CN112114350A - 基于Micromegas的裂变室 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于Micromegas的裂变室，包括Micromegas探测器，所述Micromegas探测器具有金属外壳，设于金属外壳内的漂移电极、Micromegas微网和收集电极，Micromegas微网设于漂移电极和收集电极之间；收集电极与脉冲信号采集电路电连接；Micromegas微网与漂移电极之间形成漂移区，Micromegas微网与收集电极之间形成收集区；金属外壳、漂移电极和收集电极之间围成气室，气室内设有流动的电离气体；所述漂移电极上还设有铀‑235层。本发明灵敏度高，计数率量程高，以期实现在单一脉冲模式下对反应堆从物理启动到满功率运行过程的中子注量率监测全覆盖；具有更好的抗干扰能力，更强的n/γ甄别能力，特别适合于反应堆等强电磁干扰与强γ辐射场环境的中子注量率的实时监测。

Description

基于Micromegas的裂变室
技术领域
本发明属于裂变室领域，特别涉及一种基于Micromegas的裂变室。
背景技术
从反应堆启动至满功率运行，其核功率的动态变化范围会达到10个数量级，相应的中子注量率变化范围将达到11个数量级(100～1011n/cm2.s)，出于次临界度、控制和安全目的，必须在反应堆运行的所有阶段监测堆芯中子注量率及其变化，另一方面，反应堆周围γ强度非常高，因此，用于反应堆中子注量率监测的中子探测器需要具备两个方面的条件，一是探测器量程要宽，二是探测器n/γ甄别能力要强。
由于一般的中子探测器量程有限，很难覆盖跨度这么大的测量范围，目前反应堆中子注量率监测方案主要有两类。第一类是把全程的测量范围分成好几段测量通道，分别配以不同的中子探测器来进行分段接力测量，此类方案最主要的缺点是探测器数目多，系统结构复杂；另一类是裂变室宽量程方案，利用裂变室自身具有的三种工作模式，即脉冲计数模式、坎贝尔模式、电流模式，组合起来能够覆盖反应堆运行的所有阶段中子注量率变化范围，此方案的优点是减少了探测器，简化了探测系统的结构，但也存在着如下问题：裂变室热中子探测灵敏度不高(10-1～100cps/nv)、计数率动态范围小(中子注量率脉冲模式测量上限105～106n.cm-2.s-1)、(篇四一样)监测模式切换繁琐等问题，其应用于大型商用反应堆技术尚不成熟。
发明内容
本发明的目的在于，针对当前裂变室监测反应堆从启动到满功率过程中热中子灵敏度不高、计数率动态范围小、监测模式切换繁琐的不足，提供一种基于Micromegas的裂变室，灵敏度高，计数率量程高，以期实现在单一脉冲模式下对反应堆从物理启动到满功率运行过程的中子注量率监测全覆盖。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于Micromegas的裂变室，包括Micromegas探测器，所述Micromegas探测器具有金属外壳，设于金属外壳内的漂移电极、Micromegas微网和收集电极，Micromegas微网设于漂移电极和收集电极之间；漂移电极、Micromegas微网外加负电压，加在漂移电极上的负电压的电压绝对值大于加在Micromegas微网上的负电压的电压绝对值，收集电极接地；收集电极与脉冲信号采集电路电连接；Micromegas微网与漂移电极之间形成漂移区，Micromegas微网与收集电极之间形成收集区；金属外壳、漂移电极和收集电极之间围成气室，气室内设有流动的电离气体；其特点是所述漂移电极上还设有铀-235层。
作为一种优选方式，所述脉冲信号采集电路读取方式为盘阵列或像素读出方式。
作为一种优选方式，铀-235层的厚度为10～12mg/cm2。
作为一种优选方式，铀-235层的厚度为11mg/cm2。
作为一种优选方式，Micromegas微网与漂移电极之间的间距为3～5mm；Micromegas微网与收集电极之间的间距为100～500μm。
作为一种优选方式，Micromegas微网与漂移电极之间的间距为4mm，Micromegas微网与收集电极之间的间距为150μm
作为一种优选方式，脉冲信号采集电路的甄别阈为α粒子最大沉积能量。
作为一种优选方式，Micromegas探测器的增益为100～101。
