核工程檢測技術2023/2/61核工程檢測技術第八章反應堆核測量與輻射監測2023/2/62核工程檢測技術反應堆運行監測包括功率(中于通量)監側、輻射監測和熱工參數監測三部分。功率監測系統的主要職能是監測反應堆從釋熱到發電的整個過程，并為功率調節系統和保護系統輸送信號，以確保反應堆的安全運行；輻射監測的任務是測量核輻射所造成的劑量和排放物的放射性水平，防止工作人員遭受γ射線的外照射以及由放射性氣體或氣溶膠引起的內照射所帶來的危害，根據輻射監測系統的指示也可以判斷反應堆運行的安全性。2023/2/63核工程檢測技術第一節核儀表的工作原理一、概述在核電站中有各種核輻射測量任務，一個核輻射檢測裝置通常由核輻射探測器、探測器輸出信號的處理儀器和其它一些附屬設備組成,核輻射探測器是完成測量任務的關鍵部件。核輻射探測器的主要作用是使進入探測器靈敏區域的核輻射轉變為信號處理設備能夠接收的信號，例如電信號、光信號、聲信號、熱信號等。2023/2/64核工程檢測技術

使用最多的三類探測器：氣體探測器、半導體探測器和閃爍探測器。這三類探測器都是把核輻射轉變成電信號，再由電信號處理設備進行分析和處理。在學習這三類探測器時需要了解和掌握的三個主要方面：探測器把核輻射轉變為電信號的物理過程；探測器的輸出回路及其與探測器輸出電信號的關系；探側器的主要技術指標及其用途。2023/2/65核工程檢測技術探側器把核輻射轉變為電信號的物理過程在很大程度上決定了探測器的主要技術性能和作用。第一個階段：入射的粒子，如果不是帶電的，如γ光子和中子，則通過與探測器物質的相互作用，轉變或產生出帶電粒了，這些帶電粒子在探測器內的一個特定區域使原子或分子電離和激發；第二個階段：初電離或激發的原子，在探測器的外加電場中作定向移動，因而在探測器外部負載電路中給出一個電流信號，稱為探測器的本征電流信號。2023/2/66核工程檢測技術二、氣體探測器這里主要是指電離室、正比計數器和G－M計數器等。因為這三種探測器將核輻射轉變成為電信號的物理過程都是在探測器內充特定氣體的特定體積中進行的，所以它們統稱為氣體探測器。氣體探測器的結構示意圖如右上所示。2023/2/67核工程檢測技術(一)氣體電離寶電離室的工作原理可簡要地概括為：當核輻射通過一個中間充有空氣，兩極加上電壓的容器時，容器內空氣就產生電離。若容器兩極間所加的電壓足夠高的話，而且正負離子的復合和損失可以忽略不計，即所有形成的離子幾乎全部被收集，這時測量電路中的電流達到飽和。電離室就是利用核輻射對物質的電離作用，使其工作特性處于飽和電流區間的檢測裝置。用電離室作輻射探測器，則可以用核輻射劑量單位直接進行刻度，并且可以測量強輻射場，但要求具有高的絕緣性能、這是由于它受溫度和濕度的影響大，容易產生露電。2023/2/68核工程檢測技術(二)正比計數管正比計數器有以下幾個特點(1)正比計數器的脈沖高度比電離室增大A倍，因此降低了對放大器的要求。(2)由于在一定的工作電壓下A是常數，所以正比計數器輸出脈沖幅度正比于入射粒子能量，因此，它和脈沖電離室一樣，具有較高的靈敏度。正比計數器原則只要有一對離子就可能分辨出來，因此．適于探測低能或比電離低的粒子。(3)由于A隨工作電壓而變化，因此，工作中對電源電壓的穩定性要求很高，一般不穩定性＜0.1％。即能測重粒子的能量，又能測其強度，主要用途是用來測β射線。2023/2/69核工程檢測技術(三)蓋革－彌勒計數管蓋革－彌勒計數管(簡寫G－M計數管)的結構簡單，使用方便。靈敏度很高，而價格便宜，能滿足測量的多方面要求，是目前應用得相當普遍的一種探側工具。G－M計數管結構2023/2/610核工程檢測技術計數器脈沖計數與外加電壓的關系Ⅰ復合區：電極收集到離子對數目N低于由帶電粒子產生的總的離子對數目N0。N0中有部分因為復合而消失。Ⅱ飽和區：這是電離室的工作區域，電極收集到的離子對數目N正好等于帶電粒子產生的總的離子對數目N0，即電極收集到的離子對數目達到飽和。2023/2/611核工程檢測技術計數器脈沖計數與外加電壓的關系Ⅲ正比區：這是正比計數管通常選擇的工作區域，其特點是N與N0的比值是個常數，M＝N/N0，M完全由探測器的結構與外加直流電壓的數值所決定，稱為氣體的放大倍數。M不隨N0而變化，即N總是N0成正比。2023/2/612核工程檢測技術計數器脈沖計數與外加電壓的關系Ⅳ有限正比區：其特點是M的數值與N0大小有關。N0比較大時M就比較小，即N與N0的正比關系受到限制。ⅤG－M區：是G－M計數管的工作區域，其特點是M保持定值，僅由計數管的結構與外電壓的數值決定，與N0無關。2023/2/613核工程檢測技術1.G－M計數管的特點(1)無法甄別射線的種類，若測β和γ混合場時則采用吸收層甄別掉β射線，以達到測量β射線的目的；(2)不宜于測量強γ輻射場，因為存在約10－4秒的“失效時間”，在測量強γ輻射時會有漏計數；(3)適用于低輻射場的測量，因為它具有較高的測量靈敏度；(4)不需放大器，這就降低了計數設備的價格，因為氣體放大倍數很大；(5)只能用作粒子強度的測量，不能用于入射粒子能量的測量。2023/2/614核工程檢測技術2.G－M計數管的特性G－M計數管的坪曲線(1)坪特性在放射源強度不變的情況下，計數率隨外加電壓v變化的曲線稱為坪曲線，此曲線上計數率基本上不隨v而改變的一段直線稱作計數管的“坪”，其長度叫“坪長”，其斜率稱為“坪斜”，一個很好的計數管必須具有很寬的坪。一般為（100－300）V，坪斜不大于每100V5％。2023/2/615核工程檢測技術G－M計數管的坪曲線Vs稱為起始電壓，VD－VG稱為“坪區”，即坪長，V0稱為實際工作電壓。即有式中：ND和NG為對應于電壓VD和VG的計數率。2023/2/616核工程檢測技術(2)死時間

