第八章反应堆核测量与辐射监测

1、核工程检测技术2022-5-14核工程检测技术2第八章 反应堆核测量 与辐射监测2022-5-14核工程检测技术3 反应堆运行监测包括功率反应堆运行监测包括功率( (中于通量中于通量) )监侧、辐射监监侧、辐射监测和热工参数监测三部分。测和热工参数监测三部分。功率监测系统功率监测系统的主要职能是监测反应堆从释热到发电的的主要职能是监测反应堆从释热到发电的整个过程，并为功率调节系统和保护系统输送信号，以整个过程，并为功率调节系统和保护系统输送信号，以确保反应堆的安全运行；确保反应堆的安全运行；辐射监测的任务辐射监测的任务是测量核辐射所造成的剂量和排放物的是测量核辐射所造成的剂量和排放物的放射性水

2、平，防止工作人员遭受放射性水平，防止工作人员遭受射线的外照射以及由射线的外照射以及由放射性气体或气溶胶引起的内照射所带来的危害，根据放射性气体或气溶胶引起的内照射所带来的危害，根据辐射监测系统的指示也可以判断反应堆运行的安全性。辐射监测系统的指示也可以判断反应堆运行的安全性。2022-5-14核工程检测技术4第一节 核仪表的工作原理一、概述一、概述 在核电站中有各种核辐射测量任务，一个核辐射检在核电站中有各种核辐射测量任务，一个核辐射检测装置通常由测装置通常由核辐射探测器核辐射探测器、探测器输出信号探测器输出信号的处理仪的处理仪器和其它一些器和其它一些附属设备附属设备组成组成, ,核辐射探测器

3、是完成测量核辐射探测器是完成测量任务的关键部件。任务的关键部件。 核辐射探测器的核辐射探测器的主要作用主要作用是使进入探测器灵敏区是使进入探测器灵敏区域的核辐射转变为信号处理设备能够接收的信号，例域的核辐射转变为信号处理设备能够接收的信号，例如电信号、光信号、声信号、热信号等。如电信号、光信号、声信号、热信号等。2022-5-14核工程检测技术5 使用最多的三类探测器：使用最多的三类探测器：气体探测器气体探测器、半导体探测半导体探测器器和和闪烁探测器闪烁探测器。这三类探测器都是。这三类探测器都是把核辐射转变成电把核辐射转变成电信号，再由电信号处理设备进行分析和处理信号，再由电信号处理设备进行分

4、析和处理。在学习这三类探测器时需要了解和掌握的三个主要方面：在学习这三类探测器时需要了解和掌握的三个主要方面：u探测器把核辐射转变为电信号的物理过程；探测器把核辐射转变为电信号的物理过程；u探测器的输出回路及其与探测器输出电信号的关系；探测器的输出回路及其与探测器输出电信号的关系；u探侧器的主要技术指标及其用途。探侧器的主要技术指标及其用途。2022-5-14核工程检测技术6 探侧器把核辐射转变为电信号的物理过程在很大程度探侧器把核辐射转变为电信号的物理过程在很大程度上决定了探测器的主要技术性能和作用。上决定了探测器的主要技术性能和作用。第一个阶段第一个阶段：入射的粒子，如果不是带电的，如：入

5、射的粒子，如果不是带电的，如光子和中光子和中子，则通过与探测器物质的相互作用，转变或产生出带电子，则通过与探测器物质的相互作用，转变或产生出带电粒了，这些带电粒子在探测器内的一个特定区域使原子或粒了，这些带电粒子在探测器内的一个特定区域使原子或分子电离和激发；分子电离和激发；第二个阶段第二个阶段：初电离或激发的原子，在探测器的外加电场：初电离或激发的原子，在探测器的外加电场中作定向移动，因而在探测器外部负载电路中给出一个电中作定向移动，因而在探测器外部负载电路中给出一个电流信号，称为探测器的本征电流信号。流信号，称为探测器的本征电流信号。2022-5-14核工程检测技术7二、气体探测器二、气体

6、探测器 这里主要是指这里主要是指电离室电离室、正比计数器正比计数器和和GM计计数器数器等。因为这三种探测器将核辐射转变成为电信等。因为这三种探测器将核辐射转变成为电信号的物理过程都是在探测器内充特定气体的特定体号的物理过程都是在探测器内充特定气体的特定体积中进行的，所以它们统称为气体探测器。气体探积中进行的，所以它们统称为气体探测器。气体探测器的结构示意图如右上所示。测器的结构示意图如右上所示。2022-5-14核工程检测技术8( (一一) )气体电离宝气体电离宝电离室的工作原理可简要地概括为：电离室的工作原理可简要地概括为： 当核辐射通过一个中间充有空气，两极加上电压的容当核辐射通过一个中间

7、充有空气，两极加上电压的容器时，容器内空气就产生电离器时，容器内空气就产生电离。若容器两极间所加的电压。若容器两极间所加的电压足够高的话，而且正负离子的复合和损失可以忽略不计，足够高的话，而且正负离子的复合和损失可以忽略不计，即所有形成的离子几乎全部被收集，这时测量电路中的电即所有形成的离子几乎全部被收集，这时测量电路中的电流达到饱和。流达到饱和。电离室就是利用核辐射对物质的电离作用，电离室就是利用核辐射对物质的电离作用，使其工作特性处于饱和电流区间的检测装置。使其工作特性处于饱和电流区间的检测装置。 用电离室作辐射探测器，则可以用核辐射剂量单位直接用电离室作辐射探测器，则可以用核辐射剂量单位

8、直接进行刻度，并且可以测量强辐射场，但要求具有高的绝缘性进行刻度，并且可以测量强辐射场，但要求具有高的绝缘性能、这是由于它受温度和湿度的影响大，容易产生露电。能、这是由于它受温度和湿度的影响大，容易产生露电。2022-5-14核工程检测技术9( (二二) )正比计数管正比计数管正比计数器有以下几个特点正比计数器有以下几个特点(1)(1)正比计数器的脉冲高度比电离室增大正比计数器的脉冲高度比电离室增大A A倍，因此降低了对倍，因此降低了对 放大器的要求。放大器的要求。(2)(2)由于在一定的工作电压下由于在一定的工作电压下A A是常数，所以正比计数器输出是常数，所以正比计数器输出 脉冲幅度正比于

