ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ЯДЕРНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РЕАКТОРА
LASER SYSTEM FOR MEASURING HEAT CARRIER PARAMETERS OF NUCLEAR POWER REACTOR

Изобретение относится к области ядерной энергетике и предназначено для оперативного измерения параметров теплоносителя водоводяного энергетического ядерного реактора (ВВЭР). Изобретение предназначено для использования в составе аппаратуры реакторов типа ВВЭР-440, ВВЭР-1000, ВВЭР-1200 для непрерывного мониторинга параметров теплоносителя в первом и втором контурах теплоносителя ядерного реактора, а также в других технологических средах, связанных с работой ядерного реактора. Предлагаемая лазерная система осуществляет измерение концентрации борной кислоты и одновременно обнаружение и измерение концентрации различных примесей, входящих в состав теплоносителя. При этом в состав теплоносителя входят специально добавляемые примеси, а также различные вещества, образующиеся в результате работы ядерного реактора.
В ядерной энергетике в настоящее время отсутствуют средства, обеспечивающие непрерывный мониторинг состава теплоносителя ядерного энергетического реактора. В то же время для обеспечения безопасной работы ядерного реактора и длительной эксплуатации аппаратуры и трубопроводов требуется постоянное слежение за параметрами теплоносителя и своевременное устранение предаварийной и аварийной ситуации в случае превышения допустимых пределов концентраций веществ в составе теплоносителя.
В настоящее время известны средства, обеспечивающие измерение концентрации борной кислоты в составе теплоносителя ядерного реактора.
В ядерной энергетике основным методом измерения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя является химический метод измерения [1], основанный на взятии пробы вещества теплоносителя непосредственно из контура теплоносителя с помощью специального устройства для отбора пробы из основного первого контура теплоносителя непосредственно в рабочем режиме ядерного реактора. Далее полученную пробу вещества теплоносителя в специальных лабораторных условиях, обеспечивающих защиту от радиации, подвергают воздействию ряда химических веществ, вызывающих люминесценцию исследуемого вещества пробы. Уровень концентрации борной кислоты определяют по интенсивности люминесценции обработанного вещества пробы из контура теплоносителя. К недостаткам данного метода определения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя следует отнести невысокую точность, особенно при определении малых концентраций борной кислоты, что обусловлено влиянием различных факторов при обработке пробы набором специальных веществ, возбуждающих люминесценцию при взаимодействии с раствором борной кислоты. Значительным недостатком данного метода является опасность радиационного поражения, которой подвергается персонал АЭС при транспортировке взятой пробы в лабораторный отсек и при осуществлении обработки и измерении параметров полученного вещества пробы. Данный метод характеризуется также малой оперативностью, так как транспортировка и обработка пробы занимает значительное количество времени и не позволяет достаточно быстро и многократно получать информацию о параметрах теплоносителя в контуре ядерного реактора.
Известны радиационные методы определения концентрации атомов бора в составе теплоносителя в контуре ядерного реактора [2], [3]. Данные методы основаны на прямом измерении параметров нейтронного потока на выходе ядерного реактора, либо используют измерение поглощения нейтронного потока при облучении вещества теплоносителя источником нейтронного излучения. Первый метод характеризуется низкой точностью и малой чувствительностью и позволяет осуществлять измерение только больших концентраций атомов бора в составе теплоносителя. Второй метод, реализованный в устройстве [3], использует облучение вещества теплоносителя внешним источником нейтронного излучения и измерение уровня поглощения нейтронов с помощью специального измерительного прибора. При этом измерительный прибор и источник нейтронов установлены на действующем трубопроводе контура теплоносителя ядерного реактора. Облучающий измерительный поток нейтронов проходит перпендикулярно трубопроводу и протекающему веществу теплоносителя и захватывает малую часть его объема. Вследствие этого точность определения концентрации атомов бора оказывается невысокой, особенно при определении малых концентраций бора в составе теплоносителя. Следует отметить в качестве недостатков большую сложность монтажа и обслуживания аппаратуры радиационного измерения, которая располагается непосредственно на элементах трубопроводов контура теплоносителя в зоне действия радиации. В указанных методах отсутствует возможность контроля технического состояния радиационной измерительной аппаратуры, что существенно снижает достоверность и доверительность получаемой информации. Таким образом, известные в настоящее время методы измерения концентрации атомов бора в составе теплоносителя в контуре ядерного реактора характеризуются невысокой точностью, большой сложностью в техническом обслуживании в условиях радиации при работе ядерного реактора, опасностью радиационного поражения обслуживающего персонала АЭС.
Наиболее точным методом определения концентрации атомов бора в водном растворе борной кислоты является оптический фотометрический метод измерения. Применение этого метода основано на прямом фотометрировании и измерении светового потока соответствующей длины волны, прошедшего через вещество теплоносителя охлаждающего контура ядерного реактора. Для реализации этого метода измерения необходима врезка измерительной проточной оптической кюветы с оптически прозрачными окнами-иллюминаторами непосредственно в контур теплоносителя ядерного реактора посредством байпасного трубопровода. Возможен второй вариант осуществления фотометрического метода измерения концентрации борной кислоты в составе теплоносителя контура ядерного реактора, не требующий применения врезки проточной измерительной кюветы непосредственно в контур теплоносителя. Согласно этому варианту измеряемое рабочее вещество из контура теплоносителя ядерного реактора подается в измерительную кювету с прозрачными окнами по специальному дополнительному трубопроводу (ответвлению) с выхода пробоотборного устройства ядерного реактора, которое существует и используется в ядерном реакторе для получения пробы вещества теплоносителя и использования этой пробы в рассмотренном выше химическом методе определения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя ядерного реактора. При этом вещество теплоносителя в измерительную оптическую кювету подается через дополнительный трубопровод посредством автоматического дистанционно управляемого клапана. После осуществления измерения концентрации бора в оптической измерительной кювете осуществляется слив вещества теплоносителя из данной измерительной кюветы в специальную емкость для дальнейшей утилизации с помощью второго выпускного дистанционно управляемого клапана. Таким образом, наполнение измерительной оптической кюветы веществом теплоносителя из контура ядерного реактора осуществляется без контакта персонала АЭС с измерительной аппаратурой и полученным материалом пробы. При этом также не требуется осуществления специального прямого подключения (врезки) измерительной оптической кюветы к контуру теплоносителя.
Наиболее адекватным методом решения проблемы измерения параметров водного теплоносителя непосредственно внутри первого или второго контура теплоносителя ядерного реактора является оптический метод измерения характеристик теплоносителя, предложенный авторами в работах [4], [5] и реализованный в системах измерения по патентам РФ №2594364 (опубл. 20.08.2016) [6] и №2606369 (опубл. 10.01.2017) [7]. В указанных системах осуществляется просвечивание теплоносителя зондирующим лазерным излучением и измерение характеристик излучения, прошедшего через слой теплоносителя. Измерение параметров прошедшего через теплоноситель зондирующего лазерного излучения позволяет обеспечить оперативный контроль концентрации борной кислоты в составе теплоносителя. Указанные системы измерения предназначены для работы в условиях ядерного реактора при наличии радиоактивности, высоких температур и давления. Возможность работы в условиях ядерного реактора обеспечивается выносом измерительной аппаратуры из зоны реактора, в которой размещен лишь оптический измерительный блок, соединенный волоконной линией с измерительной аппаратурой.
