基于碳化硅半导体的反应堆热中子通量探测方法及装置与流程

1.本发明涉及一种热中子监测方法及装置，具体涉及一种基于碳化硅半导体的反应堆热中子通量探测方法及装置。


背景技术：

2.中子被视为打开核能大门的钥匙，被用于诱发重核裂变释放核能。热中子的有效探测，是人类有效利用核能、了解和把握核反应过程特征的基础和关键，具有极其重要的意义。
3.热中子通量探测对核反应堆运行情况研究非常重要。高信噪比中子探测器是准确测量反应堆中子通量密度的核心关键仪表，它可准确测量核反应堆运行过程中的中子注量率，进而有效获得反应堆在开启、稳态运行等状态的功率水平、功率变化率等参数，利于操作员通过分析参量变化调整、控制反应堆的工作状态。
4.对于反应堆中子探测器，高的热中子/伽马信噪比及高抗辐照性能极为关键。由于热中子能量低且不带电，难以实现直接探测，通常需要利用热中子引发的核反应，通过对次级带电粒子或裂变碎片的探测来获得热中子的通量信息。3he、6li与
10
b热中子反应截面高，且其次级带电粒子(反应产物)能量在几mev的量级，易于探测，是热中子探测常见的转换材料。当选择反应截面大、反应放能更高的
235
u时，次级裂变碎片的平均能量可高至几十mev，在热中子探测时可获得更高的热中子/伽马信噪比。但选择此方法必须解决半导体探测器件的抗辐照问题，如选择传统硅、锗等半导体探测器，半导体探测器难以长时间承受裂变碎片及裂变物质自发衰变释放带电粒子辐照引起的器件损伤，会出现半导体探测器噪声增大、能量分辨率变差等一系列的性能退化，进而导致热中子探测装置失效。
5.碳化硅半导体探测器是近年新发展的一类半导体探测器，可实现比硅探测器高3个量级以上的强抗辐照性能、近100％的电荷收集效率以及好的能量分辨率，能满足热中子引发裂变释放裂变碎片有效探测的实际需求。目前有利用碳化硅进行快热中子探测和利用6lif作为转换层进行热中子探测的报道，但由于6li(n,α)反应的放能小、次级带电粒子的平均能量仅几mev，而辐射环境中的本底干扰较强，导致该方法在热中子通量探测时存在信噪比不理想的问题。
6.微型裂变室是目前商用的裂变压水堆常用的中子通量监测器，它为一类气体探测器，主要通过热中子与
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u发生核反应，放出裂变碎片，裂变碎片电离裂变室内的气体产生电子离子对，电子离子对漂移至电极，外电路获得电脉冲，利于该电脉冲获得中子通量数据。它存在体积大、时间响应慢、灵敏度低、热中子/伽马信噪比不理想等稳态，本发明所述的基于碳化硅的热中子通量监测方法，可解决上述技术问题，实现小体积、快时间响应、高灵敏、高热中子/伽马信噪比。


技术实现要素：

7.本发明的目的是解决现有反应堆热中子通量探测时，半导体探测器难以长时间承
受裂变碎片及裂变物质自发衰变释放带电粒子辐照引起的器件损伤，会出现半导体探测器噪声大、能量分辨率变差的一系列的性能退化，进而导致热中子探测信噪比低的技术问题，而提供一种基于碳化硅半导体的反应堆热中子通量探测方法及装置，实现热中子与含
235
u的裂变物质发生核裂变反应，通过碳化硅半导体探测器对含
235
u的裂变物质的裂变碎片进行有效探测，进而获得响应信号，实现热中子通量探测。
8.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
9.一种基于碳化硅半导体的反应堆热中子通量探测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
10.步骤1：将含
235
u的裂变物质设置于第一碳化硅半导体探测器、第二碳化硅半导体探测器之间；