9、入射粒子能量，因此，它和脉冲电离室脉冲幅度正比于入射粒子能量，因此，它和脉冲电离室 一样，具有较高的灵敏度。正比计数器原则只要有一对一样，具有较高的灵敏度。正比计数器原则只要有一对 离子就可能分辨出来，因此适于探测低能或比电离低离子就可能分辨出来，因此适于探测低能或比电离低 的粒子。的粒子。(3)(3)由于由于A A随工作电压而变化，因此，工作中对电源电压的稳随工作电压而变化，因此，工作中对电源电压的稳 定性要求很高，一般不稳定性定性要求很高，一般不稳定性0.10.1。即能测重粒子的能量，又能测其强度，主要用途是用来测即能测重粒子的能量，又能测其强度，主要用途是用来测射线。射线。2022-5-

10、14核工程检测技术10( (三三) )盖革弥勒计数管盖革弥勒计数管 盖革弥勒计数管盖革弥勒计数管( (简写简写G GM M计数管计数管) )的结构简单，的结构简单，使用方便。灵敏度很高，而价格便宜，能满足测量的多使用方便。灵敏度很高，而价格便宜，能满足测量的多方面要求，是目前应用得相当普遍的一种探侧工具。方面要求，是目前应用得相当普遍的一种探侧工具。GM计数管结构计数管结构2022-5-14核工程检测技术11计数器脉冲计数与外加电压的关系计数器脉冲计数与外加电压的关系复合区复合区：电极收集到离子对数：电极收集到离子对数目目N低于由带电粒子产生的总的低于由带电粒子产生的总的离子对数目离子对数目N

11、0。N0中有部分因为中有部分因为复合而消失。复合而消失。饱和区饱和区：这是电离室的工作区域，电极收集到的离子对数：这是电离室的工作区域，电极收集到的离子对数目目N正好等于带电粒子产生的总的离子对数目正好等于带电粒子产生的总的离子对数目N0，即电极收，即电极收集到的离子对数目达到饱和。集到的离子对数目达到饱和。2022-5-14核工程检测技术12计数器脉冲计数与外加电压的关系计数器脉冲计数与外加电压的关系正比区正比区：这是正比计数管通常选择的工作区域，其特：这是正比计数管通常选择的工作区域，其特点是点是N与与N0的比值是个常数，的比值是个常数，MN/N0，M完全由探测器完全由探测器的结构与外加直

12、流电压的数值所决定，称为气体的放大的结构与外加直流电压的数值所决定，称为气体的放大倍数。倍数。M不随不随N0而变化，即而变化，即N总是总是N0成正比。成正比。2022-5-14核工程检测技术13计数器脉冲计数与外加电压的关系计数器脉冲计数与外加电压的关系有限正比区有限正比区：其特点是：其特点是M的数的数值与值与N0大小有关。大小有关。N0比较大时比较大时M就比较小，即就比较小，即N与与N0的正比关系的正比关系受到限制。受到限制。GM区区：是：是GM计数管的工作区域，其特点是计数管的工作区域，其特点是M保保持定值，仅由计数管的结构与外电压的数值决定，与持定值，仅由计数管的结构与外电压的数值决定，

13、与N0无关。无关。2022-5-14核工程检测技术141. 1. GM计数管的特点计数管的特点(1)(1)无法甄别射线的种类，若测无法甄别射线的种类，若测和和混合场时则采用混合场时则采用 吸收层甄别掉吸收层甄别掉射线，以达到测量射线，以达到测量射线的目的；射线的目的；(2)(2)不宜于测量强不宜于测量强辐射场，因为存在约辐射场，因为存在约10104 4秒的秒的“失失 效时间效时间”，在测量强，在测量强辐射时会有漏计数；辐射时会有漏计数；(3)(3)适用于低辐射场的测量，因为它具有较高的测量灵适用于低辐射场的测量，因为它具有较高的测量灵 敏度；敏度；(4)(4)不需放大器，这就降低了计数设备的价

14、格，因为气不需放大器，这就降低了计数设备的价格，因为气 体放大倍数很大；体放大倍数很大；(5)(5)只能用作粒子强度的测量，不能用于入射粒子能量只能用作粒子强度的测量，不能用于入射粒子能量 的测量。的测量。2022-5-14核工程检测技术152. 2. GM计数管的特性计数管的特性GM计数管的坪曲线计数管的坪曲线(1)(1)坪特性坪特性 在放射源强度不变的情况下，在放射源强度不变的情况下，计数率随外加电压计数率随外加电压v变化的曲线称为变化的曲线称为坪曲线坪曲线，此曲线上计数率基本上不，此曲线上计数率基本上不随随v而改变的一段直线称作计数管的而改变的一段直线称作计数管的“坪坪”，其长度叫，其长

15、度叫“坪长坪长”，其斜，其斜率称为率称为“坪斜坪斜”，一个很好的计数，一个很好的计数管必须具有很宽的坪。一般为（管必须具有很宽的坪。一般为（100100300300）V，坪斜不大于每，坪斜不大于每100V5 。2022-5-14核工程检测技术16GM计数管的坪曲线计数管的坪曲线Vs称为起始电压，称为起始电压，VDVG称称为为“坪区坪区”，即坪长，即坪长，V0称为称为实际工作电压。即有实际工作电压。即有%()DGGDGNNNVV坪斜式中：式中：ND和和NG为对应于电压为对应于电压VD和和VG的计数率。的计数率。2022-5-14核工程检测技术17(2)(2)死时间死时间 死时间死时间又称为失效时