В качестве ближайшего аналога выбрана наиболее близкая по технической реализации система измерения по патенту РФ №2606369 [7]. Система измерения содержит первый и второй лазерные генераторы, измерительную и эталонную кюветы, фотоприемный блок, измерители лазерного излучения на основе фотоприемных блоков, оптический модулятор, выполняющий функцию управляемого оптического спектрального фильтра, адаптеры волокна, волоконно-оптическую линию, блоки обработки информации и управления, два оптических переключателя на основе выносных зеркал, уголковые оптические отражатели, полупрозрачные и отражательные зеркала, оптические ослабители. К недостаткам данной измерительной системы следует отнести невысокую точность определения концентрации борной кислоты вследствие влияния различных примесей в со ставе теплоносителя, образующихся в процессе длительной работы ядерного реактора, Это особенно сказывается в конце сессии работы ядерного реактора, когда количество примесей увеличивается, а концентрация борной кислоты уменьшается и требуется высокая чувствительность и точность работы измерительной системы. Недостатком данной измерительной системы является также отсутствие возможности обнаружения и измерения концентрации примесей, входящих в состав теплоносителя ядерного реактора.
Целью предлагаемого изобретения является решение проблемы повышения чувствительности лазерной измерительной системы при измерении концентрации борной кислоты на фоне наличия в составе теплоносителя различных примесей, образующихся при работе ядерного реактора, а также одновременное обнаружение и измерение концентрации этих примесей.
Решение поставленной технической задачи осуществляется в предлагаемом изобретении путем высокоточного определения параметров теплоносителя в первом или отдельно во втором контурах ядерного реактора на основе просвечивания теплоносителя лазерным зондирующим излучением и измерения параметров комбинационного рассеяния лазерного излучения, обусловленного молекулами борной кислоты и молекулами веществ примесей.
Этим обеспечивается непрерывный мониторинг параметров теплоносителя в отношении его состава и концентрации, как борной кислоты, так и различных примесей, что обеспечивает повышение безопасности работы ядерного реактора.
Достигаемым новым техническим результатом является увеличение чувствительности лазерной измерительной системы и увеличение точности определения концентрации борной кислоты и примесей, образующихся при работе ядерного реактора.
Поставленная задача достигается следующим.
1. В лазерной системе измерения параметров теплоносителя ядерного энергетического реактора, содержащей первый и второй лазерные генераторы, измерительную кювету, подсоединенную к контуру теплоносителя ядерного энергетического реактора, первую эталонную кювету, три фотоприемных блока, управляемый спектральный фильтр, два оптических переключателя, блок обработки и управления, а также, четыре отражательных зеркала и шесть полупрозрачных зеркал, при этом управляющие входы первого и второго лазерных генераторов и первого и второго оптических переключателей подсоединены к блоку обработки и управления, оптические выходы измерительной кюветы и первой эталонной кюветы оптически связаны с оптическими входами первого и второго фотоприемных блоков, выходы первого, второго и третьего фотоприемных блоков подключены к блоку обработки и управления, управляющий вход управляемого спектрального фильтра подсоединен к блоку обработки и управления, введены вторая эталонная кювета, первый, второй и третий блоки сдвига длины волны лазерного излучения, блок сдвига частоты лазерного излучения, четвертый и пятый фотоприемные блоки, блок электрических спектральных фильтров, блок измерения длины волны лазерного излучения, пять оптических переключателей, управляющие входы которых подключены к блоку обработки информации и управления, управляемое отражательное зеркало с блоком управления, и семь линз, при этом оптические выходы первого и второго лазерных генераторов оптически связаны с оптическими входами, соответственно, первого и второго блоков сдвига длины волны лазерного излучения, оптический выход первого лазерного генератора дополнительно оптически связан посредством полупрозрачного зеркала с оптическим входом третьего блока сдвига длины волны лазерного излучения, выход которого оптически связан с оптическим входом блока сдвига частоты лазерного излучения, выход первого блока сдвига длины волны лазерного излучения оптически связан с оптическим входом измерительной кюветы посредством первого и второго оптических переключателей, выход первого блока сдвига длины волны лазерного излучения дополнительно оптически связан с оптическим входом блока измерения длины волны лазерного излучения посредством первого, третьего и четвертого оптических переключателей, выход второго блока сдвига длины волны лазерного излучения оптически связан с оптическим входом измерительной кюветы посредством отражательного и полупрозрачного зеркал и второго оптического переключателя, выход второго блока сдвига длины волны лазерного излучения дополнительно связан с оптическим входом блока измерения длины волны лазерного излучения посредством двух отражательных зеркал и третьего и четвертого оптических переключателей, выход блока сдвига частоты лазерного излучения оптически связан с оптическим входом блока измерения длины волны лазерного излучения посредством полупрозрачного зеркала и четвертого оптического переключателя, выход первого блока сдвига длины волны лазерного излучения оптически связан с оптическим входом первой эталонной кюветы посредством первого, второго и пятого оптических переключателей, оптический выход первого блока сдвига длины волны лазерного излучения дополнительно оптически связан с оптическим входом второй эталонной кюветы посредством первого, второго и пятого оптических переключателей и отражательного зеркала, оптический выход второго блока сдвига длины волны лазерного излучения оптически связан с оптическим входом второй эталонной кюветы посредством первого, второго, пятого оптических переключателей и отражательного зеркала, второй оптический выход измерительной кюветы оптически связан с оптическим входом управляемого спектрального фильтра посредством последовательно оптически связанных первой линзы, отражательного зеркала, шестого и седьмого оптических переключателей и четвертой линзы, второй оптический выход первой эталонной кюветы оптически связан с оптическим входом управляемого спектрального фильтра посредством последовательно оптически связанных второй линзы, шестого и седьмого оптических переключателей и четвертой линзы, второй оптический выход второй эталонной кюветы оптически связан посредством последовательно оптически связанных третьей линзы, седьмого оптического переключателя и четвертой линзы, оптический выход управляемого спектрального фильтра оптически связан с оптическим входом четвертого фотоприемного блока посредством полупрозрачного зеркала и пятой линзы, оптический выход управляемого спектрального фильтра дополнительно оптически связан с оптическим входом пятого фотоприемного блока посредством шестой линзы, оптический выход блока сдвига частоты лазерного излучения оптически связан с оптическим входом пятого фотоприемного блока посредством последовательно оптически связанных управляемого отражательного зеркала, седьмой линзы и полупрозрачного зеркала, выход пятого фотоприемного блока подключен к входу блока электрических спектральных фильтров, выход которого подсоединен к блоку обработки информации и управления, управляющие входы первого, второго и третьего блоков сдвига длины волны лазерного излучения подключены к блоку обработки информации и управления, управляющие входы блока сдвига частоты лазерного излучения и блока управления отражательным управляемым зеркалом подключены к блоку обработки информации и управления, управляющие входы вновь введенных оптических переключателей и блока измерения длины волны лазерного излучения подсоединены к блоку обработки информации и управления.
2. В системе по пункту 1 измерительная кювета, первая и вторая эталонные кюветы могут содержать дополнительный второй оптический выход, оптическая ось которого перпендикулярна оптической оси соответствующей кюветы.
3. В системе по пункту 1 блок сдвига частоты лазерного излучен может быть выполнен на основе акустооптической ячейки, в которой возбуждены акустические волны, взаимодействующие с проходящим через ячейку лазерным излучением.
4. В системе по пункту 1 управляемый спектральный фильтр может быть выполнен на основе акустооптической ячейки, в которой возбуждены акустические волны, взаимодействующие с проходящим через ячейку лазерным излучением.
5. В системе по пункту 1 первый, второй и третий блоки сдвига длины волны лазерного излучения могут быть выполнены на основе красителя, помещенного в капсулу с прозрачными окнами, перемещаемую с помощью шагового электродвигателя, управляющий вход которого подключен к блоку обработки информации и управления.
6. В системе по пункту 1 блок измерения длины волны лазерного излучения может быть выполнен на основе дифракционной решетки и матрицы фотоприемников, выходы которых подсоединены к блоку обработки информации и управления.
На Фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемой лазерной измерительной системы.
На данной блок-схеме цифрами обозначены следующие элементы.
1 Первый лазерный генератор.
2 Второй лазерный генератор.
3 Измерительная кювета.
4 Первая эталонная кювета.
5 Блок наполнения.
6 Первый фотоприемный блок.
7 Второй фотоприемный блок.
8 Третий фотоприемный блок.
