本發(fā)明涉及一種測量中子通量的測量系統(tǒng)，特別涉及一種適用于在強(qiáng)輻射高溫條件下測量中子通量的測量系統(tǒng)，屬于核反應(yīng)堆工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

現(xiàn)行核電站中子通量的測量是基于熱中子的測量，關(guān)注熱中子能區(qū)的燃耗對發(fā)電的貢獻(xiàn)，更高中子能量貢獻(xiàn)份額可以忽略，即熱堆消耗的核燃料是²³⁵U。目前，商用核電站通常采用熱中子靈敏的探測器對熱堆的功率進(jìn)行測量。

對于第四代的快中子反應(yīng)堆，它主要是由快中子來引起裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的反應(yīng)堆，燃燒的核燃料是²³⁸U或²³²Th或錒系的長壽命核素，這些核素的中子核反應(yīng)大多數(shù)是有閾的，因此，快中子反應(yīng)堆的中子通量測量更加關(guān)注中子能量大于核反應(yīng)閾的快中子能區(qū)核燃料消耗。如果采用熱中子靈敏的探測器進(jìn)行測量，首先是要把快中子能量慢化下來才能測量，這樣會(huì)導(dǎo)致因區(qū)域不同，對中子的慢化能力不同，測量結(jié)果也不同，必然導(dǎo)致測量結(jié)果的偏差大。另外，快堆的功率測量方法仍不成熟，處于實(shí)驗(yàn)性階段，還未到工程化階段。

在2013年(S1)原子能科學(xué)技術(shù)雜志中刊登的“中國實(shí)驗(yàn)快堆中子能譜測量實(shí)驗(yàn)研究”文章中，是用活化法對鈉冷快堆的中子能譜進(jìn)行測量的，采用了無源的多種活化片進(jìn)行中子積分測量，通過解譜獲得中子能譜，但是沒有辦法給出在線中子通量等信息。中國專利申請?zhí)枮镃N201210332734.0(2013年)和CN101419290(2009)中，均采用熱中子靈敏探測器，但是無法滿足快堆功率的快中子能譜在線分析。

對于D-D和D-T的聚變核反應(yīng)獲得中子能量分別為2.5MeV和14.06MeV，這些中子均屬于快中子能區(qū)，并且中子具有動(dòng)態(tài)范圍變化大和瞬時(shí)變化快特點(diǎn)，測量環(huán)境具有強(qiáng)磁場和高溫等干擾。通過幾年的研制，適合于診斷ITER和JET聚變裝置等功率測量的²³⁵U裂變電離室問世，測量動(dòng)態(tài)范圍可跨七個(gè)量級，在250℃條件下測試可行，并且裂變電離室外形不大，尺寸為Ф14×200mm，時(shí)間分辨達(dá)到1ms的水平，并且對裂變電離室在ITER的布置位置進(jìn)行了考慮。但這些探測方法選用的探測器只有一種，無法能夠獲得能譜信息。在2012年核電子學(xué)與探測技術(shù)雜志中刊登的“ITER中子通量監(jiān)測器的優(yōu)化計(jì)算”文章中，雖然記載了由雙裂變室探測器和包裹探測器的慢化層/屏蔽層組成的兩種探測器類型，但是它們屬于補(bǔ)償型的，還無法進(jìn)行在線能譜分析，因慢化體采用聚乙烯材料，不能滿足高溫環(huán)境使用的條件。

由此可見，上述公開報(bào)道的技術(shù)方案是通過單個(gè)計(jì)數(shù)器的讀數(shù)或多個(gè)計(jì)數(shù)器直接給出中子通量的大小，勢必帶來較大的誤差。如果從測量能譜入手，再考慮在惡劣環(huán)境條件下的測量問題，堆功率測量結(jié)果將會(huì)改善。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種強(qiáng)輻射高溫條件下測量中子通量的測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)采用快中子靈敏的探測器對快中子直接進(jìn)行測量，不需要使用慢化體將快中子能量慢化下來成熱中子后再測量，避免了因不同區(qū)域?qū)熘凶勇芰Σ煌鴮?dǎo)致測量誤差大的問題；并結(jié)合中子能譜分析計(jì)算得到中子通量，從而大大改善堆功率的測量結(jié)果。

本發(fā)明的目是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種強(qiáng)輻射高溫條件測量中子通量的測量系統(tǒng)，所述測量系統(tǒng)主要由熱中子靈敏的探測器、快中子靈敏的探測器、熱中子吸收體、兩個(gè)放大器、數(shù)據(jù)獲取模塊以及中子能譜分析模塊組成；

熱中子吸收體包覆在快中子靈敏的探測器外表面，熱中子靈敏的探測器探測到的信號輸出給一個(gè)放大器，快中子靈敏的探測器探測到的信號輸出給另一個(gè)放大器；兩個(gè)放大器將接收的信號進(jìn)行放大處理后得到模擬信號，并將模擬信號輸出給數(shù)據(jù)獲取模塊；數(shù)據(jù)獲取模塊將接收的模擬信號進(jìn)行數(shù)字化處理，并將處理后的數(shù)字化信號輸出給中子能譜分析模塊；中子能譜分析模塊將接收的數(shù)字化信號進(jìn)行中子能量解譜分析，得到中子能譜數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過分析得到中子通量。

