Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков

Измерительная техника такого назначения широко применяется в атомной промышленности и энергетике. С ее помощью решаются задачи контроля и управления различными ядерно физическими объектами и установ ками. Характерной особенностью такого направления в технике измерения является широкий диапазон измеряе мых активностей и плотности потоков в различных радиа ционных полях.

Измерение параметров в этом случае часто усугубля ется наличием неблагоприятной атмосферы (пар, газ, их смеси и т. д.), загрязненной к тому же химически актив ными веществами. Такая ситуация наиболее типична для различных технологических цепочек, используемых на радиохимических производствах очистки и обогащения рудных материалов. Реализация этих процессов ведется при радиационном контроле, в целях определения содер жания делящихся веществ в смесях или растворах, а так же на различных этапах многих технологических циклов и их цепочек, связанных с радиацией.

Для энергетических установок решением проблем та кого плана стало выделение данной группы радиометри ческих устройств в самостоятельную группу — приборы систем управления, контроля и аварийной защиты реак торов. Системы имеют десятки тысяч каналов съема, об работки и выделения информации. По уровню реактив ности можно судить об энергетическом состоянии реакто ра. Более того, по характеру ее изменения контролируют выход его на заданный уровень мощности, который мо жет быть увеличен или, наоборот, понижен.

Техникой измерения в этом случае служат специали зированные приборы, получившие название периодомет ры и реактиметры. Их основу составляют те или иные структуры счета событий и измерения средней частоты по ступления импульсов. Счетные устройства и измерители данного вида составляют основу дозиметрической аппара туры, с помощью которой обеспечивается контроль и со стояние надлежащего уровня радиационной безопасности.

Аппаратура такого назначения может быть как мо бильной, так и стационарной. Последняя применяется на

атомных электрических станциях, обеспечивая безопа сность обслуживающего персонала. Переносные радиомет ры используются при решении оперативных задач дози метрического контроля персонала и окружающей среды. Проверяются ее различные компоненты: атмосфера, по чва, водные ресурсы и т. д.

Следует отметить еще целый ряд направлений, связан ных с медициной, биологией, геофизической разведкой полезных ископаемых, горной и добывающей промышлен ностью, археологией и т. п. В медицине с помощью мече ных атомов (низкоуровневый радиоактивный препарат) изучают динамику процесса обмена веществ, их накопле ние, а также поражение внутренних органов и т. д. Ши роко используется локальное воздействие гамма излуче ния или нейтронов на злокачественные образования в организме.

В биологии с помощью этой методики изучается миг рация изотопов, их рассеяние или накопление в живых организмах и растениях. Интересные результаты были получены при изучении радиоактивного углерода 14С. При жизни живого организма концентрация этого изотопа в нем остается неизменной. После гибели относительная концен трация углерода начинает уменьшаться из за распада. Данный факт используется для установления момента ут раты жизнедеятельности субстанцией, что вызывает ин терес исследователей при определении, например, хроно логии событий.

Среди радиометрической аппаратуры важное место занимают приборы геофизической разведки, горной и до бывающей промышленности. В транспортном исполнении (автомобиль, самолет, вертолет и т. п.) техника геофизи ческой разведки применяется для поиска месторождений радиоактивных руд (урана, тория, радия и т. д.).

Для определения глубины залегания радиоактивных руд и их аномалий широко используются каротажные ра диометры. Глубина опускания приборов в скважины ко леблется от сотен метров до нескольких километров. В до бывающей промышленности для определения содержания радиоактивных элементов в образцах, минералах и руде тоже применяется радиометрическая техника.

Ее масштабно используют не только для фиксации уровня обогащения, т. е. установки количественного со держания этих элементов в объеме, но и для сортировки рудных материалов на различных этапах их обработки. Основой такой измерительной техники служат системы счета событий и измерения средней частоты поступающих сигналов. Информация может быть представлена как в цифровом виде, так и в аналоговой форме. Упомянутые направления, как и представленный перечень задач, весь ма далеки от своей завершенности.