11.步骤2：使用热中子诱发含
235
u的裂变物质发生核裂变，产生裂变碎片；
12.步骤3：使用第一碳化硅半导体探测器与第二碳化硅半导体探测器对裂变碎片进行探测；
13.步骤4：当第一碳化硅半导体探测器与第二碳化硅半导体探测器，同时获得裂变碎片的信号时，判定为有效信号；
14.否则，判定为无效信号，返回步骤2；
15.步骤5：当判定为有效信号时，利用裂变碎片的信号和其裂变截面，获得热中子的通量。
16.进一步地，步骤1中，所述含
235
u的裂变物质为
235
uo2。
17.另外本发明一种基于碳化硅半导体的反应堆热中子通量探测装置，用于实现上述的基于碳化硅半导体的反应堆热中子通量探测方法，其特征在于：包括第一碳化硅半导体探测器、至少一个含
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u的裂变物质及第二碳化硅半导体探测器；
18.每个含
235
u的裂变物质均位于第一碳化硅半导体探测器与第二碳化硅半导体探测器之间。
19.进一步地，所述第一碳化硅半导体探测器、至少一个含
235
u的裂变物质、第二碳化硅半导体探测器均并排设置，且第一碳化硅半导体探测器、至少一个含
235
u的裂变物质、第二碳化硅半导体探测器之间均相互贴合。
20.进一步地，所述第一碳化硅半导体探测器、至少一个含
235
u的裂变物质、第二碳化硅半导体探测器均并排设置，第一碳化硅半导体探测器、至少一个含
235
u的裂变物质、第二碳化硅半导体探测器中相邻的两个之间贴合或留有间隙，且至少留有一个间隙，间隙均小于等于4cm。
21.进一步地，所述含
235
u的裂变物质包含多个相互平行的含
235
u的裂变物质层，多个相互平行的含
235
u的裂变物质层与第一碳化硅半导体探测器、第二碳化硅半导体探测器垂直设置，多个含
235
u的裂变物质层的两端均与第一碳化硅半导体探测器、第二碳化硅半导体探测器贴合，相邻两个含
235
u的裂变物质层之间贴合或留有间隙，间隙均小于等于4cm。
22.进一步地，所述
235
uo2裂变物质层的厚度≤2mg
·
cm-2
且＞0.01mg
·
cm-2
。
23.进一步地，所述含
235
u的裂变物质为
235
uo2裂变物质。
24.进一步地，所述第一碳化硅半导体探测器与第二碳化硅半导体探测器均为pin型或肖特基型碳化硅探测器。
25.进一步地，所述
235
uo2裂变物质采用旋涂或沉积的工艺均附着于第一碳化硅半导体探测器和/或第二碳化硅半导体探测器的表面。
26.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
27.1、本发明基于碳化硅半导体的反应堆热中子通量探测方法，通过第一碳化硅半导体探测器与第二碳化硅半导体探测器对裂变碎片的有效探测，获得裂变碎片的响应信号，实现热中子通量探测；由于裂变碎片的平均动能为56.6mev和93.0mev，比核材料自发衰变释放的α粒子(几mev)和伴随γ射线(小于1mev)的能量高很多，前者与热中子信号相关，后者与干扰相关，因此本发明的中子响应信号(与裂变碎片相关)比干扰(核材料自发衰变释放的α粒子、伴随γ射线)的幅度高很多，本发明抗干扰能力强，所以本发明基于碳化硅半导体的反应堆热中子通量探测装置，可有效实现极高的热中子/伽马信噪比。
28.2、本发明采用含
235
u的裂变物质，其热中子的裂变截面很高，可实现高的热中子响应灵敏度，适用于极低通量下的热中子探测需求。
29.3、本发明在实现热中子监测时，不需要真空，不需要低温，工作偏压很低(零至几十伏)。
