CN115621111A - 具有利用光学转换且包括多个各自容纳光纤的自由端的光学腔的电离室的检测中子的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检测中子的装置(1)，该装置包括利用光学装换的至少一个密封电离室(2)，所述电离室具有多个腔，每个腔的操作基于使用自由端在腔内的光纤的光学转换，这允许多点中子通量测量，其中测量点轴向分布。

Description

具有利用光学转换且包括多个各自容纳光纤的自由端的光学 腔的电离室的检测中子的装置
技术领域
本发明涉及仪器仪表领域，特别是用于核裂变和聚变反应堆的仪器仪表。
更具体地，本发明涉及电离室中子探测器，特别是在数十年的测量期间操作并能够适应严格的安装约束条件(例如亚厘米套管和光缆管道直径)的中子探测器。
背景技术
运行反应堆，无论是用于发电还是研究，在跟踪多个操作参数方面都需要严格的要求。其中，产生的热功率是关键参数之一。这与容器附近或容器内的中子通量直接相关。因此，增加中子通量会导致反应堆功率水平的增加。
存在各种测量中子通量的技术，这些技术被一起归为中子探测器的范畴。其发展必须考虑多个约束条件。
其中最重要的是安装约束条件。例如，这些几何约束条件是管道(例如套管或光缆管道)的直径。
为了限制要引入核心的探测器的数量，在数十年的测量期间操作是一个明显的优势。
于是，单个探测器，而不是通常的三个探测器，允许从启动到全功率跟踪中子通量。
另一个约束条件与信号完整性有关。在电传输(已知为目前唯一使用的类型)的情况下，必须使用屏蔽同轴光缆，以防止信号传输线本身之间的电磁干扰或潜在串扰问题。
此外，反应堆容器内的高水平辐射和超过300℃的温度严重限制了可以使用的中子探测器的类型。
因此，电离室系列中的探测器受到青睐，已知这些探测器在这种环境中的极端条件下是稳健的。在这种特定情况下，诸如闪烁体或硅基固态探测器之类的探测器远没有那么可靠。
目前的电离室，例如涂覆有硼的电离室或裂变室，通常根据将中子通量转换为电信号的原理进行操作。这种电转换是通过一对或多对偏置在数百伏特的电极来执行的。这些电极收集的离子对的数量最多等于入射辐射产生的离子对的数量，并且取决于入射粒子的类型和动能。
如已经提到的，为了获得可用信号，电转换要求传输线被电磁屏蔽。
此外，在存在严格的空间约束条件的情况下，在可以实现的测量点数量方面，电转换并不是很令人满意。具体来说，如果要解决的问题是使多个测量点沿直径为15mm、长度为1m的圆柱形通道分布，则在假设探测器的直径最大为10mm时，该解决方案由于传输线直径(直径至少为6mm的同轴光缆)的原因，而不允许获得多于两个的测量点。
专利申请WO 2017/027679提出了一种多点中子探测器，其为申请人在商业上命名为“Micropocket(微囊)裂变探测器”(首字母缩写为MPFD)的类型。这种MPFD在信号传输方面的低性能使其无法操作：发生来自传输线的电场干扰以及这些相同传输线之间的电感和电容串扰。
发明人已经提出了与电转换不同的新途径的原理：参见例如参考文献[1]至[5]。该原理在于通过收集电离室中产生的光子来执行光学转换。
因此，该解决方案基于将中子信号转换为光信号。具体而言，当气体被中子和活性材料(例如裂变材料)之间的反应产生的重离子电离时，会发生电子级联并导致激发，然后去激发，光谱范围从大约80nm的紫外线到大约2000nm和3000nm之间的中红外线，伴随由同一气体的原子在红外和近红外区域的发射引起的显著发光。该效应在图1中示意性地示出。
然后通过被设计用于承受辐射的光纤收集产生的这种发光，这有效地限制了要使用的光谱区域。具体而言，已经表明，受到辐射的二氧化硅光纤仅衰减非常少，通常为几dB/km，光信号的波长在近红外范围内，通常在800nm和1100nm之间)：参见参考文献[5]。
至于将光信号转换为电信号，这是在核反应堆容器外通过一个或多个换能器(例如光电二极管、硅基光电倍增管、或照相机)进行的。
话虽如此，虽然上述参考文献[1]至[5]给出了使用无源光学方法跟踪中子通量的理念的证明，但这些参考文献没有提出任何建议来解决对紧凑型多点测量装置的需求。
因此，需要提供一种中子和/或伽马检测装置，其允许在多个点处同时同轴测量中子通量，同时有利地遵守可能严格的空间约束条件。
发明内容
