УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕЙТРОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЕЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ЯДЕРНЫХ УСТАНОВОК
DEVICE FOR DETERMINATION OF RESEARCH NUCLEAR INSTALLATION FIELDS NEUTRON CHARACTERISTICS

Изобретение относится к измерительной технике, к устройствам определения нейтронных характеристик полей исследовательских ядерных установок (ИЯУ) в реальном масштабе времени, в частности к устройствам для определения флюенса нейтронов с энергией выше 0.1 МэВ в реакторной зоне исследовательского ядерного реактора. Оно может быть использовано для контроля функционирования установки при проведении научно-исследовательских работ и испытаний на радиационную стойкость материалов, радиоэлектронной техники: элементов, приборов и узлов.
Известно устройство для определения нейтронных характеристик полей ИЯУ в реальном масштабе времени, которое может использоваться, в частности, для определения флюенса нейтронов в процессе облучения путем измерения плотности потока нейтронов камерами деления с пороговыми радиаторами [Л.Е. Довбыш, А.С. Кошелев, М.А. Овчинников, Ю.М. Дроздов, Г.И. Пикулина Высокочувствительный детектор быстрых нейтронов КНК-2-7М // ВАНТ. Сер. Физика ядерных реакторов, 2014, вып. 3, с. 83-93]. В устройстве в качестве детектора быстрых нейтронов используется газонаполненная ионизационная камера КНК-2-7М (камера нейтронная комбинированная) в счетном режиме работы, дополняемым, при необходимости, переходом в токовый режим с разделением секционных токов функциональных секций, и регистрации показаний детектора КНК-2-7М при помощи одного счетного регистрационного канала и двух токовых регистрационных каналов, содержащих блоки обработки сигналов, выполненные на микропроцессорах, данные с которых передаются и обрабатываются в реальном масштабе времени с помощью вычислительного устройства более высокого уровня.
Недостаток устройства заключается в том, что из-за низкой величины сечения взаимодействия быстрых нейтронов с изотопами радиаторов приходиться наращивать габариты камер, что накладывает серьезные ограничения на их применение. При определении флюенса имеет значение именно миниатюрность детектора, чтобы не вносить искажение в окружающее нейтронное поле.
Данная проблема может быть решена при использовании полупроводниковых приборов в качестве детекторов нейтронов. При взаимодействии с полупроводниковыми материалами нейтроны с определенным энергетическим спектром образуют радиационные дефекты, количество которых пропорционально воздействующему флюенсу нейтронов. Эти дефекты изменяют электрофизические свойства полупроводникового материала. Если какой-либо параметр вещества однозначно связан с количеством дефектов, то по изменению этого параметра под облучением можно определить величину воздействующею на него флюенса нейтронов.
n-p-n
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству по технической сущности и количеству сходных признаков является устройство для определения нейтронных характеристик полей ИЯУ [С.В. Горюшкин, М.А. Овчинников, Ю.Н. Яковлев Восьмиканальный измеритель дифференциальных коэффициентов усиления базового тока транзисторов в стандарте КАМАК // Приборы и техника эксперимента, 1988, с. 228-229], которое содержит восемь измерительных каналов базового тока датчиков, размешенных в исследуемом поле, ток которых изменяется в зависимости от характеристик исследуемого поля. В качестве датчиков используют кремниевые транзисторы -типа одного вида. Коллекторы транзисторов объединены общей шиной. В состав каждого канала входят генератор эталонного тока, согласующее устройство, состоящее из операционного усилителя и полевого транзистора, которое содержит генератор опорного напряжения, согласующее устройство, каждое из которых состоит из операционного усилителя и полевого транзистора. В состав устройства для определения нейтронных характеристик полей ИЯУ также входят генератор приращения эмиттерного тока, аналоговый демулътиплексор, аналоговые ключи, блок нагрузок, компаратор пределов, триггер пределов, интегратор, преобразователь напряжения в ток, измерительный усилитель, блок управления, дешифратор КАМАК-команд. Генераторы опорного напряжения и генераторы эталонных токов задают режимы используемых транзисторов по постоянному току, при этом генераторы эталоннных токов вместе с соответствующим выходом аналогового демультиплексора непосредственно присоединены к эмиттерным цепям транзисторов, а генераторы опорного напряжения присоединены к ним через согласующие устройства, которые являются буферами между базовыми цепями транзисторов и последующими узлами устройства. Коллекторы транзисторов объединены обшей земляной шиной. К аналоговому демультиплексору присоединен генератор приращения эмиттерного тока. Выходы согласующих устройств подключены к измерительному усилителю, охваченному обратной связью, содержащей аналоговые ключи, интегратор и преобразователь напряжения в ток. Компаратор пределов, подключенный к выходу измерительного усилителя, управляет подключением сопротивлений блока нагрузок для измерительного усилителя. Блок управления выполнен на основе триггеров и резисторов. К входу блока управления подключен дешифратор КАМАК-команд. Через дешифратор КАМАК-команд вычислительное устройство верхнего уровня управляет работой устройства, задавая режим регистрации, пределы измерения, выбирая каналы измерения. Для использования восьмиканального измерителя дифференциальных коэффициентов усиления базового тока транзисторов в стандарте КАМАК в качестве устройства для определения нейтронных характеристик полей ИЯУ требуется наличие дополнительных устройств. Выходной сигнал с измерительного усилителя устройства должен подаваться на внешний аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразует напряжение постоянного тока в цифровой код. Необходимо также вычислительное устройство верхнего уровня, которое обрабатывает по специальной программе код, поступающий с АЦП, и на его основе вычисляет нейтронные характеристики полей ИЯУ, в частности значения флюенса и управляет работой восьмиканального измерителя.
