СКАНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МОЩНОСТИ ЭКСПОЗИЦИОННОЙ ДОЗЫ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ ОСТАНОВЛЕННЫХ УРАН-ГРАФИТОВЫХ РЕАКТОРОВ Российский патент 2005 года по МПК G01T1/169 

Изобретение относится к области атомной техники, связанной с разработкой специализированных радиометрических устройств, необходимых для дистанционного контроля выведенных из эксплуатации ядерных установок.

При демонтаже выведенных из эксплуатации уран-графитовых реакторов с целью удаления делящихся материалов и радионуклидов, накопленных в графитовых блоках за время эксплуатации, первой стадией работы является оценка их количества, характера радиоактивных загрязнений и их распределение в элементах конструкции реактора. Оптимальным способом решения этой задачи является контроль объемного распределения мощности экспозиционной дозы гамма-излучения (МЭД) путем сканирования подвижным датчиком гамма-излучения тракта технологических каналов (ТТК) в активной зоне реактора.

Однако в настоящее время таких средств нет, и в известной литературе описание подобных устройств отсутствует, хотя сходные задачи решаются при геодезических исследованиях методом гамма-каротажа (Комаров С.С. Геофизические методы исследования скважин. М., Недра, 1973, с.171-172).

Подвижный блок детектирования каротажного гамма-радиометра содержит в качестве основных элементов сцинтилляционный детектор гамма-излучения и амплитудный дискриминатор и связан с наземным приемным устройством, управляющим его перемещением, каротажным кабелем (Каротажный гамма-радиометр. Е.А.Кулигин, А.Ф.Мясоедов, А.В.Николенко, а.с. №1045195 от 30.09.83). Это устройство, наиболее близкое к предлагаемому по технической сущности, принимается в качестве прототипа.

Основным недостатком устройства-прототипа, препятствующим его применению для измерения гамма-излучения в активной зоне реактора, является его недостаточная радиационная стойкость, позволяющая проводить измерения с его помощью только малых значений МЭД. Это определяется возможностями использования в его блоке детектирования фотоумножителя сцинтилляционного детектора: его работоспособность полностью утрачивается уже при уровне гамма-фона на много десятичных порядков ниже его минимального значения в активной зоне реактора.

Целью изобретения является создание сканирующего устройства, пригодного для дистанционного измерения МЭД в ТТК активной зоны остановленных уран-графитовых реакторов.

Поставленная цель достигается тем, что в подвижном блоке детектирования в качестве детектора гамма-излучения применяют ионизационную камеру с сеткой, собирающий электрод которой соединен с входом электрометрического логарифмирующего усилителя, выполненного на основе операционного усилителя с логарифмической передаточной функцией, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с базой транзистора n-р-n типа с заземленным коллектором, через которую в прямом направлении протекает ток величиной I_c, удовлетворяющий условию:

0,01Icm≥Ic>>Ico,

где I cm - максимально допустимый прямой ток для данного типа транзисторов;

I co - обратный ток коллектора, а выход сумматора соединен с кабелем связи.

При этом логарифмическая передаточная функция в предлагаемом электрометрическом логарифмирующем усилителе реализуется путем соединения инверсного входа операционного усилителя с собирающим электродом ионизационной камеры и эмиттером маломощного кремниевого высокочастотного n-р-n транзистора эпитаксиально-планарного типа, включенного инверсно по схеме с общей базой, коллектор которого соединен с выходом операционного усилителя и первым входом сумматора.

Параллельно к коллекторному, эмиттерному и базовому выводам этого транзистора подключены одноименные выводы кремниевого р-n-р транзистора того же типа.

На фиг.1 представлена структурная схема сканирующего устройства. На фиг.2 представлена известная схема включения р-n перехода в логарифмических усилителях: а - диодная, б - транзисторная. На фиг.3 приведены вольтамперные характеристики полупроводниковых диодов. На фиг.4 приведены вольтамперные характеристики планарных транзисторов. На фиг.5 приведена типичная схема логарифмического усилителя с термокомпенсацией. На фиг.6 приведен вариант схемы термокомпенсации на типовом транзисторе. На фиг.7 и 8 приведены типичные результаты сканирования трактов технологических каналов реактора, выполненные сканирующим устройством.

