核仪器概论2-核电站与核反应堆用核仪器

核仪器概论

第十二节

核电站与核反应堆用核仪器

1.4

气动球测量系统

1）系统测量原理由钒为发射体的自给能探测器可知，51V23在反应堆内吸收一个中子，放出γ（1.95MeV)光子和生成示踪同位素钒-52（52V23）。52V23的半衰期3.76min;在衰变时，发射1.45MeVγ光子和2.75MeV的β粒子。n+51V23——γ（1.95MeV)+52V23——γ(1.45MeV)+β(2.75MeV)1.4.1

气动球测量系统2)系统构成系统由钒合金球传输系统和钒合金球测量系统两部分组成。a)传输系统它由供气管线，钒合金球输送管路，钒合金球定位，阀门和控制计算机组成。工作时，从压力容器顶部插入一叠钒合金球，其叠加高度与堆芯活性区高度相等，这叠钒合金球通过气动送至反应堆堆芯（燃料组件的指套管内）的某一位置（由定位器定位在堆芯活性区的最底端）。

1.4.1

气动球测量系统测量系统它由测量架，γ、β符合测量探头，放大器，计数器和信息处理系统组成。示踪同位素钒-52在固定的时间内、，送到堆芯外的测量架上，利用γ(1.45MeV)和β(2.75MeV)符合测量技术，测出钒球衰变产生的β粒子的数目。知道了钒球衰变产生的β粒子的数目，就可以反推出反应堆中的中子通量（知道β粒子的测量效率；钒-51与中子的反应截面；钒球的输送时间）。1.4.1

气动球测量系统1.4.1气动球测量系统性能指标1）高分辩率中子通量测量，EPR反应堆的气动球测量系统，36×40＝1440个测量点。2）堆芯状态的快速测量，活化时间短（3分钟）。3）气动球测量速度快，两个气动球之间的最少测量间隔小于10分钟。4）测量精度高，±1%（1σ）。反应堆堆芯温度测量系统用镍铬/镍铝铠装K型热电偶监测堆芯温度。一般该热电偶的监测温度在350℃以下，在事故工况下监测温度上限达1200℃。该热电偶具有强抗辐照能力。如：能在积分热中子能量4×1023/m2和积分快中子能量3×1023/m2下正常工作；在10Gy/sγ吸收剂量下，由γ辐射造成的温度测量误差小于+0.03℃。反应堆堆芯温度测量系统热电偶信号及冷端补偿信号均送入工业级微机系统，该系统有2台主机（一用一备，并有自动切换功能）及相应的接口和一台显示设备。该系统还能结合热电偶在堆芯中的位置，通过图形化方式显示堆芯经向温度分布，通过USB外接存储设备，通过RS485通讯接口向电站计算机传输数据。反应堆堆芯液位测量系统反应堆堆芯液位测量系统传感器由5支镍铬／镍铝Ｋ型热电偶组成。分别为带电加热器的热电偶TPIU1、TPIU2、TPIU3和不带电加热器的TP1、TP2。在事故工况时，如：主管道破裂使压力容器内冷却剂液位急剧下降，致使TPIU暴露于气相热介质中时，给出事故工况下极限液位报警。对某一固定监测点，该系统测量分辨力小于50mm，响应时间小于30s。2.堆外核测系统探测反应堆中的中子通量的测量系统示意图～220V电缆高压H。V低压电压放大器甄别器计数器显示单元脉冲产生器滤波器中子探测器计数率/电压变换保护系统周期2.1中子探测器的基本原理1）核反应法。（n，α）（n，P）中子本身不带电，它和物质中原子核之间没有库仑斥力，因此比较容易进入原子核，发生核反应。选择某种产生带电粒子的核反应，记录带电粒子引起的电离现象，就可探测中子。+探测中子目前应用最多的是以下三种核反应：

σ0=3840±11靶广泛应用于中子注量率测量

σ0=936±6靶

σ0=5327±10靶强γ场下的中子测量低中子注量率的测量2.1.1中子探测器的一般电气性能指标类型典型最大外径mm上升沿μs下降沿μs气压kPa耐γ程度R/h热中子灵敏度Cps/nv工作电压VBF3计数管25.40.116010232000涂硼计数管25.40.060.52710348003He正比计数管25.40.111-100010151000裂变室25.40.2110001050.880—2002.1.2涂硼正比计数管的输出脉冲：1）电流脉冲的时间分布核辐射事件及其在探测器中产生的电流脉冲，在时间上是服从泊松分布的，泊松分布的概率函数为：x=0,1,2…；λ＞0；泊松分布的中心为λ。

左图为：不同分布参数的泊松分布曲线。当λ足够大时,可用高斯分布代替.

