СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА РАДИОАКТИВНОГО ГАЗА И ПЛОТНОСТИ ИОНИЗАЦИИ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области аэродинамики и газодинамики и может быть использовано для определения расхода радиоактивного газового потока и плотности ионизации в нем, например, в системах контроля величины выброса в вентиляционную трубу атомной станции или любой другой ядерной энергетической установки.

Известен способ определения скорости воздушного (газового) потока [1], включающий подачу потока воздуха в измерительный канал, воздействие на газ, проходящий по измерительному каналу, поперечным электростатическим полем плоского конденсатора и ионизирующим излучением, регистрацию ионизационного тока насыщения в цепи конденсатора и оценку величины скорости потока исходя из ее прямой пропорциональной зависимости от измеренной величины тока насыщения. Данный способ не может использоваться для определения скорости ионизированного газового потока, содержащего радиоактивную примесь в газовой и/или аэрозольной форме, и одновременного определения плотности ионизации газа, связанной с величиной объемной активности. Это объясняется тем, что при осуществлении данного способа используется источник ионизирующего излучения, обеспечивающий постоянное значение плотности ионизации газа внутри измерительного канала.

Наиболее близким к изобретению по своей сущности является способ [2, 3] определения скорости потока радиоактивного газа и плотности ионизации газовой среды, включающий установку проточного измерительного устройства в поток газа, изокинетическую подачу газа в измерительный канал устройства, воздействие на протекающий по измерительному каналу газ электрическим полем E₀ введенного в измерительный канал плоского конденсатора, измерение величины ионизационного тока i_пр и оценку скорости потока и плотности ионизации из выражений. При реализации данного способа на поток газа в измерительном канале воздействуют электрическим полем, величина которого модулируется за счет подачи на введенные в измерительный канал обкладки плоского конденсатора импульсного напряжения от генератора прямоугольных импульсов. Ионизационный ток в цепи конденсатора пропорционален плотности ионизации (объемной концентрации ионов обоих знаков) в объеме измерительного канала, а скорость потока определяют по величине индукционного тока в катушке (индукционный датчик), помещенной внутри измерительного канала.

Недостатком известного способа является высокое значение нижнего предела измерения плотности ионизации (соответствующей по порядку величины активности аварийного выброса энергоблока атомной станции), что обусловлено низкой чувствительностью индукционного датчика к изменению продольного тока носителей заряда (продольный ток - ток зарядов, связанных с наличием продольной составляющей скорости ионов того или иного знаков, увлекаемых воздушным потоком).

Задача изобретения - повышение чувствительности определения скорости потока ионизованного или радиоактивного газа и снижение нижнего предела определения плотности ионизации (или уровня радиоактивности).

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в известном способе определения скорости потока радиоактивного газа и плотности ионизации газовой среды, включающем установку проточного измерительного устройства в поток газа, изокинетическую подачу газа в измерительный канал устройства, воздействие на протекающий по измерительному каналу газ электрическим полем E₀ введенного в измерительный канал плоского конденсатора, измерение величины ионизационного тока i_пр и оценку скорости потока и плотности ионизации, согласно данному изобретению рядом с проточным измерительным каналом в поток газа устанавливают дополнительный идентичный измерительный канал, герметично перекрывают его входное и выходное отверстия, воздействуют на газ внутри дополнительного измерительного канала электрическим полем E₀ введенного в него плоского конденсатора и дополнительно измеряют ионизационный ток i_нп в нем, по величине которого оценивают плотность ионизации в газовом потоке, а скорость потока U₀ определяют из выражения
U₀ = [(i_пр/i_нп) -1]• S_nμ E₀/S₀, (м/с),
где S_n - площадь электродов, м²;
S₀=L•L₀, м²;
μ - подвижность ионов, Вм²/с;
L₀ - ширина межэлектродного промежутка, м;
L - ширина электродов, м.

При осуществлении предложенного способа измеряют только ионизационный ток, который на несколько порядков превышает индукционный ток, используемый при определении скорости потока ионизированной газовой среды по известному способу, что обеспечивает повышение чувствительности измерений.

Ионизационный ток в цепи дополнительно установленного измерительного канала пропорционален плотности ионизации газа или связанной с ней величине объемной активности радиоактивной газоаэрозольной примеси в потоке воздушного выброса через венттрубу атомной станции. Характерная величина ионизационного тока при контроле в венттрубе ядерной установки в условиях как нормальной эксплуатации, так и при проектных авариях лежит в диапазоне 1•10^-9 - 1•10^-12 А.

