ПОГРУЖНОЙ ГАММА-АБСОРБЦИОННЫЙ ЗОНД Российский патент 2008 года по МПК G01N23/06 

Изобретение относится к средствам анализа материалов радиационными методами, а более конкретно к погружным гамма-абсорбционным датчикам, предназначенным для определения концентрации тяжелых элементов в жидкости, и может быть использовано при дистанционном аналитическом контроле процесса переработки отработавшего ядерного топлива, который осуществляется в присутствии гамма-излучения контролируемой среды.

Известны погружные гамма-абсорбционные зонды ПКМ-1Д (погружной концентратомер металла) и КМР2-104ДМ (концентратомер металла разностный) разработки ФГУП "ПО "Маяк". Они содержат источник и два детектора гамма-излучения, помещенные в погружаемом в аппарат корпусе с полостью для прохождения анализируемой жидкости. Излучение источника, прошедшее через полость в корпусе и несущее информацию о концентрации контролируемого элемента, регистрирует один детектор. До второго оно не доходит благодаря экранирующей перегородке. Фоновое же излучение воздействует на оба детектора. Информативный сигнал определяется путем нахождения разности сигналов детекторов. Недостатком этих зондов является ограничение использования по мощности экспозиционной дозы (МЭД) гамма-излучения контролируемой среды из-за различия гамма-поля в местах расположения детекторов и различия параметров самих детекторов, поскольку фоновый сигнал может превышать информативный в порядки раз.

Прототипом заявляемого устройства является погружной гамма-абсорбционный зонд (патент США №3794836, 1974 г.), который содержит источник и сцинтилляционный детектор гамма-излучения, помещенные в корпусе с полостью для прохождения анализируемой жидкости, при этом источник и детектор расположены друг против друга, а коллимационные отверстия в их защитных экранах - на одной линии. Недостатком этого зонда также является ограничение использования по МЭД гамма-излучения контролируемой среды. Это объясняется тем, что размеры зонда, а значит, и защитных экранов ограничены размерами аппарата и не позволяют обеспечить необходимую степень ослабления МЭД в месте расположения детектора (например, при переработке отработавшего ядерного топлива используется экстракционная технология, аппараты состоят из ячеек (ступеней), допускающих установку зондов, диаметр корпуса которых не более 42 мм). Улучшение же отношения информативного сигнала детектора и сигнала, вызванного фоновым воздействием, за счет увеличения мощности источника невозможно по причине того, что в гамма-абсорбциометрах для обеспечения высокой избирательности и чувствительности к тяжелым элементам используются источники мягкого гамма-излучения, в которых из-за самопоглощения существует оптимальный слой излучающего вещества. Отношение информативного и фонового сигналов детектора оказывается столь малым, что даже использование современного спектрометрического детектора для выделения сигнала источника не позволяет устранить указанный недостаток.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение области использования зонда за счет обеспечения работоспособности в расширенном диапазоне МЭД гамма-излучения контролируемой среды.

Поставленная задача решается с помощью заявляемого зонда (см. фиг.1). Он содержит погружаемый в аппарат корпус (1) с полостью (2) для прохождения анализируемой жидкости, источник гамма-излучения (3) и сцинтилляционный детектор гамма-излучения (4), расположенные друг против друга, экран с коллимационным отверстием, при этом экран вынесен за пределы корпуса и представляет собой перекрытие каньона аппарата (5) с отверстием для прохождения корпуса. Детектор выполнен гамма-спектрометрическим, и введено устройство обработки спектра (6).

Заявляемый зонд работает следующим образом.

Излучение источника (3) проходит через полость (2) в корпусе, заполненную анализируемой жидкостью, затем по внутренней полости корпуса и попадает на детектор гамма-излучения (4). Излучение ослабляется анализируемой жидкостью и несет информацию о концентрации контролируемого элемента.

Перекрытие каньона аппарата препятствует прохождению к детектору гамма-излучения анализируемой жидкости практически из всего объема. Доходит только излучение из полости (2) и из тонкого слоя, прилегающего к корпусу, а также отраженное корпусом. Экранирование детектора перекрытием иллюстрируется стрелками на фиг.1, где показано нахождение зонда в одной из ячеек аппарата-экстрактора.

Излучение регистрируется детектором в течение заданного времени, после чего гамма-спектр передается на устройство обработки (6). При обработке происходит выделение гамма-квантов источника, рассчитывается их зарегистрированное число и, исходя из времени набора, среднее число регистрации в секунду (интенсивность) N.

