JPS582618B2 - ナトリウムイオン化検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高速増殖炉のナトリウム配管および機器からの
ナトリウム微少漏洩検出に用いられるナトリウムイオン
化検出器（Ｓｏｄｉｕｍ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅ
ｔｅｃｔｏｒ−以下ＳＩＤと略す）に関する。

ＳＩＤは、第１図に示すごとく、フィラメント１、イオ
ンコレクタ２、高圧電源３および電流計４とから基本回
路が構成される。

ガス中のナトリウムはフィラメント表面で表面電離と呼
ばれる物理過程によってイオン化され、フィラメント１
−コレクタ２間を流れるイオン電流として検出される。

この時のイオン電流の大きさＩｐ（Ａ）は次式で表わさ
れる。

ここで、ｅ；素電荷（クーロン） １；ナトリウムのイオン化エネルギ （ｅＶ） ψ；フィラメント金属の仕事関数 （ｅＶ） ｋ；ボルツマン常数 Ｔ；フィラメント温度（Ｏｋ） ｎ；フィラメント単位面積に単位時間 当たり衝突してくるナトリウム原 子個数（個・ｃｍ−２・Ｓ−１） Ｓ；フィラメント表面積（ｃｍ２） 以上説明した従来のＳＩＤは、高感度、速応答のナトリ
ウム微少漏洩検出器として国内外で開発がすすめられて
おり、その有用性も確認されつつあるが、同時に、その
検出下限が以下に述べるような様々な要因の影響を受け
て安定に保てないという欠点をもっていることも明らか
になりつつある。

ＳＩＤの検出下限に影響を与える主な要因を下記に挙げ
る。

（１）電極間の漏洩電流。

これは絶縁材の種類、ガスの温度、湿度により変動する
。

（２）フィラメント中に含まれる異種物質による暗電流
。

これを小さく抑えるためにはあらかじめフィラメントの
フラッシュ（高温焼出し）等の前処理が必要であるが、
処理工程上生じるフィラメントの個体差はほとんど避け
られない。

（３）使用中、ガス中の異種物質のフィラメントへの吸
着、吸収による暗電流の増加。

特に一度、ナトリウムを含んだガス中にフィラメントを
置くと、暗電流は数倍から数十倍に増加する。

（４）プラント内のγ線等放射線による暗電流。

これはプラント内のＳＩＤの設置位置、原子炉出力等に
よって検出下限が変動することを意味している。

以上述べた従来のＳＩＤの欠点は、従来のＳＩＤの検出
下限の経時的な劣化、設置位置による相違、個体差等の
問題と言い換えることができる。

こうした従来のＳＩＤの欠点を克服するため、第２図に
示すような回路構成による信号処理方式を既に特許出願
した。

前記（１）〜（４）に示したＳＩＤの漏洩電流あるいは
暗電流はすべて直流成分であるがガス中にナトリウムエ
アロゾルが含まれている場合には、第３図に示すように
、ＳＩＤの出力は、定の直流成分に２Ｈｚ程度以下の比
較的犬きな振幅のゆらぎ成分が載るようになる。

第２図に示した信号処理は、このことに着目し、ＳＩＤ
のゆらぎ成分のみを抽出するようにしたものである。

第２図において、ＳＩＤの電流信号は抵抗５を介して電
圧信号に変換され、カットオフ周波数０．２Ｈｚ程度の
ハイパスフィルタ６により直流成分が除去される。

ローパスフィルタ７は電磁的ノイズ成分を除去するため
に設けられたものである。

このようにして得られたＳＩＤのゆらぎ成分は実効値演
算回路（ＲＭＳ演算器）８によって、ゆらぎの振幅の時
間的平均値が直流出力として得られる。

この振幅値は、ガス中のナトリウム濃度と極めて対応性
が良いことが確認されている。

以上のような信号処理方式の場合、検出下限は回路上の
オフセット電圧をどれだけ小さくするかによって定まり
、前記の（１）〜（４）のような要因の影響をうけず、
従来のＳＩＤの欠点は大幅に改善される。

しかしながら、本方法にはゆらぎの周波数が小さく、実
効値演算回路８の積分時定数を大きくする必要があるた
め応答が遅くなるという問題もある。

本発明の目的は、以上述べたような改良型を含めた従来
のＳＩＤの欠点を解消してなるナトリウムイオン化検出
器を提供することにある。

本発明は、ＳＩＤのゆらぎを含んだ信号と、ＳＩＤの信
号の周波数帯域と重ならない高周波数の参照波を重ね合
わせた上で、この信号の平均周波数を演算し、ＳＩＤの
ゆらぎの平均振幅値を平均周波数に置きかえるものであ
る。

以下、本発明を実施例によって説明する。

第４図は、本発明の一実施例を示したものである。

ＳＩＤの信号は第２図に示した例のようにフィルタ６，
７を介さずに、正弦波発生回路９よりの比較的高い周波
数の正弦波（参照波）と重ね合わされ、平均周波数演算
回路１０によって平均周波数に相当する直流出力を得る
ようにしたものである。

平均周波数演算回路１０は、実効値演算回路８０，８１
、微分器１１、割算器１２より成る。

先ず、一般的な事例で説明する。

平均周波数演算回路１０への入力信号Ｖ（ｔ）が下記の
ようなフーリ工成分に分解されるものとする。

■（ｔ）＝ΣＡＳｉｎ２πｆｊｔ ・・・・・・・・・
｛２）この時の平均周波数演算回路１０では以下のよう
な演算処理を行うことになる。

ここで、ｆｊ；第Ｊ成分の周波数 Ａｊ；周波数ｆｊ成分の振幅 ｆ；平均周波数 （３）式に於いて、分子系は実効値演算回路８０によっ
て得られる値、分母系は微分器１１、実効値演算回路８
１によって得られる値である。

