核反应堆仪表4

1、School of Nuclear Science and Technology反应堆功率测量仪表及系统：测量反应堆功率测量仪表及系统：测量反应堆功率和监反应堆功率和监督堆内中子通量密度变化情况督堆内中子通量密度变化情况。为操纵员、调节。为操纵员、调节系统和保护系统提供数据和信号，保证反应堆的系统和保护系统提供数据和信号，保证反应堆的正常运行和安全。正常运行和安全。运行功能：向操纵员提供反应堆装料、停堆、启动、运行功能：向操纵员提供反应堆装料、停堆、启动、功率运行等工况下的反应堆状态信息。功率运行等工况下的反应堆状态信息。安全功能：向反应堆保护系统提供多个紧急停堆信安全功能：向反应堆保护系统提

2、供多个紧急停堆信号和允许信号。号和允许信号。第第3章章 堆芯外核检测仪表及系统堆芯外核检测仪表及系统School of Nuclear Science and Technology3.1 堆芯外的定义堆芯外的定义3.2 核反应堆功率的测量核反应堆功率的测量3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统反应堆堆芯外核检测仪表系统3.5 压水堆堆芯外核检测仪表系统压水堆堆芯外核检测仪表系统3.6 快堆堆芯外核检测仪表快堆堆芯外核检测仪表第第3章章 堆芯外核检测仪表及系统堆芯外核检测仪表及系统School of Nuclear Science and Technology3.1

3、堆芯外的定义堆芯外的定义堆芯边界的中子通量密度堆芯边界的中子通量密度一般为一般为10101111n.cmn.cm-2-2.s.s-1-1在额定功率下压水堆典型在额定功率下压水堆典型的堆芯外位置上的中子通的堆芯外位置上的中子通量密度、量密度、照射率和温度照射率和温度的量值。的量值。School of Nuclear Science and Technology3.2 核反应堆功率的测量核反应堆功率的测量核反应堆功率测量原理：核反应堆功率测量原理：任何测量？任何测量？核反应堆功率的直接度量是所产生的热，可以通过热量核反应堆功率的直接度量是所产生的热，可以通过热量来测量吗？来测量吗？由于热惯性由于热

4、惯性，热是一种十分缓慢的指示量。，热是一种十分缓慢的指示量。核辐射：瞬发辐射（裂变碎片、核辐射：瞬发辐射（裂变碎片、中子）、中子）School of Nuclear Science and Technology3.2 核反应堆功率的测量核反应堆功率的测量核反应堆功率测量原理：核反应堆功率测量原理：任何测量？任何测量？核反应堆功率的直接度量是所产生的热，可以通过热量核反应堆功率的直接度量是所产生的热，可以通过热量来测量吗？来测量吗？由于热惯性由于热惯性，热是一种十分缓慢的指示量。，热是一种十分缓慢的指示量。核辐射：瞬发辐射（裂变碎片、核辐射：瞬发辐射（裂变碎片、中子中子）瞬发中子、缓发中子瞬发中

5、子、缓发中子核裂变后核裂变后10-1410-17s内发射出来的中子称为瞬发中子，内发射出来的中子称为瞬发中子，约占裂变中子的约占裂变中子的99以上；在裂变后约零点几秒钟到几以上；在裂变后约零点几秒钟到几分钟之间由某些裂变碎片陆续发射出来的中子，称为缓分钟之间由某些裂变碎片陆续发射出来的中子，称为缓发中子。缓发中子约占发中子。缓发中子约占1左右。左右。School of Nuclear Science and Technology3.2 核反应堆功率的测量核反应堆功率的测量核反应堆功率测量原理：核反应堆功率测量原理：一般来说，反应堆功率由堆内单位时间裂变反应的总数一般来说，反应堆功率由堆内单位时

6、间裂变反应的总数来决定，即瞬发中子数决定。来决定，即瞬发中子数决定。但是，当反应堆达到稳态功率运行或处于功率变化不快但是，当反应堆达到稳态功率运行或处于功率变化不快而可以当作一个准静态过程时，由于前一时刻的缓发中而可以当作一个准静态过程时，由于前一时刻的缓发中子补偿了后一时刻的缓发中子，因而可以认为裂变释放子补偿了后一时刻的缓发中子，因而可以认为裂变释放的中子都是瞬时释放的。这样，反应堆功率可以用测得的中子都是瞬时释放的。这样，反应堆功率可以用测得的中子通量密度得到。的中子通量密度得到。实际上，测量的是一个达到平衡后的中子通量密度。实际上，测量的是一个达到平衡后的中子通量密度。School o

7、f Nuclear Science and Technology3.2 核反应堆功率的测量核反应堆功率的测量核反应堆功率测量原理：核反应堆功率测量原理：以以235U为核燃料，平均热中子通量密度为为核燃料，平均热中子通量密度为(n.cm-2.s-1)的的反应堆功率反应堆功率P（MW）可以用下式表示：）可以用下式表示：P=Vf5Ef5V(cm3)：由反应堆装料的：由反应堆装料的235U质量所得到的质量所得到的235U所占体积所占体积； f5 ：235U的宏观裂变反应截面；的宏观裂变反应截面； Ef5：裂变能。裂变能。反应堆的功率为：反应堆的功率为：P=m/1928.02001.610-19=471