16、间，是又称为失效时间，是GM计数管不能对入射计数管不能对入射粒子计数的时间，一般约在粒子计数的时间，一般约在(100(100300)300)s s间。间。 之所以有死时间，是因为计数管在之所以有死时间，是因为计数管在“雪崩电离雪崩电离”之后，之后，正离子鞘屏蔽了电场，造成一定时间内计数的失效。正离子鞘屏蔽了电场，造成一定时间内计数的失效。 用用表示死时间，对于辐射的绝对测量，可以按下列式表示死时间，对于辐射的绝对测量，可以按下列式于对死时间的影响进行校正：于对死时间的影响进行校正：式中：式中：N0为真正计数率；为真正计数率；N为实测计数率。为实测计数率。0NN1N2022-5-14核工程检测技

17、术18(3)(3)探测效率探测效率 探测效率为一个粒子通过计数管的灵敏体积而能探测效率为一个粒子通过计数管的灵敏体积而能引起输出脉冲的几率。引起输出脉冲的几率。 GM计数管应用相当广泛，可作计数管应用相当广泛，可作、射线强射线强度的相对测量以及度的相对测量以及源放射性的绝对测量，可用于固定源放射性的绝对测量，可用于固定式也可用于便携式仪器上。式也可用于便携式仪器上。2022-5-14核工程检测技术19三、固体探测器三、固体探测器 利用辐射与固体的相互作用来进行辐射测量的探测利用辐射与固体的相互作用来进行辐射测量的探测器，称为固体探测器。器，称为固体探测器。( (一一) )闪烁计数器闪烁计数器

18、所谓闪烁计数器就是根据射线照射在某些闪烁体上所谓闪烁计数器就是根据射线照射在某些闪烁体上能使它发出闪光的原理进行测量的一种探测器。能使它发出闪光的原理进行测量的一种探测器。闪烁计数器是由闪烁计数器是由闪烁体闪烁体、光电倍增管光电倍增管和和电子线路电子线路所组成。所组成。2022-5-14核工程检测技术20闪烁计数器的工作原理闪烁计数器的工作原理闪烁计数器工作原理示意图闪烁计数器工作原理示意图 当射线照在闪烁体上后发出荧光，利用光导和反光材当射线照在闪烁体上后发出荧光，利用光导和反光材料，使大部分荧光光子收集到光电倍增管的光阴极上。光料，使大部分荧光光子收集到光电倍增管的光阴极上。光子在对光灵敏

19、的阴极上打出光电子，这些光电子经过光电子在对光灵敏的阴极上打出光电子，这些光电子经过光电倍增管倍增、放大，倍增后的电子在阳极上产生电压脉冲，倍增管倍增、放大，倍增后的电子在阳极上产生电压脉冲，此脉冲被电子线路放大和分析后记录下来，这样就可以对此脉冲被电子线路放大和分析后记录下来，这样就可以对粒子进行探测了。粒子进行探测了。2022-5-14核工程检测技术21闪烁体闪烁体 闪烁体的发光是由于带电粒子通过闪烁体时，它的内闪烁体的发光是由于带电粒子通过闪烁体时，它的内部原子或分子被激发处于高能级，而再随即恢复到低能级部原子或分子被激发处于高能级，而再随即恢复到低能级( (基态基态) )时就辐射出光子

20、；对时就辐射出光子；对射线来说，是由于射线来说，是由于光子在光子在闪烁体内产生次级电子，这些次级电子能使闪烁体内的分闪烁体内产生次级电子，这些次级电子能使闪烁体内的分子或原子激发而产生闪光。子或原子激发而产生闪光。 闪光的持续时间一般为闪光的持续时间一般为10106 6秒的数量级或更短。秒的数量级或更短。2022-5-14核工程检测技术22一般可分为一般可分为无机无机和和有机有机两大类。两大类。无机晶体无机晶体有有单晶体单晶体( (Tl激活的激活的NaI和和Tl激活的激活的CsI) )和和粉末粉末晶体晶体( (Ag激活的激活的ZnS) )。有机闪烁体有机闪烁体又可分为又可分为有机晶体有机晶体、

21、有机溶液有机溶液和和塑料闪烁体塑料闪烁体等。晶态闪烁体多数是由一些超纯物质加上微量的掺杂等。晶态闪烁体多数是由一些超纯物质加上微量的掺杂物质在高温下结晶而成。物质在高温下结晶而成。闪烁体的分类闪烁体的分类2022-5-14核工程检测技术23光电倍增管光电倍增管 光电倍增管是闪烁计数器中最重要的部件之一，它光电倍增管是闪烁计数器中最重要的部件之一，它的作用是把闪烁体的光信号转换成电信号，并且充当一的作用是把闪烁体的光信号转换成电信号，并且充当一个放大倍数大于个放大倍数大于10105 5的放大器。的放大器。 光电倍增管是一个光阴级和多个倍增电极光电倍增管是一个光阴级和多个倍增电极( (又称又称打拿

22、极打拿极) )以及一个阳极组成。以及一个阳极组成。2022-5-14核工程检测技术24 光电倍增管的工作电压光电倍增管的工作电压( (高压高压v)v)在实际应用中也要注在实际应用中也要注意选择。按与电极的接法有：意选择。按与电极的接法有：正高电极正高电极和和负高电极负高电极接法。接法。正高压的优点正高压的优点是可以减少光电倍增管的噪声，这是因为阴是可以减少光电倍增管的噪声，这是因为阴极与外套极与外套( (接地接地) )之间是等电位的，没有微弱放电产生的噪之间是等电位的，没有微弱放电产生的噪声，其声，其缺点缺点是输出端隔直电容要耐高压、又要接头绝缘可是输出端隔直电容要耐高压、又要接头绝缘可靠，以

23、免发生危险。靠，以免发生危险。负高压负高压：其接法是阳极接地，阴极加负高压，这样就避免了：其接法是阳极接地，阴极加负高压，这样就避免了正高压接法的缺点。但却增大光电倍增管的噪声，故在噪声正高压接法的缺点。但却增大光电倍增管的噪声，故在噪声的要求不高的情况下可以使用。的要求不高的情况下可以使用。2022-5-14核工程检测技术25(1)(1)光电倍增管的主要指标及影响因素光电倍增管的主要指标及影响因素总灵敏度总灵敏度 它出管子的倍增系数和光阴极发射光电它出管子的倍增系数和光阴极发射光电子的灵敏度决定，用安子的灵敏度决定，用安/ /流明（光通量单位）。流明（光通量单位）。总灵敏总灵敏度随外加电压而

