49—2反應堆單晶硅輻照數據管理系統的設計與實論文

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行輻照，從而實現硅材料的磷摻雜，再經過必要的處理，獲得性能優良的N型(NTD)硅。使用該方法輻照後的N型硅具有摻雜均勻性好、精度高的優點。中子輻照摻雜方法，使原始單晶硅的利用率達到100% ，滿足了市場需求，大大提高了經濟效益。近年來，隨着市場需求的增長，單晶硅輻照的任務量與日遞增，客户的要求也進一步提高。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，這就對單晶硅輻照的管理和質量控制工作提出了更高的要求。由此提出了通過引入信息管理系統，優化現有輻照管理模式的建議。2011年，經過需求分析、研製開發、運行調試等過程，49-2堆成功建立了單晶硅輻照管理系統，並在工作實踐中的通過了有效性檢驗，大力保證了49-2堆單晶硅輻照工作高質、高效、安全、有序的開展。

1 149-2反應堆單晶硅輻照生產工藝與質量控制

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 輻照時間的計算

已知硅棒的原始和目標電阻率，通過控制單晶硅接受的中子注量，來控制摻雜後31p的濃度，其濃度決定單晶硅輻照後的和電阻率。輻照時間的計算公式：

(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表示摻雜係數，Фt表示中子注量，已知各孔道中子注量率，則可求輻照時間t。

1.2 輻照工藝流程(見圖1)

1.3 輻照裝置

49-2堆設置單晶硅生產直孔道共計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，通過金屬鏈與單晶硅吊蘭連接，吊車上的吊裝機構抓住吊裝孔後，可實現單晶硅的出入堆操作。未照硅預處理後碼放至操作平台，用機械手將硅放入吊蘭內，再用吊車吊入孔道內進行輻照。輻照時電機帶動硅樣品旋轉，以保證輻照的徑向均勻性。輻照裝置見圖2。

1.4 單晶硅輻照命中率和產量的控制

1.4.1 摻雜均勻性的控制

用硅樣品旋轉輻照的方法來保證。摻雜的軸向均勻性的控制，用倒頭或換位來保證。

1.4.2 控制輻照精度和產量的方法

(1)孔道積分通量的測定：49-2堆採用活化探測片(鋁鈷片)隨堆測量與退火數據跟蹤倒推法相結合的方式來測定各個輻照孔道的中子通量;(2)輻照時間控制：採用時間控制法控制輻照精度。使用時間和排位計算程序，根據原始數據進行計算，批量計算出每支硅所需要的輻照時間，並進行組罐和排位;(3)硅尺寸與輻照質量控制：輻照有效段在50 mm至450 mm，兩支硅總長度要求小於400 mm;中子注量率分佈不均(如圖4所示)，所以單支硅要求不超過220 mm;輻照中半時倒頭，保證軸向均勻性。

1.5 單晶硅輻照生產現狀

單支硅的平均重量約1kg，49-2堆每個運行週期約10天，產量約600 kg，摺合單週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，按平均重量摺合成支數約5000支。可見，單晶硅生產過程所需數據量是比較大的，現有的時間計算與排位程序解決了批量計算與排位的問題，但數據的檢索、糾錯、清點、批量處理等問題仍待解決。

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物以及與之對應的數據進行管理，對單晶硅數據的管理滲透到生產過程中的每一個環節。雖然輻照時間計算程序能夠成批量完成輻照時間計算、組合、排位、製表等工作，但其運行需要以詳實的原始數據作為支撐。

隨着單晶硅產業的不斷髮展壯大，原始的數據管理方式已經很難適應現今單晶硅輻照工作的需要。2011年初，在對比同行業單晶硅輻照管理先進模式，借鑑其他研究堆單晶硅輻照數據管理經驗的基礎上，49-2堆開展了單晶硅輻照數據管理系統的設計研究工作。

2.1 分析實際工作中所遇到的困難

舊的數據管理方式是簡單的將不同廠家、不同批次、不同入庫時間的原始數據存入不同的TXT文檔以及不同的文件夾中，進行粗獷式的管理。其主要缺點包括：

(1)沒有原始數據自動報錯的功能。

(2)不能提供實時的與庫存硅相對應的數據。

(3)不能對單晶硅的詳細數據進行精確查找。

(4)當單晶硅的某些屬性發生改動時，無法及時的對其數據進行更新。

(5)可視化效果不好，邏輯聯繫不清晰，不緊密，容易造成數據的混亂。

長期以來在單晶硅輻照工作中，還有很多老的數據管理方式所帶來的不便，由此產生的各種問題嚴重影響着49-2堆單晶硅輻照工作的順利開展，進而影響了單晶硅輻照的經濟效益。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題，作者提出了通過建立數據庫程序管理單晶硅數據並進而管理單晶硅生產的想法。基本的思路是對各廠家提供的每一隻硅的硅名、直徑、長度、硅型、原始電阻、目標電阻等原始數據進行分類管理，對輻照前與輻照後的各種狀態(未輻照硅、正在輻照、已輻照、部分輻照、不輻照)進行實時跟蹤管理，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現

