CN219778534U - 一种低中子通量探测器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及中子测量技术领域，具体而言，涉及一种低中子通量探测器。一种低中子通量探测器，包括阴极壳体、阳极丝及传输电缆；阳极丝沿阴极壳体的中心线设置于阴极壳体内；阴极壳体的内周面与阳极丝的外周面间隔，并共同形成用于填充BF₃气体的填充腔；传输电缆连接于阴极壳体的近端，且与阳极丝及阴极壳体电连接。该低中子通量探测器用于反应堆内的中子测量，其能够放入反应堆的精细孔道，实现对反应堆内各活性区低中子通量的实时监测，而且检测灵敏度高，探测效率高，探测响应快。

Description

一种低中子通量探测器

技术领域

本申请涉及中子测量技术领域，具体而言，涉及一种低中子通量探测器。

背景技术

在反应堆设计和物理分析中，中子通量一直是一项重要参数。反应堆启停堆过程中的中子通量较低，此时的中子通量数据对于反应堆启停堆过程中的功率控制、安全分析以及安全控制有着关键的支撑作用。其中，反应堆停堆后的冷却是反应堆保护的一个重要方面。当反应堆正常地或由于严重瞬变而停堆后，自持裂变链式反应随即终止，但燃料棒内仍然保有相当数量的显热或储热。此外，由于裂变产物的衰变及短期内缓发中子所引起的裂变，新的热量还不断产生。因此，在停堆后许多天之内，还必须保持堆芯的冷却。在反应堆冷却期间，需要进行中子通量在线监测，以保证反应堆的运行安全。

在此基础上，需要设计并制造一种能在低中子通量环境下(1-10⁶n/(cm²·s))进行中子探测的探测器。利用活化法和反冲法测量中子，探测器需要比较大的尺寸，无法布置在反应堆内；利用核裂变法测量中子，探测器耐受堆内高温、高压、高辐照的性能较差，一般放置于堆外。因此，这三种方法都不适用于反应堆内低通量水平中子测量。

实用新型内容

本申请提供一种低中子通量探测器，以改善上述问题。

本实用新型具体是这样的：

一种低中子通量探测器，包括阴极壳体、阳极丝及传输电缆；

阳极丝沿阴极壳体的中心线设置于阴极壳体内；阴极壳体的内周面与阳极丝的外周面间隔，并共同形成用于填充BF₃气体的填充腔；传输电缆连接于阴极壳体的近端，且与阳极丝及阴极壳体电连接。

在本实用新型的一种实施例中，阴极壳体的外径为7.4mm。

在本实用新型的一种实施例中，阴极壳体的壁厚为0.508mm。

在本实用新型的一种实施例中，沿阴极壳体的中心线方向，填充腔的长度为800mm。

在本实用新型的一种实施例中，低中子通量探测器还包括连接飞线；

传输电缆通过连接飞线与阴极壳体的近端电连接。

在本实用新型的一种实施例中，阴极壳体采用Inconel600合金或304不锈钢制成，阳极丝采用镀金钨丝制成。

在本实用新型的一种实施例中，阴极壳体的近端设置有第一加压电极和第一绝缘陶瓷部，阴极壳体的远端设置有第二加压电极和第二绝缘陶瓷部；

第一绝缘陶瓷部及第二绝缘陶瓷部位于第一加压电极及第二加压电极之间，以隔离第一加压电极及第二加压电极。

在本实用新型的一种实施例中，低中子通量探测器还包括第三绝缘陶瓷部，第三绝缘陶瓷部包覆于阳极丝用于与传输电缆的电连接的一端，以隔离阳极丝及阴极壳体。

在本实用新型的一种实施例中，低中子通量探测器还包括连接器，连接器电连接阳极丝及传输电缆。

在本实用新型的一种实施例中，阳极丝用于与连接器连接的一端设置有弹簧段。

本实用新型的有益效果是：

该低中子通量探测器包括阴极壳体、阳极丝及传输电缆；阳极丝沿阴极壳体的中心线设置于阴极壳体内；阴极壳体的内周面与阳极丝的外周面间隔，并共同形成用于填充BF₃气体的填充腔；传输电缆连接于阴极壳体的近端，且与阳极丝及阴极壳体电连接。该低中子通量探测器用于反应堆内的中子测量，其能够放入反应堆的精细孔道，实现对反应堆内各活性区低中子通量的实时监测，而且检测灵敏度高，探测效率高，探测响应快。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请提供的低中子通量探测器的结构示意图。