8、.58m(MW)反应堆建成装料后反应堆建成装料后235U的质量的质量m（g）是一定的，只要测）是一定的，只要测得中子通量密度得中子通量密度（n.cm-2.s-1），就可以得到反应堆功），就可以得到反应堆功率率P（MW）。）。 School of Nuclear Science and Technology3.2 核反应堆功率的测量核反应堆功率的测量核反应堆周期测量原理：核反应堆周期测量原理： 周期？周期？在反应堆物理中，反应堆周期定义为反应堆内中子密度在反应堆物理中，反应堆周期定义为反应堆内中子密度变化变化e倍所需的时间，用倍所需的时间，用T表示。表示。设在反应堆内中子以相同的速度设在反应堆内

9、中子以相同的速度v杂乱无章地运动，堆杂乱无章地运动，堆内平均中子通量密度内平均中子通量密度nv，则反应堆功率与周期的关，则反应堆功率与周期的关系系School of Nuclear Science and Technology3.2 核反应堆功率的测量核反应堆功率的测量可见，只要把测得的功率信号送到对数电路进行对数变可见，只要把测得的功率信号送到对数电路进行对数变换，变换后的信号再送到微分电路进行微分运算，就可换，变换后的信号再送到微分电路进行微分运算，就可得到反比于反应堆周期的信号，从而求得反应堆周期得到反比于反应堆周期的信号，从而求得反应堆周期T T。反应堆周期的符号、大小可以反映反应堆内

10、中子增减。反应堆周期的符号、大小可以反映反应堆内中子增减变化，所以反应堆启动时反应堆周期是个被密切监视和变化，所以反应堆启动时反应堆周期是个被密切监视和控制的重要参数。控制的重要参数。为实用方便，也测量反应堆功率变化两倍的时间为实用方便，也测量反应堆功率变化两倍的时间t td d，t td d称为反应堆功率倍增时间。称为反应堆功率倍增时间。测量测量t td d的原理与的原理与T T相同。相同。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.1 3.3.1 中子探测的基本方法中子探测的基本方法中子和其他辐射一样，也是靠中子和

11、物质的某种相互中子和其他辐射一样，也是靠中子和物质的某种相互作用来探测的。作用来探测的。但中子不带电，和物质中的电子不发生作用的，不能但中子不带电，和物质中的电子不发生作用的，不能直接引起电离，而要靠中子和原子核相互作用产直接引起电离，而要靠中子和原子核相互作用产生能引起电离反应的次级程粒子才被记录。生能引起电离反应的次级程粒子才被记录。中子和原子核的相互作用有：产生带电粒子的核反应中子和原子核的相互作用有：产生带电粒子的核反应、核反冲、核裂变、活化等。、核反冲、核裂变、活化等。这也是探测中子的这也是探测中子的4 种原理。种原理。School of Nuclear Science and Te

12、chnology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.1 3.3.1 中子探测的基本方法中子探测的基本方法1 核反应法核反应法核反应法即利用产生带电粒子核反应核反应法即利用产生带电粒子核反应(n,b)，通过，通过探测探测带电粒子带电粒子（b表示）来间接探测中子的方法。表示）来间接探测中子的方法。中子本身不带电，它和物质中原子核之间没有库仑斥中子本身不带电，它和物质中原子核之间没有库仑斥力，因此比较容易进入原子核，发生核反应。选力，因此比较容易进入原子核，发生核反应。选择某种能产生带电粒子的核反应，记录带电粒子择某种能产生带电粒子的核反应，记录带电粒子引起的电离现象就可探测中子。这方法主要用于

13、引起的电离现象就可探测中子。这方法主要用于探测慢中子的强度，在个别情况下，也可用以测探测慢中子的强度，在个别情况下，也可用以测量快中子能谱。量快中子能谱。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.1 3.3.1 中子探测的基本方法中子探测的基本方法1 核反应法核反应法核反应法中，应用最广泛的是以下三种核反应：核反应法中，应用最广泛的是以下三种核反应：3He+np+T+0.764MeV =(532710)b6Li+n+T+4.780MeV =(9414)b10B+n+7Li+2.792MeV 6.1% +7Li*+2.

14、310MeV 93.9% =(38379)b 7Li*7Li+0.478MeVSchool of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.1 3.3.1 中子探测的基本方法中子探测的基本方法1 核反应法核反应法反应截面反应截面School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.1 3.3.1 中子探测的基本方法中子探测的基本方法1 核反应法核反应法10B（n，）7Li应用最广泛。应用最广泛。因为慢中子与因为慢中子与10B 的的反应截面大反应截面大，反应能也大反应能也大

15、，产生，产生的的粒子和粒子和Li核能量较大，分别为核能量较大，分别为7/11Q和和4/11Q，很，很容被探测；容被探测；硼材料容易得到硼材料容易得到，可用气态，可用气态BF3，也可用，也可用固态单质硼或氧化硼，并且天然硼中固态单质硼或氧化硼，并且天然硼中10B的含量也较的含量也较高，约占高，约占19.8。为提高探测效率，浓缩到为提高探测效率，浓缩到96%以上。以上。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.1 3.3.1 中子探测的基本方法中子探测的基本方法1 1 核反应法核反应法6 6LiLi（n,n,）T T反应

