Елохин Автоматизированные системы контроля радиационной обстановки окружаюсчей среды 2012

Из полученных оценок следует, что температурные зависимости равновесной концентрации ионов для проточной и непроточной ионизационных камер различаются.

Однако следует иметь ввиду, что поскольку время дрейфа ионов в межэлектродном промежутке более чем в пять раз меньше времени рекомбинации, то в непроточной ионизационной камере концентрация ионов в ее рабочем объеме будет значительно меньше равновесной за счет стока на электроды, и температурную зависимость следует ожидать иной в отличие от выражения, представленного формулой (7.39).

Для оценки температурной зависимости ионизационного тока необходимо еще и знание температурной зависимости подвижности носителей заряда.

При помещении ионизованного воздуха в электрическое поле ионы воздуха начинают дрейфовать в зависимости от знака заряда по или против направления вектора электрического поля. Скорость дрейфа Vдр ионов в широком диапазоне напряженностей электрического поля (в том числе и при рабочих для ионизационных камер) описывается простой формулой Vдр = μЕ, где Е – напряженность электрического поля, μ – подвижность ионов. Типичные значения подвижностей заряженных частиц в воздухе даны в табл. 7.1

Подвижность отрицательных ионов при равных условиях, как правило, больше, чем положительных.

Подвижность молекулярных ионов в собственном газе определяется главным образом резонансной перезарядкой и для слабых и умеренных напряженностей электрического поля описывается выражением [16]:

191

где N – концентрация молекул газа, М – масса молекулы, Т – температура газа, σрез(2,13 VT) – значение сечения резонансной перезарядки, взятое для скорости 2,13 VT, где VT – тепловая скорость ионов при данной температуре, e – элементарный заряд.

Зависимость сечения резонансной перезарядки от энергии E аппроксимируется простой формулой:

где E0 = 0,025 эВ (соответствует 300 К). Значения параметров аппроксимации σ0 и В для различных реакций перезарядки приведены в табл. 7.2.

для положительных ионов подвижность выше. Это обусловлено тем, что у газов различные массы молекул и сечения резонансной перезарядки, а сечение резонансной перезарядки, в свою очередь, также зависит от температуры.

Задаваясь значением подвижности ионов μ0 при температуре T0, температурная зависимость подвижности в целом определится выражением:

192

Как следует из приведенных выше данных, подвижность ионов в воздухе в диапазоне температур 0–300 °С при фиксированном давлении воздуха может изменяться не более, чем в полтора – два раза. Соответственно, так же будет изменяться и время сбора ионов. Такое изменение является несущественным, поскольку время сбора ионов при конструировании камер выбирается много меньшим других характерных времен (времени рекомбинации и времени прохода воздушного потока через камеру).

7.3.3. Токи проточной и непроточной камер

Непроточная (закрытая) ионизационная камера датчика работает в условиях, близких к полному сбору ионов, образующихся в результате ионизации воздуха γ- и β-излучением содержащейся в воздухе примеси инертных радиоактивных газов. Режим работы камеры обеспечивается выбором рабочего напряжения и межэлектродного расстояния такими, чтобы время дрейфа ионов между электродами при всех рабочих мощностях доз (соответственно, при всех плотностях ионов) было много меньше времени рекомбинации ионов образующейся плазмы. Так, при выбранных напряжении (1 кВ) и межэлектродном расстоянии (2 см) время дрейфа с учетом неоднородности поля не превышает 3 мс, а время рекомбинации при мощности дозы 100 Зв/ч, соответствующее равновесной для данной мощности дозы плотности ионов, равно 11 мс, что в 4 раза больше времени дрейфа. Отметим, что на самом деле это отношение еще больше, поскольку плотность ионов в рабочем объема камере из-за стока ионов на электроды за счет дрейфа в несколько раз меньше равновесной.

Ионизационный ток непроточной ионизационной камеры будет определяться только дрейфовой составляющей, а его температурная зависимость – температурной зависимостью коэффициента рекомбинации и подвижности носителей заряда, поскольку радиационный выход ионов не зависит от температуры в силу того, что концентрация молекул газа (воздуха) в непроточной камере постоянна.

Ионизационный ток проточной (открытой) камеры, через которую проходит воздушный поток со скоростью U0, как показано в пп. 7.1–7.3 складывается из двух частей.

194

Во-первых, на электроды камеры поступают ионы, образовавшиеся в рабочем объеме камеры. Создаваемый ионами ток равен току непроточной камеры (при условии идентичности камер) за вычетом доли заряда, связанного с выносом части ионов из рабочего объема камеры воздушным потоком. Доля выносимого заряда пропорциональна отношению U0τдр/l, где τдр – время дрейфа ионов между электродами, l – длина электродов. При максимальной скорости воздушного потока в 12 м/с, представляющей собой верхнюю границу значения указанной величины в вентиляционной трубах АЭС, эта доля не превышает 10 % и ей можно пренебречь.

