СПОСОБ И УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА НЕЙТРОНОВ Российский патент 2022 года по МПК G01T3/00 

Изобретение относится к области ядерной техники, а точнее к способам и устройствам контроля плотности потока нейтронов в присутствии интенсивного гамма-излучения на термоядерных реакторах и установках. Изобретение может быть использовано также для широкодиапазонного контроля плотности потока нейтронов в ядерных реакторах на тепловых и быстрых нейтронах при построении систем контроля, управления и защиты.

Известны способы контроля плотности потока нейтронов с помощью ионизационной камеры деления (ИКД), импульсно-токовый сигнал которой обрабатывают, используя в качестве информативного признака скорость счета импульсов (импульсный способ контроля), дисперсию случайных флуктуаций тока (флуктуационный или "Кэмпбелловский" способ контроля) и средний ток ИКД (токовый способ контроля). Данные способы обеспечивают контроль плотности потока нейтронов в ограниченном диапазоне мощности реактора: 5-6 декад для импульсного, 4-5 декад для флуктуационного и 2-3 декады для токового (при больших уровнях гамма-излучения и ложного тока ИКД, связанного с облучением делящегося материала радиатора). Для расширения диапазона контроля используют комбинацию указанных способов, обеспечивая сопряжение статических характеристик измерительных трактов с разными способами обработки на границах поддиапазонов. Известен способ контроля, реализованный в устройстве детектирования (патент США № US 6181761), в котором сигнал ИКД усиливают, подвергают аналого-цифровому преобразованию и далее проводят цифровую обработку импульсным и флуктуационным способами. Недостатками данного устройства являются низкая точность, вызванная необходимостью сопряжения двух сигналов для получения гладкой характеристики во всем диапазоне контроля плотности потока нейтронов, и недостаточная помехозащищенность, которая требует использования специальных алгоритмов обработки для выделения сигнала помехи и ее исключения из полезного сигнала.

Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является способ контроля плотности потока нейтронов, реализованный в устройстве детектирования широкодиапазонных каналов контроля нейтронного потока (патент РФ № RU 2227923). В указанном способе импульсный сигнал ионизационной камеры усиливают и формируют двухполярный импульс с нулевым средним значением, который поступает на линейный амплитудный дискриминатор с токовым выходом, где сравнивается с заданным порогом, значение которого устанавливают выше амплитуды ложного сигнала, связанного с импульсами альфа- и гамма-излучения и собственными шумами усилителя. При превышении значения порога фронтом импульса, вызванного регистрацией нейтрона, порог сбрасывается на уровень нуля и линейный амплитудный дискриминатор передает часть тока импульса от нейтрона и добавочный ток, зависящий от значения порога, в логарифмический преобразователь, выполняющий одновременно функцию усреднения импульсов и флуктуаций тока.

Основным недостатком данного способа является низкое быстродействие, которое не позволяет использовать его для контроля плотности потока нейтронов в термоядерных реакторах, где требуется обеспечить временное разрешение не более 1 мс. Кроме того, данный способ обладает недостаточной точностью, связанной с приближенной величиной добавочного тока и погрешностями аналоговой обработки сигнала ИКД линейным дискриминатором и логарифмическим преобразователем.

Технический результат предлагаемого способа состоит в увеличении быстродействия и повышении точности определения плотности потока нейтронов в термоядерном реакторе.

Указанный технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа контроля плотности потока нейтронов аналого-цифровому преобразованию подвергается непосредственно выходной сигнал усилителя- формирователя двухполярного импульса и далее выполняется цифровая обработка, включающая амплитудную селекцию линейным дискриминатором, вычисление среднего (или суммарного) значения сигнала положительной полярности на заданных временных интервалах, логарифмирование, линеаризацию, антилогарифмирование и масштабирование для вычисления плотности потока нейтронов, причем модифицированы логика работы линейного амплитудного дискриминатора (селектора) и функция линеаризации сигнала в области наложений импульсов тока ИКД.

Предложенный способ контроля поясняют рисунки. Фиг. 1 поясняет принцип работы линейного амплитудного селектора. На фиг. 2 приведен спектр распределения импульсов по зарядам для пояснения операции коррекции сигнала в линейном амплитудном селекторе. Фиг. 3 иллюстрирует операцию линеаризации. На фиг. 4 представлена последовательность операций обработки сигнала. На фиг. 5 совмещены графики изменения импульсного сигнала на выходе усилителя и порога дискриминации, поясняющие логику управления порогом. На фиг. 6 представлена структурная схема устройства контроля плотности потока нейтронов, где 1 - ионизационная камера деления; 2 - источник высокого напряжения; 3 - усилитель-формирователь; 4 - аналого-цифровой преобразователь; 5 - программируемая логическая интегральная схема; 6 - управляющий микроконтроллер; 7 - приемное устройство.

