RU2752376C1 - Laser measuring system - Google Patents

Laser measuring system Download PDF

Info

Publication number
RU2752376C1
RU2752376C1 RU2020139781A RU2020139781A RU2752376C1 RU 2752376 C1 RU2752376 C1 RU 2752376C1 RU 2020139781 A RU2020139781 A RU 2020139781A RU 2020139781 A RU2020139781 A RU 2020139781A RU 2752376 C1 RU2752376 C1 RU 2752376C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical
laser
laser radiation
semitransparent
controlled
Prior art date
Application number
RU2020139781A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Константинович Манкевич
Евгений Прохорович Орлов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН)
Priority to RU2020139781A priority Critical patent/RU2752376C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2752376C1 publication Critical patent/RU2752376C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/3103—Atomic absorption analysis
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C17/00—Monitoring; Testing ; Maintaining
    • G21C17/02—Devices or arrangements for monitoring coolant or moderator
    • G21C17/022—Devices or arrangements for monitoring coolant or moderator for monitoring liquid coolants or moderators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Abstract

FIELD: measurement instruments.SUBSTANCE: laser measuring system can be used for absorption spectral analysis of substances in the technical environments of nuclear power plants (NPP). The system contains a measuring cell 1, two reference cells 3 and 5, a laser generator 19, three photodetector units 13-15, two laser radiation meters 20 and 34, three controlled spectral filters 16-18, a retractable reflective mirror 35 with a displacement unit 36, a processing and control unit 48, six corner reflectors 7-12, two reflective mirrors 37 and 47, nine translucent mirrors 38-46, seven controlled optical attenuators 28-33, six optical switches 21-26. The control input of the laser generator, the outputs of all photodetector units and both laser radiation meters, as well as the control inputs of all controlled spectral filters, controlled optical attenuators, optical switches and the displacement unit are connected to the control and processing unit.EFFECT: increased sensitivity in the determination of uranium in technical environments of nuclear power plants.5 cl, 4 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области лазерной измерительной техники и ядерной энергетики и предназначено для абсорбционного спектрального анализа веществ в технических средах ядерных энергетических установок (ЯЭУ).The present invention relates to the field of laser measurement technology and nuclear power and is intended for absorption spectral analysis of substances in technical environments of nuclear power plants (NPP).

Абсорбционный спектральный метод определения состава веществ занимает ведущее положение среди современных инструментальных методов и позволяет реализовать обнаружение и определение практически всех элементов периодической таблицы элементов Менделеева [1]. Наиболее важным является использование данного метода для определения урана и продуктов его деления в технических средах ЯЭУ [2]. Появление урана и продуктов деления в технических средах ЯЭУ обусловлено разгерметизацией тепловыделяющих элементов - твэлов, и характеризует начало и развитие аварийной ситуации. Определение малых количеств урана и продуктов его деления в технических средах ЯЭУ позволяет своевременно обнаружить возникновение и развитие аварийной ситуации и обеспечить предотвращение аварийного режима работы ЯЭУ. Поэтому разработка новых методов определения состава веществ технических сред ЯЭУ и снижение минимального уровня определения урана в технических средах является актуальным. В настоящее время для определения урана в технических средах ЯЭУ используется комплексный метод химической обработки пробы из технической среды ЯЭУ, например, из первого или второго контура теплоносителя ядерного реактора, и последующего измерения оптических параметров обработанной пробы с помощью абсорбционно-спектрального метода. На основании полученных измерений оптических свойств обработанной пробы выносится суждение о наличии урана и его концентрации в обработанной пробе из технической среды ЯЭУ.The absorption spectral method for determining the composition of substances occupies a leading position among modern instrumental methods and makes it possible to realize the detection and determination of almost all elements of Mendeleev's periodic table of elements [1]. The most important is the use of this method for the determination of uranium and its fission products in the technical environment of a nuclear power plant [2]. The appearance of uranium and fission products in the technical environments of a nuclear power plant is due to the depressurization of fuel elements - fuel rods, and characterizes the onset and development of an emergency. Determination of small amounts of uranium and its fission products in the technical environment of a nuclear power plant makes it possible to timely detect the occurrence and development of an emergency and ensure the prevention of an emergency operation of a nuclear power plant. Therefore, the development of new methods for determining the composition of substances in technical media of nuclear power plants and reducing the minimum level of determination of uranium in technical media is urgent. Currently, to determine uranium in the technical environment of a nuclear power plant, a complex method of chemical processing of a sample from the technical environment of a nuclear power plant, for example, from the primary or secondary circuit of the coolant of a nuclear reactor, and subsequent measurement of the optical parameters of the processed sample using the absorption-spectral method is used. Based on the obtained measurements of the optical properties of the processed sample, a judgment is made on the presence of uranium and its concentration in the processed sample from the technical environment of the nuclear power plant.