为了实现这一点，本发明的一个主题是一种用于检测中子的装置，该装置包括利用光学转换的至少一个密封电离室，该电离室沿纵向轴线(X)延伸并包括多个光学腔，每个光学腔容纳光纤的自由端并且包括至少部分地涂覆有至少一种活性材料的至少一个内壁，所述光学腔填充有气体、优选加压气体，所述气体能够被由中子与活性材料之间的反应产生的离子电离，每个光学腔由圆柱体限定，该圆柱体在其纵向端部由封闭盘封闭，光学腔的横向内壁至少部分地涂覆有活性材料，光学腔的圆柱体彼此邻接同时以纵向轴线(X)为中心，光学腔的圆柱体中的至少一个被横向穿有开口，该开口被设计为允许光纤之一通过，该光纤的自由端容纳在相邻光学腔中。
电离室优选是耐压的(pressure-tight)，通常对于几巴的压力是耐压的。填充气体有利地是惰性气体(例如氩气)或惰性气体的混合物。
活性材料可以是裂变元素或硼。
根据一个有利的实施方式，该装置包括：
-具有中心轴线(X)的圆柱形主体，其在内部限定电离室和轴向邻接电离室的连接室，连接室被穿有开口，该开口被设计为允许多芯光缆通过，该多芯光缆包括数量至少等于光学腔的数量的多个光纤；
-密闭通道分隔装置，该密闭通道分隔装置布置在电离室和连接室之间，并且被设计为允许自由端各自容纳在光学腔中的光纤通过。
连接室使多芯光缆从探测器中穿出，并确保多芯光缆和电离室之间的交界处具有稳健的机械刚度。相对于外部压力，该连接室可以不是密闭的，并且在这种情况下不需要密封。
用于使多个光纤形成的光纤束穿过分隔连接室和电离室的壁的密闭装置以使电离室保持密封的方式制造。
密闭通道装置的一个有利的变型实施方式包括一组预先钎焊在一起的光纤，该组光纤又钎焊到在连接室和电离室之间的分隔壁，该组光纤穿过该分隔壁。
因此，根据该变型，首先将光纤钎焊在一起，然后将钎焊后的一组光纤(钎焊组件)钎焊到连接室和电离室之间的分隔壁。对于高达700℃的操作温度，优选基于银、铜或铝的钎焊。基于锡铅的焊料可承受至多300℃的温度。
利用这样的过程，即包括通过与容纳光纤的自由端的光学腔相邻的光学腔中的横向通道开口引入该光纤的过程，有利地考虑光纤的曲率半径。因此，该最佳过程遵守光纤的与其最小曲率半径(在15mm和30mm之间)相关的机械约束条件。
根据该变型，用于封闭光学腔的圆柱体的盘之一在其中心被穿有开口，该开口被设计为让光纤的自由端通过。
光纤自由端的中心定位具有最大化光子收集的效果。具体而言，光纤的接受锥(cone of acceptance)因此最大程度地覆盖了容纳该光纤的光学腔的体积。有利地，可以通过在光纤端部放置球形透镜来增加接受锥的覆盖范围。换言之，光纤自由端的尖端处的该透镜提高了光纤的收集效率。该形成透镜的光学尖端可以例如焊接到光纤的端部。例如，可以参考：https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm？objectgroup_id＝13120。
根据另一个有利的变型实施方式，电离室包括没有任何光学腔的“聚集”区域，在该聚集区域中，光缆的各个光纤聚集在一起以沿着电离室的横向内壁在给定的角扇区中分布在光学腔的外部，直到这些光纤穿过光学腔的圆柱体中的横向开口。
优选地，聚集区域的轴向长度大于或等于2cm。
因此，为了到达各个光学腔，在聚集区域中将光纤聚集在一起形成光纤束，聚集区域的轴向长度允许对于每个光纤遵守由于曲率半径引起的约束条件。
有利地，光学腔的圆柱体具有大于或等于10mm的直径和大于或等于2cm的高度。通过这些尺寸，可以遵守与探测器的可制造性相关的约束条件以及由于光纤的最小曲率半径引起的约束条件。
根据另一有利实施方式，至少一个光学腔包括至少一个分隔壁，该分隔壁优选地布置在横向于轴线X的平面中，以便根据光学腔在其任一侧的部分测量不同的中子光谱指数。换言之，划分光学腔为一种或多种活性材料定义了不同的有效部分，这允许中子光谱指数测量分布在多个点上。
因此，本发明主要包括用于检测中子的装置，该装置包括具有多个腔的密封电离室，每个腔的操作都基于使用自由端在腔内的光纤的光学转换，这允许多点中子通量测量，测量点轴向分布。
腔的尺寸和光纤的布置可以使该装置非常紧凑。
光纤的自由端应该能够收集尽可能多的在光学腔内产生的光子。因此，光纤的自由端的定位应该是精确的。收集将随着与光学腔的入口壁的距离增加而减少。因此，光纤的端部与光学腔的入口壁在同一平面内且抵靠该光学腔的入口壁上，理想情况下会产生100％的收集效率。然而，由于光纤的机械保持和不截断光锥(立体角)的原因，优选将光纤的自由端定位在光学腔内距入口孔(开口)约1mm处。因此，优选地，光纤的自由端被布置在光纤从中穿出的光学腔内距开口在1mm和2mm之间，更优选地在1mm和1.5mm之间。
根据本发明的小型化中子探测器可以适于承受高温、高辐射环境，例如在运行的核反应堆内的环境。
最后，根据本发明的探测器使得可以最佳地遵守它可能面临的综合约束条件，同时为多点中子通量测量保持优异的信噪比。
