一种自给能中子探测器结构的优化设计方法与流程

本发明涉及反应堆中子通量测量技术领域，具体涉及一种自给能中子探测器结构的优化设计方法。

背景技术：

核能因为能量密度高，在可持续能源结构中占有不可替代的地位。但是核安全是核能应用中必须解决的关键问题。在核反应堆中，中子通量密度是监测和控制反应堆正常运行的关键物理量。由于反应堆堆芯是高温高压和强辐照环境，一般的探测器难以胜任。而自给能探测器由于具有不需偏压、结构简单、体积小、全体固化、电子学设备简单等特性，成为监控反应堆堆芯中子通量的重要探测器。其典型结构如图2所示，主要由发射体、绝缘体和收集体三部分组成，其中发射体可以与中子发生中子俘获反应产生γ射线。不稳定核素通过放射性衰变放出γ射线或β射线。γ射线通过光电效应、康普顿效应、电子对效应等产生次级电子。β射线和次级电子在运动过程中会发生电离效应、韧致辐射等一系列级联反应，当电子从发射体或绝缘体漂移至收集体时，就会形成电流，从而使中子信号转变成电流信号。

它的相互作用原理分为两个部分：

1)中子穿过收集体和绝缘体与发射体中的核素(主要是铑、钴和钒等)发生中子俘获反应，并生成不稳定核素。γ射线通过光电效应、康普顿效应、电子对效应等在发射体、绝缘体和收集体中产生次级电子，次级电子会在探测器中发生电离效应、韧致辐射等一系列级联反应；

2)生成的不稳定核素会以一定的半衰期发生放射性衰变放出γ射线或β射线，其中γ射线又会在发射体、绝缘体和收集体中产生次级电子，次级电子又会在探测器中发生电离效应、韧致辐射等一系列级联反应。

由于绝缘体的存在，发射体与收集体之间就会形成电势差，若在发射体与收集体之间用导线连通，电子就会从发射体和绝缘体漂移至收集体，从而形成电流，其电流也可分为两部分：1)通过中子俘获产生的γ光子在发射体和绝缘体中经过一系列级联反应产生的电子漂移至收集体时形成的电流，其作用时间很短，常称为瞬发电流；2)通过不稳定核素衰变放出的γ射线或β射线在发射体和绝缘体中经过一系列级联反应产生的电子漂移至收集体时形成的电流，由于不稳定核素存在半衰期，所以这部分电流在时间上有一定的延迟效应，故称为缓发电流。其中瞬发电流所占的比例越大，自给能中子探测器的实时响应特性就更好，因此有人提出了关于自给能中子探测器的延迟响应的各种修正方法，但是这些修正方法都对电流成分的相关参数依赖很大，所以并没有从根本上解决问题。探测器的中子灵敏度越高，在同样的中子通量密度下输出的电流就越大，电流的可观测性越好，同时也会增大信噪比，使探测器的性能有所提高。

而发射体、绝缘体和收集体的尺寸不同，能进入到发射体里面的中子数量的比例就不同，中子俘获产生的γ光子转化成电流的比例也不同，衰变过程放出的粒子转化成电流的比例也不同，所以发射体、绝缘体和收集体的尺寸的改变会使自给能中子探测器的中子灵敏度和瞬态电流所占的比例发生变化，从而影响整个自给能中子探测器的性能。

技术实现要素：

本发明提供一种自给能中子探测器结构的优化设计方法，通过改变自给能中子探测器中发射体、绝缘体和收集体的尺寸来研究中子灵敏度和瞬态电流所占的比例随尺寸变化的关系，然后根据需求选择合适的探测器尺寸，从而达到提高自给能中子探测器性能的目的。此法也能模拟本底电流，同时也可应用于没有延迟效应的自给能中子探测器结构的优化设计，通过改变探测器的结构和尺寸来提高它的中子灵敏度，从而提高其性能。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种自给能中子探测器结构的优化设计方法，包括如下步骤：

步骤1：选取自给能中子探测器几何体的形状及参数，包括探测器的结构，发射体半径，绝缘体厚度，收集体厚度以及发射体、绝缘体和收集体的共同长度，典型的自给能中子探测器的结构从内到外依次为发射体、绝缘体和收集体，探测器几何参数的初始值根据典型的自给能中子探测器的尺寸选取，其中发射体半径、绝缘体厚度和收集体厚度在典型尺寸基础上减小一半后的±0.1mm范围内选取，而发射体、绝缘体和收集体的共同长度在典型尺寸基础上减小一半后的±1cm范围内选取；