Они отражают важность проблемы измерения интен сивности радиационных излучений. С этой целью наряду с техникой счета событий широко используются устройст ва для измерения средней частоты поступления импуль сов. Они получили название интенсиметры. Их исполь зуют самостоятельно, или они являются составными ча стями дозиметрических и радиометрических приборов, систем и комплексов, которые широко используются на различных ядерно физических объектах (атомные стан ции, ядерные реакторы, обогатительные фабрики, уста новки утилизации ядерных отходов и т. д.).

9.2.

ИЗМЕРЕНИЕ СРЕДНЕЙ ЧАСТОТЫ ПОСТУПЛЕНИЯ СОБЫТИЙ АНАЛОГОВЫМ МЕТОДОМ

Счетные устройства, как показывает практика, с до статочной степенью точности позволяют фиксировать чис ло импульсов, поступивших на их вход. Для определения интенсивности излучения n0 зарегистрированное число событий N необходимо разделить на время t их регистра ции, т. е. n0 = N/t. В этом случае получают информацию об интенсивности излучения, т. е. средней скорости по ступления событий в единицу времени.

Не вызывает сомнений факт, что регистрация процес сов деления в общем случае не представляет особой слож ности. Однако если сферой интереса является характер изменения интенсивности в ходе процесса измерений, то

эта процедура будет вносить и создавать определенные неудобства. Более того, возникает необходимость выпол нения ряда операций.

Это могут быть установка и задание времени измере ния, спустя которое следует выполнить считывание ре зультата, его сброс и запуск цикла измерения вновь. Си туация в существенной мере усложняется, если необходи мо фиксировать и оценивать скорость изменения этого параметра в течение продолжительного промежутка вре мени.

Острота проблем такого плана в значительной степени снижается, когда для этих целей используются специаль ные электронные устройства. Они не измеряют число по ступивших импульсов N, а сразу определяют и регистри руют скорость их поступления на вход устройства, т. е. непосредственно фиксируют параметр N/t.

Такие электронные средства, получившие наиболее масштабное применение в дозиметрии и радиометрии, называются измерителями скорости счета или интенси метрами, иногда их именуют еще измерителями средней частоты. Каждое из этих названий имеет право на суще ствование и применение. Основой для таких устройств яв ляется одна из разновидностей интегрирующей цепочки.

Каждый сигнал, поступивший на вход устройства, оставляет на этой цепочке (а точнее, на ее конденсаторе) стандартный по величине заряд q0. Это обеспечивается тем, что входные сигналы предварительно нормализуются по амплитуде и длительности. При таком положении заряд ный ток iз конденсатора будет равен iз = q0 N.

Если каждый входной сигнал приносит на конденса тор единицу заряда, то увеличение потенциала на нем бу дет обусловлено ростом частоты поступающих сигналов. Параллельно конденсатору подключен резистор R, через который конденсатор разряжается. По мере роста заряда на конденсаторе увеличивается потенциал UC и растет ток его разряда ip, величина которого равна iр = UC/R.

В случае, когда iз = ip, на конденсаторе будет поддер живаться постоянный потенциал за счет поступающих на

обеспечивает достаточно быстрый разряд дозирующего конденсатора Сд в промежутках между поступающими по входу сигналами. Использование такого конденсатора Сд способствует более высокой точности измерения данным устройством.

Коммутируя или переключая величину дозирующего Сд и интегрирующего Си конденсаторов, изменяют и уста навливают диапазоны измерения интенсивности. Если между земляной шиной и измерительным прибором вклю чить дополнительный небольшой по величине резистор, то сигнал, снимаемый с него, можно использовать для са мописца. Не рассматривая подробно вопросы выбора по стоянных времени дозирующей и интегрирующей цепо чек, а также ошибки измерения средней частоты поступ ления сигналов и т. д., стоит отметить лишь некоторые их аспекты.

