示單位中子通量密度下自給能中子探測器形成的電流的強度，其單位為a·cm²·s；

步驟8：保存數據點，數據點的內容包括步驟2中所設置的發射體半徑，絕緣體厚度，收集體厚度，發射體、絕緣體和收集體的共同長度以及在步驟2所設置的尺寸下由步驟7計算出的中子靈敏度s和瞬發電流所占比例p；并根據如下判斷規則決定是否返回步驟2，如果判斷結果決定不用返回步驟2，則執行步驟9，如果判斷結果決定要返回步驟2，則調整探測器的幾何參數，調整方法為固定發射體半徑、絕緣體厚度、收集體厚度以及發射體、絕緣體和收集體的共同長度四個參數之中的三項，剩下一項以一定的步長進行調整，調整完后返回步驟2；

判斷規則為：每一個形狀參數值對應一個中子靈敏度和一個瞬態電流所占的比例，通過在每次蒙特卡羅軟件運行時改變發射體半徑、絕緣體厚度、收集體厚度以及發射體、絕緣體、收集體的共同長度這四個形狀參數值之中的一項，來得到中子靈敏度和瞬態電流所占比例隨所述四個形狀參數值的變化曲線，然后選取適合所測量對象的最佳形狀參數值，如果有合適的尺寸或者瞬態電流所占比例已經穩定，就執行步驟9，如果不滿足設定的結束條件，則調整探測器的結構參數，然后返回步驟2，重復上述步驟；

步驟9：輸出所有結果，利用輸出的數據，得到探測器性能隨探測器參數的變化曲線；

步驟10：最終根據所需確定探測器的結構及尺寸，達到提高探測器性能的目的。

所述自給能中子探測器的發射體材料為中子反應截面高的材料銠、釩或鈷。

所述自給能中子探測器的絕緣體材料為無機絕緣材料三氧化二鋁、氧化鎂或氧化鈹。

所述自給能中子探測器的收集體材料為中子反應截面低的材料鎳基合金inconel-600。

本發明通過改變自給能中子探測器中發射體、絕緣體和收集體的尺寸來研究中子靈敏度和瞬態電流所占的比例隨尺寸變化的關系，然后根據需求選擇合適的探測器尺寸，從而達到提高自給能中子探測器性能的目的。具有方法簡單易懂、能提高中子靈敏度和瞬態電流所占比例、可根據不同需求選取不同尺寸以達到優化設計目的的特點。

附圖說明

圖1為本發明流程示意圖。

圖2為自給能中子探測器的典型結構示意圖。

圖3為自給能中子探測器的相互作用過程示意圖。

圖4為反應堆典型中子能譜。

圖5為中子與¹⁰³rh反應的物理過程。

圖6為自給能中子探測器中瞬發電流所占比例隨發射體半徑的改變而改變的示意圖。

圖7為自給能中子探測器的中子靈敏度隨發射體半徑的改變而改變的示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步詳細說明：

以銠(¹⁰³rh)自給能中子探測器在反應堆中的性能對發射體半徑的依賴性研究為例。

如圖1所示，

步驟1：選取自給能中子探測器幾何體的形狀及參數：從內到外分別為發射體、絕緣體和收集體，同軸結構，如圖2所示。幾何參數的初始值為：發射體半徑取0.1mm，絕緣體厚度取0.305mm，收集體厚度取0.25mm，長度均取40cm。

步驟2：在蒙特卡羅軟件中輸入幾何參數建立自給能中子探測器的基本幾何特征層，基本幾何特征層分為三個部分(同軸)，從內到外分別為發射體、絕緣體和收集體，第一次按步驟1所選用的探測器幾何參數的初始值建立，而后按經過步驟8循環回到步驟2時所修改后的尺寸參數建立。

步驟3：給步驟2中建立的基本幾何特征層賦予材料，發射體層賦予發射體材料，絕緣體層賦予絕緣體材料，收集體層賦予收集體材料，材料的參數包括：材料的密度、核素及其比例；

發射體：密度12.41g/cm³，¹⁰³rh重量比100％。

絕緣體：密度3.569g/cm³，鋁和氧的元素比為2:3。

收集體：密度8.44g/cm3，鎳基合金inconel-600(硫、磷、硅、銅、碳、錳、鐵、鉻和鎳重量比分別為0.015％、0.03％、0.5％、0.5％、0.15％、1.0％、8.0％、15.5％、74.305％)。

中子入射后與自給能中子探測器的相互作用過程如圖3所示。

步驟4：定義初始入射的中子的能量、位置以及入射方向：中子入射位置在收集體的外表面均勻分布，方向各向同性，能量在反應堆典型中子能譜(如圖4所示)中隨機抽樣獲得。

步驟5：根據入射中子的能量以及入射后發生的反應在蒙特卡羅軟件中添加物理過程；中子入射后發生的反應包括中子的彈性散射、中子的非彈性散射、中子俘獲反應、光電效應、康普頓散射、電子對效應、電子的電離、電子的韌致輻射以及放射性核素的衰變，在蒙特卡羅軟件模擬過程中，添加這些物理過程后，當發生其中一種反應時，軟件就會自動選用該反應所對應的截面數據(或半衰期)進行蒙特卡羅模擬；

