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

Глава третья

ЭФФЕКТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ

3.1. ВВЕДЕНИЕ

Основные представления об эффектах воздействия излуче­ ния и связанных с ними необратимых изменениях свойств раз­ личных материалов в общих чертах были даны в предыдущей главе. В данной главе рассмотрены эффекты воздействия излу­ чения, не создающие необратимых изменений в свойствах мате­ риалов, но тем не менее влияющие на работоспособность элек­ трической аппаратуры. Поскольку температурные и радиацион­ ные условия в энергетических и исследовательских реакторах исключают возможность размещения усилительной или другой аппаратуры первичной обработки сигнала в пределах корпуса реактора, данное рассмотрение будет ограничено лишь эффек­ тами, создаваемыми излучением в датчиках и относящихся к ним линиях связи. Кроме того, оно будет включать в себя эффекты, зависящие только от свойств линий связи и построения электри­ ческих схем, но не связанные с конструкцией датчика. Воздейст­ вие излучения на датчики различных типов рассмотрено в по­ следующих главах. Эффекты воздействия излучений на отдель­ ные элементы электронных устройств и большие системы,

касающиеся этого вопроса, представлены в научно-технической- литературе [ 1 — 4 ] .

Взаимодействие нейтронов, у-мзлучения и заряженных час­

зонами будет генерировать паразитные токи или напряжения, влияющие на работу электрических цепей. Путем правильного выбора материалов эти паразитные сигналы могут быть толькоуменьшены, но не устранены полностью, поэтому в процессе конструирования систем внутриреакторных измерений необхо­ димо стремиться к обеспечению минимальной погрешности, свя­ занной с подобными фоновыми эффектами. Паразитные сигналы могут влиять как на датчики, находящиеся в условиях излуче­ ний, так и на регистрирующую аппаратуру, расположенную внеобласти излучений, поэтому выбору любой реакторной измери-

30

тельной системы должна предшествовать оценка ее реакции на паразитные сигналы. Прежде чем сделать заключение о радиа­ ционной стойкости датчика, необходимо проанализировать вск> систему в целом, чтобы избежать ошибочного заключения о не­ пригодности датчика, в действительности способного обеспечить нормальную работу с другой линией связи или регистрирующей аппаратурой.

Размеры данной книги не позволяют рассмотреть все воз­ можные радиационные эффекты, создающие паразитные сиг­ налы при эксплуатации наиболее распространенных типов изме­ рительного оборудования, предназначенного для контроля деформации, температуры, давления, нейтронного потока и дру­ гих рабочих характеристик. Однако краткое рассмотрение наи­ более характерных измерительных схем позволит выделить фак­ торы, которые следует учитывать при выборе и конструировании аппаратуры для внутриреакторных измерений.

3.2. СИГНАЛЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАБЕЛЯХ, ВЫЗВАННЫЕ ИЗЛУЧЕНИЕМ

В литературе имеется большое количество эксперименталь­

Подобные эксперименты проводились в основном для относи­ тельной оценки эксплуатационных характеристик стандартных кабелей, рассматривавшихся применительно к конкретным проектам. К сожалению, не проводились исследования специаль­ но изготовленных кабелей, предназначенных для-оценки состав­ ляющих фонового тока, генерируемых в различных возможных процессах. В настоящее время отсутствует основная исходная информация, необходимая для расчета величины тока, созда­ ваемого в кабеле, помещенном в поле излучения известного источника. Однако общее представление о наиболее существен­ ных механизмах и основных концепциях радиационных эффек­ тов может быть получено на основе результатов эксперимен­

Каждый электрический кабель содержит изолирующие и про­ водящие материалы, и воздействие излучения на электрические свойства этих материалов в основном должно определяться их электрическими характеристиками. Избыток свободных электро­ нов в проводнике не способен существенно изменить его прово­ димость, однако может привести к значительному увеличению проводимости изолятора. Электроны или позитроны, выбивае­ мые из проводника или собираемые на нем, должны создавать эффект, практически аналогичный эффекту электрического за­ ряда, накопленного на обкладках конденсатора, а в замкнутой электрической цепи следует ожидать появление тока, нейтра­ лизующего этот заряд. Радиационный нагрев большинства

31

проводников должен вызывать увеличение сопротивления, :в то время как большинство изоляторов при высоких темпера­ турах уменьшают свое сопротивление. Перечисленные соображе­ ния [6] привели исследователей к мысли о создании электри­ ческих схем, подобных указанной на рис. 3.1, для моделирова­ ния процессов в участке, кабеля, помещаемого в поле излучения. Генераторы тока имитируют общий ток /, часто называемый

Попе изпучения

Рис. 3.1. Эквивалентная электрическая схема для участка кабеля, помещенного в поле излучения.

