ТОКОВЫЙ КАНАЛ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКА НЕЙТРОНОВ Российский патент 1997 года по МПК G01T3/00 

Изобретение относится к технической физике, а точнее к регистрации нейтронов. Наиболее эффективно изобретение может быть использовано при измерении потока нейтронов трехэлектродными ионизационными камерами с плоскопараллельными электродами на фоне сопутствующего γ излучения в системе управления и защиты ядерного реактора, критической сборки и других источников нейтронов. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является, токовый канал для измерения потока нейтронов в ядерном реакторе, состоящее из газонаполненной или вакуумированной ионизационной камеры, содержащей заключенную в корпусе систему из трех разноименных электродов, каждый из которых представляет набор элементов, установленных один за другим и скрепленных тремя металлическими стойками. Стойки изолированы от корпуса опорными изоляторами. Каждый элемент одного электрода, который является сигнальным, размещен между элементами двух других высоковольтных электродов, образующих с сигнальным электродом два равных чувствительных объема. Одна из стоек каждого электрода соединена токоведущим проводником с отдельным стандартным электровводом, изготовленным из спая корундовой керамики с коваром и вваренным в крышку корпуса. Поверхности элементов в первом чувствительном объеме покрыты слоем материала, содержащего 10в или делящийся нуклид. Этот объем чувствителен к нейтронам и g излучению. Второй объем не содержит нейтроночувствительного материала и служит для компенсации тока от g - излучения в цепи сигнального электрода. Камера соединена трехпроводной линией электрической связи с электронным блоком, содержащим тракт измерения электрического тока и два источника электрического напряжения питания противоположной полярности, (см. например, Чукляев С.В. Грудский М.Я. Артемьев В. А. Вторично- эмиссионные детекторы тонизирующих излучений. М. Энергоатомиздат, 1995).

При создании на высоковольтных электродах секций первичного преобразователя противоположного по знаку напряжения питания в цепи сигнального электрода происходит вычитание ионизационных токов, образующихся в чувствительных объемах под воздействием g излучения. Полная компенсация тока от g излучения достигается тогда, когда абсолютное значение напряжения питания секции, чувствительной к g излучению, выше абсолютной величины напряжения питания секции, содержащей нейтроночувствительное покрытие.

Недостатком этого устройства является высокое напряжение питания g - чувствительной секции, при котором обеспечивается полная компенсация тока от фонового g излучения, что обуславливает сравнительно высокие токи утечки по изоляторам камеры и изоляции линии электрической связи, что сокращает срок службы канала под облучением.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в токовом канале для измерения потока нейтронов, состоящем из ионизационной камеры, содержащей заключенную в корпусе систему из трех разноименных электродов, представляющую набор элементов, установленных один за другим таким образом, что каждый элемент одного электрода, который является сигнальным, размещен между элементами двух других высоковольтных электродов, образующих с сигнальным электродом два равных чувствительных объема, первый из которых, содержит материал, испускающий заряженные частицы в реакции с нейтронами, и чувствителен к нейтронам, и металлические стойки, на которых закреплены элементы каждого из электродов, при этом проекция по крайней мере одной стойки сигнального электрода на ось электродной системы превышает высоту набора элементов в последней, и электронного блока, содержащего тракт измерения электрического тока и два источника питания, в которых установлено противоположное по знаку электрическое напряжение питания и выходы которых соединены линией электрической связи с высоковольтными электродами первого и второго чувствительных объемов, крайний элемент электродной системы скреплен со стойкой высоковольтного электрода второго чувствительного объема, а абсолютное значение напряжения, установленного в источнике питания этого чувствительного объема, не превышает абсолютного значения напряжения, установленного в источнике питания первого чувствительного объема, при этом абсолютное значение напряжения, установленного в источнике питания второго чувствительного объема, ниже значения напряжения, установленного в источнике питания первого чувствительного объема камеры, не более, чем в отношение чувствительностей к нейтронам и g излучению первого чувствительного объема; h минимальное значение отношения эффективной плотности потока нейтронов и мощности g- излучения.

