核电站氢气浓度传感器的制备与应用研究

摘要

福岛事故中氢气爆炸对全球核电站氢浓度监测的级别提出了更高要求。加强对安全壳内氢气浓度的监测变得非常重要。为了提高中国在役和在建核电厂的核安全水平，中国国家核安全局颁布了《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求》，在《通用技术要求》中特别强调了氢气监测与控制系统的改进要求。目前国内安全壳内氢气浓度监测方式主要分为两种:即抽出式测量方式和直接测量方式。与抽出式测量方式相比较，直接式测量方式具有在线连续测量，实时性好、测量精度高等优点，满足核安全法规和用户实际要求，适合新建和在建核电机组的安装和改造，也适合对其他相关场所如乏燃料厂房的氢气监测。但是，由于受到高温、高压、高放射性等恶劣环境条件的限制，核电站严重事故状态下，安全壳内直接测量用氢气传感器的研究开发一直是当今国内外核电站氢气浓度监测技术研究的难点，还没有成熟可靠的产品可以应用。因此，研发可靠的直接测量用氢气传感器具有非常重要的意义。
　　本文主要针对核电站安全壳内直接测量用氢气传感器的设计理论、技术和监测系统等进行了研究。论文的主要研究工作和成果如下:
　　(1)介绍了本文研究背景和目的，分析了当前核电站氢气浓度监测技术与氢气传感器的研究现状，分析了传统氢气传感器的优缺点，以及氢气传感器发展急待解决的问题。
　　(2)研究了氢气传感器的理论特征，分析了氢气监测技术相关参数对传感器的影响规律，建立了氢气传感器的数学模型，研究了钯-银合金配比与氢气溶解度的关系以及合金膜厚度与氧气浓度的关系，为钯-银合金氢气传感器的研发提供了理论基础。与此同时，为了克服以往基于纯钯的氢气传感器发生“氢脆”现象的缺陷，延长氢敏感薄膜的寿命，将银作为第二组份加入到纯钯之中作为检测氢气的气敏材料，选用钯-银合金体系作为氢气敏感材料，银的加入有效地改善了纯钯薄膜的微结构特征，避免了“氢脆”现象，从而防止了由于氢敏感薄膜脱落导致对氢气传感器产生的损害。
　　(3)在分析不同方式制备钯-银合金薄膜的优缺点的基础上，利用光化学蚀刻技术制作出折线型金属掩膜板，覆盖在瓷表面，先利用射频在陶瓷基底上生长一层五氧化二钽过渡层，然后再利用直流磁控溅射方法制备出钯-银合金复合薄膜，并对钯-银合金复合膜的各项性能进行了表征。
　　(4)在上述研究的基础上，对安全壳内氢气传感器的样机进行了一系列的性能指标测试。实验结果表明，本文研制的钯-银合金薄膜氢气传感器具有良好的检测效果，所测氢气浓度值达26％。
　　(5)为了检测氢气传感器输出的微弱电流信号，设计了低噪声放大电路、滤波电路、ADC与微处理器接口等监测系统硬件电路，开发了设备驱动程序和图形化监测系统应用程序软件，实现了氢气浓度值的动态监测与显示。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 核电站氢气浓度监测技术与系统

1．2．1 核电站氢气浓度监测技术

1．2．2 安全壳内氢气浓度测量系统

1．3 氢气浓度传感器的研究现状

1．3．1 氢敏感材料的主要类型

1．3．2 氢气传感器研究存在的问题

1．3．3 改进方法

1．4 本文主要研究内容

第2章 核电站氢浓度监测系统技术分析

2．1 引言

2．2 安全壳内氢气浓度测量技术

2．3 安全壳内氢浓度测量系统

2．3．1 安全壳外气体抽出式测量系统

2．3．2 安全壳内直接测量系统

2．3．3 两种氢浓度测量系统技术对比分析

2．4 本章小结

第3章 钯-银合金薄膜溅射模型

3．1 引言

3．2 钯-银合金薄膜溅射模型

3．2．1 钯-银合金配比与氢气溶解度的关系

3．2．2 钯-银合金薄膜溅射数学模型的建立

3．3 钯-银合金薄膜制备过程中存在的问题

3．3．1 基底的选择问题

3．3．2 附着力问题

3．3．3 提高薄膜与基体附着力的方法

3．4 本章小结

第4章 钯-银合金氢敏感元件的制备

4．1 引言

4．2 实验仪器及材料

4．3 金属掩模板蚀刻成型

4．3．1 光化学成型工艺

4．3．2 模板设计与制作

4．3．3 选材与清洗

4．3．4 蚀刻成型

4．3．5 测量分析

4．4 陶瓷片的预处理

4．5 溅射镀膜

4．5．1 溅射时间和薄膜厚度及电阻值关系

4．5．2 钯-银合金膜对传感器幅值响应和响应时间的影响

4．5．3 基底温度对钯-银合金薄膜结构和响应性能的影响

4．5．4 不同基底材料对钯-银合金薄膜电性能的影响

4．5．5 预溅射和原位热处理对钯-银合金薄膜质量的影响

4．6 本章小结

第5章 钯-银合金氢气传感器的实验测试

5．1 引言

5．2 钯-银合金氢气传感器的样机实现

5．3 氢气传感器样机的性能测试

5．3．1 实验测试装置

5．3．2 传感器对不同氢气浓度的输出响应

5．3．3 响应时间测试

5．3．4 重复性测试实验

5．3．5 温度测试实验

5．3．6 混合气体交叉实验

5．3．7 湿度测试实验

5．3．8 压力实验

5．4 本章小结

第6章 钯-银合金氢气传感器浓度监测系统设计

6．1 引言

6．2 监测系统总体结构设计

6．3 监测系统硬件设计

6．3．1 微弱信号的检测处理

6．3．2 放大器的噪声系数

6．3．3 信号源与输入级的匹配

6．3．4 低噪声放大电路

6．3．5 滤波电路设计

6．3．6 ADC与微处理器接口电路

6．4 监测系统软件设计

6．4．1 外围设备驱动程序设计

6．4．2 应用程序设计

6．5 监测系统实验性能分析

6．6 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介