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49—2反應堆單晶硅輻照數據管理系統的設計與實(shí)論文
對單晶硅的中子嬗變摻雜，是將原始單晶硅放入反應堆孔道中進(jìn)行輻照，從而實(shí)現硅材料的磷摻雜，再經(jīng)過(guò)必要的處理，獲得性能優(yōu)良的N型(NTD)硅。使用該方法輻照后的N型硅具有摻雜均勻性好、精度高的優(yōu)點(diǎn)。中子輻照摻雜方法，使原始單晶硅的利用率達到100% ，滿(mǎn)足了市場(chǎng)需求，大大提高了經(jīng)濟效益。近年來(lái)，隨著(zhù)市場(chǎng)需求的增長(cháng)，單晶硅輻照的任務(wù)量與日遞增，客戶(hù)的要求也進(jìn)一步提高。現有的輻照管理模式中存在的一些弊端，在新形式下逐漸顯露出來(lái)，這就對單晶硅輻照的管理和質(zhì)量控制工作提出了更高的要求。由此提出了通過(guò)引入信息管理系統，優(yōu)化現有輻照管理模式的建議。2011年，經(jīng)過(guò)需求分析、研制開(kāi)發(fā)、運行調試等過(guò)程，49-2堆成功建立了單晶硅輻照管理系統，并在工作實(shí)踐中的通過(guò)了有效性檢驗，大力保證了49-2堆單晶硅輻照工作高質(zhì)、高效、安全、有序的開(kāi)展。
1 149-2反應堆單晶硅輻照生產(chǎn)工藝與質(zhì)量控制
1.1 單晶硅輻照摻雜原理
1.1.1 單晶硅輻照摻雜的核物理過(guò)程
單晶硅輻照摻雜的主要核反應為：30Si(n，γ) 31Si→31p。
1.1.2 輻照時(shí)間的計算
已知硅棒的原始和目標電阻率，通過(guò)控制單晶硅接受的中子注量，來(lái)控制摻雜后31p的濃度，其濃度決定單晶硅輻照后的和電阻率。輻照時(shí)間的計算公式：
(1)設原始為N型的單晶硅，電阻率為o，輻照目標電阻率t，則有：
Фt=K·(1/t-1/o) (1)
(2)設原始為P型的單晶硅，電阻率為o，輻照目標為N型、電阻率t，則有：
Фt=K·(1/t+3/o) (2)
(3)設原始為N/P型的單晶硅，輻照目標為N型、電阻率t，則有：
Фt=K·1/t (3)
K表示摻雜系數，Фt表示中子注量，已知各孔道中子注量率，則可求輻照時(shí)間t。
1.2 輻照工藝流程(見(jiàn)圖1)
1.3 輻照裝置
49-2堆設置單晶硅生產(chǎn)直孔道共計20根，其中9根(Ф70 mm×1.5 mm)固定在堆芯反射層內，另外11根(Ф125 mm×4 mm)固定在堆芯反射層外。孔道為濕孔道。
旋轉電機固定在渦頭內，渦頭上部有吊裝孔，通過(guò)金屬鏈與單晶硅吊蘭連接，吊車(chē)上的吊裝機構抓住吊裝孔后，可實(shí)現單晶硅的出入堆操作。未照硅預處理后碼放至操作平臺，用機械手將硅放入吊蘭內，再用吊車(chē)吊入孔道內進(jìn)行輻照。輻照時(shí)電機帶動(dòng)硅樣品旋轉，以保證輻照的徑向均勻性。輻照裝置見(jiàn)圖2。
1.4 單晶硅輻照命中率和產(chǎn)量的控制
1.4.1 摻雜均勻性的控制
用硅樣品旋轉輻照的方法來(lái)保證。摻雜的軸向均勻性的控制，用倒頭或換位來(lái)保證。
1.4.2 控制輻照精度和產(chǎn)量的方法
(1)孔道積分通量的測定：49-2堆采用活化探測片(鋁鈷片)隨堆測量與退火數據跟蹤倒推法相結合的方式來(lái)測定各個(gè)輻照孔道的中子通量;(2)輻照時(shí)間控制：采用時(shí)間控制法控制輻照精度。使用時(shí)間和排位計算程序，根據原始數據進(jìn)行計算，批量計算出每支硅所需要的輻照時(shí)間，并進(jìn)行組罐和排位;(3)硅尺寸與輻照質(zhì)量控制：輻照有效段在50 mm至450 mm，兩支硅總長(cháng)度要求小于400 mm;中子注量率分布不均(如圖4所示)，所以單支硅要求不超過(guò)220 mm;輻照中半時(shí)倒頭，保證軸向均勻性。
1.5 單晶硅輻照生產(chǎn)現狀
單支硅的平均重量約1kg，49-2堆每個(gè)運行周期約10天，產(chǎn)量約600 kg，折合單周期輻照單晶硅支數約為600支;單晶硅庫房通常情況下存放單晶硅約5 t，按平均重量折合成支數約5000支。可見(jiàn)，單晶硅生產(chǎn)過(guò)程所需數據量是比較大的，現有的時(shí)間計算與排位程序解決了批量計算與排位的問(wèn)題，但數據的檢索、糾錯、清點(diǎn)、批量處理等問(wèn)題仍待解決。
2 單晶硅輻照數據管理程序的設計與建立