作为一种优选方式，电离气体由氩气和二氧化碳组成，其中氩气与二氧化碳的体积比为(7～9)：(3～1)；漂移区的场强为1000～2500V/cm；收集区的场强为4×104V/cm～5×104V/cm。
作为一种优选方式，氩气与二氧化碳的体积比为4：1；收集区的场强为4.5×104V/cm。
Micromegas探测器为微网结构气体探测器(Micro-Mesh Gaseous Structure，Micromegas)，由于Micromegas探测器易于大面积制作，因而能够有效提高热中子探测灵敏度；又由于Micromegas可以采用像素(pad或pixel)读出方式，因而具有很高的计数率能力，这一优点可以用来扩展其计数率量程。
本发明利用Micromegas探测器易于大面积制作、高计数率的优点，设计一种基于Micromegas的裂变室，该裂变室通过在Micromegas漂移电极上设置铀-235层作为热中子转化体来实现，其基本原理是，热中子诱发235U裂变反应，裂变碎片有一定的概率穿过铀-235层进入Micromegas探测器气室内的电离气体中从而被探测到。本发明灵敏度高，计数率量程高，以期实现在单一脉冲模式下对反应堆从物理启动到满功率运行过程的中子注量率监测全覆盖；基于Micromegas的裂变室具有比普通裂变室更好的抗干扰能力，比涂10B的Micromegas中子探测器更强的n/γ甄别能力，特别适合于反应堆等强电磁干扰与强γ辐射场环境的中子注量率的实时监测。
附图说明
图1为本发明基于Micromegas的裂变室结构示意图(移除金属外壳后)。
图2为基于Micromegas的裂变室模拟流程图。
图3为探测效率随镀铀层厚度变化曲线图。
图4为不同235U镀层厚度的裂变碎片出射能谱图。
图5为不同漂移区间距裂变碎片平均沉积能量图。
图6为裂变碎片与α粒子沉积能量谱。
图7为阈值4.4MeV时探测效率随镀铀层厚度的变化曲线图。
其中，1为Micromegas探测器，101为漂移电极，102为Micromegas微网，103为收集电极，104为漂移区，105为收集区，106为气室，107为铀-235层，HV1-为漂移极高压电源，HV2-为微网高压电源，C为电容，R1为第一电阻，R2为第二电阻。
具体实施方式
如图1所示，基于Micromegas的裂变室包括Micromegas探测器1，所述Micromegas探测器1具有金属外壳，设于金属外壳内的漂移电极101、Micromegas微网102和收集电极103，Micromegas微网102设于漂移电极101和收集电极103之间。收集电极103的信号经前置放大后被读取。
漂移电极101、Micromegas微网102外加负电压，加在漂移电极101上的负电压的电压绝对值大于加在Micromegas微网102上的负电压的电压绝对值，收集电极103接地。具体由下述结构实现：如图1，漂移极高压电源HV1-通过电容C接地，电容C起到滤除杂波的作用。同时，漂移极高压电源HV1-依次通过第一电阻R1、第二电阻R2接地，微网高压电源HV2-与Micromegas微网电连接。
收集电极103与脉冲信号采集电路电连接；Micromegas微网102与漂移电极101之间形成漂移区104，Micromegas微网102与收集电极103之间形成收集区105；金属外壳、漂移电极101和收集电极103之间围成气室106，气室106内设有流动的电离气体；所述漂移电极101上还设有铀-235层107。
铀-235层107直接蒸镀于漂移电极101上，形成235U镀层(即铀-235层107)。
金属外壳一般为不锈钢或铝合金材质，附图中未示出，但并不影响本领域的技术人员对本发明的理解和实现。外壳设进气口和出气口，流动的电离气体由进气口充入气室106，由出气口流出气室106。
外壳、提供电离气体的气源、脉冲信号采集电路、收集电极103与脉冲信号采集电路之间的电连接关系均为现有技术，故未在附图中示出，但并不影响本领域的技术人员对本发明的理解和实现。
本实施例中，采用现有技术中的有效面积为20cm×20cm、计数率上限为106cps/cm2的基于热熔胶工艺的Micromegas和成熟的基于AGET的通用电子学系统，采用漂移电极单层镀铀(丰度90％的高浓铀)的方式，该裂变室热中子探测灵敏度可达2.7cps/nv，中子通量密度脉冲测量上限可达108～109n.cm-2.s-1。