24、增加。度随外加电压而增加。暗电流暗电流 它由下述几个原因而产生它由下述几个原因而产生a. a. 各电极，特别是光阴极和前几个打拿极的热电子发射；各电极，特别是光阴极和前几个打拿极的热电子发射；b. b. 电极间绝缘材料，管座和管子漏电电流；电极间绝缘材料，管座和管子漏电电流；c. c. 强电场下才引起的冷电子发射强电场下才引起的冷电子发射( (场致发射场致发射) )；d. d. 管子内剩余气体被讯号电离，可能发生光反馈或正离子管子内剩余气体被讯号电离，可能发生光反馈或正离子 反馈，它随工作电压的增加而增加。反馈，它随工作电压的增加而增加。暗电流对低能射线的测量影响较大，必须设法尽量减少，工作时

25、仔细暗电流对低能射线的测量影响较大，必须设法尽量减少，工作时仔细挑选暗电流小的管子，采取冷却、清洁等措施，以满足工作要求。挑选暗电流小的管子，采取冷却、清洁等措施，以满足工作要求。2022-5-14核工程检测技术26光阴极光阴极 光阴极接受光子而放出光电子，是光电倍增管最光阴极接受光子而放出光电子，是光电倍增管最主要的部分，主要的部分，直接影响光电倍增管的灵敏度及分辨率。直接影响光电倍增管的灵敏度及分辨率。光阴光阴极的好坏主要是由阴极材料及窗材料所决定，一般应选用灵极的好坏主要是由阴极材料及窗材料所决定，一般应选用灵敏度高敏度高( (即光电转换效率高即光电转换效率高) )、灵敏层均匀、与所用荧

26、光体具、灵敏层均匀、与所用荧光体具有合适的光谱响应的管子。有合适的光谱响应的管子。分辨时间分辨时间 通常在通常在10109 9秒数量级。一般要求选用总灵敏度秒数量级。一般要求选用总灵敏度高，暗电流及本底脉冲低，分辨时间短，光谱响应好，性能高，暗电流及本底脉冲低，分辨时间短，光谱响应好，性能稳定，能长期工作的光电倍增管。强放射性测量时，还应考稳定，能长期工作的光电倍增管。强放射性测量时，还应考虑光负载能力大等性能。虑光负载能力大等性能。2022-5-14核工程检测技术27(2)(2)光电倍增管使用时必须注意以下几点光电倍增管使用时必须注意以下几点在探头的暗盒透光的情况下在探头的暗盒透光的情况下(

27、 (即使透光很少即使透光很少) )，决不，决不 能加高压；能加高压；为了减少噪音，在正式开始上作前几小时先加上电为了减少噪音，在正式开始上作前几小时先加上电 压，使光电倍增管达到稳定工作状态；压，使光电倍增管达到稳定工作状态；如输出脉冲很大，在采取降低高压、选取用级数合如输出脉冲很大，在采取降低高压、选取用级数合 适的管子等措施后脉冲仍很大则可以把后几个极联适的管子等措施后脉冲仍很大则可以把后几个极联 在一起。如要得到正脉冲，可把最后第二个打拿极在一起。如要得到正脉冲，可把最后第二个打拿极 作为输出端；作为输出端；2022-5-14核工程检测技术28分压电阻采用高稳定电阻，并且最好直接焊接在管

28、座分压电阻采用高稳定电阻，并且最好直接焊接在管座 上。关键在于管座的材料必须是良好的绝缘体。上。关键在于管座的材料必须是良好的绝缘体。 对于聚焦式光电倍增管，各极间电压有确定的关系，因对于聚焦式光电倍增管，各极间电压有确定的关系，因此要严格调整各极间的电压比，以达到最好的聚焦条件，此要严格调整各极间的电压比，以达到最好的聚焦条件，尤其是调节前三个打拿极的电压比最为重要；尤其是调节前三个打拿极的电压比最为重要； 磁场对光电倍增管的工作有很大的影响，当光电倍增管磁场对光电倍增管的工作有很大的影响，当光电倍增管改变取向时，地磁场也可能影响它的正常工作（主要是环改变取向时，地磁场也可能影响它的正常工作

29、（主要是环状聚焦型），因此在磁场附近以及作精确测量时，必须采状聚焦型），因此在磁场附近以及作精确测量时，必须采用磁屏蔽措施。用磁屏蔽措施。2022-5-14核工程检测技术29闪烁计数器的应用闪烁计数器的应用(2)(2)射线探测射线探测 用用NaI(Tl)可做成不同大小的各种形可做成不同大小的各种形 状，探测效率有的高达状，探测效率有的高达50506060，设法降低本底，设法降低本底 以后，可以进行很弱以后，可以进行很弱放射性的测量。放射性的测量。(1)(1)粒子的探测粒子的探测 最有效的闪烁体是最有效的闪烁体是ZnS(Ag)，它对，它对 粒子发光效率高，探测效率几乎达粒子发光效率高，探测效率几

30、乎达100100所以所以 当当、同时存在时，同时存在时，脉冲易与脉冲易与区别。区别。2022-5-14核工程检测技术30(3)(3)粒子的探侧粒子的探侧 最常用的是有机闪烁体，可做成任意最常用的是有机闪烁体，可做成任意 大小的晶体、液体、固溶体。大小的晶体、液体、固溶体。塑料闪烁体，具有较塑料闪烁体，具有较 短的死时间、较长的寿命和较好的稳定性。测量低能短的死时间、较长的寿命和较好的稳定性。测量低能 粒子，如在测量氚、碳粒子，如在测量氚、碳1414时，测量用液体闪烁计时，测量用液体闪烁计 数器十分有效，它具有数器十分有效，它具有高灵敏度、高效率、避免窗高灵敏度、高效率、避免窗和和 源的自吸收、