死時間又稱為失效時間，是G－M計數管不能對入射粒子計數的時間，一般約在(100－300)μs間。之所以有死時間，是因為計數管在“雪崩電離”之后，正離子鞘屏蔽了電場，造成一定時間內計數的失效。用τ表示死時間，對于輻射的絕對測量，可以按下列式于對死時間的影響進行校正：式中：N0為真正計數率；N為實測計數率。2023/2/617核工程檢測技術(3)探測效率

探測效率為一個粒子通過計數管的靈敏體積而能引起輸出脈沖的幾率。

G－M計數管應用相當廣泛，可作α、β、γ射線強度的相對測量以及β源放射性的絕對測量，可用于固定式也可用于便攜式儀器上。2023/2/618核工程檢測技術三、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，稱為固體探測器。(一)閃爍計數器所謂閃爍計數器就是根據射線照射在某些閃爍體上能使它發出閃光的原理進行測量的一種探測器。閃爍計數器是由閃爍體、光電倍增管和電子線路所組成。2023/2/619核工程檢測技術①閃爍計數器的工作原理閃爍計數器工作原理示意圖當射線照在閃爍體上后發出熒光，利用光導和反光材料，使大部分熒光光子收集到光電倍增管的光陰極上。光子在對光靈敏的陰極上打出光電子，這些光電子經過光電倍增管倍增、放大，倍增后的電子在陽極上產生電壓脈沖，此脈沖被電子線路放大和分析后記錄下來，這樣就可以對粒子進行探測了。2023/2/620核工程檢測技術②閃爍體閃爍體的發光是由于帶電粒子通過閃爍體時，它的內部原子或分子被激發處于高能級，而再隨即恢復到低能級(基態)時就輻射出光子；對γ射線來說，是由于γ光子在閃爍體內產生次級電子，這些次級電子能使閃爍體內的分子或原子激發而產生閃光。閃光的持續時間一般為10－6秒的數量級或更短。2023/2/621核工程檢測技術一般可分為無機和有機兩大類。無機晶體有單晶體(Tl激活的NaI和Tl激活的CsI)和粉末晶體(Ag激活的ZnS)。有機閃爍體又可分為有機晶體、有機溶液和塑料閃爍體等。晶態閃爍體多數是由一些超純物質加上微量的摻雜物質在高溫下結晶而成。閃爍體的分類2023/2/622核工程檢測技術③光電倍增管光電倍增管是閃爍計數器中最重要的部件之一，它的作用是把閃爍體的光信號轉換成電信號，并且充當一個放大倍數大于105的放大器。光電倍增管是一個光陰級和多個倍增電極(又稱打拿極)以及一個陽極組成。2023/2/623核工程檢測技術