Основной недостаток устройства заключается в том, что оно не является автономным и его применение для определения нейтронных характеристик полей ИЯУ, в частности для измерения флюенса нейтронов, требует наличие внешнего АЦП и вычислительного устройства верхнего уровня. Это ограничивает область его применения, снижает точность и достоверность определения регистрируемых значений из-за возможных помех в линиях связи, уменьшает быстродействие измерений. Ограничение на использование устройства накладывает также КАМАК-конструктив, в котором оно выполнено, что требует дополнительных сопрягающих устройств для его управления, что также ограничивает область применения устройства, снижает точность и достоверность определения регистрируемых значений, уменьшает быстродействие измерений. При измерениях также не учитывается влияние температуры на результаты, которая вносит в получаемые данные значительную погрешность.
Техническая задача заявляемого изобретения заключается в создании универсального устройства для определения нейтронных характеристик полей ИЯУ, в частности флюенса нейтронов в реальном масштабе времени, с улучшенными метрологическими характеристиками и расширенными функциональными возможностями.
Технический результат заявляемого устройства заключается в повышении информативности, точности и достоверности определения нейтронных характеристик ИЯУ,, в частности, значений флюенса нейтронов в реальном масштабе времени, расширении диапазона регистрируемых значений, увеличении быстродействия измерений за счет усовершенствования схемы. Дополнительным техническим результатом является расширение области применения устройства.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для определения нейтронных характеристик полей ИЯУ, содержащем один или несколько измерительных каналов изменяющегося в зависимости от характеристик исследуемого поля базового тока соответственно одного или нескольких кремниевых транзисторов, используемых в качестве датчиков, коллекторы которых, при наличие нескольких измерительных каналов, объединены общей шиной, с включением в состав каждого измерительного канала генератора эталонного тока и согласующего устройства, состоящего из операционного усилителя и полевого транзистора, с подключением измерительного канала или, при наличии нескольких каналов, всех каналов к общему генератору опорного напряжения, генератору приращения эмиттерного тока, аналоговому демультиплексору, аналоговому ключу, блоку управления, подключенному через компаратор пределов к нагрузке, интегратору, преобразователю напряжения в ток, измерительному усилителю, с непосредственным присоединением к эмиттерной цепи кремниевого транзистора генератора эталонного тока вместе с соответствующим выходом аналогового демультиплексора, который в свою очередь соединен с генератором приращения эмиттерного тока и блоком управления, а к базовой цепи - генератора опорного напряжения через согласующее устройство, выход которого подключен к измерительному усилителю, в цепь отрицательной обратной связи которого подключены аналоговый ключ, интегратор и преобразователь напряжения в ток, новым является то, что в состав устройства введен многоразрядный аналогово-цифровой преобразователь, вход которого подключен к выходу измерительного усилителя, а выходы - к блоку управления, выполненному на основе микроконтроллера с внутренней памятью и программным обеспечением, включающим выполнение функций автоматического переключения пределов измерения, автоматического выбора канала измерения, а также вычислений абсолютных значений флюенса нейтронов на каждый момент времени и хранения результатов, блок управления соединен с универсальным интерфейсом, обеспечивающим связь с вычислительным устройством верхнего уровня.
При использовании нескольких измерительных каналов, в качестве датчиков могут быть применены транзисторы, обладающие различной чувствительностью к нейтронному потоку, при этом учитывают при вычислении флюенса показания той группы транзисторов, которая чувствительна в данном диапазоне энергий нейтронов.
