一种定量分析自给能探测器自身绝缘电阻分流效应的方法及系统

技术领域

本发明属于中子探测技术领域，具体涉及一种定量分析自给能探测器自身绝缘电阻分流效应的方法及系统。

背景技术

自给能探测器由于其不需外加偏压、结构简单、体积小、全体固化、电子学设备简单等特性，目前已经成为监控反应堆运行状态、测量堆内辐照环境的主要设施。然而在实际的应用当中，自给能探测器的输出信号会受到多种因素的影响。其中，由不稳定核素衰变引起的延迟效应以及由电子在绝缘层沉积引起的空间电荷效应都已经有了充分的研究，而关于探测器自身绝缘电阻的分流效应的研究还比较少。实际堆内自给能探测器的应用结果表明，自给能探测器的绝缘电阻对输出电流有较大影响，自给能探测器自身绝缘电阻的分流效应会导致输出信号幅度变小。当自给能探测器自身绝缘电阻由于击穿、浸水等原因过低时，分流效应会导致探测器输出信号过小而失效。因此，必须定量地研究自给能探测器自身绝缘电阻的分流效应对输出电流的影响。

因此对于探测器的绝缘电阻，需要考虑以下几方面的技术问题：1)在设计探测器时，需要根据探测器结构参数定量地计算探测器绝缘电阻，确认所设计的结构能够满足绝缘要求；2)在设计测量电路以及评估自给能探测器的实际输出电流大小时，需要定量地计算探测器自身绝缘电阻的分流效应，给出自身绝缘电阻的电流分流占探测器原生电流的比例；3)自给能探测器绝缘层的电容效应需要被定量的研究，从而提高探测器的瞬时测量精度。

现有的分流效应计算方法，仅考虑探测器自身绝缘电阻的影响，忽略了探测器绝缘电容对信号波形的影响；并且在方法建立时，没有考虑到探测器结构对灵敏度的影响。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种定量分析自给能探测器自身绝缘电阻分流效应的方法及系统，以解决现有技术忽略了探测器绝缘电容对信号波形的影响以及未考虑探测器结构对灵敏度的影响的技术问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种定量分析自给能探测器自身绝缘电阻分流效应的方法，包括以下步骤：

步骤1：根据自给能探测器工作原理建立自给能探测器的电路模型；

步骤2：根据自给能探测器几何结构与物理参数计算步骤1建立的电路模型中各元件的具体参数；

步骤3：根据自给能探测器在辐射场中的电流产生机理与电路模型建立矩阵形式的状态空间方程，并通过求解矩阵指数，建立自给能探测器系统的状态转移矩阵，其中探测器对辐射场的灵敏度通过SPNDSignal程序模拟计算得到；

步骤4：根据自给能探测器系统的状态转移矩阵，分析自给能探测器几何尺寸与物理参数对绝缘电阻及其分流效应的影响。

优选地，步骤1中，根据自给能探测器的工作原理建立电路模型并绘制电路图，根据电路图建立电容电压U(t)与探测器原生电流I(t)的微分方程(1)，并建立输出到测量电路电流I

所述电路模型元件包括电流源、自给能探测器自身绝缘电阻、自给能探测器绝缘层电容以及信号读出电路的输入电阻；

I

其中，R表示自给能探测器的绝缘电阻；R

进一步优选地，计算步骤1中的绝缘电阻与电容的物理参数，其中自给能探测器的绝缘电阻由表达式(5)确定，绝缘层电容由表达式(6)确定；

其中，ρ

进一步优选地，步骤3中，根据自给能探测器材料在中子场中反应的物理过程画出其反应机制原理图，并建立自给能中子探测器中间核素数量N(t)关于中子通量密度φ(t)的微分方程组(7)，写出探测电流I(t)与各中间核素数量及中子通量密度φ(t)的表达式(8)；

/>

其中，V表示探测器体积，i表示第i个中间核素，取值为1到m；j表示第j个中间核素，取值为1到m；m表示共有m个中间核素；β

选取自给能探测器在自身绝缘电阻及电容上产生的电压U(t)及自给能中子探测器中间核素数量N(t)作为状态变量，将中子通量密度φ(t)选为控制变量，根据表达式(1)、表达式(7)与表达式(8)建立矩阵形式的探测器状态空间方程：

其中，X(t)为系统的状态变量；A为系统的系数矩阵；B为控制矩阵；

。

更进一步优选地，所述自给能中子探测器中间核素为由自给能中子探测器发射体核素俘获中子后生成的不稳定核素，以及由生成的不稳定核素继续衰变或退激后生成的不稳定核素。

进一步优选地，通过矩阵指数，将系统进行离散化，得到离散空间的状态转移矩阵：

X(n+1)＝FX(n)+Dφ(n)(22)

