Струмовий канал для вимірювання потоку нейтронів

Изобретение относится к области технической физики, а точнее - к области регистрации нейтронов. Наиболее эффективно изобретение может быть использовано при измерении потока нейтронов трехэлектродными ионизационными камерами с плоскопараллельными электродами на фоне сопутствующего g-излучения в системе управления и защиты ядерного реактора, критической сборки и других источников нейтронов. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является токовый канал для измерения потока нейтронов в ядерном реакторе, состоящий из газонаполненной или вакуумированной ионизационной камеры, содержащей заключенную в корпусе систему из трех разноименных электродов, каждый из которых представляет набор элементов, установленных один за другим и скрепленных тремя металлическими стойками. Стойки изолированы от корпуса опорными изоляторами. Каждый элемент одного электрода, который является сигнальным, размещен между элементами двух других высоковольтных электродов, образующи х с сигнальным электродом два равных чувствительных объема. Одна из стоек каждого электрода соединена токоведущим проводником с отдельным стандартным электровводом, изготовленным из спая корундовой керамики с коваром и вваренным в крышку корпуса. Поверхности элементов в первом чувствительном объеме покрыты слоем материала, содержащего 10 B или делящийся нуклид. Этот объем чувствителен к нейтронам и g-излучению. Второй объем не содержит нейтроночувствительного материала и служит для компенсации тока от gизлучения в цепи сигнального электрода. Камера соединена трехпроводной линией электрической связи с электронным блоком, содержащим тракт измерения электрического тока и два источника электрического напряжения питания противоположной полярности. При создании на высоковольтных электродах секций первичного преобразователя противоположного по знаку напряжения питания в цепи сигнального электрода происходит вычитание ионизационных токов, образующи хся в чувствительных объемах под воздействием gизлучения. Полная компенсация тока от gизлучения достигается тогда, когда абсолютное значение напряжения питания секции, чувствительной к g-излучению, выше абсолютной величины напряжения питания секции, содержащей нейтроночувствительное покрытие. Недостатком этого устройства является высокое напряжение питания g-чувствительной секции, при котором обеспечивается полная компенсация тока от фонового g-излучения, что обусловливает сравнительно высокие токи утечки по изоляторам камеры и изоляции линии электрической связи, что сокращает срок службы канала под облучением. Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в токовом канале для измерения потока нейтронов, состоящим из ионизационной камеры, содержащей заключенную в корпусе систему из трех разноименных электродов; представляющую набор элементов, установленных один за другим таким образом, что каждый элемент одного электрода, который является сигнальным, размещен между элементами двух други х высоковольтных электродов, образующи х с сигнальным электродом два равных чувствительных объема, первый из которых, содержит материал, испускающий заряженные частицы в реакции с нейтронами, и чувствителен к нейтронам, и металлические стойки, на которых закреплены элементы каждого из электродов, при этом проекция по крайней мере одной стойки сигнального электрода на ось электродной системы превышает высоту набора элементов в последней, и электронного блока, содержащего тракт измерения электрического тока и два источника питания, в которых установлено противоположное по знаку электрическое напряжение питания и выходы которых соединены линией электрической связи с высоковольтными электродами первого и второго чувствительных объемов, крайний элемент электродной системы скреплен со стойкой высоковольтного электрода второго чувствительного объема, а абсолютное значение напряжения, установленного в источнике питания этого чувстви тельного объема, не превышает абсолютного значения напряжения, установленного в источнике питания первого чувствительного объема, при этом абсолютное значение напряжения, установленного в источнике питания второго чувствительного объема, ниже значения напряжения, установленного в источнике питания первого чувствительного объема камеры, не более, чем в раз, где n отношение чувствительностей к нейтронам и gизлучению первого чувствительного объема; h минимальное значение отношения эффективной плотности потока нейтронов и мощности gизлучения. Предложенное устройство удовлетворяет