49—2反应堆单晶硅辐照数据管理系统的设计与实

　　对单晶硅的中子嬗变掺杂，是将原始单晶硅放入反应堆孔道中进行辐照，从而实现硅材料的磷掺杂，再经过必要的处理，获得性能优良的N型(NTD)硅。使用该方法辐照后的N型硅具有掺杂均匀性好、精度高的优点。中子辐照掺杂方法，使原始单晶硅的利用率达到100% ，满足了市场需求，大大提高了经济效益。近年来，随着市场需求的增长，单晶硅辐照的任务量与日递增，客户的要求也进一步提高。现有的辐照管理模式中存在的一些弊端，在新形式下逐渐显露出来，这就对单晶硅辐照的管理和质量控制工作提出了更高的要求。由此提出了通过引入信息管理系统，优化现有辐照管理模式的建议。2011年，经过需求分析、研制开发、运行调试等过程，49-2堆成功建立了单晶硅辐照管理系统，并在工作实践中的通过了有效性检验，大力保证了49-2堆单晶硅辐照工作高质、高效、安全、有序的开展。

　　1 149-2反应堆单晶硅辐照生产工艺与质量控制

　　1.1 单晶硅辐照掺杂原理

　　1.1.1 单晶硅辐照掺杂的核物理过程

　　单晶硅辐照掺杂的主要核反应为：30Si(n，γ) 31Si→31p。

　　1.1.2 辐照时间的计算

　　已知硅棒的原始和目标电阻率，通过控制单晶硅接受的中子注量，来控制掺杂后31p的浓度，其浓度决定单晶硅辐照后的和电阻率。辐照时间的计算公式：

　　(1)设原始为N型的单晶硅，电阻率为ρo，辐照目标电阻率ρt，则有：

　　Фt=K·(1/ρt-1/ρo) (1)

　　(2)设原始为P型的单晶硅，电阻率为ρo，辐照目标为N型、电阻率ρt，则有：

　　Фt=K·(1/ρt+3/ρo) (2)

　　(3)设原始为N/P型的单晶硅，辐照目标为N型、电阻率ρt，则有：

　　Фt=K·1/ρt (3)

　　K表示掺杂系数，Фt表示中子注量，已知各孔道中子注量率，则可求辐照时间t。

　　1.2 辐照工艺流程(见图1)

　　1.3 辐照装置

　　49-2堆设置单晶硅生产直孔道共计20根，其中9根(Ф70 mm×1.5 mm)固定在堆芯反射层内，另外11根(Ф125 mm×4 mm)固定在堆芯反射层外。孔道为湿孔道。

　　旋转电机固定在涡头内，涡头上部有吊装孔，通过金属链与单晶硅吊兰连接，吊车上的吊装机构抓住吊装孔后，可实现单晶硅的出入堆操作。未照硅预处理后码放至操作平台，用机械手将硅放入吊兰内，再用吊车吊入孔道内进行辐照。辐照时电机带动硅样品旋转，以保证辐照的径向均匀性。辐照装置见图2。

　　1.4 单晶硅辐照命中率和产量的控制

　　1.4.1 掺杂均匀性的控制

　　用硅样品旋转辐照的方法来保证。掺杂的轴向均匀性的控制，用倒头或换位来保证。

　　1.4.2 控制辐照精度和产量的方法

　　(1)孔道积分通量的测定：49-2堆采用活化探测片(铝钴片)随堆测量与退火数据跟踪倒推法相结合的方式来测定各个辐照孔道的中子通量;(2)辐照时间控制：采用时间控制法控制辐照精度。使用时间和排位计算程序，根据原始数据进行计算，批量计算出每支硅所需要的辐照时间，并进行组罐和排位;(3)硅尺寸与辐照质量控制：辐照有效段在50 mm至450 mm，两支硅总长度要求小于400 mm;中子注量率分布不均(如图4所示)，所以单支硅要求不超过220 mm;辐照中半时倒头，保证轴向均匀性。