30.4、本发明基于碳化硅半导体的反应堆热中子通量探测装置，选择抗辐照性能更加理想的pin型或肖特基型碳化硅探测器，其面死层薄，对热中子、带电粒子的抗辐照上限分别可达10
16
cm-2
和10
15
cm-2
以上，使得第一碳化硅半导体探测器与第二碳化硅半导体探测器在使用时性能稳定，可保证本发明的探测装置长时间稳定工作且寿命长。
31.5、本发明可调节含
235
u的裂变物质的厚度，通过调节含
235
u的裂变物质的厚度来调节热中子的响应灵敏度，但其最大厚度建议为2mg
·
cm-2
；一般选择
235
uo2裂变物质的最大厚度不超过2mg
·
cm-2
。
32.6、本发明可调节热中子探测效率，通过增大第一碳化硅半导体探测器与第二碳化硅半导体探测器的灵敏区面积和含
235
u的裂变物质涂层面积、提升裂变物质涂层厚度，可有效提升本发明对对热中子的探测效率。
33.7、热中子诱发含
235
u的裂变物质发生核裂变，每个含
235
u的裂变物质每次裂变反应均会释放两个裂变碎片(重碎片和轻碎片)，两个裂变碎片运动方向不同，选择夹心结构(即每个含
235
u的裂变物质均位于第一碳化硅半导体探测器与第二碳化硅半导体探测器之间)探测，第一碳化硅半导体探测器与第二碳化硅半导体探测器可同时实现对重碎片和轻碎片的分别探测，当第一碳化硅半导体探测器与第二碳化硅半导体探测器，同时获得裂变碎片信号时，判定为有效信号，可进一步有效提高热中子探测信噪比。
34.8、选择两个碳化硅半导体探测器和含
235
u的裂变物质组成的夹心结构，探测热中子的通量，整体探测装置体积小，结构简单且紧促。
附图说明
35.图1为本发明基于碳化硅半导体的反应堆热中子通量探测方法中含
235
u的裂变物质的裂变截面状态示意图；
36.图2为本发明基于碳化硅半导体的反应堆热中子通量探测装置实施例一的结构示意图；
37.图3为本发明基于碳化硅半导体的反应堆热中子通量探测装置实施例二的结构示
意图；
38.图4为本发明基于碳化硅半导体的反应堆热中子通量探测装置实施例三的结构示意图；
39.图5为本发明基于碳化硅半导体的反应堆热中子通量探测装置实施例四的结构示意图；
40.图6为本发明基于碳化硅半导体的反应堆热中子通量探测装置实施例五的结构示意图。
41.图中附图标记为：
42.1-第一碳化硅半导体探测器，2-含
235
u的裂变物质，3-第二碳化硅半导体探测器，4-间隙。
具体实施方式
43.下面将结合附图对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的技术方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.实施例一
45.本发明一种基于碳化硅半导体的反应堆热中子通量探测方法，包括以下步骤：
46.步骤1：将含
235
u的裂变物质2设置于第一碳化硅半导体探测器1、第二碳化硅半导体探测器3之间；含
235
u的裂变物质2为
235
uo2；
47.步骤2：使用热中子诱发含
235
u的裂变物质2发生核裂变，产生裂变碎片；
48.步骤3：使用第一碳化硅半导体探测器1与第二碳化硅半导体探测器3对裂变碎片进行探测；
49.步骤4：当第一碳化硅半导体探测器1与第二碳化硅半导体探测器3，同时获得裂变碎片的信号时，判定为有效信号；判定的方法为符合法；裂变碎片为重裂变碎片和轻裂变碎片；
50.否则，判定为无效信号，返回步骤2；
51.步骤5：当判定为有效信号时，利用裂变碎片的信号和其裂变截面，如图1所示，获得热中子的通量。
52.另外，本发明还提供一种基于碳化硅半导体的反应堆热中子通量探测装置，用于实现上述一种基于碳化硅半导体的反应堆热中子通量探测方法，包括夹心结构；