критерию изобретения "новизна" и "изобретательский уровень" несмотря на известность некоторых использованных в нем признаков, так как совокупность изложенных признаков, взятая в новой взаимосвязи позволяет снизить токи утечки по изоляторам высоковольтного электрода g-чувствительного объема и изоляции линии электрической связи и увеличить срок службы канала за счет установленного в материалах заявки взаимного расположения элементов и соотношения между значениями характеристик скомпенсированной по току от фонового g-излучения трехэлектродной ионизационной камеры и электрических напряжений питания на линейном участке нагрузочной характеристики при заданном минимальном значении отношения эффективной плотности потока нейтронов и мощности дозы gизлучения. На фиг.1 изображена схема выполнения канала с трехэлектродной токовой ионизационной камерой; на фиг.2 схема выполнения трехэлектродной токовой ионизационной камеры; на фиг.3 - линия электрических напряжений компенсации тока от фонового g-излучения в образце и диаграмма для определения значений напряжений питания, позволяющих скомпенсировать ток от фонового g-излучения на линейном участке нагрузочной характеристики; на фиг.4 - усло вная диаграмма плотности потока тепловых нейтронов и мощности дозы g-излучения в цикле работы реактора. В таблице представлены основные характеристики трехэлектродной токовой ионизационной камеры типа КНК-17 - 1. Токовый канал для измерения потока нейтронов (фиг.1) состоит из трехэлектродной ионизационной камеры 1, например типа КНК-17 1, соединенной линией электрической связи 2 с электронным блоком 3, содержащим два источника электрического напряжения питания 4 противоположной полярности U0+ и U0- и измеритель электрического тока 5. Ионизационная камера КНК-17 - 1 (фиг.1, 2) собрана из трех частей, установленных одна за другой и сваренных между собой посредством переходных фланцев. Каждая часть содержит систему из трех разноименных электродов 6, 7, 8, установленных в цилиндрическом корпусе 9 внешним диаметром 50 и толщиной стенки 0,8мм. Каждый электрод - это набор из n, n + 1 или 2n (n = 1, 2, ...) металлических дисков диаметром 44 и толщиной около 0,36мм, закрепленных параллельно один другому на трех металлических стойках 10, длина которых превышает высоту набора дисков в электродной системы. Диски на периферии имеют вырезы, обеспечивающие прокладку стоек параллельно оси электродной системы, и выступы, которые при сборке электродной системы заводят в отверстия несущих стоек, загибают и приваривают к ним точечной электросваркой 11. Стойки изолированы от корпуса опорными изоляторами 12 из высокоглиноземистой керамики, установленными в специальные гнезда во фланцах. Каждый из 2n дисков одного электрода 8, который называется сигнальным, размещен между n и n + 1 дисками соответственно первого 6 и второго 7 высоковольтных электродов, образующи х с сигнальным электродом два равных чувствительных объема, которые ниже будем называть соответственно первым 13 и вторым 14. При этом крайние диски электродной системы закреплены на стойках высоковольтного электрода второго чувстви тельного объема. Расстояние между соседними дисками разноименных электродов d » 1,6мм. Через отверстия в переходных фланцах 15 и опорных изоляторах 12 стойки разноименных электродов соседних частей соединены между собой токоведущими проводниками 16, а одна из стоек каждого электрода в крайней части соединена с отдельным стандартным электрическим вводом 17, изготовленным из спая корундовой керамики с коваром и вваренным в крышку корпуса. Поверхности дисков в первом чувствительном объеме покрыты слоем материала 18 толщиной 10 около 1мг/см 2, содержащего нуклид B, испускающий энергетичные a-частицы в реакции с нейтронами. Этот объем чувствителен к нейтронам. На обращенных, во второй чувствительный объем поверхностях дисков сигнального электрода и поверхностях дисков второго высоковольтного электрода не содержится нейтроночувствительного материала. Поэтому второй объем практически не чувствителен к нейтронам и служит для компенсации тока от gизлучения в цепи сигнального электрода. За исключением узлов электрических вводов все металлические детали изготовлены из нержавеющей стали аустенитного класса. Камера заполнена смесью гелия с аргоном до давления 0,4МПа. Основные характеристики камеры приведены в таблице. Устройство работает следующим образом. При создании на высоковольтных электродах равных по абсолютной величине противоположных по знаку электрических напряжений питания U0+ и