Устройство детектирования гамма-излучения газовых сред и спектометрический газовый монитор гамма-излучения

Полезная модель относится к области измерительной техники в атомной энергетике и предназначена для измерения и мониторинга гамма-излучающих радиоактивных газов в технологических газовых средах АЭС, в воздухе помещений и вентиляционных систем, в газообразных выбросах в окружающую среду. Устройство детектирования содержит полупроводниковый детектор на основе особо чистого германия, измерительную камеру, выполненную в геометрии сосуда Маринелли, и размещено в свинцовом защитном блоке. Отличительные признаки: устройство снабжено электроохладителем, защитный блок выполнен в виде 4-защиты, представляет собой контейнер с двойными стенками, внутренний объем между которыми заполнен свинцовой дробью. Спектрометрический монитор включает разработанное устройство детектирования, соединенное с пробоотборной системой, цифровым анализатором спектра и устройством накопления и обработки информации. В пробоотборной системе предусмотрены трубопровод подачи контролируемой газовой среды и трубопровод подачи сжатого воздуха, снабженные запорной арматурой. Пробоотборная система снабжена контроллером управления и соединена с устройством детектирования трубопроводами подачи и отвода среды. Технический результат: создание современной измерительной системы, эффективно и точно контролирующей объемную активность гамма-излучающих радиоактивных газов в широком энергетическом диапазоне гамма-излучения в непрерывном режиме. Монитор работает при давлении на входных пробоотборных линиях от 1 до 80 атмосфер (бар). Возможно использование разработанного спектрометрического газового монитора на АЭС с разными типами реакторов (ВВР, РБМК). 2 н.п.ф., 10 з.п.ф., 3 фиг.

Полезная модель относится к области измерительной техники в атомной энергетике и предназначена для измерения и мониторинга гамма-излучающих радиоактивных газов в технологических газовых средах атомных электростанций (АЭС), в воздухе помещений и вентиляционных систем, в газообразных выбросах в окружающую среду.

Известно устройство детектирования для измерения гамма-излучения радиоактивных инертных газов в атмосфере (заявка на изобретение РФ 2007147828, МПК G01T 1/167 (2006.01). Способ измерения радиоактивных инертных газов и устройство для его осуществления. Заявка опубликована 27.06.2009). Известное устройство детектирования содержит детектор гамма-излучения, представляющий собой ионизационную камеру со сжатым ксеноном, соединенную с блоком высоковольтного питания и с блоком усиления импульсов, и включает амплитудно-цифровой преобразователь, соединенный с устройством вывода информации. Детектор отличается тем, что его корпус представляет собой кювету, в которую помещены сжиженные газы. Основными недостатками известного технического решения является использование в качестве детектора ионизационной камеры, необходимость перевода компонентов исследуемого газа в жидкое состояние и невозможность проведения измерений в непрерывном автоматическом режиме.

Известно устройство для измерения объемной активности радионуклидов йода в воздухе рабочих помещений, систем вентиляции, трубопроводов и т.д., содержащее два сцинтилляционных детектора на основе кристалла CsI (T1) (Разработано ООО НПП «ДОЗА». Установка радиометрическая УДИ-1Б. Опубликовано на сайте http://www.doza.ru/catalog в 2002 г.). Принцип действия устройства УДИ-1Б основан на анализе энергетического спектра гамма-квантов, испускаемых радионуклидами, осевшими на сорбционно-фильтрующем материале в результате прокачки через него воздуха. Энергетический диапазон регистрации гамма-излучения составляет 60-3000 кэВ. К недостаткам известного технического решения относится использование сцинтилляционного детектора на основе кристалла CsI(T1), который имеет относительно низкие характеристики энергетического разрешения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству детектирования является устройство детектирования для контроля активности и нуклидного состава инертных радиоактивных газов (Комаров Е.А. и др. Опыт применения спектрометрических комплексов для контроля радиоактивных отходов на Сибирском химическом комбинате. //Материалы научно-практической конференции молодых специалистов и аспирантов «Молодежь ЯТЦ: Наука и производство» Северск, 13-17 ноября 2007 г. Опубликовано на сайте http://conf2007.atomsib.ru в 2007 г.). Известное устройство детектирования выполнено на основе полупроводникового детектора из особо чистого германия, содержит измерительную камеру в геометрии сосуда Маринелли, размещено в свинцовой защите и включает процессор импульсных сигналов SBS. Геометрия Маринелли реализуется с помощью специального сосуда объемом 3 л. Сосуд устанавливается непосредственно на детектор гамма-излучения. Воздух, содержащий инертные радиоактивные газы и очищенный от радиоактивных аэрозолей и йода, с постоянным расходом прокачивается через сосуд Маринелли, в котором измеряется значение текущей объемной активности радионуклидов, находящихся в измерительной емкости. Устройство позволяет определять объемную активность гамма-излучения в энергетическом диапазоне от 80 до 1300 кэВ. К недостаткам известного устройства детектирования относятся низкие характеристики энергетического разрешения и необходимость постоянного контроля уровня и периодического пополнения жидкого азота в сосуде Дьюара.

