核儀器概論2—核電站及核反應(yīng)堆用核儀器

1、核儀器概論第十二節(jié)核電站與核反應(yīng)堆用核儀器1.4 氣動(dòng)球測(cè)量系統(tǒng) 1）系統(tǒng)測(cè)量原理 由釩為發(fā)射體的自給能探測(cè)器可知，51V23在反應(yīng)堆內(nèi)吸收一個(gè)中子，放出（1.95MeV) 光子和生成示蹤同位素釩-52（52V23）。52V23的半衰期3.76min; 在衰變時(shí)，發(fā)射1.45 MeV光子和2.75 MeV的粒子。 n+51V23（1.95MeV)+52V23 (1.45MeV)+(2.75MeV)1.4.1 氣動(dòng)球測(cè)量系統(tǒng) 2)系統(tǒng)構(gòu)成 系統(tǒng)由釩合金球傳輸系統(tǒng)和釩合金球測(cè)量系統(tǒng)兩部分組成。 a)傳輸系統(tǒng) 它由供氣管線，釩合金球輸送管路，釩合金球定位，閥門(mén)和控制計(jì)算機(jī)組成。 工作時(shí)，從壓力容器頂

2、部插入一疊釩合金球，其疊加高度與堆芯活性區(qū)高度相等，這疊釩合金球通過(guò)氣動(dòng)送至反應(yīng)堆堆芯（燃料組件的指套管內(nèi)）的某一位置（由定位器定位在堆芯活性區(qū)的最底端）。 1.4.1 氣動(dòng)球測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)它由測(cè)量架，、符合測(cè)量探頭，放大器，計(jì)數(shù)器和信息處理系統(tǒng)組成。示蹤同位素釩-52在固定的時(shí)間內(nèi)、，送到堆芯外的測(cè)量架上，利用(1.45MeV)和(2.75MeV)符合測(cè)量技術(shù)，測(cè)出釩球衰變產(chǎn)生的粒子的數(shù)目。知道了釩球衰變產(chǎn)生的粒子的數(shù)目，就可以反推出反應(yīng)堆中的中子通量（知道粒子的測(cè)量效率；釩-51與中子的反應(yīng)截面；釩球的輸送時(shí)間）。 10 11 9 3 5 6 7 4 1 2 1 C arrier G a

3、s S upply line 2 C ontrol V alves 3 S olenoid B all S top 4 M easuring B eam , quantity n 5 R adiation D etectors for each M easuring B eam 6 A m plifier 7 P ulse C ounter 8 P robes, quantity provided n x 4 9 Load C abinet 10 A M S C ontrol C om puter 11 P rocess Inform ation and C ontrol S ystem 8

4、1.4.1 氣動(dòng)球測(cè)量系統(tǒng) 1.4.1氣動(dòng)球測(cè)量系統(tǒng)性能指標(biāo) 1）高分辯率中子通量測(cè)量，EPR反應(yīng)堆的氣動(dòng)球測(cè)量系統(tǒng)，36401440個(gè)測(cè)量點(diǎn)。 2）堆芯狀態(tài)的快速測(cè)量，活化時(shí)間短（3分鐘）。 3）氣動(dòng)球測(cè)量速度快，兩個(gè)氣動(dòng)球之間的最少測(cè)量間隔小于10分鐘。 4）測(cè)量精度高，1%（1）。反應(yīng)堆堆芯溫度測(cè)量系統(tǒng) 用鎳鉻/鎳鋁鎧裝K型熱電偶監(jiān)測(cè)堆芯溫度。一般該熱電偶的監(jiān)測(cè)溫度在350以下，在事故工況下監(jiān)測(cè)溫度上限達(dá)1200 。 該熱電偶具有強(qiáng)抗輻照能力。如：能在積分熱中子能量41023/m2和積分快中子能量31023/m2下正常工作；在10Gy/s吸收劑量下，由輻射造成的溫度測(cè)量誤差小于+0.03