9 Управляемый спектральный фильтр.
10 Блок обработки информации и управления.
11 Первый оптический переключатель.
12 Второй оптический переключатель.
Далее цифрами обозначены следующие вновь введенные элементы.
13 Вторая эталонная кювета.
14 Блок наполнения.
15, 16 и 17 - Первый, второй и третий блоки сдвига длины волны лазерного излучения.
18 Блок сдвига частоты лазерного излучения.
19 и 20 - Четвертый и пятый фотоприемные блоки.
21 Блок электрических спектральных фильтров.
22 Блок измерения длины волны лазерного излучения.
23 - 27 - третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой оптические переключатели.
28 Управляемое отражательное зеркало.
29 Блок управления управляемым отражательным зеркалом поз. 28.
30-36 - Линзы (первая - седьмая линзы).
37-40 - Отражательные зеркала.
41-45 - Полупрозрачные зеркала.
46-48 - Боковые иллюминаторы в измерительной и эталонных кюветах, образующие второй боковой оптический выход.
49, 50 - патрубки для подключения измерительной кюветы к первому или ко второму контурам теплоносителя ядерного реактора.
На Фиг. 2 представлена схема подключения измерительной кюветы 3 к первому (или второму) контурам теплоносителя. Цифрами обозначены следующие элементы.
51 Трубопровод первого контура теплоносителя ядерного реактора.
52 Байпас - ответвляющий трубопровод.
53, 54 - Управляемые вентили.
55 Оптический вход измерительной кюветы.
56 Оптический выход измерительной кюветы.
46 Боковой иллюминатор второго бокового оптического выхода измерительной кюветы.
На Фиг. 3 представлена блок-схема подключения измерительной кюветы 3 к выходу устройства отбора пробы в первом контуре теплоносителя ядерного реактора без использования врезки в контур теплоносителя, где цифрами обозначены следующие элементы:
57 Трубопровод первого контура теплоносителя ядерного реактора.
58 Устройство отбора пробы из первого контура теплоносителя ядерного реактора.
59, 60 Управляемые вентили.
61 Сливной управляемый вентиль.
62 Контейнер для сбора отработанного вещества теплоносителя.
Аналогичным образом измерительная кювета подключается к блоку отбора пробы из второго контура теплоносителя.
Остальные элементы соответствуют Фиг. 1.
На Фиг. 4 представлена схема блока сдвига длины волны лазерного излучения на основе использования красителей, помещенных в капсулы с оптическими окнами (поз. 15, 16 и 17 на Фиг. 1).
63 Диск - держатель капсул с красителями.
64 Капсулы с красителями.
65 Шаговый электродвигатель с цифровым управлением.
На Фиг. 5 представлена блок-схема двух оптических переключателей 12 и 25 на Фиг. 1. Оптический переключатель 12 показан включенным в режиме прямого прохождения лазерного излучения. Оптический переключатель 25 показан включенным в режиме бокового прохождения излучения. Оптические переключатели содержат отражательное зеркало 66, блок перемещения 67 и оптические окна 68. В режиме прямого прохождения ось направления излучения не изменяется и на выходе совпадает с направлением исходного излучения. В режиме бокового прохождения ось направления выходного излучения поворачивается на 90 градусов относительно оси исходного излучения.
На Фиг. 6 представлена схема комбинационного рассеяния водного теплоносителя и одновременно схема регистрации комбинационных спектров. Цифрами обозначены:
69 Огибающая комбинационного рассеяния воды при возбуждении лазерным зондирующим излучением с длиной волны 500 нм.
70 Полоса приема управляемого спектрального фильтра 9 на Фиг. 1.
71 Приемная полоса гетеродинного приема.
72 Приемные полосы отдельных парциальных электрических фильтров из блока электрических спектральных фильтров 21 на Фиг. 1.
На Фиг. 7 и 8 приведена иллюстрация работы высокоразрешающей спектральной измерительной системы [11] оптического диапазона длин волн при измерении двух различающихся лазерных излучений с одинаковой общей шириной спектра.
Принцип действия предложенной лазерной измерительной системы заключается в следующем.
Лазерная измерительная система осуществляет непрерывное измерение (мониторинг) параметров теплоносителя в первом или отдельно во втором контуре теплоносителя ядерного энергетического реактора.
Измерение осуществляется путем просвечивания вещества теплоносителя зондирующим лазерным излучением и последующего измерения рассеянного лазерного излучения, образующегося в результате прохождения указанного зондирующего лазерного излучения и его взаимодействия с веществом теплоносителя. Для измерения параметров теплоносителя измерительная кювета 3 подключается патрубками 49, 50 непосредственно к первому контуру теплоносителя или к байпасу первого контура. Для измерения параметров теплоносителя второго контура измерительная кювета подключается, соответственно, ко второму контуру теплоносителя.
Для обеспечения процесса измерения осуществляется формирование зондирующего лазерного излучения. Чтобы получить высокую точность измерения параметров теплоносителя, в предлагаемой лазерной измерительной системе осуществляется измерение параметров эталонных водных растворов борной кислоты и примесей, помещаемых по отдельности в первую и во вторую эталонные кюветы. Измерение параметров этих эталонных водных растворов в эталонных кюветах осуществляется по отдельности и отдельно от измерения собственно параметров теплоносителя в измерительной кювете 3.
Процесс измерения параметров теплоносителя в измерительной кювете реализуется следующим образом. Вначале осуществляется формирование соответствующего лазерного зондирующего излучения (сигнала) с некоторыми заданными параметрами. Затем сформированным лазерным зондирующим излучением осуществляется просвечивание измерительной кюветы 3. При этом одновременно осуществляется прием и регистрация возникающего в измерительной кювете излучения комбинационного рассеяния посредством фотоприемных блоков и гетеродинного метода приема оптического излучения. Затем этот процесс повторяется для других новых параметров зондирующего лазерного излучения.
После измерения параметров комбинационного рассеяния в измерительной кювете осуществляется процесс измерения параметров комбинационного рассеяния в первой и второй эталонных кюветах и регистрация сигналов комбинационного рассеяния для эталонных веществ. В блоке 10 обработки информации и управления осуществляется анализ полученной информации на основе сравнения комбинационных спектров эталонных веществ и теплоносителя в измерительной кювете. На основании этого анализа получают информацию о параметрах теплоносителя ядерного реактора. При анализе параметров теплоносителя ядерного реактора измерительная кювета 3 работает в двух режимах. В первом режиме открыты оба вентиля 53 и 54 (Фиг. 2), и осуществляется измерение теплоносителя в проточном режиме при непрерывном движении теплоносителя через измерительную кювету 3. Во втором режиме вначале открываются вентили 53, 54 и измерительная кювета 3 заполняется теплоносителем из трубопровода - байпаса 51. После этого вентили 53, 54 переводятся в закрытое состояние, и осуществляется измерение параметров теплоносителя, находящегося в этот момент в заполненной измерительной кювете 3.
Процесс формирования зондирующего лазерного излучения осуществляют с помощью первого и второго лазерных генераторов 1 и 2, а также с помощью первого 15 и второго 16 блоков сдвига длины волны лазерного излучения. Блоки сдвига длины волны лазерного излучения служат для обеспечения возможности формирования зондирующего излучения с различными длинами волн. Второй лазерный генератор 2 и второй блок 16 сдвига длины волны лазерного излучения служат для обеспечения возможности формирования зондирующего лазерного излучения одновременно на двух длинах волн, что осуществляется при одновременной работе двух лазерных генераторов 1 и 2.
1
1
Вначале рассмотрим формирование зондирующего излучения на одной фиксированной заданной длине волны с помощью первого лазерного генератора 1. Первый лазерный генератор 1 генерирует лазерное излучение с некоторой исходной заданной длиной волны λ. Первый блок 15 сдвига длины волны лазерного излучения осуществляет сдвиг длины волны генерируемого лазерного излучения на некоторую фиксированную заданную величину dλ, в результате чего на выходе этого блока 15 формируется лазерное излучение с длиной волны, равной λ+dλ. Данное сформированное зондирующее лазерное излучение с выхода блока 15 поступает на оптический вход измерительной кюветы 3. Лазерный генератор 2 в данном случае в этот момент времени находится не в рабочем состоянии и не осуществляет генерации лазерного излучения.
