固體探測器和氣體探測器介紹與應用

1、固體探測器和氣體探測器介紹與應用主 要 內 容9.1 概述9.2 固體探測器9.3 氣體探測器123重要：反應堆的功率正比于單位時間的核裂變率，測量中子注量率可知反應堆功率。概念：中子注量率是指空間一定點上，單位時間內接受到的不論以任何方向進入以該點為中心的小球體的中子數(shù)目除以該球體的最大截面積所得的商，單位是 換句話說是，在單位時間內進入單位表面積的球內或穿過單位截面積的中子數(shù)。中子注量率也稱為中子通量。 9.1 概述 中子注量率測量的分類：堆內中子注量率測量：中子注量率大于定期監(jiān)測，提供堆芯功率分布信息，校準堆外核儀表。堆外中子注量率測量：中子注量率小于連續(xù)監(jiān)測，測得的信號用于核電廠的控制

2、和保護。核探測器：把正比于核功率的中子注量率信號轉變成電信號的敏感元件。分為固體探測器和氣體探測器兩類。固體探測器：利用輻射與固體的相互作用來進行輻 射測量的探測器。閃爍計數(shù)管：用于劑量監(jiān)測自給能探測器：測反應堆中子注量率。 秦山三期的堆內測量9.1 固體探測器在輻射場中，由于物質和輻射場的相互作用，任何物體都可能發(fā)射和吸收荷電粒子而帶電。物體帶電的情況與材料及其幾何結構有關，置于輻射場中的兩種相互絕緣的導體或半導體，由于帶電情況和程度不同，它們之間就產(chǎn)生了電勢差，用導線連接它們，則導線中就有電流流過，它的大小和變化反映出輻射場的特性和變化。自給能探測器的基本工作原理探測器處于輻射場中，發(fā)射體

3、和收集體在入射中子的作用下會發(fā)射和吸收荷電粒子而帶電，這樣在它們之間就產(chǎn)生了電勢差，用導線連接它們，導線中有電流流過，電流的大小和變化反映了輻射場的特性和變化。因為發(fā)射體的電流直接被測量，不需要對探測器外加偏壓，所以稱為“自給能”探測器。測量方式：1、測充電電極之間的電勢差劑量儀表2、測流過的電流通量測量9.2.2 結構發(fā)射體：中心電極，由中子靈敏材料制成，是探測器的核心部分，決定 探測器的物理特性。收集體：探測器的外殼。由對中子不靈敏的材料制成，厚毫米。絕緣體：收集體和發(fā)射體之間，用無機絕緣材料制成。厚毫米。電纜： 傳遞信號，一端與探測器連接，處于相同的強輻射場中。采用 金屬屏蔽無機絕緣金屬

4、芯線同軸電纜。外徑一般是1-3毫米，長度根據(jù)需要從幾厘米到幾米。9.2.3 種類9.2.3.1 內轉換自給能探測器（快響應自給能中子探測器、鉑自給能 中子探測器）結構：發(fā)射體：鉑、鈷、鈧、鎘等材料 絕緣體：氧化鎂 收集體：不銹鋼 外徑毫米 電纜：同軸電纜 外徑毫米原理：發(fā)射體原子核俘獲中子形成激發(fā)態(tài)的復合核，復合核在退激過程中輻射 射線， 射線與探測器通過康普頓散射、光電效應及產(chǎn)生電子對等相互作用，轉換為荷能電子，這些電子的發(fā)射，形成了正比于中子注量率的電流，測電流可知中子注量率。9.2.3.2 流自給能探測器 結構：發(fā)射體：釩、銠、銀 絕緣體：氧化鎂 收集體：不銹鋼 電纜： 同軸電纜 外徑毫

5、米原理：發(fā)射體材料俘獲中子后形成短壽命的 放射性同位素，活化了發(fā)射體在 衰變過程中發(fā)射高能電子流，平衡時，電極間的電子流形成正比于中子注量率的電流，測電流知中子注量率。、結構加速電壓電極（高壓電極）、收集電極、電極間充以氣體、探測器內壁涂層物質、絕緣體及支撐結構。9.3 氣體探測器、測量原理： 入射中子作用于探測器，與內涂層物質相互作用，產(chǎn)生帶電粒子，帶電粒子在運動中使所充氣體電離，產(chǎn)生正負離子，在外加電場作用下，該離子對向兩級運動，形成正比于入射中子的電信號輸出。常用的中子探測器是基于 反應。 輸出有脈沖信號，也有電流信號，通過電纜輸送到二次儀表顯示。正負離子對在外加電場的作用下做定向運動，

