Устройство для градуировки радиометров Советский патент 1985 года по МПК G01T1/167 

Изобретение относится к области ядерного приборостроения и может быть использовано на атомных электростанциях, атомных станциях теплоснабжения и других атомных производствах, а также в лабораториях разрабатывающих аппаратуру технологического контроля, при градуировке радиометров, размещенных у поверхности технологических контуров и контролирующих в них активность среды с малых самопоглощение радиоактивного излучения, т.е. такой среды, для которой 2/3 , где li(,p - коэффициент линейного ослабления радиоактивного излучения в среде, ; D -внутренний диамет контролируемого технологического контура, см. Такой средой может быть,например острый пар второго контура в основных паропроводах .на атомных электростанциях с водо- водяным реактором или первого контура с канальным реактором большой мощности. Известны устройства для градуировки радиометров объемной активности газа, содержащие макет измер тельного объема радиометра, градуировочную радиоактивную среду, идентичную контролируемой среде.Из вестно также устройство для градуи РОБКИ радиометра активности мягких тканей организма, содержащее имитатор мягких тканей с градуировочной средой, аналогичной по своим физическим свойствам (плотность, длина свободного пробега излучения и т,д.) мягкой ткани l , Для градуировки радиометров, размещенных у поверхности технологических конту ров и измеряющих в них по гаммаизлучению объемную активность среда с мальом самопоглощениём радиоактивного излучения, например объемную активность газообразных радионуклидов, которые присутствуют в паре второго контура атомных электростанций, используют образцовый радиоактивный криптон- 85, являющийся излучателем га има-квантов с энер гией 520 эВ, в то время как энергия гамма-квантов, которые .испуск а;ю радионуклиды, содержащие в паре второго контура, лежит в диапазоне от сотен кэВ до 3 МэВ. Недостаток известных устройств заключается в том, что при градуи ровке по гамма-излучению радиометров, размещенных у поверхности технологических контуров и измеряютих объемную активность среды с малым самопоглощением радиоактивного излучения, невозможно провести градуировку радиометра в энергетическом диапазоне от сотен КэВ до 3 МэВ.. Кроме того, возникают большие трудности при выполнении градуировочного устройства и проведении градуировки радиометра. Это обусловлено тем, что паропровод представляет собой длинную толстостенную стальную трубу большого диаметра, в которой находится острый пар с температурой 273°С, под давлением 64 атм. Поэтому, чтобы сконструировать градуировочный пакет, аналогичный по своим параметрам паропроводу , необходимо взять герметичный отрезок толстостенной стальной с небольшим количеством воды и нагреть его до 273°С. В этом случае в отрезке трубы будет получен пар с плотностью, равной плотности острого пара в паропроводе и, следовательно, с идентичной самопоглощающей способностью. Такое устройство сложно по конструкции, имеет большой вес, требует специальных механизмов для его перемещения, а также всегда существует опасность разрыва его корпуса ,и утечки радиоактивной среды в атмосферу, что приводит к необходимости проведения градуировки в специальном помещении. Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство для градуировки радиометров, размещенных у поверхности технологического контура с контролируемой средой, содержащее точечный радиоактивный источник и установленные между источником и размещенным в коллиматоре детектором градуировочного радиометра плоский многослойный поглотитель радиоактивного излучения и плоский имитатор среды такой толщины, чтоослабление радиоактивного излучения в нем и в самой контролируемой среде одинаково 2J . Имитаторы выполнены в виде пластин из нержавеющей стали г толщина имитаторов выбрана так, чтобы ослабление гамма-потока в них было эквивалентно ослаблению гаммапотока в стенках и покрытиях технологического контура и в контролируемой среде. Поскольку радионуклиды, содержащиеся в остром паре второго конТура, испускают гамма-кванты в uAiроком энергетическом диапазоне от . сотен кэВ до 3000 кэВ, то радиометр, измеряющий объемную активность острого пара, необходимо градуировать также в широком энергетическом диапазоне от сотен кэВ до 3000 КЭВ. При использовании известного устройства для градуировки по точеч- ным радиоактивным источникам радиометров необходимо подобрать толщимы имитаторов элементов паропровода так, чтобы ослабление в них радиоа тивного излучения,испускаемого точ ным источником, и ослабление радио актйвн&го излучения, испускаемого объемным источником (радиоактивным паром) , в сами} элементах паропровода было идентичным. Определить ослабление гаммаКйантов в элементах паропровода от объемного источника можно тольк .для гамма-квантов с энергией 520 к испускаемых газообразным радионуклидом криптон-бЗ Следовательно, толщины имитаторов можно определит лишь для энергии гамма-квантов, близкой к 520 кзВ. При использовании значений толщин имитаторов, по лученных для энергии 520 кэБ, для градуировки радиометра по точечньш радиоактивным источникам во всем диапазоне -энергий.от сотен кэВ до 3000 кэВ, получится энергетическая зависимость показаний радио метра (ход с KecifKocTbro ), afiaчительно отличающаяся от действительной. Это является следствием того, что изменение показаний ради метра при изменении внутреннего ра диуса R технологического контура, толщины стенки j. , i -го слоя покрытия (3j технологического контура или энергии гамма-квантов F обусловлено одновременным действие двух факторов: изменением расстояния от поверхности детектора до оси паропровода; изменением степени ослабления Излучения стенкой и слоями покрытий паропровода. Кроме того, так как стенки и слои покрытия паропровода, а также кднтролируемая среда имитируются пластинкгами из нержавеющей стали, то толщины имитаторов зависят от энергии гамма-квантов 6 даже при неизменных R , d и di . Это обусловлено разной энергетической зависимостью коэффициентов линейного ослабления гамма-квантов в нержавеющей стали и в материалах покрытий паропровода и в паре, а также в стенке паропровода если она выполнена не из стали. Следовательно, чтобы обеспечить погрешность воспроизведения энергетической зависимости показаний ради метра на заданном уровне, необходимо подбирать новые значения толщин имитаторов всякий раз, как только энергия гамма-квантов, испускаемых точечными источниками, станет отличной от 520 кэБ, даже если остадь нне параметры К , j и cJ, постоянны. Однако такой подбор невозможен так как промышленностью выпускается образцовый источник только одного газообразного гамма-испускающего радионуклида - криптона-85 с энергией гамма-квантов 520 кэВ. Недостатком известного устройства является низкая точность вое- i произведения энергетической зависимости показаний радиометра при градуировке по точечным радиоактивным источникам в диапазоне от сотен кэВ до 3000 кэВ. Кроме того, соотношения между толщинами имитаторов элементов паропровода и толщинами самих элементов паропровода не сохраняются,если изменится хотя бы один из параметров R , c3g или dj; даже при фиксированной энергии гамма-квантов. В этом случае каждый раз Heo6Jf€i ijHMo заново проводить градуировку по объемному источнику и экспериментально определять новые соотношения между размерами, что удорожает и затрудняет использование известного устройства. Необходимо также отметить,что имитатор стенки технологического контура в известном устройстве выполнен такой толщины, чтобы поглощение гамма-квантов в нем было эквивалентно поглощению гамма-квантов в удвоенной толщине стенки технологического контура, так как . точечный источник размещен от детектора с противоположной стороны контура и как бы просвечивает его. С другой .стороны гамма-кванты от объемного источника просвечивают только одну толщину стенки контура- Следовательно, при применении имитатора стенки для градуировки радиометров объемной актив.ности среды погрешность воспроизведения энергетической зависимости показаний радиометра велика. Целью изоб.