16、放出的反应放出的能量最大能量最大，放出的，放出的T T 和和的动能分别的动能分别为为2.73MeV2.73MeV和和2.05MeV2.05MeV以上，也比较以上，也比较容易探测容易探测，缺点是，缺点是6 6LiLi不存不存在合适的气态化合物，只能用于固体探测器在合适的气态化合物，只能用于固体探测器, ,而且天然锂中而且天然锂中6 6LiLi的含量只有的含量只有7.5%7.5%。为提高探测效率，浓缩。为提高探测效率，浓缩6 6LiLi 达达90-95%90-95%，但价，但价格高。格高。3 3HeHe（n n，p p）T T反应反应截面最大截面最大，但放出能量最小，探测器不容易，但放出能量最小，

17、探测器不容易去除去除本底；而且天然氦中本底；而且天然氦中3 3HeHe含量仅为含量仅为0.0130.013，制备价格贵，制备价格贵，因此一般仅在探测几十或几百，因此一般仅在探测几十或几百keVkeV能量的中子时应用。能量的中子时应用。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.1 3.3.1 中子探测的基本方法中子探测的基本方法2 核反冲法核反冲法使用中子与物质原子核发生势弹性散射这种作用探测使用中子与物质原子核发生势弹性散射这种作用探测中子的方法常称为中子的方法常称为核反冲法核反冲法。中子靠近原子核时，受到核力场的作

18、用而被散射，入中子靠近原子核时，受到核力场的作用而被散射，入射中子把一部分能量转移给原子核，原子核获得射中子把一部分能量转移给原子核，原子核获得反冲能，所以叫做反冲能，所以叫做反冲核反冲核。反冲核一般具有一定。反冲核一般具有一定电荷，可以用测量带电粒子的方法测量。核反冲电荷，可以用测量带电粒子的方法测量。核反冲法就是法就是通过探测反冲核通过探测反冲核这种带电粒子来探测中子这种带电粒子来探测中子的。的。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.1 3.3.1 中子探测的基本方法中子探测的基本方法2 核反冲法核反冲法中子

19、通量密度测量原理：中子通量密度测量原理：设中子通量密度为设中子通量密度为，转换靶的厚度为，转换靶的厚度为d，原子密度，原子密度为为，对一定能量的中子，靶核的弹性散射截面，对一定能量的中子，靶核的弹性散射截面为为s，则单位面积单位时间内的反冲核数目为：，则单位面积单位时间内的反冲核数目为：Np= s ds ，d为常数。测得反冲核的数目，就可得中子为常数。测得反冲核的数目，就可得中子通量密度。通量密度。此法主要用于快中子测量。此法主要用于快中子测量。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.1 3.3.1 中子探测的基本

20、方法中子探测的基本方法2 核反冲法核反冲法中子能谱测量原理：中子能谱测量原理：若入射中子的能量为若入射中子的能量为En，反冲核获得的反冲能量，反冲核获得的反冲能量Er为为：式中：式中：M和和mn分别为原子核和中子质量；分别为原子核和中子质量；为反冲核为反冲核飞出方向与中子入射方向之间的夹角。飞出方向与中子入射方向之间的夹角。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.1 3.3.1 中子探测的基本方法中子探测的基本方法2 核反冲法核反冲法若用原子核的相对原子质量来代替质量的话，则上式若用原子核的相对原子质量来代替质量的

21、话，则上式变为：变为：由上式可以看出，由上式可以看出，A越小，即原子核越轻，则越小，即原子核越轻，则Er越大越大。当。当A=1时，时，Er最大。所以，在核反冲法中通常最大。所以，在核反冲法中通常都选用氢或含氢物质做靶材料。这时：都选用氢或含氢物质做靶材料。这时：School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.1 3.3.1 中子探测的基本方法中子探测的基本方法2 核反冲法核反冲法核反冲法中转换靶（辐射体）的选择原则：核反冲法中转换靶（辐射体）的选择原则：1）反冲核的动能大，容易被精确测量；）反冲核的动能大，容易被精确测量；

22、2）弹性散射截面大；）弹性散射截面大；3）截面与中子能量的关系应是平滑的变化，）截面与中子能量的关系应是平滑的变化，4）反冲核的角分布简单。）反冲核的角分布简单。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.1 3.3.1 中子探测的基本方法中子探测的基本方法3 核裂变法核裂变法快中子和热中子都能引发重核裂变，重核裂变生成的快中子和热中子都能引发重核裂变，重核裂变生成的几个中等质量原子核称为裂变碎片。裂变碎片是几个中等质量原子核称为裂变碎片。裂变碎片是重带电粒子，能使物质原子电离或激发。通过探重带电粒子，能使物质原子电离