2)信号的时间分布服从泊松分布的探测器中产生的电流脉冲假如探测器中产生的电流脉冲的计数率为n,则在Δt间隔（Δt可取任意值）内出现N个脉冲的概率为：在高计数率测量时，为了使电流脉冲的计数丢失率在我们要求的范围内，即要求在测量系统的分辨时间Δt期间内,出现第二个电流脉冲的的概率要在我们要求的范围内。理想情况是不出现其它脉冲即在测量系统的分辨时间Δt期间内N=0的概率。nΔtP（0，Δt)211.5%136.8%0.560.7%0.281.9%0.190.5%结论:nΔt越小,电流脉冲重叠的概率越小.

3）脉冲的宽度对计数率的影响

—测量系统的分辨时间Δt——tw

例如n=106/S，脉冲宽度tw=500ns，ntw=0.5时，由上式可知，在脉冲宽度500ns内不出现信号重叠的概率为：

即只有61%的信号不发生重叠，而多达39%的信号将发生重叠，有可能产生漏记。对于涂硼正比计数管输出的电流脉冲信号，tw=500ns，要求漏记率小于10%，如果不采取其它措施，那么它测量的最高记数率是2×105。

2.1.3信号的处理1）微分探测器输出的脉冲信号经过长电缆传输，其上升沿要变慢，脉冲变宽，由上面的分析可知，将使系统的时间分辩率变差。通常采取微分的办法使脉冲变窄。CRVi(t)Vo(t)输入微分输出输出信号：1.宽度变窄;2.幅度变小;3.有反冲。2）信号甄别VT—+AVIViVOVT00tt2）信号甄别甄别γ射线和噪声信号；甄别阈的提高有利于计数率的提高；甄别器与单道分析器。

0TA甄别器主要指标：选择合适的回差—+AVRVOR1R221VI回差大不利于区分重叠脉冲，回差不能小于系统的噪声值。3）噪声对计数率的影响由上面的分析可知：为了提高计数率，需对经过长电缆的探测器输出的信号进行微分，使信号变窄，微分电路的时间常数越小，信号越窄，但幅度衰减也越大。其极限值应使信号与噪声易于区分，即信噪比＞＞1。同时为了甄别堆积脉冲，甄别器的回差要小，但回差不能小于噪声。因此降低系统的噪声，是提高系统计数率的另一重要方面。为此，高中子通量脉冲测量通道在工艺上需采取多种措施以降低噪声。2.1.4

噪声对计数率的影响2.1.5信号的传输在信号的处理和传输中，一般要界定信号是低频信号还是高频信号。信号在低频领域时，在分析电路时，认为整个电路通路上的每一点，都具有相同的电位（电压），而在高频时，电路通路上的每一点电位（电压）都不会相同。这时要考虑接线所产生的电容和电感的分布效应和阻抗匹配。但什么样的信号是高频信号，并没有一个简单的指标来鉴别它，应从不同的领域综合考虑。(1)频带宽度频带宽度（频宽）所代表的是一个信号所含的最高频率分量。对于脉冲信号，决定其所需之频宽，是脉冲信号的上升时间，而不是脉冲信号的频率。如果一个上升时间为1nS的脉冲信号，由公式可知其频宽高达350MHz，通常人们把大于100MHz的频宽信号作为高频信号处理。除了频宽外，人们在对信号是不是作为高频信号处理，还要考虑其它条件，当一个信号的上升时间趋近于传输延迟时间的时候，也要按高频信号处理。涂硼正比计数管要放在反应堆中，探测器输出的电流脉冲信号要经过二百米的电缆传输，其延迟时间已远大于上升时间，所以探测器输出的电流脉冲信号，经过长电缆传输时，要考虑高频信号的影响。1）同轴电缆同轴电缆又称之为屏蔽电缆，这是一种用一层导体来屏蔽信号线的结构，其外层的屏蔽导体主要是用来降低信号线与外界的耦合，这个耦合包括电场耦合和磁场耦合两种。屏蔽导体大多以编织网状的形状居多。（1）特性阻抗Z0