所述熱中子靈敏的探測器是對熱中子具有較高反應(yīng)截面的一種探測器，是²³⁵U裂變電離室、²³⁹Pu裂變電離室或涂硼電離室，且所述電離室能夠在溫度不大于300℃以及測量劑量率不大于100Gy/s下正常工作；優(yōu)選²³⁵U裂變電離室。

所述快中子靈敏的探測器是對快中子具有較高反應(yīng)截面的一種探測器，是²³⁸U裂變電離室或²³²Th裂變電離室，且所述電離室能夠在溫度不大于300℃以及測量劑量率不大于100Gy/s下正常工作；優(yōu)選²³⁸U裂變電離室。

優(yōu)選的，所述熱中子靈敏的探測器以及快中子靈敏的探測器的形狀為管狀，外徑為1.2cm～3.8cm，長度為5cm～25cm。

所述熱中子吸收體是對熱中子具有較高反應(yīng)截面的耐高溫材料，材質(zhì)為鎘、碳化硼、高硼鋼、銀銦鎘合金、二硼化鋯、二硼化鈦、二硼化鉿、鈦酸釓或鈦酸鏑；優(yōu)選鎘。

所述放大器包括低壓電源、高壓電源和電路放大器；根據(jù)接收的信號從小到大，電路放大器依次選擇脈沖法、脈沖-電流法、電流-均方根電壓法進(jìn)行信號放大處理，信號放大處理所需能耗由低壓電源和高壓電源提供。

所述數(shù)據(jù)獲取模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和暫存單元；模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對放大器輸出的模擬信號進(jìn)行數(shù)字化處理，暫存單元將處理后的數(shù)字化信號進(jìn)行暫存并輸出。

中子能譜分析模塊進(jìn)行中子能量解譜分析時(shí)，基于中子通量測量史，對快中子靈敏的探測器的計(jì)數(shù)進(jìn)行在線修正，得到中子能譜數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過分析得到中子通量；

所述在線修正方法：所述快中子靈敏的探測器是²³⁸U裂變電離室時(shí)，²³⁸U通過中子俘獲反應(yīng)道變?yōu)?sup>239U，然后²³⁹U經(jīng)β衰變成熱中子靈敏的²³⁹Pu，為了扣除²³⁹Pu對²³⁸U快中子靈敏的探測器的計(jì)數(shù)影響，根據(jù)中子通量測量史，確定²³⁹Pu對²³⁸U快中子靈敏的探測器的計(jì)數(shù)貢獻(xiàn)份額，并加以扣除；所述快中子靈敏的探測器是²³²Th裂變電離室時(shí)，²³²Th通過中子俘獲反應(yīng)道變?yōu)?sup>233Th，然后²³³Th先經(jīng)β衰變成²³³Pa，²³³Pa再經(jīng)β衰變成熱中子靈敏的²³³U，為了扣除²³³U對²³²Th快中子靈敏的探測器的計(jì)數(shù)影響，根據(jù)中子通量測量史，確定²³³U對²³²Th快中子靈敏的探測器的計(jì)數(shù)貢獻(xiàn)份額，并加以扣除。

所述的中子能譜數(shù)據(jù)是由熱中子靈敏的探測器和快中子靈敏的探測器的響應(yīng)矩陣通過“少道解譜法”獲得的。

有益效果：

(1)本發(fā)明所述的測量系統(tǒng)，采用快中子靈敏的探測器對快中子直接進(jìn)行測量，不需要使用慢化體將快中子能量慢化下來成熱中子后再測量，避免了因不同區(qū)域?qū)熘凶勇芰Σ煌鴮?dǎo)致測量誤差大的問題；

(2)本發(fā)明采用兩種中子反應(yīng)截面隨中子能量增加有較大變化的探測器，這樣對于中子能譜的寬范圍輻射場就有不同的中子響應(yīng)，利用這個(gè)特點(diǎn)就可以分析中子通量動(dòng)態(tài)變化范圍大的中子能量信息；

(3)本發(fā)明所述的測量系統(tǒng)，中子能譜數(shù)據(jù)模塊是根據(jù)熱中子靈敏的探測器以及快中子靈敏的探測器的測量數(shù)據(jù)，通過分析能夠獲得中子能譜信息；而且，在中子能譜解析過程中，根據(jù)中子通量的測量史，對快中子靈敏的探測器的計(jì)數(shù)進(jìn)行在線修正，大大降低測量數(shù)據(jù)的偏差；

本發(fā)明所述的測量系統(tǒng)能解決目前高中子通量寬范圍的能譜測量問題，并能在高溫、高輻射和強(qiáng)磁場干擾環(huán)境條件下使用，具有使用方便、重量輕、易于安裝和移動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于各類反應(yīng)堆、輻射裝置的中子能譜測量。

