CN106646583A - 基于激光二极管的中子注量在线测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于辐射探测领域，涉及一种基于激光二极管的中子注量在线测试系统及方法。该系统包括激光二极管、电流源、光功率计和计算机；激光二极管的输入端通过电流传输线与电流源相连，激光二极管的输出端通过光纤与光功率计相连；电流源和光功率计均与计算机相连。本发明提供的中子注量在线测试方法具备了探测器体积小、易于操作、线性范围好、抗γ辐射能力强且能够实现在线测试的综合性能。

Description

基于激光二极管的中子注量在线测试系统及方法
技术领域
本发明属于辐射探测领域，涉及一种基于激光二极管的中子注量在线测试系统及方法。
背景技术
中子注量是中子辐射效应研究中的基本参数，研制体积小、易于操作、线性范围好、不受γ辐射干扰且能够实现在线测试的中子注量探测器是不断追求的目标。由于几乎所有的中子源都同时伴随着γ射线的发射，尤其对于低n/γ比的混合场，γ射线强度不容忽视，同时，绝大多数的中子探测器对γ射线也敏感，这使得中子/γ混合辐射场中子注量的准确测试难度加大。
目前，以反应堆为代表的中子/γ混合辐射场中子注量测试经常使用的是核激活法，核激活中子注量探测器具有极强的抗γ辐射能力，但不能在线测试，同时放射性活度测试技术较为复杂；ASTM提出了基于2N222A Si双极晶体管的中子注量探测器，该探测器可以实现在线监测，但是当中子注量与γ总剂量比值低于1011n/(cm2.Gy)时，需要对实验结果进行修正以去除γ总剂量造成的损伤。包括电离室等在内的其它中子注量探测器，均需要采取一定的措施以去除γ辐射的影响。
发明内容
为了解决现有的中子注量探测器抗γ辐射能力差且不能在线测试的技术问题，本发明提供一种基于激光二极管的中子注量在线测试系统及方法。
本发明的技术解决方案是：一种基于激光二极管的中子注量在线测试系统，其特殊之处在于：包括激光二极管、电流源、光功率计和计算机；所述激光二极管的输入端通过电流传输线与电流源相连，激光二极管的输出端通过光纤与光功率计相连；所述电流源和光功率计均与计算机相连。
上述激光二极管为基于III-V材料系的多量子阱激光二极管。
上述激光二极管为GaAs激光二极管。
上述电流源和光功率计通过GPIB-USB转换器与计算机相连。
本发明还提供一种基于激光二极管的中子注量在线测试方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：
1】安装如权利要求1所述的基于激光二极管的中子注量在线测试系统；
2】将激光二极管放置于反应堆辐照腔内指定位置；
3】开堆前对激光二极管P-I特性曲线进行扫描，并计算出辐照前的阈值电流Ithr0；
4】开堆辐照激光二极管，辐照到标定注量φr后再次扫描P-I特性曲线，并计算出阈值电流Ithr；
5】标定激光二极管的阈值电流损伤系数k：
6】将标定过的激光二极管放置于反应堆辐照腔内的待测位置，进行开堆前P-I特性曲线的扫描，计算出阈值电流，并将该阈值电流作为新的初始阈值电流Ith0；
7】开启反应堆进行中子辐照实验，辐照到待测注量在线测试激光二极管的阈值电流Ithφ；
8】确定中子注量φ：
步骤4】中的标定注量φr由监控箔活性来确定。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供了一种中子/γ混合辐射场中子注量的测试方法，该方法具备了探测器体积小、易于操作、线性范围好、抗γ辐射能力强且能够实现在线测试的综合性能。
(2)本发明中的量子阱结构激光二极管抗γ辐射能力很强，测试结果不受γ辐射所影响，因此不需进行γ效应修正，简化了测试步骤，降低了测试难度和误差。
(3)本发明中的量子阱结构激光二极管阈值电流与中子注量呈线性关系，标定及测试简单；同时激光二极管阈值电流不受光纤等附属光学元件的辐射效应所影响，测试结果准确。
(4)本发明通过编程控制计算机实现中子注量的在线测试，操作简单、速度快、重复性好，测试效率高。
(5)本发明中作为探测器的量子阱结构激光二极管体积小，可实现中子注量的空间分布测试。
(6)本发明中的方法可以推广应用于不同中子源、不同质子源、中子源与质子源之间的位移损伤等效系数的确定，应用范围广泛。
附图说明
图1为激光二极管不同总剂量辐照下的P-I特性。
图2为激光二极管受中子辐照后与辐照前阈值电流的比值随中子注量的变化关系。
图3为激光二极管光功率随驱动电流的变化关系。
图4为GaAs材料位移损伤函数随中子能量的变化关系。
图5为本发明基于激光二极管的中子注量在线测试系统示意图。
具体实施方式
本发明提出了一种中子/γ混合辐射场中子注量的测试方法，该方法具备了探测器体积小、易于操作、线性范围好、抗γ辐射能力强且能够实现在线测试的综合性能。图1给出了FP腔激光二极管的典型总剂量辐照实验结果，辐照到5.5M rad(Si)总剂量激光二极管P-I特性曲线只有很小变化，表现出极强的抗总剂量能力。
本发明利用量子阱结构激光二极管作为探测器，依据激光二极管阈值电流随中子注量的增大呈线性变化关系，即有
式中Ith0是辐照前激光二极管阈值电流，Ithφ是辐照中子注量累积到φ时激光二极管的阈值电流，k是激光二极管阈值电流损伤系数。通过在线监测激光二极管阈值电流的变化，就可以获得中子注量。图2给出的是多量子阱激光二极管受反应堆中子辐照后阈值电流与辐照前阈值电流之比值随辐照中子注量的变化关系，显然二者呈线性关系，线性关系的斜率是激光二极管阈值电流损伤系数。
完成对光功率计及电流源(或者是光电探测器与双通道源表)的计算机控制，实现光功率(p)随驱动电流(I)变化数据的在线测试，如图3所示。光功率-正向电流曲线上自发辐射段与受激辐射段的切线交点所对应的电流值即为激光二极管的阈值电流，图3中所示位置。
选用基于III-V材料系的多量子阱激光二极管实现探测器的抗γ辐照能力。与大部分Si器件不同，基于III-V材料系的多量子阱激光二极管抗总剂量能力很强，国外针对商用AlGaInP多量子阱激光二极管的γ辐射效应研究结果表明：总剂量达到96Mrad，激光二极管的阈值电流没有变化。
各能段中子均会造成III-V材料的位移损伤，图4给出的是GaAs材料位移损伤函数随中子能量的变化，因此基于III-V材料系的多量子阱激光二极管可实现全谱中子注量的测试。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述：
如图5所示，多量子阱激光二极管封装为尾纤输出形式，放置于反应堆辐照腔内，由电流源长线驱动激光二极管，激光二极管输出光通过光纤引出至光功率计，通过计算机控制电流源和光功率计，实现光功率随驱动电流变化数据的自动采集与存储，根据P-I特性曲线计算出阈值电流。
本发明提供的基于激光二极管的中子注量在线测试方法较佳实施例步骤如下：
(1)连接由光功率计、电流源和计算机组成的测试系统，并预热光功率计。
(2)将探测用尾纤输出激光二极管放置于反应堆中子辐照腔内指定位置，利用光纤连接器将传输光纤与激光二极管尾纤连接，将传输光纤另一端引出并连接至光功率计探头。
(3)开堆前对激光二极管P-I特性曲线进行扫描，并计算出辐照前的阈值电流Ithr0。
(4)开堆辐照激光二极管，辐照到标定注量φr后再次扫描P-I特性曲线，并计算出阈值电流Ithr。其中标定注量φr由监控箔活性来确定。
(5)标定激光二极管的阈值电流损伤系数k，即有
(6)将标定过的激光二极管放置于反应堆中子辐照腔内的待测位置，进行开堆前P-I特性曲线的扫描，计算出阈值电流，并将该阈值电流作为新一轮的初始阈值电流Ith0。
(7)开启反应堆进行中子辐照实验，辐照到待测注量在线测试激光二极管的阈值电流Ithφ。
(8)确定中子注量φ，即有