光電倍增管的工作電壓(高壓v)在實際應用中也要注意選擇。按與電極的接法有：正高電極和負高電極接法。正高壓的優點是可以減少光電倍增管的噪聲，這是因為陰極與外套(接地)之間是等電位的，沒有微弱放電產生的噪聲，其缺點是輸出端隔直電容要耐高壓、又要接頭絕緣可靠，以免發生危險。負高壓：其接法是陽極接地，陰極加負高壓，這樣就避免了正高壓接法的缺點。但卻增大光電倍增管的噪聲，故在噪聲的要求不高的情況下可以使用。2023/2/624核工程檢測技術(1)光電倍增管的主要指標及影響因素①總靈敏度它出管子的倍增系數和光陰極發射光電子的靈敏度決定，用安/流明（光通量單位）。總靈敏度隨外加電壓而增加。②暗電流它由下述幾個原因而產生a.各電極，特別是光陰極和前幾個打拿極的熱電子發射；b.電極間絕緣材料，管座和管子漏電電流；c.強電場下才引起的冷電子發射(場致發射)；d.管子內剩余氣體被訊號電離，可能發生光反饋或正離子反饋，它隨工作電壓的增加而增加。暗電流對低能射線的測量影響較大，必須設法盡量減少，工作時仔細挑選暗電流小的管子，采取冷卻、清潔等措施，以滿足工作要求。2023/2/625核工程檢測技術③光陰極光陰極接受光子而放出光電子，是光電倍增管最主要的部分，直接影響光電倍增管的靈敏度及分辨率。光陰極的好壞主要是由陰極材料及窗材料所決定，一般應選用靈敏度高(即光電轉換效率高)、靈敏層均勻、與所用熒光體具有合適的光譜響應的管子。④分辨時間通常在10－9秒數量級。一般要求選用總靈敏度高，暗電流及本底脈沖低，分辨時間短，光譜響應好，性能穩定，能長期工作的光電倍增管。強放射性測量時，還應考慮光負載能力大等性能。2023/2/626核工程檢測技術(2)光電倍增管使用時必須注意以下幾點①在探頭的暗盒透光的情況下(即使透光很少)，決不能加高壓；②為了減少噪音，在正式開始上作前幾小時先加上電壓，使光電倍增管達到穩定工作狀態；③如輸出脈沖很大，在采取降低高壓、選取用級數合適的管子等措施后脈沖仍很大則可以把后幾個極聯在一起。如要得到正脈沖，可把最后第二個打拿極作為輸出端；2023/2/627核工程檢測技術④分壓電阻采用高穩定電阻，并且最好直接焊接在管座上。關鍵在于管座的材料必須是良好的絕緣體。⑤對于聚焦式光電倍增管，各極間電壓有確定的關系，因此要嚴格調整各極間的電壓比，以達到最好的聚焦條件，尤其是調節前三個打拿極的電壓比最為重要；⑥磁場對光電倍增管的工作有很大的影響，當光電倍增管改變取向時，地磁場也可能影響它的正常工作（主要是環狀聚焦型），因此在磁場附近以及作精確測量時，必須采用磁屏蔽措施。2023/2/628核工程檢測技術④閃爍計數器的應用(2)γ射線探測用NaI(Tl)可做成不同大小的各種形狀，探測效率有的高達50％∽60％，設法降低本底以后，可以進行很弱γ放射性的測量。(1)α粒子的探測最有效的閃爍體是ZnS(Ag)，它對α粒子發光效率高，探測效率幾乎達100％．所以當α、β同時存在時，α脈沖易與β區別。2023/2/629核工程檢測技術(3)β粒子的探側最常用的是有機閃爍體，可做成任意大小的晶體、液體、固溶體。β塑料閃爍體，具有較短的死時間、較長的壽命和較好的穩定性。測量低能β粒子，如在測量氚、碳－14時，測量用液體閃爍計數器十分有效，它具有高靈敏度、高效率、避免窗和

源的自吸收、使用方便和測量迅速等優點，能適用多種形式的環境和生物樣品的測量。2023/2/630核工程檢測技術(二)半導體探測器（1）工作原理用半導體材料制成的將射線能量轉換成電信號的探測器，它是近些年來發展起來的一種新型核輻射探測器，又稱半導體計數器。

實質上是一個半導體材料高摻雜的較大體積的晶體二極管。入射粒子進入半導體探測器后，產生空穴-電子對，這些空穴-電子對被探測器兩電極的電場分開，并分別被陰極和陽極收集，產生同射線粒子交出的能量成正比的輸出脈沖信號，從而可探測射線的強度。

2023/2/631核工程檢測技術（2）半導體探測器的種類A擴散結構P型硅的一側表面上擴散入一薄層Ⅴ價的磷使之成為N型硅，從而構成P－N結。這種P－N結半導體中，N型硅一般做得很薄只約(0.1～1)μm。2023/2/632核工程檢測技術B面壘型在一片N型硅表面蒸上薄薄的一層金而制成。金屬薄約幾百個原子層。這一金屬－半導體界面有整流特性，也形成耗盡層。工作時以涂金層作為陰極、以N型硅作為陽極。是利用金和半導體之間接觸電勢差，在半導體中形成沒有自由載流子的耗盡層，即是探測器的靈敏區。

2023/2/633核工程檢測技術C鋰漂移型為了探測穿透能力較強的γ射線，要求探測器有更大的靈敏區。這種效果通常是使鋰漂移進入P型半導體材料,進行補償而獲得。由于鍺比硅對γ射線有更高的探測效率，故一般采用鍺（鋰）漂移探測器。這種探測器的靈敏體積可大于200厘米3。但是,由于其死層較厚，故在探測較低能量的X射線時,往往采用硅（鋰）漂移探測器。鋰漂移型探測器的另一個特點，是當它被用來探測X及γ射線時必須保持在低溫(77K)和真空中工作。2023/2/634核工程檢測技術（3）半導體探測器的性能優缺點能量分辨本領高在硅中形成一個電子－空穴對需要3.5eV的能量，在鍺中需要2.94eV，在氣體電離室中需要30eV左右，閃爍計數器則要(100～500)eV，這意味著能量為5MeV的α粒子能在硅中形成1.43xl06電子空穴對，統計漲落按泊松分布估計時是1.2x103電子空穴對，半峰值寬度(FWHM)為10keV左右，而氣體探測器的半峰值寬度是29keV，閃爍計數器約為90keV。所以，高分辨本領是半導體探測器的固有性質，是由于它所需要的電離能量小決定的。除此之外，這種器件的分辨率還與入射窗效應、外加偏壓大小及環境溫度有關。2023/2/635核工程檢測技術在半導體探測器中，射線的能量損失與生成的電子－空穴對的數目間的線性關系好．即輸出脈沖幅度與能量成正比，所以在能量的測量方面得到了廣泛的應用。此外還有分辨時間短，空間分辨率好，靈敏度高，體積小，壽命長，堅固耐用等優點。線性關系2023/2/636核工程檢測技術缺點

1)能量響應差，不能做絕對測量用；2)輸出的信號與輻照的劑量率有關，即輻射損傷效應（累計劑量達到一定程度后，響應會有很大變化）。3)長期穩定性不好；4)無需溫度、氣壓修正，但溫度變化會明顯增加探測器的暗電流，即輸出隨溫度的漂移大。