附圖說明

圖1為實(shí)施例中所述測量中子通量的測量系統(tǒng)。

圖2為圖1中探頭的A-A截面圖。

其中，1-熱中子靈敏的探測器，2-快中子靈敏的探測器，3-熱中子吸收體，4-放大器Ⅰ，5-放大器Ⅱ，6-數(shù)據(jù)獲取模塊，7-中子能譜分析模塊。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

本實(shí)施例所述的強(qiáng)輻射高溫條件測量中子通量的測量系統(tǒng)，主要采用由熱中子靈敏的探測器和快中子靈敏的探測器組成的雙探頭分別對熱中子、快中子進(jìn)行探測，從而根據(jù)熱中子靈敏的探測器和快中子靈敏的探測器的響應(yīng)矩陣經(jīng)過“少道解譜法”得到中子能譜數(shù)據(jù)；而且在能譜解析過程中，根據(jù)中子通量的測量史，對快中子靈敏的探測器的計(jì)數(shù)進(jìn)行在線修正，從而大大減少所得中子通量的偏差。另外，本實(shí)施例中采用快中子靈敏的探測器直接對快中子進(jìn)行探測，克服了現(xiàn)有測量方法中采用慢化體將快中子能量慢化成熱中子后進(jìn)行測量存在偏差大的問題。本實(shí)施例的具體方案如下所述：

一種強(qiáng)輻射高溫條件測量中子通量的測量系統(tǒng)，所述測量系統(tǒng)主要由熱中子靈敏的探測器1、快中子靈敏的探測器2、熱中子吸收體3、放大器Ⅰ4，放大器Ⅱ5、數(shù)據(jù)獲取模塊6以及中子能譜分析模塊7組成，如圖1所示；

所述熱中子靈敏的探測器1是管狀的²³⁵U裂變電離室，外徑為2cm以及長度為15cm；所述快中子靈敏的探測器2是管狀的²³⁸U裂變電離室，外徑為2cm以及長度為15cm；這是因?yàn)楣軤畹奶綔y器易于在快堆中移動(dòng)，而且適用于快堆的探測器尺寸不能太大；

所述熱中子吸收體3的材質(zhì)為鎘金屬，包覆在快中子靈敏的探測器2外表面，以減少快中子靈敏的探測器2對熱中子的響應(yīng)；熱中子靈敏的探測器1、快中子靈敏的探測器2和熱中子吸收體3組成所述測量系統(tǒng)的探頭，探頭的截面圖如圖2所示；

熱中子靈敏的探測器1探測到的信號輸出給放大器Ⅰ4，快中子靈敏的探測器2探測到的信號輸出給放大器Ⅱ5；放大器Ⅰ4以及放大器Ⅱ5的外部均采用金屬外殼包裝起來，具有較高的屏蔽電磁干擾能力，其內(nèi)部器件主要包含低壓電源、高壓電源和電路放大器，根據(jù)接收的信號由小到大，電路放大器依次選擇脈沖法、脈沖-電流法、電流-均方根電壓法進(jìn)行信號放大處理得到模擬信號，信號放大處理所需能耗由低壓電源和高壓電源提供，放大器Ⅰ4和放大器Ⅱ5將處理后得到的模擬信號輸出給數(shù)據(jù)獲取模塊6；數(shù)據(jù)獲取模塊6包括模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和暫存單元，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元將接收的模擬信號進(jìn)行數(shù)字化處理，暫存單元將處理后的數(shù)字化信號進(jìn)行暫存并輸出；中子能譜分析模塊7對數(shù)據(jù)獲取模塊6輸出的數(shù)字化信號進(jìn)行中子能量解譜分析，并基于中子通量測量史，在中子能量解譜分析過程中對快中子靈敏的探測器2的計(jì)數(shù)進(jìn)行在線修正，得到中子能譜數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過分析得到中子通量；其中，²³⁸U裂變電離室中，²³⁸U通過中子俘獲反應(yīng)道變?yōu)?sup>239U，而²³⁹U經(jīng)β衰變成熱中子靈敏的²³⁹Pu，為了扣除²³⁹Pu對²³⁸U快中子靈敏的探測器2的計(jì)數(shù)影響，根據(jù)中子通量測量史，確定²³⁹Pu對²³⁸U快中子靈敏的探測器2的計(jì)數(shù)貢獻(xiàn)份額，并加以扣除，從而達(dá)到在線修正的目的。

其中，中子能譜數(shù)據(jù)是由熱中子靈敏的探測器1和快中子靈敏的探測器2的響應(yīng)矩陣通過“少道解譜法”獲得的，由中子能譜數(shù)據(jù)可以得到不確定度較小的中子通量、功率或中子產(chǎn)額等信息；另外，熱中子靈敏的探測器1和快中子靈敏的探測器2的響應(yīng)矩陣是采用蒙特卡羅計(jì)算方法獲得的。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。