При воздействии потока нейтронов в радиаторе ИКД происходят деления, осколки деления приводят к ионизации газа в межэлектродном промежутке с образованием зарядов, среднее значение быстрой (в основном, электронной) составляющей которых равно <q> на один акт регистрации нейтрона. При изменении плотности потока нейтронов изменяется средняя скорость счета (средняя частота следования) импульсов <F>. В результате суммирования импульсов ИКД формирует средний ток быстрой составляющей в соответствии с выражением:

Импульсы тока преобразуются усилителем-формирователем в двухполярные импульсы напряжения U(t) (форма одиночного импульса И1 приведена на фиг. 1) с нулевым средним значением. Амплитуда положительной полуволны импульса и ее площадь пропорциональны заряду в импульсе тока ИКД. Далее сигнал U(t) обрабатывается следующим образом.

Производится аналого-цифровое преобразование сигнала U(t) с частотой дискретизации не менее 20 МГц с получением сигнала U_д(t).

При превышении сигналом U_д(t) уровня нуля (момент времени t₀ на фиг. 1 для импульса И1) включается процесс его интегрирования (суммирования отсчетов) и если произошло превышение порога дискриминации U_п (момент времени t_п на фиг. 1), то процесс интегрирования продолжается до момента времени t_и, который соответствует окончанию положительной полуволны двухполярного импульса. В момент времени t_и к значению интегратора U_k(t_и) добавляется величина ΔU_k, пропорциональная вкладу импульсов от нейтронов, которые находятся ниже уровня порога дискриминации. Если импульс не достигает уровня порога дискриминации (импульс И2 на фиг. 1), то он определяется как "ложный" (связанный с действием шума, альфа- и гамма-излучением) и после его окончания (перехода через нуль) интегратор сбрасывается на уровень, достигнутый от действия последнего "полезного" импульса. Импульсы от нейтронов, заряд которых не достиг уровня дискриминации, также будут трактоваться как "ложные", но их доля (вклад в заряд) учтена в значении ΔU_k. Значение ΔU_k зависит от установленного значения порога дискриминации U_п и соответствующего ему порогового заряда q_п; показанному на дифференциальном амплитудном спектре импульсов от нейтронов (фиг. 2). Значение ΔU_k определяется выражением:

где U_k(t_и) - значение интеграла (суммы выборок) зарегистрированного импульса на интервале [t₀, t_и];

K(q_п) - постоянный коэффициент, который зависит от порогового заряда q_п, и равен:

где <q₁> - средний заряд импульсов, находящихся ниже порога дискриминации q_п,

<q2> - средний заряд импульсов, превышающих порог дискриминации q_п,

S₁ и S₂ - площади частей спектра ниже и выше порога дискриминации (фиг. 2), которые также равны суммарным количествам импульсов N₁ и N₂ от нейтронов в указанных областях спектра (для нормированного спектра - вероятностям p₁ и р₂ регистрации импульсов с зарядами ниже и выше порога дискриминации q_п, р₁+р₂=1). Все параметры в выражении (3) зависят от q_п.

В области возможных задаваемых значений Δq_п (фиг. 2) приближенно можно считать, что функция K(q_п) является линейной функцией от q_п, и значение ΔU_k является линейной функцией от U_п.

Процесс интегрирования выполняется на заданных последовательных интервалах времени Δt, который для термоядерных установок не должен превышать 1 мс, а для ядерных реакторов обычно составляет 10-100 мс. После окончания интервала времени Δt фиксируется полученное значение U_k (для сокращения вычислительных операций целесообразно поправку ΔU_k вводить один раз после завершения интервала времени Δt). Далее определяется значение сигнала V_k=U_k/Δt (пропорционально среднему значению тока от нейтронов), интегратор сбрасывается на уровень нуля и процесс интегрирования продолжается на следующем временном интервале Δt.

Сигнал V пропорционален току ИКД, связанному с нейтронами, на интервале скорости счета <F> от 0 до F₁ (ей соответствует значение V₁), которая определяется длительностью двухполярного импульса. При скорости счета <F>, превышающей значение F₁ появляются наложения импульсов и зависимость V(<F>) становится нелинейной с монотонным уменьшением скорости ее изменения, как показано на фиг. 3.