2023/2/637核工程檢測技術（4）半導體探測器的特性參數(1)靈敏區厚度(結區厚度)δ結區是半導休探測器的核心，它的厚度δ大小是探測器的關鍵。探測不同的入射粒子，則δ有所不同。探測α粒子，δ較小；探測γ射線和X射線，δ比較大；探測β射線，δ介于上述三種情況之間。面壘探測器δ有一定限制，故只宜探測。粒子能譜，對α效率高，而對γ、X射線的效率低。2023/2/638核工程檢測技術面壘靈敏區厚度可有電阻率ρ和外加反向電壓V給出可見，結區厚度δ與外加電壓V有關．所以對制成的面壘探測器，根據不同能量的入射粒子，可以選調適當的工作電壓來調節靈敏區(結區)厚度。2023/2/639核工程檢測技術

(2)結電容Cd

結電容Cd是呈現在半導體探測器兩極間的并聯電容，也即P－N結的電容，實驗證明平行板結電容為式中：ε為介電常數(硅ε＝11.8)；8.9為單位換算系數；s為靈敏區橫截面積(mm2)；δ為靈敏區厚度。2023/2/640核工程檢測技術對一制成的半導體探測器來說，ε、s是固定不變的，而只有δ可變，它的輸出脈沖為半導體探測的輸出電壓也與外加電壓V有關，這是由于結電容發生變化所致，是測量中不希望的現象，利用具有并聯電壓負反饋的電荷靈敏放大器即可以克服輸入電容變化的影響，使半導體探測器的輸出脈沖經過放大后的脈沖幅度只與電荷Q侖關，與Cd無關。2023/2/641核工程檢測技術（5）半導體探測器應用(1)在能量測量方面可以做成各種譜儀在α譜測量方面用面積為950mm2的P－N結型探測器，對5MeV的α粒子，半峰值寬度可做成β譜儀或γ譜儀，特別是用Ge(Li)的大體積探測器，其效率高．分辨能力好，適用于環境樣品γ能譜分析。(2)在放射性強度測量方面，主要利用它的低本底特性，做成各種低本底儀器和低能粒子測量儀器。2023/2/642核工程檢測技術(三)其他探測器1熱釋光劑量計

當射線作用于磷光體時，電子離開正常的位置向四周運動，直到被固體的晶格缺陷“俘獲”為止。在常溫下，電子停留在俘獲處的時間很長，加熱后則從陷阱中釋放出來。當電子返回到原來位置時就會發出藍－綠光，其發光產額經光電倍增管放大后，用電子線路對其亮度進行測量，由于劑量測量前必須消除磷光體中的貯存能量中心，因此測量結構是無法進行復查的，其測量范圍可以從幾毫倫一直到上千倫。2023/2/643核工程檢測技術2熒光玻璃劑量計(PRL)

當射線作用于銀激活磷酸鹽玻璃時，電子首光躍遷到導帶，而后又被俘獲在輻射光致發光中心，這里的束縛深度(或陷阱深度)較深，以致于用紫外線照射過程中，則發出橙色的熒光，這種效應稱為輻射光致發光。熒光玻璃劑量計就是根據這個原理用熒光計測量發光強度，而后換算出吸收劑量。2023/2/644核工程檢測技術(四)袖珍劑量計A－絕緣環；B－充電棒；C－固定的有金屬涂層的粗石英絲；D－可動的有金屬涂層的粗石英絲；E－金屬圓筒；F－刻度盤；G－石英絲的金屬支架2023/2/645核工程檢測技術把涂有金屬的兩條石英絲連接在一個圓柱狀電極上，其中一條是固定的，一條是可動的。先用電源給電極充電至最大值，也就是說讓可動石英絲偏轉到相應于刻度盤上零讀數的位置為止。當核輻射通過劑量計時，所產生的離子將由電極收集，從而逐漸減少電極上的純電荷量，這就逐漸減少可動石英絲的偏轉量，使它到達相應刻度盤上相應讀數的位置。2023/2/646核工程檢測技術第二節核反應堆堆外核測量核反應堆堆外測量的功能A運行功能：向操作員提供反應堆裝料、停堆、啟動直至功率運行各工況下的反應堆狀態信息。B安全功能：向反應堆保護系統提供多個緊急停堆信號核允許信號。2023/2/647核工程檢測技術一、反應堆功率測量方法反應堆的功率測量、是反應堆控制與安全保護的一個重要環節。雖然從反應推進、出口溫差與冷卻劑流量的測定可以給出功率，但這種測量信號對堆功率變化的響應太慢；而且在反應堆開始啟動或低功率運行時，溫差實際上不易測出或者很小。因此，這種方法測量范圍小、響應速度低，實際上不能用于堆控制。2023/2/648核工程檢測技術一般來說，反應堆功率內堆內單位時間裂變反應的總數來決定。雖然在235U每次裂變所放出的能量，大約有百分之十是在裂變碎片的衰變過程中逐漸放出的。但是當反應堆達到穩態功率運行，或處于功率變化不快而當作一個準靜態過程時，由于前一時刻的延發能星補償了后一時刻的延發能量，因而可以認為裂變釋放能都是瞬間釋放的。這樣，堆功率可以由單位時間內的總裂變數或中子通量給出。另一方面，中子通量測量還有響應快、量程寬等優點，所以目前壓水堆控制系統中的堆功率值都由中子通量給出。2023/2/649核工程檢測技術設堆內通量分布形狀不隨時間而變化，則總功率與堆內任一點的通量成正比。這時，用一個測點就可定出反應堆的功率。當探測器測點離開控制棒較遠時，移動控制棒所造成的局部擾動對測量的影響較小。或者說，測點離開堆芯越遠，堆芯通量分布疇變的影響越可忽略不計點堆模型越可近似應用。所以堆功率一船都是通過堆芯外的中子測量來得到的。當然，測點離開堆芯的距離，要受到探測器靈敏度的限制，本能太遠。2023/2/650核工程檢測技術