本发明的另一个主题是一种用于操作如上所述的用于检测中子的装置的方法，其中在多个光学腔的至少一部分的多个点处同时测量中子通量。
本发明有许多应用，其中可以提及以下应用：
-在核反应堆中在多个点处同时同轴测量伽马和中子通量；
-不仅在核反应堆中表征和跟踪中子通量，所述核反应堆无论是实验反应堆还是动力反应堆；
-在严重事故(冷却失效或功率瞬变)期间或之后定位熔融燃料元件；
-定位化学处理过程中的调节堵塞物，特别是胶体钚形成的调节堵塞物。
其他优点和特征在阅读参照以下附图以说明的方式给出的详细但非限制性的描述时将变得更加清楚且明显。
附图说明
图1是示出由中子和活性材料之间的反应产生的电离粒子(通常称为重离子)电离气体引起发光的原理的示意图。
图2是根据本发明的用于检测中子的装置的纵向截面示意图。
图2A是通过图2的截面A的横截面视图。
图3是根据一个变型实施方式的具有分离隔板的装置的光学腔的纵向截面图。
具体实施方式
图1已经在背景技术中进行了描述，因此下文将不再详细讨论。
图2和图2A示出了根据本发明的用于检测中子的装置1。
装置1首先包括具有中心轴线(X)的圆柱形主体10，其在内部限定利用光学转换的密封电离室2、以及轴向邻接电离室的连接室3。
连接室3被穿有开口30，开口30被设计为允许多芯光缆4通过，该多芯光缆4包括例如由硅制成的多个光纤40。
多个光纤40形成的光纤束通过连接室3与电离室2之间的分隔壁的通道以使电离室2保持密封的方式制造。因此，密闭通道装置5允许光纤40通过同时确保密封。
密封电离室2填充有加压惰性气体或惰性气体混合物，其能够被中子与活性材料6之间的反应产生的离子电离，并且电离室2包括多个光学腔20，多个光学腔20优选是相同的。
每个光学腔20由在其纵向端部封闭的圆柱体限定，其横向内壁至少部分地涂覆有活性材料6，活性材料6可以是裂变元素或硼。例如，光学腔的圆柱体可以由不锈钢制成。用于封闭圆柱体的盘23也可以涂覆有活性材料6。
如图2所示，光学腔20的圆柱体彼此邻接，同时以圆柱形主体10的中心轴线X为中心。
光学腔20的圆柱体中的每一个都横向地被穿有开口21，光纤40之一穿过该开口21。
电离室2在密闭通道装置5之后包括没有任何光学腔的聚集区域22，光缆4的各个光纤40在该聚集区域22中聚集在一起以沿电离室的横向内壁分布在光学腔20的外部。
如图2A所示，光纤40的分布优选地聚集在平行于光学腔20的圆柱体的单个角扇区中，直到它们穿过横向开口21。
为了将光纤40引导到光学腔20，用于封闭光学腔的圆柱体的盘23各自在它们的中心穿有开口24，开口24让光纤40的自由端41通过，从而使其在给定光学腔20中沿着中心轴线X定位。
图3示出了光学腔20的变型实施方式，该光学腔20包括布置在横向于中心轴线X的平面中的分隔壁25。该分隔壁25限定了其中活性材料6的部分不同的子腔。因此，可以根据子腔测量不同的中子光谱指数。
然而，在不脱离本发明的范围的情况下，可以设想其他变型和改进。
虽然在图2和图2A的实施方式中，光学腔的空间分布是光学腔之间轴向并置对准，但可以设想其他分布，例如光学腔径向分布，其可以围绕中心光学腔或可以不围绕中心光学腔。
虽然在图2和图2A的实施方式中，第一个光学腔20就其中没有容纳光纤自由端而言不起作用，但是当然可以设想相反的情况。
参考文献
[1]:M.Lamotte,G.De Izarra,C.Jammes,"Heavy-ions induced scintillationexperiments,"J.Instrum.,14(09)(2019),p.C09024,https://doi.org/10.1088/1748-0221/14/09/C09024；
[2]:M.Lamotte,G.De Izarra,C.Jammes,"Development and first use of anexperimental device for fission-induced spectrometry applied to neutron fluxmonitoring",Nucl.Instrum.Methods Phys.Res.A953(2020),p.163236,https://doi.org/10.1016/j.nima.2019.163236；
[3]:M.Lamotte,G.De Izarra,C.Jammes,"Design and irradiation test of aninnovative optical ionization chamber technology",Nucl.Instrum.MethodsPhys.Res.A968(2020),p.163945,https://doi.org/10.1016j.nima.2020.163945；