步骤2：在蒙特卡罗软件中输入探测器几何参数建立自给能中子探测器的基本几何特征层，基本几何特征层分为同轴的三部分，从内到外分别为发射体、绝缘体和收集体，第一次按步骤1所选用的探测器几何参数的初始值建立，而后按经过步骤8循环回到步骤2时的新几何参数建立；

步骤3：给步骤2中建立的基本几何特征层赋予材料，发射体层赋予发射体材料，绝缘体层赋予绝缘体材料，收集体层赋予收集体材料，材料的参数包括：材料的密度、核素及其比例；

步骤4：定义初始入射的中子的能量、位置以及入射方向，入射中子的能量通过对所测量对象的中子能谱进行随机抽样获得，入射中子的位置和入射方向根据所研究中子的实际入射情况设定；

步骤5：根据入射中子的能量以及入射后发生的反应在蒙特卡罗软件中添加物理过程；中子入射后发生的反应包括中子的弹性散射、中子的非弹性散射、中子俘获反应、光电效应、康普顿散射、电子对效应、电子的电离、电子的韧致辐射以及放射性核素的衰变，在蒙特卡罗软件模拟过程中，添加这些物理过程后，当发生其中一种反应时，软件就会自动选用该反应所对应的截面数据或半衰期进行蒙特卡罗模拟；

步骤6：模拟一定数目的中子入射事例：在每个事例中，模拟中子入射后与步骤3中所赋予的材料发生的物理相互作用过程，并判断电子是否由发射体或绝缘体漂移至收集体；如果是直接在收集体产生的电子，就舍弃，如果是由发射体或绝缘体漂移至收集体的电子，就输出这些电子的数目和到达时间；

步骤7：计算自给能中子探测器在步骤2所设置的尺寸下的中子灵敏度s和瞬发电流所占的比例p；计算方法如下：

设在同一时刻入射了n个中子，由这n个中子在发射体和绝缘体中经过一系列相互作用后产生的并漂移至收集体的总电子数为m，电子电量e＝1.6×10^-19c，将这些电子到达收集体时的时间以△t的间隔进行分组统计，然后用每一组中的电子数乘以电子电量e再除以时间间隔长度△t就得到时间间隔长度△t内的平均电流，因为所有中子是同时入射的，所以得到的电流是冲击响应电流，对冲击响应电流做卷积处理得到阶跃响应电流；在阶跃响应中，当电流达到稳定时，总电流的值it在数值上满足如下关系：

式中总电流it表示在阶跃响应中当电流达到稳定时单位时间内在发射体和绝缘体中产生的并漂移至收集体的所有电子形成的电流，其单位为安培a；

设由这n个中子在发射体和绝缘体中经过一系列相互作用后产生的并漂移至收集体的瞬发电子数为k，经过同样的处理后，在阶跃响应中，当电流达到稳定时，瞬发电流if在数值上满足：

式中瞬发电流if表示在阶跃响应中当电流达到稳定时单位时间内在发射体和绝缘体中产生的并漂移至收集体的瞬发电子形成的电流，其单位为安培a；

因此，瞬发电流所占的比例p为

式中瞬发电流所占比例p表示单位时间内在发射体和绝缘体中产生的并漂移至收集体的瞬发电子形成的电流在总电流中所占的比例；

设探测器的横截面积为a，单位为cm²，则入射的中子通量密度ф为

式中中子通量密度ф表示单位时间内入射到探测器单位横截面积上的中子数，其单位为cm^-2·s^-1；

探测器的中子灵敏度s为

式中中子灵敏度s表示单位中子通量密度下自给能中子探测器形成的电流的强度，其单位为a·cm²·s；

步骤8：保存数据点，数据点的内容包括步骤2中所设置的发射体半径，绝缘体厚度，收集体厚度，发射体、绝缘体和收集体的共同长度以及在步骤2所设置的尺寸下由步骤7计算出的中子灵敏度s和瞬发电流所占比例p；并根据如下判断规则决定是否返回步骤2，如果判断结果决定不用返回步骤2，则执行步骤9，如果判断结果决定要返回步骤2，则调整探测器的几何参数，调整方法为固定发射体半径、绝缘体厚度、收集体厚度以及发射体、绝缘体和收集体的共同长度四个参数之中的三项，剩下一项以一定的步长进行调整，调整完后返回步骤2；

判断规则为：每一个形状参数值对应一个中子灵敏度和一个瞬态电流所占的比例，通过在每次蒙特卡罗软件运行时改变发射体半径、绝缘体厚度、收集体厚度以及发射体、绝缘体、收集体的共同长度这四个形状参数值之中的一项，来得到中子灵敏度和瞬态电流所占比例随所述四个形状参数值的变化曲线，然后选取适合所测量对象的最佳形状参数值，如果有合适的尺寸或者瞬态电流所占比例已经稳定，就执行步骤9，如果不满足设定的结束条件，则调整探测器的结构参数，然后返回步骤2，重复上述步骤；