Дополнительно могут быть введены от одной и более термопар в местах установки датчиков и блок измерения температуры для учета влияния на базовый ток измерение температуры.
Использование внутреннего многоразрядного АЦП в составе устройства определения флюенса быстрых нейтронов для автоматического преобразования аналогового значения напряжения постоянного тока в цифровой код позволяет повысить информативность, точность и достоверность измерений за счет исключения внешних линий связи, увеличения разрядности АЦП и увеличения быстродействия устройства, а также расширить область применения устройства, так как оно становится автономным и не требует применения дополнительных внешних устройств.
N
n-p-n
Отсутствие ограничения на число (от одного до ) используемых в качестве детекторов кремниевых транзисторов  типа способствует увеличению информативности, достоверности и точности результатов определения флюенса нейтронов и ведет к расширению области применения устройства. При этом, использование транзисторов, обладающих различной чувствительностью к нейтронному потоку, дает возможность учитывать при вычислении флюенса нейтронов показания той группы транзисторов, которая чувствительна в данном диапазоне энергий нейтронов, что приводит к увеличению информативности, достоверности и к расширению диапазона измерения флюенса.
Использование блока управления, который выполнен на основе микроконтроллера с внутренней памятью и программным обеспечением, включающим выполнение функций автоматического переключения пределов измерения, автоматического выбора каната измерения, а также вычислений абсолютных значений флюенса нейтронов на каждый момент времени и хранения результатов, позволяет повысить информативность, точность и достоверность получаемых результатов флюенса за счет снятия ограничения на число используемых детекторов на основе транзисторов за счет исключения внешних линий связи и за счет отмены необходимости использования вычислительного устройства верхнего уровня для выполнения измерений, тем самым также позволяет увеличить быстродействие измерений, расширяет область его применения за счет простоты использования, так как данное устройство является автономным.
Использование универсального интерфейса для подключения через него вычислительного устройства верхнего уровня также расширяет область применения устройства для определения флюенса быстрых нейтронов в реальном масштабе времени.
Использование термопар в местах установки датчиков и блока измерения температуры позволяет учитывать влияние на базовый ток изменение температуры среды, что приводит к увеличению информативности, достоверности и точности определения флюенса нейтронов.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема заявляемого устройства (показано позицией 23), где
1
N
N
N≥1
1-1 -  кремниевых транзисторов, где ;
2 - биологическая зашита;
1
N
N
3-3 -  трехпроводных экранированных линий связи;
1
N
N
4-4 -  линий связи с базами транзисторов;
1
N
N
5-5 -  линий связи с эмиттерами транзисторов;
1
N
N
6-6 -  линий связи с коллекторами транзисторов:
7 - генератор опорного напряжения (ГОН);
8 - генератор приращения эмиттерного тока (ГПЭТ);
9 - аналоговый демультиплексор (АДМ);
1
N
N
10-10 -  генераторов эталонных токов (ГЭТ);
1
N
N
11-11 -  согласующих устройств (СУ);
12 - преобразователь напряжения в ток (ПНТ):
13 - блок нагрузок (БН);
14 - измерительный усилитель (ИУ);
15 - компаратор пределов;
16 - интегратор (ИНТ);
17 - аналоговый ключ (АК);
18 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
19 - блок управления;
20 - управляющая линия «Установка режима»;
21 - управляющая линия «Старт»;
22 - управляющая линия «Строб»;
23 - заявляемое устройство;
24 - интерфейс связи;
1
N
N
25-25 -  термопар;
26 - блок измерения температур;
27 - вычислительное устройство верхнего уровня.