Предложенное устройство удовлетворяет критерию изобретения "новизна" и "изобретательский уровень" несмотря на известность некоторых использованных в нем признаков, так как совокупность изложенных признаков, взятая в новой взаимосвязи позволяет снизить токи утечки по изоляторам высоковольтного электрода γ- чувствительного объема и изоляции линии электрической связи и увеличить срок службы канала за счет установленного в материалах заявки взаимного расположения элементов и соотношения между значениями характеристик скомпенсированной по току от фонового γ-- излучения трехэлектродной ионизационной камеры и электрических напряжений питания на линейном участке нагрузочной характеристики при заданном минимальном значении отношения эффективной плотности потока нейтронов и мощности дозы g излучения.

Ниже изложен пример конкретного выполнения предложенного устройства токового канала для измерения потока нейтронов со ссылкой на прилагаемые чертежи и таблицу.

На фиг. 1 изображена схема выполнения канала с трехэлектродной токовой ионизационной камерой; на фиг. 2 т схема выполнения трехэлектродной токовой ионизационной камеры; на фиг. 3 линия электрических напряжений компенсации тока от фонового g излучения в образце и диаграмму для определения значений напряжений питания, позволяющих скомпенсировать ток от фонового g - излучения на линейном участке нагрузочной характеристики; на фиг. 4 условная диаграмма плотности потока тепловых нейтронов и мощности дозы g излучения в цикле работы реактора.

Таблица представляет основные характеристики трехэлектродной токовой ионизационной камеры типа КНК-17-1.

Токовый канал для измерения потока нейтронов (фиг. 1) состоит из трехэлектродной ионизационной камеры 1, например типа КНК-17-1, соединенной линией электрической связи 2 с электронным блоком 3, содержащим два источника электрического напряжения питания 4 противоположной полярности U+o

и U-o измеритель электрического тока 5.

Ионизационная камера КНК-17-1 (фиг. 1, 2) собрана из трех частей, установленных одна за другой и сваренных между собой посредством переходных фланцев. Каждая часть содержит систему из трех разноименных электродов 6, 7, 8, установленных в цилиндрическом корпусе 9 внешним диаметром 50 и толщиной стенки 0,8 мм. Каждый электрод это набор из n, n+1 или 2n (n 1,2,) металлических дисков диаметром 44 и толщиной около 0,36 мм, закрепленных параллельно один другому на трех металлических стойках 10, длина которых превышает высоту набора дисков в электродной системы. Диски на периферии имеют вырезы, обеспечивающие прокладку стоек параллельно оси электродной системы, и выступы, которые при сборке электродной системы заводят в отверстия несущих стоек, загибают и приваривают к ним точечной электросваркой 11. Стойки изолированы от корпуса опорными изоляторами 12 из высокоглиноземистой керамики, установленными в специальные гнезда во фланцах. Каждый из 2n дисков одного электрода 8, который называется сигнальным, размещен между n и n+1 дисками соответственно первого 6 и второго 7 высоковольтных электродов, образующих с сигнальным электродом два равных чувствительных объема, которые ниже будем называть соответственно первым 13 и вторым 14. При этом крайние диски электродной системы закреплены на стойках высоковольтного электрода второго чувствительного объема. Расстояние между соседними дисками разноименных электродов d 1,6 мм. Через отверстия в переходных фланцах 15 и опорных изоляторах 12 стойки разноименных электродов соседних частей соединены между собой токоведущими проводниками 16, а одна из стоек каждого электрода в крайней части соединена с отдельным стандартным электрическим вводом 17, изготовленным из спая корундовой керамики с коваром и вваренным в крышку корпуса. Поверхности дисков в первом чувствительном объеме покрыты слоем материала 18 толщиной около 1 мг/см², содержащего нуклид 10 B, испускающий энергетичные α частицы в реакции с нейтронами. Этот объем чувствителен к нейтронам. На обращенных во второй чувствительный объем поверхностях дисков сигнального электрода и поверхностях дисков второго высоковольтного электрода не содержится нейтроночувствительного материала. Поэтому второй объем практически не чувствителен к нейтронам и служит для компенсации тока от g излучения в цепи сигнального электрода. За исключением узлов электрических вводов все металлические детали изготовлены из нержавеющей, стали аустенитного класса. Камера заполнена смесью гелия с аргоном до давления 0,4 МПа. Основные характеристики камеры приведены в таблице.

