Способ автоматического измерения активности радионуклидов в потоке вещества и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области измерения интенсивности ядерных излучений, а именно к способам и устройствам для анализа радионуклидного состава и активности технологических сред атомных энергетических установок. Целью изобретения является повышение оперативности и информативности измерений. Сущность изобретения заключается в том, что спектрометрические измерения активности контролируемой среды проводят с помощью одного детектора при пропускании среды через одну из N (где N≥2) измерительных камер, объемы которых обратно пропорциональны N средним уровням активности среды. Одновременно непрерывно контролируют значение интенсивности ионизирующего излучения от среды, путем сравнения этой интенсивности с N нижними и N верхними заданными уровнями производят автоматическое переключение потока среды в соответствующую камеру, объем которой обеспечивает оптимальные статистические условия измерения, а в отстальные камеры - чистую среду. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

isi)s G 01 Т 1/167

ГОсудАРстВен ый кОмитет

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTKPblTVIAM

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4658700/25 (22) 19.01.89 (46) 30.07.91. Бюл. М 28 (72) Г.Г.Леонтьев, С.Н.Некрестьянов, В.Д.Смирнов и В.И.Тофтул (53) 621.039 (088.8) (56) Патент США М 4107533, кл. G 01 Т 1/24, 1978. (54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ АКТИВНОСТИ РАДИОНУКЛИДОВ

В ПОТОКЕ ВЕЩЕСТВА И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к области измерения интенсивности ядерных излучений, а именно к способам и устройствам для анализа радионуклидного состава и активности технологических сред атомных энергетических установок. Цел ью изобретения является повышение оперативности

Изобретение относится к измерениям интенсивности ядерных излучений, а именно к способам и устройствам для анализа радионуклидного состава и активности технологических сред атомных энергетических установок, может быть использован при контроле радиоактивных примесей в указанных средах атомных электростанций (АЭС) и других объектов ядерной энергетики, осуществляемом как с целью диагностики состояния оборудования, так и с целью охраны окружающей среды от радиоактивных загрязнений.

Целью изобретения является повышение оперативности и информативности измерений.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства автоматического из„„ Ы„„1666996 À1 и информативности измерений. Сущность изобретения заключается в том, что спектрометрические измерения активности контролируемой среды проводят с помощью одного детектора при пропускании среды через одну иэ N(где N 2) измерительных камер, объемы которых обратно пропорциональны N средним уровням активности среды. Одновременно непрерывно контролируют значение интенсивности ионизирующего излучения от среды, путем сравнения этой интенсивности с N нижними и N верхними заданными уровнями производят автоматическое переключение потока среды в соответствующую камеру, объем которой обеспечивает оптимальные статистические условия измерения, а в остальные камеры— чистую среду, 2 с,п,ф-лы, 2 ил. мерения активности радионуклидов в потоке вещества; на фиг. 2 — графики изменения активности контролируемой среды и регистрируемой интенсивности излучения от времени.

Способ осуществляют следующим образом, Контролируемую среду пропускают с заданным расходом через одну из N, где

N 2, проточных измерительных камер, объемы которых обратно пропорциональны

N средним уровням активности контролируемой среды (если считать геометрический телесный угол детектора на каждую камеру одинаковым) и чистую среду через остальные камеры. Проводят спектрометрические измерения активности радионуклидов, продолжительность которых либо фиксирована, 1666996 либо обратно пропорциональна уровню активности радионуклидов.

Из спектрометрической информации непрерывно выделяют информацию о мгновенном значении интенсивности излучения, сравнивают ее с N верхними и N нижними заданными уровнями, являющимися границами оптимальных статистических условий спектрометрических измерений, по факту выхода измеренного значения интенсивности эа конкретный в данный момент времени заданный уровень контролируемую среду направляют в другую соответствующую этому уровню измерительную камеру, объем которой обеспечивает более оптимальные статистические условия измерений, длительность измерения при этом ограничивают моментом выхода значения интенсивности за указанный уровень.