Известна система контроля газообразных выбросов СКГАВ-1, обеспечивающая оперативный контроль выбросов радиоактивных аэрозолей, газов и йода (Разработано ООО НПП «ДОЗА». Система контроля газообразных выбросов СКГАВ-1. Опубликовано на сайте http://www.doza.ru/catalog в 2002 г.). В качестве устройства детектирования гамма-излучения в системе СКГАВ-1 использовано устройство УДИ-1Б, описанное выше. СКГАВ-1 содержит систему пробоотбора, 2-х ступенчатый фильтр для разделения примесей среды на целевые компоненты, подвод требуемых фракций газовоздушной среды, контроль общего расхода газа через установку, индикацию режима работы на блоке управления, возврат газа после анализа в систему вентиляции, информационные интерфейсы. К недостаткам известного технического решения относятся использование сцинтилляционных устройств детектирования на основе кристалла CsI (T1), громоздкость конструкции (многокомпонентность системы).

В качестве наиболее близкого технического решения для предлагаемого спектрометрического газового монитора гамма-излучения авторами выбрана система радиационного контроля СРГАВ производства ОАО «Пятигорский завод «Импульс»» (Скворцов О.А. Информационно-измерительные каналы АСРГ с использованием современной аппаратуры радиационного контроля производства ОАО «Пятигорский завод «Импульс»». //Материалы 12-го совещания Совета концерна «Росэнергоатом» по радиационной безопасности, г.Москва, ВНИИАЭС, 12.05.2008 г. Опубликовано на сайте www.pzi.ru). Известная система построена на базе отдельных независимых измерительных каналов йода, аэрозолей и инертных газов. В канале измерения активности инертных газов используются блоки детектирования на базе ионизационной камеры и сцинтилляционного детектора и проточной камеры. Измерение йода и аэрозолей в СРКГАВ производится при помощи блоков детектирования на базе фотоэлектронного умножителя после накопления йода и аэрозолей на соответствующие сорбционные ленты. Обработка сигналов после устройств детектирования происходит в устройстве накопления и обработки информации, в котором предусмотрены амплитудный многоканальный анализатор спектров с цифровым спектрометрическим процессором. К недостаткам описанной системы относятся громоздкость конструкции, перегруженность дополнительными механическими узлами, низкие характеристики энергетического разрешения.

Перед авторами стояла задача устранить указанные недостатки и разработать спектрометрический газовый монитор гамма-излучения, содержащий устройство детектирования гамма-излучения газовых сред, для преимущественного применения в качестве измерительной системы, контролирующей объемную активность гамма-излучающих радиоактивных газов в технологических газовых средах АЭС с различными типами реакторов. Предлагаемое устройство детектирования характеризуется небольшими габаритами, простотой конструкции, монтажа и эксплуатации, а также надежностью и точностью измерений в энергетическом диапазоне гамма-излучения от 50 до 3000 кэВ. Спектрометрический монитор позволяет эффективно проводить измерения активности контролируемой среды и оперативно реагировать на ее изменения и/или возникновение внештатных ситуаций.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство детектирования гамма-излучения газовых сред и спектрометрический газовый монитор гамма-излучения.

Предлагается устройство детектирования гамма-излучения газовых сред, включающее полупроводниковый детектор гамма-излучения на основе особо чистого германия, размещенный в измерительной камере, выполненной в геометрии сосуда Маринелли, установленной в свинцовом защитном блоке, отличающееся тем, что устройство детектирования снабжено электроохладителем, защитный блок выполнен в виде 4-защиты и представляет собой контейнер с двойными стенками, образующими внутренний объем, заполненный свинцовой дробью, а верхняя часть защитного блока выполнена съемной.

Верхняя часть защитного блока предпочтительно выполнена в виде крышки. При таком варианте выполнения полезной модели устройство детектирования снабжено подъемным механизмом крышки.