当导线上流经有高频信号时，所呈现的电压与电流的比值，称为特性阻抗。

一个理想传输线的输入阻抗，即所谓的特性阻抗计算公式：其中L为每单位长度的电感量；C为每单位长度的电容量。ABC如果信号源内阻RS等于传输线的特性阻抗Z0;信号幅度为V，A点的信号幅度?（2）延迟时间Td传输线上每单位的时间延迟称为“延迟时间”，其单位通常为ps/mm或者ns/m，它只与传输线每单位长度的电感量和单位长度的电容量有关。ABC如果在T=0时刻在A点出现一个信号,那么要在T+Td之后,在C点出现这个信号。（3）信号的反射RS=Z0，B点在信号线中间，C为终端，开路。ABCtd2tdtttABC（4）反射系数图13—6电缆阻抗匹配反射系数1）传输线的特性阻抗Z0与传输线的长度无关，它由制作材料和工艺决定。2）传输线上每单位的时间延迟，如5ns/m，它也只与传输线每单位长度的电感量和单位长度的电容量有关。3）长电缆传输的脉冲信号一般要考虑阻抗匹配。RS=Z0=Ri；否则将发生反射，造成误计数。2.1.6对数率表在计数率的变化范围非常宽时，通常选用对数率表，对数率表输出电流与输入频率之间存在着对数关系，即I=AlgN。(1)线性输出电压经对数放大器放大输出。（2）利用数字电路进行对数运算处理，DA转换输出。（3）用泵电路实现对数变换。2.1.6.1计数率计的基本电路1、二极管泵电路C1充电C1放电稳定状态下电路工作在稳定的情况下，电容C支路的平均电流为零。只有在时，才与n成正比。推导与n的关系：nC1R＞＞1，=V1。选择合适的CiRi

选择合适的CiV1nC1R0—+20p200p2000p1MΩ20μ+15V对数泵电路示图n100101102103104105106备注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----0.090.670.97C7ΣV21.712.713.714.715.716.626.97增大V273）计数率计的指标包括线性率表和对数率表a）输入信号：≥3vb）量程：10——1×106分6挡，如下10，100，1K，10K，100K，1000Kc）时间常数：1秒，3秒，10秒，30秒d）模拟输出：1-100mVe）误差：≤1∽5%2.1.6.2中子注量率变化的测量（周期测量单元）设在t时刻反应堆内的中子密度n，中子被235U核吸收,过了一代时间后，中子密度增至Kn，净增中子密度为（K-1）n，则堆内的中子密度增长率为：τ表示,从上一代中子的产生到被吸收后又产生新一代裂变中子的平均时间，称为平均每代时间。如果t≥0后，K为常数，对上式积分后得：

式中n0为t=0时的中子密度。求得t时刻反应堆内平均中子密度变化e倍所需的时间，即反应堆周期T；反应堆周期T提供了反应堆启动周期信息，即倍增时间。反应堆在启动过程中。其中子通量是按指数规律增长的：N(t)=N0et/T反应堆在启动过程中。反应堆的输出功率也是指数规律增长的：P(t)=P0et/T对应于反应堆的输出功率，率表输出的电流I(t)=I0et/T上式中T的值反应了反应堆功率的增长速度，当t=T时，P/P0=e=2.718倍。反应堆周期T的物理意义是堆功率增长e倍，所需的时间，一般用Te表示，有时也有采用两倍周期的，用Td表示。经运算，由中子通量可求得周期T与中子通量对数的微分成反比。中子通量可以由电离室检测，电离室输出电流与中子通量成正比，所以周期T可以用电离室电流表示：周期仪由对数放大器、微分电路和滤波电路组成，实际上是一个微分放大电路，微分电容C和电R阻构成微分放大器的时间常数td。

对数放大器微分电路滤波电路周期显示信号输出电流对数放大器的工作原理双极型三极管的基-射电压为：VBE=VTln(IC/IS);式中VT=KT/q.K=1.38×10-23焦耳/度。（波尔兹曼常数），q为电子电荷量，T为绝对温度。VT是一个与温度有关的电压项，在25℃下，典型值为26mV，并与绝对温度成正比。(IC为集电极电流，IS为反向饱和电流。由下图可以得到：

V1=VBE1-VBE2

=VT1ln(I1/IS1)-VT2ln(I2/IS2)如果两个晶体管性能一致，温度相同，则：V1=VT1ln(I1/IS1)-VT2ln(I2/IS2)=VTln(I1/I2)VOUT=〔（R1+R2）/R1〕VTln(I1/I2)具有温度补偿对数放大器电路A点电压为VA（S）输出点B为VB（S）=VA（S）H（S）