應該注意的是，在反應堆已由運行轉入停閉等特殊情況下，堆內瞬發能量已可以忽略，但延發的能足卻依舊十分可觀．亦即仍存在所謂剩余功率。這種剩余功率不能從通量的測量來得到，但是這時中子通量的測量仍舊十分重要，因為用它可以監測裂變速率、判斷反應堆是否處在次臨界狀態上，這正是低功率運行或停堆時的重要問題。2023/2/651核工程檢測技術堆控測量的另一個重要參數足反應堆周期T，它對安全運行，特別是對啟動過程具有很重要的意義。周期的定義為它反映了堆內中子功率變化的快慢程度。據此，在測得反應堆中子功率n后，通過對數及微分運算線路，即可得到周期的倒數1/T。2023/2/652核工程檢測技術二、中子通量的測量量程從反應堆啟動到額定功率運行，中子通量可變化10個量級以上。啟動時通量很低，這時最重要的是監測通量的變化速率，不使周期過短，以避免啟動事故；達到功率運行時，則必須監測功率數值，不使過高，以免超過熱工安全準則。但是一般測量儀器的量程有限，只能橫跨(3－4)個量級，個別的可達(7－8)個量級，所以須把中子通量的整個監測范圍分成幾個區域，再用不同量程的儀器把這個測量范圍銜接起來。2023/2/653核工程檢測技術2023/2/654核工程檢測技術大體說來，中子水平較低的用BF3正比計數管或裂變室。與之配合的電子線路大多是脈沖對數電路，外加一個微分電路，前者可以給出功率的對數值，后者可以得到周期指示及保護信號。在中子水平較高時，可采用γ補償電離室，是直接把中子探測器得到的電信號作對數和放大以及微分運算，從而得到對數功率及周期信號。在該區的測量中，信號的甄別是由中子探測器自身來完成的，這就是γ補償電離室。2023/2/655核工程檢測技術三、堆外核測量探測器（一）BF3正比計數管其原理如圖所示，硼吸收中子后發出α粒子使三氟化硼電離，一次電離所產生的電子在計數管內電場作用下加速并向集電極移動，它獲得的能量足以使其它分子電離，這些電子全部到中心電極后，在負載電阻上就產生一個電壓脈沖，脈沖頻率與中子通量水平成線性關系。2023/2/656核工程檢測技術（二）涂硼正比計數管工作原理：入射中子與硼發生核反應核反應產生的鋰離子和α粒子使氬氣電離，產生電子和正離子。在外電場的作用下，電子和正離子分別向陽極和陰極運動，形成電脈沖(α脈沖)。γ射線也產生電脈沖，但其幅值較小，可用甄別放大器將它和反應堆內其它的Y射線產生的小幅度脈沖濾除．只放大α脈沖，從而得到只與中子通量成比例的計數。2023/2/657核工程檢測技術（三）電離室電離室是基于探測入射粒子進入其內，與所充物質直接或間接相互作用時，使物質的原子或分子電離而產生的正負離子對來測量放射性強度或入射粒子能量的一種探測器。2023/2/658核工程檢測技術進人電極之間空間的帶電粒子將引起氣體分子電離，從而產生正負離子對，假如忽略正負離子的擴散和復合的話，則離子電流可以表達為e為電子電荷；A為電離室靈敏體積；N0為單位體積、單位時間內形成的離子對平均數若要知道電離電流瞬時值，則必須分別考慮正離于電流I＋和負離子(即電子)電流I－。2023/2/659核工程檢測技術電離室分長短兩種，長電離室與反應堆堆芯一樣長，它由二個結構完全招向的短電離室構成．分為上下二段。電離室的熱中子靈敏度一般為3.1x10－3A／單位中子通量，使用場合的熱中子通量范圍為102～1010n／(cm2·s)。裂變電離室是在電離室內部電極涂以235U，腔內充以惰性氣體，中子與235U發生作用，能產生帶高能的正負離子．從而增加電離室的靈敏度。2023/2/660核工程檢測技術（四）γ補償電離室一般電離室存在問題之一是選擇較差，它能探測到任何的電離輻射，特別是在有強γ場存在情況下，要探測的是中子，且中子通量與平均電流有關，那么就需要計及由于γ場引起的電流成份。γ射線引起的一部分電流是瞬發γ射線引起的，且正比于由中子引起的電流、它是指示反應堆功率水平的，而由γ射線引起的電流的其余部分是相對不變的，從而產生一個假信號。即一個不指示功率水平的信號。這個問題可用γ補償電離室來加以解決。2023/2/661核工程檢測技術較高時，脈沖較多無法計數，只能監測電流。補償電離室由于不涂硼，故僅對γ敏感，在補償電壓作用下只產生γ電流Iγ2

