CN108398710A - 一种用于反应堆内中子能谱实时测量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于核辐射探测技术领域，涉及一种用于反应堆内中子能谱实时测量的装置。所述的装置包括多个光纤探头、多条光纤、电路模块及计算机数据处理系统，每个光纤探头包括光纤末端及涂覆在光纤末端的探测材料，用于产生闪烁光；每条光纤一端连接每个光纤探头，另一端连接电路模块，用于传输闪烁光；电路模块用于将光纤探头产生的闪烁光的信号转换并放大为数字信号；计算机数据处理系统用于接收来自电路模块的数字信号数据进行处理，并给出每个光纤探头所在位置处的中子谱。利用本发明的装置，可以实时获取信号并给出光纤探头所在位置处的中子能谱分布，从而克服现有的活化片测量技术需要进行多次辐照及解谱，获取能谱需要很长时间的缺陷与不足。

Description

一种用于反应堆内中子能谱实时测量的装置

技术领域

本发明属于核辐射探测技术领域，涉及一种用于反应堆内中子能谱实时测量的装置。

背景技术

中子分布的测量对于反应堆及中子发生器的研究是非常重要的。目前有多种方法可用于此类测量。BF₃或³He正比计数管可用于中子的实时测量，但此类探测器通常难以伸入诸如燃料元件间隙内的狭窄空间。近年来，国际上开发了一种小型光纤中子探测器，该类探测器的体积可做到1mm³甚至更小，便于伸入反应堆中且可进行中子的实时测量。

该类小型光纤中子探测器的探测系统的组成如图1所示。闪烁光通过探头10进入石英光纤11，在驱动单元15的驱动下通过光纤传输进入光电倍增管16，从而转换为电信号后被前置放大器17放大到探测水平。前置放大器17与多道分析器18相连接，从而得到光子谱信息，并转换为探头所在处的中子通量密度信息，传输给计算机19。

该类小型光纤中子探测器中的探头结构的如图2所示。探头10包括传导光纤11、光学屏蔽层12、闪烁物质13及铝帽14。光学屏蔽层12包覆在传导光纤11非顶端的外侧；闪烁物质13由种子转换体与ZnS:Ag混合而成，并涂覆在传导光纤11顶端；铝帽14包覆在闪烁物质13的外侧。中子转换体可为⁶Li、²³⁵U、²³²Th、或²³⁸U等，其中⁶Li与²³⁵U通常用于热中子测量，²³²Th与²³⁸U通常用于快中子测量。

上述光纤中子探测器产生闪烁光、转换与放大信号的原理以ZnS:Ag与⁶Li混合而成的闪烁物质为例解释如下。

闪烁物中⁶Li与热中子可发生⁶Li(n，t)⁴He反应，式中，t为氚核，⁴He为α粒子。α粒子及氚核与闪烁物中ZnS:Ag发生作用，可产生闪烁光。闪烁光进入光纤，并通过光纤传输进入光电倍增管(PMT)，转换为电信号后被前置放大器(Amp.)放大到探测水平。与前置放大器相连接的设备为多道分析器。通过上述设备得到的光子谱信息，可转换为探头所在处的中子通量密度信息。

上述光纤中子探测器用于反应堆内中子通量密度测量时，具有可实时获取数据、可快速给出分析结果、分辨率高等优点。

但现有技术的该类光纤中子探测器一套设备仅能进行一种中子(如快中子或慢中子)的测量，而不能进行多种中子的同时测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于反应堆内中子能谱实时测量的装置，以解决现有的活化片测量技术需要进行多次辐照及解谱，获取能谱需要很长时间的技术问题。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种用于反应堆内中子能谱实时测量的装置，所述的装置包括多个光纤探头、与光纤探头数量对应的光纤、电路模块及计算机数据处理系统，

每个所述的光纤探头包括光纤末端及涂覆在光纤末端的探测材料，用于产生闪烁光；

每条所述的光纤一端连接每个所述的光纤探头，另一端连接所述的电路模块，用于传输所述的光纤探头产生的所述的闪烁光；

所述的电路模块用于将每个所述的光纤探头产生的所述的闪烁光的信号转换并放大为所述的计算机数据处理系统可以处理的数字信号；

所述的计算机数据处理系统用于接收来自所述的电路模块的数字信号数据进行处理，并通过中子解谱方法(通过计算机中安装的软件实现)给出每个所述的光纤探头所在位置处的中子谱。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于反应堆内中子能谱实时测量的装置，其中所述的光纤为石英光纤。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于反应堆内中子能谱实时测量的装置，其中所述的光纤探头的数量为2-8个。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于反应堆内中子能谱实时测量的装置，其中所述的探测材料由中子转换体以及闪烁体材料组成。

