proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
Журналы Атомная стратегия 2024 год
  Агентство  ПРоАтом. 27 лет с атомной отраслью!              
Навигация
· Главная
· Все темы сайта
· Каталог поставщиков
· Контакты
· Наш архив
· Обратная связь
· Опросы
· Поиск по сайту
· Продукты и расценки
· Самое популярное
· Ссылки
· Форум
Журнал
Журнал Атомная стратегия
Подписка на электронную версию
Журнал Атомная стратегия
Атомные Блоги





PRo IT
Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС

Вышла в свет книга Б.И.Нигматулина и В.А.Пивоварова «Реакторы с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. История трагедии и фарса». Подробнее 
PRo Погоду

Сотрудничество
Редакция приглашает региональных представителей журнала «Атомная стратегия»
и сайта proatom.ru.
E-mail: pr@proatom.ru Савичев Владимир.
Время и Судьбы

[12/10/2005]     Разработки в области дозиметрии быстрых нейтронов и контроля над цепной реакцией

Д.В.Денисов, М.Ю.Никитина, А.Д.Веревкин, Л.С.Горн, А.Б.Комиссаров, ФГУП «Научно-инженерный центр «СНИИП»


В статье представлены новые перспективные разработки Федерального государственного унитарного предприятия "Научно инженерного центра "СНИИП" г.Москва.


Это:
1. Система, предназначенная для контроля радиационной обстановки и автоматической сигнализации о возникновении самоподдерживающейся цепной реакции. Приводится описание состава системы, а также объясняется выбор технического решения.
2. Дозиметр быстрых нейтронов, использующий эффект замедления в водородосодержащей среде.

Процессы использования, переработки и хранения ядерно-опасных делящихся материалов (ЯОДМ) на различных радиационно-опасных предприятиях требуют наличия информационно измерительных систем контроля радиационной обстановки. Такие системы являются специфическими для каждого предприятия. Например, одной из задач, которая возлагается на систему радиационного контроля предприятий ядерно-топливного цикла, является задача быстрого обнаружения и оповещения персонала о возникновении самоподдерживающейся цепной реакции (СЦР), о способах решения которой будет рассказано в первой части данной статьи. Другой важной задачей является получение оперативной и достоверной информации о дозовой нагрузке персонала, и сигнализация о превышении установленных порогов по мощности дозы и дозе нейтронного излучения, решение этой проблемы мы рассмотрим во второй части статьи.

В настоящее время информационно измерительные системы контроля радиационной обстановки (ИИС КРО) обычно строят по трехуровневой структуре. В них на нижнем уровне используют блоки детектирования (БД), на среднем уровне – устройства накопления и обработки информации (УНО), и на верхнем уровне – рабочее место оператора (РМО), базирующееся на персональной ЭВМ промышленного исполнения. От блока детектирования, содержащего детектор того или иного вида излучения, сигналы передаются на УНО, где происходит накопление данных во времени, полученные данные сравниваются с пороговыми значениями и они подвергаются необходимым преобразованиям, определяемым видом излучения, измерительной задачей, характеристиками детектора и т.п. Далее, накопленные и подвергшиеся первичной обработке данные по каналу связи передаются в РМО. В УНО обычно осуществляют преобразование числа импульсов в измеряемую физическую величину, учитывающее характеристики детектора.

Из всего этого следует, что:

– для каждого сочетания БД, характерных для конкретного предприятия, приходится выполнять свой вариант УНО, рассчитанный на различное число конкретных типов БД, которые могут быть весьма разнообразными, и их коэффициенты преобразования могут значительно различаться; из-за этого становится более громоздкой эксплуатационная документация на конкретное УНО (cо своими чертежами и схемами, со своими инструкцией по регулировке, руководством по эксплуатации, контрольно-проверочным оборудованием и т.п.);.

– усложняется настройка измерительного канала, при которой должны учитывать данные об измерительных характеристиках большой группы детекторов;

– увеличивается погрешность измерений, поскольку в УНО не учитывается разброс характеристик, свойственный разным экземплярам БД одного типа;

– затруднена замена вышедшего из строя БД на исправный из числа ЗИП, а изделия из комплекта ЗИП становятся слишком многочисленны.