6、正極收集到的電子數(shù)目隨外加電壓的數(shù)值而變化。：復合區(qū)， 中有部分 因復合而消失。：飽和區(qū)，電離室工作區(qū)。 =: 正比區(qū)，正比計數(shù)管選擇的工作 區(qū)。 / =M常數(shù)。M不隨 變。：有限正比區(qū),M與 的大小有關 系， 比較大時M比較小， 與 的正比關系受限。：G-M區(qū)，是G-M計數(shù)管工作區(qū)， 定值，與 無關。 :電極收集到的離子對數(shù)目 :帶電粒子產(chǎn)生的總的離子對數(shù)目9.3.3 氣體探測器的輸出與外加電壓的關系9.3.4 坪特性探測器工作在飽和區(qū)時，探測器有一段坪區(qū).坪曲線：所測中子通量不變，探測器輸出隨外加電壓變化的曲線。坪：坪曲線上輸出不隨電壓變化的一段，長度稱坪長。斜率稱坪斜。 起始電壓，當電極

7、電壓V超過 時，探測器開始輸出。 后，隨V的增加，探測器輸出也迅速增加。當 時，隨著V的增加，輸出變化不大，此區(qū)間稱為坪區(qū)。坪長和坪斜的公式：好的探測器要有較寬的坪。100-300V，坪斜每100V不大于5%。探測器應工作在坪區(qū)，工作電壓應選在坪區(qū)內靠近 的范圍內。9.3.5 大亞灣核電站中子通量測量9.3.5.1 堆內中子通量測量一、功用 中子通量測量數(shù)據(jù)分兩組并行輸送給紙帶圖形記錄儀和集中數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)KIT存盤，存盤數(shù)據(jù)再由大容量計算機進行離線處理，輸往電站監(jiān)督計算機KAP，并由它處理和給出功率分布圖，以上信息用于啟堆期間和正常運行期間。1、啟堆期間的用途檢查壽期開始時堆芯功率分布是否與設

8、計時期望的功率分布相符。檢查用于事故工況設計的熱點因子是否是保守的。校準堆外測量儀表的電離室。探測反應堆在裝料中可能出現(xiàn)的差錯。2、正常運行時的用途檢查燃耗對應的功率分布是否與設計期望的功率分布相符。檢查各燃料組件的燃耗。校準堆外核儀表。探測堆芯有否偏離正常運行。 堆芯中子通量測量，由50個通道組成，被分為5組，每組10個通道，每十個通道配備一只微型裂變室，共5只微型裂變室，各由一臺機械-電氣驅動機構來驅動。二、堆內中子通量測量系統(tǒng)的組成測量通道內插入指套管，探測器在指套管中移動，達到在堆芯整個高度上逐點測量的目的。指套管：空心圓管。沿導向管插入測量通道，另一端在密封段處，換料時由測量通道抽出

9、。為探頭提高一個通路，并與一回路介質隔離。導向管：一端焊在壓力容器下封頭的套管上，另一端焊在手動隔離閥上。指套管和導向管的內壁為一回路壓力邊界。手動隔離閥：指套管抽出時它手動關閉，達到主冷卻劑密封的目的。 三、堆內中子通量測量系統(tǒng)的運行驅動機構將微型裂變室從起點沿置于導管內的指形套管，以速度 插向堆芯底部，然后以低速 使微型裂變室上升至堆芯頂部，再以 的低速均勻下降，與此同時，通道測量電路測出微型裂變室的輸出電流。當裂變室到達堆芯底部時，測量停止。這時驅動機構再以 的高速，將裂變室抽回起點。接著再將裂變室插入第二個通道測量，直至測量完該組的十個通道為止。裂變室輸出的信號送電站計算機分析處理，從

10、而獲得堆芯徑向和軸向的通量分布和功率分布。反應堆正常運行期間，間斷工作，至少每30個等效滿功率天啟用一次，設計上最多每周使用一次。在啟堆物理試驗期間，使用較頻繁。全部通道測量完畢，5個探測器均抽出，插入帶有生物屏蔽的保護孔道內。四、微型裂變室1、結構 由焊接端塞、同芯包殼、靈敏體組成。微型裂變室與導電-驅動兩用的同軸電纜連接。 外徑毫米。長66毫米，靈敏體長27毫米。它的外殼、外電極以及與之相連的電纜的材料為不銹鋼，絕緣材料為氧化鋁。 靈敏體內充有純度為99.9995%的氬氣，電極表面涂有一層厚度為 的二氧化鈾， 的豐度為93%2、測量原理熱中子射入微型裂變室靈敏體內，打在涂有二氧化鈾的電極上