所述的闪烁体材料是一类吸收高能粒子或射线后能够发光的材料，在辐射探测领域发挥着十分重要的作用。常用的闪烁体材料有NaI:Tl、CsI:Tl、CsI:Na、ZnS:Ag、塑料闪烁体、蒽、茋等。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于反应堆内中子能谱实时测量的装置，其中所述的闪烁体材料为ZnS:Ag(即掺银硫化锌)。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于反应堆内中子能谱实时测量的装置，其中所述的中子转换体为⁶Li、²³⁵U、²³²Th或²³⁸U。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于反应堆内中子能谱实时测量的装置，其中每个所述的光纤探头涂覆不同的所述的探测材料。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于反应堆内中子能谱实时测量的装置，其中所述的电路模块包括相互连接的信号转换与放大单元及模数转换单元，

所述的信号转换与放大单元将所述的光纤探头传输来的光信号转换为模拟电信号并进行放大；

所述的模数转换单元用于将放大的模拟电信号转换为数字信号，以便输入所述的计算机数据处理系统进行处理。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于反应堆内中子能谱实时测量的装置，其中所述的信号转换与放大单元包括光电倍增管或半导体光电探测器件。

所述的光电倍增管用于将光信号转换为电子脉冲信号。

所述的半导体光电探测器件同样可起到将光信号转换为电子脉冲信号的作用，但其灵敏度及测量精度相对较差。在对探测灵敏度及测量精度要求不高，但对设备的抗冲击、抗震动性能要求较高的场合，可利用半导体光电探测器件代替光电倍增管。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于反应堆内中子能谱实时测量的装置，其中所述的中子解谱方法为中子少道解谱方法。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于反应堆内中子能谱实时测量的装置，其中所述的中子少道解谱方法为SAND-II解谱方法。

本发明的有益效果在于，利用本发明的用于反应堆内中子能谱实时测量的装置，由于采用了多个具有不同中子反应阈值的微型光纤探头，该探头可伸入反应堆堆芯内，所以可以实时获取信号，通过配套软件实时进行解谱，给出探头所在位置处的中子能谱分布，分辨率高，装置体积小，从而克服了现有的活化片测量技术需要进行多次辐照及解谱，获取能谱需要很长时间的缺陷与不足。

附图说明

图1为光纤中子探测器的探测系统的组成图。

图2为光纤中子探测器的探头结构图。

图3为示例性的光纤探头数量为5个的本发明的用于反应堆内中子能谱实时测量的装置的组成图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

示例性的本发明的用于反应堆内中子能谱实时测量的装置如图3所示,包括5个光纤探头(分别对应图3中的探头1-5)、5条石英光纤、5个电路模块(分别对应图3中的光子探测器及计数单元1-5)与计算机+软件数据处理系统。

(1)光纤探头与光纤

每个光纤探头包括石英光纤末端及涂覆在石英光纤末端的探测材料，用于产生闪烁光。5个光纤探头上涂覆的探测材料分别为(ZnS:Ag粉末来源于市售，其中Ag的质量百分含量在0.001％-0.01％之间)：

①摩尔比为1:1的⁶LiF+ZnS:Ag；

②摩尔比为1:1的²³²ThO₂+ZnS:Ag；

③摩尔比为1:1的²³⁸UO₂+ZnS:Ag；

④摩尔比为1:1的⁹Be+ZnS:Ag；

⑤塑料闪烁体。

上述探测材料均可生成闪烁光，但具有不同的中子反应阈值，在反应阈值之上，与中子随能量变化的截面函数亦不同。

每条石英光纤的直径为1mm，一端连接每个光纤探头，另一端连接每个电路模块，用于传输光纤探头产生的闪烁光。

(2)电路模块

每个电路模块用于将每个光纤探头产生的闪烁光的信号转换并放大为计算机数据处理系统可以处理的数字信号。电路模块包括相互连接的信号转换与放大单元及模数转换单元。信号转换与放大单元将光纤探头传输来的光信号转换为模拟电信号并进行放大；模数转换单元用于将放大的模拟电信号转换为数字信号，以便输入计算机+软件数据处理系统进行处理。

电路模块，即光子探测器及计数单元，使用5个日本滨松公司的CH326光子探测器进行5路光子探测，该探测器输出TTL信号。每个CH326光子探测器均连接计数单元CH297-011，该计数单元为滨松公司提供的与CH326光子探测器配套的计数单元。计数单元将计数结果输入计算机。

