一种抗干扰涂硼正比计数管研制

蒋 波，武文超

（中国核动力研究设计院，成都 610213）

0 引言

涂硼正比计数管属于一种用于热中子探测的气体电离室，具有中子灵敏度高、工作电压较低、使用寿命长、稳定性好的特点，适用于在具有较高温度、强γ 辐射场的环境中进行中子探测[1,2]。涂硼正比计数管广泛应用于核电站、船用堆、快中子增殖反应堆、航空航天、以及边防放射性检测等领域。目前M310、华龙一号、EPR 等堆型核电站，中国实验快堆（CEFR）、钍基熔盐堆（TMSR）、高温气冷堆等四代试验堆堆外核测量系统的源量程探测器均采用涂硼正比计数管[3-5]。涂硼正比计数管作为堆外核测量系统源量程的中子探测器，用于堆芯装载、反应堆启动和停堆期间的中子监测，为主控室提供计数率和倍增时间。当中子注量率超过阈值时，向反应堆保护系统提供中子注量率高停堆信号，以限制了反应性增加事故所引发后果的严重性，对运行人员掌握堆内状态及反应堆安全稳定运行具有重要的作用。

堆外核测系统的探测器布置在压力容器外侧，通过测量中子注量率的大小及其变化来判断反应堆的功率水平及运行状态。据统计，中国商运机组堆外核测系统共发生10多起运行事件，严重影响机组的现场调试和商运，因堆外核测系统故障导致停堆以及调试工期延误折算成的经济损失已经远远超出堆外核测系统的合同价格[6,7]。涂硼正比计数管输出为mV 级微弱脉冲信号, 探测器到机柜间的信号电缆传输路径长，信号电缆附近常有高温、大功率设备，且整个信号传输路径中无信号放大环节，极易受到外部环境的干扰。在中国实验快堆、高通量工程堆临界装置、模式堆调试过程中，均出现由于干扰引起的噪声将探测器信号完全淹没的情形，导致源量程通道无法正常工作。因此，涂硼正比计数管对安装方式、安装现场的温度、湿度及电磁环境提出了较高的要求。

引起源量程通道测量异常的因素主要有电磁干扰、接地干扰、环境温度变化。当前抗干扰的处理方式主要有加金属管进行电磁屏蔽，探测器及电缆外侧缠绕玻璃丝带或热缩管等方式进行防接地干扰，探测器安装位置循环通风降低环境温度。因反应堆运行时间增长及意外情况发生，核电站运行过程中曾出现过以上抗干扰措施失效的情形，如玻璃丝带破裂、探测器浸水情况下入起接地干扰。当前涂硼正比计数管的使用环境温度不超过150℃，四代先进核能系统对涂硼正比计数管的使用环境提出了新的要求[8]。随着对核电站稳定运行以及四代先进核能系统的迫切需求，亟需开发一种可在更恶劣和具有挑战性的环境中使用的抗干扰涂硼正比计数管。

1 探测器工作原理及改进方向

涂硼正比计数管采用核反应法测量中子，其结构如图1 所示。涂硼正比计数管主要由外管、阳极丝、密封头、抽注气管、绝缘材料、灵敏层、矿物绝缘电缆等组成。由外管、密封头形成一个密封的腔体；外管的内壁上通过电泳、原子层沉积、电磁溅射、喷涂等方式将10B 材料附着在表面形成探测中子的灵敏层；阳极丝安装在腔体的中心，并通过绝缘子实现绝缘、密封；通过抽注气管将一定压力的工作气体注入腔体内。涂硼正比计数管工作时，阳极丝接入正高压，外管接地，阳极丝与外管间形成电场；中子与10B 发生核反应，产生带电的Li 离子和α 粒子，Li 离子和α 粒子穿过灵敏层后进入腔体中将工作气体电离形成带电粒子，带电粒子在电场作用下定向漂移，其中带负电子的电子在经过8 ～9 次的电离碰撞后到达阳极丝，在阳极丝附近通过电子雪崩而产生气体倍增，最后在阳极丝上输出脉冲信号，从而实现对中子的探测。

