СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОННОГО ПОТОКА ЯДЕРНОЙ УСТАНОВКИ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ИЗМЕРЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR RECORDING NEUTRON FLUX OF NUCLEAR FACILITY IN WIDE MEASUREMENT RANGE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к способам детектирования нейтронного потока в зоне облучения, в частности в реакторной зоне исследовательских и энергетических ядерных реакторов, и может быть использовано в ядерной физике, атомной энергетике, в частности, в системах контроля и обеспечения безопасности исследовательских и энергетических ядерных установок, например, реакторов.
Известен способ детектирования нейтронного потока в зоне облучения, заключающийся в том, что детектируют нейтронный поток с помощью камеры деления, работающей в токовом режиме, сигнал с камеры деления усиливают находящимся в зоне облучения предварительным усилителем, в состав которого входят активные радиотехнические элементы, усиленный сигнал передают по длинной кабельной линии за биологическую защиту, где измеряют ток камеры деления и полученный сигнал аппаратно обрабатывают для повышения точности измерения. Этот способ реализован в устройстве детектирования в виде канала контроля нейтронного потока, содержащего ионизационную камеру деления, источник высокого напряжения, предварительный усилитель, амплитудный дискриминатор, импульсный источник тока и логарифмический измеритель среднего тока (патент РФ №2215307, G01T 3/00, 1/17).
Недостатком данного способа детектирования нейтронного потока и соответствующего ему устройства является размещение в зоне облучения содержащего активные радиотехнические элементы предварительного усилителя, который подвергается постоянному воздействию нейтронных и γ - полей, что влияет на стабильность рабочих характеристик и существенно снижает его надежность и эксплуатационный ресурс.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу детектирования нейтронного потока в зоне облучения является способ, реализованный в устройстве детектирования (патент РФ №2227923, 27.04.2004), содержащем расположенную в зоне облучения камеру деления, вынесенные за ее пределы блок аналоговой обработки сигнала, источник высокого напряжения и блок микроконтроллера. Сигнал с камеры деления передается по длинной кабельной линии за биологическую защиту (за пределы зоны облучения), где измеряется ток камеры деления. В области больших токов точность результатов регистрации удовлетворительна. В области же малых токов наличие шумов при регистрации приводит к невозможности получения приемлемой по точности информации в области малых токов. Для регистрации нейтронного потока в области малых токов полученный с камеры деления сигнал аппаратно и программно обрабатывают для подавления шумов и повышения точности измерения, используя предложенные авторами алгоритмы обработки и полученные в предварительных опытах коэффициенты для полиномиальной аппроксимации сигнала в целях его линеаризации, и значение сигнала, при котором включается алгоритм линеаризации, обеспечивающий расширение диапазона в область малых токов за счет компенсации фонового среднего тока камеры, определяемого током утечки и влиянием потоков гамма-квантов и альфа-частиц.
-9
Недостаток способа и устройства детектирования при этом состоит в низкой достоверности результатов измерения в диапазоне малых токов (<10 А - определяется как десять фоновых токов камеры) из-за необходимости привлечения математического и аппаратного выделения сигнала из шума. В патенте не рассмотрена стабильность коэффициентов полиномиальной аппроксимации в зависимости от величины аппроксимируемого сигнала, геометрии размещения облучаемых объектов и спектра излучения.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в увеличении достоверности измерения нейтронного потока при значениях регистрируемого тока с камеры меньших, чем десять фоновых токов камеры в условиях сохранения надежности и стабильности рабочих характеристик регистрирующей аппаратуры.
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа регистрации нейтронного потока ядерной установки в широком диапазоне измерений, заключающегося в том, что детектируют нейтронный поток ядерной установки посредством регистрации токового режима камеры деления с последующим измерением и обработкой тока камеры деления вне зоны облучения, в предложенном способе одновременно с токовым режимом используют режим счета единичных нейтронов, при этом в диапазоне линейной зависимости скорости счета от нейтронного потока осуществляют прямые измерения актов регистрации нейтронов, причем сигнал, обусловленный единичными нейтронами без предварительного усиления, передают по длинной кабельной линии для регистрации и обработки вне зоны облучения, после чего зависимости плотности потока нейтронов от времени, измеренные камерой деления в счетном и токовом режимах, объединяются.