。流經負載電阻上的電流I為涂硼電離室對中子和γ敏感，在高壓作用下產生中子電流In和γ電流Iγ1，當中子通量若兩電離室對γ靈敏度相同，則，因此輸出電流I＝In。2023/2/662核工程檢測技術（五）長中子電離室長中子電離室由幾個短中子電離室組成。每一個短中子電離室是一個筒形容器，由高壓電極和收集極以及內充混合氣體（1％氦＋16％氮＋93％氬）組成。高壓電極內表面和收集極外表面涂硼。中子打入容器內與硼發生反應而產生的鋰離子和α粒子使混合氣體電離，產生正負離子對。在外加電場的作用下，正負離子分別向陰極和陽極(收集電極和高壓電極)運動，形成電脈沖。2023/2/663核工程檢測技術第三節核反應堆堆內核測量一、堆內核測量的作用與任務堆內中子通量檢測儀表的作用是來檢測穩態工況下堆芯徑向和軸向的熱中子通量分布，積累燃耗數據，以制定最佳換料方案，監視可能發生的功率分布振蕩，即堆內中子通量檢測系統要完成下列任務：證實計算的堆芯性能；證實堆芯的運行安全裕量；為燃料管理提供輸入數據；探測氙引起的功率不對稱性或振蕩的出現。2023/2/664核工程檢測技術二、堆內中子通量檢測系統及儀表檢測中于通量分布的系統分成兩種主要的類別：一類是在大量固定的位置上使用固定探測器件的系統，它能提供一維、二維或三維功率分布的信息；另一類是使用移動的(活動的)中子敏感器件，能進行對堆內中子能量的大量掃描，因此可以推得期望的功率分布信息，每一類系統都各有優點和缺點。2023/2/665核工程檢測技術反應堆運行期間，固定的探測器隨時都能向運行人員提供中子通量的數據。對在移動式探測器相繼掃描之間的時間間隔內發生的任何功率分布的反常現象，也能使用它們來發出警報或進行控制或保護。所以必須把它們制造成不要求對它們進行維修的，事實上，在換料期間，必須按計劃間隔進行更換。2023/2/666核工程檢測技術

移動式的或繪圖式的中子通量敏感元件系統，雖然不能在所有時刻對報警、控制或保護提供中子通量分布的信息，但卻能夠沿著它們經過的整個線路提供連續的中子通量分布以確信所觀察到的整個中子能量分布，即觀察到的是真實通量分布的一個準確的一維圖象。2023/2/667核工程檢測技術(一)微型裂變室其工作原理是：熱中子射入微型裂變室靈敏體內打在涂有二氧化鈉的電極上，使235U核發生裂變。重的帶正電的裂變碎片使氬氣電離，產生電子－正離子對。電子和正離子在外加電場作用下向兩極漂移而形成脈沖，脈沖疊加起來，則形成電流。檢測出電流大小，就可以測得中子通量。微型裂變室輸出平均電流為式中：Sn為微型裂變室對熱中子的靈敏度為檢測時的熱中子通量。2023/2/668核工程檢測技術(二)涂硼室涂硼室電離室的一個電極上涂上一層濃縮硼10B的膜。利用10B(n，α)7Li反應產生α粒子和7Li，這些次級帶電粒子在電離室中引起電流信號。由于記錄是累計電流．所以可用于高中子通量密度的測量。測量范圍為(105～1010)n／(cm2·s)。涂硼電離室可以作為移動式推芯內探頭的中子敏感元件，這是因為它暴露于中子輻照中的總時間僅僅是反應堆運行的總時間的一小部分，穿過整個芯部所要求的時間很少超過3分鐘，而穿過堆芯的頻率很少多于每個月一次，因此，用于移動式堆芯內探頭的涂硼電離室能滿意地工作多年。2023/2/669核工程檢測技術

(三)自給能探測器堆內檢測系統的檢測范圍是15％～100％額定功率，相當于熱中子通量為(1011～1014)n／(cm2·s)。1．自給能探測器的工作原理和種類置于輻射場中的二個相互絕緣的導體(或半導體)，由于帶電情況和程度不同，它們之間就產生了電勢差，若用導線連接它們，則導線中就會有電流流過，這種效應是輻射能量直接轉化而來的，其大小和變化反映出輻射場的特性和變化，自給能探測器就是利用這種現象制成的。2023/2/670核工程檢測技術在自給能探測器中是輻射能量直接使電極充電，因此就不需要極化電極以及電源。自給能探測器的測量方式有兩種，一種是測量充電電極之間的電勢差，這種測量方式多見于劑量儀表；另一種是用弱電流測量儀表連接兩個電極，測量流過的電流，這種情況多用于輻射監側儀表，自給能探測器主要有三種：β流中子探測器；內轉換中子探測器；自給能γ探測器。2023/2/671核工程檢測技術2.自給能中子探測器的結構這種探側器由發射體、絕緣體、收集極及電纜組成。中心電極稱為發射體，這是由中子靈敏材料制成。發射體是自給能中子探測的核心部分，它基本上決定了探測的物理特性。探測器的外殼即是收集體．它是由對中子不靈敏的材料(如因科鎳600，低錳不銹鋼或純鎳等)制成，材料的厚度通常是0.1mm；2023/2/672核工程檢測技術發射體和收集體之間是絕緣體，通常采用無機絕緣材料(如MgO、A12O3、BeO等)，絕緣體厚度通常為0.2mm左右，為了傳遞自給能探測器的信號必須使用電纜，電纜連接到探測器的一端，與探測器幾乎處于相同的強輻射場中，因此不能使用有機絕緣電纜，通常采用金屬外殼－無機絕緣－金屬芯線同軸電纜。2023/2/673核工程檢測技術(1)β流中子探測器β流中子探測器又稱延遲響應自給能中子探測器，在這類探測器小，發射體材料俘獲中子后形成短壽命的β放射性同位素。活化了發射體在β衰變過程中發射高能電于流．平衡時，電極間的電子流形成正比于中子通量的電流，我們測量這個電流就可測出中子通量。2023/2/674核工程檢測技術(2)內轉換中子探測器內轉換中子探測器又稱瞬時響應自給能中子探測器，其基本結構和β流中子探測器相同，在這類探測器中，發射體原子核俘獲中子之后形成處于激發狀態的復合核，復合核退激過程中輻射γ射線。γ射線與探測器材料通過康普頓散射，光電效應以及產生電子對等相互作用，轉換為電子，這些電子的發射．就形成了探測器的電流。2023/2/675核工程檢測技術

