CN110148550A - 一种事故后高量程区域辐射监测电离室 - Google Patents

Abstract

本发明属于核防护技术领域，具体涉及一种事故后高量程区域辐射监测电离室，该电离室包括保护壳套和置于保护壳套内的电离室本体，电离室本体包括同轴设置的外层高压电极、收集极以及中心高压电极，并且外层高压电极、收集极以及中心高压电极通过绝缘子固定，所述收集极延伸出绝缘子，并与电缆接头连接，沿收集极与电缆接头连接部分的外周设有收集极外套，所述中心高压电极的前端嵌入检查源；本发明的体积小、灵敏度高、量程范围宽、耐辐照、耐高温高湿，能够适应事故后安全壳内的恶劣环境。

Description

一种事故后高量程区域辐射监测电离室

技术领域

本发明属于核防护技术领域，具体涉及一种事故后高量程区域辐射监测电离室。

背景技术

发生事故时，核电站安全壳内的环境十分恶劣，具体表现在以下五个方面：⑴安全壳内，温度在几十秒达218℃，长时间内超过100℃；⑵安全壳内，压力在半小时内可达408kPa，长时间内超过100kPa。⑶相对湿度达100％；⑷事故后1年时间内，γ辐射剂量率仍维持在1.13×10⁴Gy/h、累积剂量达2.53×10⁵Gy；β辐射剂量率仍维持在6.77×10⁴Gy/h、累积剂量达2.58×10⁶Gy；⑸发生事故后23小时内，安全壳大气中硼酸的浓度为2428ppm，磷酸三钠的浓度为7.53g/l；pH值7.80～7.85，呈弱碱性。

综上所述，事故后，不论从对安全壳内恶劣环境的适应性，还是从辐射剂量、能量范围的探测能力而言，常规的NaI探测器、塑料闪烁体探测器等常规探测器都不能适用，而必须使用耐高温、耐高压、耐腐蚀、防潮湿、抗辐照能力强、探测范围宽、上限高的γ灵敏电离室探测器。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种事故后高量程区域辐射监测电离室，其体积小、灵敏度高、量程范围宽、耐辐照、耐高温高湿，能够适应事故后安全壳内的恶劣环境。

本发明采用的技术方案是：

一种事故后高量程区域辐射监测电离室，

该电离室包括保护壳套和置于保护壳套内的电离室本体，电离室本体的前端设有绝缘子，沿绝缘子外周套设有前端绝缘体和硬电缆固定座，伸入电离室内的硬电缆和硬电缆保护套的端部固定在硬电缆固定座上，并连接电缆接头，所述电离室本体的后端设有后端绝缘体，在后端绝缘体与电离室本体之间安装有两组碟簧；

所述电离室本体包括同轴设置的外层高压电极、收集极以及中心高压电极，并且外层高压电极、收集极以及中心高压电极通过绝缘子固定，所述收集极延伸出绝缘子，并与电缆接头连接，沿收集极与电缆接头连接部分的外周设有收集极外套，所述中心高压电极的前端嵌入检查源。

进一步地，所述外层高压电极的后端焊接有高压尾端，所述中心高压电极尾端与高压尾端螺纹连接，在中心高压电极的尾端两侧设有尾端绝缘体，该尾端绝缘体一端顶住高压尾端，其另一端与收集极之间设有一组弹簧；所述中心高压电极前端设有首端绝缘体，所述检查源设置在中心高压电极前端与首端绝缘体之间。