током замещения и создаваемый заряженными частицами, по­

Rs— эффективное сопротивление проводника, находящегося в лоле излучений. Если для рассматриваемого короткого участка кабеля известны значения каждого параметра, то для оценки радиационных эффектов при работе электрической цепи могут быть применены стандартные методы, использующие распреде­ ленные параметры линий связи [8]. Поскольку природа радиа­ ционных эффектов полностью не известна, оценка этих эффек­ тов должна базироваться на результатах прямых испытаний кабеля, при интерпретации которых полная длина кабеля обыч­

щий в цепи между центральным электродом и оболочкой коак­ сиального кабеля, зависел от последовательно приложенного постоянного напряжения. Однако ток наблюдался и в отсутствие этого напряжения. Величина тока, протекающего в цепи без приложенного напряжения, практически не зависела от сопро­

рис. 3.1, и оправдывают ее применение при существующих пред­ ставлениях о физической сущности данного явления. К сожале­ нию, аналогичные испытания с последовательно подключенным источником переменного напряжения не проводились, поэтому применение данной эквивалентной схемы для анализа эффектов

•32

воздействия излучений в цепях переменного тока не имеет ана­ логичного экспериментального подтверждения.

Николе и Ван-Линт провели [9] теоретический анализ пере­ ходных процессов в изоляторах, возникающих под действием различных видов ядерных излучений. Их теоретическая модель рассчитана на качественное описание почти всех электрических эффектов, наблюдающихся в конденсаторах в процессе облу­ чения. Она основана на допущении, что вызванные облучением электрические эффекты каждого типа могут быть описаны пере­ мещением электрон-ионных пар, генерируемых первичным излу­ чением или заряженными частицами, возникающими в ядерных реакциях.

Стрингер и Бурасса [10] разработали качественную модель, устанавливающую параметрическую зависимость тока, созда­ ваемого в коаксиальном кабеле, от материалов и размеров ка­ беля, а также от вида и интенсивности излучения. Им удалось правильно предсказать для нескольких экспериментов поляр­ ность наводимых токов, однако модель не позволяет в настоя­ щее время оценить величину этих токов в коаксиальных кабелях.

Исследования переходных радиационных эффектов в кон­ денсаторах, работающих на частотах до 200 кгц, показали, что изменение емкости невелико и воздействие излучения в основ­ ном заключается в изменении эффективного сопротивления конденсатора [1]. Эти результаты показывают, что эквивалент­ ная схема, представленная на рис. 3.1, применима также и для цепей переменного тока.

и новый набор констант. В настоящее время отсутствует инфор­ мация, необходимая для предсказания вида или физической сущности зависящих от времени членов, которые могут потре­ боваться для описания зависимости между предысторией облу­ чения изолятора и проводимостью.

Величины К и Д, полученные разными эксперимента­ торами для материалов одинакового класса, существенно раз­ личаются [6]. Разброс может определяться чистотой материа­ лов, энергетическим спектром ^-излучения или методиками проведения экспериментов. Значения А. приведенные в литера­ туре для различных материалов, лежат в диапазоне от 0,5

также изменения проводимости изоляторов, вызываемые ней­ тронным излучением. Трудности, связанные с получением высо­ кого нейтронного потока в отсутствие у-излучения, по-видимому, препятствуют определению данных, необходимых для нахожде­ ния зависимости между проводимостью и уровнем нейтронного излучения. Однако имеются экспериментальные данные, пока­ зывающие, что облучение как тепловыми, так и быстрыми нейтронами приводит к изменению проводимости полиэтилена [1J. Имеются также данные, позволяющие сделать вывод, что для изоляторов, пригодных к работе в реакторе, изменение проводимости, вызванное у-излученнем, по крайней мере на по­