Claims (9)

1.一种基于激光二极管的中子注量在线测试系统，其特征在于：包括激光二极管、电流源、光功率计和计算机；所述激光二极管的输入端通过电流传输线与电流源相连，激光二极管的输出端通过光纤与光功率计相连；所述电流源和光功率计均与计算机相连。
2.根据权利要求1所述的基于激光二极管的中子注量在线测试系统，其特征在于：所述激光二极管为基于III-V材料系的多量子阱激光二极管。
3.根据权利要求2所述的基于激光二极管的中子注量在线测试系统，其特征在于：所述激光二极管为GaAs激光二极管。
4.根据权利要求1-3中任一所述的基于激光二极管的中子注量在线测试系统，其特征在于：所述电流源和光功率计通过GPIB-USB转换器与计算机相连。
5.一种基于激光二极管的中子注量在线测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
1】安装如权利要求1所述的基于激光二极管的中子注量在线测试系统；
2】将激光二极管放置于反应堆辐照腔内指定位置；
3】开堆前对激光二极管P-I特性曲线进行扫描，并计算出辐照前的阈值电流Ithr0；
4】开堆辐照激光二极管，辐照到标定注量φr后再次扫描P-I特性曲线，并计算出阈值电流Ithr；
5】标定激光二极管的阈值电流损伤系数k：
6】将标定过的激光二极管放置于反应堆辐照腔内的待测位置，进行开堆前P-I特性曲线的扫描，计算出阈值电流，并将该阈值电流作为新的初始阈值电流Ith0；
7】开启反应堆进行中子辐照实验，辐照到待测注量在线测试激光二极管的阈值电流Ithφ；
8】确定中子注量φ：
6.根据权利要求5所述的基于激光二极管的中子注量在线测试方法，其特征在于：步骤4】中的标定注量φr由监控箔活性来确定。
7.根据权利要求5或6所述的基于激光二极管的中子注量在线测试方法，其特征在于：所述激光二极管为基于III-V材料系的多量子阱激光二极管。
8.根据权利要求7所述的基于激光二极管的中子注量在线测试方法，其特征在于：所述激光二极管为GaAs激光二极管。
9.根据权利要求8所述的基于激光二极管的中子注量在线测试方法，其特征在于：所述电流源和光功率计通过GPIB-USB转换器与计算机相连。
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