为提高正比计数管的倍增计数，降低工作电压，增大电场强度，探测器均采用较细的阳极丝[9]。阳极丝在腔体内为一种悬链线形式，当温度变化时导致阳极丝长度发生改变，中间部分由于重力作用而下垂，而阳极丝在腔体内非常小的位置变化会改变阳极和外管间隙，尤其是阳极丝与绝缘材料固定的端部将产生击穿脉冲，引起干扰。为此，需要阳极丝安装时初加一个预拉力克服热胀冷缩的影响，确保阳极丝垂度始终在允许范围内[8,10]。

图1 涂硼正比计数管结构示意图Fig.1 Boron-proportional counting tube structure diagram

涂硼正比计数管一般安装在探测器孔道或安装小车内，使用耐辐照的矿物绝缘电缆进行信号输出。根据核能行业规范，仪表控制系统应遵守单点接地的原则，当屏蔽电缆的屏蔽层也作为信号传输线时（如同轴电缆的屏蔽层），只有在末端才允许作为信号的公共零线单点接地[11]。矿物绝缘电缆的芯线及屏蔽层多采用不锈钢材料，其中芯线与探测器阳极丝连接，屏蔽层与探测器外管连接，芯线作为信号传输的“+”端，矿物绝缘电缆的屏蔽层为信号传输的“-”端，构成信号传输回路。为实现单点接地，当前核电站使用的中子探测器安装时，需在矿物绝缘电缆外表面缠绕玻璃丝胶带进行绝缘。由于安装过程中的磨损、长期运行的老化、意外情况下的浸水等因素将导致玻璃丝胶带破损，造成两点接地，地环路产生的感应电势差会在测量环路引入干扰[12]。反应堆现场有大量的泵、风机、动力电缆，探测器信号传输线路极易受到外界电磁干扰，导致不确定的监测结果和系统误报警[13]。为此，需要对探测器的结构及信号传输线路进行改进，提高正比计数管抗电磁干扰、接地干扰的能力。

2 探测器设计

2.1 探测器结构设计

本文设计的抗干扰涂硼正比计数管结构如图2 所示。探测器由灵敏段和密封段、三同轴矿物绝缘电缆等组成，灵敏段实现对中子的探测，密封段实现信号线引出及工作气体注入，三同轴矿物绝缘电缆实现高压引入及信号输出。探测器外壳、阴极管、阳极丝分别与矿物绝缘电缆外屏蔽层、内屏蔽层、芯线连接。探测器的外壳、阴极管均采用钛金属，阳极丝采用镀金钨丝，探测器整体采用焊接方式密封；探测器外壳与阴极管，阴极管与阳极丝之间均采用氧化铝陶瓷进行绝缘、固定；在阴极管的内表面涂覆有95%富集度的硼粉作为灵敏层，实现中子的探测器；阳极丝安装在阴极管的中心，一端与绝缘子连接，一端与弹簧组件连接，为防止使用过程中阳极丝因温度增大出现的下垂导致电场强度变化，通过弹簧组件来确保阳极丝保持足够的张力；阳极丝与绝缘子、绝缘子与阴极管上封头、三同轴矿物绝缘电缆与密封段上封头均采用钎焊方式固定；密封段外管上封头设计有排气管，实现抽真空及工作气体注入、密封。

图2 抗干扰涂硼正比计数管结构图Fig.2 Anti-jamubol ratio counting tube structure diagram

弹簧组件由陶瓷座、陶瓷垫片、弹簧、黄铜销针组成。陶瓷座、陶瓷垫片实现阳极丝与阴极管下封头固定、绝缘，黄铜销针用于阳极丝固定，弹簧为阳极丝提供合适的张力。阳极丝安装步骤如下：镀金钨丝穿过黄铜销针后，用压接工具将销针压接，使销针和阳极丝固定；黄铜销针上安装外径3mm，长度10mm 的10 圈弹簧，然后将其固定在陶瓷座内并加盖陶瓷垫片；弹簧组件在阴极管下封头内通过盖板锁紧；将探测器垂直放置，使绝缘子处于下侧，阳极丝穿过绝缘并上悬挂一定量的重物，赋予阳极丝所需的张力；将阳极丝与绝缘子钎焊连接。可根据镀金钨丝的破断拉力、极限工作温度条件下阳极丝轴向形变、极限工作温度条件下阴极管轴向形变、弹簧的弹性系数来确定阳极丝所施加的张力及弹簧压缩量。