Устройство работает следующим образом. При создании на высоковольтных электродах равных по абсолютной величине противоположных по знаку электрических напряжений питания U+o

и U-o значение которых превышает минимальное значение напряжения насыщения ионизационного тока U_n 50 В, под воздействием, γ -излучения в равных объемах между дисками электродной системы возникают одинаковые ионизационные токи, которые вычитаются в цепи сигнального электрода. Одновременно носители заряда, образующиеся под воздействием излучения в объемах 19, ограниченных корпусом, крайними дисками электродной системы и торцевыми 20 или переходными 15 фланцами, создают ионизационные токи между внешней поверхностью крайних пластин, закрепленных на стойках высоковольтного электрода 7 второго чувствительного объема, и выступающими за крайние диски электродной системы частями стоек сигнального электрода. В результате в цепи сигнального электрода возникает электрический ток, величина которого в зависимости от значения напряжения питания в 20 100 раз ниже по сравнению с током в чувствительных объемах. При уменьшении абсолютного значения напряжения U-o на высоковольтном электроде второго чувствительного объема относительно абсолютного значения напряжения U+o на высоковольтном электроде первого чувствительного объема до значения не ниже U_n ток в цепи сигнального электрода компенсируется из-за изменения условий собирания носителей заряда в объемах 19.

Линия электрических напряжений (U+o

, U-o) 21, при которых происходит полная компенсация тока от γ излучения в образце камеры КНК-17-1 показана на фиг. 3. Видно, что с увеличением напряжения на высоковольтном электроде первого чувствительного объема линия (U+o , U-o) сближается с линией 22.

Электрический ток I_n, возникающий в цепи сигнального электродада трехэлектродной камеры, связан с эффективной плотностью потока нейтронов Ф_th и мощностью дозы γ -излучения P_γ соотношением ///6 I_n=K_n•Ф_th+K_γ•P_γ/k(U+o

, U-o)+I_ф(T, U+o , U-o), где К_n, K_γ чувствительности к нейтронам и g излучению соответственно первого объема камеры; k коэффициент компенсации тока от g излучения; I_ф собственный фоновый ток камеры с линией электрической связи в отсутствие излучения; Т эффективная температура на камере и линии электрической связи. Когда k(U+o, U-o)≫ 1 в скомпенсированной камере даже при условии, что вклад сопутствующего γ излучения сравним или превышает в несколько раз ток от нейтронов в первом чувствительном объеме, последнее выражение преобразуется к виду
I_n= K_n•Ф_th+I_ф(T,(U+o , U-o).
Из этого соотношения видно, что нижняя граница плотности потока нейтронов на линейном участке нагрузочной характеристики зависит от величины I_ф. Сравнительно низкое напряжение питания обусловливает низкие фоновые токи утечки, протекающих в различных чувствительных объемах камеры и по изоляции линии электрической связи, а равные по абсолютному значению напряжения более точное вычитание фоновых токов в цепи сигнального электрода. На фиг. 4 показаны области линейных показаний при различной P_γ и I_ф= 5•10¹¹ 23 и I_ф=5•10¹² A 24 На этой же фигуре пунктирной линией показана условная диаграмма плотности потока тепловых нейтронов и мощности дозы g излучения при выводе реактора на номинальную мощность, при работе на мощности и перевод в заглушенное состояние, т.е. в цикле работы реактора.