單晶硅輻照管理的主要內容是對單晶硅的實(shí)物以及與之對應的數據進(jìn)行管理，對單晶硅數據的管理滲透到生產(chǎn)過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節。雖然輻照時(shí)間計算程序能夠成批量完成輻照時(shí)間計算、組合、排位、制表等工作，但其運行需要以詳實(shí)的原始數據作為支撐。
隨著(zhù)單晶硅產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展壯大，原始的數據管理方式已經(jīng)很難適應現今單晶硅輻照工作的需要。2011年初，在對比同行業(yè)單晶硅輻照管理先進(jìn)模式，借鑒其他研究堆單晶硅輻照數據管理經(jīng)驗的基礎上，49-2堆開(kāi)展了單晶硅輻照數據管理系統的設計研究工作。
2.1 分析實(shí)際工作中所遇到的困難
舊的數據管理方式是簡(jiǎn)單的將不同廠(chǎng)家、不同批次、不同入庫時(shí)間的原始數據存入不同的TXT文檔以及不同的文件夾中，進(jìn)行粗獷式的管理。其主要缺點(diǎn)包括：
(1)沒(méi)有原始數據自動(dòng)報錯的功能。
(2)不能提供實(shí)時(shí)的與庫存硅相對應的數據。
(3)不能對單晶硅的詳細數據進(jìn)行精確查找。
(4)當單晶硅的某些屬性發(fā)生改動(dòng)時(shí)，無(wú)法及時(shí)的對其數據進(jìn)行更新。
(5)可視化效果不好，邏輯聯(lián)系不清晰，不緊密，容易造成數據的混亂。
長(cháng)期以來(lái)在單晶硅輻照工作中，還有很多老的數據管理方式所帶來(lái)的不便，由此產(chǎn)生的各種問(wèn)題嚴重影響著(zhù)49-2堆單晶硅輻照工作的順利開(kāi)展，進(jìn)而影響了單晶硅輻照的經(jīng)濟效益。因此單晶硅輻照數據管理系統的設計與建立勢在必行。2.2 設計思想的建立
針對前面所提到的問(wèn)題，作者提出了通過(guò)建立數據庫程序管理單晶硅數據并進(jìn)而管理單晶硅生產(chǎn)的想法。基本的思路是對各廠(chǎng)家提供的每一只硅的硅名、直徑、長(cháng)度、硅型、原始電阻、目標電阻等原始數據進(jìn)行分類(lèi)管理，對輻照前與輻照后的各種狀態(tài)(未輻照硅、正在輻照、已輻照、部分輻照、不輻照)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤管理，為庫房的庫存硅與歷史數據提供核對依據。
2.3 單晶硅輻照管理系統的設計與功能實(shí)現
(1)開(kāi)發(fā)環(huán)境程序運行在現階段廣泛使用的winXP系統下，使用SQLserver2000建立數據庫，用Power Builder建立界面程序。相對普遍的開(kāi)發(fā)環(huán)境保證了程序的可兼容性和可擴展性。
用兩臺電腦組建小型網(wǎng)絡(luò )，可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)數據庫，工作可同時(shí)進(jìn)行、互不妨礙，提高了數據利用率和工作效率。
(2)需求分析根據現有工作方式存在的缺陷，提出了程序設計的需求分析。
①單晶硅從運至我單位到發(fā)貨返回廠(chǎng)家，需經(jīng)歷(未輻照、正在輻照、已輻照、部分輻照、不輻照)幾種狀態(tài)。因此，數據庫需要通過(guò)對這幾種狀態(tài)的標注和記錄，對單晶硅的輻照數據進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤管理。
②需要在導入原始TXT格式數據進(jìn)入數據庫的過(guò)程中，對原始數據進(jìn)行糾錯處理，并提供報錯，以供核實(shí)和修正。
③需要將原始數據中的每一個(gè)單項區分為一類(lèi)數據，以便操作人員分類(lèi)查找和修改。
④需要設置入堆清單制作和導出項，導出的數據符合時(shí)間計算程序的格式要求。
⑤需要設置單晶硅出堆后的數據處理項，并要求可批量修改狀態(tài)，達到跟蹤記錄每支硅不同狀態(tài)的要求。
⑥需要對返照硅進(jìn)行比對顯示，以挑出改檔返照硅。
⑦需要實(shí)時(shí)顯示查詢(xún)清單中數據的總支數與總公斤數。
⑧可視化程度要高，人機交互界面應簡(jiǎn)單明了易于理解掌握，對不同狀態(tài)的數據通過(guò)顏色進(jìn)行區分。