Сформированное зондирующее лазерное излучение на выходе первого блока сдвига длины волны 15 поступает на оптический вход измерительной кюветы 3 через открытые в прямом направлении первый и второй оптические переключатели 11 и 12 соответственно. Открывание оптических переключателей для пропускания лазерного излучения в соответствующем заданном направлении осуществляется по командам от блока 10 обработки информации и управления, к которому подключены управляющие входы всех оптических переключателей. Сформированное лазерное излучение поступает в измерительную кювету 3, где взаимодействует с веществом теплоносителя. В результате этого взаимодействия образуется рассеянное излучение, комбинационное рассеянное излучение, а также происходит поглощение лазерного излучения, прошедшего через измерительную кювету 3. Последнее с первого оптического выхода измерительной кюветы 3 поступает на вход первого фотоприемного блока 6, где осуществляется его регистрация. Излучение, образующееся в результате комбинационного рассеяния, выходит из измерительной кюветы 3 через второй (боковой) оптический выход 46 (Фиг. 1). Данное излучение направляется и поступает на оптический вход управляемого спектрального фильтра 9 (Фиг. 1). Направление данного оптического излучения с выхода 46 измерительной кюветы 3 осуществляется с помощью оптически связанных линз 30 и 33, а также посредством отражательного зеркала 40 и оптических переключателей 26 и 27. При этом оптический переключатель 26 открыт в прямом направлении, а оптический переключатель 27 открыт в направлении изменения направления распространения излучения на 90 градусов.
При этом излучение с выхода оптического переключателя 26 направляется на вход линзы 33 и далее на оптический вход управляемого спектрального фильтра 9. Последний осуществляет спектральную фильтрацию поступившего на его вход оптического излучения в заданном спектральном диапазоне. С выхода управляемого спектрального фильтра 9 отфильтрованное оптическое излучение поступает на оптический вход четвертого фотоприемного блока 19, где осуществляется регистрация и оцифровка параметров этого излучения. С выхода фотоприемного блока 19 информация поступает в блок 10 обработки информации и управления. Излучение с выхода управляемого спектрального фильтра 9 поступает на вход указанного фотоприемного блока 19 посредством полупрозрачного зеркала 44 и пятой линзы 34.
Таким образом, осуществляется регистрация излучения комбинационного рассеяния, образующегося при взаимодействии сформированного зондирующего лазерного излучения с веществом теплоносителя ядерного реактора в измерительной кювете 3. Следует отметить, что в процессе регистрации излучений, образующихся в измерительной кювете 3, в первую и вторую эталонные кюветы зондирующее излучение не подается (не поступает) и регистрация излучений с выходов этих кювет не осуществляется. Одновременно с регистрацией оптического излучения с выхода управляемого спектрального фильтра 9 с помощью четвертого фотоприемного блока 19 осуществляется регистрация этого излучения с помощью пятого фотоприемного блока 20 методом оптического гетеродинирования. Это позволяет реализовать более высокую спектральную разрешающую способность с помощью блока 21 электрических спектральных фильтров и обеспечить получение информации о детальной спектральной структуре комбинационного рассеянного излучения при взаимодействии зондирующего лазерного излучения с веществом теплоносителя в измерительной кювете 3.
Для реализации оптического гетеродинного приема излучения с выхода управляемого спектрального фильтра 9 осуществляется формирование оптического гетеродинного сигнала с помощью первого лазерного генератора 1, третьего блока 17 сдвига длины волны лазерного излучения и блока 18 сдвига частоты лазерного излучения. На оптический вход пятого фотоприемного блока 20 поступает оптический сигнал с выхода управляемого спектрального фильтра 9. Данный оптический сигнал фокусируется шестой линзой 35 в плоскости фоточувствительной площадки фотоприемного блока 20. Одновременно на эту же фоточувствительную площадку фотоприемного блока 20 фокусируется оптический гетеродинный сигнал посредством седьмой линзы 36. Данный оптический гетеродинный сигнал формируется путем ответвления части лазерного излучения с выхода первого лазерного генератора 1 посредством полупрозрачного зеркала 41. Далее этот ответвленный оптический сигнал проходит через третий блок 17 сдвига длины волны лазерного излучения, через блок 18 сдвига частоты лазерного излучения, проходит через полупрозрачное зеркало 42 и далее после отражения от управляемого отражательного зеркала 28 поступает на оптический вход упомянутой выше линзы 36.
3
17
1
3
1
17
1
3
с
В плоскости фоточувствительной площадки фотоприемного блока 20 одновременно сфокусированы оптический сигнал с выхода управляемого спектрального фильтра 9 и оптический гетеродинный сигнал, сформированный из части лазерного излучения с выхода первого лазерного генератора 1, длина волны которого сдвинута на заданную фиксированную величину d в третьем блоке 17 сдвига длины волны лазерного излучения. В результате частота оптического сигнала на выходе блока 17 будет равна ƒ=c/λ+d), где λ, как и прежде, длина волны лазерного излучения, генерируемого первым лазерным генератором 1,  - скорость света. Далее частота оптического сигнала с выхода блока 17 подвергается дополнительному сдвигу в блоке 18 сдвига частоты лазерного излучения на заданную фиксированную величину dƒ. В результате частота сформированного на выходе блока 18 оптического гетеродинного сигнала становится равной Fg=ƒ+dƒ=c/(λ+d)+dƒ.
Смысл введения дополнительного сдвига частоты лазерного излучения с помощью блока 18 состоит в том, что в блоке 17 сдвига длины волны лазерного излучения частота лазерного излучения дискретно сдвигается (изменяется) на значительную величину. Блок 18 сдвига частоты лазерного излучения осуществляет дополнительный сдвиг частоты формируемого оптического гетеродинного сигнала измерительной кюветы 2 на меньшую величину с высокой точностью. Это позволяет осуществить плавную подстройку и перестройку частоты сформированного оптического гетеродинного сигнала и обеспечить плавную и точную перестройку оптической частоты гетеродинного сигнала в заданном диапазоне.
g
k
1
1
k
1
1
k
В фотоприемном блоке 20 осуществляется фотосмешение сформированного оптического гетеродинного сигнала с оптической частотой излучения, равной F, и оптического сигнала комбинационного рассеяния с выхода оптического спектрального фильтра 9. Оптическая частота сигнала комбинационного рассеяния равна следующей величине: F=c/(λ+d)+d. Здесь величина c/(λ+d) равна оптической частоте лазерного зондирующего излучения, сформированного на выходе блока 15 сдвига длины волны лазерного излучения и поступающего на оптический вход измерительной кюветы 3, как это отмечено ранее. Величина d определяется сдвигом оптической частоты оптического сигнала комбинационного рассеяния относительно оптической частоты лазерного зондирующего излучения. Данная величина является характеристикой вещества, с которым взаимодействует сигнал зондирующего лазерного излучения. Измерение этой частоты сдвига и всего широкого спектра образующегося комбинационного рассеяния собственно и позволяет обнаружить и исследовать вещества, входящие в состав теплоносителя ядерного реактора.
r
k
g
В результате фотосмешения на выходе фотоприемного блока 20 образуется электрический сигнал с разностной частотой биений, равной величине F=F-F. Далее сформированный электрический сигнал с указанной частотой поступает с выхода фотоприемного блока 20 на вход блока 21 электрических спектральных фильтров, где осуществляется спектральный анализ данного сигнала с помощью фильтров с фиксированными частотами и полосами пропускания с высокой точностью. С выхода блока 21 информация о спектральном анализе комбинационного рассеянного излучения, включая детальную структуру комбинационного спектра, поступает в блок 10 обработки информации и управления. Таким образом, в блок 10 поступает информация с выхода фотоприемного блока 19 о спектральной составляющей комбинационного спектра, выделенной управляемым спектральным фильтром 9, и одновременно информация о детальной структуре данного участка комбинационного спектра, выделенная и зарегистрированная блоком 21 электрических спектральных фильтров.