ретения является повышение точности воспроизведения энергетической зависимости показаний радиометра объемной активности среды при градуировке оо точечным радиоактивным источникам в диапазоне энергий от сотен кэВ до 3000 кэВ. Указанная цель достигаетс;51 тем, что в устройстве для градуировки радиометров, размещенных у поверхности технологического контура с контролируемой средой, содержащем точечный радиоактивный источник и установленные между источником и размещенным в коллиматоре детектором градуируемого радиометра плоский многослойный поглотитель радиоактивного излучения и плоский имитатор средал такой толщины, что ослабление радиоактивного излучения в нем ив самой контролируемой среде одинаково, -между точечным радиоактив1шм источником и детектором установлены последовательно один за другим имитатор среды, выполненный из водоэквивгзлентного материала, и многослойный поглотитель, содержащий имитатор стенки технологи еского контура толщиной j (К, и П имитаторов слоев покрытия технологического контура толщиной ,3 o6Ji каждый, где l,,51, ст гс ™5ины стенки и i -го слоя покрытия технологического контура соответственно/ см; п - число слоев покрытия технологического контура, и выполненный из материалов, аналогичных по плотности и ослаблению в них радиоактивного излучения материалу стенки технологического контура и материалам слоев покрытия технологического контура, а также введены дополнительные сменные точечные радиоактивные источники, испускающие излучение различных энергий в диапазоне от сотен кэВ до 3000 кэВ. На фиг. 1 показано устройс.тво для градуировки радиометров по точечным источникам; на фиг.2 - графики зависимости N(x)/ Я() от X для различных толщин стенок паропроводов в безразмерных единицах л® где X - расстояние от переднего то ца поверхности радиометра при его удалении от некото рого начального положения , см; РСТ линейный коэффициент ослаб ления гар-ма-квантов в мате риале стенки паропровода, см- ; OCT толщина стенки паропровода см; на фиг.З - графики зависимости погг решности б воспроизведения показан-и устройства от величины « для различ ных энергий гамча-квантов. В устройстве для градуировки радиометров (Фиг.1), содержащем набор сменных точечных радиоактивных исто ников с paзличны ш энергиями радиоактивного излучения, между точечным источником 1 из эуого.набора и детектором 2 градуируемого радиометра размещенного в коллиматоре 3, распо ложены плоский шдитатор контролируемой среды 4 и плоский многослойный поглотитель 5 радиоактивного излучения . Поглотитель 5 содержит имита тор стенки технологического контура и л имитаторов слоев покрытий техно логического контура. При градуировке радиометра, изме ряющего объемную активность острого пара в паропроводе второго контура атомной электростанции, устройство для градуировки радиометров работае следующим образом. Между точечным радиоактивным источником 1 из набора источников с различными энергиями радиоактивного излучения и детектором 2 градуируемого радиометра устанавливают последовательно имитатор среды и многослойный поглотитель (фиг.1).Остальные точечные радиоактивные источники из набора источников размещены так, чтобы они не влияли на процесс измерения, например, в свинцовом домике. Для исключения влияния внешнего фона на измерения детектор 2 размещен в коллиматоре 3. Толщины имитатора среды .4 и много-, слойного поглотителя 5 выбраны так, что гамма-кванты, испускаемые точечными радиоактивными источниками с энергиями от сотен до 3000 кэВ, ослабляются в них так же, как и в паропроводе, например, второго контура атомной электростанции при прохождении ими последовательно самой контролируемой среды (самопоглощение среды), стенки паропровода и слоев покрытия паропровода,наппример теплоизоляции, кожуха теплоизоляции и т.д. Это достигается выбором материалов, формы и толщины имитаторов среды 4 и многослойного, поглотителя 5. Энергетическую зависимость показаний радиометра (ход с жесткостью радиометра) в диапазоне энергий гамма-квантов от сотен до 3000 кэВ получают, проводя измерения последовательно с различными точечными радиоактивными источниками из набора источников. В качестве точечных радиоактивных источников можно использовать, например, радионуклиды: кобальт-57, олово-113, цезий-137, марганец-54, кобальт-бО к натрий-24. Показания радиометра, детектор которого размещен в непосредственной близости от поверхности паропровода, можно представить в следующем виде: Яо« -EfU, K -5g-eg, где ug - число моноэнергетических гамма-квантов с энергией Е , испускаемых единицей объема пара с 1 с, гамма-кв./с. R - внутренний радиус паропровода, см; 8 1/ - средний путь гамма-квантов в паре в направлении детекр тора,-см; л| «--.