Толщина 4-защиты защитного блока предпочтительно составляет от 10 до 15 см.

Объем измерительной камеры предпочтительно составляет от 25 до 35 л.

Контейнер защитного блока предпочтительно выполнен из нержавеющей стали. В контейнере предусмотрены отверстия для заполнения контейнера свинцовой дробью.

Предлагается спектрометрический газовый монитор гамма-излучения, включающий устройство детектирования гамма-излучения газовых сред, содержащее измерительную камеру, размещенное в свинцовом защитном блоке, при этом устройство детектирования соединено с пробоотборной системой и цифровым анализатором спектра, спектрометрический монитор снабжен расходомером и устройством накопления и обработки информации, соединенным с цифровым анализатором спектра, отличающийся тем, что устройство детектирования включает полупроводниковый детектор гамма-излучения на основе особо чистого германия, размещенный в измерительной камере, выполненной в геометрии сосуда Маринелли, и снабжено электроохладителем, защитный блок выполнен в виде 4-защиты и представляет собой контейнер с двойными стенками, образующими внутренний объем, заполненный свинцовой дробью, при этом верхняя часть защитного блока выполнена съемной, в пробоотборной системе предусмотрены трубопровод подачи контролируемой газовой среды и трубопровод подачи сжатого воздуха, снабженные запорной арматурой, выходящие в трубопровод подачи среды, на котором установлен расходомер, пробоотборная система снабжена контроллером управления, связанным с устройством накопления и обработки информации, и соединена с устройством детектирования трубопроводами подачи и отвода среды.

На трубопроводе подачи среды перед расходомером предпочтительно установлен компенсатор избыточного давления.

В качестве запорной арматуры могут быть использованы электромагнитные клапаны.

Толщина 4-защиты защитного блока предпочтительно составляет от 10 до 15 см.

Объем измерительной камеры предпочтительно составляет от 25 до 35 л.

Техническим результатом полезной модели является создание современной измерительной системы, эффективно и точно контролирующей объемную активность гамма-излучающих радиоактивных газов в технологических газовых средах АЭС в широком энергетическом диапазоне гамма-излучения. Отличительные признаки полезной модели позволяют получить следующий технический результат. Использование в спектрометрическом мониторе устройства детектирования с полупроводниковым детектором на основе особо чистого германия позволяет быстро и точно проводить измерения в диапазоне от 50 до 3000 кэВ. Наличие электроохладителя позволяет полезной модели работать в непрерывном режиме, так как при таком техническом решении не требуется периодической доливки азота для охлаждения детектора с применением сосуда Дьюара. Выполнение защитного блока в виде 4-защиты с предпочтительной толщиной от 10 до 15 см обеспечивает изоляцию детектора от фонового излучения со всех направлений, что приводит к уменьшению погрешности измерения. Конструкция защитного блока в виде контейнера с двойными стенками и насыпной свинцовой дробью между ними значительно удешевляет устройство детектирования и измерительную систему в целом, облегчает монтаж и демонтаж предлагаемого спектрометрического монитора. Благодаря увеличению объема измерительной камеры до 25-30 л нижний предел измерения монитора понижается практически на порядок по сравнению с известными устройствами, что соответствует современным требованиям по контролю активности газоаэрозольных выбросов на АЭС. Дополнительный технический результат для спектрометрического монитора заключается в том, что предлагаемая система способна эффективно работать при давлении на входных пробоотборных линиях от 1 до 80 атмосфер (бар). За счет простой замены одних типов клапанов на другие возможно использование разработанного спектрометрического газового монитора на АЭС с разными типами реакторов (ВВР, РБМК).

Ниже сущность полезной модели поясняется более подробно со ссылкой на прилагаемые схематические чертежи, на которых изображено следующее:

фиг.1 представляет вертикальный разрез устройства детектирования гамма-излучения газовых сред;

фиг.2 представляет структурную схему спектрометрического газового монитора гамма-излучения;

фиг.3 представляет схематический вид спектрометрического газового монитора гамма-излучения.

Позиции на чертежах обозначают: 1 - полупроводниковый детектор на основе особо чистого германия; 2 - измерительная камера; 3 - электроохладитель; 4 - защитный блок; 5 - крышка защитного блока; 6 - подъемный механизм крышки; 7 - контейнер; 8 - свинцовая дробь; 9 - устройство детектирования; 10 - пробоотборная система; 11 - цифровой анализатор спектра; 12 - устройство накопления и обработки информации;

13 - контроллер управления пробоотборной системой; 14 - трубопровод подачи среды; 15 - трубопровод отвода среды; 16 - расходомер; 17 - компенсатор избыточного давления (КИД); 18 - трубопровод подачи контролируемой газовой среды (КГС), 19 - трубопровод подачи сжатого воздуха; 20 - запорная арматура (электромагнитные клапаны).