(3)功能的實(shí)現針對上述需求分析，我們設計了單晶硅數據庫管理系統。具體功能如下。
①新數據入庫模塊：將原始的txt文本格式數據分類(lèi)導入數據庫，在導入過(guò)程中設置糾錯標準，對每支硅的各項參數進(jìn)行逐一比對，并顯示結果，根據結果修改數據，再次導入。
②硅庫房查詢(xún)模塊：可查詢(xún)項依次包括：廠(chǎng)家、硅名、批次、硅型、輻照狀態(tài)、是否為返照、入庫時(shí)間、制作入堆清單時(shí)間、直徑范圍、長(cháng)度范圍、重量、目標電阻范圍、備注情況。查詢(xún)結果的各分項將顯示在數據欄中，還要顯示符合查詢(xún)條件的支數、重量等參數，并且具備刪除和導出所查數據清單、更改與批量更改數據、增加備注等功能。
③建立入堆清單功能：開(kāi)堆前，通過(guò)對產(chǎn)品庫未照硅進(jìn)行查詢(xún)，根據輻照需要，建立對應的入堆新建清單，并且導出可供計算程序計算的txt文本格式，以計算輻照時(shí)間。該功能會(huì )自動(dòng)記錄制單時(shí)間，以方便停堆后的出堆數據處理統計。
④輻照后的數據處理功能：停堆后經(jīng)過(guò)5～7天的衰變，單晶硅出堆。此時(shí)，可通過(guò)查詢(xún)?yōu)g覽與出堆界面，根據制單時(shí)間查到本次入堆的數據清單，并且根據單晶硅輻照表中人工記錄，進(jìn)行批量統計和輻照狀態(tài)更改，將這些數據分類(lèi)標定為已輻照、未照、部分輻照等，并用不同顏色顯示出來(lái)，支數重量顯示在數據界面中表格的上方。通過(guò)對輻照狀態(tài)的標定，確保數據庫與產(chǎn)量、庫房實(shí)際庫存數目相對應。該功能可導出出堆走料清單，以供廠(chǎng)家核對。
⑤單晶硅輻照數據管理系統運行流程。
3 應用過(guò)程的總結
3.1 在應用過(guò)程中，對比舊的數據管理方式，單晶硅數據庫管理軟件的優(yōu)勢
(1)實(shí)現了數據糾錯，解決了人因的數據錄入失誤問(wèn)題。
(2)實(shí)現了數據庫與庫房的實(shí)時(shí)對應，減少了檢點(diǎn)庫房的工作量，降低出錯概率。
(3)實(shí)現了對數據的批量、精確查找，提高了數據處理的工作效率。
(4)批量修改并提供備注，減少了因疏忽遺漏而造成的出錯概率。
(5)實(shí)現了數據管理的可視化，使各種數據操作清晰、直觀(guān)、明了，更易于理解與應用。
(6)應用數據庫后，工作人員出錯的幾率減少了90%，使用的紙質(zhì)文件減少為原來(lái)的1/3，工作量減少了3成。
3.2 幾點(diǎn)建議
(1)目前的輻照管理軟件對單支和批量硅的輻照時(shí)間沒(méi)有編寫(xiě)計算程序，需導出文件進(jìn)入原時(shí)間計算程序求得輻照時(shí)間。下一步可繼續開(kāi)展這項工作，將時(shí)間計算程序與輻照管理軟件有機結合，進(jìn)而以數據庫為基礎，用單晶硅輻照值班軟件的方式將現有的紙質(zhì)值班表全部代替。屆時(shí)，記錄人員只需在軟件界面中完成點(diǎn)擊就可在電腦中準確記錄輻照對象、輻照孔道、入堆時(shí)間、出堆時(shí)間等詳細信息，軟件可智能提示出堆時(shí)間等信息，盡可能避免人因誤操作，大幅提高輻照的整體命中率。
(2)目前單晶硅輻照孔道，沒(méi)有安裝自給能中子探測器和中子注量積分器，對孔道通量的測量還需采用退火數據倒推法及理論通量測量方法進(jìn)行，準確率有所欠缺。今后如果加裝自給能探測器和中子注量積分器，并將其接入輻照管理系統中，結合輻照時(shí)間計算程序，進(jìn)行出對時(shí)間提醒。這樣，可以大幅提高單晶硅輻照的命中率。
4 結語(yǔ)
文中介紹了49-2堆單晶硅輻照的工藝理論;而后主要論述了在深入調研原有單晶硅輻照管理工作中存在不足的基礎上，結合先進(jìn)的數據管理方法，對原有工作方式進(jìn)行優(yōu)化改良，從而設計和建立一套先進(jìn)的單晶硅輻照數據管理系統的過(guò)程;最后對輻照數據管理系統研究的下一步研究做出了展望。
單晶硅輻照數據管理系統的建立與應用，保證了單晶硅輻照工作得以安全、有序、保質(zhì)、保量順利進(jìn)行。為49-2室的單晶硅輻照工作提高了輻照效率、節約了輻照成本，增加了輻照產(chǎn)量。對其他反應堆輻照應用工作，具有示范效果，并具有可借鑒、可移植的實(shí)際意義。
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