книги из ГПНТБ / Боланд Дж. Приборы контроля ядерных реакторов (внутризонные)

шнм, чем напряжение насыщения. Далее, при увеличении частоты до такого уровня, при котором часть положительных ионов не успевает достичь электродов, появился бы сигнал, по форме подобный сигналу, показанному на рис. 9.7, е. Если питающее напряжение, меняющееся по синусоидальному зако­ ну, уменьшать таким образом, что его амплитуда станет равной напряжению насыщения, то появился бы сигнал, форма кото­ рого была бы аналогична представленной на рис. 9.7, с. При

с амплитудой, существенно превышающей напряжение насыщения: Ь — полупернод колебаний переменного рабо­ чего напряжения много меньше времени собирания поло­ жительных ионов: с — амплитуда переменного рабочего напряжения равна напряжению насыщения.

дальнейшем уменьшении напряжения питания амплитуда сиг­

ры постоянного тока можно осуществлять питание камеры одно­ временно постоянным напряжением и наложенным на пего небольшим переменным напряжением [22]. В этой схеме пере­ менная составляющая тока утечки, пропорциональная при не­ значительных емкостных эффектах его постоянной составляю­ щей, усиливалась, выпрямлялась и вычиталась из сигнала постоянного тока. Поскольку напряжение постоянного тока поддерживало камеры в режиме насыщения, в сигнале пере­ менного тока отсутствовала компонента, обусловленная током ионизации.

Обработка сигнала по методу Кэмпбелла. Поскольку ток ионизационной камеры является результатом большого числа отдельных событий, электрический сигнал во внешней цепи должен содержать две составляющие — постоянную и перемен­ ную. Относительная величина каждой из этих составляющих определяется формой единичных импульсов, их частотой, а также сопротивлением, индуктивностью и емкостью электриче­ ской цепи. Лихтенштейн [23] предложил метод получения ин­ формации от переменной составляющей сигнала ионизационной камеры, основываясь на теореме Кэмпбелла [24]. Этот метод, обычно называемый методом Кэмпбелла, базируется на том, что флуктуации сигнала, создаваемого источником случайных импульсов тока, пропорциональны средней скорости генерации импульсов и квадрату их амплитуды.

170

Дюбрндж (25) разработал концепцию системы, использую­ щей метод Кэмпбелла применительно к измерениям нейтрон­ ного потока, и рассмотрел факторы, которые необходимо учи­

существенно ослабляться в соответствии с членом Q2e выраже­ ния (9.6).

3. Шумовые сигналы в ионизационной камере, кабелях и входном каскаде усилителя должны быть сведены к минимуму, поскольку они проходят усиление и возведение в квадрат.

Ионизационные камеры, предназначенные для работы внут­ ри корпуса реактора. Для обеспечения работоспособности обычных ионизационных камер и счетчиков деления внутри корпуса реактора необходимы следующие основные изменения

вих конструкции.

1.Замена алюминиевых деталей, непригодных при опреде­ ленных температурных и коррозионных условиях, более проч-

171

ными материалами, обладающими высокой температурой плав­ ления.

2. Замена органической изоляции неорганической.

3.Увеличение конструкционных зазоров для компенсации расширений различных деталей.

4.Замена стандартных коаксиальных или трнакснальиых кабелей и проводников либо высокотемпературными провод-

пиками и кабелями, либо мсталлокерамнческими кабелями.

5. Применение нейтроиочувствительных покрытий электро­ дов, способных выдерживать тепловые удары в широком диа­

При 600° С для всех образцов имело место 1,5—10-кратное увеличение емкости, при этом образцы с кварцевой изоляцией показали меньшее изменение емкости.

Шумовые эффекты определяли для всех образцов предель­ ную величину рабочего напряжения, составлявшую при тем­ пературе 600° С 170—200 в, причем для образцов с кварцевой изоляцией эта предельная величина была в среднем несколько меньшей.

Счетчики одной из фирм проявляли при температуре 300° С существенный микрофонный эффект, что по мнению изготови-

172

телей могло быть вызвано ненадежным заземлением внутрен­ него охранного электрода.