В ходе анализа и регистрации спектра комбинационного рассеяния, возбужденного сформированным зондирующим лазерным излучением в измерительной кювете 3, осуществляются в автоматическом режиме следующие действия. Выполняется последовательная пошаговая (дискретная) перестройка длины волны зондирующего лазерного излучения с помощью первого блока 15 сдвига длины волны лазерного излучения. Для каждой фиксированной сформированной длины волны зондирующего лазерного излучения осуществляется перестройка длины волны выделяемого диапазона спектральной фильтрации в управляемом спектральном фильтре 9. С помощью фотоприемного блока 19 регистрируется величина спектральной составляющей комбинационного спектра для данной длины волны выделенного участка спектра. Одновременно для каждой длины волны выделенного участка спектра управляемым спектральным фильтром 9 с помощью блока 17 сдвига длины волны и блока 18 сдвига частоты лазерного излучения осуществляется соответствующая подстройка частоты формируемого сигнала оптического гетеродина. В результате в блоке 21 электрических спектральных фильтров осуществляется выделение и регистрация детальной спектральной структуры участка комбинационного спектра, выделенного при заданной фиксированной настройке полосы приема в управляемом спектральном фильтре 9. Лазерный генератор 1 работает при этом в непрерывном или импульсно (дискретно) непрерывном режиме.
В результате пошагового дискретного изменения длин волн зондирующего лазерного излучения и формируемого сигнала оптического гетеродинного излучения в блоке 10 обработки информации и управления образуется информация о спектральных характеристиках (параметрах) комбинационного рассеянного излучения в широком диапазоне длин волн зондирующего лазерного излучения. Данная информация используется для определения концентрации борной кислоты, а также для обнаружения наличия и концентрации различных других примесей в составе теплоносителя в измерительной кювете 3. На Фиг. 6 приведена схема регистрации комбинационных спектров с помощью предлагаемой лазерной системы, поясняемая далее.
2
2
3
2
2
2
2
3
2
2
1
1
1
1
1
1
Для расширения возможностей формирования лазерного зондирующего излучения с различными параметрами и повышения эффективности обнаружения и измерения состава теплоносителя в предлагаемой лазерной измерительной системе предусмотрена возможность формирования зондирующего лазерного излучения одновременно на двух длинах волн с помощью второго лазерного генератора 2. Для осуществления такого дополнительного режима работы лазерной измерительной системы одновременно с работой первого лазерного генератора 1 осуществляют включение второго лазерного генератора 2, который осуществляет генерацию лазерного излучения на некоторой длине волны λ. Второй блок 16 сдвига длины волны лазерного излучения осуществляет сдвиг длины волны лазерного излучения на некоторую заданную величину d. На выходе блока 16 образуется лазерное излучение с длиной волны λ=λ+d и, соответственно, с частотой Fz, равной Fz=c/λ=с/(λ+d). Данное сформированное лазерное излучение является вторым дополнительным зондирующим лазерным излучением. Это излучение с выхода блока 16 поступает на оптический вход измерительной кюветы 3 посредством отражательного зеркала 37, полупрозрачного зеркала 43 и через открытый в прямом направлении второй оптический переключатель 12. Одновременно, как было отмечено, на оптический вход измерительной кюветы 3 поступает первое зондирующее лазерное излучение, сформированное с помощью первого лазерного генератора 1 и с помощью первого блока 15 сдвига длины волны лазерного излучения. Длина волны первого лазерного зондирующего излучения, как отмечено выше, равна λz=λ+d. Соответственно, частота этого первого зондирующего лазерного излучения равна Fz=c/(λ+d).
Таким образом, в измерительной кювете на вещество теплоносителя одновременно воздействуют два лазерных излучения с указанными длинами волн и частотами лазерного излучения. При этом образуются биения лазерных излучений с разностной и суммарной частотами. Взаимодействие лазерных излучений с разностной частотой эквивалентно воздействию зондирующего лазерного излучения с относительно низкой частотой, соответствующей, например, ближнему инфракрасному диапазону. Это позволяет существенно расширить спектр воздействующих лазерных зондирующих сигналов и обеспечить более точное измерение комбинационных спектров веществ, входящих в состав теплоносителя. При формировании данного зондирующего лазерного излучения порядок измерения комбинационного рассеяния и измерения его детальной структуры осуществляется в соответствии с изложенным выше методом и последовательностью измерения с помощью управляемого спектрального фильтра 9 и формирования оптического гетеродинного сигнала.
В предлагаемой лазерной измерительной системе возможно также проведение измерений параметров и состава веществ из различных рабочих сред ядерного реактора, бассейнов выдержки ядерного топлива и т.п. Для этого пробы веществ от специального пробоотборного устройства ядерного реактора направляют в измерительную кювету 3, после чего осуществляется измерение параметров содержимого измерительной кюветы 3 рассмотренным выше способом.
Для точного определения состава веществ, входящих в теплоноситель, и определения их концентраций в предлагаемой лазерной измерительной системе предусмотрено измерение спектров комбинационного рассеяния эталонных веществ в первой и второй эталонных кюветах 4 и 13. В первой эталонной кювете 4 с помощью блока наполнения 5 устанавливается определенная заданная концентрация борной кислоты.
4
8
2
4
2
2
4
2
Во второй эталонной кювете 13 с помощью блока 14 наполнения устанавливается определенная заданная концентрация веществ, образующихся при работе ядерного реактора, например, гидроокись железа и т.п., а также веществ, специально добавляемых в теплоноситель для, например, уменьшения процессов окисления и разрушения материала трубопроводов. К таким добавляемым веществам относятся: морфолин (CHONH); этаноламин [CH(OH)NH]; гидразин-гидрат (NH⋅HO). В процессе работы трубопроводов и паропроводов образуются гидроокиси следующих элементов: Na, Са, Mg, K, Cu, Fe, Al.
Для определения характера спектров комбинационного рассеяния, обусловленных наличием борной кислоты и других веществ, присутствующих в составе теплоносителя ядерного реактора в стандартном режиме его работы, осуществляется просвечивание эталонных кювет зондирующим лазерным излучением и регистрация образующихся оптических сигналов комбинационного рассеяния. Данная измерительная процедура осуществляется по отдельности для первой и второй эталонных кювет 4 и 13. При этом зондирующее лазерное излучение в измерительную кювету не подается и измерения оптических сигналов с выходов измерительной кюветы не осуществляется. При осуществлении измерений комбинационного рассеяния заданной концентрации борной кислоты в первой эталонной кювете 4 сформированное лазерное зондирующее излучение с выхода блока 15 поступает на оптический вход первой эталонной кюветы 4. Данное излучение с выхода блока 15 поступает через первый оптический переключатель 11, открытый в прямом направлении, через второй оптический переключатель 12, открытый в боковом направлении, и через пятый оптический переключатель 25, открытый в боковом направлении. Таким образом, для направления зондирующего лазерного излучения на вход первой эталонной кюветы 4 соответствующие оптические переключатели по командам от блока 10 обработки информации и управления открываются в необходимом направлении для обеспечения подачи зондирующего лазерного излучения на оптический вход первой эталонной кюветы 4.