Экспериментальные значения [б] тока замещения, соот­ ветствующего генераторам тока на рис. 3.1, зависят от харак­ тера и интенсивности поля излучений, материала проводников, изолирующего материала и геометрии кабеля. Переходные эффекты и эффекты насыщения способны также оказывать влияние на величину тока замещения, однако имеющихся дан­ ных недостаточно даже для качественного анализа подобных эффектов, ожидаемых в условиях, отличающихся от условий

от массового коэффициента поглощения. Соотношение между энергией электронов, генерируемых при поглощении у-квантов,. и энергией этих у-квантов рассматривалось также в гл. 2. Про­ бег электронов в веществе зависит от энергии электронов и плотности материала [11J. Таким образом, составляющая тока замещения в электрических кабелях, обусловленная у-излуче-

в электрическом кабеле, должны влиять на величину генери­

виями, зависят от эффективных сечений материалов, энергии нейтронов и схем распада образовавшихся возбужденных ядер. Материалы, используемые для изготовления нейтроночувстви-

34

тельных покрытий в ионизационных камерах или .эмиттеров в детекторах Хилборна (см. гл. 9), очевидно, не должны приме­ няться в электрических кабелях. Относительные достоинства других материалов, пригодных для изготовления электрических кабелей, не исследованы в такой степени, чтобы в настоящее время можно было сделать определенное заключение. Однако материалы с малыми нейтронными сечениями должны создавать меньшее количество фоновых электрических эффектов, чем материалы с большими сечениями.

Т а б л и ц а 3.1

Сопротивление изоляции и токи замещения, наблюдавшиеся в процессе испытаний кабелей в зоне F реактора TRIGA. [6]

Пр н м е ч а н н я:

1.Все к<1бели имели два ме иных проводника я были заключены в оболочку из нержавеющей сл али.

В табл. 3.1 представлены сопротивления изоляции и токи замещения, измеренные в процессе кратковременных испытаний трех кабелей с неорганической изоляцией в зоне F реактора TRIGA [5J. Представленные данные указывают на большой разброс измеренных величин, что связано с различием мате­ риалов изоляции, исследованных кабелей, обладавших идентич­ ными размерами и одинаковыми материалами проводников.

Примеси в материалах проводников термопары могут слу­ жить источником существенных погрешностей в выходном сиг­ нале термопар в том случае, если участок проводника, содержа­ щего примеси, находится в области с заметным перепадом тем­ ператур. Ядерные реакции в элементах проводников электри­ ческих кабелей, находящихся в поле нейтронного излучения, могут создать в этих проводниках определенные примеси. Концентрация образовавшихся таким образом примесей будет иметь градиент, подобный градиенту нейтронного потока, а ра­ диационный разогрев может создавать в этой области темпе-' ратурный градиент. Сочетание этих эффектов, проявляющихся в образовании источников фоновых термо-э. д. с , способно создать помехи в любой измерительной системе с низким уров­ нем сигналов постоянного тока. Автору неизвестны случаи, когда подобный эффект имел бы место в проводимых на реак-

3* 35

торах экспериментах. Измерительные приборы, предназначен­ ные для установки в строящихся и проектируемых в настоящее время реакторах, должны находиться в течение длительных периодов времени в высоких потоках излучении, поэтому сле­ дует обратить серьезное внимание на выбор для них материа­ лов электрических кабелей и типа измерительной схемы из схем постоянного и переменного тока.

3.3. ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Схемы постоянного тока с последовательно включенными резисторами. На рис. 3.2 показана эквивалентная схема резис­ тора, находящегося в поле излучений. Цепь через кабель под-

соединена к резистору с сопротивлением, равным входному сопротивлению усилителя. Для простоты предположим, что ток, создаваемый в резисторе, генерируется в центре элемента, хотя в действительности он может генерироваться равномерно по всему элементу. Соотношение между выходным напряжением и наводимыми токами описывается уравнением

" • - / Л ( т Ь г ) + / Л ( т й ; ) +'*(•&•)• <3-2>

где RL — входное сопротивление усилителя; Ri — сопротивление кабеля 1; R% — сопротивление кабеля 2; RT — сопротивление резистора; 1а — ток, индуцируемый в проводнике a; h — ток, индуцируемый в проводнике Ь; / с — ток, индуцируемый в рези­ сторе,

Rr/2+RL-\-Ri

36

В большинстве случаев сопротивление кабеля меньше вход­ ного сопротивления усилителя, однако сопротивление кабеля мож^ет превышать сопротивление датчика. Например, цепь тер­

Попе излучения

Рис. 3.3. Эквивалентная электрическая схема подключения резистора и кабеля к усилителю со сбалансированным

.входом.