При скорости счета <F>, превышающей значение F₂ сигнал U(t) (и соответственно V (t)) представляет собой шум, дисперсия которого прямо пропорциональна произведению <q²><F> (так называемый "Кэмбелловский" или флуктуационный режим работы ИКД), а зависимость V(<F>) будет иметь вид:

)

где коэффициент К_ф определяется параметрами ИКД (отношение<q>²/<q²>) и амплитудно-частотной характеристики усилителя (квадрат модуля передаточной функции). При этом значение логарифма сигнала V будет линейно зависеть от скорости счета <F>:

где коэффициент K_L=lg(К_ф). Как показано на фиг. 3, при lg(V) больше значения V₂ наклон статической характеристики уменьшается в два раза по сравнению с наклоном в области от величины близкой к нулю до значения V₁.

На фиг. 4 приведена функциональная схема, которая отражает преобразования сигналов в предлагаемом способе контроля. Сигнал U(t), прошедший аналого-цифровое преобразование, подвергается амплитудной селекции и вычислению среднего значения на временных интервалах, алгоритмы работы которых описаны выше.

Далее сигнал V_k логарифмируется:

где V₀ - малое положительное число, которое выбирается на 1-2 порядка меньше, чем минимально допускаемое контролируемое значение сигнала V_k.

Полученный сигнал V_L подвергается линеаризации в соответствии с выражениями:

где k₁…k_n - коэффициенты полинома, V₁ и V₂ - границы области значений сигнала V_L, в которой проводится операция полиноминальной линеаризации, ко - коэффициент, значение которого приблизительно равно 2. Значения границ и коэффициентов полинома для ИКД различных типов могут быть определены экспериментально путем изменения нейтронного потока, действующего на ионизационную камеру деления, или с использованием имитатора случайного сигнала ИКД, в котором устанавливаются: средний заряд в импульсе тока, нормированная функция формы импульса тока, спектр распределения импульсов по зарядам, соответствующие типу ИКД.

В отличие от прототипа в предлагаемом способе степень полинома n может быть сделана значительно меньше - не более n=3 (в прототипе n=7), а точность операции линеаризации будет выше, поскольку существенно сокращается область значений сигнала, в которой эта операция проводится. Кроме того, снижаются требования к производительности вычислительного устройства.

После операции антилогарифмирования:

по сигналу V_н могут быть вычислены

- ток ИКД, связанный с нейтронами:

где К_н - нормирующий коэффициент, определяемый коэффициентом усиления импульсов усилителя-формирователя,

- приведенная скорость счета импульсов от нейтронов:

где <q> - среднее значение заряда в импульсе тока ИКД,

- плотность потока нейтронов:

где К_и - значение импульсной чувствительности ИКД к нейтронам.

Для повышения точности преобразования сигнала ИКД в плотность потока нейтронов эффективное значение порога дискриминации в области изменения сигнала V от V₁ до V₂ должно плавно изменяться от заданного значения U_п до нуля. С этой целью в алгоритм работы амплитудного селектора вводится задержка установки порога дискриминации после окончания положительной полуволны двухполярного импульса, как показано на фиг. 5, на время t₃, причем порог дискриминации во время задержки может иметь нулевое значение или изменяться со скоростью U_п/t₃. Время t₃ и функция изменения порога дискриминации выбирается в зависимости от уровня гамма-излучения, действующего на ИКД при эксплуатации.

Способ реализуется устройством для контроля плотности потока нейтронов, которое показано на фиг. 6.

Устройство для контроля плотности потока нейтронов содержит ионизационную камеру деления 1, соединенную с выходом источника высокого напряжения 2 и со входом усилителя-формирователя двухполярного импульса 3, который подключен ко входу быстродействующего аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 4. Выход АЦП соединен с программируемой логической интегральной схемой (ПЛИС) 5, которая также связана с управляющим микроконтроллером 6, в качестве которого может быть использован также персональный компьютер. Выходом управляющего микроконтроллера 6 является порт последовательной передачи данных в стандарте Ethernet или RS-485, который соединен со входом приемного устройства 7.

Устройство работает следующим образом.