图标：200-低中子通量探测器；210-阴极壳体；220-阳极丝；230-传输电缆；201-填充腔；202-连接飞线；240-第一绝缘陶瓷部；250-第二绝缘陶瓷部；260-第三绝缘陶瓷部；270-连接器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

发明人采用核反应法进行低通量水平中子测量技术的研究发现，对于特殊的热电偶探测器，它利用核反应法，但是响应时间长、不具备相应的耐温能力等缺点，以致于不能适用于核反应堆内中子测量。对于核反应法：使用氟化锂来探测中子，不易制备且价格昂贵；使用³He正比计数器来探测中子，探测器不易去除γ本底且氦气(尤其是高丰度³He)价格昂贵。因此，利用硼材料探测中子是最好的选择，它的反应能量和反应截面都比较大，还可以通过模拟仿真进一步优化甄别γ射线能力；但由于固体探测器的成本高，价格贵且不易制备。

基于上述内容，请参照图1，本实施例提供一种低中子通量探测器200，其采用BF₃探测器来进行反应堆内低通量水平中子测量。

具体的，低中子通量探测器200包括阴极壳体210、阳极丝220及传输电缆230；

阳极丝220沿阴极壳体210的中心线设置于阴极壳体210内；阴极壳体210的内周面与阳极丝220的外周面间隔，并共同形成用于填充BF₃气体的填充腔201；传输电缆230连接于阴极壳体210的近端，且与阳极丝220及阴极壳体210电连接。

进一步地，请参照图1，在本实施例中，由于反应堆启停堆过程中的中子通量较低，此时的中子通量数据对于反应堆启停堆过程中的功率控制、安全分析以及安全控制有着关键的支撑作用。另外，在反应堆冷却期间，需要进行中子通量在线监测，以保证反应堆的运行安全；在此基础上，在设置该低中子通量探测器200时，可以使得阴极壳体210的外径为7.4mm；阴极壳体210的壁厚为0.508mm；沿阴极壳体210的中心线方向，填充腔201的长度为800mm，通过这样的设置方式，该低中子通量探测器200具有直径极细、外壳很薄、有效长度很长、气密性和绝缘性很好等特点，能够放入反应堆的精细孔道，实现对反应堆内各活性区低中子通量的实时监测。进而使得该低中子通量探测器200具备直径小、高中子灵敏度和高探测效率的优点，进而能够满足在试验堆内高温高压和狭小空间的条件下开展低水平中子通量测量的要求。需要说明的是，该低中子通量探测器200的各部分通过严格的封装或特殊结构相连，以保证其密封性以及绝缘性能。

请参照图1，该低中子通量探测器200的工作原理是：

将低中子通量探测器200插入反应堆中，对其进行安装固定，中子打到低中子通量探测器200的阴极壳体210上，会与金属元素发生中子俘获反应。但由于阴极壳体210做成极薄壁，极大地减少了中子俘获数量，极大部分中子都进入阴极壳体210内部。中子穿过金属薄壁进入阴极壳体210内部，与高纯度(92％)BF₃气体反应，即中子与¹⁰B发生核反应，生成α粒子和⁷Li核。生成的α粒子和⁷Li核为次级带电粒子，它们使气体分子原子电离，生成电子—离子对；在外加高压电场的影响下，负电子和正离子分别向低中子通量探测器200的两极漂移，产生有效测量信号，通过传输电缆230传输到电子系统；