23、或激发。通过探测裂变碎片探测中子的方法称为核裂变法。测裂变碎片探测中子的方法称为核裂变法。中子引起裂变时放出的能量大约是中子引起裂变时放出的能量大约是200MeV，两个裂，两个裂变碎片共带走变碎片共带走165MeV。入射中子的能量一般都。入射中子的能量一般都远小于这个数值，因此这种方法不能用来直接测远小于这个数值，因此这种方法不能用来直接测定中子能量，主要用来测定中子通量。定中子能量，主要用来测定中子通量。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.1 3.3.1 中子探测的基本方法中子探测的基本方法3 核裂变法核裂变

24、法裂变碎片具有较大动能，它们可以在探测介质中引起裂变碎片具有较大动能，它们可以在探测介质中引起很大的总电离，使探测器输出很大电信号，因此很大的总电离，使探测器输出很大电信号，因此，裂变法可以在很强的，裂变法可以在很强的本底下探测中子。这对本底下探测中子。这对测量反应堆的中子通量密度很有用。测量反应堆的中子通量密度很有用。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.1 3.3.1 中子探测的基本方法中子探测的基本方法3 核裂变法核裂变法裂变存在一个裂变势垒裂变存在一个裂变势垒Uf，不同核素的，不同核素的Uf不同。许多重核

25、只有不同。许多重核只有在入射中子能量大于某个值（称为阈值）后才能发生裂在入射中子能量大于某个值（称为阈值）后才能发生裂变。例如：变。例如：238U，当入射中子能量大于，当入射中子能量大于1.5MeV后才能发后才能发生裂变。生裂变。可以利用一系列具有不同阈能的裂变元素来判断中子的能量可以利用一系列具有不同阈能的裂变元素来判断中子的能量，这种探测器称为，这种探测器称为“阈探测器阈探测器”。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.1 3.3.1 中子探测的基本方法中子探测的基本方法3 核裂变法核裂变法缺点：探测效率低。？

26、缺点：探测效率低。？裂变碎片的射程极短，在铀中平均为裂变碎片的射程极短，在铀中平均为8mg/cm2。因此，要求裂。因此，要求裂变材料很薄。一般涂成薄膜。即使采用高浓缩铀，探测变材料很薄。一般涂成薄膜。即使采用高浓缩铀，探测效率仅效率仅10-3。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.1 3.3.1 中子探测的基本方法中子探测的基本方法4 活化法活化法中子和原子核相互作用时，辐射俘获是很主要的作用中子和原子核相互作用时，辐射俘获是很主要的作用过程。过程。中子很容易进入原子核形成一个处于激发态的复合核中子很容易进入原子

27、核形成一个处于激发态的复合核，复合核通过发射一个或几个光子迅速跃回基态，复合核通过发射一个或几个光子迅速跃回基态。这种俘获中子，放出。这种俘获中子，放出辐射的过程称为辐射的过程称为“辐射辐射俘获俘获”，用（，用（n,）表示。）表示。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.1 3.3.1 中子探测的基本方法中子探测的基本方法4 活化法活化法中子辐照生成新的不稳定核素的过程称为中子辐照生成新的不稳定核素的过程称为“活化活化”或或“激活激活”，所产生的放射性称为，所产生的放射性称为“感生放射性感生放射性”。测量经过中子辐

28、照后材料中的放射性，就可知道中子测量经过中子辐照后材料中的放射性，就可知道中子的强度，这就是活化法。的强度，这就是活化法。例如，例如，InIn116115nSnIn116116School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.1 3.3.1 中子探测的基本方法中子探测的基本方法School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.1 3.3.1 中子探测的基本方法中子探测的基本方法由于中子作用截面一般都不大，所以中子探测效率，由于中子作用截面一般都不大，所以中

29、子探测效率，尤其是快中子探测效率是较低的。尤其是快中子探测效率是较低的。与与、辐射探测器相比，中子探测器的探测效辐射探测器相比，中子探测器的探测效率要低一些，过程也复杂一些，测量精度也差一率要低一些，过程也复杂一些，测量精度也差一些。些。在不同的中子能区，这些作用过程的截面相差很大。在不同的中子能区，这些作用过程的截面相差很大。所以对不同能区的中子要采用不同的探测方法和所以对不同能区的中子要采用不同的探测方法和探测器。探测器。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.2 3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种

30、类中子产生的次级粒子种类繁多，探测仪表种类很多。中子产生的次级粒子种类繁多，探测仪表种类很多。1 1、气体探测仪表、气体探测仪表1.1.三氟化硼（三氟化硼（BFBF3 3）正比计数管）正比计数管测量中子最通用的是三氟化硼正比计数管，通常称测量中子最通用的是三氟化硼正比计数管，通常称BFBF3 3计数管计数管。它的结构基本上和测量。它的结构基本上和测量射线的射线的G-MG-M管一样，只是管内管一样，只是管内充的是充的是BFBF3 3气体。热中子通过气体。热中子通过1010B B（n n，）7 7LiLi反应在计数反应在计数管内产生离子对，再经气体放大输出电信号。管内产生离子对，再经气体放大输出电

