研究堆电离室型γ剂量率监测仪维修与改进

周治江，傅源杰，邓伟杰，蒋 波，杨先军

（中国核动力研究设计院，成都 610005）

0 引言

γ空气电离室是利用γ射线入射至电离室的灵敏腔体中，射线与气体分子作用，产生一个电子和一个正离子组成离子对。在电场的作用下，离子对向两极移动，通过测量两极之间流过的电信号的大小，对入射射线的照射量率进行测量，该测量方式具有测量范围宽、耐辐照等优点，其适用于高剂量率的辐射监测，例如：一回路母管剂量率监测、事故后的剂量率监测等[1,2]。反应堆一回路运行时，冷却剂经过堆芯时，冷却剂中的16O通过吸收中子活化成16N，16N发生β衰变生成16O，同时放出γ射线，通过监测一回路出口母管生成16N释放出的γ放射性强度，间接对反应堆的功率监测。该方式对反应堆功率具有较强的实时性，尤其可作为低功率阶段对反应堆功率的监测[3]。反应堆运行时，布置探测器位置的一回路母管γ剂量率105μGy/h量级，为适应反应堆启动至满功率运行时的剂量率监测，要求探测器测量范围在（1～106）μGy/h，且探测器能够耐受长时γ辐照，因此采用空气电离室对一回路母管的剂量率进行测量。

本文以高通量工程试验堆（以下简称“HFETR”）电离室型γ剂量率监测仪，自投运以来发生的两次故障进行深入分析，提出相应改进措施，提升系统可靠性，为后续仪器开发与维修维护提供经验反馈。

图1 HFETR电离室型γ剂量率监测系统原理图Fig.1 Schematic diagram of ionization γ dose rate monitoring system for HFETR

1 系统介绍

图1为HFETR电离室型γ剂量率监测系统原理图，该系统由两套γ剂量率监测仪构成，每套监测仪由电离室、前置放大单元、测量箱、信号处理组件构成，其中N001-1#与N001-2#的电离室和前置放大单元互为备用，N002-1#与N002-2#的电离室和前置放大单元互为备用。空气电离室安装于一次水母管，将一次水母管流过冷却剂中的16N发生β衰变生成16O释放出的γ射线转为电流信号，经前置放大单元放大后转为电压信号输入至测量箱；测量箱内的V/F模块将电压信号转为频率信号后，输入至数据处理单元，数据处理单元根据量程设置将频率信号运算后转为γ剂量率，并将剂量率通过485总线传输至处理组件，由处理组件处理后将测量数据传输至数据采集系统，用于数据存储与显示。处理组件将剂量率与设定阈值进行比较后，输出报警信号。

2 故障维修与改进

HFETR电离室型γ剂量率监测仪自投运以来，主要经历了两次故障分别为前置辐照老化和量程切换故障。

2.1 前置辐照老化

2.1.1 故障现象

在实验室环境本底情况下，检查在役的N002-1#、N002-2#、N001-1#、N001-2#探测器，处理组件显示Hz数分别为123Hz、175Hz、105Hz、55 Hz左右；检查实验室备用探测器N003-1#、N003-2#，处理组件显示Hz数均为10Hz左右。在现场实际环境中，N001-1#与N001-2#现放置于同一位置并互为备用，N002-1#与N002-2#放置于另一位置并互为备用。通过检查探测器输出对比发现，在役探测器与备用探测器至少有一组存在故障。

2.1.2 故障分析

根据厂家提供完工资料，电路噪声造成的本底计数为10Hz左右，与备用探测器对比发现，分析认为在役的探测器存在故障。将在役探测器与备用探测器放置在源强为50μGy/h的放射源进行检查时，发现N002-1#、N002-2#、N001-1#、N001-2#处理组件显示脉冲数分别为130Hz、175Hz、108Hz、160Hz。根据出厂验收资料，该监测仪出厂时在对源强为50μGy/h的放射源进行检查时，处理组件的输出为60Hz。通过上述分析，在役探测器存在故障，且为共因故障。

空气电离室将γ射线转化为微弱的电流信号，为减少电流信号传输的干扰，将前置放大单元与电离室均封装至同一壳体。将电离室拆开后，发现内部接线牢靠，因此主要考虑高压故障、电离室本体、前置放大单元故障。探测器的高压来自于测量箱的高压模块，因此该部分的故障可以排除。空气电离室为同心环结构，内部充常压的干燥空气；通过测量极板的绝缘电阻和电容，该部分参数均正常，可排除电离室故障。