5、 。反應(yīng)堆堆芯溫度測(cè)量系統(tǒng) 熱電偶信號(hào)及冷端補(bǔ)償信號(hào)均送入工業(yè)級(jí)微機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)有2臺(tái)主機(jī)（一用一備，并有自動(dòng)切換功能）及相應(yīng)的接口和一臺(tái)顯示設(shè)備。 該系統(tǒng)還能結(jié)合熱電偶在堆芯中的位置，通過(guò)圖形化方式顯示堆芯經(jīng)向溫度分布，通過(guò)USB外接存儲(chǔ)設(shè)備，通過(guò)RS485通訊接口向電站計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。 反應(yīng)堆堆芯液位測(cè)量系統(tǒng)反應(yīng)堆堆芯液位測(cè)量系統(tǒng) 傳感器由5支鎳鉻鎳鋁型熱電偶組成。分別為帶電加熱器的熱電偶TPIU1、TPIU2、TPIU3和不帶電加熱器的TP1、TP2。 在事故工況時(shí)，如：主管道破裂使壓力容器內(nèi)冷卻劑液位急劇下降，致使TPIU暴露于氣相熱介質(zhì)中時(shí)，給出事故工況下極限液位報(bào)警。 對(duì)某一固定監(jiān)

6、測(cè)點(diǎn)，該系統(tǒng)測(cè)量分辨力小于50mm，響應(yīng)時(shí)間小于30s。2.堆外核測(cè)系統(tǒng)探測(cè)反應(yīng)堆中的中子通量的測(cè)量系統(tǒng)示意圖220V電纜電纜高壓高壓H。V低壓電壓低壓電壓放大器放大器甄別器甄別器計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器顯示單元顯示單元脈沖產(chǎn)生器脈沖產(chǎn)生器濾波器濾波器中子探測(cè)中子探測(cè)器器計(jì)數(shù)率計(jì)數(shù)率/電電壓變換壓變換保護(hù)保護(hù)系統(tǒng)系統(tǒng)周期周期2.1 中子探測(cè)器的基本原理1）核反應(yīng)法。（n，）（n，P） 中子本身不帶電，它和物質(zhì)中原子核之間沒(méi)有庫(kù)侖斥力，因此比較容易進(jìn)入原子核，發(fā)生核反應(yīng)。選擇某種產(chǎn)生帶電粒子的核反應(yīng)，記錄帶電粒子引起的電離現(xiàn)象，就可探測(cè)中子。+探測(cè)中子中子目前應(yīng)用最多的是以下三種核反應(yīng)： 0=384011靶

7、廣泛應(yīng)用于中子注量率測(cè)量 0=9366靶 0=532710靶MeVLBn792.2734210510MeVTLn786. 4314216310MeVTPHen764. 031113210 強(qiáng) 場(chǎng)下的中子測(cè)量低中子注量率的測(cè)量2.1.1中子探測(cè)器的一般電氣電氣性能指標(biāo)類(lèi)型典型最大外徑mm上升沿s下降沿s氣壓kPa耐程度R/h熱中子靈敏度Cps/nv工作電壓VBF3計(jì)數(shù)管25.40.116010232000涂硼計(jì)數(shù)管25.40.060.52710348003He正比計(jì)數(shù)管25.40.111-100010151000裂變室25.40.2110001050.8802002.1.2涂硼正比計(jì)數(shù)管的輸出脈

8、沖：1）電流脈沖的時(shí)間分布核輻射事件及其在探測(cè)器中產(chǎn)生的電流脈沖，在時(shí)間上是服從泊松分布時(shí)間上是服從泊松分布的，泊松分布的概率函數(shù)為：x=0,1,2；0；泊松分布的中心為。 - xex!xP1)(左圖為：不同分布參數(shù)的泊松分布曲線。當(dāng)足夠大時(shí),可用高斯分布代替. 2)信號(hào)的時(shí)間分布服從泊松分布的探測(cè)器中產(chǎn)生的電流脈沖 假如探測(cè)器中產(chǎn)生的電流脈沖的計(jì)數(shù)率為n,則在t間隔（t可取任意值）內(nèi)出現(xiàn)N個(gè)脈沖的概率為：在高計(jì)數(shù)率測(cè)量時(shí)，為了使電流脈沖的計(jì)數(shù)丟失率在我們要求的范圍內(nèi)，即要求在測(cè)量系統(tǒng)的分辨時(shí)間t期間內(nèi),出現(xiàn)第二個(gè)電流脈沖的的概率要在我們要求的范圍內(nèi)。理想情況是不出現(xiàn)其它脈沖tnNeNtntN