β流中子探測器，一般輸出信號強度大，可以用在反應堆堆芯通量描繪系統，能給出精確的通量分布；

內轉換自給能中子探測器由于器過程是在極短時間內發生，對中子場變化的響應是瞬時的，可以用于反應堆安全和控制系統。2023/2/676核工程檢測技術3．自給能γ探測器研究表明，動力堆γ核中子通量分布相近，因此在反應堆保護系統和功率分布測量應用γ探測器的問題，近年來有不少討論，因為這兩個系統中利用γ測量似乎都具有某些比中子測量更優越的地方，優點之一是γ探測器與中于探測器相比能夠在更大的體積內測量功率密度；優點之二是γ探測器的燃耗率一般可以忽略不計，其次是靈敏度不隨時間而變化等。2023/2/677核工程檢測技術入射的γ射線由發射體俘獲或者散射時產生康普頓電子和光子，這些電子的一部分逸出，相應地發射體上產生正電荷，探側器輸出一小電流，在平衡狀態下，探測器輸出的電流正比于其周圍的γ通量，因而測量這一電流的大小就可測出γ通量的大小。工作原理2023/2/678核工程檢測技術γ流中子探測器的優點是尺寸小，生產費用較低和電子設備較簡單。其缺點是響應時間較長，對中子能諾譜的變化較為靈敏以及從探測器單位長度輸出電流較小。所以它只限于用來測繪中子通量。2023/2/679核工程檢測技術第四節輻射劑量監測一、工藝過程的放射性輻射監測反應堆工藝輻射監測主要包括燃料元件包殼破損監測系統、蒸汽發生器(或熱交換器)破損監測系統、設備冷卻水放射性監測系統和工藝廢氣放射性監測系統。2023/2/680核工程檢測技術工藝輻射監測的主要作用是：在反應堆正常運行期間連續監測一回路系統內冷卻劑的放射性水平，及時發現燃料元件包完的破損；連續監測有關工藝設備、系統中流體的放射性水平，指示運行工況，為反應堆安全運行提供必要的數據；對那些可能向環境釋放的放射性流體進行監測，以保證廠區周圍環境的安全。2023/2/681核工程檢測技術(一)燃料元件破損監測反應堆一般使用帶有金屬包殼的核燃料。包殼的主要作用是包復燃料芯塊防止冷卻劑對燃料的化學腐蝕；包容放射性裂變產物，防止燃料和裂變產物進入冷卻劑中。核燃料元件受到高溫、高壓、高輻射的作用．還受到冷卻劑沖刷而引起的振動，都有可能引起燃料元件包殼的破損。2023/2/682核工程檢測技術

如果核燃料元件包殼破損，冷卻劑中裂變產物的濃度就會增加。所以，只要測定冷卻劑中裂變產物濃度就能判別元件包殼破損的程度。

監測的方法大致有：輻射監測法、緩發中子輻射測量法、裂變氣體的固體子體產物沉淀法、離子交換法、自動氣體色層譜分析法、過濾器分離裂變產物法等。2023/2/683核工程檢測技術1．緩發中子輻射監測法235U裂變時產生的瞬發中子占中子總數的99.3％．另外還有約0.7％的緩發中子。例如，裂變碎片和衰變時就會發射緩發中子。2023/2/684核工程檢測技術因此，測定冷卻劑樣品87Br中和137I所發射的緩發中子數目，就可以推定是否有核燃料元件包殼發生破損。可用BF3正比計數管測量緩發中子，將由慢化材料包覆的BF3計數管放入取冷卻劑樣品流的螺旋形管的中心，這樣，當燃料包殼破損后帶有裂變產物87Br和137I的冷卻劑流入螺旋管，由碎片發射的緩發中子經過慢化材料慢化后到達BF3正比計數管。2023/2/685核工程檢測技術為了提高測量的精確度，必須把由裂變產物釋放的中子與反應堆中因其它方式產生的中子區分開來。在以水作為冷卻劑的反應堆中，水中含的17O受中子照射后發生下列反應釋放中子，半衰期為4.11s。為了消除這類中子的影響，就需要延遲冷卻劑樣品流過的時間，所以，一般將監測點布設在冷卻劑自反應堆出口流經(1～1.5)min的地方。使半衰期為4.11s的核素17N得到充分的衰減。2023/2/686核工程檢測技術2.γ輻射監測法根據：測量冷卻劑中裂變產物衰變時發射的總γ活性，又稱總γ法。方法：通常把G－M計數管或NaI閃爍計數器直接布設在一回路冷卻劑管旁邊，測出冷卻劑中的γ活性。這種測量方法簡單，靈敏度高，但受本底影響嚴重。要求：測量中必須把裂變產物衰變的Y射線從本底中區分出來。2023/2/687核工程檢測技術分離方法