通过上述分析，可确认该故障为前置放大单元故障。前置放大单元放置于现场，反应堆运行时为大剂量辐照环境，致使前置放大单元的芯片辐照老化，导致前置放大单元故障。

2.1.3 维修与改进

为降低前置接收的辐射剂量，可采用外加屏蔽，或者将前置放大单元与探测器分离。为实现放射性剂量衰减，增加屏蔽材料体积大、屏蔽腔体的密封结构复杂，并不能根本解决前置辐照损伤问题。探测器输出微弱的电流信号，该信号不利于远程传输。为减少探测器至前置放大单元的距离，结合现场实际，将原探测器内的前置放大单元移至到工艺房间外，保证前置放大单元的电子元器件不会因为辐照剂量大而损坏。

采用该方法，将探测器与前置单元分离后，仪器在计量站γ源进行实验验证，实验结果表明：两套空气电离室γ剂量监测仪不确定度为9%，满足测量要求与运行要求。

2.2 量程切换故障

2.2.1 故障现象

在HFETR启堆提升功率过程中，N001-1#电离室型γ剂量监测仪测量数值达到满量程，触发警告报警，仪器显示满量程。

2.2.2 故障分析

图2为γ剂量率监测仪前置放大单元的示意图，探测器输出的电流信号经放大器AD549HL放大后，经OP07隔离后，输入至测量箱；通过改变放大器AD549HJ桥臂来反馈电阻的大小，以控制放大倍数，实现量程的切换。图3为测量箱的处理示意图，来自前置放大单元的信号经OP07隔离后输入VF模块（0.001V～10V，对应至1Hz～10kHz）转化为频率信号，输入至处理单元，处理单元根据单位时间受到脉冲计数，转为实际剂量率。前置AD549HL低量程的输入信号的范围为（10-12～10-8）A；高量程输入信号的范围为（10-9～10-5）A。高量程与低量程切换由处理单元通过输出口控制继电器的导通，继电器导通后，触点闭合，实现低量程与高量程的切换。高量程与低量程电流信号共同覆盖范围为（10-9～10-8）A，输入信号在（10-9A～10-8A）范围之间实现量程切换。

图2 前置放大单元的原理图Fig.2 Schematic diagram of the preamplifier unit

图3 测量箱信号处理的原理图Fig.3 Schematic diagram of signal processing measurement box

在HFETR启堆提升功率过程中，N001-1#空气电离室γ剂量监测仪测量数值达到满量程，触发警告报警。由于高量程与低量程，V/F模块输出脉冲频率，对应的灵敏度不同。在反应堆升功率的过程中，达到切换至高量程的阈值后，处理单元通过I/O输出高电平驱动三极管导通，处理组件采用高量程的灵敏度运算。处理单元已发出切换至高量程信号，并采用高量程的灵敏度进行运算，若触点未闭合，致使V/F模块输出的频率为低量程向高量程切换的临界频率，该频率接近V/F输出的最大频率，致使经处理单元运算后达到满量程。该值大于触发信号报警阈值，输出报警信号。该故障可能由继电器触点故障、处理单元输出口故障、继电器励磁线圈故障3种故障导致。

对于继电器触点故障而言，该触点为舌黄管触点，触点与线圈为分离结构，将该触点由电路上拆下，将其安装至舌黄管触点测试板，通过给励磁线圈通电后，用万用表测试触点为导通状态，说明继电器工作正常。

对于处理单元输出口故障而言，由于该仪器设定有校验端口，通过信号发生器直接将信号加入至处理单元的计数口，处理单元以内部算法至高量程测量，此时输出口输出高电平。将测量与校验切换至高量程后，通过万用表量处理单元与470Ω电阻输出电压为2.6V左右，与厂家提供技术资料一致，进而排除处理单元输出口故障的可能。

通过上述分析，确定为继电器励磁线圈故障。励磁线圈的外部无肿胀，无明显损伤痕迹，可判定励磁线圈未损坏。舌黄管触点安装于线圈内部，依靠线圈产生的磁场使触点闭合。初步判断为励磁线圈内部导磁性能下降，产生磁场较弱，使触点不能可靠吸合。

2.2.3 维修与改进

在线圈匝数一定时，励磁线圈产生的磁场大小与内部导磁材料和励磁电流大小有关。对于内部导磁材料处理，主要为更换线圈。更换线圈后，由于线圈内部导磁材料性能衰减，不能根本解决吸合不可靠的问题。因此，采用增加励磁电流解决该问题。可通过提高图3中的VDC电压，增大励磁电流，增大磁场强度。图3中，继电器的初始工作电源电压为5V，而测量箱内部有+12V电源，在不增加器件的条件下，利用测量箱VDC+12V替代原处理组件CPU主板输出的5V电源，给励磁线圈供电。

改进后，运行时的测量值稳定，不会突变，验证了舌黄管继电器吸合可靠性。

3 小结

本文对HFETR电离室型γ剂量率监测仪自投运以来发生的两次故障进行分析后，提出相应的改进措施，提高电离室型γ剂量率监测仪运行的可靠性，为后续同类型仪器维修维护和设计提供经验借鉴。