УСТРОЙСТВО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗОВЫХ СРЕД И СПЕКТОМЕТРИЧЕСКИЙ ГАЗОВЫЙ МОНИТОР ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области измерительной техники в атомной энергетике и предназначена для измерения и мониторинга гамма-излучающих радиоактивных газов в технологических газовых средах атомных электростанций (АЭС), в воздухе помещений и вентиляционных систем, в газообразных выбросах в окружающую среду.
Известно устройство детектирования для измерения гамма-излучения радиоактивных инертных газов в атмосфере (заявка на изобретение РФ №2007147828, МПК G01T 1/167 (2006.01). Способ измерения радиоактивных инертных газов и устройство для его осуществления. Заявка опубликована 27.06.2009). Известное устройство детектирования содержит детектор гамма-излучения, представляющий собой ионизационную камеру со сжатым ксеноном, соединенную с блоком высоковольтного питания и с блоком усиления импульсов, и включает амплитудно-цифровой преобразователь, соединенный с устройством вывода информации. Детектор отличается тем, что его корпус представляет собой кювету, в которую помещены сжиженные газы. Основными недостатками известного технического решения является использование в качестве детектора ионизационной камеры, необходимость перевода компонентов исследуемого газа в жидкое состояние и невозможность проведения измерений в непрерывном автоматическом режиме.
Известно устройство для измерения объемной активности радионуклидов йода в воздухе рабочих помещений, систем вентиляции, трубопроводов и т.д., содержащее два сцинтилляционных детектора на основе кристалла CsI (T1) (Разработано ООО НПП «ДОЗА». Установка радиометрическая УДИ-1Б. Опубликовано на сайте http://www.doza.ru/catalog в 2002 г.). Принцип действия устройства УДИ-1Б основан на анализе энергетического спектра гамма-квантов, испускаемых радионуклидами, осевшими на сорбционно-фильтрующем материале в результате прокачки через него воздуха. Энергетический диапазон регистрации гамма-излучения составляет 60-3000 кэВ. К недостаткам известного технического решения относится использование сцинтилляционного детектора на основе кристалла CsI(T1), который имеет относительно низкие характеристики энергетического разрешения.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству детектирования является устройство детектирования для контроля активности и нуклидного состава инертных радиоактивных газов (Комаров Е.А. и др. Опыт применения спектрометрических комплексов для контроля радиоактивных отходов на Сибирском химическом комбинате. //Материалы научно-практической конференции молодых специалистов и аспирантов «Молодежь ЯТЦ: Наука и производство» Северск, 13-17 ноября 2007 г. Опубликовано на сайте http://conf2007.atomsib.ru в 2007 г.). Известное устройство детектирования выполнено на основе полупроводникового детектора из особо чистого германия, содержит измерительную камеру в геометрии сосуда Маринелли, размещено в свинцовой защите и включает процессор импульсных сигналов SBS. Геометрия Маринелли реализуется с помощью специального сосуда объемом 3 л. Сосуд устанавливается непосредственно на детектор гамма-излучения. Воздух, содержащий инертные радиоактивные газы и очищенный от радиоактивных аэрозолей и йода, с постоянным расходом прокачивается через сосуд Маринелли, в котором измеряется значение текущей объемной активности радионуклидов, находящихся в измерительной емкости. Устройство позволяет определять объемную активность гамма-излучения в энергетическом диапазоне от 80 до 1300 кэВ. К недостаткам известного устройства детектирования относятся низкие характеристики энергетического разрешения и необходимость постоянного контроля уровня и периодического пополнения жидкого азота в сосуде Дьюара.
Известна система контроля газообразных выбросов СКГАВ-1, обеспечивающая оперативный контроль выбросов радиоактивных аэрозолей, газов и йода (Разработано ООО НПП «ДОЗА». Система контроля газообразных выбросов СКГАВ-1. Опубликовано на сайте http://www.doza.ru/catalog в 2002 г.). В качестве устройства детектирования гамма-излучения в системе СКГАВ-1 использовано устройство УДИ-1Б, описанное выше. СКГАВ-1 содержит систему пробоотбора, 2-х ступенчатый фильтр для разделения примесей среды на целевые компоненты, подвод требуемых фракций газовоздушной среды, контроль общего расхода газа через установку, индикацию режима работы на блоке управления, возврат газа после анализа в систему вентиляции, информационные интерфейсы. К недостаткам известного технического решения относятся использование сцинтилляционных устройств детектирования на основе кристалла CsI (T1), громоздкость конструкции (многокомпонентность системы).