Аналогично соответствующие оптические переключатели открываются для подачи сигналов комбинационного рассеяния со второго оптического выхода (иллюминатор 47) эталонной кюветы 4 на оптический вход управляемого спектрального фильтра 9. В этом случае оптические переключатели 26 и 27 открываются для пропускания оптического сигнала в боковом направлении. В результате оптический сигнал с бокового оптического выхода 47 эталонной кюветы 4 поступает последовательно через вторую линзу 31, открытый в боковом направлении оптический переключатель 26 и открытый в боковом направлении оптический переключатель 27 на оптический вход четвертой линзы 33 и далее на оптический вход управляемого спектрального фильтра 9. При работе второго лазерного генератора 2 лазерное излучение с выхода блока 16 посредством отражательного зеркала 37 и полупрозрачного зеркала 43 поступает на вход второго оптического переключателя 12, открытого в боковом направлении, к далее вместе с лазерным излучением с выхода блока 15 поступает на оптический переключатель 25 и далее поступает на оптический вход первой эталонной кюветы 4. Далее осуществляется формирование зондирующего лазерного излучения с повторением всех манипуляций, рассмотренных выше при измерении рассеянного комбинационного излучения в измерительной кювете 3.
Аналогично осуществляется регистрация комбинационных спектров излучения с помощью фотоприемных блоков 19 и 20. В блоке 21 электрических спектральных фильтров осуществляется измерение и регистрация тонкой структуры спектра комбинационного рассеяния аналогично процессу при регистрации комбинационного спектра в измерительной кювете 3. Фотоприемный блок 7 осуществляет регистрацию прямого зондирующего излучения, прошедшего через эталонную кювету 4. Информация с выходов фотоприемных блоков 7, 19 и с выхода блока 21 электрических спектральных фильтров поступает в блок 10 обработки информации и управления. В последнем накапливается вся информация о параметрах спектра комбинационного рассеяния эталонной концентрации борной кислоты при взаимодействии зондирующего излучения с известными параметрами с раствором указанной борной кислоты в эталонной кювете 4. Данная информация далее используется для обнаружения и измерения концентрации борной кислоты в измерительной кювете 3.
Далее осуществляется измерение параметров спектров комбинационного рассеяния при взаимодействии зондирующего лазерного излучения с эталонным раствором примесей во второй эталонной кювете 13. Для осуществления этих измерений аналогично предыдущему случаю зондирующее лазерное излучение поступает с выхода блока 15 на оптический вход второй эталонной кюветы 13. Данное лазерное излучение с выхода блока 15 проходит через открытый в прямом направлении первый оптический переключатель 11, через открытый в боковом направлении второй оптический переключатель 12 и через открытый для этого случая в прямом направлении пятый оптический переключатель 25. Далее лазерное зондирующее излучение от оптического переключателя 25 поступает на отражательное зеркало 39 и далее поступает на оптический вход второй эталонной кюветы 13. При включенном втором лазерном генераторе 2 лазерное излучение с выхода блока 16 поступает вместе с лазерным излучением от блока 15 на оптический вход второй эталонной кюветы 13. Оптическое излучение комбинационного рассеяния со второго оптического выхода (иллюминатор 48) второй эталонной кюветы 13 поступает на оптический вход управляемого спектрального фильтра 9 посредством третьей и четвертой линз 32 и 33 и через открытый в прямом направлении седьмой оптический переключатель 27. Управление открыванием оптических переключателей осуществляется по командам от блока 10. Манипуляции с формированием зондирующего лазерного излучения и регистрацией комбинационных спектров в фотоприемных блоках 19, 20 и прямого излучения в фотоприемном блоке 8 аналогичны предыдущим случаям.
В результате в блоке 10 обработки информации и управления накапливается информация о параметрах комбинационного спектра от веществ примесей, эталонный раствор которых находится во второй эталонной кювете 13. На основании полученной и зарегистрированной информации в блоке 10 о параметрах комбинационных спектров, полученных при взаимодействии зондирующего лазерного излучения с содержимым в измерительной кювете, а также с содержимым в первой и второй эталонных кюветах 4, 13, в блоке 10 осуществляется анализ и измерение параметров теплоносителя ядерного реактора, протекающего через измерительную кювету 3.
Следует отметить, что характер спектра комбинационного рассеяния обусловлен молекулярными колебаниями и отражает химический состав вещества теплоносителя. Каждое вещество обладает только ему присущим составом спектральных компонент. Это позволяет обеспечить обнаружение молекул борной кислоты на фоне наличия различных других примесей веществ в теплоносителе при малой концентрации борной кислоты в теплоносителе. Это обусловлено фиксированным положением характерных спектральных компонент борной кислоты в спектре комбинационного рассеяния независимо от наличия различных других примесных веществ, спектральные компоненты которых расположены в других участках наблюдаемого диапазона спектра комбинационного рассеяния. При этом концентрация раствора борной кислоты в измерительной кювете 3 определяется в блоке 10 в соответствии со следующей формулой:
b
t
i
t
C=CE/E.
b
t
t
i
Здесь C - концентрация борной кислоты в измерительной кювете 3; C - концентрация борной кислоты в эталонной кювете 4, установленная в заданных пределах с помощью блока 5 наполнения; E - величина наиболее интенсивной спектральной компоненты комбинационного спектра, измеренная с помощью эталонного раствора борной кислоты в первой эталонной кювете 4; E - величина аналогичной спектральной компоненты в комбинационном спектре, измеренная при воздействии зондирующего лазерного излучения в измерительной кювете 3.
Следует отметить, что по такой же формуле в блоке 10 осуществляется расчет (определение) концентрации вещества примесей в измерительной кювете 3. Обнаружение примесных веществ и определение их концентраций осуществляется путем сравнения величин характерных спектральных линий в комбинационных спектрах во второй эталонной кювете 13 и в измерительной кювете 3. Таким образом, предлагаемая лазерная измерительная система осуществляет детальное сравнение и анализ комбинационных спектров, полученных для первой и второй эталонных кювет, с комбинационным спектром, полученным для измерительной кюветы 3 при воздействии на указанные кюветы лазерного зондирующего излучения с одинаковыми параметрами, как для измерительной кюветы, так и для первой и второй эталонных кювет.
В результате детального анализа и сравнения измеренного и эталонных комбинационных спектров обеспечивается измерение с высокой точностью концентрации борной кислоты в измерительной кювете 3 при малых уровнях концентрации независимо от наличия различных примесей (веществ), как специально добавляемых в состав теплоносителя для обеспечения его нормальной работы, так и веществ, неизбежно образующихся в процессе длительной непрерывной работы ядерного реактора. Предлагаемая лазерная измерительная система позволяет осуществить непрерывное измерение концентраций этих примесей, что обеспечивает повышение безопасности работы ядерного реактора и трубопроводов за счет своевременной сигнализации об угрозе или начале аварийной ситуации при соответствующем превышении в измерительной кювете 3 стандартной концентрации примесных веществ.
Следует отметить, что одновременно с измерением параметров комбинационного рассеяния веществ, находящихся в измерительной и эталонных кюветах, осуществляется измерение прямого ослабления прошедшего через указанные кюветы зондирующего лазерного излучения фотометрическим абсорбционным методом с помощью фотоприемных блоков 6, 7, 8 аналогично осуществляемому в системе-прототипе. Получение информации о параметрах теплоносителя двумя различными способами повышает достоверность и надежность получаемых данных.
Измерение концентрации борной кислоты и концентраций различных примесей в составе теплоносителя осуществляется в предлагаемой измерительной системе непрерывно, для чего осуществляется постоянное просвечивание измерительной кюветы сформированным зондирующим лазерным излучением. Периодически осуществляется измерение параметров веществ (борной кислоты и примесей) находящихся в первой и второй эталонных кюветах для уточнения параметров эталонных оптических сигналов при расшифровке и анализе параметров комбинационных спектров, полученных в измерительной кювете при различных параметрах сформированных лазерных зондирующих излучений.