Для сохранения пропорциональности между входной частотой сигналов и выходным напряжением или током величину интегрирующего конденсатора Си выбирают на несколько порядков больше величины дозирующего кон денсатора Сд, т. е. Си Сд. В целях повышения линейно сти преобразования вход выход в состав устройства, как правило, вводится аналоговый интегратор на базе опера ционного усилителя.

Выходную интегрирующую цепочку устройства при этом включают в цепь его обратной связи. В ряде устройств такого назначения вместо коммутации дозирующих и ин тегрирующих цепочек для изменения диапазона измере ний могут применяться двоичные счетчики. Выбирая и устанавливая различные коэффициенты их пересчета, меняют диапазон измерений. Их включают непосредствен но перед интегрирующим устройством.

Измерение скорости счета может сопровождаться зна чительными погрешностями. Они обусловлены прежде всего нерегулярным характером поступления входных сигналов. Действительно, интервалы между ними за счет статистического их распределения изменяются от крайне малой до существенной величины. Это дает относитель ную среднеквадратичную ошибку измерений:

2n0RC

где n0 — частота входных сигналов; R — величина разряд ного резистора, а С — величина интегрирующего конден

сатора Си.

Из соотношения видно, что для снижения ошибки из мерения необходимо увеличивать постоянную интегриро вания RC, наращивая, например, величину интегрирую щего конденсатора Си. Это крайне важно при низких ско ростях поступления входных сигналов. В силу этого при низких интенсивностях, чтобы обеспечить стабильные показания измерительного прибора, используется посто янная интегрирования порядка 5 с. Для измерения высо ких скоростей поступления событий постоянная интегри рования должна быть существенно уменьшена за счет пе реключения интегрирующего конденсатора Си.

Путем подключения логарифмического усилителя к выходу интегратора можно получить логарифмическую шкалу показаний интенсивности излучения. Аналогич ную шкалу можно организовать и получить с помощью специальных дополнительных цепей дозирования и ин тегрирования. Однако точность таких шкал, как прави ло, невысока и не превышает нескольких десятков про центов.

9.3. ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ

СКОРОСТИ СЧЕТА СОБЫТИЙ

Аналоговым интенсиметрам с их вполне простой схе мотехнической реализацией найти адекватный вариант замены достаточно сложно. Тем не менее низкая точность измерений (особенно на границах диапазона), трудности в передаче и учете полученных данных способствовали поиску альтернативы аналоговым методам. Ограничен ность возможностей автоматического управления парамет рами измерений, оперативного вмешательства в измери тельный процесс также содействовали усилиям изыскать

эффективную замену аналоговым методам измерения ин тенсивности излучений.

Такими возможностями обладают цифровые методы измерения средней частоты поступления событий с раз ных объектов. В практике экспериментальных исследо ваний цифровые методы измерений интенсивности неред ко бывают более предпочтительными. Для определения средней частоты нужно зарегистрировать с помощью счет чика число событий N в пределах заданного времени Т, а затем найти отношение n0 = N/T.

Интервал времени Т можно задать с помощью таймер ного устройства. При такой ситуации для выполнения вышеупомянутых операций в состав цифрового интенси метра должны войти счетчик событий, таймер и арифме тико логическое устройство. Для большей эффективности работы приборов такого плана в их состав необходимо вво дить и использовать микропроцессорные средства.

В аналоговых структурах измерения средней частоты поступления импульсов рост или спад их интенсивности ведет к изменениям тока разряда интегрирующего кон денсатора. Таким путем поддерживается равновесное со стояние в измерительном контуре интенсиметра, что де монстрируется показаниями его стрелочного прибора. Если в цифровых измерителях интенсивности сохранить такой же алгоритм работы, то их функционирование мож но реализовать следующим образом.