Устройство (фиг. 1. для числа камер N =

-3) содержит подводящий 1 и возвратный 2 трубопроводы контролируемой среды, запорные клапаны 3 и 4, переключающие клапаны 5-10, подводящий 11 и возвратный 12 трубопроводы чистой среды, приводы 13-18 переключающих клапанов, измерительные камеры 19-21, детектор 22 ионизирующего излучения, например, полупроводниковый

Ge(Ll) спектрометрический усилитель 23 программируемый многоканальный анализатор 24 импульсов (ПМАИ) и блок 25 обработки с устройствами вывода информации, нормалиэатор 26, два интегратора 27 и 28, два компаратора 29 и 30, два коммутатора

31 и 32, источники 33-38 опорного сигнала, формирователи 39 и 40 импульсов, реверсивный счетчик 41, схему 42 согласования, блок 43 управления клапанами. Выход детектора 22 соединен с входом спектрометрического усилителя 23, выход которого соединен с входом ПМАИ 24 и с входом нормализатора 26. Выход ПМАИ 24 соединен с входом блока 25 обработки, а выход нормализатора 26 соединен с входами интеграторов 27 и 28. Выход интегратора 27 соединен с первым входом компаратора 29, а выход интегратора 28 соединен с вторым входом компаратора 30, второй вход компаратора 29 через коммутатор 31 соединен с выходами источников 33-35 опорного сигнала, а первый вход компаратора 30 соединен через коммутатор 32 с выходами источника

36-38 опорного сигнала. Выходы компараторов 29 и 30 соединены через формирователи 39 и 40 с прямым и инверсным входами реверсивного счетчика 41, выходы которого соединены с входами блока 43 управления клапанами, с управляющими входами коммутаторов 31 и 32 и с входами схемы 42 согласования. Выходы блока 43 управления

55 клапанами соединены с приводами 13 — 18, а выходы схемы 42 согласования соединены с шиной управления ПМАИ 24, Устройство работает следующим образом.

Контролируемая среда иэ подводящего трубопровода 1 через постоянно открытые во время измерений запорные клапаны 3 и

