本發(fā)明屬于輻射探測領(lǐng)域，涉及一種基于激光二極管的中子注量在線測試系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

中子注量是中子輻射效應(yīng)研究中的基本參數(shù)，研制體積小、易于操作、線性范圍好、不受γ輻射干擾且能夠?qū)崿F(xiàn)在線測試的中子注量探測器是不斷追求的目標(biāo)。由于幾乎所有的中子源都同時(shí)伴隨著γ射線的發(fā)射，尤其對(duì)于低n/γ比的混合場，γ射線強(qiáng)度不容忽視，同時(shí)，絕大多數(shù)的中子探測器對(duì)γ射線也敏感，這使得中子/γ混合輻射場中子注量的準(zhǔn)確測試難度加大。

目前，以反應(yīng)堆為代表的中子/γ混合輻射場中子注量測試經(jīng)常使用的是核激活法，核激活中子注量探測器具有極強(qiáng)的抗γ輻射能力，但不能在線測試，同時(shí)放射性活度測試技術(shù)較為復(fù)雜；ASTM提出了基于2N222A Si雙極晶體管的中子注量探測器，該探測器可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，但是當(dāng)中子注量與γ總劑量比值低于10¹¹n/(cm².Gy)時(shí)，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正以去除γ總劑量造成的損傷。包括電離室等在內(nèi)的其它中子注量探測器，均需要采取一定的措施以去除γ輻射的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有的中子注量探測器抗γ輻射能力差且不能在線測試的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于激光二極管的中子注量在線測試系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于激光二極管的中子注量在線測試系統(tǒng)，其特殊之處在于：包括激光二極管、電流源、光功率計(jì)和計(jì)算機(jī)；所述激光二極管的輸入端通過電流傳輸線與電流源相連，激光二極管的輸出端通過光纖與光功率計(jì)相連；所述電流源和光功率計(jì)均與計(jì)算機(jī)相連。

上述激光二極管為基于III-V材料系的多量子阱激光二極管。

上述激光二極管為GaAs激光二極管。

上述電流源和光功率計(jì)通過GPIB-USB轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)相連。

本發(fā)明還提供一種基于激光二極管的中子注量在線測試方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

1】安裝如權(quán)利要求1所述的基于激光二極管的中子注量在線測試系統(tǒng)；

2】將激光二極管放置于反應(yīng)堆輻照腔內(nèi)指定位置；

3】開堆前對(duì)激光二極管P-I特性曲線進(jìn)行掃描，并計(jì)算出輻照前的閾值電流I_thr0；

4】開堆輻照激光二極管，輻照到標(biāo)定注量φ_r后再次掃描P-I特性曲線，并計(jì)算出閾值電流I_thr；

5】標(biāo)定激光二極管的閾值電流損傷系數(shù)k：

6】將標(biāo)定過的激光二極管放置于反應(yīng)堆輻照腔內(nèi)的待測位置，進(jìn)行開堆前P-I特性曲線的掃描，計(jì)算出閾值電流，并將該閾值電流作為新的初始閾值電流I_th0；

7】開啟反應(yīng)堆進(jìn)行中子輻照實(shí)驗(yàn)，輻照到待測注量在線測試激光二極管的閾值電流I_thφ；

8】確定中子注量φ：

步驟4】中的標(biāo)定注量φ_r由監(jiān)控箔活性來確定。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明提供了一種中子/γ混合輻射場中子注量的測試方法，該方法具備了探測器體積小、易于操作、線性范圍好、抗γ輻射能力強(qiáng)且能夠?qū)崿F(xiàn)在線測試的綜合性能。

(2)本發(fā)明中的量子阱結(jié)構(gòu)激光二極管抗γ輻射能力很強(qiáng)，測試結(jié)果不受γ輻射所影響，因此不需進(jìn)行γ效應(yīng)修正，簡化了測試步驟，降低了測試難度和誤差。

(3)本發(fā)明中的量子阱結(jié)構(gòu)激光二極管閾值電流與中子注量呈線性關(guān)系，標(biāo)定及測試簡單；同時(shí)激光二極管閾值電流不受光纖等附屬光學(xué)元件的輻射效應(yīng)所影響，測試結(jié)果準(zhǔn)確。

(4)本發(fā)明通過編程控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)中子注量的在線測試，操作簡單、速度快、重復(fù)性好，測試效率高。

(5)本發(fā)明中作為探測器的量子阱結(jié)構(gòu)激光二極管體積小，可實(shí)現(xiàn)中子注量的空間分布測試。

(6)本發(fā)明中的方法可以推廣應(yīng)用于不同中子源、不同質(zhì)子源、中子源與質(zhì)子源之間的位移損傷等效系數(shù)的確定，應(yīng)用范圍廣泛。