步骤9：输出所有结果，利用输出的数据，得到探测器性能随探测器参数的变化曲线；

步骤10：最终根据所需确定探测器的结构及尺寸，达到提高探测器性能的目的。

所述自给能中子探测器的发射体材料为中子反应截面高的材料铑、钒或钴。

所述自给能中子探测器的绝缘体材料为无机绝缘材料三氧化二铝、氧化镁或氧化铍。

所述自给能中子探测器的收集体材料为中子反应截面低的材料镍基合金inconel-600。

本发明通过改变自给能中子探测器中发射体、绝缘体和收集体的尺寸来研究中子灵敏度和瞬态电流所占的比例随尺寸变化的关系，然后根据需求选择合适的探测器尺寸，从而达到提高自给能中子探测器性能的目的。具有方法简单易懂、能提高中子灵敏度和瞬态电流所占比例、可根据不同需求选取不同尺寸以达到优化设计目的的特点。

附图说明

图1为本发明流程示意图。

图2为自给能中子探测器的典型结构示意图。

图3为自给能中子探测器的相互作用过程示意图。

图4为反应堆典型中子能谱。

图5为中子与¹⁰³rh反应的物理过程。

图6为自给能中子探测器中瞬发电流所占比例随发射体半径的改变而改变的示意图。

图7为自给能中子探测器的中子灵敏度随发射体半径的改变而改变的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明：

以铑(¹⁰³rh)自给能中子探测器在反应堆中的性能对发射体半径的依赖性研究为例。

如图1所示，

步骤1：选取自给能中子探测器几何体的形状及参数：从内到外分别为发射体、绝缘体和收集体，同轴结构，如图2所示。几何参数的初始值为：发射体半径取0.1mm，绝缘体厚度取0.305mm，收集体厚度取0.25mm，长度均取40cm。

步骤2：在蒙特卡罗软件中输入几何参数建立自给能中子探测器的基本几何特征层，基本几何特征层分为三个部分(同轴)，从内到外分别为发射体、绝缘体和收集体，第一次按步骤1所选用的探测器几何参数的初始值建立，而后按经过步骤8循环回到步骤2时所修改后的尺寸参数建立。

步骤3：给步骤2中建立的基本几何特征层赋予材料，发射体层赋予发射体材料，绝缘体层赋予绝缘体材料，收集体层赋予收集体材料，材料的参数包括：材料的密度、核素及其比例；

发射体：密度12.41g/cm³，¹⁰³rh重量比100％。

绝缘体：密度3.569g/cm³，铝和氧的元素比为2:3。

收集体：密度8.44g/cm3，镍基合金inconel-600(硫、磷、硅、铜、碳、锰、铁、铬和镍重量比分别为0.015％、0.03％、0.5％、0.5％、0.15％、1.0％、8.0％、15.5％、74.305％)。

中子入射后与自给能中子探测器的相互作用过程如图3所示。

步骤4：定义初始入射的中子的能量、位置以及入射方向：中子入射位置在收集体的外表面均匀分布，方向各向同性，能量在反应堆典型中子能谱(如图4所示)中随机抽样获得。

步骤5：根据入射中子的能量以及入射后发生的反应在蒙特卡罗软件中添加物理过程；中子入射后发生的反应包括中子的弹性散射、中子的非弹性散射、中子俘获反应、光电效应、康普顿散射、电子对效应、电子的电离、电子的韧致辐射以及放射性核素的衰变，在蒙特卡罗软件模拟过程中，添加这些物理过程后，当发生其中一种反应时，软件就会自动选用该反应所对应的截面数据(或半衰期)进行蒙特卡罗模拟；

中子及rh相关的具体物理过程如图5所示，中子进入自给能中子探测器，与发射体材料、绝缘体材料或收集体材料发生反应，其中中子与发射体材料发生中子俘获反应生成不稳定的核素并放出γ光子，该核素衰变放出γ或β射线，γ射线与探测器中的材料发生光电效应、康普顿效应和电子对效应从而产生电子，电子在漂移至收集体的过程中形成电流；中子也可能与绝缘体材料发生中子俘获反应生成不稳定的核素，该核素在衰变过程中产生电子，电子在漂移至收集体的过程中形成电流；中子也可与收集体中的材料发生中子俘获反应生成不稳定的核素，该核素衰变放出γ光子，γ光子会运动到绝缘体或发射体，然后与绝缘体或发射体中的材料发生反应生成电子，这些电子在漂移至收集体的过程中也可形成电流。