4 и открытые в исходном состоянии, при низких уровнях активности контролируемой среды, переключающие клапаны 7 и 8 пропускается с заданным расходом через измерительную камеру 20 в возвратный трубопровод 2. Через измерительные камеры 19 и 21 при этом пропускается из подводящего трубопровода 11 с помощью переключающих клапанов 5, 6 и 9, 10 в возвратный трубопровод 12 чистая среда, На выходе детектора 22 при этом формируется спектрометрическая информация в виде импульсов электрического заряда, частота которых пропорциональна интенсивности гамма-излучения, а амплитуда — энергии гамма-квантов, излучаемых контролируемой средой. Эти импульсы поступают на вход спектрометрического усилителя 23, на выходе которого формируются импульсы напряжения электрического тока, амплитуда и частота которых пропорциональная соответственно энергии гамма-квантов и интенсивности их излучения контрОлируемой средой. Выходные импульсы спектрометрического усилителя 23 поступают на вход ПМАИ 24 и на вход нормалиэатора 26, В ПМАИ 24 производится распределение импульсов пропорционально их амплитудам и подсчет импульсов с одинаковыми амплитудами в течение времени измерения, т.е. формируется спектр гамма-излучения контролируемой среды. В нормализаторе 26 производится выделение информации о мгновенном значении интенсивности гамма-излучения измерительной камере 20 из спектрометрической информации путем нормирования всех импульсов по амплитуде и длительности, т,е. на выходе нормализатора 26 формируется последовательность импульсов с одинаковыми амплитудой и длительностью, частота которых пропорциональна интенсивности ионизирующего излучения контролируемой среды. Эта последовательность импульсов поступает на входы двух интеграторов 27 и 28 с разными постоянными времени интегрирования, которые преобразуют ее в сигналы напряжения постоянного тока, пропорциональные мгновенному значению интенсивности ионизирующего излучения в измерительной камере 20. Необходимость использования в схеме устройства двух интеграторов обус1666996 ловлена тем, что диапазон оптимальных статических загруэок спектрометрического тракта ограничен сверху величиной 5 10> имп/с, а снизу — требуемой оперативностью контроля, т.е. максимально допустимой длительностью измерения и фоновым излучением, которое как правило соответствует величине 10 — 50 имп/с. При этом выявить надежно верхнюю и нижнюю границы этого диапазона с помощью простых схемных решений, например компараторов, можно путем использования дBóõ интегратороа. постоянные времени интегрирования которых отличались бы, например в 50-500 раэ и обеспечивали формирование выходных сигналов интеграторов, достаточных для надежной работы компараторов. Выходной сигнал интегратора 27 поступает на первый вход компаратора 29, на второй вход которого через коммутатор 31 поступает выходной сигнал источника 34 опорного сигнала, величина выходного сигнала которого соответствует верхней границе диапазона оптимальной статистической загрузки спектрометрического тракта для измерительной камеры 20. Выходной сигнал интегратора 28 поступает на второй вход компаратора 30, на первый вход которого через коммутатор 32 поступаег выходной сигнал источника 37 опорного сигнала, величина которого равна величине выходного сигнала интегратора 28 при частоте сигнала на его входе, равной нижней границе для измерительной камеры 20, Если интенсивность ионизирующего излучения в измерительной камере 20 не превышает допустимого значения, т,е. статистическая загрузка спектрометрического усилителя 23 является оптимальной, то выходной сигнал интегратора 27 остается меньшим выходного сигнала источника 34 опорного сигнала, а выходной сигнал интегратора 28 — большим выходного сигнала источника 37 опорного сигнала. При этом компараторы 29 и 30 не изменяют своего состояния и на выходе формирователя 39 и 40 не будет сформировано одиночных импульсов, и реверсивный счетчик 41 не изменит свое состояние. Выходной код реверсивного счетчика 41, сооТветствующий, например. числу 00, обеспечивает при этом состоянии блока 43 управления клапанами и коммутаторов 31 и

32, при котором через измерительную камеру 20 пропускается контролируемая среда, а через измерительные камеры 19 и 21 чистая среда, а к входам компараторов 29 и 30 подключаются выходы источников 34 и 37 опорного сигнала.

На выходах схемы 42 согласования, соединенных с шиной 24 управления ПМАИ, 5

ЗО

55 при этом формируются сигналы, разрешающие измерение для ПМАИ 24. Время измерения, программно задаваемое в ПМАИ 24, при этом либо заранее фиксировано, либо ограничивается, например, заданным числом импульсов заданной амплитуды, поступающих на вход ПМАИ 24. По окончании времени измерения информация с выхода

ПМАИ 24 передается на блок 25 обработки (например ЭВМ), в котором производится качественный и количественный расчет активности радионуклидов.

Если произошел всплеск активности контролируемой среды и соответственно изменение интенсивности ионизирующего излучения в измерительной камере 20, вызывающее, например, увеличение статистической загрузки спектрометрического тракта эа заданный предел (характерное время, единицы — десятки секунд), то частота следования импульсов на выходе спектрометрического усилителя 23 и, следовательно, на выходе нормалиэатора 26 превышает допустимое значение. При этом выходной сигнал интегратора 27 превысит выходной сигнал источника 34 опорного сигнала, и компаратор 29 свое состояние, а на выходе формирователя 39 появится импульс, который поступит на прямой вход реверсивного счетчика 41 и изменит его состояние и код на его выходе будет соответствовать числу

01. При этом коммутаторы 31 и 32 подключат к входам компараторов 29 и 30 выходы источников 35 и 38 опорных сигналов и на выходе блока 43 управления клапанами сформируются сигналы, которые обеспечат с помощью приводов 17 и 18 и переключающих клапанов 9 и 10 переключение измерительной камеры 21 на пропускание через нее с тем же расходом контролируемой среды, а с помощью приводов 15 и 16 и переключающих клапанов 7 и 8 переключение измерительной камеры 20 на пропускание через нее чистой среды, а на выходах схемы

42 согласования сформируются сигналы, по которым в ПМАИ 24 производится остановка измерения на програмно заданное время.

