研究堆電離室型γ劑量率監測儀維修與改進

周治江，傅源杰，鄧偉杰，蔣 波，楊先軍

（中國核動力研究設計院，成都 610005）

0 引言

γ空氣電離室是利用γ射線入射至電離室的靈敏腔體中，射線與氣體分子作用，產生一個電子和一個正離子組成離子對。在電場的作用下，離子對向兩極移動，通過測量兩極之間流過的電信號的大小，對入射射線的照射量率進行測量，該測量方式具有測量范圍寬、耐輻照等優點，其適用于高劑量率的輻射監測，例如：一回路母管劑量率監測、事故后的劑量率監測等[1,2]。反應堆一回路運行時，冷卻劑經過堆芯時，冷卻劑中的16O通過吸收中子活化成16N，16N發生β衰變生成16O，同時放出γ射線，通過監測一回路出口母管生成16N釋放出的γ放射性強度，間接對反應堆的功率監測。該方式對反應堆功率具有較強的實時性，尤其可作為低功率階段對反應堆功率的監測[3]。反應堆運行時，布置探測器位置的一回路母管γ劑量率105μGy/h量級，為適應反應堆啟動至滿功率運行時的劑量率監測，要求探測器測量范圍在（1～106）μGy/h，且探測器能夠耐受長時γ輻照，因此采用空氣電離室對一回路母管的劑量率進行測量。

本文以高通量工程試驗堆（以下簡稱“HFETR”）電離室型γ劑量率監測儀，自投運以來發生的兩次故障進行深入分析，提出相應改進措施，提升系統可靠性，為后續儀器開發與維修維護提供經驗反饋。

圖1 HFETR電離室型γ劑量率監測系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of ionization γ dose rate monitoring system for HFETR

1 系統介紹

圖1為HFETR電離室型γ劑量率監測系統原理圖，該系統由兩套γ劑量率監測儀構成，每套監測儀由電離室、前置放大單元、測量箱、信號處理組件構成，其中N001-1#與N001-2#的電離室和前置放大單元互為備用，N002-1#與N002-2#的電離室和前置放大單元互為備用。空氣電離室安裝于一次水母管，將一次水母管流過冷卻劑中的16N發生β衰變生成16O釋放出的γ射線轉為電流信號，經前置放大單元放大后轉為電壓信號輸入至測量箱；測量箱內的V/F模塊將電壓信號轉為頻率信號后，輸入至數據處理單元，數據處理單元根據量程設置將頻率信號運算后轉為γ劑量率，并將劑量率通過485總線傳輸至處理組件，由處理組件處理后將測量數據傳輸至數據采集系統，用于數據存儲與顯示。處理組件將劑量率與設定閾值進行比較后，輸出報警信號。

2 故障維修與改進

HFETR電離室型γ劑量率監測儀自投運以來，主要經歷了兩次故障分別為前置輻照老化和量程切換故障。

2.1 前置輻照老化

2.1.1 故障現象

在實驗室環境本底情況下，檢查在役的N002-1#、N002-2#、N001-1#、N001-2#探測器，處理組件顯示Hz數分別為123Hz、175Hz、105Hz、55 Hz左右；檢查實驗室備用探測器N003-1#、N003-2#，處理組件顯示Hz數均為10Hz左右。在現場實際環境中，N001-1#與N001-2#現放置于同一位置并互為備用，N002-1#與N002-2#放置于另一位置并互為備用。通過檢查探測器輸出對比發現，在役探測器與備用探測器至少有一組存在故障。

2.1.2 故障分析

根據廠家提供完工資料，電路噪聲造成的本底計數為10Hz左右，與備用探測器對比發現，分析認為在役的探測器存在故障。將在役探測器與備用探測器放置在源強為50μGy/h的放射源進行檢查時，發現N002-1#、N002-2#、N001-1#、N001-2#處理組件顯示脈沖數分別為130Hz、175Hz、108Hz、160Hz。根據出廠驗收資料，該監測儀出廠時在對源強為50μGy/h的放射源進行檢查時，處理組件的輸出為60Hz。通過上述分析，在役探測器存在故障，且為共因故障。

空氣電離室將γ射線轉化為微弱的電流信號，為減少電流信號傳輸的干擾，將前置放大單元與電離室均封裝至同一殼體。將電離室拆開后，發現內部接線牢靠，因此主要考慮高壓故障、電離室本體、前置放大單元故障。探測器的高壓來自于測量箱的高壓模塊，因此該部分的故障可以排除。空氣電離室為同心環結構，內部充常壓的干燥空氣；通過測量極板的絕緣電阻和電容，該部分參數均正常，可排除電離室故障。

通過上述分析，可確認該故障為前置放大單元故障。前置放大單元放置于現場，反應堆運行時為大劑量輻照環境，致使前置放大單元的芯片輻照老化，導致前置放大單元故障。

2.1.3 維修與改進

為降低前置接收的輻射劑量，可采用外加屏蔽，或者將前置放大單元與探測器分離。為實現放射性劑量衰減，增加屏蔽材料體積大、屏蔽腔體的密封結構復雜，并不能根本解決前置輻照損傷問題。探測器輸出微弱的電流信號，該信號不利于遠程傳輸。為減少探測器至前置放大單元的距離，結合現場實際，將原探測器內的前置放大單元移至到工藝房間外，保證前置放大單元的電子元器件不會因為輻照劑量大而損壞。