(3)计算机及软件

计算机+软件数据处理系统用于接收来自电路模块的数字信号数据进行处理，并通过计算机(可采用市场通用计算机)中安装的SAND-II算法(属于中子少道解谱方法)软件给出每个光纤探头所在位置处的中子谱。

该算法的具体方法如下：

设在所探测的中子场下，五个探头的计数结果按下式描述：

式中，等号左边为1列5行的矩阵，可用C表示。矩阵中元素c_i表示第i个探头的计数，共5个计数。等号右边的第一部分为探头响应矩阵R，矩阵中的r_ij元素表示第j个能量箱内的单位中子能够在第i个探头上引起的计数；第二部分为代表中子通量的n行单列矩阵Φ(即中子谱)，矩阵的Φ_j元素表示第j个能量箱内的中子数。求解中子谱，即是在已知C与R的条件下，求解Φ。由于探头计数m通常远小于中子谱的能量箱个数n，仅在上述已知条件下，Φ有无穷多组解，这时需要引入其他约束条件，以得到Φ的最优解。

由于各探头组成成分已知，查阅核数据库并进行计算，可得到个各个探头与中子发生作用的总截面随中子能量变化的相对值。通过已知辐射场的标定(例如利用已知的反应堆内的辐射场对探头进行标定)后，可得到各个探头与中子发生作用的宏观截面随中子能量变化的绝对值。探头与中子发生一次可释放高电离能力粒子的作用后，在ZnS:Ag内可发生一次能量沉积，随后释放一批光子，由CH326探测器可监测到一次光子释放事件，由此可得到单位注量的中子产生光子的次数随中子能量的变化函数，即R中的各个元素值。

本实例利用SAND-II迭代算法求得Φ的最优解。该方法是中子解谱领域使用多年，已经成熟的计算。该方法可预先假设一个谱，以表的形式给出每个能量段的值，由此计算出探测器的计数率，并与测量值作比较。利用一种平均方法得到每一能量处的平均修正系数，应用于对应能量处的通用迭代注量率值，得到下一迭代注量率谱。

设Φ^[k]为表示中子通量的第k个迭代矩阵。其中第j个能量区的通量为Φ_j ^[k]，设：

C^[k]＝R·Φ^[k]…………………(2)

C^[k]定义每个探测器的计数率修正系数为：

f_i ^[k]＝c_i/c_i ^[k]…………………(3)

定义计数率加权函数w_i,j ^[k]为：

按下式计算加权计数修正项a_j ^[k]：

由此得到下一个迭代通量谱Φ[k+1]，Φ[k+1]中的元素φ_j ^[k+1]由下式计算：

φ_j ^[k+1]＝φ_j ^[k]exp(a_j ^[k])…………………(6)

同时计算方差：

当相近2次迭代的V值差小于给定的精度时停止计算。设迭代了l次，此时得近似解：

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种用于反应堆内中子能谱实时测量的装置，其特征在于，所述的装置包括多个光纤探头、与光纤探头数量对应的光纤、电路模块及计算机数据处理系统，

每个所述的光纤探头包括光纤末端及涂覆在光纤末端的探测材料，用于产生闪烁光；

每条所述的光纤一端连接每个所述的光纤探头，另一端连接所述的电路模块，用于传输所述的光纤探头产生的所述的闪烁光；

所述的电路模块用于将每个所述的光纤探头产生的所述的闪烁光的信号转换并放大为所述的计算机数据处理系统可以处理的数字信号；

所述的计算机数据处理系统用于接收来自所述的电路模块的数字信号数据进行处理，并通过中子解谱方法给出每个所述的光纤探头所在位置处的中子谱。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的光纤为石英光纤。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的光纤探头的数量为2-8个。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的探测材料由中子转换体以及闪烁体材料组成。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述的中子转换体为⁶Li、²³⁵U、²³²Th或²³⁸U。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：每个所述的光纤探头涂覆不同的所述的探测材料。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的电路模块包括相互连接的信号转换与放大单元及模数转换单元，

所述的信号转换与放大单元将所述的光纤探头传输来的光信号转换为模拟电信号并进行放大；

所述的模数转换单元用于将放大的模拟电信号转换为数字信号，以便输入所述的计算机数据处理系统进行处理。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述的信号转换与放大单元包括光电倍增管或半导体光电探测器件。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的中子解谱方法为中子少道解谱方法。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：所述的中子少道解谱方法为SAND-II解谱方法。