Ток с собирающего электрода ионизационной камеры с сеткой 1, как показано на фиг.1, подают на инверсный вход операционного усилителя 2 с логарифмической передаточной функцией, осуществляемой включенной в цепь отрицательной обратной связи схемой 3, содержащей инверсно включенный по схеме с общей базой маломощный высокочастотный n-р-n кремниевый транзистор эпитаксиально-планарного типа. При полном отсутствии гамма-излучения входной ток камеры также отсутствует, поэтому в цепь отрицательной обратной связи введена транзисторная схема 4, аналогичная схеме 3, но с транзистором р-n-р типа. Благодаря этому исключается влияние собственных входных шумов операционного усилителя при отсутствии или малом уровне входных токов.

Температурная коррекция, установка начального уровня логарифмической шкалы и предварительное усиление сигнала перед его трансляцией выполняется с помощью сумматора 5.

Температурная коррекция осуществляется подачей на второй вход сумматора падения напряжения на коллекторном р-n-переходе схемы 6 при протекании через него стабильного тока Iс, величина которого удовлетворяет оговоренным выше условиям. Требуемый начальный уровень логарифмической шкалы устанавливается выбором соответствующей величины и полярности напряжения с помощью регулируемого источника постоянного тока 7.

Усиленный сумматором сигнал, являющийся выходным сигналом блока детектирования 10, по кабелю связи 8 поступает на приемное устройство 9, выполняющее функции измерения и регистрации величины МЭД и управления перемещением блока детектирования в процессе сканирования.

Диаметр ТТК уран-графитовых реакторов равен примерно 36 мм. Указанное значение и определяет максимально допустимую величину диаметра ионизационной камеры. Для получения требуемой разрешающей способности при сканировании активной зоны реактора, длина ионизационной камеры должна быть не более 10-12 см. При таком малом объеме ионизационной камеры ее чувствительность имеет величину порядка 10^-6-10^-7 А/Р·с.

При серийных измерениях МЭД в ТТК остановленных уран-графитовых реакторов практический интерес представляет измерение γ-излучения в диапазоне 10^-4-10 Р/с. Таким образом, этим значениям соответствует диапазон изменения токов ионизационной камеры при сканировании от 10^-11 до 10^-6 А. Конструкция известных двухэлектродных ионизационных камер такова, что протекающий через нее ток может быть измерен только в анодной цепи, находящейся под высоким потенциалом, порядка 500 В. Это исключает возможность его измерения с применением известных электрометрических усилителей. Отличительной особенностью предлагаемого решения является то, что ионизирующий ток измеряют в цепи собирающего электрода трехэлектродной ионизационной камеры с сеткой, предварительно усилив его электрометрическим усилителем, что становится возможным благодаря незначительному потенциалу собирающего электрода ионизационной камеры по отношению к земле.

Поскольку в процессе сканирования ТТК величина МЭД может изменяться примерно на 6 десятичных порядков, для трансляции результатов измерения необходимо предварительное сжатие полученной информации. Оптимальным способом выполнения этой операции в рамках поставленной задачи является ее преобразование путем логарифмирования.

Особенностью предлагаемого устройства является совмещение функций усиления и преобразования сигнала в одном устройстве - логарифмическом электрометрическом усилителе, имеющем ту особенность, что логарифмическая передаточная функция реализуется путем соединения инверсного входа операционного усилителя с собирающим электродом ионизационной камеры и эмиттером кремниевого маломощного высокочастотного n-р-n транзистора эпитаксиально-планарного типа, включенного инверсно по схеме с общей базой, коллектор которого соединен с выходом операционного усилителя. Такая схема включения обусловлена следующими особенностями р-n перехода полупроводниковых приборов, определяющими возможность получения логарифмической передаточной функции с требуемой точностью.

При прямом смещении р-n перехода, Uс, через него протекает ток Iс, величина которого определяется известным соотношением:

где Ico - ток насыщения р-n перехода;

K(t) - температурный коэффициент.

При условии

соотношение (1) приобретает вид:

.

Известны две основные схемы включения р-n перехода в логарифмических усилителях. На фиг2 приведены диодная (а) и транзисторная (б) схемы.