31、信号。这种计数管测量热、慢中子的效率都相当高，但对快中子探这种计数管测量热、慢中子的效率都相当高，但对快中子探测效率太低。？测效率太低。？School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.2 3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类1 1、气体探测仪表、气体探测仪表1.1.三氟化硼（三氟化硼（BFBF3 3）正比计数管）正比计数管在计数管外面套上一层石蜡或聚乙烯慢化剂，就可探在计数管外面套上一层石蜡或聚乙烯慢化剂，就可探测快中子。长计数管测快中子。长计数管长长School of Nuclear Science and

32、 Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.2 3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类1 1、气体探测仪表、气体探测仪表2.2.硼电离室和裂变室硼电离室和裂变室（1 1）硼电离室。在电离室的一个电极上涂上一层浓）硼电离室。在电离室的一个电极上涂上一层浓缩硼缩硼1010B B的膜。中子打在硼膜上，通过的膜。中子打在硼膜上，通过1010B B（n n，）7 7LiLi反应产生反应产生粒子和粒子和7 7LiLi核，其中之一在气体核，其中之一在气体中产生电离，通常是记录它们引起的电离电流（中产生电离，通常是记录它们引起的电离电流（累计电流）来确定入射中子通量。测量范围：累计

33、电流）来确定入射中子通量。测量范围：10105 5-10-101010n.cmn.cm-2-2s s-1-1。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.2 3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类1 1、气体探测仪表、气体探测仪表2.2.硼电离室和裂变室硼电离室和裂变室（2 2）裂变室）裂变室如果在电离室的电极上涂上裂变物质如果在电离室的电极上涂上裂变物质235235U U，中子被，中子被235235U U俘俘获，发生裂变，裂变碎片在电离室产生电子离子对而被获，发生裂变，裂变碎片在电离室产生电子离子对而被记录

34、，从而探测中子。这种通过裂变法测中子的电离室记录，从而探测中子。这种通过裂变法测中子的电离室就称为就称为“裂变室裂变室”。裂变室可以是记录脉冲的，也有记录电离电流的。优缺点？裂变室可以是记录脉冲的，也有记录电离电流的。优缺点？由于裂变反应放出的能量大，裂变室甄别由于裂变反应放出的能量大，裂变室甄别本底的本领比硼本底的本领比硼电离室更大。电离室更大。因为裂变碎片的射程很短，所以裂变材料涂层最厚不超过因为裂变碎片的射程很短，所以裂变材料涂层最厚不超过2mg/cm2mg/cm2 2。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3

35、.2 3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类1 1、气体探测仪表、气体探测仪表2.2.硼电离室和裂变室硼电离室和裂变室它们是用来测热中子通量的。反应堆中热中子通量正它们是用来测热中子通量的。反应堆中热中子通量正比于堆的功率，因此可以用这种探测器来控制反比于堆的功率，因此可以用这种探测器来控制反应堆的启动和运转。应堆的启动和运转。硼电离室和裂变室是目前反应堆中必不可少的控制部硼电离室和裂变室是目前反应堆中必不可少的控制部件。件。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.2 3.3.2 中子探测仪表的种类中子探

36、测仪表的种类2 2、固体探测仪表、固体探测仪表利用中子与固体的相互作用。闪烁探测器、半导体探测器利用中子与固体的相互作用。闪烁探测器、半导体探测器50年代以前气体探测器。年代以前气体探测器。50年代以后用闪烁探测器。年代以后用闪烁探测器。60年代年代发展的半导体探测器大大改变了带电粒子和发展的半导体探测器大大改变了带电粒子和射线的测量射线的测量技术。技术。但是，在中子测量方面，闪烁探测器仍然是最常用的。这是但是，在中子测量方面，闪烁探测器仍然是最常用的。这是因为中子测量都是经过核反应间接测量的，而中子对物因为中子测量都是经过核反应间接测量的，而中子对物质的穿透力比带电粒子和质的穿透力比带电粒子

37、和射线要大得多，所以要提高中射线要大得多，所以要提高中子探测器的探测效率是很不容易的。而子探测器的探测效率是很不容易的。而闪烁探测器的特闪烁探测器的特点是效率高，时间响应快点是效率高，时间响应快，这对提高效率、增加计数率，这对提高效率、增加计数率都是十分有利的。都是十分有利的。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.2 3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类2 2、固体探测仪表、固体探测仪表1 1）硫化锌快中子屏）硫化锌快中子屏快中子屏是由快中子屏是由ZnSZnS（AgAg）粉与有机玻璃粉均匀混合，）粉与

38、有机玻璃粉均匀混合，然后热压成圆柱形。其作用原理是快中子在有机然后热压成圆柱形。其作用原理是快中子在有机玻璃中产生的反冲质子使玻璃中产生的反冲质子使ZnSZnS（AgAg）发光。）发光。这种闪烁体呈乳白色，光透明度不高，所以不能做得这种闪烁体呈乳白色，光透明度不高，所以不能做得很厚，一般最厚的是很厚，一般最厚的是7mm7mm。它用于能量大于它用于能量大于0.5MeV0.5MeV快中子通量密度的测量。快中子通量密度的测量。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.2 3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类2