附圖說明

圖1為激光二極管不同總劑量輻照下的P-I特性。

圖2為激光二極管受中子輻照后與輻照前閾值電流的比值隨中子注量的變化關(guān)系。

圖3為激光二極管光功率隨驅(qū)動(dòng)電流的變化關(guān)系。

圖4為GaAs材料位移損傷函數(shù)隨中子能量的變化關(guān)系。

圖5為本發(fā)明基于激光二極管的中子注量在線測試系統(tǒng)示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出了一種中子/γ混合輻射場中子注量的測試方法，該方法具備了探測器體積小、易于操作、線性范圍好、抗γ輻射能力強(qiáng)且能夠?qū)崿F(xiàn)在線測試的綜合性能。圖1給出了FP腔激光二極管的典型總劑量輻照實(shí)驗(yàn)結(jié)果，輻照到5.5M rad(Si)總劑量激光二極管P-I特性曲線只有很小變化，表現(xiàn)出極強(qiáng)的抗總劑量能力。

本發(fā)明利用量子阱結(jié)構(gòu)激光二極管作為探測器，依據(jù)激光二極管閾值電流隨中子注量的增大呈線性變化關(guān)系，即有

式中I_th0是輻照前激光二極管閾值電流，I_thφ是輻照中子注量累積到φ時(shí)激光二極管的閾值電流，k是激光二極管閾值電流損傷系數(shù)。通過在線監(jiān)測激光二極管閾值電流的變化，就可以獲得中子注量。圖2給出的是多量子阱激光二極管受反應(yīng)堆中子輻照后閾值電流與輻照前閾值電流之比值隨輻照中子注量的變化關(guān)系，顯然二者呈線性關(guān)系，線性關(guān)系的斜率是激光二極管閾值電流損傷系數(shù)。

完成對(duì)光功率計(jì)及電流源(或者是光電探測器與雙通道源表)的計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)光功率(p)隨驅(qū)動(dòng)電流(I)變化數(shù)據(jù)的在線測試，如圖3所示。光功率-正向電流曲線上自發(fā)輻射段與受激輻射段的切線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流值即為激光二極管的閾值電流，圖3中所示位置。

選用基于III-V材料系的多量子阱激光二極管實(shí)現(xiàn)探測器的抗γ輻照能力。與大部分Si器件不同，基于III-V材料系的多量子阱激光二極管抗總劑量能力很強(qiáng)，國外針對(duì)商用AlGaInP多量子阱激光二極管的γ輻射效應(yīng)研究結(jié)果表明：總劑量達(dá)到96Mrad，激光二極管的閾值電流沒有變化。

各能段中子均會(huì)造成III-V材料的位移損傷，圖4給出的是GaAs材料位移損傷函數(shù)隨中子能量的變化，因此基于III-V材料系的多量子阱激光二極管可實(shí)現(xiàn)全譜中子注量的測試。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

如圖5所示，多量子阱激光二極管封裝為尾纖輸出形式，放置于反應(yīng)堆輻照腔內(nèi)，由電流源長線驅(qū)動(dòng)激光二極管，激光二極管輸出光通過光纖引出至光功率計(jì)，通過計(jì)算機(jī)控制電流源和光功率計(jì)，實(shí)現(xiàn)光功率隨驅(qū)動(dòng)電流變化數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與存儲(chǔ)，根據(jù)P-I特性曲線計(jì)算出閾值電流。

本發(fā)明提供的基于激光二極管的中子注量在線測試方法較佳實(shí)施例步驟如下：

(1)連接由光功率計(jì)、電流源和計(jì)算機(jī)組成的測試系統(tǒng)，并預(yù)熱光功率計(jì)。

(2)將探測用尾纖輸出激光二極管放置于反應(yīng)堆中子輻照腔內(nèi)指定位置，利用光纖連接器將傳輸光纖與激光二極管尾纖連接，將傳輸光纖另一端引出并連接至光功率計(jì)探頭。

(3)開堆前對(duì)激光二極管P-I特性曲線進(jìn)行掃描，并計(jì)算出輻照前的閾值電流I_thr0。

(4)開堆輻照激光二極管，輻照到標(biāo)定注量φ_r后再次掃描P-I特性曲線，并計(jì)算出閾值電流I_thr。其中標(biāo)定注量φ_r由監(jiān)控箔活性來確定。

(5)標(biāo)定激光二極管的閾值電流損傷系數(shù)k，即有

(6)將標(biāo)定過的激光二極管放置于反應(yīng)堆中子輻照腔內(nèi)的待測位置，進(jìn)行開堆前P-I特性曲線的掃描，計(jì)算出閾值電流，并將該閾值電流作為新一輪的初始閾值電流I_th0。

(7)開啟反應(yīng)堆進(jìn)行中子輻照實(shí)驗(yàn)，輻照到待測注量在線測試激光二極管的閾值電流I_thφ。

(8)確定中子注量φ，即有