При воздействии потока нейтронов радиатор ионизационной камеры деления 1 испускает осколки, которые ионизируют газ и приводят к образованию зарядов, собираемых на электродах камеры под действием электрического поля от источника высокого напряжения 2. Эти заряды преобразуются усилителем 3 с дифференциальным входом в импульсы напряжения двухполярной формы, которые поступают далее на вход быстродействующего АЦП 4, имеющего частоту дискретизации не менее 20 МГц и разрядность не менее 12 бит. Цифровой сигнал (код) с выхода АЦП поступает в программируемую логическую интегральную схему 5 типа FPGA, в которой выполняются операции линейной амплитудной селекции и вычисления среднего значения на последовательных временных интервалах. ПЛИС работает с тактовой частотой 1 ГГц, выполняя все вычисления в пределах заданного такта Δt, выбираемого в пределах 0,1-1 мс при контроле плотности потока нейтронов в термоядерном реакторе. ПЛИС принимает от управляющего микроконтроллера 6, хранит во встроенных ячейках памяти и использует при обработке сигнала цифровые параметры - значения порога дискриминации U_n и времени задержки t₃. С тактом Δt цифровые данные от ПЛИС поступают в управляющий микроконтроллер, который выполняет операции логарифмирования, линеаризации, антилогарифмирования и масштабирования. Во встроенной памяти микроконтроллера хранятся и используются при обработке сигнала цифровые параметры - значения коэффициентов k₀, k1…k_n, граничных точек V₁, V₂ и масштабирующих коэффициентов К_н, К_н и <q>. Выходной цифровой код управляющего микроконтроллера 6 с информацией о значениях тока ИКД, связанного с нейтронами, приведенной скорости счета импульсов от нейтронов и плотности потока нейтронов, передается далее через последовательный интерфейс Ethernet или RS-485 в приемное устройство для отображения и/или последующей обработки.

Предлагаемое устройство позволяет увеличить быстродействие измерительного канала и повысить точность определения плотности потока нейтронов в термоядерном реакторе.

Группа изобретений относится к области ядерной техники. Сигнал ионизационной камеры деления усиливают, получая на выходе усилителя-формирователя двухполярный импульс с нулевым средним значением. Выходной сигнал усилителя-формирователя подвергают быстрому аналого-цифровому преобразованию и далее выполняют цифровую обработку, включающую амплитудную селекцию линейным дискриминатором, вычисление среднего или суммарного значения сигнала положительной полярности на заданных временных интервалах, логарифмирование, линеаризацию, антилогарифмирование и масштабирование для вычисления плотности потока нейтронов. Линейная амплитудная селекция имеет функцию задержки установки порога дискриминации после окончания положительной полуволны двухполярного импульса. Полиноминальная линеаризация выполняется в ограниченной области перехода от импульсного режима работы к чисто флуктуационному. Технический результат – повышение быстродействия и повышение точности определения плотности потока нейтронов в термоядерном реакторе в присутствии электромагнитных помех и гамма-излучения. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ контроля плотности потока нейтронов, заключающийся в том, что импульсно-токовый сигнал ионизационной камеры деления усиливают, получая на выходе усилителя-формирователя двухполярный импульс с нулевым средним значением, пропускают его через линейный амплитудный селектор и находят среднее значение сигнала импульсного тока, отличающийся тем, что быстрому аналого-цифровому преобразованию подвергается непосредственно выходной сигнал усилителя-формирователя двухполярного импульса и далее выполняется цифровая обработка, включающая амплитудную селекцию линейным дискриминатором, вычисление среднего или суммарного значения сигнала положительной полярности на заданных временных интервалах, логарифмирование, линеаризацию, антилогарифмирование и масштабирование для вычисления плотности потока нейтронов, причем полиноминальная линеаризация выполняется только в ограниченной области перехода от импульсного режима работы к чисто флуктуационному, а линейная амплитудная селекция дополнена функцией задержки установки порога дискриминации после окончания положительной полуволны двухполярного импульса.

2. Устройство контроля плотности потока нейтронов, реализующее способ по п.1, содержащее источник высокого напряжения и последовательно соединенные ионизационную камеру деления, усилитель-формирователь, аналого-цифровой преобразователь, управляющий микроконтроллер с памятью для хранения параметров обработки, отличающееся тем, что в него введена программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), на вход которой поступает код с выхода аналого-цифрового преобразователя, а выход соединен с управляющим микроконтроллером, причем операции линейной амплитудной селекции и вычисления среднего на временных интервалах выполняются в ПЛИС, а последующие операции преобразования сигнала - в управляющем микроконтроллере, выходом которого является цифровой код с информацией о значении плотности потока нейтронов, передаваемый далее через последовательный интерфейс Ethernet или RS-485 в приемное устройство для отображения и/или последующей обработки.