53.夹心结构包括第一碳化硅半导体探测器1、一个含
235
u的裂变物质2及第二碳化硅半导体探测器3；每个含
235
u的裂变物质2均位于第一碳化硅半导体探测器1与第二碳化硅半导体探测器3之间。
54.如图2所示，本实施例中，第一碳化硅半导体探测器1、一个含
235
u的裂变物质2、第二碳化硅半导体探测器3均并排设置，且第一碳化硅半导体探测器1、一个含
235
u的裂变物质2、第二碳化硅半导体探测器3之间均相互贴合。
55.本实施例中含
235
u的裂变物质2为
235
uo2裂变物质，其形状为片形结构，每层
235
uo2裂变物质的厚度≤2mg
·
cm-2
且＞0.01mg
·
cm-2
。第一碳化硅半导体探测器1与第二碳化硅半
导体探测器3均为pin型(在其他实施例中，第一碳化硅半导体探测器1与第二碳化硅半导体探测器3还可以均为肖特基型碳化硅探测器)。
235
uo2裂变物质采用旋涂或沉积的工艺均附着于第一碳化硅半导体探测器1和第二碳化硅半导体探测器3的表面。
56.其中，热中子通常指动能约为0.025电子伏特(速度约2.2千米/秒)的自由热中子。这个速度也是对应于290k(17℃)时麦克斯韦-玻尔兹曼分布下的最可能速度，又称“慢热中子”，与周围物质一起处于热平衡状态的热中子。
57.热中子和含
235
u的裂变物质2发生核裂变反应，释放出约200mev的能量，该能量中绝大部分会转化为裂变碎片的动能；每次核裂变反应平均释放两个裂变碎片,裂变碎片中的轻碎片，平均质量为95amu，其平均动能约93.0mev；裂变碎片中的重碎片，平均质量139amu，平均动能约56.6mev。
58.热中子诱发含
235
u的裂变物质2发生核裂变时，一个含
235
u的裂变物质2在每次核裂变时会释放出两个裂变碎片，受动量守恒和能量守恒定则约束，一个含
235
u的裂变物质2的两个裂变碎片运动方向不同，选择夹心结构的探测装置，第一碳化硅半导体探测器1与第二碳化硅半导体探测器3，可同时实现对重碎片和轻碎片的分别探测。最后，选择符合法判定，当第一碳化硅半导体探测器1与第二碳化硅半导体探测器3同时获得裂变碎片信号时，判定为有效信号，符合法可有效提高热中子探测信噪比。
59.热中子诱发含
235
u的裂变物质2核裂变产生的裂变碎片的平均动能为56.6mev和93.0mev，比核材料自发裂变的次级α粒子(几mev)和伴随γ射线(小于1mev)动能高很多，因此热中子诱发的裂变碎片在第一碳化硅半导体探测器1与第二碳化硅半导体探测器3中，产生的热中子信号幅度会比干扰(即自发裂变的次级α粒子、伴随γ射线等有关)强很多，如通过第一碳化硅半导体探测器1与第二碳化硅半导体探测器3监测裂变碎片的信号，来获得热中子的通量信息，则该方法具有极高的信噪比。
60.热中子诱发的裂变碎片较重，平均质量数为95amu和139amu，且动能较高，其平均能量为56.6mev和93.0mev，一般的半导体探测器在对热中子探测时，裂变碎片会在半导体材料内产生缺陷，可能导致半导体探测器性能退化，出现漏电显著增大、能量分辨率降低以及电荷收集效率变差的现象，当辐射剂量较高时甚至会导致半导体探测器失效。裂变碎片引起的辐照损伤是制约探测装置长寿命和长期工作可靠性的关键，传统的硅探测器抗辐照性能不理想，对裂变碎片和热中子的抗辐照上限分别为108和10
13
cm-2
。
61.本发明主要通过半导体探测器探测裂变碎片来获得热中子通量信息，为实现探测装置长寿命和长期工作可靠性，要求对半导体探测器具有强抗辐照性。选择热中子、带电粒子的抗辐照上限分别可达10
16
cm-2
和10
15
cm-2