На основе проведенных исследований Бейкестоу и Суикард дали заключение о достаточной работоспособности при 600° С счетчиков, изготавливаемых любой из трех представленных в испытаниях фирм. Поскольку данные исследования проводи­ лись в отсутствие интенсивного излучения, в настоящее время нельзя сделать вывод о возможности применения детекторов в вы сокоте м п е р ату р ном р еа ктор е.

Внутриреакторные ионизационные камеры. Ионизационные камеры для проведения измерений внутри активной зоны дол­ жны иметь небольшие размеры и выдерживать существенно большие мгновенные и интегральные потоки излучения по сравнению с камерами, расположенными вне активной зоны реактора. Естественно, что пусковые камеры могут быть из­ влечены во время работы на мощности, при этом значительная стоимость и сложность механизма для их перемещения компен­ сируется возможностью обеспечения высокой чувствительности камер.

Надежность камер оказывает существенное влияние на весь проект реактора, поскольку низкая чувствительность и малый срок службы камер заставляют отказаться от конструктивных решений, не предусматривающих продолжительных остановок реактора. Обычно для измерений в пусковом режиме и опре­ деления распределений нейтронного потока высокая абсолютная точность не требуется, однако она часто бывает'необходима для измерений при работе на мощности. Перечисленные фак­ торы оказывают влияние на программы разработки как им­ пульсных, так и токовых внутриреакторных ионизационных камер. Кроме того, на результаты проектных работ значитель­ ное влияние оказали рабочие условия — температура, давление, уровень нейтронного и у-излучения, характерные для наиболее распространенных типов энергетических реакторов. Дальнейшее рассмотрение будет ограничено общими вопросами, связанными с проектированием и созданием ионизационных камер. Несомнен­ но, что конструктивные особенности оказывают существенное влияние на эксплуатационные характеристики конкретных камер, тем не менее подробные проектные описания чаще всего неоут слишком специфическую информацию и не представляют все­ общего интереса.

Проектирование внутриреакторных камер. Идеальный мате­ риал для оболочки и электродов внутриреакторной ионизаци­ онной камеры должен:

1) обладать весьма низким сечением поглощения нейтро­ нов:

2) не иметь вторичных радиоактивных продуктов, распадаю­ щихся с испусканием {3-частиц;

173

3) обладать достаточной прочностью и коррозийной стой­

ными свойствами,'при создании камер для конкретных условий эксплуатации принимают различные компромиссные решения.. При низких температурах широко используется алюминий в связи с низким сечением поглощения нейтронов, хорошей тех­ нологичностью и быстрым распадом вторичных радиоактивных продуктов. Нержавеющая сталь нашла применение вследствие хорошей технологичности, коррозионной стойкости и прочности. Камеры с оболочками из нержавеющей стали, содержащиенебольшие количества марганца, генерируют остаточные токи,,

из алюминия пли технически чистого титана, обладают близ­ кими характеристиками остаточного тока, однако специальный титановый сплав с повышенной прочностью создает при тех же условиях приблизительно на порядок больший остаточный ток. "Титановые камеры уже имеются в продаже, несмотря на отно­ сительную новизну технологии изготовления титановых кон­ струкций [28].

Хотя в целях уменьшения габаритных размеров внешний электрод следовало бы использовать в качестве внешней обо­ лочки камеры, опыт показывает, что в цепи ионизационных камер, работающих в слаботочном пли импульсном режиме, нежелательно иметь многократное заземление. Таким образом,

алюминия [28]. При работе нейтронсчувствительных ионизаци­ онных камер с выходным током более 10_ 6 а цепи заземления

Б случае, когда сравнимы соответственные толщины и открытые поверхности изоляторов внутри камеры и в соединительных кабелях, ток утечки в кабелях при одинаковых материалах изо­ ляторов будет на несколько порядков больше аналогичной величины для камеры.

Тип наполняющего газа, его давление и величина газового зазора между электродами существенно влияют на рабочие

174

характеристики внутрнреакторных камер. Увеличение газовых зазоров и повышение давления газа приводят к увеличению

время собирания заряда и срок службы камеры в условиях излучения.