Спектрометрическая информация, накопленная до этого момента в ПМАИ 24, не искажается, так как при этом прекращается доступ импульсов, частота следования которых превышает оптимальную статистическую загрузку спектрометрического тракта, на вход ПМАИ 24. Эта информация поступает на вход блока 25 для качественного и количественного расчета активности радионуклидов в контролируемой среде, нормируемой на реализованную длительность измерений, на выходе детектора 22 ионизирующе1666996 го излучения и, следовательно, на выходе нормализатора 26 после переключения измерительных камер 20 и 21 (характерное время около 0,2 с) формируется последовательность импульсов, частота следования которых становится меньше частоты следования импульсов до момента переключения камер, так как в измерительную камеру 20 поступает чистая среда, а измерительная камера 21 меньшего объема и, следовательно, частота следования импульсов на выходе нормализатора 26 будет меньше частоты следования импульсов, соответствующей верхней границе диапазона оптимальной статистической загрузки спектрометрического трата, на выходе интегратора 27 сформируется сигнал, величина которого меньше выходного сигнала источника 35 опорного сигнала, и компаратор 29 вернется в исходное состояние. На выходе формирователя

39, формирующего одиночный импульс только при изменении состояния компаратора в одну сторону, импульс не появится и реверсивный счетчик 41 не изменит своего состояния, т.е. выходной код его будет соответствовать числу 01. На выходе схемы 42 согласования сигналы также не изменятся, но ПМАИ 24 через программно заданный промежуток времени, соответствующий выходному коду схемы 42 согласования и необходимый для очистки измерительной камеры 20 вновь переключится в режим измерения. И процесс измерения продолжится либо на заранее заданный промежуток времени или до достижения заранее заданного числа накопленных импульсов, либо до момента Чледующего переключения измерительных камер 19-21.

Если увеличение интенсивности ионизирующего излучения контролируемой среды при этом продолжается, то при превышении частоты следования импульсов на выходе нормализатора 26, допустимой для измерительной камеры 21, выходной сигнал интегратора 27 превысит выходной сигнал источника 35 опорного сигнала и компаратор 29 снова изменит свое состояние, На выходе формирователя

39 сформируется импульс, который, поступив на прямой выход реверсивного счетчика

41, изменит код íà его выходе, который будет соответствовать числу 10. При этом блок

43 управления клапанами сформирует сигналы, которые с помощью приводов 17, 18 и

13, 14 и переключающих клапанов 5, 6 и 9, 10 переключат измерительную камеру 21 на чистую среду, а измерительную камеру 19 на контролируемую среду. Схема 42 согласования сформирует сигналы, по которым в

ПМАИ 24 производится остановка измере5

55 ния на программно заданное время и накопленная в ПМАИ 24 информация поступит в блок 25 обработки и по которым коммутаторы 31 и 32 подключат к входам компараторов 29 и 30 выходы источников 33 и 36 опорного сигнала. Далее устройство придет в устойчивое состояние так же, как при предыдущем переключении камер, только код на выходе реверсивного счетчика будет соответствовать числу 10.

Если интенсивность ионизирующего излучения будет уменьшаться, то частота следования импульсов на выходе нормализатора 26 и выходные сигналы интеграторов 27 и 28 будут также уменьшаться, и при величине выходного сигнала интегратора 28, меньшей выходного сигнаЪ ла источника 36 опорного сигнала, изменит свое состояние компаратор ЗО и на выходе формирователя 40 сформируется импульс, который поступит на инверсный вход реверсивного счетчика 41 и изменит код на его выходе, который станет соответствовать при этом числу 01, при этом блок 43 управления клапанами сформирует сигналы, которые обеспечат с помощью приводов 13, 14 и 17, 18 и переключающих клапанов 5, 6 и 9, 10 подключение измерительной камеры 21 к контролируемой среде, а измерительной камеры 19 к чистой среде, Схема 42 согласования сформирует сигналы, по которым произойдет остановка измерения в ПМАИ