　　1.5 单晶硅辐照生产现状

　　单支硅的平均重量约1kg，49-2堆每个运行周期约10天，产量约600 kg，折合单周期辐照单晶硅支数约为600支;单晶硅库房通常情况下存放单晶硅约5 t，按平均重量折合成支数约5000支。可见，单晶硅生产过程所需数据量是比较大的，现有的时间计算与排位程序解决了批量计算与排位的问题，但数据的检索、纠错、清点、批量处理等问题仍待解决。

　　2 单晶硅辐照数据管理程序的设计与建立

　　单晶硅辐照管理的主要内容是对单晶硅的实物以及与之对应的数据进行管理，对单晶硅数据的管理渗透到生产过程中的每一个环节。虽然辐照时间计算程序能够成批量完成辐照时间计算、组合、排位、制表等工作，但其运行需要以详实的原始数据作为支撑。

　　随着单晶硅产业的不断发展壮大，原始的数据管理方式已经很难适应现今单晶硅辐照工作的需要。2011年初，在对比同行业单晶硅辐照管理先进模式，借鉴其他研究堆单晶硅辐照数据管理经验的基础上，49-2堆开展了单晶硅辐照数据管理系统的设计研究工作。

　　2.1 分析实际工作中所遇到的困难

　　旧的数据管理方式是简单的将不同厂家、不同批次、不同入库时间的原始数据存入不同的TXT文档以及不同的文件夹中，进行粗犷式的管理。其主要缺点包括：

　　(1)没有原始数据自动报错的功能。

　　(2)不能提供实时的与库存硅相对应的数据。

　　(3)不能对单晶硅的详细数据进行精确查找。

　　(4)当单晶硅的某些属性发生改动时，无法及时的对其数据进行更新。

　　(5)可视化效果不好，逻辑联系不清晰，不紧密，容易造成数据的混乱。

　　长期以来在单晶硅辐照工作中，还有很多老的数据管理方式所带来的不便，由此产生的各种问题严重影响着49-2堆单晶硅辐照工作的顺利开展，进而影响了单晶硅辐照的经济效益。因此单晶硅辐照数据管理系统的设计与建立势在必行。2.2 设计思想的建立

　　针对前面所提到的问题，作者提出了通过建立数据库程序管理单晶硅数据并进而管理单晶硅生产的想法。基本的思路是对各厂家提供的每一只硅的硅名、直径、长度、硅型、原始电阻、目标电阻等原始数据进行分类管理，对辐照前与辐照后的各种状态(未辐照硅、正在辐照、已辐照、部分辐照、不辐照)进行实时跟踪管理，为库房的库存硅与历史数据提供核对依据。

　　2.3 单晶硅辐照管理系统的设计与功能实现

　　(1)开发环境程序运行在现阶段广泛使用的winXP系统下，使用SQLserver2000建立数据库，用Power Builder建立界面程序。相对普遍的开发环境保证了程序的可兼容性和可扩展性。

　　用两台电脑组建小型网络，可以同时访问数据库，工作可同时进行、互不妨碍，提高了数据利用率和工作效率。

　　(2)需求分析根据现有工作方式存在的缺陷，提出了程序设计的需求分析。

　　①单晶硅从运至我单位到发货返回厂家，需经历(未辐照、正在辐照、已辐照、部分辐照、不辐照)几种状态。因此，数据库需要通过对这几种状态的标注和记录，对单晶硅的辐照数据进行实时的跟踪管理。

　　②需要在导入原始TXT格式数据进入数据库的过程中，对原始数据进行纠错处理，并提供报错，以供核实和修正。

　　③需要将原始数据中的每一个单项区分为一类数据，以便操作人员分类查找和修改。

　　④需要设置入堆清单制作和导出项，导出的数据符合时间计算程序的格式要求。

　　⑤需要设置单晶硅出堆后的数据处理项，并要求可批量修改状态，达到跟踪记录每支硅不同状态的要求。

　　⑥需要对返照硅进行比对显示，以挑出改档返照硅。

　　⑦需要实时显示查询清单中数据的总支数与总公斤数。

　　⑧可视化程度要高，人机交互界面应简单明了易于理解掌握，对不同状态的数据通过颜色进行区分。

　　(3)功能的实现针对上述需求分析，我们设计了单晶硅数据库管理系统。具体功能如下。

　　①新数据入库模块：将原始的txt文本格式数据分类导入数据库，在导入过程中设置纠错标准，对每支硅的各项参数进行逐一比对，并显示结果，根据结果修改数据，再次导入。

　　②硅库房查询模块：可查询项依次包括：厂家、硅名、批次、硅型、辐照状态、是否为返照、入库时间、制作入堆清单时间、直径范围、长度范围、重量、目标电阻范围、备注情况。查询结果的各分项将显示在数据栏中，还要显示符合查询条件的支数、重量等参数，并且具备删除和导出所查数据清单、更改与批量更改数据、增加备注等功能。