F＝e

D＝A

其中，n为第n个时间点；T为时间间隔；F为系统的状态转移矩阵；D表示当前时刻控制变量对下一时刻状态变量的影响。

更进一步优选地，根据表达式(10)，计算任意形式通量密度下的探测器输出电流I(n)与探测器电容电压U(n)，并根据表达式(2)与表达式(3)计算探测器自身绝缘电阻分流I

本发明还公开了一种定量分析自给能探测器自身绝缘电阻分流效应的系统，包括：

自给能探测器电路模型构建模块，用于根据自给能探测器工作原理建立自给能探测器的电路模型；

元件参数计算模块，用于根据自给能探测器几何结构与物理参数计算电路模型中各元件的具体参数；

自给能探测器系统状态转移矩阵构建模块，用于根据自给能探测器在辐射场中的电流产生机理与电路模型建立矩阵形式的状态空间方程，并通过求解矩阵指数，建立自给能探测器系统的状态转移矩阵；

自给能探测器绝缘电阻分流效应分析模块，用于根据自给能探测器系统的状态转移矩阵，分析自给能探测器几何尺寸与物理参数对绝缘电阻及其分流效应的影响。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种定量分析自给能探测器自身绝缘电阻分流效应的方法，结合SPNDSignal模拟程序计算探测器灵敏度，综合考虑探测器结构对灵敏度影响，以及探测器自身绝缘电阻的分流效应及绝缘电容对信号波形的影响，从而能够对探测器的输出电流进行更加精确的计算，设计步骤如下：根据探测器工作原理建立自给能探测器的电路模型；根据探测器几何结构与物理参数计算电路中各元件的具体参数；再根据自给能探测器在辐射场中的电流产生机理与电路模型建立矩阵形式的状态空间方程，并通过求解矩阵指数，建立自给能探测器系统的系统状态转移矩阵；根据系统的状态转移矩阵，分析探测器几何尺寸与物理参数等对绝缘电阻及其分流效应的影响。该方法可以定量计算不同结构及参数的自给能探测器绝缘层电阻的分流效应，并且能够准确计算电容电流随时间的变化，从而为探测器的设计及应用提供了指导。

附图说明

图1为发明流程示意图；

图2为自给能探测器电路模型图；

图3为自给能探测器电路等效模型图；

图4为自给能探测器横截面示意图；

图5为探测器探测典型中子相关反应过程图(以银自给能探测器为例)；

图6为对阶跃中子通量信号的分流电流计算结果；

图7为不同绝缘层体电阻率的自给能探测器的阶跃中子通量信号的分流电流计算结果；

图8为不同绝缘层厚度的自给能探测器的阶跃中子通量信号的分流电流计算结果；

图9为不同长度的自给能探测器的阶跃中子通量信号的分流电流计算结果。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明的实施例以银自给能探测器为例，其发射极材料为Ag-107与Ag-109，其为俘获中子后生成两种中间核素Ag-108与Ag-110的自给能中子探测器。

一、为本发明的定量分析自给能探测器自身绝缘电阻分流效应的方法，参见图1，包括以下步骤：

步骤1：根据自给能探测器的工作原理建立如图2所示的电路模型，并将其简化为如图3所示的等效电路模型，根据等效电路模型建立电容电压U(t)与探测器原生电流I(t)的微分方程(1)，并建立输出到测量电路电流I

I

其中，R表示自给能探测器的绝缘电阻；R

步骤2：计算步骤1中的绝缘电阻与电容的物理参数，自给能探测器的横截面示意图如图4所示，自给能探测器的绝缘电阻由表达式(4)确定，自给能探测器的绝缘电容由表达式(5)确定；

其中，ρ

步骤3：根据自给能探测器材料在中子场中的反应物理过程画出其反应机制原理图，如图5所示，并以此建立自给能中子探测器中间核素数量N(t)关于中子通量密度φ(t)的微分方程组(6)，写出探测电流I(t)与各中间核素数量及中子通量密度φ(t)的表达式(7)；所述自给能中子探测器中间核素指的是由自给能中子探测器发射体核素俘获中子后生成的不稳定核素，以及由生成的不稳定核素继续衰变或退激后生成的不稳定核素；

将公式(6)具体化写出银自给能探测器内

I(t)＝S

其中，V表示探测器体积，i表示第i个中间核素，取值为1到m；j表示第j个中间核素，取值为1到m；m表示共有m个中间核素；β

选取自给能探测器在自身绝缘电阻及电容上产生的电压U(t)及自给能中子探测器中间核素数量N(t)作为状态变量，将中子通量密度φ(t)选为控制变量，根据表达式(1)、(6)与(7)建立矩阵形式的探测器状态空间方程