В качестве наиболее близкого технического решения для предлагаемого спектрометрического газового монитора гамма-излучения авторами выбрана система радиационного контроля СРГАВ производства ОАО «Пятигорский завод «Импульс»» (Скворцов О.А. Информационно-измерительные каналы АСРГ с использованием современной аппаратуры радиационного контроля производства ОАО «Пятигорский завод «Импульс»». //Материалы 12-го совещания Совета концерна «Росэнергоатом» по радиационной безопасности, г.Москва, ВНИИАЭС, 12.05.2008 г. Опубликовано на сайте www.pzi.ru). Известная система построена на базе отдельных независимых измерительных каналов йода, аэрозолей и инертных газов. В канале измерения активности инертных газов используются блоки детектирования на базе ионизационной камеры и сцинтилляционного детектора и проточной камеры. Измерение йода и аэрозолей в СРКГАВ производится при помощи блоков детектирования на базе фотоэлектронного умножителя после накопления йода и аэрозолей на соответствующие сорбционные ленты. Обработка сигналов после устройств детектирования происходит в устройстве накопления и обработки информации, в котором предусмотрены амплитудный многоканальный анализатор спектров с цифровым спектрометрическим процессором. К недостаткам описанной системы относятся громоздкость конструкции, перегруженность дополнительными механическими узлами, низкие характеристики энергетического разрешения.
Перед авторами стояла задача устранить указанные недостатки и разработать спектрометрический газовый монитор гамма-излучения, содержащий устройство детектирования гамма-излучения газовых сред, для преимущественного применения в качестве измерительной системы, контролирующей объемную активность гамма-излучающих радиоактивных газов в технологических газовых средах АЭС с различными типами реакторов. Предлагаемое устройство детектирования характеризуется небольшими габаритами, простотой конструкции, монтажа и эксплуатации, а также надежностью и точностью измерений в энергетическом диапазоне гамма-излучения от 50 до 3000 кэВ. Спектрометрический монитор позволяет эффективно проводить измерения активности контролируемой среды и оперативно реагировать на ее изменения и/или возникновение внештатных ситуаций.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство детектирования гамма-излучения газовых сред и спектрометрический газовый монитор гамма-излучения.
Предлагается устройство детектирования гамма-излучения газовых сред, включающее полупроводниковый детектор гамма-излучения на основе особо чистого германия, размещенный в измерительной камере, выполненной в геометрии сосуда Маринелли, установленной в свинцовом защитном блоке, отличающееся тем, что устройство детектирования снабжено электроохладителем, защитный блок выполнен в виде 4π-защиты и представляет собой контейнер с двойными стенками, образующими внутренний объем, заполненный свинцовой дробью, а верхняя часть защитного блока выполнена съемной.
Верхняя часть защитного блока предпочтительно выполнена в виде крышки. При таком варианте выполнения полезной модели устройство детектирования снабжено подъемным механизмом крышки.
Толщина 4π-защиты защитного блока предпочтительно составляет от 10 до 15 см.
Объем измерительной камеры предпочтительно составляет от 25 до 35 л.
Контейнер защитного блока предпочтительно выполнен из нержавеющей стали. В контейнере предусмотрены отверстия для заполнения контейнера свинцовой дробью.
Предлагается спектрометрический газовый монитор гамма-излучения, включающий устройство детектирования гамма-излучения газовых сред, содержащее измерительную камеру, размещенное в свинцовом защитном блоке, при этом устройство детектирования соединено с пробоотборной системой и цифровым анализатором спектра, спектрометрический монитор снабжен расходомером и устройством накопления и обработки информации, соединенным с цифровым анализатором спектра, отличающийся тем, что устройство детектирования включает полупроводниковый детектор гамма-излучения на основе особо чистого германия, размещенный в измерительной камере, выполненной в геометрии сосуда Маринелли, и снабжено электроохладителем, защитный блок выполнен в виде 4π-защиты и представляет собой контейнер с двойными стенками, образующими внутренний объем, заполненный свинцовой дробью, при этом верхняя часть защитного блока выполнена съемной, в пробоотборной системе предусмотрены трубопровод подачи контролируемой газовой среды и трубопровод подачи сжатого воздуха, снабженные запорной арматурой, выходящие в трубопровод подачи среды, на котором установлен расходомер, пробоотборная система снабжена контроллером управления, связанным с устройством накопления и обработки информации, и соединена с устройством детектирования трубопроводами подачи и отвода среды.
На трубопроводе подачи среды перед расходомером предпочтительно установлен компенсатор избыточного давления.