Известен ионизационный расходомер газа [1], содержащий измерительный канал в виде открытой с обеих сторон трубы, внутри которой размещены два плоских прямоугольных электрода, образующих проточную ионизационную камеру, причем на один (или на оба) тонким слоем нанесен радиоактивный препарат. Электроды подсоединены к источнику электрического напряжения и к блоку измерения ионизационного тока. Ионизация захватывает весь объем камеры. При работе устройства ионы, идущие к электродам, выносятся газовым потоком из пределов камеры тем сильнее, чем больше скорость газового потока, а электрический ток в цепи камеры пропорционален скорости потока. Чтобы исключить влияние плотности воздуха (газа) на показания, устройство может быть снабжено дополнительной аналогичным измерительным каналом с ионизационной камерой, защищенной от воздействия потока воздуха.

Данное устройство не может использоваться для измерения скорости потока и плотности ионизации газовой среды, несущей равномерно распределенную по объему радиоактивную газоаэрозольную примесь, поскольку уже на входе проточной ионизационной камеры поступает ионизованный газ, а наличие внутри ионизационной камеры радиоактивного источника ионизирующего излучения не позволяет выполнить измерения для оценки плотности ионизации (или активности радиоактивной газоаэрозольной примеси) в потоке газа.

Наиболее близким к изобретению является устройство [2, 3] для определения скорости потока радиоактивного газа и плотности ионизации газовой среды, содержащее измерительный канал в виде открытой с обеих сторон трубы прямоугольного сечения, выполненной из диэлектрического материала, два плоских прямоугольных электрода, введенных в измерительный канал, источник электрического напряжения и блок измерения тока, электрически соединенные с электродами, установленными параллельно на противоположных стенках измерительного канала и образующих проточную ионизационную камеру, в которую введена индукционная катушка, причем источник электрического напряжения выполнен в виде генератора переменного напряжения, а индукционная катушка включена в электрическую цепь блока регистрации индукционного тока.

Известное устройство не позволяет проводить измерения скорости газового потока при малой объемной активности радиоактивного газа и, следовательно, при низких значениях плотности ионизации газа и ионизационного тока, так как индукционный ток примерно на два порядка величины меньше ионизационного. Реально такое устройство применимо для оценки текущего значения величины радиоактивного газоаэрозольного выброса только в случае максимальной проектной или при запроектных авариях на атомной станции.

Задача изобретения - повышение чувствительности определения скорости потока ионизованного или радиоактивного газа и снижение нижнего предела определения плотности ионизации или уровня радиоактивности.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что известное устройство, содержащее измерительный канал в виде открытой с обеих сторон трубы прямоугольного сечения, выполненной из диэлектрического материала, два плоских прямоугольных электрода, введенных в измерительный канал, источник электрического напряжения и блок измерения тока, электрически соединенные с электродами, установленными параллельно на противоположных стенках измерительного канала и образующих проточную ионизационную камеру, согласно данному изобретению снабжено дополнительным идентичным измерительным каналом с герметично закрытыми входным и выходным отверстиями, дополнительными источником электрического напряжения и блоком измерения тока, электрически соединенными с электродами дополнительного измерительного канала, причем длина l электродов выбрана из выражения
(10 - 15) L₀ ≥ l ≥ U₀•L₀/(E₀• μ), м,
а толщина t стенки трубы измерительных каналов выбрана из соотношения
R_e(E_e) ≥ t ≥ 0,5 • 10^-3, м,
где R_e(E_e) - пробег электронов в материале стенки трубы, м,
E_e ≥ 300 кэВ - энергия электронов распада радионуклидов, присутствующих в качестве примеси в газовом потоке, электронов комптоновского рассеяния гамма-квантов.

Стенки трубы выполнены из гетинакса, причем две противолежащие стенки выполнены из фольгированного гетинакса и образуют электроды плоского конденсатора. Электроды могут быть также выполнены в виде слоя металла, напыленного на внутренние поверхности двух противолежащих стенок трубы.

Сущность изобретения поясняется с помощью фиг. 1 и 2. На фиг. 1 изображена проточная ионизационная камера и показано влияние краевых эффектов на границах электродов на увеличение сбора зарядов. На фиг. 2 схематично показано устройство по данному изобретению, установленное в вентиляционной трубе АС в воздушном потоке, содержащем радиоактивную газоаэрозольную примесь.

Устройство содержит измерительный канал 1 и жестко соединенный с ним дополнительный измерительный канал 2, представляющие собой отрезки трубы прямоугольного сечения, выполненной из диэлектрического материала. Внутри каждого из каналов расположена идентичная система плоских электродов 3, образующая ионизационные камеры 4. Торцы дополнительного измерительного канала 2, герметично закрыты заглушками 5. Все устройство установлено, например, в венттрубе 6 АС в потоке ионизированного воздуха, содержащего равномерно распределенную по объему радиоактивную газоаэрозольную примесь. Электроды 3 ионизационных камер 4 электрически соединены с источниками 7 высокого электрического напряжения и с блоками 8 регистрации ионизационных токов.