На фиг. 3 приведены вольтамперные характеристики разных видов полупроводниковых диодов (Л.С.Горн и др. “Элементы схем ядерного приборостроения”, М., Атомиздат, 1970, 42 с.). Из них следует, что для этого вида полупроводниковых приборов зависимость Uc=F(Ic) значительно отличается от логарифмической и поэтому они не могут использоваться в логарифмических усилителях с нормированными точностными характеристиками.

Транзисторная схема, приведенная на фиг.2б, позволяет получить логарифмическую передаточную функцию, описанную соотношением (3) с достаточно высокой точностью в широком диапазоне изменения входного тока. Это видно из вольтамперной характеристики одного из видов планарных транзисторов, приведенной на фиг.4 (М.Херпи. Аналоговые интегральные схемы. М., Радио и связь, 1983, 246 с.).

Однако вследствие того, что токи насыщения известных типов кремниевых транзисторов Ico лежат в пределах от десятых до сотых долей микроампера, в соответствии с условием (2) минимальное значение измеряемого тока данной схемы не может быть менее 10^-7 А. Существенно также то, что в транзисторной схеме логарифмического преобразователя

Iс=Iсо·α,

где Ico - ток насыщения эмиттера,

α - коэффициент передачи тока, в схеме с общей базой,

величина α сильно зависит от величины протекающего тока, особенно в области малых токов. Вследствие этого минимальное значение входного тока в схеме, приведенной на фиг.2б, не должно превышать 10^-6 А.

Отличительной особенностью предлагаемого решения, позволяющего использовать логарифмический усилитель в качестве электрометрического с нижним пределом измерения 10^-10-10^-11 А, является инверсный способ включения логарифмирующего транзистора, как показано на фиг.1, причем транзистор должен быть кремниевым, маломощным, высокочастотным, эпитаксиально-планарным, n-р-n типа.

При инверсном способе включения коэффициент передачи тока транзистора α_i, в схеме с общей базой значительно меньше, чем α, а его величина практически не зависит от величины тока при любом его уровне благодаря насыщению рекомбинационных центров в области эмиттера, ответственных за поверхностную рекомбинацию, неосновными носителями тока, инжектируемыми коллекторным р-n переходом. При малой толщине базы, свойственной высокочастотным транзисторам, влияние объемной рекомбинации на коэффициент передачи тока α_i пренебрежимо мало, а применение кремниевых транзисторов обеспечивает минимальное значение тока Ico.

Поэтому параметры эпитаксиально-планарных транзисторов при их инверсном включении оптимальны для получения логарифмической характеристики преобразования в широком диапазоне входных токов, вплоть до значений, на несколько десятичных порядков меньших, чем ток Ico транзистора.

Реальные схемы логарифмических усилителей всегда содержат схемы компенсации температурных изменений, обусловленных зависимостью тока Ico от температуры. Обычно для этой цели применяют дифференциальное включение одинаковых р-n переходов, в одном из которых ток определяется входным сигналом, а в другом поддерживается постоянным. Для этой цели используются специальные прецизионные модули, состоящие из пары согласованных по параметрам транзисторов. На фиг.5 в качестве примера приведена типичная схема логарифмического усилителя с термокомпенсацией, в которой применен такой модуль, выпускаемый фирмой Analog Devices под индексом 751 (В.Л.Шило. Линейные интегральные схемы в радиометрической аппаратуре. М., Советское радио, 1979, 173 с.). Температурная ошибка передаточной функции этой схемы составляет 0,3% на 1°С.

Отличительной особенностью предлагаемого решения, показанного на схеме, приведенной на фиг.6, является применение для термокомпенсации серийных транзисторов того же типа, что и в цепи логарифмирования, без специального подбора. Через смещенный в прямом направлении коллекторный р-n переход транзистора VT1 протекает постоянный ток Iс, величина которого устанавливаемая соответствующим выбором сопротивления резистора R1, удовлетворяет условию:

0,01Icm≥Ic>>Ico.