　　③建立入堆清单功能：开堆前，通过对产品库未照硅进行查询，根据辐照需要，建立对应的入堆新建清单，并且导出可供计算程序计算的txt文本格式，以计算辐照时间。该功能会自动记录制单时间，以方便停堆后的出堆数据处理统计。

　　④辐照后的数据处理功能：停堆后经过5～7天的衰变，单晶硅出堆。此时，可通过查询浏览与出堆界面，根据制单时间查到本次入堆的数据清单，并且根据单晶硅辐照表中人工记录，进行批量统计和辐照状态更改，将这些数据分类标定为已辐照、未照、部分辐照等，并用不同颜色显示出来，支数重量显示在数据界面中表格的上方。通过对辐照状态的标定，确保数据库与产量、库房实际库存数目相对应。该功能可导出出堆走料清单，以供厂家核对。

　　⑤单晶硅辐照数据管理系统运行流程。

　　3 应用过程的总结

　　3.1 在应用过程中，对比旧的数据管理方式，单晶硅数据库管理软件的优势

　　(1)实现了数据纠错，解决了人因的数据录入失误问题。

　　(2)实现了数据库与库房的实时对应，减少了检点库房的工作量，降低出错概率。

　　(3)实现了对数据的批量、精确查找，提高了数据处理的工作效率。

　　(4)批量修改并提供备注，减少了因疏忽遗漏而造成的出错概率。

　　(5)实现了数据管理的可视化，使各种数据操作清晰、直观、明了，更易于理解与应用。

　　(6)应用数据库后，工作人员出错的几率减少了90%，使用的纸质文件减少为原来的1/3，工作量减少了3成。

　　3.2 几点建议

　　(1)目前的辐照管理软件对单支和批量硅的辐照时间没有编写计算程序，需导出文件进入原时间计算程序求得辐照时间。下一步可继续开展这项工作，将时间计算程序与辐照管理软件有机结合，进而以数据库为基础，用单晶硅辐照值班软件的方式将现有的纸质值班表全部代替。届时，记录人员只需在软件界面中完成点击就可在电脑中准确记录辐照对象、辐照孔道、入堆时间、出堆时间等详细信息，软件可智能提示出堆时间等信息，尽可能避免人因误操作，大幅提高辐照的整体命中率。

　　(2)目前单晶硅辐照孔道，没有安装自给能中子探测器和中子注量积分器，对孔道通量的测量还需采用退火数据倒推法及理论通量测量方法进行，准确率有所欠缺。今后如果加装自给能探测器和中子注量积分器，并将其接入辐照管理系统中，结合辐照时间计算程序，进行出对时间提醒。这样，可以大幅提高单晶硅辐照的命中率。

　　4 结语

　　文中介绍了49-2堆单晶硅辐照的工艺理论;而后主要论述了在深入调研原有单晶硅辐照管理工作中存在不足的基础上，结合先进的数据管理方法，对原有工作方式进行优化改良，从而设计和建立一套先进的单晶硅辐照数据管理系统的过程;最后对辐照数据管理系统研究的下一步研究做出了展望。

　　单晶硅辐照数据管理系统的建立与应用，保证了单晶硅辐照工作得以安全、有序、保质、保量顺利进行。为49-2室的单晶硅辐照工作提高了辐照效率、节约了辐照成本，增加了辐照产量。对其他反应堆辐照应用工作，具有示范效果，并具有可借鉴、可移植的实际意义。

　　作者：朱杰　赵文静　韩玉祥 来源：科技创新导报 2015年23期