31、使用方便源的自吸收、使用方便和和测量迅速测量迅速等等优点优点，能适用多，能适用多 种形式的环境和生物样品的测量。种形式的环境和生物样品的测量。2022-5-14核工程检测技术31( (二二) )半导体探测器半导体探测器（1）工作原理）工作原理 用半导体材料制成的将射线能量转换成电信号的探测器，用半导体材料制成的将射线能量转换成电信号的探测器，它是近些年来发展起来的一种新型核辐射探测器，又称半导它是近些年来发展起来的一种新型核辐射探测器，又称半导体计数器。体计数器。 实质上是一个半导体材料高掺杂的较大体积的晶体二极实质上是一个半导体材料高掺杂的较大体积的晶体二极管。入射粒子进入半导体探测器后，产

32、生空穴管。入射粒子进入半导体探测器后，产生空穴- -电子对电子对 ，这，这些空穴些空穴- -电子对被探测器两电极的电场分开，并分别被阴极电子对被探测器两电极的电场分开，并分别被阴极和阳极收集，产生同射线粒子交出的能量成正比的输出脉冲和阳极收集，产生同射线粒子交出的能量成正比的输出脉冲信号，从而可探测射线的强度。信号，从而可探测射线的强度。 2022-5-14核工程检测技术32（2）半导体探测器的种类半导体探测器的种类A 扩散结构扩散结构 P型硅的一侧表面上扩散入一薄层型硅的一侧表面上扩散入一薄层价的磷使之成为价的磷使之成为N型硅，从而构成型硅，从而构成PN结。这种结。这种PN结半导体中，结半导

33、体中，N型型硅一般做得很薄只约硅一般做得很薄只约(0.1(0.11)1)m。2022-5-14核工程检测技术33B 面垒型面垒型 在一片在一片N型硅表面蒸上薄薄的一层金而制成。金属型硅表面蒸上薄薄的一层金而制成。金属薄约几百个原子层。这一金属半导体界面有整流特性，薄约几百个原子层。这一金属半导体界面有整流特性，也形成耗尽层。工作时以涂金层作为阴极、以也形成耗尽层。工作时以涂金层作为阴极、以N型硅作型硅作为阳极。为阳极。 是利用金和半导体之间接触电势差，在半导体中形是利用金和半导体之间接触电势差，在半导体中形成没有自由载流子的耗尽层，即是探测器的灵敏区。成没有自由载流子的耗尽层，即是探测器的灵敏

34、区。 2022-5-14核工程检测技术34C 锂漂移型锂漂移型 为了探测穿透能力较强的为了探测穿透能力较强的射线，要求探测器有更大射线，要求探测器有更大的灵敏区。这种效果通常是使锂漂移进入的灵敏区。这种效果通常是使锂漂移进入P P型半导体材料型半导体材料, ,进行补偿而获得。由于锗比硅对进行补偿而获得。由于锗比硅对射线有更高的探测效率，射线有更高的探测效率，故一般采用锗（锂）漂移探测器。这种探测器的灵敏体积故一般采用锗（锂）漂移探测器。这种探测器的灵敏体积可大于可大于200200厘米厘米3 3。但是。但是, ,由于其死层较厚，故在探测较低由于其死层较厚，故在探测较低能量的能量的X X射线时射线

35、时, ,往往采用硅（锂）漂移探测器。锂漂移型往往采用硅（锂）漂移探测器。锂漂移型探测器的另一个特点，是当它被用来探测探测器的另一个特点，是当它被用来探测X X及及射线时必射线时必须保持在低温须保持在低温(77K)(77K)和真空中工作。和真空中工作。 2022-5-14核工程检测技术35（3）半导体探测器的性能优缺点半导体探测器的性能优缺点能量分辨本领高能量分辨本领高在硅中形成一个电子空穴对需要在硅中形成一个电子空穴对需要3.5eV3.5eV的能量，在锗中的能量，在锗中需要需要2.94eV2.94eV，在气体电离室中需要，在气体电离室中需要30eV30eV左右，闪烁计数器左右，闪烁计数器则要则

36、要(100(100500)eV500)eV，这意味着能量为，这意味着能量为5MeV5MeV的的粒子能在硅粒子能在硅中形成中形成1.43xl01.43xl06 6电子空穴对，统计涨落按泊松分布估计时电子空穴对，统计涨落按泊松分布估计时是是1.2x101.2x103 3电子空穴对，半峰值宽度电子空穴对，半峰值宽度(FWHM)(FWHM)为为10keV10keV左右，而气体探测器的半峰值宽度是左右，而气体探测器的半峰值宽度是29keV29keV，闪烁计数器，闪烁计数器约为约为90keV90keV。所以，高分辨本领是半导体探测器的固有性。所以，高分辨本领是半导体探测器的固有性质，是由于它所需要的电离能

37、量小决定的。除此之外，这质，是由于它所需要的电离能量小决定的。除此之外，这种器件的分辨率还与入射窗效应、外加偏压大小及环境温种器件的分辨率还与入射窗效应、外加偏压大小及环境温度有关。度有关。2022-5-14核工程检测技术36 在半导体探测器中，射线的能量损失与生成的电在半导体探测器中，射线的能量损失与生成的电子空穴对的数目间的线性关系好即输出脉冲幅度子空穴对的数目间的线性关系好即输出脉冲幅度与能量成正比，所以在能量的测量方面得到了广泛的与能量成正比，所以在能量的测量方面得到了广泛的应用。此外还有应用。此外还有分辨时间短分辨时间短，空间分辨率好空间分辨率好，灵敏度灵敏度高高，体积小体积小，寿命

38、长寿命长，坚固耐用坚固耐用等等优点优点。线性关系线性关系2022-5-14核工程检测技术37缺点缺点 1)1)能量响应差，不能做绝对测量用；能量响应差，不能做绝对测量用；2)2)输出的信号与辐照的剂量率有关，即辐射损伤效应输出的信号与辐照的剂量率有关，即辐射损伤效应（累计剂量达到一定程度后，响应会有很大变化）。（累计剂量达到一定程度后，响应会有很大变化）。3)3)长期稳定性不好；长期稳定性不好；4)4)无需温度、气压修正，但温度变化会明显增加探测无需温度、气压修正，但温度变化会明显增加探测 器的暗电流，即输出随温度的漂移大。器的暗电流，即输出随温度的漂移大。 2022-5-14核工程检测技术3