进一步地，所述保护壳套与电离室本体之间设有两组绝缘支撑环；所述中心高压电极与绝缘子之间设有四组碟簧。

进一步地，所述保护壳套的后端上设有充气嘴，该充气嘴通过电离室本体尾端上的开孔向其内部充气，所述保护壳套的后端并通过螺纹连接后盖，所述保护壳套的前端焊接前盖。

进一步地，所述硬电缆保护套与保护壳套采用氩弧焊焊接，所述硬电缆与护套采用铜或银钎焊焊接。

进一步地，所述电离室本体与保护壳套之间联通，且所述电离室本体与保护壳套之间采用绝缘材料隔离，所述外层高压电极和中心高压电极分别与收集极之间采用绝缘材料隔离。

进一步地，所述绝缘子的外端面呈凸形阶梯状，所述收集极穿过绝缘子往外伸出，所述外层高压电极固定于绝缘子上往内缩进。

进一步地，所述保护壳套采用316L耐腐蚀不锈钢，其壁厚为1.6mm。

进一步地，所述外层高压电极、收集极和中心高压电极均采用6063轻型铝材，且所述外层高压电极、收集极和中心高压电极的壁厚为1.5mm。

进一步地，所述外层高压电极和中心高压电极分别与收集极之间的间距为3.5mm～5mm。

本发明的有益效果：

1、本发明的外层高压电极、收集极、中心高压电极均为空心同轴圆柱体，中间充以一定压力的工作气体，该结构可以使灵敏体积内的电场分布均匀，避免了电离室内存在过强或过弱的电场异常区域，从而保证了电离室工作气体电离的均匀性；

2、本发明的电离室本体内各个电极间距离很小，只有3.5～5mm，可以有效提高电场强度，提高漂移速度，所以工作气体压力不需要太高，这有利于在变化较大的工作环境下提高性能稳定性；

3、本发明将固定外层高压电极和收集极的绝缘子的外端面设计成不在一个平面，收集极穿过绝缘子往外伸出，外层高压电极往内缩进，使外高压电极与收集极相对错开一些，形成电离室的高压保护环，既确保了绝缘子的高绝缘电阻，使高压电极与收集极之间不会产生高压击穿，又满足了电离室气体密封的要求。

4、本发明在电离室与外壳尾端绝缘材料之间安置了两组蝶簧，在给电离室一定预压紧力的状态下焊接外壳固定电离室，以防止电离室在受振时与外壳产生轴向位移；在电离室与外壳间隙的中间部位设有两组聚酰亚胺的绝缘支撑环，采用过盈配合以防止电离室受振时与外壳产生径向位移；在中心高压电极与绝缘子之间设有四组蝶簧，在收集极与后端绝缘体之间设有一组弹簧，在焊接封装时给其一定的预压紧力，使三同轴电极之间可靠连接，防止受振时发生相互位移。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2a、2b为本发明的电离室本体结构图；

图3为电离室本体封装焊接工艺流程图；

图4为电离室探测器封装焊接工艺流程图。

其中，1、保护壳套；2、外层高压电极；3、收集极；4、中心高压电极；5、检查源；6、绝缘子；7、收集极护套；8、硬电缆；9、硬电缆保护套；10、前盖；11、硬电缆固定座；12、前端绝缘体；13、绝缘支撑件；14、后端绝缘体；15、后盖；16、充气嘴；17、碟簧；18、弹簧；19、尾端绝缘体；20、首端绝缘体。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1和图2所示，本发明具体公开了一种事故后高量程区域辐射监测电离室，该电离室包括保护壳套和置于保护壳套1内的电离室本体，电离室本体的前端设有绝缘子6，沿绝缘子6外周套设有前端绝缘体12和硬电缆固定座13，伸入电离室内的硬电缆8和硬电缆保护套9的端部固定在硬电缆固定座13上，并连接电缆接头，所述电离室本体的后端设有后端绝缘体14，在后端绝缘体14与电离室本体之间安装有两组碟簧17；所述电离室本体包括同轴设置的外层高压电极2、收集极3以及中心高压电极4，并且外层高压电极2、收集极3以及中心高压电极4通过绝缘子6固定，所述收集极3延伸出绝缘子6，并与电缆接头连接，沿收集极3与电缆接头连接部分的外周设有收集极外套7；所述外层高压电极2的后端焊接有高压尾端，所述中心高压电极4尾端与高压尾端螺纹连接，在中心高压电极4的尾端两侧设有尾端绝缘体19，该尾端绝缘体19一端顶住高压尾端，其另一端与收集极3之间设有一组弹簧19；所述中心高压电极4前端设有首端绝缘体20，在中心高压电极4前端与首端绝缘体20之间设有检查源5。