環境中的γ本底可以通過加強對測量裝置的屏蔽來解決；測量中應消除短壽命核素的影響，其方法是把監測點設置在距反應堆冷卻劑出口的適當的位置上，讓冷卻劑有足夠的流經時間，使短壽命的核素衰減掉；采用先進的測量方法也可以消除γ本底的影響；監測點設置在離子交換器的后面。樣品水經過離子交換器的凈化，大部分腐蝕產物核固態裂變產物已經除去。2023/2/688核工程檢測技術3．裂變氣體及其子代產物的測量法根據：

燃料元件包殼破損后，有一部分裂變氣體Kr和Xe經破口進入冷卻劑中；所以，只要能從冷卻劑中測出Xe和Kr的濃度，或測出它們的子代產物就能發現元件包殼的破損。這種方法的靈敏度高，是氣冷堆和水冷堆常用的方法之一。2023/2/689核工程檢測技術方法：

反應堆堆型不同，裂變氣體貯存的場所也不同。氣冷堆和壓水堆的裂變氣體絕大部分保存在一回路冷卻劑中。所以，對水冷卻反應堆而言．還必須在冷卻劑取樣回路上加一級氮氣和載體的氣水分離裝置。一般可用G－M計數管或NaI閃爍計數器直接測量被收集氣體的β或γ放射性。2023/2/690核工程檢測技術英國的卡德霍爾氣冷堆的靜電沉淀法是一種較為典型的方法，它的工作原理是：將一回路冷卻劑的取樣經過冷卻和過濾后送進靜電沉淀室，利用與氣流方向相垂直的電場，可將固態微粒Rb和Cs收集在負電極上。收集極通常是一個與高壓中心電極同軸的金屬圓筒。如果把G－M計數管安裝成與收集極同軸，就可進行β輻射的測量。也可將收集到的物質從收集極上沖洗下來，用β計數管或γ閃爍計數器進行Rb和Cs的衰變測試。2023/2/691核工程檢測技術在反應堆運行中，若從堆內劑出一個控制棒組件，為保持反應堆功率恒定，則應把其它部件的控制棒向堆芯下插，這樣，就導致堆內中子通量分布傾斜。如果在抽出控制捧組件附近有破損燃料元件，由于該處中子通量升高、核裂變反應應加劇，破損元件向冷卻劑釋放的裂變產物增多，冷卻劑中放射性水平增高，由此可以確定出破損燃料組件在堆內的大致位置。對壓水反應堆，可利用中子通量傾斜法，判斷出破損燃料元件在堆芯內的大致位置。2023/2/692核工程檢測技術中子通量傾斜法存在的問題是：測定時需要降低反應堆功率．然后再分區抽出控制棒組件，而每次抽出控制捧組件，都要對一回路冷卻劑放射性水平的變化進行觀察，很費時間。在反應堆停堆后，將被損燃料元件附近的一批組件移送到乏燃料貯存水池，然后用啜（chuò）漏試驗法對這一批燃料組件逐個進行測量，進而確定具體的破損燃料組件。2023/2/693核工程檢測技術濕啜法：停堆換料時將燃料元件放置在靜水中浸泡一定時間（使水中的碘的放射性積累到一定濃度）后，抽取樣品分別對131I和135I的比值進行鑒別。干啜法：停堆換料期間將燃料組件元件放置在一定容積的空氣中經一定時間后依靠燃料的剩余熱，使裂變氣體氪和氙通過燃料元件包殼的破損處向外釋放，抽取空氣樣品進行測試。2023/2/694核工程檢測技術(二)蒸汽發生器（或熱交換器）泄漏監測

1.蒸汽發生器排污水放射性監測一般從每臺蒸汽發生器的排污管連續取水樣，樣品水流經冷卻器冷卻和節流閥降壓后，由γ監測儀進行連續的放射性監測。

2.冷凝器抽氣器排氣放射性監測從冷凝器抽氣器排氣管引來的濕空氣，經汽水分離裝置分離出來的氣體，流經過濾盒、流量計、電磁閥，進入氣流β監測儀進行放射性測量。測量后的氣體經電磁閥、真空節流閥和抽氣泵排向總風管。2023/2/695核工程檢測技術二、廠區內放射性輻射監測

(一)廠區內的輻射源1.γ射線和中子形成的輻射場反應堆運行過程中，由于核裂變產生的γ射線和快中子，都具有很強的穿透能力，有可能穿過反應堆屏蔽層，構成外輻射場。盡管反應堆都設置了很厚的屏蔽層，但是，在某些反應堆中，設有引出中子或Y射線的實驗孔道和樣品輻照孔道等，因此破壞了屏蔽層的完整性。所以反應堆運行時，廠房內存在著Y射線和中子。2023/2/696核工程檢測技術冷卻劑中也含有放射性物質冷卻劑中含有冷卻劑回路和堆芯結構材料的腐蝕和磨損產物，主要核素是55Mn、54Fe、59Co等，這些核素隨冷卻劑流過堆芯而被活化；燃料元件制造中，包殼外面粘附的可裂變物的裂變產物直接進入冷卻劑中；反應維運行過程中也有少量的裂變產物經破損元件的破口進入冷卻劑；冷卻劑流過堆芯時本身也可能活化，冷卻劑流經的管道和設備都有可能變成很強的γ輻射源。2023/2/697核工程檢測技術

2.氣載放射源冷卻劑中有可能存在相當部分的氣體裂變產物，如果反應堆一回路系統的設備如泵、閥門和管道等破損或一回路系統進行某些工藝操作