Избежать вышеуказанных недостатков помогает использование высокопроизводительных и недорогих контроллеров, которые дают возможность перейти к двухуровневой структуре ИИС с использованием периферийных устройств на базе "интеллектуальных" устройств детектирования (УД), имеющих в своем составе блок контроллера [6].

В УД значение частоты детектирующего элемента умножается на коэффициент преобразования, устанавливаемый на предприятии изготовителе и учитывающий индивидуальные характеристики данного экземпляра детектора, и с его помощью полученный результат преобразовывается в значение измеряемой физической величины А=nk•KnA. Создается возможность компенсировать дополнительные погрешности устройства, обусловленные температурным воздействием nk=n•KT  и нелинейностью измерительной характеристики при повышении частоты сигналов, вырабатываемых детектором nk=n•K(n). При необходимости из значения измеренной величины А можно вычитать значение ее фоновой компоненты.

Кроме того, в ИИС КРО с "интеллектуальными" детекторами:

– упрощается замена вышедшего из строя УД на исправный из числа ЗИП, причем исключается необходимость в какой-либо дополнительной настройке (кроме задания сетевого адреса);

– значительно облегчается конфигурирование, и УД работают в системе сразу после их подключения;

– становится возможным модернизация тех или иных УД, не затрагивающая на остальные компоненты системы;

– облегчается проведение самодиагностирования УД, поскольку программы такого самодиагностирования содержатся в памяти контроллера конкретного УД;

– создается возможность хранения спецификации УД благодаря наличию памяти в контроллере УД. Периферийное устройство состоит из узла детектирования и узла контроллера.Принципиальная схема узла детектирования приведена на Рис.1.




Рис. 1. Принципиальная схема узла детектирования.
Рассмотрим вариант построения устройства детектирования с использованием контроллера на примере одного из наиболее сложных устройств УД СЦР.

Исходными для выбора типа БД явились требования ПБЯ-06-10-99, в соответствии с которыми пороговая мощность поглощенной дозы (МПД) для обнаружения СЦР определяется по гамма-излучению как

Рпор=(0,3/r2), мГр/с (1)

где r – расстояние от БД до места возникновения СЦР. При максимальном расстоянии от объекта до БД rмакс = 30 м значение МПД можно оценить значением (Рпор)мин=0,33 мкГр/с=1,2 мГр/ч. Минимальная длительность СЦР, которая должна быть обнаружена Тмин=1 мс.

Оценим возможности токовой ионизационной камеры. Для оценки примем камеру с массой наполняющего газа при атмосферном давлении, равной 1 г (объемом около 0,8 дм3). Ток такой камеры при (Рпор)мин составит 0,15 пА. При использовании электрометрического операционного усилителя (ОУ) для получения выходного напряжения 0,1 В, достаточного для воздействия на последующий пороговый каскад необходим резистор обратной связи R =0,5•1012 Ом. Если принять паразитную емкость между входной и выходной цепями ОУ Сп=1 пФ, получим постоянную времени нарастания выходного сигнала 0, что на 3 порядка превышает требуемое значение Тмин.

Также оценим возможности применения гейгеровских счетчиков. Рассмотрим применение счетчиков типа СБМ-20. Их чувствительность S=2  (имп/с)/мкГр/ч) и, следовательно, пороговая скорость счета nпор=3500 имп/с. Число отсчетов, накапливаемое за время Тмин=1 мс, составит 3,5 и не позволит получить приемлемую статистическую погрешность. Кроме того, указанное значение пороговой скорости счета для этих счетчиков близко к предельному и при значительном превышении порога возможен "обратный ход" счетной характеристики, что для САС СЦР недопустимо.