Верхний из указанных пределов определяется из минимально допустимого уровня нагрева р-n-перехода транзистора VT1 током Iс, нижний - условием (2). Падение напряжения на коллекторном р-n переходе этого транзистора подается через резистор R6 на второй вход сумматора, выполненного на операционном усилителе VD1. На его первый вход через резистор R5 подается напряжение с выхода логарифмирующего усилителя, а на его 3 вход через резистор R7 подается напряжение с делителя, образованного резисторами R2, R3, R4, величина и полярность которого и определяет начальное значение логарифмической функции.

Требуемый коэффициент усиления сигнала устанавливается соответствующим выбором величин резисторов R5, R6, R7, R8, R9, R10.

Пример реализации.

Предлагаемые решения реализованы при разработке сканирующего устройства “Гамма-Р”, предназначенного для серийных измерений распределения МЭД по высоте ТТК, остановленных уран-графитовых реакторов. В подвижном блоке детектирования использованы ионизационная камера с сеткой типа КГ-10, имеющая диаметр 32 мм и длину около 10 см, электрометрический логарифмирующий усилитель, выполненный на операционном усилителе типа КР544УД1А и транзисторах КТ-3102 и КТ-3107. Диапазон измеряемых МЭД - от 10^-4 до 10 Р/с. Погрешность измерения МЭД не превышает 10%, скорость сканирования - 5 м/мин.

На фиг.7 и 8 представлены типичные результаты сканирования ТТК уран-графитового реактора типа ЭИ-2, выполненные с помощью разработанного экспериментального образца такого сканирующего устройства. Для наглядности приведены данные сканирования смежных каналов в районах аварий. Из представленных кривых распределения МЭД по высоте ТТК можно сделать вывод, что полученная при сканировании информация может быть использована для количественной оценки радиационных загрязнений графитовой кладки выведенных из эксплуатации уран-графитовых реакторов.

Применение заявленного сканирующего устройства для диагностики радиационных загрязнений в активной зоне остановленных уран-графитовых реакторов при их демонтаже позволит получить значительный технико-экономический эффект за счет автоматизации радиометрических измерений и обработки полученных результатов, существенного сокращения их трудоемкости, стоимости и продолжительности, уменьшения степени облучения персонала при выполнении радиометрических измерений.

Предлагаемое техническое решение может быть использовано и при разработке средств, предназначенных для радиационных измерений в других ядерных установках, обладающих высоким уровнем гамма-излучения.

Использование: для дистанционного контроля выведенных из эксплуатации ядерных установок. Сущность: устройство содержит подвижный блок детектирования, в состав которого входит детектор гамма-излучения в виде ионизационной камеры с сеткой, включенный на вход устройства преобразования, выход которого через соединительный кабель связан с управляющим его перемещением приемным устройством, расположенным за пределами активной зоны реактора, причем собирающий электрод камеры соединен с входом электрометрического логарифмирующего усилителя, выполненного на основе операционного усилителя с логарифмической передаточной функцией, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с базой транзистора n-р-n типа с заземленным коллектором, через которую в прямом направлении протекает ток, величиной I_с, удовлетворяющий условию 0,01Icm≥Ic>>Ico, где Icm - максимально допустимый прямой ток для данного типа транзисторов; Ico - обратный ток коллектора, а выход сумматора соединен с соединительным кабелем. Технический результат - повышение радиационной стойкости. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Сканирующее устройство для контроля пространственного распределения мощности экспозиционной дозы гамма-излучения (МЭД) в активной зоне остановленных уран-графитовых реакторов, содержащее подвижный блок детектирования, в состав которого входит детектор гамма-излучения, включенный на вход устройства преобразования, выход которого через соединительный кабель связан с управляющим его перемещением приемным устройством, расположенным за пределами активной зоны реактора, отличающееся тем, что в качестве детектора гамма-излучения применяют ионизационную камеру с сеткой, собирающий электрод которой соединен с входом электрометрического логарифмирующего усилителя, выполненного на основе операционного усилителя с логарифмической передаточной функцией, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с базой транзистора n-р-n типа с заземленным коллектором, через которую в прямом направлении протекает ток, величиной Iс, удовлетворяющий условию

0,01Icm≥Ic>>Ico,

где

Icm - максимально допустимый прямой ток для данного типа транзисторов;

Ico - обратный ток коллектора, а выход сумматора соединен с соединительным кабелем.