Введение дополнительного идентичного первому измерительного канала с непроточной ионизационной камерой позволяет обеспечить оценку величины плотности ионизации и/или объемной активности контролируемого газового потока, а также компенсировать изменения плотности ионизации (величины активности радиоактивной газоаэрозольной примеси) газа при измерении скорости потока газовой среды, выполняемом с помощью первого измерительного канала.

Поскольку данное устройство в качестве первичных преобразователей содержит только ионизационные камеры, то чувствительность его при измерении плотности ионизации скорости потока ионизованной газовой среды значительно выше, чем у известного устройства. Кроме того, дополнительный положительный эффект достигается за счет неравномерности электрического поля на краях электродов, которое способствует вхождению ионов в измерительный канал, с одной стороны, и противодействует их выходу из канала, с другой стороны. Из фиг. 1 видно, что силовые линии электрического поля на краях электродов изгибаются, а вектор силы действующий на ион с зарядом g^(±), направлен по касательной к силовой линии. Разложение силы на составляющие показывает, что вертикальная составляющая силы либо параллельна направлению воздушного потока (при входе потока в канал), либо антипараллельна (на выходе из канала). При напряженности электрического поля ≈ 1•10⁴ В/м сила, действующая на ион, составляет 1,6•10^-15 Н.

При скорости воздушного потока в канале U₀=10 м/c динамическое давление P = ρU₀ ²/2 (где ρ - плотность газа) составляет 64,5 H/м².

Поскольку концентрация молекул в воздухе при нормальном давлении составляет N₀ = 2,75•10¹⁹ част./см³, то характерное межмолекулярное расстояние f ≈ 1/ = 3,31 •10^-7 см. Если f² принять за эффективную площадь, в которой может находиться ион, то сила, с которой поток действует на ион, при выносе его из канала составляет 0,71 • 10^-15 H, то есть сравнима с силой, противодействующей выносу иона из полости измерительного канала. Этот эффект "электрической пробки" способствует повышению эффективности сбора зарядов на электродах проточной ионизационной камеры данного устройства и может быть усилен специальной обработкой краев электродов.

Длина электродов выбрана из условия, которое обеспечивает, с одной стороны, стабилизацию характеристик газового потока внутри измерительного канала, а с другой стороны, превышение времени перемещения ионов вдоль измерительного канала над временем сбора зарядов в проточной ионизационной камере, что обеспечивает более полный сбор зарядов.

Толщина стенки диэлектрической трубы измерительного канала выбрана так, что обеспечиваются условия, близкие к условиям электронного равновесия при облучении газа бета- и гамма-излучением равномерно распределенной в его объеме радиоактивной газоаэрозольной примеси. С другой стороны, толщина стенки ограничивается требованием механической прочности измерительного канала.

В качестве материала для изготовления измерительного канала может использоваться тефлон или гетинакс, причем при использовании, в частности, фольгированного гетинакса металлическое покрытие используется в качестве электродов ионизационной камеры. При использовании других диэлектрических материалов для изготовления измерительного канала электроды могут быть выполнены в виде напыленного на внутреннюю поверхность канала слоя металла.

При работе устройства на ионизационные камеры 4 с помощью источников 7 подают электрическое напряжение, которое формирует в межэлектродных промежутках ионизационных камер 4 поперечное по отношению к вектору скорости потока воздуха (или другой газовой среды) электрическое поле E₀ напряженностью примерно 1•10⁴ В/м, и с помощью блоков регистрации ионизационных токов записывают значения токов в проточной и непроточной ионизационных камерах.

Ток непроточной ионизационной камеры определяется зарядами, возникающими в ее объеме за счет воздействия гамма- и бета-излучения радиоактивной примеси окружающего воздуха (газа), и описывается выражением

где q(x) - концентрация ионов одного знака в воздухе (газе).

Ток проточной ионизационной камеры - выражением

где S_n= Ll (S₀=LL₀), а первое слагаемое описывает составляющую ионизационного тока, обусловленную ионами, поступающими в камеру с потоком контролируемого воздуха (газа).

Из приведенных выражений ясно, что


Таким образом, ток непроточной ионизационной камеры при данном значении электрического поля определяется концентрацией ионов или плотностью ионизации, а отношение токов проточной и непроточной камеры позволяет определить скорость газового потока.

При использовании способа и устройства в соответствии с данным изобретением достигается увеличение чувствительности устройства не менее чем на два порядка [3] и, как следствие, обеспечивается возможность определения текущего значения величины радиоактивного выброса через вентиляционную трубу в условиях нормальной эксплуатации атомной станции.

Источники информации:
1. Качурин Л. Г. Электрические измерения аэрофизических величин. - М.: Высшая школа, 1967, с. 289 - 293.

2. Авторское свидетельство СССР N 1636775, кл. 5 G 01 P 5/08, 27.05.88.

3. "Атомная энергия", т. 77, вып. 5, 1994, с. 392 - 402т