Наконец, оценим возможности применения сцинтилляционных счетчиков. Относительно высокое значение пороговой МПД делает возможным и целесообразным применение сцинтиллятора и, соответственно, ФЭУ малых размеров. Оценку выполним для случая применения пластмассового сцинтиллятора размерами h =2 см и d =2 см. Объем такого сцинтиллятора составит около 6 см3, а масса – около 6 г. Применение сцинтиллирующей пластмассы создает возможность детектирования наряду с гамма излучением и быстрых нейтронов. Следовательно, такой БД будет регистрировать смешанное гамма – и нейтронное излучение. Оценку, однако, произведем только по гамма составляющей.

Пороговой МПД=0,33 мкГр/с будет соответствовать мощность hspace=4

Если принять среднюю энергию на сцинтилляцию равной E=0,2 МэВ, то средняя частота сцинтилляций, соответствующая (Рпор)мин составит n=60000•1/с =60•1/мс. В этом случае можно использовать импульсный режим работы детектора, т.е.регистрировать среднюю частоту сигналов с постоянной времени около 1 мс. Это даст среднеквадратичную погрешность измерения частоты около 13%. При формировании импульсов, поступающих от детектора, длительностью около 0,1 мкс просчетом, который составит менее 1%, можно пренебречь.

Если принять коэффициент усиления ФЭУ G =105, энергию, расходуемую на образование фотоэлектрона hspace=4, можно получить средний заряд, переносимый импульсами тока hspace=4

При использовании токового режима регистрации МПД средний ток в цепи коллектора ФЭУ можно оценить соотношением:

hspace=4

Этот ток на 2 порядка превышает темновой ток ФЭУ. При использовании для его измерения операционного усилителя с сопротивлением резистора в цепи обратной связи =1 МОм, получим выходной сигнал напряжения 0,2 В, достаточный для его обработки последующими компараторами, нестабильность порога которых можно оценить значением hspace=4.  Для обеспечения требуемого быстродействия постоянная времени интегрирования сигнала в этом случае должна быть существенно менее 1 мс, например 0,1 мкс.

Основываясь на вышеизложенных соображениях, для преобразования МПД был выбран сцинтилляционный детектор, содержащий чувствительный элемент из сцинтиллирующей пластмассы (Сц) и фотоумножитель (ФЭУ). Выходная цепь (коллектор) ФЭУ соединена со входом усилителя тока и компаратором. Первый интегрирует поступающие импульсы.

Приведенная на Рис. 1 схема позволяет реализовать несколько способов регистрации начала возникновения СЦР.

1. Регистрация в импульсном режиме путем измерения средней частоты сигналов, поступающих с выхода компаратора, с постоянной времени hspace=4  Относительная среднеквадратичная погрешность такой регистрации при пороговом значении МПД можно выразить соотношением hspace=4  К недостатку этого способа относится то, что при быстром нарастании МПД на два порядка и более возможна трансформация импульсных сигналов в токовый, вследствие чего критическое событие может быть пропущено.

2. Регистрация в токовом режиме путем фиксации превышения аналогового сигнала на выходе усилителя порогового значения. Недостатком этого способа является отсутствие информации о состоянии радиационной обстановки до срабатывания порогового устройства.

3. Комбинированная регистрация, при которой динамика приближения к критической точке "отслеживается" счетным каналом, а регистрация критического события и дальнейшее развитие процесса могут быть осуществлены с помощью токового канала.

Как видно из схемы, в данной системе используется три идентичных измерительных канала, каждый из которых работает независимо от остальных, так что система сигнализации будет функционировать и при неисправности любых двух каналов. Для каждого канала обеспечена возможность самодиагностирования.

Выходы всех трех каналов через мажоритарные элементы и пороговые устройства подаются на входы узла контроллера. Здесь осуществляется оцифровка полученных данных и принятие решения о превышении порогов, заданных при инициализации (в подготовительном режиме), и при получении запроса от ведущего устройства результаты измерения выставляются на шину системы. Если принято решение том, что измеренные величины превышают предельные пороги, то включается система сигнализации. В случае, когда устройство детектирования должно управлять периферийными устройствами, например, инициировать срабатывание аварийной защиты, предусмотрено формирование соответствующих управляющих сигналов при превышении определенных предупредительных и аварийных порогов (без участия верхнего уровня).