л. линейный коэффициент осI PJ г лабления гамма-квантов в паре, см ; Pf),pg- плотности пара при рабочих температуре и давлении в паропроводе и воды соответственно, г/см; jUg - линейный коэффициент осла ления гамма-квантов в -вод см- ; icT коэффициент,учитывающий ослабление гамма-квантов стенке и в слоях покрытий паропровода, отн.ед.; Sg-- площадь чувствительной по верхности детектора, f эффективность регистрации гамма-квантов блоком дете тирования, отн.ед. Ослабление гамма-квантов в .стен ке и в слоях покрытий паропровода зависит от параметров R., d j. , d и Е, где бс и (I; - толщины стенки и 1 -го слоя покрытия паропровода соответственно, Е - энергия гаммаквантов. В общем случаем уменьшени показаний радиометра при измерепНИИ для случаев 0|. + Z1 j;-0 Tt . Обусловлено рдновременным действием двух факторов: удалением поверхности детектора от оси паропровода на расстояние и поглощением излучения в материалах стенки и слоях покрытий паропровода. .- 1 Поэтому, если коэффициент К, характеризующий уменьшение показани радис 1втра при измерении в условиях oT;t, о и записать в «(„.,icT,J;,E(iUcrJcT%|/J, (2) где jUji и (u; - линейные коэффициенты ослабления гамма-квантов в материалах стенки и i -го слоя покрытия па ропровода соответственно, , то коэффициент oi (К, JCT/ Е ) в показателе экспоненты зависит от всех параметров R , „ J i и Е , Следовательно, при любом изменении хотя бы одного из них необходимо подбира 1 новую толщину имитаторов стенки и слоев покрытий, что делает практически невозможным получение одного постоянного для различного набора параметров соотношения между толщинами стенки и слоев покрытий паропровода и их имитаторами при градуи ровке по точечным радиоактивным источникам. Экспериментально изучена зависимость изменения показаний (Н(Х) радиометра при удалении торцовой по верхности детектора от паропровода на расстояние R + dg +X для различных з 1ачений произведения Д|„ JCT где da - расстояние от внутренней поверхности паропровода до поверхности детектора при исходном размещении. В экспериментах использован газообразной гамма-источник криптон-85, поэтому р - было фиксировано, а JCT изменяли таким образом/ чтобы d,.,. было всегда .меньшего i Обработка экспериментальных результатов позволила сделать вывод о том, что отношение N(X)/N(0), где N(X) и N(0) - показания радиометра на расстоянии X от исходного положения и в исходном положении соответственно не зависят от величины рс, JCT /а следовательно, и от энергии гамма-квантов/t. Экспериментальные значения N{X)/N(0) приведены на фиг.2. Эксперименты проводились с моделями паропроводов радиусом R 20 см, толщинами стенки U - 0 см; И -dcr CMI 0 - Jcr 2,4 см и R 30 см & - -dcT О см; Ш - С)ЁТ см; 0 - dc 3,0 см. Зависимость отношения N(X)/N (0) от fUc, dcT и, следовательно, от. энергии Е гамма-квантов отсутствует, что позволило представить коэффициент K.j в виде двух сомножителей в следующем виде: К J.t(ct4nr(u,di) R-c)r,rX : inJcT X- ;. Первый сомножитель в выражении R (4) характеризует уменьR cJn+5lшеиие показаний радиометра за счет удаления поверхности детектора от оси паропровода, второй сомножитель -«i((U.J;) характеризует уменьшение пока заний радиометра за счет поглощения излучения в стенке и слоях покрытий паропровода. Коэффициент 0 в показателе экспоненты в этом случае не зависит от параметров R, d,, J; и практиески не зависит от энергии f гаммаквантов. Величина коэффициента «t пределена экспериментально .ггутем сравнения зависимости изменения показаний радиометра от толщины стенок ля объемного ц точечного источников, ричем В показаниях радиометра при змерениях от объемного источника водилась поправка, установленная по соотношению (4), которая исключает зависимость показаний радиометра.