Устройство детектирования гамма-излучения газовых сред, показанное на фиг.1, является только примером заявляемого устройства детектирования. Устройство 9 детектирования включает полупроводниковый детектор 1 на основе особо чистого германия и измерительную камеру 2, выполненную в геометрии сосуда Маринелли. Устройство 9 детектирования снабжено электроохладителем 3. Полупроводниковый детектор 1 и измерительная камера 2 размещены в свинцовом защитном блоке 4, выполненном в виде 4-защиты и представляющим собой контейнер 7 с двойными стенками, образующими внутренний объем, заполненный свинцовой дробью 8. Верхняя часть защитного блока 4 выполнена в виде крышки 5. Устройство 9 детектирования снабжено подъемным механизмом 6 крышки 5.

Спектрометрический газовый монитор гамма-излучения включает устройство 9 детектирования, описанное в предыдущем абзаце. Устройство 1 детектирования соединено с пробоотборной системой 10 и цифровым анализатором 11 спектра. Спектрометрический монитор снабжен устройством 12 накопления и обработки информации, которое соединено с цифровым анализатором 11 спектра. Пробоотборная система 10 снабжена контроллером 13 управления, связанным с устройством 12 накопления и обработки информации, и соединена с устройством 9 детектирования трубопроводом 14 подачи среды и трубопроводом 15 отвода среды. На трубопроводе 14 подачи среды установлены компенсатор 17 избыточного давления и расходомер 16. В пробоотборной системе 10 предусмотрены трубопровод 18 подачи контролируемой газовой среды (КГС), трубопровод 19 подачи сжатого воздуха, снабженные электромагнитными клапанами 20 и выходящие в трубопровод 14 подачи среды.

Принцип работы спектрометрического газового монитора основан на регистрации полупроводниковым детектором гамма-излучения инертных радиоактивных газов, изотопов йода и других радионуклидов, поступающих в измерительную камеру устройства детектирования по системе трубопроводов из пробоотборной системы. Формирование спектров гамма-излучения производится цифровым анализатором с дальнейшей передачей информации в устройство обработки и накопления информации (УНО).

Полезная модель работает следующим образом.

Пробоотборная система 10 обеспечивает прокачку (прохождение) КГС через измерительную камеру 2 устройства 9 детектирования по системе трубопроводов 18 и 14. С помощью расходомера 16, компенсатора 17 избыточного давления и электромагнитных клапанов 20 осуществляется соответственно измерение и регулирование расхода КГС. Устройство 9 детектирования, работающее в автоматическом режиме, регистрирует гамма-спектры, которые накапливаются в цифровом анализаторе 11 и автоматически передаются в устройство 12 накопления и обработки информации, связь между которыми осуществляется при помощи преобразователя USB/Ethernet. В устройстве 12 накопления и обработки информации производится обработка аппаратурных гамма-спектров, а именно: определение радионуклидного состава, расчет значений активности, оценка погрешности определения активностей, расчет нижнего допустимого предела измерения и пр. Цифровой анализатор 11 спектра, представляющий собой специализированный технологический анализатор, обеспечивает автоматическое управление процессом измерения, предварительную обработку, хранение и протоколирование информации, поступающей от устройства 9 детектирования, формирование сигналов самодиагностики устройства 9. Устройство 12 накопления и обработки информации выдает команды контроллеру 13 пробоотборной системы 10. Устройство 12, как правило, включает два компьютера и монитор. Первый компьютер осуществляет хранение и обработку данных, а второй отвечает за взаимодействие с пользователем. Контроллер 13 представляет собой микрокомпьютер с наборными модулями, количество и тип которых зависит от конфигурации пробоотборной системы 10 (количества точек контроля, наличия сжатого воздуха для продувки и т.д.). Контроллер 13 выдает управляющие сигналы «Открыть/Закрыть» на электромагнитные клапаны 20 пробоотборной системы 10. Подача сжатого воздуха по системе трубопроводов 19 и 14 осуществляется при ремонтных работах для просушки измерительной камеры 2. Отвод КГС и сжатого воздуха производится по трубопроводу 15.