5
-9
-3
3
5
-9
-7
То есть в прототипе способ измерения нейтронного потока ядерной установки в широком диапазоне состоит в том, что детектируют нейтронный поток ядерной установки с помощью камеры деления, работающей только в токовом режиме, и полученный сигнал обрабатывают с помощью алгоритмов, выделяя полезный сигнал при значениях регистрируемого тока с камеры меньших, чем десять фоновых токов камеры. В заявляемом же способе параллельно и одновременно с токовым режимом используют режим счета единичных нейтронов, обеспечивая прямые измерения актов регистрации нейтронов в области малых токов, зарегистрированный малый сигнал, обусловленный единичными нейтронами, без предварительного усиления передают по длинной (до 30 м) кабельной линии для регистрации и обработки на устройство, находящееся вне зоны облучения. Зависимости плотности потока нейтронов от времени, измеренные камерой деления в счетном (диапазон линейной зависимости скорости счета от величины нейтронного потока 3 имп/сек - 10 имп/сек) и токовом режимах (диапазон линейной зависимости тока камеры от величины нейтронного потока 10А - 5·10 А) в диапазоне счетного режима (10 имп/сек - 10 имп/сек) и токового режима (10А - 10 А) «сшиваются» (объединяются) (измеряют одни и те же величины), что позволяет вычислить коэффициент для объединения счетного и токового режимов регистрации в предложенном устройстве и, таким образом, обеспечить регистрацию излучения в широком диапазоне измерений.
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного устройства измерения нейтронного потока, содержащего расположенную в зоне облучения камеру деления (1), вынесенные за пределы зоны облучения блок аналоговой обработки сигнала (9), источник высокого напряжения (17) и блок микроконтроллера (12), отрицательный электрод камеры деления соединен с выходом источника высокого напряжения и с входом блока аналоговой обработки сигнала, выход блока аналоговой регистрации соединен с входом блока микроконтроллера, а выход блока микроконтроллера соединен с входом источника высокого напряжения, в предложенное устройство введен дополнительный канал регистрации счета нейтронов, соединяющий положительный электрод (+) камеры деления (1) с блоком микроконтроллера (12), канал образован расположенным в зоне облучения блоком гальванической развязки (2), блоком согласования (3), состоящим из расположенного в зоне облучения импульсного понижающего трансформатора (4) и вынесенного за пределы биологической защиты зоны облучения посредством согласованной кабельной линии (ЛС) импульсного повышающего трансформатора (5), а также усилителем (6), амплитудным дискриминатором (7), оптопередатчиком (8), соединенным волоконно-оптической линией связи (ВОЛС) с оптоприемником (10), измерителем средней скорости счета нейтронных импульсов (11), причем выход усилителя (6) подключен к первому входу амплитудного дискриминатора (7), второй вход которого соединен с выходом цифро-аналогового преобразователя (16)(указанные в скобках позиции соответствуют позициям фиг.1).
Предложенный подход, на котором основан способ, реализованный в заявленном устройстве посредством организации дополнительного канала регистрации счета нейтронов, позволяет провести регистрацию нейтронного потока ядерной установки в широком диапазоне измерений с получением зависимости, основанной на реальных аппаратных данных, а не опирающуюся на математическую модель процесса в области малых токов, имеющую место в прототипе, что существенно повышает степень достоверности проводимой регистрации нейтронного излучения. При этом надежность и стабильность рабочих характеристик регистрирующей аппаратуры будет сохранена в связи с выведением из зоны облучения чувствительных к излучению составляющих регистрирующей аппаратуры.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства для регистрации нейтронного потока ядерных реакторов, где 1 - камера деления; 2 - блок гальванической развязки; 3 - блок согласования; 4 - импульсный трансформатор (понижающий); 5 - импульсный трансформатор (повышающий); 6 - усилитель; 7 - амплитудный дискриминатор; 8 - оптопередатчик; 9 - блок аналоговой обработки; 10 - оптоприемник; 11 - измеритель средней скорости счета; 12 - блок микроконтроллера; 13 - измеритель среднего тока; 14 - аналого-цифровой преобразователь; 15 - двухпортовый приемо-передатчик; 16 - цифро-аналоговой преобразователь; 17 - высоковольтный источник напряжения (двухполярный); 18 - биологическая защита зоны облучения; ЛС - кабельная линия связи; ВОЛС - волоконно-оптическая линия связи.
На фиг.2 приведен график изменения скорости счета и тока камеры КНК-15-1.
Способ реализуется устройством для регистрации нейтронного потока.
Устройство для регистрации нейтронного потока содержит ионизационную камеру деления 1 и связанные с ней каналы регистрации нейтронного потока, обеспечивающие одновременно токовый режим регистрации и режим регистрации счета отдельных нейтронов. Канал обеспечения токового режима регистрации образован соединенными между собой вынесенным за пределы зоны облучения блоком аналоговой обработки сигнала 9, источником высокого напряжения 17 и блоком микроконтроллера 12, причем отрицательный электрод камеры деления 1 соединен с выходом источника высокого напряжения 17 и с входом блока аналоговой обработки сигнала 9, выход блока аналоговой регистрации 9 соединен с входом блока микроконтроллера 12, а выход блока микроконтроллера 12 соединен с входом источника высокого напряжения 17. Блок аналоговой обработки 9 включает измеритель среднего тока 13 и аналого-цифровой преобразователь 14.