Росси и Штауб [18] рассмотрели для газовой среды меха­ низм взаимодействия свободных электронов и ионов, представ­ ленный Инглишем и Хэине [30]. В качестве наполняющего газа

и у-излучений применяется гелий [15]. Радиационные повреж­

Нейтроночувствительные покрытия для ионизационных ка­ мер. Нентроночувствительные ионизационные камеры для внутрнреакторных измерений имеют электроды, покрытые борсодержащими соединениями, делящимися материалами или смесью делящихся и воспроизводящих материалов. Эти покры­ тия должны длительное время выдерживать рабочие условия. Технология нанесения покрытий, обычно считающаяся собствен­ ностью изютовптеля ионизационных камер, описана в литера­

Для обеспечения необходимой чувствительности ионизаци­ онной камеры проектировщик может менять толщину, изотоп­ ный состав и площадь покрытий. Толщина покрытий в абсо­ лютных счетчиках делений (т. е. счетчиках, создающих регист­ рируемый импульс на один акт деления в их объеме) должна быть ограничена таким образом, чтобы осколок деления, воз­ никший в любом месте покрытия, создал импульс, по ампли­ туде превосходящий импульсы, вызываемые а-, (3- и у-излуче- нпями, а также электрическим шумом. Толщина покрытия в счетчике делений или токовой ионизационной камере может быть увеличена, если необходимы данные лишь об относитель­ ной величине нейтронного потока.

Поскольку распределение амплитуд импульсов лежит в до­ вольно широком диапазоне, счетчики делений с толстыми покрытиями должны работать с весьма стабильными электрон­ ными устройствами. Вследствие эффекта наложения импульсов максимальная толщина покрытия может быть ограничена ин­ тенсивностью естественного а-распада его материалов (это

175

связано с тем, что несколько ионизирующих сс-частнц могут появиться за временной интервал, меньший, чем разрешающее время счетчика или соответствующего электронного устрой­ ства). Для толщины покрытия менее 0,1 мг/см2 импульсы, вызванные делениями, как правило, в два раза больше всех остальных импульсов [18]. Обычный верхний предел для тол­ щины покрытий счетчиков делений составляет около 1 мг/см2

[31].

Втом случае, когда нейтроиочувствительная ионизационная камера имеет покрытие, содержащее бор или делящийся ма­ териал, чувствительность камеры является функцией интеграль­ ного нейтронного потока и определяется количеством атомов покрытия, оставшихся на фиксированный момент облучения. Другими словами, чувствительность такой камеры, длительное время находящейся в высоком нейтронном потоке, будет умень­ шаться. Например, чувствительность одного из серийно выпус­

34]. На рис. 9.9 сравниваются расчетные и экспериментальные

ленные экспериментальные данные [35] были получены на реакторе для прикладных исследований ETR, в котором за­ грузка 2 3 r , U осуществляется таким образом, что отношение интепсивностей деления в топливе и детекторе остается пропор­ циональным содержанию ^ ' U в детекторе. Поскольку энерге­ тический спектр нейтронов в реакторе ETR хорошо известен,

покрытием из делящихся и воспроизводящих материалов для реакторов-конверторов или бридеров может оказаться более сложной задачей, поскольку количества различных делящихся изотопов в их топливных загрузках со временем будут суще­ ственно меняться, а измерения энергетического спектра в не­ которых таких реакторах связаны с большими затрудне­ ниями.

Соединительные кабели для внутриреакторных камер. Со­ единительные кабели для ионизационных камер; предназначен­ ных для измерений внутри активной зоны, должны создавать минимальный фоновый ток, поступающий на регистрирующую

J76

тродам, может определять минимальный нейтронный поток, который способна измерить токовая ионизационная камера.

Ионизационные камеры импульсного типа могут удовлетво­ рительно работать с кабелями, обладающими низким сопротив­ лением изоляции в том случае, если отсутствуют скачкообразные изменения сопротивления изоляции кабеля, способные создать шумовые импульсы тока. Однако на практике кабели с низким

ройства и график изменения чувствительности

сопротивлением изоляции обычно генерируют шумовые импуль­ сы. В отношении сопротивления изоляции кабелей для систем, работающих по методу Кэмпбелла, справедливы по существу те же соображения, что и для импульсных систем.