11、，使 核發(fā)生裂變。中的帶正電的裂變碎片使氬氣電離，產(chǎn)生電子-離子對，電子和正離子在外加電磁場作用下向兩級漂移而形成脈沖，脈沖疊加起來則形成電流。微型裂變室的輸出平均電流為 微型裂變室對熱中子的靈敏度 測量區(qū)的熱中子通量 3、特點靈敏度高于電離室。當中子能量低時，輸出脈沖信號；當中子能量高時輸出脈動電流。適用于更高的 輻射場的中子探測。裂變碎片的射程很短，所以裂變材料涂層最厚不超過 ，為提高探測效率做成多層裂變室。裂變室測量中子通量一般用于由源量程向功率量程過渡范圍時的中子通量測量。9.3.5.2 堆外中子通量測量一、功用運行功能和安全功能運行功能：向操作員提供反應堆裝料、停堆、啟動直至功率運行

12、各工況下的反應堆狀態(tài)信息。為此，它設有多種量程的堆外核儀表，監(jiān)測反應堆功率、功率變化及功率分布。它還給長棒控制系統(tǒng)提供堆功率信號和閉鎖信號，向松動部件和振動監(jiān)測系統(tǒng)提供中子噪聲信號。安全功能：向反應堆保護系統(tǒng)提供多個緊急停堆信號和允許信號。二、測量系統(tǒng)的組成由探測器、測量儀表和顯示設備三部分組成。1、探測器：共8個探測器。2個源量程探測器，2個中間量程探測器，4個功率量程探測器安放：探測器裝于兩種容器內，容器置于反應堆壓力容器外的儀表井內。一個源量程和一個中間量程探測器同裝一個容器內，外徑160毫米，高1953毫米。功率量程探測器裝于外徑180毫米，高3200毫米的容器內。源量程探測器位于堆芯

13、下部四分之一線的高度，大約是源棒所在的高度，中間量程探測器位于堆芯中線的高度上。功率量程探測器共有6個敏感段，3個位于堆芯上部，3個位于堆芯下部。徑向看，源量程和中間量程探測器分為2對，分別位于90度和270度的方位上。4個功率量程探測器布置在4個象限上，保證可以探測到軸向和徑向功率不平衡情況。2、儀表柜：接受探測器的信號，放大處理后輸往顯示設備和其他相關系統(tǒng)。3、顯示設備：位于主控制室內和應急停堆盤上，操作員賴以進行反應堆的各項操作。三、堆外中子測量系統(tǒng)的原理1、儀表量程 核儀表系統(tǒng)測量中子通量最小 ，最大為 。為了覆蓋這11個數(shù)量級的測量范圍，采用了3種量程的探測器。源量程探測器：測 范圍

14、的中子通量。中間量程探測器：測 范圍的中子通量。功率量程探測器：測 范圍的中子通量。3種探測器的量程有一定的范圍重復，這是為了保證反應堆從源水平到功率水平的整個范圍內的控制和保護的連續(xù)性，讀數(shù)相互校核，信號相互連鎖。顯示儀表的量程源量程顯示儀表： （中子計數(shù)/秒）中間量程顯示儀表： （安培）功率量程顯示儀表： （滿功率的百分數(shù)）2、源量程探測器涂硼正比計數(shù)管結構：中心陽極是直徑25微米的不銹鋼絲，圓筒形陰極是由高純鋁制成。陰極內表面涂豐度為92%的硼，兩電極之間相互絕緣。計數(shù)管內充以氬氣和少量的二氧化碳。核反應產(chǎn)生的鋰離子和 離子使氬氣電離，產(chǎn)生電子和正離子對。在外電場的作用下，電子和正離子分

15、別向陽極和陰極運動，形成電脈沖。 射線也產(chǎn)生電脈沖，但其幅值較小，可用甄別放大器將它和反應堆內其他的 射線產(chǎn)生的小幅度脈沖濾除，只放大 脈沖，從而得到只與中子通量成比例的計數(shù)。原理：入射中子與硼發(fā)生核反應3、中間量程探測器 補償電離室 電離室所處的工作場所，都有較強的 場。所以在電離室的輸出信號中含有 產(chǎn)生的電流。這會影響測量中子注量率的精度和范圍。但在功率量程范圍內中子通量水平比 通量水平相比高許多倍，在電離室電流中，中子的貢獻比 射線大得多，所以沒必要補償。但當 的影響不能忽略時，就要考慮把 的影響補償?shù)?，為此常?補償電離室。結構：兩個電離室組成。外環(huán)電離室內壁涂硼，接正電壓，稱涂硼電離