在本发明中，电离室采用三同轴的设计结构，既：同轴设置的外层高压电极2、收集极3以及中心高压电极4，这种结构可以使灵敏体积内的电场分布均匀，避免了电离室内存在过强或过弱的电场异常区域，从而保证了电离室工作气体电离的均匀性。在电离室底部开孔，通过充气嘴16向电离室内部充入工作气体。为尽量减轻电离室的重量，同时为给电离室充气，中心高压电极4为空心设置。

同时，在探测γ射线时，电离室电极还起着固体辐射体的作用。入射γ首先使外层高压电极2附近的气体电离产生电子离子对，由于电场的作用，正离子向外层高压电极2漂移，电子向收集极3漂移。这样，正离子在漂移到外层高压电极2并被收集前所需漂移的距离要比外层高压电极2加正高压时明显缩短。这使得正离子与电子的复合几率减少，从而改善了电离室的饱和坪特性，提高了电荷的收集效率。

本发明中电离室为等压电离室，因而绝缘子无需密封，电离室内部和电离室与不锈钢保护壳之间是联通的，只利用外层不锈钢保护壳做密封，这降低了对电离室的密封要求。而且，在电离室与不锈钢保护壳之间也充了工作气体(干燥惰性气体)，作为电离室的保护气体。因此，绝缘子采用聚酰亚胺材料制成。

为防止在外层高压电极2和收集极3的端面边缘高压击穿，在电离室的输出端，固定外高压电极、收集极3的绝缘子的外端面设计成不在一个平面，即收集极往外伸出，外高压电极往内缩进，使外高压电极与收集极相对错开一些，形成电离室的高压保护环。

所述保护壳套1的后端上设有充气嘴16，该充气嘴16通过电离室本体尾端上的开孔向其内部充入Ar和N2的混合气体，所述保护壳套1的后端并通过螺纹连接后盖，所述保护壳套的前端焊接前盖。

如图2所示，所述外层高压电极2、收集极3、中心高压电极4为空心同轴圆柱体，最外层是保护壳套1；第二层为外高压电极2；第三层为收集极3；中心高压电极；且电离室本体与保护壳套1之间是联通的，电离室本体内以及电离室本体与保护壳套1之间的联通部分充入一定压力的工作气体。

所述保护壳套1与电离室本体之间设有两组绝缘支撑环13，采用过盈配合以防止电离室本体受振时与外壳产生径向位移；所述中心高压电极4与绝缘子6之间设有四组碟簧，所述收集极3与后端绝缘体14之间设有一组弹簧，在焊接封装时给其一定的预压紧力，使三同轴电极之间可靠连接，防止受振时发生相互位移；在电离室本体与后端绝缘体14之间设置的两组碟簧17在给电离室一定预压紧力的状态下焊接外壳固定电离室，以防止电离室在受振时与外壳产生轴向位移。

所述电离室本体与保护壳套1之间采用绝缘材料隔离，所述外层高压电极2和中心高压电极4分别与收集极3之间采用绝缘材料隔离；所述后端绝缘体14、前端绝缘体12、绝缘子6以及绝缘材料均采用耐辐射材料聚酰亚胺，聚酰亚胺耐高温达400℃以上，长期使用温度范围-200℃～300℃；聚酰亚胺还具有良好的介电性能，介电常数为3.4左右，介电损耗仅0.004～0.007；聚酰亚胺其薄膜在5×10⁹rad快电子辐照后强度保持率为90％，其具有很高的耐辐照性能；其热膨胀系数在2×10^-5m/℃～3×10^-5m/℃，具有良好的热稳定性。