(1)開發環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。相對普遍的開發環境保證了程序的可兼容性和可擴展性。

用兩台電腦組建小型網絡，可以同時訪問數據庫，工作可同時進行、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貨返回廠家，需經歷(未輻照、正在輻照、已輻照、部分輻照、不輻照)幾種狀態。因此，數據庫需要通過對這幾種狀態的標註和記錄，對單晶硅的輻照數據進行實時的跟蹤管理。

②需要在導入原始TXT格式數據進入數據庫的過程中，對原始數據進行糾錯處理，並提供報錯，以供核實和修正。

③需要將原始數據中的每一個單項區分為一類數據，以便操作人員分類查找和修改。

④需要設置入堆清單製作和導出項，導出的數據符合時間計算程序的格式要求。

⑤需要設置單晶硅出堆後的數據處理項，並要求可批量修改狀態，達到跟蹤記錄每支硅不同狀態的要求。

⑥需要對返照硅進行比對顯示，以挑出改檔返照硅。

⑦需要實時顯示查詢清單中數據的'總支數與總公斤數。

⑧可視化程度要高，人機交互界面應簡單明瞭易於理解掌握，對不同狀態的數據通過顏色進行區分。

(3)功能的實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文本格式數據分類導入數據庫，在導入過程中設置糾錯標準，對每支硅的各項參數進行逐一比對，並顯示結果，根據結果修改數據，再次導入。

②硅庫房查詢模塊：可查詢項依次包括：廠家、硅名、批次、硅型、輻照狀態、是否為返照、入庫時間、製作入堆清單時間、直徑範圍、長度範圍、重量、目標電阻範圍、備註情況。查詢結果的各分項將顯示在數據欄中，還要顯示符合查詢條件的支數、重量等參數，並且具備刪除和導出所查數據清單、更改與批量更改數據、增加備註等功能。

③建立入堆清單功能：開堆前，通過對產品庫未照硅進行查詢，根據輻照需要，建立對應的入堆新建清單，並且導出可供計算程序計算的txt文本格式，以計算輻照時間。該功能會自動記錄制單時間，以方便停堆後的出堆數據處理統計。

④輻照後的數據處理功能：停堆後經過5～7天的衰變，單晶硅出堆。此時，可通過查詢瀏覽與出堆界面，根據制單時間查到本次入堆的數據清單，並且根據單晶硅輻照表中人工記錄，進行批量統計和輻照狀態更改，將這些數據分類標定為已輻照、未照、部分輻照等，並用不同顏色顯示出來，支數重量顯示在數據界面中表格的上方。通過對輻照狀態的標定，確保數據庫與產量、庫房實際庫存數目相對應。該功能可導出出堆走料清單，以供廠家核對。

⑤單晶硅輻照數據管理系統運行流程。

3 應用過程的總結

3.1 在應用過程中，對比舊的數據管理方式，單晶硅數據庫管理軟件的優勢

(1)實現了數據糾錯，解決了人因的數據錄入失誤問題。

(2)實現了數據庫與庫房的實時對應，減少了檢點庫房的工作量，降低出錯概率。

(3)實現了對數據的批量、精確查找，提高了數據處理的工作效率。

(4)批量修改並提供備註，減少了因疏忽遺漏而造成的出錯概率。

(5)實現了數據管理的可視化，使各種數據操作清晰、直觀、明瞭，更易於理解與應用。

(6)應用數據庫後，工作人員出錯的概率減少了90%，使用的紙質文件減少為原來的1/3，工作量減少了3成。

3.2 幾點建議

(1)目前的輻照管理軟件對單支和批量硅的輻照時間沒有編寫計算程序，需導出文件進入原時間計算程序求得輻照時間。下一步可繼續開展這項工作，將時間計算程序與輻照管理軟件有機結合，進而以數據庫為基礎，用單晶硅輻照值班軟件的方式將現有的紙質值班表全部代替。屆時，記錄人員只需在軟件界面中完成點擊就可在電腦中準確記錄輻照對象、輻照孔道、入堆時間、出堆時間等詳細信息，軟件可智能提示出堆時間等信息，儘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採用退火數據倒推法及理論通量測量方法進行，準確率有所欠缺。今後如果加裝自給能探測器和中子注量積分器，並將其接入輻照管理系統中，結合輻照時間計算程序，進行出對時間提醒。這樣，可以大幅提高單晶硅輻照的命中率。

4 結語

文中介紹了49-2堆單晶硅輻照的工藝理論;而後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，結合先進的數據管理方法，對原有工作方式進行優化改良，從而設計和建立一套先進的單晶硅輻照數據管理系統的過程;最後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、保量順利進行。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，增加了輻照產量。對其他反應堆輻照應用工作，具有示範效果，並具有可借鑑、可移植的實際意義。