Для повышения точности измерения спектров комбинационного рассеяния в предлагаемой лазерной измерительной системе предусмотрено измерение параметров формируемых лазерных зондирующих сигналов с помощью блока 22 измерения длины волны лазерного излучения. В качестве данного блока может быть использован стандартный измеритель длины волны лазерного излучения, выполненный на основе оптического монохроматора с дифракционной решеткой. Данный блок имеет в своем составе фотоприемник и позволяет измерить также уровень интенсивности сформированного лазерного зондирующего излучения на соответствующей заданной длине волны. Для осуществления данного измерения в соответствующем контрольном режиме работы лазерной измерительной системы лазерное излучение с выхода соответствующего блока 15, 16 или 18 подается на вход блока 22 измерения длины волны через открытые соответствующим образом оптические переключатели.
Измерение осуществляется последовательно для каждого из указанных блоков. Например, для измерения параметров излучения с выхода блока 15 открываются первый оптический переключатель 11 в боковом направлении, оптические переключатели 23 и 24 открываются в прямом направлении. В результате лазерное излучение с выхода блока 15 поступает на оптический вход блока 22 измерения длины волны лазерного излучения. По командам от блока 10 в блоке 15 устанавливается некоторый заданный уровень сдвига длины волны лазерного излучения, а в блоке 22 осуществляется измерение длины волны и интенсивности сформированного лазерного зондирующего излучения.
Аналогично для блока 16 открываются третий оптический переключатель 23 в боковом направлении, а четвертый оптический переключатель 24 в прямом направлении. Для измерения параметров лазерного излучения с выхода блока 18 открывается четвертый оптический переключатель 24 в боковом направлении. В результате осуществляется точное измерение и контроль сформированных лазерных зондирующих излучений для каждого установленного заданного уровня сдвига волны лазерного излучения в блоках 15, 16, 17 и 18 по отдельности.
с
На Фиг. 6 изображен в качестве примера спектр комбинационного рассеяния водного теплоносителя ядерного водного реактора и схема регистрации комбинационных спектров в предлагаемой лазерной системе. По оси абсцисс отложены длины волн лазерных излучений, а по оси ординат - интенсивности спектральных составляющих комбинационного спектра воды. Цифрами обозначены следующие элементы: 69 - кривая огибающей комбинационного спектра воды при возбуждении зондирующим лазерным излучением с длиной волны Λ=500 нм. Комбинационный спектр вещества теплоносителя регистрируется в диапазоне от 500 до 575 нм. Позицией 70 обозначена условно полоса приема управляемого спектрального фильтра 9, которая имеет центральную величину Λ, перемещаемую в пределах от 500 до 575 нанометров под воздействием управляющего сигнала, поступающего на управляемый спектральный фильтр 9 от блока 10 обработки информации и управления (Фиг. 1). При применении стандартного монохроматора в качестве блока 9 такое перемещение полосы приема осуществляется путем изменения угла наклона дифракционной решетки монохроматора автоматически по управляющим сигналам от блока 10 обработки информации и управления.
g
Внутри полосы приема управляемого спектрального фильтра перемещается приемная полоса 71 гетеродинного приема с центральной длиной волны Λ полосы гетеродинного приема, которая перемещается при изменении длины волны и частоты формируемого гетеродинного оптического сигнала с помощью блоков 17 и 18, как это было отмечено выше. Внутри общей полосы 71 гетеродинного приема показаны расположенные последовательно приемные полосы 72 отдельных (парциальных) спектральных электрических фильтров из блока 21 спектральных электрических фильтров на Фиг. 1 (возможно получение дополнительно до 1000 спектральных элементов разрешения - парциальных полос приема). Таким образом, при использовании гетеродинного оптического метода приема и регистрации комбинационных спектров и блока электрических спектральных фильтров реализуется значительно более высокая спектральная разрешающая способность и реализуется возможность получения важной информации о детальной структуре комбинационных спектров, что позволяет повысить эффективность обнаружения и идентификации веществ, входящих в состав теплоносителя ядерного реактора, и повысить чувствительность и точность определения концентрации этих веществ.
На представленной схеме Фиг. 6 спектральная ширина полосы приема управляемого спектрального фильтра и парциальных электрических спектральных фильтров показаны условно и не соответствуют реальным соотношениям величин полосы приема указанных элементов. Следует отметить, что метод оптического гетеродинного приема вследствие более узких полос приема (фильтрации) электрических спектральных фильтров позволяет обеспечить существенно более эффективную фильтрацию и подавление излучения общего релеевского рассеяния, возникающего при воздействии лазерного зондирующего излучения на вещество теплоносителя в измерительной кювете. Это дополнительно повышает чувствительность и точность измерения параметров теплоносителя в предлагаемой лазерной измерительной системе.
На Фиг. 7 и 8 приведена иллюстрация работы высокоразрешающей спектральной измерительной системы [11] оптического диапазона длин волн при измерении двух различающихся лазерных излучений с одинаковой общей шириной спектра. Представлены две спектрограммы со значительно различающейся тонкой структурой спектра (по горизонтали расположена длина волны или частота излучения). Спектральная разрешающая способность данной лазерной измерительной системы составляла 300 МГц при общей ширине спектра исследуемых лазерных излучений в диапазоне 0,01-1 нм. Высокая разрешающая способность указанной лазерной измерительной системы позволяет обеспечить эффективное обнаружение и распознавание по тонкой структуре оптического спектра двух различных видов (объектов) лазерных излучений на Фиг. 7 и Фиг. 8, на которых каждый импульсный всплеск излучения имеет ширину спектра порядка 300 МГц. Стандартный монохроматор на основе оптической дифракционной решетки в этих случаях регистрирует один спектральный отсчет для Фиг. 7 и Фиг. 8 с небольшим различием по интенсивности. Данная лазерная измерительная система высокого разрешения порядка 300 МГц является аналогом оптической гетеродинной измерительной системы, используемой в составе предлагаемой лазерной измерительной системы, рассмотренной выше.
В предлагаемой системе измерений использованы блоки и узлы, разработанные или выпускаемые промышленностью. Измерительная и эталонная кюветы выполняются в форме стандартных конструкторских разработок с использованием иллюминаторов, прозрачных в широком диапазоне от короткой части УФ диапазона до ИК диапазона длин волн. Лазерные генераторы и фотоприемники от УФ до видимого диапазона длин волн выпускаются промышленностью и используются в промышленности, медицине и научных исследованиях. Возможно использование лазерных генераторов с перестройкой длины волны лазерного излучения. Оптические приборы и элементы, входящие в состав предлагаемой измерительной системы, разработаны и выпускаются промышленностью. К таким элементам относятся оптические отражательные и полупрозрачные зеркала, оптические переключатели с приводом на основе шаговых электродвигателей. Фотоприемные блоки 6, 7, 8, 19 и 20 выполнены на основе высокочувствительного фотоэлектронного умножителя, работающего в диапазоне 200-800 нм. В состав фотоприемных блоков входят электрические усилители импульсных сигналов, блоки оцифровки и сопряжения с входом ЭВМ.
Блок 10 обработки и управления выполнен на основе стандартной электронной вычислительной машины любого типа. Блок 10 выполняет функции обработки поступающей с выходов фотоприемных блоков информации, на основе которой осуществляется расчет и определение концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя ядерного реактора. Одновременно блок 10 осуществляет управление работой всех элементов и устройств лазерной измерительной системы по соответствующей программе. Блок 10 содержит средства сопряжения и соединен со всеми управляемыми элементами измерительной системы.
Управляемый спектральный фильтр выполнен на основе стандартного двухходового монохроматора, использующего дифракционные решетки и автоматически управляемого от персонального компьютера по стандартным программам. Перемещение полосы приема в монохроматоре осуществляется автоматически путем изменения угла наклона дифракционной решетки. Стандартная ширина полосы приема, выделяемая на выходе монохроматора, составляет порядка 0,1 нм. Эта полоса приема интегрально регистрируется фотоприемным блоком 19. Внутри данной выделенной полосы приема в результате гетеродинного приема оптического излучения блок 21 электрических спектральных фильтров выделяет дополнительно еще порядка 1000 элементов разрешения по спектру, что и обеспечивает получение важной информации о тонкой структуре комбинационного рассеяния в измерительной кювете.
