电离室在秦山第二核电厂辐射监测系统中的应用

在核辐射探测领域中，电流电离室探测器 以其结构简单、线性范围宽（超过８个数量级）、 使用寿命长、能量响应好等优点被广泛用于７ 射线（或Ｘ射线）照射量测量、吸收剂量测量、 放射性气体的测量和辐射监测等领域。 秦山二期１、２号机组辐射监测系统国产仪 表中７０％都是电离室仪表，是辐射监测系统中 使用数量最多的一类探测仪表。共有四类：区 域Ｉ型ｙ剂量率监测仪（４套）、区域Ⅱ型７剂 量率监测仪（９套）、中放液体活度监测仪（１２ 套）、高放液体活度监测仪（１２套）。 该批国产电离室类仪表，为参考法国ＭＧＰ 公司上世纪８０年代的同类仪表设计制造，自
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在这种方法中，信号是直流耦合的，再加上 高阻、甚高输人阻抗元件的长时间稳定性、温度 漂移等因素，漂移较大，一般要采取补偿措施 （如输入级采用差分形式等）或增设调零电路。
万方数据
在此方法中，第一级甚高输入阻抗电路元 件可以采用静电计管、ＭＯＳＦＥＴ或特殊工艺作 成的甚高输入阻抗集成运放。静电计管输入阻
到集中处理组件进行数据处理，模拟信号的远 距离传输对电缆的要求高，对屏蔽和接地的要 求也很高，但其抗干扰能力相对又很差，同时还 受传输电缆本身的影响也大，导致通道本身抗 干扰能力差，易受干扰影响。 ２．４仪表不具备放射源现场次级校准条件 所有电离室仪表的设计，都没有考虑提供
一个灵敏度值，造成在高端和低端的测量误差 较大。
组成。由于比较器是过零比较器，放电开关前
也就是说输出频率与照射剂量成正比。
该型弱电流放大器的特点是不需要换档、
前放体积可做得很小；前放使用运算放大器做 前级，零漂移特性好，不需要调零；量程范围特 别宽，可达５～７个量级，其可测量到的最小电
流可达１０ｑｚ＂－１０－１３ Ａ左右，但其缺点是低剂
量点响应时间较长、测量灵敏度很低、要求电离 室收集极与地之间绝缘、积分电容绝缘、放大器 输入阻抗和放电开关绝缘要大于１０１６Ｑ。 图２是１、２号机组区域Ｉ型监测仪的实际 前放电路图。积分电容其容值为１００ｐｆ，放大
图２
１、２号机组区域Ｉ型监测仪的前放电路图
标准压力和温度下每ＣｌＴｌ３空气每Ｒ／ｈ产
生电流为９２．６ｆＡ／（ｃｒｎ３・Ｒ／ｈ）．据此计算可得 ｌ＃Ｇｙ／ｈ在１Ｌ电离室饱和电流为ｉ－－＿１．０６１６Ｘ １０一１‘Ａ，即电离室输入电流为１×１０＿１‘Ａ：Ｉ充＝
２运行中存在的问题及分析
在几年来的运行和维护中，存在问题和分
无法及时对仪表进行校准或检定，无法检验和 保证仪表测量结果的可靠性。 前述的几种主要缺陷，在现机组的运行和 维护检修中造成的影响很明显。电离室类仪表 的误报率较高，通道的抗干扰能力很差，经常因 为干扰而导致非常高的测量计数，触发通道一 级、二级报警，带联锁通道同时触发联锁动作，
Ｈｚ／／１Ｇｙ／ｈ ｌ－ｌｚ／ｔｚＧｙ／ｈ
保护措施，缺点是灵敏度还不够高，常温下只能
测量１０－巧Ａ量级的电流，高温情况下灵敏度还 要降低，此法目前还未见广泛使用。 图１电荷平衡型口屯电路原理框图
此种方法宽范围的量程覆盖一般依靠切换 高阻实现。高阻切换有用手动换档开关方式，
也有采用控制高绝缘继电器（如干簧继电器，触 点和线包、触点断开时触点之间的绝缘可达 １０１６Ｑ）进而控制高阻变换的。为保证测量的准