39、8（4）半导体探测器的特性参数半导体探测器的特性参数(1)(1)灵敏区厚度灵敏区厚度( (结区厚度结区厚度) ) 结区结区是半导休探测器的是半导休探测器的核心核心，它的，它的厚度厚度大小是探大小是探测器的测器的关键关键。探测不同的入射粒子，则。探测不同的入射粒子，则有所不同。探有所不同。探测测粒子，粒子， 较小；探测较小；探测射线和射线和X X射线，射线， 比较大；比较大；探测探测射线，射线， 介于上述三种情况之间。面垒探测器介于上述三种情况之间。面垒探测器有一定限制，故只宜探测。粒子能谱，对有一定限制，故只宜探测。粒子能谱，对效率高，效率高，而对而对、X射线的效率低。射线的效率低。2022-

40、5-14核工程检测技术390.5()Vm面垒灵敏区厚度可有电阻率面垒灵敏区厚度可有电阻率和外加反向电压和外加反向电压V给出给出 可见，结区厚度可见，结区厚度与外加电压与外加电压V有关所以对制有关所以对制成的面垒探测器，根据不同能量的入射粒子，可以成的面垒探测器，根据不同能量的入射粒子，可以选调适当的工作电压来调节灵敏区选调适当的工作电压来调节灵敏区( (结区结区) )厚度。厚度。2022-5-14核工程检测技术40 (2)(2)结电容结电容Cd 结电容结电容Cd是呈现在半导体探测器两极间的并联电容，是呈现在半导体探测器两极间的并联电容，也即也即PN结的电容，实验证明平行板结电容为结的电容，实验

41、证明平行板结电容为8.9()dsCpF式中：式中：为介电常数为介电常数( (硅硅11.8)11.8)； 8.9 8.9为单位换算系数；为单位换算系数；s为灵敏区横截面积为灵敏区横截面积(mm(mm2 2) )； 为灵敏区厚度。为灵敏区厚度。2022-5-14核工程检测技术41 对一制成的半导体探测器来说，对一制成的半导体探测器来说，、s是固定不变的，是固定不变的，而只有而只有可变，它的输出脉冲为可变，它的输出脉冲为8.917.8scdQVQQuCss 半导体探测的输出电压也与外加电压半导体探测的输出电压也与外加电压V有关，这是由有关，这是由于结电容发生变化所致，是测量中不希望的现象，利用具于结

42、电容发生变化所致，是测量中不希望的现象，利用具有并联电压负反馈的电荷灵敏放大器即可以克服输入电容有并联电压负反馈的电荷灵敏放大器即可以克服输入电容变化的影响，使半导体探测器的输出脉冲经过放大后的脉变化的影响，使半导体探测器的输出脉冲经过放大后的脉冲幅度只与电荷冲幅度只与电荷Q仑关，与仑关，与Cd无关。无关。2022-5-14核工程检测技术42（5）半导体探测器应用半导体探测器应用(1)(1)在能量测量方面可以做成各种谱仪在能量测量方面可以做成各种谱仪 在在谱测量方面用面积为谱测量方面用面积为950mm950mm2 2的的PN结型探测器，结型探测器，对对5 5MeV的的粒子，半峰值宽度可做成粒子

43、，半峰值宽度可做成谱仪或谱仪或谱仪，谱仪，特别是用特别是用Ge(Li)的大体积探测器，其效率高分辨能力好，的大体积探测器，其效率高分辨能力好，适用于环境样品适用于环境样品能谱分析。能谱分析。(2)(2)在放射性强度测量方面在放射性强度测量方面，主要利用它的低本底特性，主要利用它的低本底特性，做成各种低本底仪器和低能粒子测量仪器。做成各种低本底仪器和低能粒子测量仪器。2022-5-14核工程检测技术43( (三三) ) 其他探测器其他探测器1 1 热释光剂量计热释光剂量计 当射线作用于磷光体时，电子离开正常的位置向当射线作用于磷光体时，电子离开正常的位置向四周运动，直到被固体的晶格缺陷四周运动，

44、直到被固体的晶格缺陷“俘获俘获” ” 为止。在为止。在常温下，电子停留在俘获处的时间很长，加热后则从常温下，电子停留在俘获处的时间很长，加热后则从陷阱中释放出来。当电子返回到原来位置时就会发出陷阱中释放出来。当电子返回到原来位置时就会发出蓝绿光，其发光产额经光电倍增管放大后，用电子蓝绿光，其发光产额经光电倍增管放大后，用电子线路对其亮度进行测量，由于剂量测量前必须消除磷线路对其亮度进行测量，由于剂量测量前必须消除磷光体中的贮存能量中心，因此测量结构是无法进行复光体中的贮存能量中心，因此测量结构是无法进行复查的，其测量范围可以从几毫伦一直到上千伦。查的，其测量范围可以从几毫伦一直到上千伦。202

45、2-5-14核工程检测技术442 2 荧光玻璃剂量计荧光玻璃剂量计( (PRL) ) 当射线作用于银激活磷酸盐玻璃时，电子首光跃迁当射线作用于银激活磷酸盐玻璃时，电子首光跃迁到导带，而后又被俘获在辐射光致发光中心，这里的束到导带，而后又被俘获在辐射光致发光中心，这里的束缚深度缚深度( (或陷阱深度或陷阱深度) )较深，以致于用紫外线照射过程中，较深，以致于用紫外线照射过程中，则发出橙色的荧光，这种效应称为辐射光致发光。则发出橙色的荧光，这种效应称为辐射光致发光。荧光玻璃剂量计就是根据这个原理用荧光计测量发光强荧光玻璃剂量计就是根据这个原理用荧光计测量发光强度，而后换算出吸收剂量。度，而后换算出