工作时，在漂移电极101、Micromegas微网102加逐次减小的负电压，收集电极103接地，这样就在Micromegas探测器1内部形成一个由收集电极103指向漂移电极101的电场。
热中子穿过金属外壳后，垂直入射到漂移电极101下方的铀-235层107，镀在漂移电极101上的铀-235开始裂变反应。由于Micromegas微网102与收集电极103之间的间距非常小，电场十分强，当裂变碎片进入漂移区104后，在气体介质中发生原初电离，电离电子在漂移区104电场的作用下进入Micromegas微网102网孔并在收集区105内产生雪崩放大，雪崩电子被收集电极板收集，由脉冲信号采集电路读取脉冲信号。脉冲信号采集电路读取方式为盘阵列(pad或piexl)或像素读出方式，Micromegas微网102上的每个网孔结合收集电极103都可以视为独立的正比计数器，因此一个Micromegas探测器1相当于许多个微型探测器的组合，从而具有很高的计数率能力。同时Micromegas探测器1易于大面积制作，因而能够有效地提高热中子探测灵敏度。
通过对铀-235层107厚度、Micromegas微网102与漂移电极101之间的间距(即漂移区104间距)、电场强度等参数的蒙特卡罗模拟研究，对热中子探测灵敏度、输出脉冲幅度分布等的影响进行详细地模拟与计算，得到本发明的各项最优设计参数。
建模与模拟过程具体如下：
本发明使用蒙特卡罗工具包Geant4、有限元分析软件ANSYS与气体探测器蒙特卡罗模拟工具包Garfield++对基于Micromegas的裂变室进行建模与模拟，模拟流程如图2所示。首先使用蒙特卡罗模拟软件geant4对热中子与235U镀层发生作用的物理过程、裂变碎片核素成分及能谱、裂变碎片出射谱进行模拟，得出最大热中子转化效率及最优化转化层厚度；其次使用geant4软件对裂变碎片在气体中的能量沉积与最佳气体厚度进行模拟，然后使用有限元分析软件ANSYS与蒙特卡罗模拟软件Garfiled++对Micromegas相关物理过程进行模拟研究，得出Micromegas探测器1适合于裂变碎片探测的最优化设计参数和工作条件。ANSYS用于Micromegas探测器1的几何模型的搭建以及模拟探测器内部电场的分布情况，Garfield++应用于Micromegas探测器1相关物理过程的模拟计算，根据带电粒子信息及探测器内电场分布情况，对探测器内电离电荷的扩散、漂移、雪崩进行模拟。最终得到Micromegas探测器1各项最优设计参数。
1、235U镀层厚度
利用蒙特卡罗模拟软件geant4对热中子与235U转化层发生作用的物理过程、裂变碎片核素成分及能谱、裂变碎片出射谱等进行模拟，得出最大热中子转化效率及最优化转化层厚度。
转化层(铀-235层107)为金属铀，235U丰度为90％，密度为18.68g/cm3，模拟中子源为热中子(能量0.0253eV)，垂直转化层入射。
裂变碎片核素成分非常复杂，有几百种，一次裂变两个碎片能量分别介于50～85MeV与90～120MeV之间，平均能量分别为68.7MeV及100.5MeV，较轻核能量高，较重核能量低；探测效率随镀铀层厚度变化如图3所示，铀-235层107的厚度为10～12mg/cm2，热中子探测效率较大。当铀-235层107的厚度为11mg/cm2时，热中子探测效率最大，为0.68％。在此厚度下，耦合现有技术中的有效面积20cm×20cm、计数率上限106cps/cm2的基于热熔胶工艺的Micromegas和现有技术中的基于AGET的通用电子学系统，采用阴极单层镀铀的方式，该裂变室热中子探测灵敏度可达2.7cps/nv，中子通量密度脉冲测量上限可达108～109n.cm-2.s-1，可以通过优化转化体结构来进一步提高热中子探测灵敏度。
图4为不同235U镀层厚度的裂变碎片出射能谱。
2、Micromegas微网与漂移电极之间的间距(即漂移区间距)
电离气体为Ar+少量CO2，气体压强为1个标准大气压，图5为不同漂移区间距裂变碎片平均沉积能量，可见随着漂移区104间距的增大，平均沉积能量也随之增加，当漂移区104间距为3～5mm时，平均沉积能量将达到数十MeV，远大于235U衰变α粒子能量和环境γ本底能量。