为积分电容器中电荷的放电脉冲，向积分电容 放电（即反向充电），而放电时间即是单稳的暂 稳态时间（输出脉宽），放大器的输出电压迅速
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器件容易损坏。６个数量级必须进行几次量程
万方数据
下降，当积分器的输出刚刚低于比较器的低阈 值电压时，比较器又发生翻转，电子开关又断 开，然后重复前面的过程，形成输出脉冲序列。 放电频率取决电离室电流的大小。单稳态 另一部分输出到射极跟随器输入端，射极跟随 器输出即为前放输出。 放电开关电路由电阻、二极管、单稳态电路
敏度不仅限制了仪表的后级数据处理方法，还
万方数据
限制了对仪表的电子学处理线路的性能检查． 特别是对测量范围的低端窗口，难以进行检查， 而这段窗口恰恰是仪表的长期主要工作窗口。 过低的灵敏度还导致仪表在加电启动后转入正 常测量的时间很长、出现低值失效报警，仪表断 电后的恢复时间过长。另，整个量程范围只有
析从以下几方面进行叙述。
２．１探测灵敏度过低
１×１０＿１‘Ａ。由于Ｉｔ，＝６雄，在Ｔ鼓＝０．５弘ｓ下，
计算得出Ｆ充－－－－３．３３３ｍＨｚ，则电流灵敏度为３．
３３３ｍＨｚ／１０－１‘Ａ，探测器灵敏度为３．３３３ｍＨｚ／ （ｐＧｙ／ｈ）。
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现机组的四类电离室类仪表，其探测灵敏
度都很低，均在ｍＨｚ水平或更低。过低的灵
抗可达１０“Ｑ，可测量下限电流为ｌｏ－１‘Ａ量 级，体积较笨重，易受机械损坏，目前已很少采 用。ＭＯＳＦＥＴ输入阻抗可达１０１６ Ｑ，珊流为 ｌＯ－１６Ａ量级，可测量下限电流为１０－１６Ａ量级，
切换（换档时应考虑到有相互重叠的部分），量
程切换需采用高绝缘继电器，继电器和高阻及 前置放大器必须连接在一起，造成前放体积增
求，还往往要求它能覆盖几个数量级。比如区 域７剂量率监测仪，使用１Ｌ等压空气电离室， 测量范围要求达到１－＇－－１０６ｐＧｙ・ｈ～，这样电离 室输出电流信号为１０－１‘Ａ＂－－１０一Ａ，也就是说 要求测量电路能处理最弱１０－１‘Ａ电流，至少还
要覆盖６个数量级。
１．１
行以来，一些仪表设计、制造等方面的问题和缺
第２８卷第６期 ２００８年１１月
核电子学与探测技术
Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ＶｏＬ ２８
Ｎｏｖ．
Ｎｏ－６
２００８
电离室在秦山第二核电厂辐射监测系统中的应用
刘正山１，苗宇星１，彭 常林生１，张 强２，黄 阳１，刘晋瑾１，邱远法１， 鸿２，李冬馀２，申启明２
Ｋ的第一级是一个具有很高输入阻抗、
较高速度的放大器Ａ，它和电容Ｃ组成积分 器，其后跟一个施密特电压比较器，一个低漏电
（小于最低测量电流的几分之一）的电子开关受 单稳电路控制，单稳的触发端接比较器的输出。 电子开关还串联了一个恒流源（大于最大输入
确性、仪器工作的长期稳定性，高阻切换装置需 要特殊设计，并经过绝缘工艺处理以保证输入 信号流经高阻时不被旁路（尤其在最高灵敏档 时），增加了体积和复杂性，在一些应用中这种
大。前放输出的是电压信号，如要进行计算机
控制，后续电路还需进行电压／频率转换或模数
转换。
１．２盹变换方式
该方法是直接将弱电流进行ＷＣ变换，同
时进行阻抗变换。实现ＩＦＣ变换的方式大致
体积小，价格较低，需挑选配对使用，易受静电