U0-, значение которых превышает минимальное значение напряжения насыщения ионизационного тока Un » 50В, под воздействием g-излучения в равных объемах между дисками электродной системы возникают одинаковые ионизационные токи, которые вычитаются в цепи сигнального электрода. Одновременно носители заряда, образующиеся под воздействием излучения в объемах 19, ограниченных корпусом, крайними дисками электродной системы и торцевыми 20 или переходными 15 фланцами, создают ионизационные токи между внешней поверхностью крайних пластин, закрепленных на стойках высоковольтного электрода 7 второго чувствительного объема, и выступающими за крайние диски электродной системы частями стоек сигнального электрода. В результате в цепи сигнального электрода возникает электрический ток, величина которого в зависимости от значения напряжения питания в 20 - 100 раз ниже по сравнению с током в чувствительных объемах. При уменьшении abs |U0-| абсолютного значения напряжения U0- на высоковольтном электроде второго чувствительного объема относительно abs |U0+| абсолютного значения напряжения U0+ на высоковольтном электроде первого чувствительного объема до значения не ниже Un ток в цепи сигнального электрода компенсируется из-за изменения условий собирания носителей заряда в объемах 19. Линия электрических напряжений (U0+, U0-) 21, при которых происходит полная компенсация тока от g-излучения в образце камеры КНК-17 - 1 показана на фиг.3. Видно, что с увеличением напряжения на высоковольтном электроде первого чувствительного объема линия (U0+, U0-) сближается с линией U0+ = abs |U 0-| 22. Электрический ток In, возникающий в цепи сигнального электрода трехэлектродной камеры, связан с эффективной плотностью потока нейтронов F th и мощностью дозы g-излучения Pg соотношением где Kn, Kg - чувствительности к нейтронам и gизлучению соответственно первого объема камеры; k - коэффициент компенсации тока от gизлучения; IF - собственный фоновый ток камеры с линией электрической связи в отсутствие излучения; T - эффективная температура на камере и линии электрической связи. Когда k(U0+, U0-) >> 1 в скомпенсированной камере, даже при условии, что вклад сопутствующего g-излучения сравним или превышает в несколько раз ток от нейтронов в первом чувстви тельном объеме, последнее выражение преобразуется к виду Из этого соотношения видно, что нижняя граница плотности потока нейтронов на линейном участке нагрузочной характеристики зависит от величины IF. Сравнительно низкое напряжения питания обусловливает низкие фоновые токи утечки, протекающих в различных чувствительных объемах камеры и по изоляции линии электрической связи, а равные по абсолютному значению напряжения - более точное вычитание фоновых токов в цепи сигнального электрода. На фиг.4 показаны области линейных показаний при различной Pg и IF = 5 × 10-11 23 и IF = 5 × 10-12А 24. На этой же фигуре пунктирной линией показана условная диаграмма плотности потока тепловых нейтронов и мощности дозы g-излучения при выводе реактора на номинальную мощность, при работе на мощности и перевод в заглушенное состояние, т.е. в цикле работы реактора. Верхняя граница линейных токов в чувствительных объемах камеры пропорциональна квадрату напряжения питания. При условии, что ток в первом чувстви тельном объеме I1 линейно связан с F th и Pg, а значение тока во втором чувствительном объеме 12 пропорционально Pg, минимальное по абсолютной величине значение U0на линейном участке нагрузочной характеристики связано с U0+ и характеристиками камеры соотношением где n - отношение чувстви тельностей к нейтронам и g-излучению первого чувствительного объема; h минимальное значение отношения F th/Pg. Таким образом, когда abs |U0-| < abs |U0+|, абсолютное значение напряжения abs |U 0-|, установленного в источнике питания второго чувствительного объема, ниже абсолютного значения напряжения abs |U 0+|, установленного в источнике питания первого чувствительного объема, не более, чем в раз. Вычисленная по данным таблицы линия abs напряжений питания (U0+, U0-), при которых сохраняется линейность показаний канала в полном цикле работы реактора вплоть до h = 1Гр/с, показана на фиг.3 поз.25. Таким образом предложенное устройство с трехэлектродной ионизационной камерой типа КНК-17 - 1, скомпенсированной по току от gизлучения, позволяет увеличить срок службы канала и сохранить линейный участок нагрузочной характеристики в интервале плотности потока нейтронов от 1 × 103 - 1 × 1010см -2 × с-1 на фоне сопутствующе го g-излучения мощностью дозы до 1 - 10Гр/с.