由模拟过程获知，随着漂移区104间距的增大，沉积能量谱也随之展宽，这将对探测器的能量分辨不利。此外，漂移区104间距越大，电子扩散效应越明显，不利于探测器的时间分辨。综合考虑，可选择漂移区104间距为4mm。选择Micromegas微网102与收集电极101之间的间距为150μm。
3、探测效率的阈值修正与α甄别
235U衰变α粒子进入探测器将给中子探测带来干扰，需要对探测器设置一定的甄别阈以剔除干扰。图6为漂移区间距为4mm时裂变碎片与α粒子沉积能量谱，当设置甄别阈为α粒子最大沉积能量，即4.4MeV时，可排除所有的α粒子干扰。甄别阈的存在将使低能裂变碎片计数损失从而造成探测效率的下降。图7为阈值4.4MeV时探测效率随镀铀层厚度的变化曲线图，可见最佳镀铀层厚度变为9mg/cm2，饱和探测效率为0.6％。此条件下，耦合有效面积20cm×20cm、计数率上限106cps/cm2的Micromegas探测器1，热中子探测灵敏度可达2.4cps/nv，中子通量密度脉冲测量上限可达108～109n.cm-2.s-1。
本发明工艺简单、设计灵活，将来随着Micromegas制作工艺的进步，Micromegas裂变室有望实现在单一脉冲计数模式下对反应堆从物理启动到满功率运行过程的中子注量率监测全覆盖。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于Micromegas的裂变室，包括Micromegas探测器(1)，所述Micromegas探测器(1)具有金属外壳，设于金属外壳内的漂移电极(101)、Micromegas微网(102)和收集电极(103)，Micromegas微网(102)设于漂移电极(101)和收集电极(103)之间；漂移电极(101)、Micromegas微网(102)外加负电压，加在漂移电极(101)上的负电压的电压绝对值大于加在Micromegas微网(102)上的负电压的电压绝对值，收集电极(103)接地；收集电极(103)与脉冲信号采集电路电连接；Micromegas微网(102)与漂移电极(101)之间形成漂移区(104)，Micromegas微网(102)与收集电极(103)之间形成收集区(105)；金属外壳、漂移电极(101)和收集电极(103)之间围成气室(106)，气室(106)内设有流动的电离气体；其特征在于，所述漂移电极(101)上还设有铀-235层(107)。
2.如权利要求1所述的基于Micromegas的裂变室，其特征在于，所述脉冲信号采集电路读取方式为盘阵列或像素读出方式。
3.如权利要求1所述的基于Micromegas的裂变室，其特征在于，铀-235层(107)的厚度为10～12mg/cm2。
4.如权利要求3所述的基于Micromegas的裂变室，其特征在于，铀-235层(107)的厚度为11mg/cm2。
5.如权利要求1所述的基于Micromegas的裂变室，其特征在于，Micromegas微网(102)与漂移电极(101)之间的间距为3～5mm；Micromegas微网(102)与收集电极(101)之间的间距为100～500μm。
6.如权利要求5所述的基于Micromegas的裂变室，其特征在于，Micromegas微网(102)与漂移电极(101)之间的间距为4mm；Micromegas微网(102)与收集电极(101)之间的间距为150μm。
7.如权利要求1所述的基于Micromegas的裂变室，其特征在于，脉冲信号采集电路的甄别阈为α粒子最大沉积能量。
8.如权利要求1所述的基于Micromegas的裂变室，其特征在于，Micromegas探测器(1)的增益为100～101。
9.如权利要求8所述的基于Micromegas的裂变室，其特征在于，电离气体由氩气和二氧化碳组成，其中氩气与二氧化碳的体积比为(7～9)：(3～1)；漂移区(104)的场强为1000～2500V/cm；收集区(105)的场强为4×104V/cm～5×104V/cm。
10.如权利要求9所述的基于Micromegas的裂变室，其特征在于，氩气与二氧化碳的体积比为4：1；收集区(105)的场强为4.5×104V/cm。
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