中子及rh相關的具體物理過程如圖5所示，中子進入自給能中子探測器，與發射體材料、絕緣體材料或收集體材料發生反應，其中中子與發射體材料發生中子俘獲反應生成不穩定的核素并放出γ光子，該核素衰變放出γ或β射線，γ射線與探測器中的材料發生光電效應、康普頓效應和電子對效應從而產生電子，電子在漂移至收集體的過程中形成電流；中子也可能與絕緣體材料發生中子俘獲反應生成不穩定的核素，該核素在衰變過程中產生電子，電子在漂移至收集體的過程中形成電流；中子也可與收集體中的材料發生中子俘獲反應生成不穩定的核素，該核素衰變放出γ光子，γ光子會運動到絕緣體或發射體，然后與絕緣體或發射體中的材料發生反應生成電子，這些電子在漂移至收集體的過程中也可形成電流。

步驟6：模擬一定數目的中子入射事例；在每個事例中，模擬中子入射后與步驟3中所賦予的材料發生的物理相互作用過程，并判斷電子是否由發射體或絕緣體漂移至收集體；如果是直接在收集體產生的電子，就舍棄，如果是由發射體或絕緣體漂移至收集體的電子，就輸出這些電子的數目和到達時間；

步驟7：計算自給能中子探測器在步驟2所設置的尺寸下的中子靈敏度s和瞬發電流所占的比例p；計算方法如下：

設在同一時刻入射了n個中子，由這n個中子在發射體和絕緣體中經過一系列相互作用后產生的并漂移至收集體的總電子數為m，電子電量e＝1.6×10^-19c，將這些電子到達收集體時的時間以△t的間隔進行分組統計，然后用每一組中的電子數乘以電子電量e再除以時間間隔長度△t(此處取0.1秒)就可以得到時間間隔長度△t內的平均電流，因為所有中子是同時入射的，所以得到的電流是沖擊響應電流，對沖擊響應電流做卷積處理就可以得到階躍響應電流。在階躍響應中，當電流達到穩定時，總電流的值it在數值上滿足如下關系：

式中總電流it表示在階躍響應中當電流達到穩定時單位時間內在發射體和絕緣體中產生的并漂移至收集體的所有電子形成的電流，其單位為安培(a)。

設由這n個中子在發射體和絕緣體中經過一系列相互作用后產生的并漂移至收集體的瞬發電子數為k，經過同樣的處理后，在階躍響應中，當電流達到穩定時，瞬發電流if在數值上滿足：

式中瞬發電流if表示在階躍響應中當電流達到穩定時單位時間內在發射體和絕緣體中產生的并漂移至收集體的瞬發電子形成的電流，其單位為安培(a)。

因此，瞬發電流所占的比例p為

式中瞬發電流所占比例p表示單位時間內在發射體和絕緣體中產生的并漂移至收集體的瞬發電子形成的電流在總電流中所占的比例。

設探測器的橫截面積為a(cm²)，則入射的中子通量密度ф為

式中中子通量密度ф表示單位時間內入射到探測器單位橫截面積上的中子數，其單位為cm^-2·s^-1。

探測器的中子靈敏度s為

式中中子靈敏度s表示單位中子通量密度下自給能中子探測器形成的電流的強度，其單位為a·cm²·s。

步驟8：保存數據點，數據點的內容包括步驟2中所設置的發射體半徑，絕緣體厚度，收集體厚度，發射體、絕緣體和收集體的共同長度以及在步驟2所設置的尺寸下由步驟7計算出的中子靈敏度s和瞬發電流所占比例p。并根據如下判斷規則決定是否返回步驟2，如果判斷結果決定不用返回步驟2，則執行步驟9，如果判斷結果決定要返回步驟2，則調整探測器的幾何參數，調整方法為固定絕緣體厚度、收集體厚度以及發射體、絕緣體和收集體的共同長度，發射體半徑以一定的步長進行調整，調整完后返回步驟2。

判斷規則為：

發射體的半徑從0.1mm開始，以步長0.1mm模擬至6.0mm。在沒有超過6.0mm以前，重復上述循環。

步驟9：輸出所有結果，利用輸出的數據，得到探測器性能隨探測器參數的變化曲線；

模擬計算出的瞬發電流所占比例隨發射體半徑變化而變化的結果如圖6所示，中子靈敏度隨發射體半徑變化而變化的結果如圖7所示。

步驟10：最終根據所需確定探測器的結構及尺寸，達到提高探測器性能的目的。

從圖6和圖7可以看出，隨著發射體半徑的增大，探測器的中子靈敏度一直在增大，幾乎與發射體半徑成正比關系，瞬發電流所占比例先增大而后趨于穩定。當發射體半徑為0.1mm時，瞬發電流所占比例為7.36％，中子靈敏度為2.53×10^-20a·cm²·s；當發射體半徑為4.0mm時，瞬發電流所占比例幾乎達到穩定值，約為26.15％，是發射體半徑為0.1mm時瞬發電流所占比例的3.55倍，而此時中子靈敏度約為8.77×10^-19a·cm²·s，是發射體半徑為0.1mm時中子靈敏度的34.66倍。因此可以選擇發射體半徑為4.0mm。

運用此方法還能對發射體材料由其他核素組成的自給能中子探測器做相應的模擬，選取合適的尺寸，從而提高瞬發電流所占比例以及探測器對中子響應的靈敏度。此法也能模擬本底電流，同時也可應用于沒有延遲效應的自給能中子探測器的優化設計。此外，本方法不僅可針對反應堆中實際的中子能譜來進行專門的優化設計，還可以在其余中子通量密度較高的環境下設計適合該環境的自給能中子探測器，使自給能中子探測器的應用更加廣泛。