9、P!),(即在測(cè)量系統(tǒng)的分辨時(shí)間t期間內(nèi)N=0的概率。tntneetntP!0),0(0n tP（0， t)211.5%136.8%0.560.7%0.281.9%0.190.5%結(jié)論: n t越小,電流脈沖重疊的概率越小. 3）脈沖的寬度對(duì)計(jì)數(shù)率的影響測(cè)量系統(tǒng)的分辨時(shí)間ttw 例如n=106/S，脈沖寬度tw=500 n s，n tw=0.5時(shí)，由上式可知，在脈沖寬度500 n s內(nèi)不出現(xiàn)信號(hào)重疊的概率為： 即只有61%的信號(hào)不發(fā)生重疊，而多達(dá)39%的信號(hào)將發(fā)生重疊，有可能產(chǎn)生漏記。對(duì)于涂硼正比計(jì)數(shù)管輸出的電流脈沖信號(hào)，tw=500 n s，要求漏記率小于10%，如果不采取其它措施，那么它測(cè)

10、量的最高記數(shù)率是2105。61. 0! 0)5 . 0()05 . 05 . 00eetPw，（ 2.1.3信號(hào)的處理1 ）微分 探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)電纜傳輸，其上升沿要變慢，脈沖變寬，由上面的分析可知，將使系統(tǒng)的時(shí)間分辯率變差。通常采取微分的辦法使脈沖變窄。CRVi(t)Vo(t)RCSSSH1)(輸入微分輸出輸出信號(hào)：1.寬度變窄; 2.幅度變小; 3.有反沖。2） 信號(hào)甄別VT+AVIViVOVT00tt2） 信號(hào)甄別 甄別射線和噪聲信號(hào)； 甄別閾的提高有利于計(jì)數(shù)率的提高； 甄別器與單道分析器。 0TA甄別器主要指標(biāo)：選擇合適的回差+AVRVOR1R221VI)(2122OLOHV

11、VRRRV回差大不利于區(qū)分重疊脈沖，回差不能小于系統(tǒng)的噪聲值。3）噪聲對(duì)計(jì)數(shù)率的影響 由上面的分析可知：為了提高計(jì)數(shù)率，需對(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)電纜的探測(cè)器輸出的信號(hào)進(jìn)行微分，使信號(hào)變窄，微分電路的時(shí)間常數(shù)越小，信號(hào)越窄，但幅度衰減也越大。其極限值應(yīng)使信號(hào)與噪聲易于區(qū)分，即信噪比1。 同時(shí)為了甄別堆積脈沖，甄別器的回差要小，但回差不能小于噪聲。因此降低系統(tǒng)的噪聲，是提高系統(tǒng)計(jì)數(shù)率的另一重要方面。為此，高中子通量脈沖測(cè)量通道在工藝上需采取多種措施以降低噪聲。2.1.4 噪聲對(duì)計(jì)數(shù)率的影響2.1.5 信號(hào)的傳輸 在信號(hào)的處理和傳輸中，一般要界定信號(hào)是低頻信號(hào)還是高頻信號(hào)。信號(hào)在低頻領(lǐng)域時(shí)，在分析電路時(shí)，認(rèn)為整個(gè)

12、電路通路上的每一點(diǎn)，都具有相同的電位（電壓），而在高頻時(shí)，電路通路上的每一點(diǎn)電位（電壓）都不會(huì)相同。這時(shí)要考慮接線所產(chǎn)生的電容和電感的分布效應(yīng)和阻抗匹配。但什么樣的信號(hào)是高但什么樣的信號(hào)是高頻信號(hào)，并沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)單的指標(biāo)來(lái)鑒別頻信號(hào)，并沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)單的指標(biāo)來(lái)鑒別它，應(yīng)從不同的領(lǐng)域綜合考慮。它，應(yīng)從不同的領(lǐng)域綜合考慮。(1)頻帶寬度 頻帶寬度（頻寬）所代表的是一個(gè)信號(hào)所含的最高頻率分量。對(duì)于脈沖信號(hào)，決定其所需之頻寬，是脈沖信號(hào)的上升時(shí)間，而不是脈沖信號(hào)的頻率。 如果一個(gè)上升時(shí)間為1 nS的脈沖信號(hào)，由公式可知其頻寬高達(dá)350MHz，通常人們把大于100 MHz的頻寬信號(hào)作為高頻信號(hào)處理。上升時(shí)間頻