Дополнительный канал регистрации счета нейтронов образован связанными между собой блоком гальванической развязки 2, блоком согласования 3, усилителем 6, амплитудным дискриминатором 7, оптопередатчиком 8, оптоприемником 10, измерителем средней скорости счета нейтронных импульсов 11, передающим сигнал на блок контроллера 12. Блок согласования 3 содержит импульсный трансформатор (понижающий) 4, коаксиальную линию связи ЛС и импульсный трансформатор (повышающий) 5. Благодаря использованию длинного кабеля, все активные элементы электроники находятся вне зоны воздействия радиации, что существенно улучшает надежность канала контроля нейтронного потока и повышает его ресурс.
Камера деления 1 электродом (+) через выход (А) блока гальванической развязки 2 соединена с положительным выходом высоковольтного источника напряжения 17 и, через выход (Б) блока гальванической развязки, с входом импульсного трансформатора 4 блока согласования 3. Выход импульсного трансформатора 5 блока согласования 3 является входом усилителя 6, выход которого соединен с входом амплитудного дискриминатора 7. Выход амплитудного дискриминатора 7 через оптопередатчик 8 и волоконно-оптическую линию связи (ВОЛС) соединен с входом оптоприемника 10 и далее с измерителем средней скорости счета 11.
Компенсационный электрод камеры 1 (-) соединен с отрицательным выходом высоковольтного источника питания 17.
Сигнальный электрод (0) камеры связан со входом измерителя среднего тока 13, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю 14.
Выходы измерителя средней скорости счета 11 и аналого-цифрового преобразователя 14 подключены к входам микроконтроллера 12, выходы которого соединены с двухпортовым приемопередатчиком 15 и высоковольтным источником напряжения 17.
Устройство работает следующим образом.
235
При воздействии потока нейтронов на радиатор камеры деления (тип КНК15-1) 1 образуются осколки деления U, которые ионизируют газ, что приводит к образованию зарядов, собираемых на электродах камеры. Использование камеры деления в счетном режиме затруднительно за счет малого сигнала на выходе детектора (заряд с камеры очень мал). Усилитель 6 выносится за биологическую защиту из зоны облучения.
н
н
2
Чтобы работать на волновое сопротивление линии связи ЛС (ρ=50 Ом или ρ=75 Ом) необходимо использовать трансформатор импеданса 4, который позволяет согласовывать высокий импеданс нагрузки детектора (использование понижающего трансформатора) с низким волновым сопротивлением ЛС, на выходе которой подключен повышающий трансформатор 5. Для детекторов с собственной емкостью много большей, чем входная емкость усилителя, хорошие результаты можно получить, если на выходе ЛС (коаксиального кабеля) включить (повышающий) трансформатор 5, нагруженный на R>>ρ R=к·ρ, где к - коэффициент трансформации.
н
н
Сигнал напряжения с трансформатора 4 (с резистора R) поступает на вход усилителя 6 с входным сопротивлением R>>ρ, с выхода которого усиленный сигнал поступает на вход амплитудного дискриминатора 7. На вход задания порога дискриминации дискриминатора 7 подается напряжение порога дискриминации с цифро-аналогового преобразователя 16.
Сформированные логические импульсы счета через оптопреобразователь 8 и волоконную линию поступают на вход оптоприемника 10 и далее на измеритель средней скорости счета 11 импульсов с камеры деления 1. Обработка информации (расчет средней скорости счета, периода разгона) осуществляется микроконтроллером 12.
т
ф
Преобразование (измерение) среднего тока I камеры деления 1 происходит следующим образом. С общего вывода (0) камеры деления 1 ток поступает на измеритель среднего тока 13 (линейный или логарифмический усилители с широким диапазоном измерения до 12 декад) и далее через аналого-цифровой преобразователь 14 цифровая информация поступает в микроконтроллер 12 для дальнейшей обработки (расчет среднего тока, периода разгона). Операция линеаризации в токовом тракте измерения обеспечивается за счет измерения и компенсации фонового тока камеры деления I, который определяется током утечки, а также влиянием потоков γ-квантов и α-частиц.
Зависимости плотности потока нейтронов от времени, измеренные камерой деления в счетном и токовом режимах, объединяются. На фиг.2 приведен график изменения скорости счета и тока камеры КНК-15-1.
Предлагаемое устройство позволяет увеличить достоверность измерения нейтронного потока при значениях регистрируемого тока с камеры меньших, чем десять фоновых токов камеры за счет использования в дополнение к токовому режиму режима счета единичных нейтронов.