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
n-p-n
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить устройство 23 для определения нейтронных характеристик полей реактора БР-1М ВНИИЭФ. Устройство 23 имеет возможность вывода полученных измерений на вычислительное устройство верхнего уровня 27 для последующей обработки. Устройство 23 включает восемь измерительных каналов. В качестве детекторов нейтронов, размещенных за биологической защитой 2 в непосредственной близости от реактора, используют группу из восьми серийно выпускаемых маломощных кремниевых транзисторов 1-1 типа (КТ-316, КТ-312. КТ-201), у которых в качестве пропорционально изменяемого под воздействием нейтронного излучения электрофизического параметра является время жизни неосновных носителей заряда (дифференциальный коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером). Транзисторы 1-1 включены в схему устройства 23 при помощи трехпроводных экранированных линий связи 3-3, которые обеспечивают их дистанционное подключение и повышают помехозащищенность устройства. При этом провода 5-5 линий связи 3-3 соединяют генераторы эталонных токов 10-10 вместе с соответствующим выходом аналогового демультиплексора 9 непосредственно с эмиттерами транзисторов 1-1. К демультиплексору 9 подключен генератор приращения эмиттерного тока. Работой демультиплексора управляет блок управления 19, выполненный на основе микроконтроллера, по управляющим линиям «Старт» 21 и «Строб» 22. Генератор опорного напряжения 7 подключен к базам транзисторов 1-1 при помощи проводов 4-4 линий связи 3-3 через согласующие устройства 11-11, которые являются буферами между базовыми цепями транзисторов 1-1 и последующими составными частями устройства и содержат операционный усилитель (ОУ) и полевые транзисторы. Коллекторы транзисторов 1-1 объединены общей земляной шиной при помощи проводов 6-6 линий связи 3-3. Выходы согласующих устройств 11-11 подключены к измерительному усилителю 14, охваченному отрицательной обратной связью через компаратор пределов 15 и блок нагрузок 13 и обратной связью, содержащей аналоговый ключ 17, интегратор 16 на ОУ и преобразователь напряжения в ток 12 на основе ОУ и транзистора. Переключение обратных связей регулируется блоком управления 19, который при помощи компаратора пределов 15, подключенного к выходу измерительного усилителя 14, управляет подключением сопротивлений блока нагрузок 13 для измерительного усилителя 14. Выход измерительного усилителя 14 также подключен к входу АЦП 18 фирмы Analog Devices AD7782, цифровой код с которого считывается блоком управления 19, к которому подсоединен интерфейс связи 24 (RS-485) для реализации возможного подключения устройства 23 к вычислительному устройству верхнего уровня 27.
1
8
Измерение коэффициентов усиления базового тока транзисторов 1-1, состоит из следующих операций, последовательно выполняемых с помощью устройства 23.
1
N
1
8
1
8
Исходное состояние устройства 23 задается блоком управления 19 при помощи линии связи для задания режимов 20. При этом аналоговый демультиплексор 9 выключен по стробирующему входу (линия 22 от блока управления 19), генератор приращения эмиттерного тока 8 заблокирован, генератор опорного напряжения 7 и восемь генераторов эмиттерных токов 10-10 выключены. Эталонные токи не проходят в эмигтерные цепи 6-6 транзисторов 1-1.
V
I
V
КЭ
КЭ
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
КЭ
1
8
Сначала задаются режимы измерения для транзистора 1 по постоянному току (, ). С этой целью сигнал по линии «Установка режима» 20 от блока управления 19 включает генератор опорного напряжения (ГОН) 7, который формирует напряжение для восьми генераторов эталонных токов (ГЭТ) 10-10. Эталонные токи от ГЭТ 10-10 поступают непосредственно в эмиттерные цепи 4-4 транзисторов 1-1, а опорное напряжение от ГОН 7 - через согласующие устройства (СУ) 11-11. В результате на транзисторах 1-1 устанавливается стабильное напряжение коллектор-эмиттер (). Появившиеся обратные тепловые токи переходов коллектор-база совместно с входными токами СУ 11-11 поступают на вход измерительного усилителя ИУ 14. При установке режима измерения аналоговый ключ 17 открыт, в этом случае измерительный усилитель 14 охвачен отрицательной обратной связью через последовательно соединенные аналоговый ключ 17, интегратор 16 и преобразователь напряжения в ток 12, в результате чего воздействующий на инвертирующий вход измерительного усилителя 14 суммарный ток отбирается преобразователем напряжения в ток 12. При этом на выходе измерительного усилителя 14 устанавливается напряжение близкое к нулю.
1
8
С приходом второго сигнала по линии 20 от блока управления 19 выбирается канал измерения детектор-транзистор, при этом подготавливается соответствующий вход аналогового демультиплексора 9. По этому же сигналу производится сброс предела измерения на компараторе 15 и закрывается аналоговый ключ 17, а интегратор 16 «запоминает» суммарные статические базовые токи и обратные тепловые токи переходов коллектор-база транзисторов 1-1 на все время измерения.
i
i
вых
i
вых
0
вых
0
вых
0
U
U
U
U
<U
U
≥U
Сигнал от блока управления 19 по линии «Старт» 21 открывает выбранный канал аналогового демультиплексора 9, и ток от ГПЭТ 8 проходит в цепь эмитгера 4 соответствующего транзистора 1. Приращение базового тока () транзистора 1 через соответствующее согласующее устройство 11 и заданную нагрузку блока нагрузок 13 поступает на вход измерительного усилителя 14. С выхода измерительного усилителя 14 напряжение , пропорциональное величине  (где  - дифференциальный коэффициент усиления по базовому току выбранного транзистора l) поступает на вход АЦП 18. В свою очередь, в компараторе пределов 15 производится сравнение выходного напряжения  с установленным в нем начальным значением . Если , то компаратор пределов 15 остается в исходном состоянии и измерение производится на первом пределе. В случае  компаратор пределов 15 срабатывает и переключает измерительные резисторы в блоке нагрузок 13 и измерения производятся на втором пределе.