13、寬350 除了頻寬外，人們?cè)趯?duì)信號(hào)是不是作為高頻信號(hào)處理，還要考慮其它條件，當(dāng)一個(gè)信號(hào)的上升時(shí)間趨近于傳輸延遲當(dāng)一個(gè)信號(hào)的上升時(shí)間趨近于傳輸延遲時(shí)間的時(shí)候，也要按高頻信號(hào)處理。時(shí)間的時(shí)候，也要按高頻信號(hào)處理。 涂硼正比計(jì)數(shù)管要放在反應(yīng)堆中，探測(cè)器輸出的電流脈沖信號(hào)要經(jīng)過(guò)二百米的電纜傳輸，其延遲時(shí)間已遠(yuǎn)大于上升時(shí)間，所以探測(cè)器輸出的電流脈沖信號(hào)，所以探測(cè)器輸出的電流脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)電纜傳輸時(shí)，要考慮高頻信號(hào)的經(jīng)過(guò)長(zhǎng)電纜傳輸時(shí)，要考慮高頻信號(hào)的影響影響。1）同軸電纜 同軸電纜又稱(chēng)之為屏蔽電纜，這是一種用一層導(dǎo)體來(lái)屏蔽信號(hào)線的結(jié)構(gòu)，其外層的屏蔽導(dǎo)體主要是用來(lái)降低信號(hào)線與外界的耦合，這個(gè)耦合包括電場(chǎng)耦

14、合和磁場(chǎng)耦合兩種。屏蔽導(dǎo)體大多以編織網(wǎng)狀的形狀居多。（1）特性阻抗Z0 當(dāng)導(dǎo)線上流經(jīng)有高頻信號(hào)高頻信號(hào)時(shí)，所呈現(xiàn)的電壓與電流的比值，稱(chēng)為特性阻抗。 一個(gè)理想傳輸線的輸入阻抗，即所謂的特性阻抗計(jì)算公式： 其中 L為每單位長(zhǎng)度的電感量；C為每單位長(zhǎng)度的電容量。CLZ0ABC如果信號(hào)源內(nèi)阻RS等于傳輸線的特性阻抗Z0;信號(hào)幅度為V，A點(diǎn)的信號(hào)幅度?（2）延遲時(shí)間Td 傳輸線上每單位的時(shí)間延遲稱(chēng)為“延遲時(shí)間”，其單位通常為ps/mm 或者 ns/m，它只與傳輸線每單位長(zhǎng)度的電感量和單位長(zhǎng)度的電容量有關(guān)。LCTdABC如果在T=0時(shí)刻在A點(diǎn)出現(xiàn)一個(gè)信號(hào),那么要在T+Td之后,在C點(diǎn)出現(xiàn)這個(gè)信號(hào)。（3）信

15、號(hào)的反射 RS=Z0，B點(diǎn)在信號(hào)線中間，C為終端，開(kāi)路。ABCdt21td2tdtttABC（4）反射系數(shù)圖136 電纜阻抗匹配00ZRZRLL反射系數(shù)1）傳輸線的特性阻抗Z0與傳輸線的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，它由制作材料和工藝決定。2）傳輸線上每單位的時(shí)間延遲，如5ns/m，它也只與傳輸線每單位長(zhǎng)度的電感量和單位長(zhǎng)度的電容量有關(guān)。3）長(zhǎng)電纜傳輸?shù)拿}沖信號(hào)一般要考慮阻抗匹配。 RS=Z0 =Ri；否則將發(fā)生反射，造成誤計(jì)數(shù)。CLZ0LCTd2.1.6 對(duì)數(shù)率表 在計(jì)數(shù)率的變化范圍非常寬時(shí)，通常選用對(duì)數(shù)率表，對(duì)數(shù)率表輸出電流與輸入頻率之間存在著對(duì)數(shù)關(guān)系， 即I=AlgN 。 (1) 線性輸出電壓經(jīng)對(duì)數(shù)放大器放

16、大輸出。（2）利用數(shù)字電路進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算處理，DA轉(zhuǎn)換輸出。（3）用泵電路實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)變換。2.1.6.1計(jì)數(shù)率計(jì)的基本電路1、二極管泵電路C1充電111VCQ C1放電112()QC VV)(211VVCQ穩(wěn)定狀態(tài)下 電路工作在穩(wěn)定的情況下，電容C支路的平均電流為零。221121111211()/(11)nQnC VVVRVnC RnC RVnC RVVnC R只有在 時(shí)， 才與n成正比。11nRC2V推導(dǎo) 與 n 的關(guān)系：2V nC1 R 1， =V1。 選擇合適的Ci Ri 選擇合適的Ci2VRnCRVnCV11121 V1nCnC1 1 R R02V+20p200p2000p1M20+15V