В качестве запорной арматуры могут быть использованы электромагнитные клапаны.
Толщина 4π-защиты защитного блока предпочтительно составляет от 10 до 15 см.
Объем измерительной камеры предпочтительно составляет от 25 до 35 л.
Техническим результатом полезной модели является создание современной измерительной системы, эффективно и точно контролирующей объемную активность гамма-излучающих радиоактивных газов в технологических газовых средах АЭС в широком энергетическом диапазоне гамма-излучения. Отличительные признаки полезной модели позволяют получить следующий технический результат. Использование в спектрометрическом мониторе устройства детектирования с полупроводниковым детектором на основе особо чистого германия позволяет быстро и точно проводить измерения в диапазоне от 50 до 3000 кэВ. Наличие электроохладителя позволяет полезной модели работать в непрерывном режиме, так как при таком техническом решении не требуется периодической доливки азота для охлаждения детектора с применением сосуда Дьюара. Выполнение защитного блока в виде 4π-защиты с предпочтительной толщиной от 10 до 15 см обеспечивает изоляцию детектора от фонового излучения со всех направлений, что приводит к уменьшению погрешности измерения. Конструкция защитного блока в виде контейнера с двойными стенками и насыпной свинцовой дробью между ними значительно удешевляет устройство детектирования и измерительную систему в целом, облегчает монтаж и демонтаж предлагаемого спектрометрического монитора. Благодаря увеличению объема измерительной камеры до 25-30 л нижний предел измерения монитора понижается практически на порядок по сравнению с известными устройствами, что соответствует современным требованиям по контролю активности газоаэрозольных выбросов на АЭС. Дополнительный технический результат для спектрометрического монитора заключается в том, что предлагаемая система способна эффективно работать при давлении на входных пробоотборных линиях от 1 до 80 атмосфер (бар). За счет простой замены одних типов клапанов на другие возможно использование разработанного спектрометрического газового монитора на АЭС с разными типами реакторов (ВВР, РБМК).
Ниже сущность полезной модели поясняется более подробно со ссылкой на прилагаемые схематические чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1 представляет вертикальный разрез устройства детектирования гамма-излучения газовых сред;
фиг.2 представляет структурную схему спектрометрического газового монитора гамма-излучения;
фиг.3 представляет схематический вид спектрометрического газового монитора гамма-излучения.
Позиции на чертежах обозначают: 1 - полупроводниковый детектор на основе особо чистого германия; 2 - измерительная камера; 3 - электроохладитель; 4 - защитный блок; 5 - крышка защитного блока; 6 - подъемный механизм крышки; 7 - контейнер; 8 - свинцовая дробь; 9 - устройство детектирования; 10 - пробоотборная система; 11 - цифровой анализатор спектра; 12 - устройство накопления и обработки информации;
13 - контроллер управления пробоотборной системой; 14 - трубопровод подачи среды; 15 - трубопровод отвода среды; 16 - расходомер; 17 - компенсатор избыточного давления (КИД); 18 - трубопровод подачи контролируемой газовой среды (КГС), 19 - трубопровод подачи сжатого воздуха; 20 - запорная арматура (электромагнитные клапаны).
Устройство детектирования гамма-излучения газовых сред, показанное на фиг.1, является только примером заявляемого устройства детектирования. Устройство 9 детектирования включает полупроводниковый детектор 1 на основе особо чистого германия и измерительную камеру 2, выполненную в геометрии сосуда Маринелли. Устройство 9 детектирования снабжено электроохладителем 3. Полупроводниковый детектор 1 и измерительная камера 2 размещены в свинцовом защитном блоке 4, выполненном в виде 4π-защиты и представляющим собой контейнер 7 с двойными стенками, образующими внутренний объем, заполненный свинцовой дробью 8. Верхняя часть защитного блока 4 выполнена в виде крышки 5. Устройство 9 детектирования снабжено подъемным механизмом 6 крышки 5.
Спектрометрический газовый монитор гамма-излучения включает устройство 9 детектирования, описанное в предыдущем абзаце. Устройство 1 детектирования соединено с пробоотборной системой 10 и цифровым анализатором 11 спектра. Спектрометрический монитор снабжен устройством 12 накопления и обработки информации, которое соединено с цифровым анализатором 11 спектра. Пробоотборная система 10 снабжена контроллером 13 управления, связанным с устройством 12 накопления и обработки информации, и соединена с устройством 9 детектирования трубопроводом 14 подачи среды и трубопроводом 15 отвода среды. На трубопроводе 14 подачи среды установлены компенсатор 17 избыточного давления и расходомер 16. В пробоотборной системе 10 предусмотрены трубопровод 18 подачи контролируемой газовой среды (КГС), трубопровод 19 подачи сжатого воздуха, снабженные электромагнитными клапанами 20 и выходящие в трубопровод 14 подачи среды.