i
i+1
По сигналу с блока управления 19, поступающему на АЦП 18, АЦП 18 запускается. Цифровой код, сформированный на выходе АЦП 18, считывается блоком управления 19, который производит его обработку. На этом определение коэффициента усиления базового тока одного транзистора 1 завершается. Для транзистора (1) другого измерительного канала - последовательность операций и сигналов, поступающих от блока управления 19, повторяется и так до восьмого канала включительно. Далее цикл определения коэффициентов усиления базового тока для всех транзисторов может быть повторен требуемое число раз.
Определение абсолютного значения флюенса быстрых нейтронов в реальном масштабе времени осуществляют следующим образом.
1
8
При использовании новых транзисторов 1-1 в качестве детекторов нейтронов сначала производят их калибровку.
F
К
Измеряют дифференциальные коэффициенты усиления по току для каждого транзистора , не подвергая их нейтронному облучению, при помощи последовательности операций, описанной выше. Полученные значения запоминаются во внутренней памяти блока управления 19. В память блока управления 19 через интерфейс 24 заносится значение калибровочного флюенса нейтронов спектра образцового источника , которое будет использовано в расчетах.
1
8
Затем измеряют дифференциальные коэффициенты усиления по току каждого транзистора 1-1 после подачи калибровочного импульса спектром нейтронов образцового источника , которые сохраняются во внутренней памяти блока управления 19. На этом процесс калибровки завершен.
1
8
i
К
t
t
F
i
Для проведения измерений флюенса нейтронов транзисторы 1-1 размешают за биологической защитой 2 в непосредственной близости от ИЯУ и подвергают воздействию рабочего излучения нейтронов. В течение всего времени облучения проводят циклы определения дифференциального коэффициента усиления по току при рабочем облучении каждого из восьми транзисторов на текущий момент времени . Блок управления 19 на основании измеренных коэффициентов и данных калибровки производит расчет значения флюенса быстрых нейтронов по формуле для каждого транзистора 1: , где  - текущий момент времени,  - значения калибровочного флюенса нейтронов спектра образцового источника,  - дифференциальный коэффициент усиления по току при рабочем облучении -го транзистора,  - дифференциальный коэффициент усиления по току до облучения спектром нейтронов образцового источника,  - дифференциальный коэффициент усиления по току после подачи калибровочного импульса спектром нейтронов образцового источника. Рассчитанные значения сохраняются во внутренней памяти блока управления 19 и могут быть получены вычислительным устройством верхнего уровня 27 через интерфейс связи 24 для дальнейшей обработки.
1
8
1
8
Вычислительное устройство верхнего уровня 27 определяет среднее значение флюенса нейтронов на основе полученных восьми значений от каждого из восьми транзисторов 1-1 на данный момент времени по формуле:  и относительную погрешность измерения флюенса по формуле: , где , для случая компактного размещения всех восьми транзисторов 1-1.
1
8
1
8
1
8
1
8
При необходимости рядом с транзисторами 1-1 размещают от одной до восьми термопары 25-25. Количество используемых термопар определяется местоположением транзисторов 1-1 - их удаленностью друг от друга. Термопары 25-25 подключают к блоку измерения температур 26, выполненному на основе модулей аналогового ввода фирмы серии 1-7000 производства фирмы ICP DAS, который по интерфейсу 24 подключают к вычислительному устройству верхнего уровня 27. Измеренные значения температуры считываются устройством верхнею уровня 27. На их основе вносится коррекция в полученные значения флюенса нейтронов.
Таким образом, заявляемое устройство определения флюенса нейтронов в реальном масштабе времени обладает высокой точностью определения флюенса нейтронов и высокой достоверностью получаемых результатов. Обеспечены быстродействие регистрации (цикл измерений - не более 100 мкс) и надежность работы устройства.
Промышленная применимость предлагаемого изобретения определяется тем, что устройство определения флюенса нейтронов в реальном масштабе времени может быть изготовлено по известной технологии из известных комплектующих изделий и материалов и использовано в измерительных системах и СУЗ реакторов.
Был изготовлен опытный образец устройства и испытан на реакторе БР-1М ВНИИЭФ. Испытания подтвердили осуществимость и практическую ценность заявляемого изобретения.