46、吸收剂量。2022-5-14核工程检测技术45( (四四) )袖珍剂量计袖珍剂量计A绝缘环；绝缘环；B充电棒；充电棒；C固定的有金属涂层的粗石固定的有金属涂层的粗石英丝；英丝；D可动的有金属涂层的粗石英丝；可动的有金属涂层的粗石英丝；E金属圆筒；金属圆筒；F刻度盘；刻度盘；G石英丝的金属支架石英丝的金属支架2022-5-14核工程检测技术46 把涂有金属的两条石英丝连接在一个圆柱状电极上，把涂有金属的两条石英丝连接在一个圆柱状电极上，其中一条是固定的，一条是可动的。先用电源给电极充其中一条是固定的，一条是可动的。先用电源给电极充电至最大值，也就是说让可动石英丝偏转到相应于刻度电至最大值，也就是

47、说让可动石英丝偏转到相应于刻度盘上零读数的位置为止。当核辐射通过剂量计时，所产盘上零读数的位置为止。当核辐射通过剂量计时，所产生的离子将由电极收集，从而逐渐减少电极上的纯电荷生的离子将由电极收集，从而逐渐减少电极上的纯电荷量，这就逐渐减少可动石英丝的偏转量，使它到达相应量，这就逐渐减少可动石英丝的偏转量，使它到达相应刻度盘上相应读数的位置。刻度盘上相应读数的位置。2022-5-14核工程检测技术47第二节 核反应堆堆外核测量核反应堆堆外测量的功能核反应堆堆外测量的功能A 运行功能运行功能：向操作员提供反应堆装料、停堆、启动直：向操作员提供反应堆装料、停堆、启动直至功率运行各工况下的反应堆状态信

48、息。至功率运行各工况下的反应堆状态信息。B 安全功能安全功能：向反应堆保护系统提供多个紧急停堆信号：向反应堆保护系统提供多个紧急停堆信号核允许信号。核允许信号。2022-5-14核工程检测技术48一、反应堆功率测量方法一、反应堆功率测量方法 反应堆的功率测量、是反应堆控制与安全保护的一反应堆的功率测量、是反应堆控制与安全保护的一个重要环节。个重要环节。 虽然从反应推进、出口温差与冷却剂流量的测定可虽然从反应推进、出口温差与冷却剂流量的测定可以给出功率，但这种测量信号对堆功率变化的响应太慢；以给出功率，但这种测量信号对堆功率变化的响应太慢；而且在反应堆开始启动或低功率运行时，温差实际上不而且在反

49、应堆开始启动或低功率运行时，温差实际上不易测出或者很小。因此，这种方法测量范围小、响应速易测出或者很小。因此，这种方法测量范围小、响应速度低，实际上不能用于堆控制。度低，实际上不能用于堆控制。2022-5-14核工程检测技术49 一般来说，反应堆功率内堆内单位时间裂变反应的总数一般来说，反应堆功率内堆内单位时间裂变反应的总数来决定。虽然在来决定。虽然在235235U每次裂变所放出的能量，大约有百分之每次裂变所放出的能量，大约有百分之十是在裂变碎片的衰变过程中逐渐放出的。但是当反应堆达十是在裂变碎片的衰变过程中逐渐放出的。但是当反应堆达到稳态功率运行，或处于功率变化不快而当作一个准静态过到稳态功

50、率运行，或处于功率变化不快而当作一个准静态过程时，由于前一时刻的延发能星补偿了后一时刻的延发能量，程时，由于前一时刻的延发能星补偿了后一时刻的延发能量，因而可以认为裂变释放能都是瞬间释放的。因而可以认为裂变释放能都是瞬间释放的。这样，堆功率可这样，堆功率可以由单位时间内的总裂变数或中子通量给出。另一方面，中以由单位时间内的总裂变数或中子通量给出。另一方面，中子通量测量还有响应快、量程宽等优点子通量测量还有响应快、量程宽等优点，所以目前压水堆控，所以目前压水堆控制系统中的堆功率值都由中子通量给出。制系统中的堆功率值都由中子通量给出。2022-5-14核工程检测技术50 设堆内通量分布形状不随时间

51、而变化，则总功率与设堆内通量分布形状不随时间而变化，则总功率与堆内任一点的通量成正比。这时，用一个测点就可定出堆内任一点的通量成正比。这时，用一个测点就可定出反应堆的功率。反应堆的功率。 当探测器测点离开控制棒较远时，移动控制棒所造当探测器测点离开控制棒较远时，移动控制棒所造成的局部扰动对测量的影响较小。或者说，测点离开堆成的局部扰动对测量的影响较小。或者说，测点离开堆芯越远，堆芯通量分布畴变的影响越可忽略不计点堆模芯越远，堆芯通量分布畴变的影响越可忽略不计点堆模型越可近似应用。所以堆功率一船都是通过堆芯外的中型越可近似应用。所以堆功率一船都是通过堆芯外的中子测量来得到的。当然，测点离开堆芯的

52、距离，要受到子测量来得到的。当然，测点离开堆芯的距离，要受到探测器灵敏度的限制，本能太远。探测器灵敏度的限制，本能太远。2022-5-14核工程检测技术51 应该注意的是应该注意的是，在反应堆已由运行转入停闭等特殊，在反应堆已由运行转入停闭等特殊情况下，堆内瞬发能量已可以忽略，但延发的能足却依情况下，堆内瞬发能量已可以忽略，但延发的能足却依旧十分可观亦即仍存在所谓剩余功率。这种剩余功率旧十分可观亦即仍存在所谓剩余功率。这种剩余功率不能从通量的测量来得到，但是这时中子通量的测量仍不能从通量的测量来得到，但是这时中子通量的测量仍旧十分重要，因为用它可以监测裂变速率、判断反应堆旧十分重要，因为用它可