ратуры, должны быть сведены к минимуму. К кабелям для ионизационных камер применимы также и другие критерии проектирования, обсуждавшиеся в разделе, посвященном кабе­ лям для эмиссионных детекторов нейтронов. Насколько

известно автору, кабель с двумя свитыми в спираль жилами,, успешно применявшийся для компенсация токов, возникающих, в литгяях связи бета-эмиссионных нейтронных детекторов, не использовался Для ионизационных камер, хотя мог бы быть, полезен и в этом случае.

Соединительные кабели, применяемые в импульсных систе­ мах и системах, основанных на методе Кэмпбелла, должны для получения максимальной полосы пропускания обладать мини­ мальной емкостью. Наиболее характерная величина емкости для кабеля из нержавеющей стали диаметром 3 мм и с изо­ ляцией из окиси алюминия составляет примерно 400 пф/м [29]. Кабель того же диаметра с изоляцией из кварцевого во­ локна имеет емкость около 100 пф/м. Поэтому кабель с изо­ ляцией из кварцевого волокна [29] был выбран для одной из серийно выпускаемых линий связи внутриреакторных иониза­ ционных камер [28]. Дополнительное введение " двух медных оплеток общей толщиной около 0,5 мм внутрь коаксиального, кабеля из нержавеющей стали с изоляцией из кварцевого во­ локна улучшило эксплуатационные характеристики этого кабе­ ля с точки зрения помехоустойчивости [29].

Применение внутриреакторных камер. Ионизационная каме­ ра несомненно представляет собой наиболее удобный инстру­ мент для измерений нейтронного потока внутри активной зоны. Она является единственным внутриреакторным нейтрон­ ным детектором, способным контролировать уровень нейтрон­ ного потока в реакторе от заглушённого состояния до номи­ нальной мощности. Ионизационная камера безынерционна. Еенейтроночувствительное покрытие может представлять собой комбинацию делящихся изотопов, аналогичную реакторному топливу, в связи с чем изменения энергетического спектра ней­ тронов, очевидно, должны в этом случае оказывать меньшее влияние на соотношение между интенсивностями делений в топливе и детекторе. Вполне осуществимо также точное распо­ ложение в заданных точках активной зоны перемещаемых детекторов, предназначенных для измерения подробных распре­ делений нейтронного потока [32]. Новейшие электронные уст­ ройства, такие как усилители, измеряющие величину заряда [36], способны различить импульсы, разделенные всего лишь одной или несколькими наносекундами. В связи с этим для реализации методов дискриминации по амплитуде или форме импульса, позволяющих зарегистрировать в объеме камеры события, вызванные нейтронами на фоне большого количества событий, обусловленных у- и (3-излучением [18], целесообраз­ нее всего применять новейшую аппаратуру, а не обычные уси­ лители с высоким входным сопротивлением.

За прошедшее время возможности внутриреакторных камер были использованы далеко не полностью, в первую очередь, из-за практических затруднений, связанных с недостаточным сопротивлением изоляции кабеля, выгоранием нейтроночувст-

178

вительных покрытий и высокой стоимостью производства ми­ ниатюрных камер и кабелей. Эти проблемы полностью не ре­ шены, хотя уже достигнуты большие успехи. Поэтому многие другие методы виутриреакторных измерений нейтронного по­

вития камер, могут в ближайшем будущем выйти из употреб­ ления.

Представленные в табл. 9.3 характеристики нескольких серийно выпускаемых виутриреакторных ионизационных камер

ношению чувствителы-юстей к у-излучению и тепловым нейтро­

Поскольку изменение чувствительности должно быть пропорцио­ нально интегралу от выходного тока детектора, поправку на выгорание можно весьма просто внести при подключении каж­ дого детектора к цифровой вычислительной машине. Таким образом, уменьшение отношения чувствительности к нейтрон­ ному и у-излучению, вероятно, определяет допустимый предел для выгорания нейтроночувствительного материала де­ текторов.

Кроме выгорания покрытия срок службы детектора может ограничиваться радиационным повреждением остальных его ма­ териалов. Иной верхний предел работоспособности детектора, который может быть достигнут прежде, чем ухудшение характе­ ристик конструкционных материалов приведет к его разруше­ нию, неизвестен.

Любая из перечисленных в табл. 9.3 нейтроночувствительных ионизационных камер может быть превращена в гаммакамеру простым исключением из нее нейтроночувствительного покрытия. Чувствительность этих камер к у-излучению зависит

12* 179