В качестве управляемого спектрального фильтра возможно использование акустооптических спектральных фильтров на основе взаимодействия оптического излучения с акустической волной, распространяющейся в акустооптическом кристалле. Возможно каскадное включение акустооптических кристаллов для увеличения диапазона сканирования при перемещении полосы приема по сформированному комбинационному спектру при использовании в качестве блоков сдвига длины волны акустооптических ячеек.
Управляемое отражательное зеркало 28 выполнено на основе стандартного сканирующего зеркала с пьезоэлектрическим приводом. Такие зеркала выпускаются промышленностью и предназначены для отклонения распространяющегося лазерного излучения по двум ортогональным направлениям.
Блок 29 управления предназначен для сопряжения управляющих элементов зеркала 28 со стандартным персональным компьютером. В предлагаемой лазерной системе управляемое зеркало 28 обеспечивает точное сопряжение волновых фронтов сформированного оптического гетеродинного сигнала и оптического сигнала комбинационного рассеяния на входе фотоприемного блока 20.
Блок 21 электрических спектральных фильтров выполнен на основе стандартных фильтров радиодиапазона. Спектральная ширина полосы пропускания отдельного парциального спектрального фильтра может изменяться от 1 МГц до 100 МГц.
Блоки сдвига длины волны лазерного излучения выполнены на основе капсул с красителями. В настоящее время лазеры на красителях используются для обеспечения генерации лазерного излучения и сдвига длины волны генерируемого излучения на заданную величину [12]. На Фиг. 4 представлен вариант выполнения блока сдвига длины волны, представляющий собой диск 63, по окружности которого закреплены капсулы 64, содержащие различные виды и концентрации красителей, каждый из которых обеспечивает сдвиг длины волны на некоторую фиксированную величину. С помощью шагового электродвигателя 65 осуществляется перемещение капсул и установка в оптическую систему по оптической оси какой-либо одной выбранной капсулы, как это показано на Фиг. 4. Перемещение осуществляется по команде от блока 10 и обеспечивает сдвиг длины волны лазерного излучения на выходе соответствующего блока 15, 16 и 17 сдвига на величину, определяемую красителем, находящимся в данной капсуле, введенной в оптическую схему. В качестве красителей используются кумарин, родамин, оксазин и т.п. Каждый краситель обеспечивает свой диапазон сдвига длин волн лазерного излучения.
Для дополнительного сдвига и управления длиной волны лазерного излучения возможно использование лазерных генераторов 1 и 2 с перестройкой длины волны генерируемого лазерного излучений. В качестве блоков сдвига длины волны возможно также использование акустооптических ячеек на основе акустооптических кристаллов, обеспечивающих сдвиг частоты лазерного излучения, и, соответственно, сдвиг длины волны проходящего через кристалл лазерного излучения вследствие его взаимодействия с акустической волной в кристалле. Для увеличения величины сдвига длины волны возможно использование каскадного включения акустооптических ячеек. В состав акустооптической ячейки входит блок управления и генератор радиочастотного сигнала для возбуждения акустооптической волны, взаимодействующей с лазерным излучением, проходящим через акустооптическую ячейку (акустооптический кристалл). Блок 18 сдвига частоты лазерного излучения также выполнен на основе акустооптической ячейки, в которой возбуждены акустические волны, обеспечивающие сдвиг частоты проходящего лазерного излучения на заданную величину. Данная аппаратура выпускается промышленностью [8 -10].
Оптические элементы - линзы имеют стандартное исполнение из оптического стекла, или на основе металлооптики. Линзы 30, 31, 32 выполняют роль конденсоров. В качестве линз 33, 34, 35 и 36 используются объективы, обеспечивающие фокусировку поступающих излучений на оптические входы блока 9 и фотоприемных блоков 19 и 20. Фотоприемные блоки 6, 7 и 8 сами имеют в своем составе при необходимости оптические фокусирующие элементы.
Следует отметить, что представленная на Фиг. 1 блок-схема лазерной измерительной системы отражает только функциональные связи элементов системы и не отражает реальные размеры и расстояния между отдельными оптическими элементами. В реальности элементы лазерной измерительной системы расположены в трех параллельных плоскостях. Измерительная и две эталонные кюветы расположены каждая в своих плоскостях, вместе со связующими оптическими элементами, в результате чего реализуется оптимальное расположение элементов лазерной измерительной системы. Характер расположения элементов в представленной на Фиг. 1 схеме обусловлен необходимостью расположения всех элементов лазерной измерительной системы в одной плоскости чертежа.
В предлагаемой лазерной измерительной системе следует отметить следующие факторы новизны.
1. В предлагаемой лазерной измерительной системе осуществляется непрерывный мониторинг - измерение параметров концентрации борной кислоты в первом (или отдельно во втором) контуре ядерного реактора на основе измерения интенсивности спектра комбинационного рассеяния, возникающего при воздействии зондирующего лазерного излучения на вещество теплоносителя. Это позволяет обеспечить высокую чувствительность и точность определения параметров борной кислоты независимо от наличия различных примесей в составе теплоносителя, в том числе примесей, возникающих при длительной работе ядерного реактора в течение всей рабочей кампании.
2. Одновременно с измерением параметров борной кислоты в лазерной измерительной системе осуществляется измерение концентраций примесных веществ в составе теплоносителя, как специально добавляемых, так и возникающих в процессе работы ядерного реактора.
3. Высокая чувствительность и точность определения параметров теплоносителя ядерного реактора достигается за счет использования гетеродинного оптического метода при регистрации параметров комбинационных спектров и оперативного сравнения спектральных составляющих, полученных в измерительной и двух эталонных кюветах при изменении параметров лазерных зондирующих излучений в широком диапазоне с помощью блоков сдвига длин волн лазерных излучений.
4. Предлагаемая лазерная измерительная система обеспечивает высокоточное измерение состава веществ в различных технологических средах аппаратуры и помещениях АЭС. Для этого пробы веществ, подлежащие анализу, с помощью специальных пробоотборных устройств помещаются в измерительную кювету лазерной измерительной системы.
Предлагаемая лазерная измерительная система вследствие высокой точности измерений, широкого диапазона измерений концентраций исследуемых веществ и высокой оперативности выполнения измерений найдет применение в ядерной энергетике и различных областях производства, химической, нефтеперерабатывающей промышленности и системах мониторинга окружающей среды и экологического контроля.
Источники информации
1. Сарылов В.И. Применение хемолюминесцентного метода контроля параметров реакторной воды атомных электростанций. Химия и технология воды, 1982, Т. 4, №1, с. 45-47.
2. Бовин В.П. Нейтронно-абсорбционный анализатор бора в теплоносителе первого контура ВВЭР. Атомная энергия, 1976. Т. 38, вып.5, с. 283-286.
3. Патент РФ №2025800, опубл. 30.12.1994.
4. Манкевич С.К., Орлов Е.П. Абсорбционно-спектральный фотометрический метод измерения концентрации борной кислоты в теплоносителе контура охлаждения энергетического ядерного реактора. Атомная энергия, 2016, Т. 121, вып. 5, с. 265-269.
5. Манкевич С.К., Орлов Е.П. Абсорбционно-спектралъный метод контроля характеристик теплоносителя в ядерном энергетическом реакторе. Препринт ФИАН №12. М., 2015, 34 с.
6. Патент РФ №2594364, опубл. 20.08.2016.
7. Патент РФ №2606369, опубл. 10.01.2017 (ближайший аналог).
8. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акусто-оптики. М.: Радио и связь, 1985, с. 134-234.
9. Балакший В.И., Манкевич С.К., Парыгин В.Н. Квантовая электроника. 1985, Т. 12, №4.
10. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. М.: Наука, 1970.
11. Патент РФ №2248555, опубл. 20.03.2005.
12. Справочник по лазерной технике. Под ред. А.П. Напартовича. М.: Энергоатомиздат, 1991, с. 146, 541.