Концентрация контролируемого элемента Сэ определяется по формуле

где К1 и К2 - градуировочные коэффициенты.

В гамма-абсорбционных зондах при дистанционном аналитическом контроле процесса переработки отработавшего ядерного топлива в настоящее время используются выпускаемые промышленностью источники типа ИГИА с изотопом америций-241. Это объясняется большим периодом полураспада, равным 433 года, и отсутствием в спектре излучения высокоэнергетических линий, что облегчает защиту персонала при работе с зондом. Основной линией излучения изотопа является линия с энергией порядка 60 кэВ, которая и используется в рассматриваемом зонде.

В качестве детектора гамма-излучения при экспериментальных исследованиях было использовано устройство детектирования сцинтилляционное (гамма-спектрометр) УДС-Г1, выпускаемое НПЦ "АСПЕКТ", г.Дубна. Это устройство предназначено для регистрации гамма-излучения, накопления зарегистрированной информации в виде статистических распределений по энергии (спектров) и их передачи по интерфейсу RS-485.

Устройством обработки является компьютер или контроллер. Программное обеспечение может быть реализовано на основе программы "AnGamma" НПЦ "АСПЕКТ", г.Дубна.

Проверка работоспособности зонда при высоких значениях МЭД гамма-излучения контролируемой среды осуществлялась на головном аппарате-экстракторе завода РТ-1 по переработке отработавшего ядерного топлива (МЭД внутри аппарата составляла три рентгена в секунду и на три порядка превышала предел работоспособности зондов ПКМ-1Д и КМР2-104ДМ). Для этого был изготовлен зонд, в котором расстояние между источником и детектором гамма-излучения составило 3,5 м.

Предварительно на контрольных растворах урана-238 была проведена градуировка, заключавшаяся в определении коэффициентов К1 и К2 в формуле (1). На фиг.2 приведен пример снятого при градуировке спектра с таблицей результатов его обработки. Данные пика спектра, соответствующего полному поглощению излучения источника зонда, выделены белым цветом. Интенсивность N в данном случае составила 1813 с^-1.

Пример спектра с таблицей результатов его обработки при работе зонда на аппарате приведен на фиг.3. Программное обеспечение позволило в интересующем пике полного поглощения излучения источника отделить информативную составляющую от фоновой. Интенсивность N составила 1494 с^-1.

При проверке работоспособности зонда сравнивались значения концентрации урана, полученные в результате расчета по формуле (1), с данными лабораторного анализа проб раствора, взятыми из аппарата. Расхождение по абсолютной величине не превысило 2,5 г/л при диапазоне измерения от 10 до 50 г/л.

Время набора спектра при обеспечении необходимого статистического усреднения удовлетворяет требованиям к оперативности контроля технологического процесса.

Таким образом, в присутствии высоких значений МЭД гамма-излучения контролируемой среды, на три порядка превышающих предел работоспособности описанных выше зондов, и при невозможности увеличения мощности рабочего источника благодаря тому, что экран вынесен за пределы корпуса и представляет собой перекрытие каньона аппарата с отверстием для прохождения корпуса зонда, и благодаря использованию современного спектрометрического детектора и программного обеспечения предлагаемый зонд оказался не только работоспособным, но и с приемлемой погрешностью измерений концентрации урана.

Использование: для определения концентрации тяжелых элементов в жидкости. Сущность изобретения заключается в том, что погружной гамма-абсорбционный зонд содержит погружаемый в аппарат корпус с полостью для прохождения анализируемой жидкости, источник и сцинтилляционный детектор гамма-излучения, расположенные друг против друга, экран с коллимационным отверстием, при этом экран вынесен за пределы корпуса и представляет собой перекрытие каньона аппарата с коллимационным отверстием для прохождения корпуса, причем детектор выполнен гамма-спектрометрическим и введено устройство обработки спектра. Технический результат: увеличение области использования зонда за счет обеспечения работоспособности в расширенном диапазоне по мощности экспозиционной дозы гамма-излучения контролируемой среды. 3 ил.

Погружной гамма-абсорбционный зонд, содержащий погружаемый в аппарат корпус с полостью для прохождения анализируемой жидкости, источник и сцинтилляционный детектор гамма-излучения, расположенные друг против друга, экран с коллимационным отверстием, отличающийся тем, что экран вынесен за пределы корпуса и представляет собой перекрытие каньона аппарата с коллимационным отверстием для прохождения корпуса, причем детектор выполнен гамма-спектрометрическим и введено устройство обработки спектра.