Верхняя граница линейных токов в чувствительных объемах камеры пропорциональна квадрату напряжения питания. При условии, что ток в первом чувствительном объеме I₁ линейно связан с Ф_th и P_γ а значение тока во втором чувствительном объеме I₂ пропорционально P_γ минимальное по абсолютной величине значение U-o

линейном участке нагрузочной характеристики связано с U+o характеристиками камеры соотношением
(U+o/U-o)² = I₁/I₂= ν•η+1,
где ν отношение чувствительностей к нейтронам и g излучению первого чувствительного объема;
h минимальное значение отношения Ф_th/P_γ Таким образом, когда абсолютное значение напряжения установленного в источнике питания второго чувствительного объема, ниже абсолютного значения напряжения установленного в источнике питания первого чувствительного объема, не более, чем в раз. Вычисленная по данным табллицы линия напряжений питания , при которых сохраняется линейность показаний канала в полном цикле работы реактора вплоть до η 1 Гр/с, показана на фиг. 3 поз. 25.

Таким образом предложенное устройство с трехэлектродной ионизационной камерой типа КНК-17-1, скомпенсированной по току от g излучения, позволяет увеличить срок службы канала и сохранить линейный участок нагрузочной характеристики в интервале плотности потока нейтронов от 1•10³ - 1•10¹⁰ см^-2•c^-1 на фоне сопутствующего g - излучения мощностью дозы до 1-10 Гр/с.

Сущность изобретения: устройство состоит из трехэлектродной ионизационной камеры 1, соединенной линией электрической связи 2 с электронным блоком 3, содержащим два источника электрического напряжения питания 4 противоположной полярности U+o

и U-o и измеритель электрического тока 5. Камера 1 содержит заключенную в корпусе систему из трех разноименных электродов 6,7,8, представляющую набор элементов, установленных один за другим таким образом, что каждый элемент одного электрода, который является сигнальным 8, размещен между элементами двух других высоковольтных электродов, образующих с сигнальным электродом два равных чувствительных объема 13 и 14, первый из которых содержит материал 18, испускающий заряженные частицы в реакции с нейтронами, и чувствителен к нейтронам, и металлические стойки 10, на которых закреплены элементы каждого электрода. Проекция по крайней мере одной стойки сигнального электрода на ось электродной системы превышает высоту набора элементов в последней, а крайний элемент электродной системы скреплен электросваркой 11 со стойкой высоковольтного электрода второго чувствительного объема. Абсолютное значение напряжения U-o установленного в источнике питания этого чувствительного объема, не превышает абсолютного значения напряжения U+o установленного в источнике питания первого чувствительного объема. 1 з. п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Токовый канал для измерения потока нейтронов, состоящий из ионизационной камеры, содержащей заключенную в корпусе систему из трех разноименных электродов, представляющую набор элементов, установленных один за другим так, что каждый элемент одного электрода, который является сигнальным, размещен между элементами двух других высоковольтных электродов, образующих с сигнальным электродом два равных чувствительных объема, первый из которых содержит материал, испускающий заряженные частицы в реакции с нейтронами, и чувствителен к нейтронам, и металлические стойки, на которых закреплены элементы каждого из электродов, при этом проекция стойки сигнального электрода первой секции на ось электродной системы превышает высоту набора элементов последней, и электронного блока, содержащего тракт измерения электрического тока и два источника питания, в которых установлены противоположные по знаку электрические напряжения питания и выходы которых соединены линией электрической связи с высоковольтными электродами первого и второго чувствительных объемов, отличающийся тем, что крайний элемент электродной системы скреплен со стойкой высоковольтного электрода второго чувствительного объема, а абсолютное значение напряжения, установленного в источнике питания этого чувствительного объема, не превышает абсолютного значения напряжения, установленного в источнике питания первого чувствительного объема. 2. Канал по п.1, отличающийся тем, что абсолютное значение напряжения, установленного в источнике питания второго чувствительного объема, ниже значения напряжения, установленного в источнике питания первого чувствительного объема камеры, не более чем в раз, где ν - отношение чувствительностей к нейтронам и γ -излучению первого чувствительного объема, η - минимальное значение отношения эффективной плотности потока нейтронов и мощности γ -излучения.