以上的第一碳化硅半导体探测器1与第二碳化硅半导体探测器3，可保证本发明的探测装置的长寿命和可长期工作。
62.本实施中，夹心结构之间的热中子灵敏度可通过调节裂变物质的厚度来调节。但
235
uo2裂变物质的最大厚度一般选择不超过2mg
·
cm-2
。当
235
uo2裂变物质过厚时，热中子与
235
uo2裂变物质产生的裂变碎片不一定能穿出
235
uo2裂变物质。当
235
uo2裂变物质的厚度大于2mg
·
cm-2
后，如果再增加
235
uo2裂变物质的厚度，夹心结构中可探测的裂变碎片个数不会变化、本装置的探测效率和中子响应灵敏度不会增加。其中，第一碳化硅半导体探测器1与第二碳化硅半导体探测器3的灵敏面积和
235
uo2裂变物质的涂层面积越大，则本发明对热中子的探测效率越高，但对热中子响应灵敏度帮助不大。
63.选择第一碳化硅半导体探测器1与第二碳化硅半导体探测器3和含
235
u的裂变物质2组成的夹心结构(在其他实施例中，还可以将夹心结构重叠设置，但是含
235
u的裂变物质2的总厚度不超过2mg
·
cm-2
)，探测热中子通量时，可不需要真空，整体探测装置的结构简单且紧促。
64.本发明的探测装置在进行热中子通量探测时，放置方向对热中子探测结果影响不大。
65.实施例二
66.如图3所示，本实施例与实施例一的区别在于，第一碳化硅半导体探测器1、各含
235
u的裂变物质2、第二碳化硅半导体探测器3均并排设置，第一碳化硅半导体探测器1、一个含
235
u的裂变物质2、第二碳化硅半导体探测器3中相邻的两个之间留有且至少留有一个间隙4，间隙4均小于等于4cm。
67.实施例二的其余结构及热中子通量探测方法与实施例一相同。
68.实施例三
69.如图4所示，本实施例与实施例一的区别在于，含
235
u的裂变物质2包含五个相互平行的含
235
u的裂变物质层，五个相互平行的含
235
u的裂变物质层与第一碳化硅半导体探测器2、第二碳化硅半导体探测器3垂直设置，五个含
235
u的裂变物质层的两端均与第一碳化硅半导体探测器3、第二碳化硅半导体探测器3贴合，相邻两个含
235
u的裂变物质层之间贴合或留有间隙4，间隙4小于等于4cm。其中，五个相互平行的含
235
u的裂变物质层总厚度为2mg
·
cm-2
。
70.实施例三的其余结构及热中子通量探测方法与实施例一相同。
71.实施例四
72.如图5所示，本实施例与实施例一的区别在于，第一碳化硅半导体探测器1、四个含
235
u的裂变物质2、第二碳化硅半导体探测器3均并排设置，第一碳化硅半导体探测器1与四个含
235
u的裂变物质2相贴，第二碳化硅半导体探测器3与含
235
u的裂变物质2之间留有间隙4，且间隙4均小于等于4cm。其中，四个含
235
u的裂变物质2的总厚度为0.5mg
·
cm-2
。
73.实施例四的其余结构及热中子通量探测方法与实施例一相同。
74.实施例五
75.如图6所示，本实施例与实施例一的区别在于，第一碳化硅半导体探测器1、各含
235
u的裂变物质2、第二碳化硅半导体探测器3均并排设置，第一碳化硅半导体探测器1与四个含
235
u的裂变物质2之间留有间隙4，且间隙4均小于等于4cm，第二碳化硅半导体探测器3与含
235
u的裂变物质2之间相贴。本实施例中，四个含
235
u的裂变物质2的厚度为0.1mg
·
cm-2
。
76.实施例五的其余结构及热中子通量探测方法与实施例一相同。
77.以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书以及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。