Устройство удовлетворяет требованиям класса безопасности 2У по ОПБ-99. На сегодняшний день УД СЦР находится на этапе опытных испытаний и подготовки к сертификации.

Еще один вариант устройства детектирования с контроллером – измеритель мощности эквивалентной дозы нейтронов. Широкое применение для измерения мощности эквивалентной дозы находят блоки детектирования, основанные на замедлении нейтронов с последующей регистрацией тепловых нейтронов. Сложность создания соответствующих приборов обусловлена тем, что детектор должен преобразовывать параметр сигналов в мощность дозы, причем, желательно, чтобы эта зависимость была пропорциональна мощности дозы независимо от энергии и угла падения излучения. Для нейтронов это преобразование должно проводиться как для тепловых, так и для быстрых частиц, а коэффициент качества в этом диапазоне меняется более чем в 20 раз, что создает дополнительные трудности при измерении мощности эквивалентной дозы. Кроме того, во многих практических случаях измерения приходится проводить в смешанных полях нейтронного и квантового излучений, поэтому при разработке приборов приходится обеспечивать избирательную регистрацию одного вида излучения на фоне другого.

Для построения таких измерителей используется тот факт, что соотношение флюенсов тепловых нейтронов, генерируемых замедлителем для различных энергий замедляющихся нейтронов, меняется с изменением длины замедления. Поэтому выбором размера замедлителя можно изменять энергетическую характеристику чувствительности блока детектирования, пытаясь аппроксимировать удельную эквивалентную дозу нейтронов.

Целесообразно выполнить измеритель эквивалентной дозы нейтронов, основанный на использовании двух детекторов нейтронов, различающихся зависимостью чувствительности от энергии, который будет вычислять значение эквивалентной дозы путем обработки данных, полученных от этих детекторов.

Используя результаты измерений и расчетов энергетических зависимостей чувствительности блоков детектирования с шаровыми замедлителями различного диаметра [3], мы применили для оценки мощности эквивалентной дозы нейтронов блок детектирования, в состав которого входят два детектора тепловых нейтронов, расположенные в центре сферических замедлителей с диаметрами 2,5 и 4,2 дюйма, так как для этой комбинации из двух сфер зависимость отношения чувствительностей от энергии наиболее близка к линейной, что позволяет определять энергию падающего излучения. Зависимости отношений чувствительности от энергий для различных наборов из двух сфер приведены на рис. 2.

В качестве детекторов тепловых нейтронов будут использоваться счетчики коронного разряда СНМ-16, наполненные гелием 3. Их эффективность регистрации тепловых нейтронов составляет около 80% при работоспособности в полях гамма-излучения мощностью дозы до 50 р/час. Сферическая конструкция замедлителя позволяет добиться минимальной угловой зависимости чувствительности и при этом обладает минимальными габаритами и весом. В качестве материала замедлителя будет использоваться полиэтилен. Так как длина счетчиков больше диаметров сфер, часть счетчиков, смежная с узлом усилителя, будет закрыта кадмиевым чехлом, от которого свободна только дальняя часть счетчика, расположенная непосредственно в центре сфер.

Электронную часть блока детектирования составляют зарядочувствительные усилители для усиления импульсов с детекторов; компаратор, который дискриминирует сигналы, обусловленные флуктуациями тока короны, а также высоковольтный источник питания детекторов.

В данном устройстве используются два идентичных измерительных канала, по которым данные от детекторов нейтронов поступают на микроконтроллер, где происходит их обработка. Для каждого канала обеспечена возможность самодиагностирования. Здесь же возможно принятие решения о превышении порогов, заданных при инициализации (в подготовительном режиме). При получении запроса от ведущего устройства результаты измерения выставляются на шину системы. Если принято решение том, что измеренные величины превышают предельные пороги, то включается система сигнализации. В случае, когда устройство детектирования должно управлять периферийными устройствами, например, инициировать срабатывание аварийной защиты, предусмотрено формирование соответствующих управляющих сигналов при превышении определенных предупредительных и аварийных порогов (без участия верхнего уровня).
Устройство удовлетворяет требованиям класса безопасности 2У по ОПБ-99.