综上，该低中子通量探测器200用于反应堆内的中子测量，其能够放入反应堆的精细孔道，实现对反应堆内各活性区低中子通量的实时监测，而且检测灵敏度高，探测效率高，探测响应快。

请参照图1，该低中子通量探测器200本身所用材料主要是考虑到如下的要求而选择的：它们对慢中子的吸收截面要小；对BF₃气体不会起不良作用；耐腐蚀耐高温；经济以及便于加工和焊接等。

因此，阴极壳体210材料可选用Inconel600合金或304不锈钢等，Inconel600合金是镍-铬-铁基固溶强化合金，具有良好的耐高温腐蚀和抗氧化性能、优良的冷热加工和焊接性能，在700℃以下具有满意的热强性和高的塑性，它常用作航空发动机零部件，可用以应对堆芯高辐照、高温、高压等极端工况；304不锈钢是不锈钢中常见的一种材质，密度为7.93g/cm3，业内也叫做18/8不锈钢，具有耐高温800℃、加工性能好，韧性高的特点，它广泛地用于制作要求良好综合性能(耐腐蚀和成型性)的设备和机件；为了保持不锈钢所固有的耐腐蚀性，钢必须含有18％以上的铬，8％以上的镍含量。

而阳极丝220选用镀金钨丝，它具有耐高温、耐腐蚀、熔点高、热膨胀系数低等良好性能，镀金钨丝是代替易腐蚀性的钨丝和钨铝丝用于特殊设备的电极，镀金钨丝还可用作理想的抗腐蚀性电子发射材料，可以广泛应用于如高能物理、核科学、气象等科研领域。

工作气体采用高纯度的BF₃气体，其中¹⁰B的富集度也达到92％，通过真空制气装置，制备BF₃气体并循环纯化，使其纯度达到99％以上，大幅提高计数管的中子灵敏度。

在上述结构的基础上，由于该低中子通量探测器200的直径是7.4mm，有效气体长度是800mm，阴极外壳的壁厚仅为0.508mm，进而使得低中子通量探测器200的直径极细，能够放入反应堆的精细孔道，实现对反应堆内各活性区低中子通量的实时监测。探测器外壳使用304不锈钢，能够应对反应堆内的复杂工况。探测器的有效气体长度很长，极大地增加了探测器的中子灵敏度和探测效率。

其外，低中子通量探测器200还包括连接飞线202；传输电缆230通过连接飞线202与阴极壳体210的近端电连接。进一步地，在本实施例中，阴极壳体210的近端设置有第一加压电极和第一绝缘陶瓷部240，阴极壳体210的远端设置有第二加压电极和第二绝缘陶瓷部250；通过第一绝缘陶瓷部240和第二绝缘陶瓷部250的设置，使得阴极壳体210的两端存在部分区域无BF₃工作气体，而且第一绝缘陶瓷部240及第二绝缘陶瓷部250位于第一加压电极及第二加压电极之间，以隔离第一加压电极及第二加压电极。

另外，低中子通量探测器200还包括第三绝缘陶瓷部260，第三绝缘陶瓷部260包覆于阳极丝220用于与传输电缆230的电连接的一端，以隔离阳极丝220及阴极壳体210，进而起到分开阳极和阴极，避免高压击穿的作用；为便于阳极丝220与传输电缆230的连接，低中子通量探测器200还包括连接器270，连接器270电连接阳极丝220及传输电缆230，而且阳极丝220用于与连接器270连接的一端设置有弹簧段，弹簧是不锈钢的，其作用是吸收阴极和阳极不同材质的不同膨胀系数；阴极外壳与传输电缆230前端通过飞线连接，两端均采用激光焊。

请参照图1，该低中子通量探测器200的制作流程如下：

首先，进行金属管的制造加工，全程无焊点，并保证气密性、耐温、耐压、耐腐蚀以及壁薄。其次，金属管内的清洁程度直接影响BF₃计数管的性能，必须严加小心进行清洁处理。清洁处理步骤如下：