16、室。內環(huán)電離室不涂硼，稱補償室，接負電壓。兩室充以相同的氣體：氮氣和10%的氦氣。三個電極：與高壓正極相連的是正高壓電極；與補償電壓的負極相連的是負高壓電極。兩個電離室之間的極板同各國負載電阻接地，稱為收集極。各電極之間是絕緣的。原理： 涂硼電離室對中子和 均敏感，在高壓的作用下產(chǎn)生中子電流 和 電流 ，其原理與源量程探測器相同，當中子通量較高時，脈沖較多無法計數(shù)，只能監(jiān)測電流。 補償室不涂硼，因此僅對 敏感，在補償電壓作用下只產(chǎn)生 電流 。流經(jīng)負載電阻上的電流 為涂硼電離室電流 + 與補償電離室電流 之差： 如果兩電離室對 的靈敏度相同，則 = ，輸出電流 = 這樣，測得的電流 僅與中子注量

17、率成正比，消除了 射線的影響。補償效果：1、理論上可完全補償，實際達到97%98%。2、要考慮 的感應度，以便在 影響不能忽略的范圍內，了解它的補償能力。4、功率量程探測器長電離室結構：內部電極涂硼（高壓電極內表面和收集電極外表面涂硼）內部充以混合氣體：1%氦氣+6%氮+93%氬氣圓筒式和平板式長中子電離室：與反應堆同樣長。二節(jié)、四節(jié)、六節(jié)原理中子與硼反應產(chǎn)生的粒子使電離室內部氣體電離，在外部電場的作用下有一個正比于中子注量率的電流流過電離室，該電流在負載電阻上就產(chǎn)生一個正比于功率水平的電壓降。 射線的電流可忽略不計，認為測量電阻上只流過中子電流。 內光電效應與相應的器件 半導體材料受到光照射

18、時，吸收入射光子能量，若光子能量大于或等于半導體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對，使載流子濃度增加，導電性增加，阻值降低的現(xiàn)象稱為內光電效應。 包括：光電導效應和光生伏特效應兩種 應用內光電效應制成的器件包括光敏電阻、光電池、光敏二極管和光敏三極管等。 光生伏特效應光導電材料絕緣襯低引線電極引線光敏電阻外觀RG符號光敏電阻 光敏電阻就是利用電阻阻值在光照下變化的原理做成的傳感器。 把光敏電阻連接到下圖電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小。RGRLEI光敏電阻特點： 光敏的靈敏度易受濕度的影響，因此要將導光電導體嚴密封裝在玻璃殼體中。暗電阻 無光照條件下的電阻亮電阻

19、一定光照條件下的電阻暗電流 暗電阻條件下的電流亮電流 亮電阻條件下的電流光電流=亮電流暗電流光電池和光敏晶體管工作情況類似：半導體材料在光照條件下會產(chǎn)生電動勢。 光敏二極管結構和一般二極管相似，光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，RL 光PNUO反向電阻大，幾乎截止光敏二極管的光電流 I 與照度之間呈線性關系光電轉速傳感器及應用 基本原理： 當轉軸轉動時，光線經(jīng)調制后投射至光電器件，轉換成相應的電脈沖信號，經(jīng)過整形、放大后變成標準脈沖信號， 計算出脈沖信號頻率后，就可以推算出轉速。 光電轉速傳感器是利用光電轉換原理測量轉速的非接觸式傳感器，有投射式和反射式兩種測量方式。光電數(shù)字式轉速表工

20、作原理圖3212 31特點：結構簡單，使用方便缺點：受環(huán)境光照情況影響外殼密封，采用紅外光線或者激光作為光源。光源和光敏器件 光電傳感器不僅可以測量轉速，還可以完成很多參數(shù)的測量，如：煙塵濁度監(jiān)測 當煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化平行光源光電探測放大顯示刻度校正報警器煙道4.3.2 磁敏轉速傳感器 在轉速測量中，也有利用磁敏傳感器作為檢測手段的轉速測量儀表，如汽車里程表的轉速測量等。磁敏傳感器是將電磁量轉換成電信號的傳感器，它主要用于檢測磁場。如利用電流磁效應的磁阻元件、霍爾元件等。 4.3.3 碼盤轉速測量 碼盤轉速測量就是利用碼盤窗口明暗信號的變化，將轉速轉換成序列計數(shù)脈沖的一種轉速測量方法。碼盤式轉速測量直接將轉速信號轉換成脈沖信號，按結構分為接觸式、光電式、和電磁式。按工作原理可分成碼盤式（絕對碼盤）和脈沖盤式（增量碼盤）。 絕對碼盤結構圖光電編碼器示意圖 絕對碼盤是把旋轉軸的旋轉角度采用二進制編碼輸出，它可以檢測絕對角度。 增量碼盤時隨旋轉角度