Принцип работы спектрометрического газового монитора основан на регистрации полупроводниковым детектором гамма-излучения инертных радиоактивных газов, изотопов йода и других радионуклидов, поступающих в измерительную камеру устройства детектирования по системе трубопроводов из пробоотборной системы. Формирование спектров гамма-излучения производится цифровым анализатором с дальнейшей передачей информации в устройство обработки и накопления информации (УНО).
Полезная модель работает следующим образом.
Пробоотборная система 10 обеспечивает прокачку (прохождение) КГС через измерительную камеру 2 устройства 9 детектирования по системе трубопроводов 18 и 14. С помощью расходомера 16, компенсатора 17 избыточного давления и электромагнитных клапанов 20 осуществляется соответственно измерение и регулирование расхода КГС. Устройство 9 детектирования, работающее в автоматическом режиме, регистрирует гамма-спектры, которые накапливаются в цифровом анализаторе 11 и автоматически передаются в устройство 12 накопления и обработки информации, связь между которыми осуществляется при помощи преобразователя USB/Ethernet. В устройстве 12 накопления и обработки информации производится обработка аппаратурных гамма-спектров, а именно: определение радионуклидного состава, расчет значений активности, оценка погрешности определения активностей, расчет нижнего допустимого предела измерения и пр. Цифровой анализатор 11 спектра, представляющий собой специализированный технологический анализатор, обеспечивает автоматическое управление процессом измерения, предварительную обработку, хранение и протоколирование информации, поступающей от устройства 9 детектирования, формирование сигналов самодиагностики устройства 9. Устройство 12 накопления и обработки информации выдает команды контроллеру 13 пробоотборной системы 10. Устройство 12, как правило, включает два компьютера и монитор. Первый компьютер осуществляет хранение и обработку данных, а второй отвечает за взаимодействие с пользователем. Контроллер 13 представляет собой микрокомпьютер с наборными модулями, количество и тип которых зависит от конфигурации пробоотборной системы 10 (количества точек контроля, наличия сжатого воздуха для продувки и т.д.). Контроллер 13 выдает управляющие сигналы «Открыть/Закрыть» на электромагнитные клапаны 20 пробоотборной системы 10. Подача сжатого воздуха по системе трубопроводов 19 и 14 осуществляется при ремонтных работах для просушки измерительной камеры 2. Отвод КГС и сжатого воздуха производится по трубопроводу 15.
Описанные и иллюстрируемые устройство детектирования гамма-излучения газовых сред и спектрометрический газовый монитор гамма-излучения являются только примерами выполнения полезной модели, практические детали могут широко варьироваться в пределах объема предлагаемой полезной модели. Конструкции устройств управления и обработки информации, входящих в полезную модель, трубопроводов и других приспособлений могут быть полностью общепринятыми.
Предлагаемый спектрометрический газовый монитор выполняет следующие функции:
- отбор контролируемой среды по заданному алгоритму с помощью клапанов пробоотборной системы спектрометрического монитора;
- получение аппаратурных гамма-спектров контролируемой среды;
- вычисление активностей и сопутствующих величин (минимально детектируемой активности, ошибки измерения и др.) обнаруженных радионуклидов;
- определение степени загрязненности измерительного узла;
- обеспечение продувки измерительного узла;
- контроль качества измерения на основе анализа условий отбора контролируемой газовой среды (расхода) и работоспособности спектрометрического оборудования;
- сравнение рассчитанных активностей с установленными контрольными уровнями (предупредительным и аварийным);
- выдача цветозвуковой сигнализации в случае превышения контрольных уровней;
проведение автоматических (циклических) измерений, а также измерений по предустановленному расписанию;
- хранение аппаратурных спектров (за последний месяц) и результатов обработки за весь период эксплуатации;
- оперативное отображение на экране УНО результатов последнего измерения;
- построение графиков изменения контролируемых параметров за любой период эксплуатации;
- передача результатов обработки в локальную вычислительную сеть для удаленного управления и мониторинга.
Полезную модель можно эффективно применять в качестве измерительной системы, контролирующей объемную активность гамма-излучающих радиоактивных газов в технологических газовых средах АЭС с различными типами реакторов, в воздухе помещений и вентиляционных систем, в газообразных выбросах в окружающую среду.