39、2、固体探测仪表、固体探测仪表2 2）硫化锌慢中子屏）硫化锌慢中子屏它是把它是把ZnSZnS（AgAg）、甘油和硼酸混合，压制密封在有机玻璃盖）、甘油和硼酸混合，压制密封在有机玻璃盖的铝盒内。中子通过的铝盒内。中子通过1010B B（n n，）7 7LiLi反应产生的反应产生的和和7 7LiLi使使ZnSZnS（AgAg）发光，通过光电倍增管放大收集，产生信号）发光，通过光电倍增管放大收集，产生信号由于由于1010B B的热中子反应截面很大，所以慢中子屏对热中子和慢的热中子反应截面很大，所以慢中子屏对热中子和慢中子的效率很高。易于甄别中子的效率很高。易于甄别本底。在甄别本底。在甄别100R/s

40、100R/s的的本底后，对热中子的探测效率为本底后，对热中子的探测效率为5%5%10%10%。如将中子屏做成中空的圆筒，套在四面窗的光电倍增管光阴如将中子屏做成中空的圆筒，套在四面窗的光电倍增管光阴极上，这种闪烁体称为中子杯。极上，这种闪烁体称为中子杯。含硼的液体闪烁体含硼的液体闪烁体School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.2 3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类2 2、固体探测仪表、固体探测仪表3 3）锂玻璃闪烁体）锂玻璃闪烁体铕（铕（EuEu）激活的碘化锂闪烁体。）激活的碘化锂闪烁体。它是利用它是利

41、用6 6LiLi（n n，）T T 反应产生的反应产生的T T 和和使闪烁体发光。反应能高使闪烁体发光。反应能高达达4.78MeV4.78MeV，峰窄。分辨时间，峰窄。分辨时间0.30.3s s。这种闪烁。这种闪烁体适用的中子能量范围较宽，可以测量从热中子体适用的中子能量范围较宽，可以测量从热中子到几百到几百keVkeV范围内的中子。范围内的中子。对热中子的探测效率对热中子的探测效率极高极高，1cm1cm厚的闪烁体，热中子探测效率已达厚的闪烁体，热中子探测效率已达100%100%；探测慢中子的效率平均为；探测慢中子的效率平均为70%70%。缺点：易潮解，原料提纯和晶体制备较难。缺点：易潮解，原

42、料提纯和晶体制备较难。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.2 3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类2 2、固体探测仪表、固体探测仪表3 3）锂玻璃闪烁体）锂玻璃闪烁体铈激活的锂玻璃铈激活的锂玻璃，成分是，成分是LiOLiO2 2.2SiO.2SiO2 2（CeCe），含有），含有6.04%6.04%的锂，其中的锂，其中6 6LiLi丰度为丰度为90%90%以上。以上。优点是化学稳定性和光透明性好，耐酸，耐化学腐蚀优点是化学稳定性和光透明性好，耐酸，耐化学腐蚀，耐潮湿，耐高低温，适宜于在恶劣环境中使用

43、，耐潮湿，耐高低温，适宜于在恶劣环境中使用；工艺简单，易加工厂合适形状；工艺简单，易加工厂合适形状；对热中子的探对热中子的探测效率极高测效率极高，4mm4mm厚的闪烁体，热中子探测效率厚的闪烁体，热中子探测效率已达已达100%100%。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.2 3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类2 2、固体探测仪表、固体探测仪表4 4）有机闪烁体）有机闪烁体所有有机闪烁体都是碳氢化合物，含有大量氢原子。所有有机闪烁体都是碳氢化合物，含有大量氢原子。所以都可用于快中子测量。快中子打在氢

44、核上，所以都可用于快中子测量。快中子打在氢核上，通过通过n-pn-p弹性散射产生反冲质子，反冲质子引起弹性散射产生反冲质子，反冲质子引起闪烁体的特征荧光而被光电倍增管记录。闪烁体的特征荧光而被光电倍增管记录。有机闪烁体一共同特点是发光衰减时间短，因此可用有机闪烁体一共同特点是发光衰减时间短，因此可用于高强度中子通量测量。在快中子能谱测量技术于高强度中子通量测量。在快中子能谱测量技术飞行时间法中，发光时间快的有机闪烁体是飞行时间法中，发光时间快的有机闪烁体是唯一可采用的探测器。唯一可采用的探测器。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表

45、中子探测仪表3.3.2 3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类2 2、固体探测仪表、固体探测仪表4 4）有机闪烁体）有机闪烁体有机闪烁体还有一个特点，即闪烁光输出产额随时间的有机闪烁体还有一个特点，即闪烁光输出产额随时间的变化对于电子和重带电粒子是不同的（前者是由变化对于电子和重带电粒子是不同的（前者是由射线产生的，后者是由快中子产生的反冲质子）。射线产生的，后者是由快中子产生的反冲质子）。利用适当的电子学波形甄别技术可以将中子和利用适当的电子学波形甄别技术可以将中子和给给出的脉冲区分开，因此可以在较强的出的脉冲区分开，因此可以在较强的本底下测中本底下测中子。子。常用的几种有机闪烁体

46、是：蒽晶体，塑料闪烁体，常用的几种有机闪烁体是：蒽晶体，塑料闪烁体，液体液体闪烁体闪烁体。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.2 3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类2 2、固体探测仪表、固体探测仪表4 4）有机闪烁体）有机闪烁体School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.2 3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类2 2、固体探测仪表、固体探测仪表5 5）半导体探测器组成的）半导体探测器组成的6 6LiFLiF中子

