[发明专利]一种自给能中子探测器结构的优化设计方法

说明书

一种自给能中子探测器的优化设计方法，步骤如下：1、选取自给能中子探测器几何体的形状及参数；2、在程序中建立基本几何特征层；3、给基本几何特征层赋予材料；4、定义初始入射的中子的能量、位置以及入射方向；5、添加所需的物理过程；6、模拟中子入射后与材料的物理作用过程，并记录发射体或绝缘体漂移至收集体的次级电子的数目和到达时间，然后分类输出；7、计算自给能中子探测器的中子灵敏度以及瞬态电流所占的比例；8、保存数据点并判断是否返回步骤2；9、得到探测器性能随探测器参数的变化曲线；10、最终根据所需确定探测器的结构及尺寸，提高探测器性能；本方法可针对任何反应堆堆型中的中子能谱进行专门的优化设计。

技术领域

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。

发明内容

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。