そして、これらの２つの値から割算器１２に入力するこ
とによって（３）式の演算を実行することになる。

（３）式によれば記号ＲＭＳを付したものは時間平均を
意味し、実効値演算回路８０．８１の積分時定数から決
まるものであるが、平均周波数演算回路１０の入力は高
周波成分が含まれているため、第２図に示した例のよう
に積分時定数を大きくとる必要がなく、応答の速さは失
なわれない。

ここで、第３図の構成に即した実際の動作を説明しよう
。

入力Ｖ（ｔ）はＳＩＤ出力と正弦波発生回路９の出力と
の重ね合わせたものとなる。

ＳＩＤの出力のゆらぎの平均周波数をｆ１、ゆらぎの振
幅を■１とすれば、ガス中のナトリウム濃度ＣＮａに対
し、■１は概略以下のように表わされる。

Ｖ，≒αＣＨａ ・・・・・・・・・
（４）αは定数である。

また、正弦波発生回路９の周波数をｆ２、振幅をＶ２と
すれば、重ね合わされた信号の平均周波数ｆ。

は、（３）式に代入することによって次式のように表わ
される。

この時の各部波形の一例を第５図に示す。

イ図はＳＩＤ出力、口図は参照波、ハ図は重ね合わせた
結果を示す。

（５）式によれば、ガス中ナトリウム濃度ＣＮａが高い
場合には、ｆｏは、ｆ１に近くなりガス中のナトリウム
濃度が小さい場合にはｆ。

はｆ２に近くなる。

参照波をＳＩＤの信号に重ねることは、既に述べたよう
に検出器の応答の速さを確保するとともに、参照波を入
れない場合には確保できない検出器出力とナトリウム濃
度との対応性を保持する意味がある。

また、本実施例の信号処理では、第２図に示したフィル
タ６，７が不要であるため、出力のオフセットもより小
さくすることができ、検出能力が向トする。

次に、正弦波である参照波の性格、特にその振幅Ｖ２、
周波数ｆ２と検出精度との関係を述べよう。

（５）式を次のように変形する。

ここでｋは、ナトリウムエアロゾルによる信号電圧■１
と、参照波の信号電圧■２との比を表わす。

■１≒αＣＮ２１であるから、ｋはナトリウム濃度が高
いほど、あるいは、参照波の振幅ｖ２が小であるほど、
犬となる。

ナトリウムエアロゾルによる信号の周波数範囲は、０〜
２Ｈｚであるが、仮りに、ｆ１を０．５Ｈｚで代表させ
、ｆ２の様々な値に対して、ｋをパラメータとしてｆ。

を計算すると、第６図の様になる。

例えば、参照波の周波数ｆ２がＩＨｚの場合には、ｋの
変化に対するｆ。

の変化は小さく、ナトリウム濃度との対応が余りよくな
いことを示している。

一方、１０Ｈｚ以上では、ｋが１〜１０の範囲で、ｆｏ
の傾きはほとんど等しくナトリウム濃度との対応は大差
ないことがわかる。

また、ｆ２＝１Ｈｚ以上では、ｋが０．３程度以下では
、ｆｏにほとんと変化なく、ｋは少くとも０．３以上す
なわち、参照波の振幅■２は、ナトリウムエアロゾルに
よる振幅の少くとも１／３程度以上ないと、ｆｏに変化
が現イつれないことを意味している。

■１は、増巾器を用いて適当に変えられるため、Ｖ２と
して特定の値を指定することは意味がない。

周波数範囲は１０Ｈｚ程度以上で可である。

第７図は本発明の変形例を示したもので、第４図におけ
る平均周波数演算回路１０として、ｆ−■変換器１３を
用いるものである。

この場合の出力は厳密な意味での平均周波数ではないが
、ガス中のナトリウムの多少に応じて参照波の周波数に
応じた出力電圧からのずれが生じるため、第４図の実施
例と同様の効果が期待できる。

以上説明したごとき、本発明によれは、ＳＩＤの検出下
限の経時的、設置立置による変動、個体差等がなく、か
つ速応答のナトリウムイオン化検出器が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は従来例図、第３図はその説明図、第４
図は本発明の実施例図、第５図は各部波形図、第６図は
その説明図、第７図は本発明の他の実施例図である。 ９・・・・・正弦波発生回路、１０・・・・・・平均周
波数演算回路、１１・・・・・・微分器、１２・・・・
・・割算器、８０，８１・・・・・・実効値演算回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ナトリウムを表面電離にてイオン化するナトリウム
   イオン化用電極と、前記ナトリウムイオン化用電極に対
   向して配置されてナトリウムイオンを捕集するコレクタ
   と、前記コレクタに捕集されたナトリウムイオンの電流
   に含まれるゆらぎ成分の周波数帯域よりも高い周波数の
   参照波と前記電流とを重ね合せる手段と、前記重ね合せ
   手段の出力信号を入力して前記ゆらぎ成分の平均周波数
   を抽出する手段とからなるナトリウムイオン化検出器。 ２ 前記平均周波数抽出手段は、実効値演算回路よりな
   る第１系統と、微分器と実効値演算回路との直列回路よ
   りなる第２系統と、前記第１および第２系統の一方の出
   力を他方の出力にて割算する割算器とからなる特許請求
   の範囲第１項記載のナトリウムイオン化検出器。 ３ 前記平均周波数抽出手段は、周波数−電圧変換器で
   ある特許請求の範囲第１項記載のナトリウムイオン化検
   出器。