阴极外壳的处理：首先检查已加工就绪的玻璃管壳的退火情况是否合乎要求，再用火花线圈检验加工部分是否漏气；然后用去污粉将管壳内外洗净，把去污粉冲洗干净；再把它放到玻璃洗液内泡10分钟后用水冲洗，再用蒸馏水洗净；最后放入烤箱内烘干(烤箱温度70℃到80℃即可)；

阳极丝220的处理：将钨丝放在氢氧化钠溶液内煮10分钟后，取出再用水冲洗半小时左右；从水中取出后，用乙醚擦洗；

经过以上制造、清洗、制气、纯化、清洗及处理后，即行装配；BF₃计数管的装配步骤为，先将烘干的304阴极壳体210顶部点焊上飞线，再装入陶瓷进行封装，线从一小管引出作为阴极引出线。将阳极丝220两端与弹簧相连，放入金属管内，底部用绝缘陶瓷封死；第一绝缘陶瓷部240及第二绝缘陶瓷部250均用矿物绝缘粉末填充压实；

阳极丝220利用弹簧与连接器270相连，从金属管顶部引出；最后将阴极和阳极的引出线利用陶瓷封死在金属管顶部，以保证其绝缘性及气密性；阴极焊接飞线与阳极丝220通过绝缘层热装配的形式进入后端传输电缆230。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低中子通量探测器，其特征在于：

所述低中子通量探测器包括阴极壳体、阳极丝及传输电缆；

所述阳极丝沿所述阴极壳体的中心线设置于所述阴极壳体内；所述阴极壳体的内周面与所述阳极丝的外周面间隔，并共同形成用于填充BF₃气体的填充腔；所述传输电缆连接于所述阴极壳体的近端，且与所述阳极丝及所述阴极壳体电连接。

2.根据权利要求1所述的低中子通量探测器，其特征在于：

所述阴极壳体的外径≤8mm，满足反应堆内小孔道要求。

3.根据权利要求2所述的低中子通量探测器，其特征在于：

所述阴极壳体的壁厚≤0.8mm，尽可能保证计数管内径更大，减小壁效应对探测效率的影响。

4.根据权利要求2所述的低中子通量探测器，其特征在于：

沿所述阴极壳体的中心线方向，所述填充腔的长度为600mm—1000mm，满足低通量水平中子测量对应的中子灵敏度要求。

5.根据权利要求1所述的低中子通量探测器，其特征在于：

所述低中子通量探测器还包括连接飞线；

所述传输电缆通过所述连接飞线与所述阴极壳体的近端电连接。

6.根据权利要求1所述的低中子通量探测器，其特征在于：

所述阴极壳体采用Inconel600合金或304不锈钢制成，所述阳极丝采用镀金钨丝制成。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的低中子通量探测器，其特征在于：

所述阴极壳体的近端设置有第一加压电极和第一绝缘陶瓷部，所述阴极壳体的远端设置有第二加压电极和第二绝缘陶瓷部；

所述第一绝缘陶瓷部及所述第二绝缘陶瓷部位于所述第一加压电极及所述第二加压电极之间，以隔离所述第一加压电极及所述第二加压电极。

8.根据权利要求1-6中任意一项所述的低中子通量探测器，其特征在于：

所述低中子通量探测器还包括第三绝缘陶瓷部，所述第三绝缘陶瓷部包覆于所述阳极丝用于与所述传输电缆的电连接的一端，以隔离所述阳极丝及所述阴极壳体。

9.根据权利要求1-6中任意一项所述的低中子通量探测器，其特征在于：

所述低中子通量探测器还包括连接器，所述连接器电连接所述阳极丝及所述传输电缆。

10.根据权利要求9所述的低中子通量探测器，其特征在于：

所述阳极丝用于与所述连接器连接的一端设置有弹簧段。