其中，X(t)为系统的状态变量；A为系统的系数矩阵；B为控制矩阵；

步骤4：通过矩阵指数，将系统进行离散化，得到离散空间的状态转移矩阵，

X(n+1)＝FX(n)+Dφ(n) (9)

F＝e

D＝A

其中，n为第n个时间点；T为时间间隔；F为系统的状态转移矩阵；D表示当前时刻控制变量对下一时刻状态变量的影响。

步骤5：根据表达式(9)，可以计算任意形式通量密度下的探测器输出电流I(n)与探测器电容电压U(n)，并根据表达式(2)与表达式(3)计算探测器自身绝缘电阻分流I

二、基于上述方法的应用实例：

为了检验分流效应计算方法的效果，考查反应堆开机停机等中子通量为阶跃信号时探测器输出信号的分流效应，在t＝20秒时中子通量由φ＝0(cm

表1

分流效应的计算结果如图6所示，自给能探测器自身绝缘电阻的分流效应会导致输出到测量电路的电流小于探测器原生电流，具体分流情况与探测器物理参数及后续测量电路的输入电阻有关。此外，通过放大20s处的信号可以看到，在通量密度发生剧烈变化时，由于电容的伏安特性，电容电流会发生突变而其电压保持连续变化，从而使得输出到测量电路的电流会滞后于探测器原生电流。同时由于探测器的绝缘层电容容值较小，电容的影响主要体现在通量密度发生阶跃变化的0.5s内。因此，通过本方法评估自给能探测器自身绝缘电阻与电容对输出电流的影响，可以为实际的探测器使用以及反应堆功率重构提供指导。

考查不同绝缘层体电阻率的自给能探测器在中子通量为阶跃信号时探测器输出信号的分流效应，绝缘层体电阻率由10

表2

不同绝缘层体电阻率的自给能探测器分流效应的结果如图7所示，随着绝缘层体电阻率的增大，自给能探测器自身绝缘电阻的分流越小，输出到测量电路的电流越接近探测器原生电流；此外，绝缘层电阻率增大会导致探测器绝缘层静电场增强，但本算例中辐射场强度较小，因此对探测器灵敏度影响较小，探测器原生电流基本无变化。实验表明，当探测器外包装破损，水浸入探测器绝缘层时，探测器就会失效。根据本发明提出的模型的计算结果表明，当自给能探测器的绝缘层体电阻率由于浸水等原因发生急剧降低后(自来水的体电阻率约为10

考查不同绝缘层厚度的自给能探测器在中子通量为阶跃信号时探测器输出信号的分流效应，绝缘层外半径由0.03cm逐渐增大为0.07cm，在t＝20秒时中子通量由φ＝0(cm

表3

当绝缘层外半径发生改变时，探测器总灵敏度也随之改变，因此需要模拟计算灵敏度的变化，全部模拟灵敏度由下表所示：

表4

不同绝缘层厚度的自给能探测器分流效应的结果如图8所示。一方面，如图8中实线(含空心圆标记符)所示，随着绝缘层厚度的增大，探测器对信号电子的阻止能力在增大，从而探测器灵敏度有所下降，探测器原生输出电流有所降低；另一方面，如图8中点划线(含星号标记符)所示，绝缘层厚度增大也使得探测器自身绝缘电阻阻值增大，从而输出到测量电路的电流占探测器原生电流的比例也增大。综合上述两种效果，得到了如图8中双划线(含上三角标记符)所示的输出到测量电路电流与绝缘层厚度的关系。因此，在设计探测器绝缘层厚度时，需要综合考虑上述因素的影响。

考查不同长度的自给能探测器在中子通量为阶跃信号时探测器输出信号的分流效应，探测器长度由10cm逐渐增大为50cm，在t＝20秒时中子通量由φ＝0(cm

表5

当探测器长度发生改变时，探测器总灵敏度也随之改变，因此需要模拟计算灵敏度的变化，全部模拟灵敏度由下表所示。其中，Ag-108与Ag-110衰变的信号灵敏度变化主要由统计涨落导致。

表6

不同长度的自给能探测器分流效应的结果如图9所示。一方面，如图9中实线(含空心圆标记符)所示，随着探测器长度的增大，自给能探测器原生电流会随之增大；另一方面，探测器长度增大使得探测器自身绝缘电阻减小，探测器自身绝缘电阻的分流增大，如图9中点划线(含星号标记符)所示，输出到测量电路的电流占原生电流的比例在降低。最终输出到测量电路的电流如图9中双划线(含上三角标记符)所示。因此，在设计探测器长度时，应当充分考虑上述因素。

自给能探测器自身绝缘电阻的分流越大，输出到测量电路的电流占探测器原生电流的比例就越小。但同时，探测器长度增大也会增大探测器的灵敏体积，从而增大探测器原生电流。因此，探测器长度的设计应当综合考虑分流效应与探测器的灵敏体积。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。