Во-вторых, проточная камера собирает на электроды ионы, содержащиеся во входном воздушном потоке, за вычетом доли ионов, проносимых воздушным потоком сквозь камеру. Неполный сбор ионов начинается при больших скоростях воздушного потока, превышающих l/τдр, и рассматриваться здесь не будет (для используемых камер l/τдр ~ 100 м/с, что много больше максимальной скорости воздушного потока, ограниченной условиями выброса из вентиляционной труб АЭС.

Зависимость тока непроточной камеры от параметров среды определяется зависимостью от параметров среды тока непроточной камеры и зависимостью от температуры и давления воздуха плотности ионов на входе в проточную камеру. Если считать, что плотность ионов на входе в камеру равна равновесной (установившейся), то следует ожидать, что температурная зависимость ионизационного тока проточной камеры будет следовать закону

ный ток будет уменьшаться.

7.3.4. Результаты измерений (экспериментов). Испытания в лабораторных условиях

Целью испытаний датчика в лабораторных условиях являлось определение минимально возможных мощностей доз фотонного излучения, при которых возможна устойчивая работа датчика [17].

На первом этапе испытаний проведилась проверка электрических характеристик входных усилителей-преобразователей датчи-

195

ков: диапазона измеряемых токов, линейности, шумов, временного и температурного дрейфа.

На втором этапе определялись: минимальная мощность дозы, при которой возможно измерение датчиком скорости воздушного потока, и мощности дозы фотонного излучения. Измерения проводились на стенде при низких мощностях дозы фотонного излучения – от фоновых до 9 мкЗв/ч – и скоростях воздушного потока до 2 м/с. Поле фотонного излучения создавалось источниками 137Cs, расположенными так, чтобы в точке расположения датчика и объеме, из которого датчик забирал воздух, с размерами 3×3×4 м3 поле было однородным с точностью ±20 %.

В результате измерений было определено, что минимальная мощность дозы, при которой возможно измерение скорости воздушного потока, составляет 0,6 мкЗв/ч (60 мкР/ч), при этом минимальная скорость, при которой превышение тока непроточной камеры над током проточной статистически значимо, составляла 0,1– 0,2 м/с.

При изменении мощности дозы в рассматриваемом диапазоне и нулевой скорости воздушного потока зависимость токов камер от мощности дозы была линейной. Также линейными во всем диапазоне рассматриваемых скоростей были зависимости тока проточной камеры от скорости воздушного потока при фиксированных мощностях доз.

Разработанные датчики мощности радиоактивных выбросов состоят из трех блоков и комплекта соединительных кабелей и трубопроводов (см. рис. 5.2, 5.10), а именно:

1)размещающегося на срезе вентиляционного патрубка (вентиляционной трубы) блока из двух ионизационных камер (проточной

инепроточной), конструктивно объединенных с термоизолированным охлаждаемым блоком предварительных электрометрических усилителей и кронштейном крепления (общие габаритные размеры блока ионизационных камер с блоком усилителей и кронштейном

400×450×630 мм);

2)размещающегося на расстоянии до 3 м от блока ионизационных камер блока электроники и охлаждения, связанного с блоком ионизационных камер кабелем и трубами подачи охлаждающей жидкости (габаритные размеры блока с учетом выступающих разъ-

емов 495×400×155 мм);

196

3) блока сопряжения интерфейсов, связанного витой парой с блоком электроники и расположенного непосредственно у удаленного на расстояние до 500 м компьютера (габаритные размеры

150×75×35 мм).

Ионизационные камеры датчика являются цилиндрическими (см. рис.5.2), с длиной электродов около 400 мм и диаметрами 60 мм (анод, высоковольтный электрод) и 100 мм (катод, собирающий электрод), соответственно. Отметим, что хотя электрическое поле в такой конструкции и является неоднородным (при используемом напряжении питания в 1 кВ напряженность электрического поля в камере изменяется от 650 В/см у анода до 390 В/см у катода) время дрейфа ионов между электродами не превышает 5 мс, что обеспечивает практически полный сбор зарядов во всем рассматриваемом диапазоне мощностей доз фотонного излучения.

Результаты испытаний макета ДМРВ представлены на рис. 7.19–7.22.

На рис. 7.19–7.21 даны графики зависимости ионизационного тока проточной камеры от скорости воздушного потока при значе-

197

нии мощности дозы от 0,1 мкЗв/ч (фон) до 200,0 Зв/ч и при скоростях воздушного потока через проточную камеру от 0 до 12,0 м/с.

На рис. 7.22 показаны графики зависимости показаний проточной и непроточной камер (ионизационных токов камер) от мощности дозы фотонного излучения при скорости воздушного потока равной нулю.