Сигналы, поступающие на вход цифрового измерите ля интенсивности излучения, фиксируются в счетчике событий в течение нескольких равных интервалов време ни Т, т. е. циклов. В конце каждого из них определенная часть накопленных событий N вычитается из зарегист рированного числа N. Полученный код фиксируется в ре гистре и суммируется с полученными ранее результата ми, а зафиксированный итог делится на число циклов. Через некоторое время в результате таких операций будет получено число, cоответствующее равновесному состоя нию измерительного процесса.

Известен другой вариант цифрового измерителя интен сивности, состоящий из k одинаковых счетчиков. Они за

полняются входными сигналами через равные промежут ки времени Т. Когда все счетчики заполнились, возвра щаются к первому из них, сбрасывают его и за время Т вновь регистрируют в нем поступившее число импульсов. Аналогичную процедуру выполняют со следующим счет чиком и т. д. Таким образом, в измерителе всегда нахо дится информация в виде числа Ni, которое зарегистри ровано за время kТ.

Выполнив деление этой суммы на затраченное время, получают величину интенсивности поступления событий на вход цифрового измерителя. Она будет соответствовать равновесному состоянию измерительного процесса. Сле дует заметить, что по процессу обработки зарегистриро ванной счетной информации и получению конечного ре зультата оба варианта практически схожи между собой.

Более того, второй вариант цифрового измерения ин тенсивности можно считать в определенной мере эквива лентным первому, при условии, что = 1/k. Чтобы ниве лировать дискретность смены результатов измерений на различных демонстрационных панелях или табло, вели чину параметра необходимо выбирать равную 1/512 или 1/1024.

Рассмотрим структурную схему типового цифрового измерителя интенсивности первого типа, один из вариан тов которой представлен на рисунке 42. С помощью схе мы входного селектора (ВС) в течение заданного времени, которое определяется таймером (Т), сигналы со входа из мерителя передаются и регистрируются в счетчике собы тий (СчС). Схема таймерного устройства задает и фикси рует длительность одного цикла измерений.

Его окончание связано с появлением выходного сиг нала таймера, регистрируемого счетчиком циклов (СчЦ). Этот же сигнал запускает устройство управления (УУ) и блокирует работу схемы ВС, прекращая таким образом поступление входных сигналов на счетчик СчС. Схема УУ инициирует запись информации с обоих счетчиков в ре гистры событий (РС) и циклов (РЦ) соответственно.

Далее сбрасывается счетчик СчС, деблокируется схе ма ВС и запускается работа таймера Т, после чего начина

Рис. 42

Структурная схема цифрового измерителя интенсивности первого типа:

БК — буферный каскад; ВС — входной селектор; РС — регистр событий; РЦ — регистр циклов; СОИР — схема обработки и индикации результатов; СчС — счет чик событий; СчЦ — счетчик циклов; Т — таймер; УУ — устройство управления; ЦАП — цифроаналоговый преобразователь.

ется следующий цикл регистрации в процессе измерения. Параллельно циклу регистрации в схеме обработки и ин дикации результатов (СОИР) измерений выполняются не обходимые действия. При этом используется кодовая ин формация обоих регистров РС и РЦ соответственно. Пер вый этап измерений будет завершен при переполнении счетчика СчЦ.

После выполнения всех текущих операций, включая обработку результатов в составе СОИР, на ее цифровых индикаторах высвечивается полученный результат изме рений. При этом кодовая информация о результатах из мерения может быть передана по магистрали с помощью схем интерфейса в систему сбора данных или на ЭВМ. Эта же информация с помощью цифроаналогового преобразо вателя (ЦАП) появляется на выходе буферного каскада (БК) в непрерывной форме. Таким образом, как и в интен симетре аналогового типа, здесь можно подключать само писец.

Не вызывает сомнений факт, что цифровые интенси метры значительно сложнее аналоговых вариантов и пре восходят их по стоимости. Однако возможность автома тического выбора параметров измерений, выдача резуль