от изменения расстояния от поверхности детектора до оси паропровода.

Границы возможных значений коэффициента установлены из условия, чтобы погрешность воспроизведения энергетической зависимости показаний радиометра при градуировке по точечным радиоактивным источникам в широком энергетическом диапазоне от со,тен кэВ до 3000 кэВ не превышала погрешности градуировки по объемным газообразным источникам,кото рая, как правило, составляет величину порядка t 8%.Таким образом,значения (цб лежат в границах от 1,46 до 1,51 (фиг.З) .,. „

На основании изложенного формулу (1) можно записать в виде

Яо« fi -J.((«cT-dct.2.|UiJ;) (б )

Н.-.е

R+dn x

где 1,46 01. :б 1,51.

Такая форма записи позволяет определить соотношение между параметрами и размерами паропровода и имитаторами пара, стенки и слоев покрытий паропровода.

Определим показания радиометра при его градуировке по точечным радиоактивным источникам с помощью, градуировочного устройства (фиг.1), в котором между точечным радиоактивным источником 1 и детектором 2, находящимся на расстоянии В друг от друга, последовательно размеще-, ны имитатор пара 4 толщиной с) и многослойный поглотитель 5 Общей

толщиной c}(j42L j: ;

lal

Имитатор пара выполнен из водоэквивалентного материала, например парафина, органического стекла, полиэтилена и т .п«, следовательно

„ Р.

Pn y -pjfl,

где fJn . - линейный коэффициент , ослабления гамма-квантов в материале имитатора пара, ри- плотliocTb имитатора пара, г/см. Имитаторы стенки паропровода и слоев по1 рытий паропровода выполнены из тех же самых материалов, что и стенка и слои покрытий паропровода или из материалов, аналогичных им по ослаблению гамма-квантов, следовательно: (iicT ст и р1 (11 , где RCT i -линейные коэффициенты ослабления гамма-квантов в материалах имитаторов стенки и ( -го слоя покрытия провода соответственно.

I

см

Показания радиометра в имп. определяются следующим образом:

|Ри , ( 1 г |U

1 .(7)

где А - число гамма-квантов со средней по спектру энергией Е , испускаемых точечным источником в 1 с.

В качестве точечных радиоактивных источников целесообразно использовать моноэнергетические источники или такие,.которые испускают гаммакванты с близкими энергиями.

Таким образом, из сравнения выражений (6) и (7) можно сделать вывод, что энергетические зависимости показаний радиометра будут йдентичными, если толщины имитатора пара,

стенки и слоев покрытий паропровода выбраны из соотношений

. 4 PU 2 Рп (j, o(.j «i, ci.(J;,

Кроме того, воспроизведение энергетической зависимости будет более точным, если точечные источники размещать на одном и том же расстоянии от поверхности детектора,

Данное устройство для градуировки по точечным источникгьм было оп- . робовано при градуировке серийных радиометров, разработанных для конт роля объемной активности острого пара второго контура атомных электростаиций.

Экспериментальная проверка устройства для градуировки проводилась для следующих параметров технологических контуров:

R см: 20,30

, мм: 6,12,15,18,24 Б , кэВ: 350,660,850,1250. Для всех комбинаций параметррв отличие экспериментальных значений чувствительности радиометра от расчетных не превысило 4-6%. Таким образом, данное устройство для градуировки позволяет повысить точ ность градуировки в несколько раз в диапазоне энергий от сотен до

3000 КЭВ.

Кроме того, оно имеет простую конструкцию, технологично и экономично при изготовлении и эксплуатации, так как имитатор среды и многоалойный поглотитель могут быть выполнены в виде набора пластин из различных материалов с заранее известными и постоянными в широком энергетическом диапазоне размера

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГРАДУИРОВКИ РАДИОМЕТРОВ, размёщег ных у поверхности технологического. контура с контролируемой средой, содержащее точечный радиоактивный источник и установленные между источником и размещенным р коллиматоре детектором градуируемого радиометра плоский многослойный поглотитель радиоактивного излучения и плоский имитатор среды такой толщины,что ослабление радиоактивного излучения в нем и в самой контролируемой среде одинаково,, отличающееся тем,что с целью повышения точности воспроизведения энергетической зависи-. мости показаний радиометра объемной I В :СОШЯ4§ I3:™;j3 I .ijsiiKJTt активности среды при градуировке по точечным радиоактивным источникам в диапазону энергий 6т сотен кэВ до , между точечным радиоактивным источником и. детектором установлены последовательно один за другим имитатор среды,выполненный из водоэквивалентного материала, и многослойный поглотитель, содержащий имитатор стенки технологического контура толщиной 4 0.и п имитаторов слоев ст покрытия технологического контура толщиной dl А.(, каждый,где . 1,46 oi и 1/51, °ст и dj -. ТОЛЩИНЫ стенки и i -го слош ев покрытия технологического контура соответственно, см; п - кисло слоев покрытия технологического контура, и выполненный из материалов,анелогичных по плотности и ослаблению в них радиоактивного излучения стенки технологического контура и материалам слоев покрытия технологического контура, а так}ке введены дополнительные сменные точечные радиоактивные источники, испускающие изел 1 лучение различных энергий в диапазоне от сотен кэВ до 3000 кэВ. ai :

,;

. .1

ff ZSOM S