为提高探测抗震动、抗冲击能力，减少振动对中子计数的影响，需在阴极管与外管之间设置减震措施。在阴极管的上、下陶瓷座均设置3 个防冲击组件，3 个防冲击组件以120°角均匀布置。该组件由弹簧和定位球组成，通过防冲击组件将阴极管固定在中心位置，探测器受到冲击时，降低径向冲击对中子测量的影响。在下陶瓷座与外管下底座之间设置有减震弹簧，安装时给与弹簧预压缩的初始力，减小探测器受到轴向震动、颠震的影响。

探测器的外壳与矿物绝缘电缆外屏蔽层焊接在一起形成屏蔽层，能有效防止现场电磁干扰的影响。探测器的阴极管与矿物绝缘电缆内屏蔽层、阳极丝、矿物绝缘电缆芯线构成了信号传输回路，信号传输回路与探测器外壳、矿物绝缘电缆外屏蔽层均通过氧化铝陶瓷绝缘，能有效确保探测器处于单点接地方式，有效避免多点接地引入地环流干扰。探测器的外壳与矿物绝缘电缆外屏蔽层采用焊接密封，具有高可靠性的防水、防潮能力。

2.2 探测器其他参数设计

涂硼正比计数管中阴极管内表面灵敏层的厚度，直接影响探测器对中子的探测效率和中子灵敏度。若灵敏层太薄，部分中子未与10B 反应而不能被探测，将大大降低探测的探测效率；若灵敏层太厚，大量中子与10B 反应生成的Li离子和α 粒子在灵敏层内损耗而不能进入工作气体中，也将降低探测器的中子灵敏度，所以存在一个最佳灵敏层厚度使探测器中子灵敏度最大[14]。通过SRIM 软件计算Li 离子和α 粒子在灵敏层内的射程，推导出探测效率随灵敏层厚度的变化关系曲线。当灵敏层厚度为3μm，即灵敏层的质量厚度约为0.7mg/cm2时，探测器的探测效率最高。涂硼工艺主要影响灵敏层的均匀性及探测器产品质量的一致性，探测器产品的灵敏层制作工艺主要有阳极电泳涂硼、微量喷涂。采用专用装置进行微量喷涂可提高探测器灵敏层的均匀性，制作的探测器中子灵敏层厚度一致性优于阳极电泳涂硼方式。对阴极管喷砂、酸洗处理后，可增强灵敏层的附着力，进一步提高灵敏层均匀度。

涂硼正比计数管的电场分布、倍增系数、最小工作电压与阳极丝直径、阴极管内径、工作气体压力相关。通过理论分析和Diethorn 公式进行相关参数计算，推导涂硼正比计数管阳极丝附近约化电场分布、最小工作电压随阳极丝直径变化曲线、最小工作电压随阴极管内径变化曲线、不同工作气压力下倍增因子与阳极丝直径变化曲线[15]。最小工作电压随阳极丝直径和阴极管内径增大而增大，但随阴极管内径变化较缓慢；阳极丝直径减小可增大其附近电场；降低工作气体压力可增大气体分子的自由程，增加次级电子产生数目而增大倍增因子。因此，通过选取较细的阳极丝、降低工作气体压力可降低探测器的工作电压，优化其放大性能。综合考虑，选取25μm 的镀金钨丝作为阳极丝，探测器内部充满26kPa 工作气体（95%Ar+5%CO2）。

3 性能测试

测试涂硼正比计数管的信号地与屏蔽管之间的绝缘电阻，绝缘电阻大于1GΩ，满足使用要求。将探测器置于电磁阀附近，电磁阀动作时，未观测到干扰脉冲。对涂硼正比计数管进行热循环测试，在热循环前后对涂硼正比计数管的绝缘电阻和坪特性进行测试。将探测器处于高温环境下，并在附近放置一个慢化中子源，观测探测器输出信号，测试期间未发现击穿脉冲。探测器工作电压小于1000V，坪长大于100V。

4 结论

通过改进涂硼正比计数管结构、阳极丝安装方式，提高了涂硼正比计数管抗电磁干扰、接地干扰、振动、冲击、环境温度变化的能力，可用于核电站堆外核测量系统源量程中子注量率测量，四代堆型在高温场合下中子注量率监测，边防放射性检测等领域。