На сегодняшний день УД МЭД нейтронов находится на этапе опытных испытаний и подготовки к сертификации.

Рис. 2. Зависимости отношений чувствительности от энергий для различных наборов из двух сфер.

Представленные выше устройства рекомендуется использовать в информационно-измерительных системах контроля, которые должны содержать одно ведущее устройство, выполненное на основе вычислительной машины (компьютера), и до 254 периферийных устройств. Ведущее устройство должно инициировать и поддерживать обмен данными с периферийными устройствами с целью получения результатов измерения и иных необходимых данных, а также управления периферийными устройствами, которые также выполнены на основе вычислительной системы (контроллера). Обмен данными между ведущим устройством и периферийными устройствами осуществляется по двухпроводной шине с интерфейсом RS 485.С целью повышения надежности функционирования система может использовать две идентичные независимые шины.

В системе используются скорости обмена из ряда значений в пределах от 2400 до 115 200 Бит/с. Ведущее устройство, периферийные устройства и ретрансляторы, которые могут использоваться для увеличения длины линии, рассчитаны на работу при всех значениях скорости обмена из этого данного ряда. Рабочее значение скорости обмена данными в системе устанавливается в периферийном устройстве до подключения его к шине системы.

В периферийных устройствах предусмотрены два режима обмена данными:

– основной режим обмена, который используется при работе устройства в составе системы;

– подготовительный режим, в котором дается возможность устанавливать параметры устройства, изменение которых невозможно или недопустимо при работе в составе системы.

Каждому периферийному устройству должен быть присвоен уникальный числовой код (адрес) в пределах от 1 до 254.Запись адреса осуществляется в подготовительном режиме.

В системе обеспечена возможность подсоединения к шине и отсоединения от шины любого периферийного устройства в процессе функционирования системы без нарушения возможности обмена данными ведущего устройства с остальными периферийными устройствами.

Список литературы
1. Горн Л.С., Хазанов Б.И.Современные приборы для измерения ионизирующих излучений. – М..: Энергоатомиздат, 1989. –232 с.

2. Горн Л.С., Дружинин В.С., Захаров Д.С., и др. Диагностирование приборов для радиационных измерений. М.: Энергоатомиздат, 1991. 201с.

3. Benezech G., Bricka M., Dolias M. Neutron dosimetry and spectrometry by multisphere techniques.Radiation dosimetry Vol.1, 1970.

4. Nachtigall D. Determination and occuracy of results of rem counters measurements Collogue Mesure des doses d'irradiation. Stockholm, 1967.

5. Bramblett R.L., Ewing R.F., Bonner T.W. A new type of neutron spectrometer.Nuclear Instruments and Methods,Vol.2,1960.

6. Комиссаров А.Б., Чебышов С.Б., Черкашин И.И. "Интеллектуальные" устройства детектирования для систем радиационного мониторинга. // Содружество, 2005, №6 (131), с.70

По материалам конференции «Безопасность ядерных технологий: экономика безопасности и обращение с ИИИ»

 

 
Связанные ссылки
· Больше про Приборостроение
· Новость от PRoAtom


Самая читаемая статья: Приборостроение:
Приборы дозиметрического контроля производства АЭХК

Рейтинг статьи
Средняя оценка работы автора: 0
Ответов: 0

Проголосуйте, пожалуйста, за работу автора:

Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Нормально
Плохо

опции

 Напечатать текущую страницу Напечатать текущую страницу

Извините, комментарии не разрешены для этой статьи.





Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(921)9589004
E-mail: info@proatom.ru, Разрешение на перепечатку.
За содержание публикуемых в журнале информационных и рекламных материалов ответственность несут авторы. Редакция предоставляет возможность высказаться по существу, однако имеет свое представление о проблемах, которое не всегда совпадает с мнением авторов Открытие страницы: 0.05 секунды
Рейтинг@Mail.ru