47、谱仪。中子谱仪。它是把两个金硅面垒型探测器面对面地靠在一起，中它是把两个金硅面垒型探测器面对面地靠在一起，中间夹一层含间夹一层含6 6LiLi的薄膜，见图，所以又称的薄膜，见图，所以又称“夹心夹心式中子谱仪式中子谱仪”。6 6） 3 3HeHe谱仪谱仪如果在夹心式半导体探测器中间充以如果在夹心式半导体探测器中间充以3 3HeHe气体，利用气体，利用3 3HeHe（n n，p p）T T反应，测量反应，测量T T和和p p 的动能就可算出的动能就可算出中子能量，这就是所谓中子能量，这就是所谓3 3HeHe谱仪。谱仪。School of Nuclear Science and Technology

48、3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统反应堆堆芯外核检测仪表系统反应堆堆芯外核检测仪表监测中子通量，也称反应堆堆芯外核检测仪表监测中子通量，也称反应堆反应堆功率测量系统功率测量系统。主要有两种功能：主要有两种功能：一是控制方面的功能，即该系统能够及时、准确地为一是控制方面的功能，即该系统能够及时、准确地为反应堆控制提供反应堆装料、启动、停堆以及功反应堆控制提供反应堆装料、启动、停堆以及功率运行等工况的信息；率运行等工况的信息；二是保护方面的功能，即为反应堆的安全保护系统提二是保护方面的功能，即为反应堆的安全保护系统提供安全保护信号，例如超温保护信号、超功率保供安全保护信号，例如超温保护信号、超功率

49、保护信号、短周期保护信号、紧急停堆保护信号等护信号、短周期保护信号、紧急停堆保护信号等等。等。School of Nuclear Science and Technology3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统反应堆堆芯外核检测仪表系统反应堆从启动到稳态运行，或发生事故工况时，堆外反应堆从启动到稳态运行，或发生事故工况时，堆外中子通量变化中子通量变化1111个量级以上。个量级以上。这样宽的范围内都这样宽的范围内都必须对中子通量密度进行准确而快速的测量。必须对中子通量密度进行准确而快速的测量。 ？为了覆盖这样大的测量范围，将整个测量范围分成三为了覆盖这样大的测量范围，将整个测量范围分成三个不同的区

50、间，使用三种不同的测量量程（源量个不同的区间，使用三种不同的测量量程（源量程、中间量程和功率量程），用不同灵敏度的核程、中间量程和功率量程），用不同灵敏度的核探测器和核电子仪器组成不同的测量通道。各个探测器和核电子仪器组成不同的测量通道。各个测量量程间有一定的重叠，不仅把整个测量范围测量量程间有一定的重叠，不仅把整个测量范围衔接起来，而且从反应堆启动到正常功率运行都衔接起来，而且从反应堆启动到正常功率运行都能连续地测量，以保护和控制反应堆。能连续地测量，以保护和控制反应堆。School of Nuclear Science and Technology3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统反应堆堆

51、芯外核检测仪表系统3.4.1 3.4.1 三量程测量系统三量程测量系统1 1）源量程：中子源启动量程。）源量程：中子源启动量程。特点：中子通量密度小，特点：中子通量密度小，本底小。本底小。一般用一般用BFBF3 3正比计数管或涂硼正比计数管和裂变室。正比计数管或涂硼正比计数管和裂变室。任务：指示反应堆启动过程中的功率和功率变化速度任务：指示反应堆启动过程中的功率和功率变化速度，同时为保护系统提供功率和周期保护信号。，同时为保护系统提供功率和周期保护信号。School of Nuclear Science and Technology3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统反应堆堆芯外核检测仪表系统3

52、.4.1 3.4.1 三量程测量系统三量程测量系统2 2）中间量程：）中间量程：特点：中子通量密度大增，特点：中子通量密度大增，本底较大。本底较大。一般用补偿电流型硼电离室。一般用补偿电流型硼电离室。任务：测量反应堆启动的后半段的功率和周期，也在任务：测量反应堆启动的后半段的功率和周期，也在正常运行时使用，同时为保护系统提供功率和周正常运行时使用，同时为保护系统提供功率和周期保护信号。期保护信号。School of Nuclear Science and Technology3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统反应堆堆芯外核检测仪表系统3.4.1 3.4.1 三量程测量系统三量程测量系统3 3）

53、功率量程：接近或达到反应堆的满功率。）功率量程：接近或达到反应堆的满功率。特点：中子通量密度很大，特点：中子通量密度很大，本底相对小了。本底相对小了。一般用长中子电离室。一般用长中子电离室。任务：输出比较大的电流信号直接直流放大器放大，任务：输出比较大的电流信号直接直流放大器放大，进而送给控制室的功率指示仪表、反应堆功率调进而送给控制室的功率指示仪表、反应堆功率调节器和安全保护系统。节器和安全保护系统。School of Nuclear Science and Technology3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统反应堆堆芯外核检测仪表系统3.4.2 3.4.2 仪表布置仪表布置例如例如900