[4]:M.Lamotte,G.De Izarra,C.Jammes,SCENA:"A simulation tool forradiation-induced gas scintillation",Nucl.Instrum.Methods Phys.Res.A982(2020),p.164576,https://doi.org/10.1016/j.nima.2020.164576；
[5]:Cheymol G.,Long H.,Villard J.-F.,Brichard B.,"High level gammaand neutron irradiation of silica optical fibers in CEA OSIRIS nuclearreactor",IEEE Trans.Nucl.Sci.,55(4)(2008),pp.2252-2258。

Claims (13)

1.一种用于检测中子的装置(1)，所述装置(1)包括利用光学转换的至少一个密封电离室(2)，所述电离室(2)沿纵向轴线(X)延伸并且包括多个光学腔(20)，每个光学腔容纳光纤(40)的自由端(41)并且包括至少部分地涂覆有至少一种活性材料的至少一个内壁，所述光学腔填充有气体，所述气体能够被由中子和所述活性材料之间的反应产生的离子电离，每个光学腔由圆柱体限定，所述圆柱体在其纵向端部由封闭盘封闭，所述光学腔的横向内壁至少部分地涂覆有活性材料，所述光学腔的圆柱体彼此邻接同时以所述纵向轴线(X)为中心，所述光学腔的圆柱体中的至少一个被横向穿有开口(21)，所述开口被设计为允许所述光纤中的一个光纤通过，该一个光纤的自由端容纳在相邻光学腔中。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，包括：
-具有中心轴线(X)的圆柱形主体(10)，所述圆柱形主体在内部限定所述电离室和轴向邻接所述电离室的连接室(3)，所述连接室被穿有开口，该开口被设计为允许多芯光缆(4)通过，所述多芯光缆(4)包括数量至少等于所述光学腔的数量的多个光纤；
-密闭通道分隔装置(5)，所述密闭通道分隔装置布置在所述电离室和所述连接室之间，并且被设计为允许自由端各自容纳在所述光学腔中的所述光纤通过。
3.根据权利要求2所述的装置(1)，其中，所述密闭通道分隔装置(5)包括一组预先钎焊在一起的光纤，所述一组光纤又钎焊到在所述连接室和所述电离室之间的分隔壁，其中所述一组光纤穿过所述分隔壁。
4.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，用于封闭所述光学腔的圆柱体的所述盘中的一个盘在其中心被穿有开口(24)，该开口(24)被设计为让所述光纤的自由端通过。
5.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，所述电离室包括没有任何光学腔的聚集区域(22)，在所述聚集区域(22)中，光缆的各个光纤聚集在一起以沿着所述电离室的横向内壁在给定的角扇区中分布在所述光学腔的外部，直到所述各个光纤穿过所述光学腔的圆柱体中的横向开口。
6.根据权利要求5所述的装置(1)，其中，所述聚集区域的轴向长度大于或等于2cm。
7.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，所述光学腔的圆柱体具有大于或等于10mm的直径和大于或等于2cm的高度。
8.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，所述多个光学腔中的至少一个光学腔包括至少一个分隔壁(25)，所述至少一个分隔壁(25)优选地布置在横向于所述轴线X的平面中，以便根据所述光学腔在其任一侧的部分测量不同的中子光谱指数。
9.一种用于操作根据权利要求1所述的用于检测中子的装置(1)的方法，其中，在所述多个光学腔的至少一部分的多个点处同时测量中子通量。
10.根据权利要求1所述的用于检测中子的装置用于在多个点处同时同轴测量核反应堆中的伽马和中子通量的用途。
11.根据权利要求1所述的用于检测中子的装置用于表征和跟踪核反应堆中的中子通量的用途。
12.根据权利要求1所述的用于检测中子的装置用于在严重事故期间或之后定位熔融燃料元件的用途，所述严重事故例如冷却失效或功率瞬变。
13.根据权利要求1所述的用于检测中子的装置用于定位化学处理过程中的调节堵塞物的用途。
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