24 на программно заданное время и информация поступит в блок 25 обработки, и по которым коммутаторы 31 и 32 подключат к входам компараторов 29 и 30 выходы источников 35 и 38 опорного сигнала. Так как объем измерительной камеры 21 больше объема измерительной камеры 19, то сразу после переключения камер интенсивность ионизирующего излучения в зоне детектора

22 ионизирующего излучения увеличится и частота следования импульсов на выходе нормализатора 26 будет превышать нижнюю границу допустимого значения, при этом выходной сигнал интегратора 28 превысит выходной сигнал источника 38 опорного сигнала. Компаратор 30 при этом вернется в исходное состояние. на выходе формирователя 40 импульс при этом не появится, так как он работает аналогично формирователю 39. При этом реверсивный счетчик 41 сохранит состояние, при котором код на его выходе будет соответствовать числу 01, Через время, заданное программно и необходимое для очистки измерительной камеры 19, ПМАИ 24 переключится в режим измерения и на его вход поступят импульсы с выхода спектрометрического усилителя 23, Время измерения в этом слу1666996

5

35

55 отн,ед.; чае ограничивается так же, как и после предыдущего переключения камер. Если в процессе измерения произойдет дальнейшее уменьшение интенсивности ионизирующего излучения контролируемой среды, то устройство отработает это изменение аналогичным образом, т.е. произойдет изменени=- состояния реверсивного счетчика

41 (его код будет соответствовать числу 00) и переключение измерительной камеры 20 на контролируемую среду, а измерительной камеры 21 на чистую среду.

При фиксированном положении детектора 22 ионизирующего излучения возможны различные конфигурации совокупности измерительных камер 19-2 I, ничего принципиально не изменяющие е реа:.. зации способа и работе устройства с точки зрения достижения цели изобретения. !-!апример, может быть реализована конфигурация с равноудаленным расположением камер относительнодетектора. Может быть конфиг:— рация, когда камеры расположены на разных расстояниях, но геометрическая эффективность регистрации излучения от каждой из камер одинакова (т.е., при одинаковой абсолютной активносII4 рарионуклидов в обьеме любой из камер, ооеспечивается одна и та же статистическая загрузка спектрометра). При и." ленении положения детектора 22 ионизирующего излучения относительно выбранной совокупности измерительных камео 19 — 21 можно сместить диапазон измерения е сторону больших активностей (при удалени:л детектора) или е сторону меньших (при его приближении) без изменения числа камер.

Графики изменения интенсивности ионизирующего излучения контролируемой среды, фиксируемого полупроводниковым детектором при всплеске активности контролируемой среды, представлены на фиг. 2, где I — интенсивность излучения контролируемой среды, фиксируемая детектором, имп./c;

Iâ1, !вг, !вэ — верхние границы интенсивности излучения, допустимые. например, для измерительных камер 19-21 соответственно; !

Н1,!Нг, !НЭ вЂ” нижние границы интенсивности излучения, допустимые, например, для измерительных камер 19 — 21 соответственно;

А — активность контролируемои среды, Ав1, Апг, Апз- значение активности контролируемой среды, при которых достигаются верхние границы !в1, !и.. Ipq, соответственно;

Ak1, Анг, Анэ — значение активности контролируемой среды, которым соответствуют нижние границы IH1 Ik2 !нэ

t1, тэ — моменты времени достижения интенсивности излучения, фиксируемого детектором, верхних границ;

t . тт — моменты времени достижения интенсивности излучения, фиксируемого детектором, нижних границ.

Именение интенсивности излучения в промежутках времени между моментами времени т1, сг; 13, t4, t5, тб; т7, тв определяются переходными процессами в измерительных камерах 19-21, обусловленными переключением контролируемой и чистой сред.