53、以监测裂变速率、判断反应堆是否处在次临界状态上，这正是低功率运行或停堆时的是否处在次临界状态上，这正是低功率运行或停堆时的重要问题。重要问题。2022-5-14核工程检测技术52 堆控测量的另一个重要参数足堆控测量的另一个重要参数足反应堆周期反应堆周期T，它对安全，它对安全运行，特别是对启动过程具有很重要的意义。周期的定义为运行，特别是对启动过程具有很重要的意义。周期的定义为(ln )1/dnTdt 它反映了堆内中子功率变化的快慢程度。据此，在测它反映了堆内中子功率变化的快慢程度。据此，在测得反应堆中子功率得反应堆中子功率n后，通过对数及微分运算线路，即可后，通过对数及微分运算线路，即可得到周

54、期的倒数得到周期的倒数1/1/T。2022-5-14核工程检测技术53二、中子通量的测量量程二、中子通量的测量量程 从反应堆启动到额定功率运行，中子通量可变化从反应堆启动到额定功率运行，中子通量可变化1010个个量级以上。启动时通量很低，这时最重要的是监测通量的量级以上。启动时通量很低，这时最重要的是监测通量的变化速率，不使周期过短，以避免启动事故；达到功率运变化速率，不使周期过短，以避免启动事故；达到功率运行时，则必须监测功率数值，不使过高，以免超过热工安行时，则必须监测功率数值，不使过高，以免超过热工安全准则。但是一般测量仪器的量程有限，只能横跨全准则。但是一般测量仪器的量程有限，只能横跨

55、(3(34)4)个量级，个别的可达个量级，个别的可达(7(78)8)个量级，所以须把中子通量的个量级，所以须把中子通量的整个监测范围分成几个区域，再用不同量程的仪器把这个整个监测范围分成几个区域，再用不同量程的仪器把这个测量范围衔接起来。测量范围衔接起来。2022-5-14核工程检测技术542022-5-14核工程检测技术55 大体说来，中子水平较低的用大体说来，中子水平较低的用BF3正比计数管或裂变室。正比计数管或裂变室。与之配合的电子线路大多是脉冲对数电路，外加一个微分与之配合的电子线路大多是脉冲对数电路，外加一个微分电路，前者可以给出功率的对数值，后者可以得到周期指电路，前者可以给出功率

56、的对数值，后者可以得到周期指示及保护信号。示及保护信号。 在中子水平较高时，可采用在中子水平较高时，可采用补偿电离室，是直接把补偿电离室，是直接把中子探测器得到的电信号作对数和放大以及微分运算，从中子探测器得到的电信号作对数和放大以及微分运算，从而得到对数功率及周期信号。在该区的测量中，信号的甄而得到对数功率及周期信号。在该区的测量中，信号的甄别是由中子探测器自身来完成的，这就是别是由中子探测器自身来完成的，这就是补偿电离室。补偿电离室。2022-5-14核工程检测技术56三、堆外核测量探测器三、堆外核测量探测器（一）（一）BF3正比计数管正比计数管 其原理如图所示，硼吸收中子后发出其原理如图

57、所示，硼吸收中子后发出粒子使三氟化粒子使三氟化硼电离，一次电离所产生的电子在计数管内电场作用下加硼电离，一次电离所产生的电子在计数管内电场作用下加速并向集电极移动，它获得的能量足以使其它分子电离，速并向集电极移动，它获得的能量足以使其它分子电离，这些电子全部到中心电极后，在负载电阻上就产生一个电这些电子全部到中心电极后，在负载电阻上就产生一个电压脉冲，脉冲频率与中子通量水平成线性关系。压脉冲，脉冲频率与中子通量水平成线性关系。2022-5-14核工程检测技术57（二）涂硼正比计数管（二）涂硼正比计数管工作原理：入射中子与硼发生核反应工作原理：入射中子与硼发生核反应1107405322.793n

58、BLiHeMeV 核反应产生的锂离子和核反应产生的锂离子和粒子使氩气电离，产生电子和粒子使氩气电离，产生电子和正离子。在外电场的作用下，电子和正离子分别向阳极和阴正离子。在外电场的作用下，电子和正离子分别向阳极和阴极运动，形成电脉冲极运动，形成电脉冲(脉冲脉冲) )。射线也产生电脉冲，但其射线也产生电脉冲，但其幅值较小，可用甄别放大器将它和反应堆内其它的幅值较小，可用甄别放大器将它和反应堆内其它的Y Y射线产射线产生的小幅度脉冲滤除只放大生的小幅度脉冲滤除只放大脉冲，从而得到只与中子通脉冲，从而得到只与中子通量成比例的计数。量成比例的计数。2022-5-14核工程检测技术58（三）电离室（三）

59、电离室 电离室是基于探测入射粒子进入其内，与所充物电离室是基于探测入射粒子进入其内，与所充物质直接或间接相互作用时，使物质的原子或分子电离质直接或间接相互作用时，使物质的原子或分子电离而产生的正负离子对来测量放射性强度或入射粒子能而产生的正负离子对来测量放射性强度或入射粒子能量的一种探测器。量的一种探测器。2022-5-14核工程检测技术59 进人电极之间空间的带电粒子将引起气体分子电离，进人电极之间空间的带电粒子将引起气体分子电离，从而产生正负离子对，假如忽略正负离子的扩散和复合的从而产生正负离子对，假如忽略正负离子的扩散和复合的话，则离子电流可以表达为话，则离子电流可以表达为0AIeN d

60、Ae e为电子电荷；为电子电荷；A A为电离室灵敏体积；为电离室灵敏体积；N0N0为单位体积、为单位体积、单位时间内形成的离子对平均数单位时间内形成的离子对平均数 若要知道电离电流瞬时值，则必须分别考虑正离若要知道电离电流瞬时值，则必须分别考虑正离于电流于电流I和负离子和负离子( (即电子即电子) )电流电流I I。2022-5-14核工程检测技术60 电离室分长短两种，长电离室与反应堆堆芯一样长，电离室分长短两种，长电离室与反应堆堆芯一样长，它由二个结构完全招向的短电离室构成分为上下二段。它由二个结构完全招向的短电离室构成分为上下二段。 电离室的热中子灵敏度一般为电离室的热中子灵敏度一般为3