17、對(duì)數(shù)泵電路示圖對(duì)數(shù)泵電路示圖n100101102103104105106備注V210.950.99511111V220.670.950.9951111V230.090.670.950.995111V24-0.090.670.950.99511V25-0.090.670.950.9951V26-0.090.670.950.995V27-0.090.670.97C7V21.712.713.714.715.716.626.97增大V273）計(jì)數(shù)率計(jì)的指標(biāo) 包括線性率表和對(duì)數(shù)率表a）輸入信號(hào)：3vb）量程：101106分6擋，如下 10，100，1K，10K，100K，1000Kc）時(shí)間常數(shù)：1秒，3

18、秒，10秒，30秒d）模擬輸出：1-100mVe）誤差： 15% 2.1.6.2 中子注量率變化的測(cè)量（周期測(cè)量單元） 設(shè)在t時(shí)刻反應(yīng)堆內(nèi)的中子密度n，中子被235U核吸收,過(guò)了一代時(shí)間后，中子密度增至Kn，凈增中子密度為（K-1）n，則堆內(nèi)的中子密度增長(zhǎng)率為： 表示,從上一代中子的產(chǎn)生到被吸收后又產(chǎn)生新一代裂變中子的平均時(shí)間，稱(chēng)為平均每代時(shí)間。 如果t0后，K為常數(shù)，對(duì)上式積分后得： nkdtdn) 1( tKentn)1(0)( 式中n0為t=0時(shí)的中子密度。 求得t時(shí)刻反應(yīng)堆內(nèi)平均中子密度變化e倍所需的時(shí)間，即反應(yīng)堆周期T； 反應(yīng)堆周期T提供了反應(yīng)堆啟動(dòng)周期信息，即倍增時(shí)間。 反應(yīng)堆在啟

19、動(dòng)過(guò)程中。其中子通量是按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)的 ： N(t)=N0et/T1KT 反應(yīng)堆在啟動(dòng)過(guò)程中。反應(yīng)堆的輸出功率也是指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)的： P(t)=P0et/T 對(duì)應(yīng)于反應(yīng)堆的輸出功率，率表輸出的電流 I(t)=I0et/T 上式中T的值反應(yīng)了反應(yīng)堆功率的增長(zhǎng)速度，當(dāng)t=T時(shí)，P/ P0= e =2.718倍。反應(yīng)堆周期T的物理意義是堆功率增長(zhǎng)e 倍，所需的時(shí)間，一般用Te 表示，有時(shí)也有采用兩倍周期的，用Td表示。 經(jīng)運(yùn)算，由中子通量可求得 周期T與中子通量對(duì)數(shù)的微分成反比。中子通量可以由電離室檢測(cè)，電離室輸出電流與中子通量成正比，所以周期T可以用電離室電流表示：dtdTln1dtIdTln1 周

20、期儀由對(duì)數(shù)放大器、微分電路和濾波電路組成，實(shí)際上是一個(gè)微分放大電路，微分電容C和電R阻構(gòu)成微分放大器的時(shí)間常數(shù)td。 對(duì)數(shù)對(duì)數(shù)放大器放大器微分電路微分電路濾波電路濾波電路周期顯示周期顯示信號(hào)輸出信號(hào)輸出電流電流對(duì)數(shù)放大器的工作原理對(duì)數(shù)放大器的工作原理 雙極型三極管的基-射電壓為：VBE=VTln(IC/IS); 式中VT=KT/q. K=1.3810-23焦耳/度。（波爾茲曼常數(shù)），q為電子電荷量，T為絕對(duì)溫度。 VT是一個(gè)與溫度有關(guān)的電壓項(xiàng)，在25下，典型值為26mV，并與絕對(duì)溫度成正比。(IC為集電極電流，IS為反向飽和電流。 由下圖可以得到： V1=VBE1-VBE2 = VT1ln(I1/IS1)- VT2ln(I2/IS2) 如果兩個(gè)晶體管性能一致，溫度相同，則：V1= VT1ln(I1/IS1)- VT2ln(I2/IS2)= VTln(I1/I2)VOUT=（R1+R2）/R1VTln(I1/I2)具有溫度補(bǔ)償對(duì)數(shù)