Описанные и иллюстрируемые устройство детектирования гамма-излучения газовых сред и спектрометрический газовый монитор гамма-излучения являются только примерами выполнения полезной модели, практические детали могут широко варьироваться в пределах объема предлагаемой полезной модели. Конструкции устройств управления и обработки информации, входящих в полезную модель, трубопроводов и других приспособлений могут быть полностью общепринятыми.

Предлагаемый спектрометрический газовый монитор выполняет следующие функции:

- отбор контролируемой среды по заданному алгоритму с помощью клапанов пробоотборной системы спектрометрического монитора;

- получение аппаратурных гамма-спектров контролируемой среды;

- вычисление активностей и сопутствующих величин (минимально детектируемой активности, ошибки измерения и др.) обнаруженных радионуклидов;

- определение степени загрязненности измерительного узла;

- обеспечение продувки измерительного узла;

- контроль качества измерения на основе анализа условий отбора контролируемой газовой среды (расхода) и работоспособности спектрометрического оборудования;

- сравнение рассчитанных активностей с установленными контрольными уровнями (предупредительным и аварийным);

- выдача цветозвуковой сигнализации в случае превышения контрольных уровней;

проведение автоматических (циклических) измерений, а также измерений по предустановленному расписанию;

- хранение аппаратурных спектров (за последний месяц) и результатов обработки за весь период эксплуатации;

- оперативное отображение на экране УНО результатов последнего измерения;

- построение графиков изменения контролируемых параметров за любой период эксплуатации;

- передача результатов обработки в локальную вычислительную сеть для удаленного управления и мониторинга.

Полезную модель можно эффективно применять в качестве измерительной системы, контролирующей объемную активность гамма-излучающих радиоактивных газов в технологических газовых средах АЭС с различными типами реакторов, в воздухе помещений и вентиляционных систем, в газообразных выбросах в окружающую среду.

1. Устройство детектирования гамма-излучения газовых сред, включающее полупроводниковый детектор гамма-излучения на основе особо чистого германия, размещенный в измерительной камере, выполненной в геометрии сосуда Маринелли, установленной в свинцовом защитном блоке, отличающееся тем, что устройство детектирования снабжено электроохладителем, защитный блок выполнен в виде 4-защиты и представляет собой контейнер с двойными стенками, образующими внутренний объем, заполненный свинцовой дробью, а верхняя часть защитного блока выполнена съемной.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что верхняя часть защитного блока выполнена в виде крышки.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено подъемным механизмом крышки.

4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что толщина 4-защиты составляет предпочтительно от 10 до 15 см.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что объем измерительной камеры составляет предпочтительно от 25 до 35 л.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что контейнер защитного блока выполнен из нержавеющей стали.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в контейнере предусмотрены отверстия для заполнения контейнера свинцовой дробью.

8. Спектрометрический газовый монитор гамма-излучения, включающий устройство детектирования гамма-излучения газовых сред, содержащее измерительную камеру, размещенное в свинцовом защитном блоке, при этом устройство детектирования соединено с пробоотборной системой и цифровым анализатором спектра, спектрометрический монитор снабжен расходомером и устройством накопления и обработки информации, соединенным с цифровым анализатором спектра, отличающийся тем, что устройство детектирования включает полупроводниковый детектор гамма-излучения на основе особо чистого германия, размещенный в измерительной камере, выполненной в геометрии сосуда Маринелли, и снабжено электроохладителем, защитный блок выполнен в виде 4-защиты и представляет собой контейнер с двойными стенками, образующими внутренний объем, заполненный свинцовой дробью, при этом верхняя часть защитного блока выполнена съемной, в пробоотборной системе предусмотрены трубопровод подачи контролируемой газовой среды и трубопровод подачи сжатого воздуха, снабженные запорной арматурой, выходящие в трубопровод подачи среды, на котором установлен расходомер, пробоотборная система снабжена контроллером управления, связанным с устройством накопления и обработки информации, и соединена с устройством детектирования трубопроводами подачи и отвода среды.

9. Монитор по п.8, отличающийся тем, что на трубопроводе подачи среды перед расходомером установлен компенсатор избыточного давления.

10. Монитор по п.8 или 9, отличающийся тем, что в качестве запорной арматуры использованы электромагнитные клапаны.

11. Монитор по п.8, отличающийся тем, что толщина 4-защиты составляет предпочтительно от 10 до 15 см.

12. Монитор по п.8, отличающийся тем, что объем измерительной камеры составляет предпочтительно от 25 до 35 л.