损坏是其致命弱点，若加保护二级管则对保护
二级管的漏电要求很高，否则降低灵敏度。此 种方法广泛应用于核辐射剂量（率）仪器仪表
中。近年随着集成电路工艺的发展，采用特殊
有两类：积分一施密特型和电荷平衡型。秦山
二电厂１、２号机组采用的是电荷平衡型眦
变换方式。图１是其电路原理框图。
低漏电电子开关
Ｉｄｉｓ
工艺制成的集成电路其输入阻抗可达１０１５
Ｑ以
上，输入漏电为１０．１６ Ａ量级（如Ｂｕｍ—Ｂｒｏｗｎ 公司生产的采用ＤＩＦＥＴ工艺生产的集成运放 ＩＮＡｌｌ６），内部集成了较完善的保护功能。它 的最大优点在于器件无需特别挑选、无需另加
器使用了高输入阻抗的ＩＮＡｌｌ６Ｐ，电压比较器
要加反向二极管，保证放电后是关断的，电阻的 大小和暂稳时间决定放电量的大小，放电开关 通断频率就是放大器输出频率。 积分电容充电量Ｑ充＝Ｉ充・Ｔ兖，放电量
‰＝（Ｉｔ・Ｉ充）・Ｔ垃。当电路稳定，充放电应相
等：Ｑ充＝Ｑ救，即Ｉ充・Ｔ充＝（Ｉ披一Ｉ充）・Ｔ擅。则
陷逐步曝露出来，对其应用情况进行针对性的 反馈和技术改进，可以有效地避免这些问题的
Ｉ－Ｖ转换测量方式 这种方式的侧重点在阻抗变换上，即先将
高阻抗输入电流信号变换为低阻抗直流电压或 电流信号输出，再对其进行处理。采用高阻取
样、甚高输入阻抗电路进行阻抗变换，获得低阻 抗可测输出电压。
收稿日期：２００８－０３一１０ 作者简介：刘正山（１９６８－－），男，山西五台县人，副研 究员，中国辐射防护研究院电子信息所核电技术服 务室主任，主要从事核辐射监测、核仪器开发研制、 核电现场辐射防护辐射监测技术服务等方面的工 作．
表１现机组电离室仪表技术参数 仪表类塑
区域１型 区域１１
在现场使用放射源进行次级校准的条件，而在
７校准辐射场中进行的话需要配置成套的通道
鬻
１Ｌ １Ｌ
测量范围 １～１０６／ⅢＧｙ／ｈ １～１０６ ｐＧｙ／ｈ ｌＯ～１０７／ｕＧｙ／ｈ
灵馘
３Ｅ－３ Ｈｚ／／ｚＧｙ／ｈ ３Ｅ－３ ３Ｅ－４
设备，更不具备条件，导致长期运行或检修后，
１、２号机组分别于２００２和２００４年正式投入运
复现，提高仪表运行可靠性。 １测量电路设计 受自身转换灵敏度低（１０～ＨＡ／Ｌ・弘Ｇｙ・ ｈ－１一等压空气电离室）、体积、工艺等因素限 制，电离室的输出电流很小而输出阻抗很高（超
过１０１６Ｑ），更为突出的是：测量电路不但要满 足最高灵敏档一对应最弱输出信号测量的要
档瞬间电流过载和冲击，如果剂量场突变要求 １秒达到上限剂量，继电器还未从低量程换到 高量程，会造成低量程瞬间大剂量过载、输入端
一旦积分运算放大器输出电压超过反相输入端
设定阈值，比较器发生翻转，输出一个高电平， 这个高电平用来触发一个双单稳态，这个单稳 态既是一个电子开关，又是一个放电脉冲源，高
电平是开，低电平是关。单稳态输出一部分作
（１．中国辐射防护研究院，山西太原０３０００６， ２．核电秦山联营有限公司安防处，浙江海盐３１４３００）
摘要：秦山二期１、２号机组辐射监测系统的很多仪表。特别是国产仪表大量采用了电离室作为探 测器，文章对其原理、结构、应用方式进行了介绍，并针对已发现的各种主要问题和缺陷进行了说明。 关键词：电离室；前置放大器；辐射监测系统 中图分类号：羽■１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２５８－０９３４（２００８）０６－１２２６－０４