采用該方法，將探測器與前置單元分離后，儀器在計量站γ源進行實驗驗證，實驗結果表明：兩套空氣電離室γ劑量監測儀不確定度為9%，滿足測量要求與運行要求。

2.2 量程切換故障

2.2.1 故障現象

在HFETR啟堆提升功率過程中，N001-1#電離室型γ劑量監測儀測量數值達到滿量程，觸發警告報警，儀器顯示滿量程。

2.2.2 故障分析

圖2為γ劑量率監測儀前置放大單元的示意圖，探測器輸出的電流信號經放大器AD549HL放大后，經OP07隔離后，輸入至測量箱；通過改變放大器AD549HJ橋臂來反饋電阻的大小，以控制放大倍數，實現量程的切換。圖3為測量箱的處理示意圖，來自前置放大單元的信號經OP07隔離后輸入VF模塊（0.001V～10V，對應至1Hz～10kHz）轉化為頻率信號，輸入至處理單元，處理單元根據單位時間受到脈沖計數，轉為實際劑量率。前置AD549HL低量程的輸入信號的范圍為（10-12～10-8）A；高量程輸入信號的范圍為（10-9～10-5）A。高量程與低量程切換由處理單元通過輸出口控制繼電器的導通，繼電器導通后，觸點閉合，實現低量程與高量程的切換。高量程與低量程電流信號共同覆蓋范圍為（10-9～10-8）A，輸入信號在（10-9A～10-8A）范圍之間實現量程切換。

圖2 前置放大單元的原理圖Fig.2 Schematic diagram of the preamplifier unit

圖3 測量箱信號處理的原理圖Fig.3 Schematic diagram of signal processing measurement box

在HFETR啟堆提升功率過程中，N001-1#空氣電離室γ劑量監測儀測量數值達到滿量程，觸發警告報警。由于高量程與低量程，V/F模塊輸出脈沖頻率，對應的靈敏度不同。在反應堆升功率的過程中，達到切換至高量程的閾值后，處理單元通過I/O輸出高電平驅動三極管導通，處理組件采用高量程的靈敏度運算。處理單元已發出切換至高量程信號，并采用高量程的靈敏度進行運算，若觸點未閉合，致使V/F模塊輸出的頻率為低量程向高量程切換的臨界頻率，該頻率接近V/F輸出的最大頻率，致使經處理單元運算后達到滿量程。該值大于觸發信號報警閾值，輸出報警信號。該故障可能由繼電器觸點故障、處理單元輸出口故障、繼電器勵磁線圈故障3種故障導致。

對于繼電器觸點故障而言，該觸點為舌黃管觸點，觸點與線圈為分離結構，將該觸點由電路上拆下，將其安裝至舌黃管觸點測試板，通過給勵磁線圈通電后，用萬用表測試觸點為導通狀態，說明繼電器工作正常。

對于處理單元輸出口故障而言，由于該儀器設定有校驗端口，通過信號發生器直接將信號加入至處理單元的計數口，處理單元以內部算法至高量程測量，此時輸出口輸出高電平。將測量與校驗切換至高量程后，通過萬用表量處理單元與470Ω電阻輸出電壓為2.6V左右，與廠家提供技術資料一致，進而排除處理單元輸出口故障的可能。

通過上述分析，確定為繼電器勵磁線圈故障。勵磁線圈的外部無腫脹，無明顯損傷痕跡，可判定勵磁線圈未損壞。舌黃管觸點安裝于線圈內部，依靠線圈產生的磁場使觸點閉合。初步判斷為勵磁線圈內部導磁性能下降，產生磁場較弱，使觸點不能可靠吸合。

2.2.3 維修與改進

在線圈匝數一定時，勵磁線圈產生的磁場大小與內部導磁材料和勵磁電流大小有關。對于內部導磁材料處理，主要為更換線圈。更換線圈后，由于線圈內部導磁材料性能衰減，不能根本解決吸合不可靠的問題。因此，采用增加勵磁電流解決該問題。可通過提高圖3中的VDC電壓，增大勵磁電流，增大磁場強度。圖3中，繼電器的初始工作電源電壓為5V，而測量箱內部有+12V電源，在不增加器件的條件下，利用測量箱VDC+12V替代原處理組件CPU主板輸出的5V電源，給勵磁線圈供電。

改進后，運行時的測量值穩定，不會突變，驗證了舌黃管繼電器吸合可靠性。

3 小結

本文對HFETR電離室型γ劑量率監測儀自投運以來發生的兩次故障進行分析后，提出相應的改進措施，提高電離室型γ劑量率監測儀運行的可靠性，為后續同類型儀器維修維護和設計提供經驗借鑒。