步骤6：模拟一定数目的中子入射事例；在每个事例中，模拟中子入射后与步骤3中所赋予的材料发生的物理相互作用过程，并判断电子是否由发射体或绝缘体漂移至收集体；如果是直接在收集体产生的电子，就舍弃，如果是由发射体或绝缘体漂移至收集体的电子，就输出这些电子的数目和到达时间；

步骤7：计算自给能中子探测器在步骤2所设置的尺寸下的中子灵敏度s和瞬发电流所占的比例p；计算方法如下：

设在同一时刻入射了n个中子，由这n个中子在发射体和绝缘体中经过一系列相互作用后产生的并漂移至收集体的总电子数为m，电子电量e＝1.6×10^-19c，将这些电子到达收集体时的时间以△t的间隔进行分组统计，然后用每一组中的电子数乘以电子电量e再除以时间间隔长度△t(此处取0.1秒)就可以得到时间间隔长度△t内的平均电流，因为所有中子是同时入射的，所以得到的电流是冲击响应电流，对冲击响应电流做卷积处理就可以得到阶跃响应电流。在阶跃响应中，当电流达到稳定时，总电流的值it在数值上满足如下关系：

式中总电流it表示在阶跃响应中当电流达到稳定时单位时间内在发射体和绝缘体中产生的并漂移至收集体的所有电子形成的电流，其单位为安培(a)。

设由这n个中子在发射体和绝缘体中经过一系列相互作用后产生的并漂移至收集体的瞬发电子数为k，经过同样的处理后，在阶跃响应中，当电流达到稳定时，瞬发电流if在数值上满足：

式中瞬发电流if表示在阶跃响应中当电流达到稳定时单位时间内在发射体和绝缘体中产生的并漂移至收集体的瞬发电子形成的电流，其单位为安培(a)。

因此，瞬发电流所占的比例p为

式中瞬发电流所占比例p表示单位时间内在发射体和绝缘体中产生的并漂移至收集体的瞬发电子形成的电流在总电流中所占的比例。

设探测器的横截面积为a(cm²)，则入射的中子通量密度ф为

式中中子通量密度ф表示单位时间内入射到探测器单位横截面积上的中子数，其单位为cm^-2·s^-1。

探测器的中子灵敏度s为

式中中子灵敏度s表示单位中子通量密度下自给能中子探测器形成的电流的强度，其单位为a·cm²·s。

步骤8：保存数据点，数据点的内容包括步骤2中所设置的发射体半径，绝缘体厚度，收集体厚度，发射体、绝缘体和收集体的共同长度以及在步骤2所设置的尺寸下由步骤7计算出的中子灵敏度s和瞬发电流所占比例p。并根据如下判断规则决定是否返回步骤2，如果判断结果决定不用返回步骤2，则执行步骤9，如果判断结果决定要返回步骤2，则调整探测器的几何参数，调整方法为固定绝缘体厚度、收集体厚度以及发射体、绝缘体和收集体的共同长度，发射体半径以一定的步长进行调整，调整完后返回步骤2。

判断规则为：

发射体的半径从0.1mm开始，以步长0.1mm模拟至6.0mm。在没有超过6.0mm以前，重复上述循环。

步骤9：输出所有结果，利用输出的数据，得到探测器性能随探测器参数的变化曲线；

模拟计算出的瞬发电流所占比例随发射体半径变化而变化的结果如图6所示，中子灵敏度随发射体半径变化而变化的结果如图7所示。

步骤10：最终根据所需确定探测器的结构及尺寸，达到提高探测器性能的目的。

从图6和图7可以看出，随着发射体半径的增大，探测器的中子灵敏度一直在增大，几乎与发射体半径成正比关系，瞬发电流所占比例先增大而后趋于稳定。当发射体半径为0.1mm时，瞬发电流所占比例为7.36％，中子灵敏度为2.53×10^-20a·cm²·s；当发射体半径为4.0mm时，瞬发电流所占比例几乎达到稳定值，约为26.15％，是发射体半径为0.1mm时瞬发电流所占比例的3.55倍，而此时中子灵敏度约为8.77×10^-19a·cm²·s，是发射体半径为0.1mm时中子灵敏度的34.66倍。因此可以选择发射体半径为4.0mm。

运用此方法还能对发射体材料由其他核素组成的自给能中子探测器做相应的模拟，选取合适的尺寸，从而提高瞬发电流所占比例以及探测器对中子响应的灵敏度。此法也能模拟本底电流，同时也可应用于没有延迟效应的自给能中子探测器的优化设计。此外，本方法不仅可针对反应堆中实际的中子能谱来进行专门的优化设计，还可以在其余中子通量密度较高的环境下设计适合该环境的自给能中子探测器，使自给能中子探测器的应用更加广泛。