Способ осущесгвляют с помощью наиболее просгых, но сохраняющих воэможность функционального расширения. технических средств, т.е. с помощью двух компараторов 29 и 30, двух формирователей

39 и 40 импульсов и реверсивного счетчика

41, соединенного с блоком 43 управления клапанами. Коммутаторы 31 и 32 и индивидуальные для каждой камеры источники 3338 опорных сигналов позволяют, кроме того, при фиксированных объемах измерительных камер 19 — 21 и расположении относительно детектора 22 ионизирующего излучения, влиять на степень перекрытия рабочих поддиапазонов контроля, т.е. сообщать дополнительные возможности при практическом использовании устройства.

Таким образом, е предлагаемом способе и устройстве для его реализации из процесса измерения активности радионуклидов в потоке вещества исключаются операции, связанные с предварительным измерением уровня активности, а также устраняются искажения информации, возникающие в процессе измерения эа счет всплесков активности, вызывающих возрастание статистической загрузки спектрометрического тракта, выходящее за допустимые пределы, и тем самым повышается оперативность и информативность измерений.

Формула изобретения

1. Способ автоматического измерения активности радионуклидов в потоке вещества, заключающийся в том, что контролируемую среду пропускают с заданным расходом через одну из N, где N >2. проточных измерительных камер, обьемы которых обратно пропорциональны N средним уровням активности контролируемой среды, и чистую среду — через остальные камеры, проводят спектрометрическое измерение активности радионуклидов, продолжительность которого либо заранее фиксирована, либо обратно пропорциональна уровню активности радионуклидов, о т л и ч а ю щ и й1666996

12 с я тем, что, с целью повышения оперативности и информативности измерений иэ спектрометрической информации непрерывно выделяют информацию о м гновенном значении интенсивности ионизи- 5 рующего излучения контролируемой среды, сравнивают ее с N верхними и N нижними заданными уровнями, являющимися границами оптимальных статистических условий спектрометрических измерений, по факту 10 выхода мгновенного значения интенсивности ионизирующего излучения контролируемой среды за конкретный в данный момент времени заданный уровень контролируемую среду направляют в другую соответст- 15 вующую этому уровню измерительную камеру, объем которой обеспечивает оптимальные статистические условия спектрометрических измерений, длительность измерений ограничивают при этом момен- 20 том выхода мгновенного значения интенсивности ионизирующего излучения контролируемой среды за один из заданных уровней.

2. Устройство для автоматического из- 25 мерения активности радионуклидов в потоке вещества, содержащее N проточных измерительных камер, объемы которых обратно пропорциональны уровням активности контролируемой среды, клапаны с 30 приводами, обеспечивающие подачу контролируемой среды через одну из камер и чистой среды через остальные, блок управления клапанами, последовательно соединенные детектор ионизирующего 35 излучения, спектрометрический усилитель, программируемый многоканальный анализатор импульсов, блок обработки, о тл и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения оперативности и информативности измерений, в него введены нормалиэатор импульсов, два интегратора, 2 N источников опорного сигнала, два формирователя импульсов, реверсивный счетчик опорного сигнала, два формирователя импульсов, реверсивный счетчик и схема согласования, причем вход нормализатора соединен с выходом спектрометрического усилителя, а выход — с входами двух интеграторов, выход первого интегратора соединен с первым входом первого компаратора, выход второго интегратора — с вторым входом второго компаратора, второй вход первого компаратора через первый коммутатор соединен с выходами первых N источников опорного сигнала, а первый вход второго компаратора соединен через второй коммутатор — с выходами вторых N источников опорного сигнала, выход первого компаратора через первый формирователь импульсов соединен с прямым входом реверсивного счетчика, а выход второго компаратора через второй формирователь импульсов — с инверсивным входом реверсивного счетчика, выходы реверсивного счетчика соединены с входами блока управления клапанами, с входами коммутатора и через схему согласования с шиной управления программируемого многоканального анализатора импульсов.

1666996

Ф, атн Р3 иа

Фиг.!

Фиг 2

Составитель М.Данилов

Редактор Ю.Середа Техред М.Моргентал Корректор О.Кундрик

Заказ 2521 Тираж 309 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101