54、MW900MW压水堆核电站有压水堆核电站有8 8个独立的测量通道，其中个独立的测量通道，其中有两个相同的源量程测量通道，两个相同的中间有两个相同的源量程测量通道，两个相同的中间量程测量通道、四个相同的功率量程测量通道。量程测量通道、四个相同的功率量程测量通道。不同种类和不同灵敏度的不同种类和不同灵敏度的8 8个探测器放置在反应堆压个探测器放置在反应堆压力容器附近的仪器孔内（探测器安放在圆筒形容力容器附近的仪器孔内（探测器安放在圆筒形容器内），用聚乙烯作探测器和定位台车之间的绝器内），用聚乙烯作探测器和定位台车之间的绝缘，并作中子慢化剂和准直器。缘，并作中子慢化剂和准直器。School of N

55、uclear Science and Technology3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统反应堆堆芯外核检测仪表系统3.4.2 3.4.2 仪表布置仪表布置两个源量程探测器是涂硼正比计数管，两个中间量程两个源量程探测器是涂硼正比计数管，两个中间量程探测器是涂硼探测器是涂硼补偿电离室，它们共同装在圆柱补偿电离室，它们共同装在圆柱状容器内分别放置在状容器内分别放置在0 0方向与方向与180180方向；方向；4 4 个个功率量程探测器涂硼非功率量程探测器涂硼非补偿电离室（长中子电补偿电离室（长中子电离室）离室）, ,分别放置在分别放置在4545、135135、225225和和315315方向上。方

56、向上。长中子电离室内部电极分成两段，实际构成长中子电离室内部电极分成两段，实际构成8 8个小电个小电离室。由离室。由4 4个孔道读数的平均值可得到总功率；个孔道读数的平均值可得到总功率；由由4 4个孔道读数的偏差，可得径向功率的不平衡；个孔道读数的偏差，可得径向功率的不平衡；由上下电离室读数的偏差，可得中子通量的轴向由上下电离室读数的偏差，可得中子通量的轴向偏移。偏移。School of Nuclear Science and Technology3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统反应堆堆芯外核检测仪表系统3.4.3 3.4.3 堆芯外核检测仪表的原理和结构堆芯外核检测仪表的原理和结构1)1)

57、 BFBF3 3正比计数管正比计数管最普通的结构是一个圆柱形状，中心阳极丝用钨丝做最普通的结构是一个圆柱形状，中心阳极丝用钨丝做成，通过玻璃或陶瓷与外壳绝缘，外壳用金属做成，通过玻璃或陶瓷与外壳绝缘，外壳用金属做成，兼作阴极，内充成，兼作阴极，内充BFBF3 3气体作为工作气体。气体作为工作气体。School of Nuclear Science and Technology3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统反应堆堆芯外核检测仪表系统3.4.3 3.4.3 堆芯外核检测仪表的原理和结构堆芯外核检测仪表的原理和结构1)1) BFBF3 3正比计数管正比计数管入射中子与入射中子与1010B B产生

58、核反应，通过探测反应产物产生核反应，通过探测反应产物粒粒子和子和7 7LiLi核来间接探测中子。核来间接探测中子。如果工作电压足够大，在离子收集的过程中将出现气如果工作电压足够大，在离子收集的过程中将出现气体放大现象，即被加速的原电离电子在电离碰撞体放大现象，即被加速的原电离电子在电离碰撞中逐次倍增而形成电子雪崩。于是，电流以倍增中逐次倍增而形成电子雪崩。于是，电流以倍增系数系数A=2A=2n n被放大，探测器工作于正比区。被放大，探测器工作于正比区。电压一定，电压一定，A A一定，可达一定，可达10106 6. .eWEAQ)/ln()(abrVrESchool of Nuclear Sci

59、ence and Technology3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统反应堆堆芯外核检测仪表系统3.4.3 3.4.3 堆芯外核检测仪表的原理和结构堆芯外核检测仪表的原理和结构2)2) 涂硼正比计数管涂硼正比计数管每个源量程有一个涂硼正比计数管。它的灵敏度为每个源量程有一个涂硼正比计数管。它的灵敏度为8 8 C/C/（n.cmn.cm-2-2.s.s-1-1) )School of Nuclear Science and Technology3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统反应堆堆芯外核检测仪表系统3.4.3 3.4.3 堆芯外核检测仪表的原理和结构堆芯外核检测仪表的原理和结构3)3) 电

60、离室电离室结构：一个内部充有气体、两电极间（高压极和收集结构：一个内部充有气体、两电极间（高压极和收集极）加有高压形成电场的小室。由高压电极、收极）加有高压形成电场的小室。由高压电极、收集电极、惰性气体和电极之间的绝缘体等构成。集电极、惰性气体和电极之间的绝缘体等构成。School of Nuclear Science and Technology3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统反应堆堆芯外核检测仪表系统3.4.3 3.4.3 堆芯外核检测仪表的原理和结构堆芯外核检测仪表的原理和结构3)3) 电离室电离室原理：入射粒子或射线使气体电离产生正负离子对，原理：入射粒子或射线使气体电离产生正负离子