7.3.5.Анализ результатов экспериментов

1.Показания проточной и непроточной камер при скорости воздушного потока, равной 0 м/с, имеют линейную зависимость и практически совпадают при мощностях доз фотонного излучения до 4,0 мЗв/ч. При дальнейшем увеличении мощности дозы показания проточной камеры начинают превышать показания непроточной камеры и при максимально запланированной для испытаний мощности дозы (200 Зв/ч) примерно в 1,5 раза выше показаний непроточной камеры.

2.Минимальное значение мощности дозы фотонного излучения, при которой наблюдается зависимость показаний проточной камеры от скорости воздушного потока, имеет место даже при ве-

198

личинах мощности дозы характерных для уровня естественного γ- фона (0,1–0,15 мкЗв/ч), но показания камеры при этом нестабильны, но начинают стабилизироваться с величины мощности дозы порядка (0,4–0,6 мкЗв/ч). При мощностях доз от 0,0167 мЗв/ч показания надежны и с увеличением скорости воздушного потока через проточную камеру имеют линейную зависимость (примерно до 3,0 м/с). При дальнейшем увеличении скорости воздушного потока наблюдается уменьшение зависимости показаний от скорости воздушного потока и практически ее отсутствие (насыщение). С увеличением мощности дозы фотонного излучения переход в режим насыщения происходит быстрее.

Работа при больших мощностях доз γ-излучения. Надеж-

ность работы датчиков при больших мощностях доз фотонного излучения определяется радиационной стойкостью элементов конструкции.

Выбранные рабочие параметры и конструкция ионизационных камер допускают длительную работу (50 мин) даже при мощностях дозы величиной 200 Зв/ч. Наиболее чувствительным к облучению элементом конструкции являются предварительные усилители токов камер.

Усилители построены на базе микросхем операционных усилителей, выполненных по DIFET технологии. Типичная радиационная стойкость таких усилителей (в стандартном исполнении, без спецприемки) составляет 100–200 Гр. Этой величины достаточно, чтобы обеспечить работу в условиях запроектной аварии (200 Зв/ч в течение 0,5 ч). При необходимости радиационная стойкость изделий может быть увеличена путем дополнительных конструкторских решений (резервирование, использование специальных электронных компонент). Мощность дозы в месте расположения усилителей может также быть снижена применением дополнительной свинцовой или вольфрамовой защиты, но подобные меры приводят к существенному увеличению стоимости изделий.

Результаты испытаний. Обнаруженное при испытаниях появление расхождения токов камер датчика при мощностях доз более 4 мЗв/ч объясняется отклонением сопротивлений входных резисторов усилителей от их номинальных значений. Это обусловлено тем, что используемые в программном обеспечении калибровочные коэффициенты рассчитывались по их номиналам, а в указанной точке

199

по мощности дозы происходит переключение диапазонов усилителей. Прокалибровать датчик в условиях производства и определить точно коэффициенты в лабораторных условиях для обоих диапазонов достаточно проблематично в связи с отсутствием соответствующих источников, поэтому для устранения отмеченного расхождения в реальных условиях или при опытной эксплуатации прибора достаточно изменить калибровочные коэффициенты для грубого диапазона усилителей датчиков. После такого изменения характеристика становится практически линейной во всем диапазоне (от фона до 200 Зв/ч).

При испытаниях было обнаружено, что, хотя характеристика датчика должна быть линейной по скорости, при скоростях воздушного потока более 3 м/с в зависимости тока проточной камеры от скорости появляется нелинейность (переход к насыщению).

Возможными причинами появления этой нелинейности по скорости являются краевые эффекты на входе в проточную камеру (пропуск ионов в центральной части потока без сбора) и ограниченность зоны облучения воздуха при испытаниях.

Первый эффект может быть связан с тем, что центральный высоковольтный электрод камеры, через который, как и через межэлектродное пространство, проходит воздух, является полым, и поле внутри него отсутствует. Электрическое поле в центральной части воздушного потока имеется лишь на краях камеры. При больших скоростях воздушного потока время прохода воздуха через край камеры становится малым, и поле на краях камеры может не успевать вытягивать ионы из центральной части потока на электроды.

Оценка скорости, при которой может начать сказываться краевой эффект дает величину 2–4 м/с. Падение собираемого тока при этом будет происходить в число раз, равное отношению площади поперечного сечения камеры к площади сечения межэлектродного пространства, что составляет 1,6 раза. Качественно эти цифры согласуются с результатами измерений.

Для устранения краевых эффектов необходимо исключить возможность свободного прохода воздуха через центральный электрод (например, с помощью заглушек). Дополнительно к этому можно уменьшить на 3–5 см длину центрального электрода.

200