При перемещении точки заземления от одной из клемм уси­ лителя, показанного на рис. 3.2, к центру резистора RT обуслов­ ленное излучением выходное напряжение в примере с термо­ парой будет равно нулю. Это можно показать методом, аналогичным применявшемуся при выводе уравнения (3.2). В действительности вряд ли могут иметь место условия равен­ ства токов в обоих проводниках и генерация тока в центре элемента RT, использованные в проведенном выше рассмотре­ нии. Поэтому напряжение Uo едва ли будет равно нулю, однако оно должно быть невелико.

Поскольку иногда нежелательно или даже невозможно обес­

сопротивления усилителя. В этом случае становится сущест­ венным любой разбаланс сопротивлений проводов линии связи или сопротивлений между двумя клеммами усилителя и землей. На рис. 3.3 показана эквивалентная схема для этого типа под­ соединений, а соотношение между выходным напряжением и

37

точно в центре входного сопротивления усилителя, то выходное напряжение, обусловленное индуцированными излучением то­ ками, составит 5 - Ю - 6 в. Однако при подключении заземления

пропорционально величине разбаланса сопротивлений между двумя клеммами усилителя и землей. Таким образом, чтобы уве­ личить неизменное выходное напряжение усилителя при увели­ чении его входного сопротивления, необходимо уменьшить относительный разбаланс между входными сопротивлениями.

Сопротивление изоляции проводников может существенно отразиться на работоспособности цепи, представленной на рис. 3.3. Если сопротивление изоляции между каждым провод­ ником и землей значительно меньше входного сопротивления усилителя, то сопротивления изоляции в уравнении (3.3) мож­ но считать равными Rz и R^. Любой разбаланс сопротивлений изоляции или аналогичный разбаланс входных сопротивлений

связи, обусловленные радиационными повреждениями материа­ лов или радиационным разогревом, не были отражены в урав­ нении (3.2), однако в тех случаях, когда эти изменения играют существенную роль, они, очевидно, могут быть учтены.

Схемы постоянного тока с резисторами, включенными по мостовой схеме. Мостовая схема применяется во многих изме­ рительных приборах различного назначения, и при введении одного или нескольких элементов схемы или линий связи в поле излучений на ее работоспособность влияют следующие факторы.

1. Изменение сопротивления резисторов, изоляционных мате­ риалов или проводов линий связи, вызываемые радиационным нагревом материалов, радиационными повреждениями и ра­ диационным воздействием на плотность носителей свободных зарядов в материалах.

рой вместе с проводами линии связи находится в поле излу­ чений. Если Д # R e q ^ R ; RL^>R и RG^R, то выходное

38

напряжение, создаваемое эффектами воздействия излучений, описывается выражением

где L' — напряжение питания мостовой схемы, поступающее от источника с весьма низким внутренним сопротивлением; AR— некоторое изменение R. вызванное излучением; R-t— сопротив-

I

Т

Рис. 3.4. Эквивалентная электрическая схема моста Уитстона, одно плечо которого находится в поле излучения. •

ленне изоляции проводов; RG— сопротивление резистора, преду­ смотренного для эффективного заземления средней точки мосто­

столь же нечувствителен к излучениям, как и любая другая схема моста Уитстона, одно из плеч которой находится в поле излучений. Если исключить из схемы заземляющее сопротивле­ ние Re, не заземляя цепь ни в одной другой точке, то наведен­ ные излучением токи будут проходить на землю через сопротив­ ления изоляции и создавать стохастические выходные напря­ жения. При заземлении точек 1, 2 или 3 наведенные излуче­

токи, величина которых определяется конечным внутренним со­ противлением источника питания и влиянием на них напряже­ ния смещения.

Эквивалентные схемы для двух вариантов схемы моста Уитстона, два плеча которой находятся в поле излучений, пока­ заны на рис. 3.5. Для варианта а

39-