在硬电缆6与前盖10连接处，设计了一段较长的不锈钢硬电缆保护套9，护套与后盖10采用氩弧焊焊接，硬电缆8与硬电缆保护套9采用铜或银钎焊焊接，在地震时起到保护硬电缆及焊接焊缝的作用；将伸入电离室内的硬电缆8和硬电缆保护套9固定在硬电缆固定座11上，再连接电缆接头，以保证在前盖10焊接或受振时，硬电缆8受力不会传递到电缆接头上，防止电缆接头受力虚接或断开；所述绝缘子6的外端面呈凸形阶梯状，所述收集极3穿过绝缘子6往外伸出并与电缆接头连接，其连接部分外周套设有收集极护套7，所述外层高压电极2固定于绝缘子6上往内缩进。

选择316L耐腐蚀不锈钢作为电离室的保护壳套1，使电离室具有足够的抗震与减震能力，承受一定的气压，把工作气体密封在容器内，使内部的高压电极、收集极、工作气体等不受外界温度、湿度、气压的影响；其次，为使γ射线顺利通过不锈钢外壳进入到电离室的灵敏区，与工作气体发生作用，使气体发生电离，电离室的外壳套壁厚选择1.6mm，能够确保满足测量要求的前提下，安全壳高量程区域辐射监测仪γ电离室探测器可完全适应事故后大气安全壳内高温、高压、高湿的恶劣环境；外层高压电极2、收集极3和中心高压电极4均采用6063轻型铝材，且外层高压电极2、收集极3和中心高压电极4的壁厚为1.5mm。

安全壳高量程区域辐射监测仪电离室内部结构参数如表1-1所示：

表1-2电离室内部结构参数

对于外层高压电极2、收集极3以及中心高压电极4同轴设置的电离室，其灵敏体积内，对中心高压极与收集极而言，距离中心r处的电场强度为：

式中：V为极间工作电压；

a为中心高压极的半径；

b为收集极的半径。

对外层高压电极2与收集极3而言，距离中心r处的电场强度公式与上述相同，只是a变为收集极3的半径，b为外层高压电极2的半径。

在工作电压一定时，高压电极与收集极的间距越小，则极间电场强度越大，离子漂移速度越快，电离室的渡越时间也就越小。

为了保证足够的灵敏体积，电离室极间距不能太小。同时，比较高在工作电压时，极间距太小会引起电极之间的高压放电，使电离室失去探测功能，外层高压电极2和中心高压电极4分别与收集极3之间的间距为3.5mm～5mm。

研制的安全壳高量程区域辐射监测仪γ电离室探测器性能指标如表1-2所示：

表1-2电离室探测器性能指标

如图3、4所示，电离室的焊接在车床的专用焊接工装上完成，该焊接工装左右各有一个顶尖，中间有3个同轴调心架，滑轨上设置有检查同轴度的千分表，两个顶尖给两个焊件提供所需的预压紧力，三个调心架用于保证两个焊件同轴。电离室本体的焊接是两个工序同时进行，一道工序：外层高压电极与高压尾端通过氩弧焊焊接，中心高压电极与高压尾端螺纹连接，开始装入2件尾端绝缘体，紧接着装入收集极弹簧，固定在焊接工装上；另一道工序：收集极与绝缘子螺纹连接，装入首端绝缘体，紧接着装入检查源，该检查源与中心高压电极前端接触，随后装入4组碟簧，固定在焊接工装上，最后施加预压紧力将两道工序的半成品调至同轴，并用氩弧焊焊接。

如图4所示，整个电离室探测器的封装工艺分三道同时进行的工序，一道工序：不锈钢保护壳套与硬电缆固定座通过氩弧焊焊接,装入前端绝缘子，装入电离室本体内，并给电离室本体外周装入2件绝缘支撑环，固定在焊接工装上；二道工序：不锈钢保护壳套后端气嘴芯，再装入气嘴接头，依次后端绝缘体和2组碟簧，固定在焊接工装上；将一道工序和二道工序的半成品施加预压紧力将两个焊件调至同轴，用氩弧焊焊接成电离室气密腔体；三道工序：硬电缆和套设在硬电缆外的硬电缆护套焊接在硬电缆支架上，盖硬电缆支架与硬电缆固定座螺栓连接，随后焊接上收集极，沿收集极外周安装收集极护套，焊接外层高压电极于绝缘子上，装入不锈钢保护壳套，将上述工件与电离室气密腔体焊接，并通过充气嘴给整个装置内部冲入工作气体，安装后盖，形成电离室探测器。

以上对本发明实施例所公开的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种事故后高量程区域辐射监测电离室，其特征在于，包括保护壳套和置于保护壳套内的电离室本体，电离室本体的前端设有绝缘子，沿绝缘子外周套设有前端绝缘体和硬电缆固定座，伸入电离室内的硬电缆和硬电缆保护套的端部固定在硬电缆固定座上，并连接电缆接头，所述电离室本体的后端设有后端绝缘体，在后端绝缘体与电离室本体之间安装有两组碟簧；

电离室本体包括同轴设置的外层高压电极、收集极以及中心高压电极，并且外层高压电极、收集极以及中心高压电极通过绝缘子固定，所述收集极延伸出绝缘子，并与电缆接头连接，沿收集极与电缆接头连接部分的外周设有收集极外套，所述中心高压电极的前端嵌入检查源。

2.根据权利要求1所述的事故后高量程区域辐射监测电离室，其特征在于，所述外层高压电极的后端焊接有高压尾端，所述中心高压电极尾端与高压尾端螺纹连接，在中心高压电极的尾端两侧设有尾端绝缘体，该尾端绝缘体一端接触高压尾端，其另一端与收集极之间设有一组弹簧；所述中心高压电极前端设有首端绝缘体，所述检查源设置在中心高压电极前端与首端绝缘体之间。

3.根据权利要求1所述的事故后高量程区域辐射监测电离室，其特征在于，所述保护壳套与电离室本体之间设有两组绝缘支撑环；所述中心高压电极与绝缘子之间设有四组碟簧。

4.根据权利要求1所述的事故后高量程区域辐射监测电离室，其特征在于，所述保护壳套的后端上设有充气嘴，该充气嘴通过电离室本体尾端上的开孔向其内部充气，所述保护壳套的后端并通过螺纹连接后盖，所述保护壳套的前端焊接前盖。

5.根据权利要求1所述的事故后高量程区域辐射监测电离室，其特征在于，所述硬电缆保护套与保护壳套采用氩弧焊焊接，所述硬电缆与护套采用铜或银钎焊焊接。

6.根据权利要求1所述的事故后高量程区域辐射监测电离室，其特征在于，所述电离室本体与保护壳套之间联通，且所述电离室本体与保护壳套之间采用绝缘材料隔离，所述外层高压电极和中心高压电极分别与收集极之间采用绝缘材料隔离。

7.根据权利要求6所述的事故后高量程区域辐射监测电离室，其特征在于，所述绝缘子的外端面呈凸形阶梯状，所述收集极穿过绝缘子往外伸出，所述外层高压电极固定于绝缘子上往内缩进。

8.根据权利要求6所述的事故后高量程区域辐射监测电离室，其特征在于，所述保护壳套采用316L耐腐蚀不锈钢，其壁厚为1.6mm。

9.根据权利要求6所述的事故后高量程区域辐射监测电离室，其特征在于，所述外层高压电极、收集极和中心高压电极均采用6063轻型铝材，且所述外层高压电极、收集极和中心高压电极的壁厚为1.5mm。

10.根据权利要求9所述的事故后高量程区域辐射监测电离室，其特征在于，所述外层高压电极和中心高压电极分别与收集极之间的间距为3.5mm～5mm。