Например, известен способ контроля содержания урана в технологических средах ЯЭУ [3]. Способ включает отбор пробы из технологической среды ЯЭУ, например, из первого контура теплоносителя, химическую обработку пробы путем подщелачивания, фильтрации и растворения в кислотной среде, восстановление урана и растворение в химическом реагенте Арсеназо-3. Далее осуществляют фотометрирование полученного комплексного соединения урана с Арсеназо-3, определяют коэффициент пропускания оптического излучения комплексного соединения на фиксированной длине волны оптического излучения и на этой основе определяют наличие и концентрацию урана в отобранной пробе из технической среды ЯЭУ.For example, there is a known method for monitoring the uranium content in the technological media of a nuclear power plant [3]. The method includes taking a sample from the technological environment of the nuclear power plant, for example, from the primary coolant circuit, chemical treatment of the sample by alkalization, filtration and dissolution in an acidic medium, reduction of uranium and dissolution in the chemical reagent Arsenazo-3. Next, the obtained complex compound of uranium with Arsenazo-3 is photometric, the transmittance of optical radiation of the complex compound at a fixed wavelength of optical radiation is determined, and on this basis the presence and concentration of uranium in a sample taken from the technical environment of the nuclear power plant is determined.

Недостатком данного способа и аналогичных способов определения урана является ограниченная чувствительность, обусловленная невысокой чувствительностью стандартного метода прямого фотометрирования полученного комплексного соединения урана с химическим реагентом Арсеназо-3 или другими типами химических реагентов. Чувствительность стандартного метода измерения оптического пропускания раствора определяется длиной пути, пройденного оптическим излучением в исследуемом веществе. При этом вследствие малого объема отобранной пробы из теплоносителя длина указанного оптического пути в измеряемом растворе (веществе) составляет не более 1 см. Аналогично длина измерительной кюветы в стандартных спектрометрических установках составляет не более 1 см. Таким образом, несмотря на высокую эффективность современных химических методов обработки пробы из технических сред, стандартные оптические методы фотометрирования не позволяют реализовать высокую чувствительность определения концентрации веществ и обусловливают предел дальнейшего снижения порога обнаружения урана и продуктов его деления в технических средах ЯЭУ.The disadvantage of this method and similar methods for determining uranium is limited sensitivity due to the low sensitivity of the standard method of direct photometry of the obtained complex uranium compound with the chemical reagent Arsenazo-3 or other types of chemical reagents. The sensitivity of the standard method for measuring the optical transmission of a solution is determined by the length of the path traversed by optical radiation in the test substance. At the same time, due to the small volume of the sample taken from the coolant, the length of the indicated optical path in the measured solution (substance) is no more than 1 cm.Likewise, the length of the measuring cell in standard spectrometric installations is no more than 1 cm.Thus, despite the high efficiency of modern chemical processing methods samples from technical media, standard optical photometry methods do not allow realizing a high sensitivity for determining the concentration of substances and determine the limit for further lowering the detection threshold of uranium and its fission products in technical media of nuclear power plants.

Известны методы повышения чувствительности в оптических устройствах абсорбционно-спектрального анализа.There are known methods of increasing the sensitivity in optical devices for absorption-spectral analysis.

Например, известен двухлучевой фотометр с многоходовой кюветой по патенту Великобритании №1157086 (опубл. 02.07.1969) [4]. Этот фотометр содержит источник излучения, измерительный и сравнительный каналы (кюветы), зеркальный модулятор, фотоприемник, блок преобразования сигналов. В данном устройстве для небольшого увеличения чувствительности используется многоходовая кювета, которая имеет увеличенные размеры в диаметре и в длине кюветы. Применение такого устройства с большими размерами измерительной кюветы невозможно при исследовании малых количеств вещества, получаемого при отборе проб в условиях ЯЭУ.For example, a two-beam photometer with a multi-pass cuvette is known according to the UK patent No. 1157086 (publ. 07/02/1969) [4]. This photometer contains a radiation source, measuring and comparison channels (cuvettes), a mirror modulator, a photodetector, and a signal conversion unit. In this device, for a small increase in sensitivity, a multi-pass cuvette is used, which has increased dimensions in the diameter and length of the cuvette. The use of such a device with a large measuring cuvette is impossible when studying small amounts of a substance obtained during sampling under the conditions of a nuclear power plant.

Известно устройство для оптико-абсорбционного анализа по авторскому свидетельству СССР №750287 (опубл. 23.07.1980) [5]. Это устройство представляет собой двухлучевой фотометр и предназначено для оптико-абсорбционного анализа и определения концентраций веществ в жидкой фазе. Данное устройство содержит источник излучения с конденсором, многопроходовую (двухпроходовую) кювету с исследуемым веществом, измерительный и сравнительный каналы, интерференционный фильтр, два фотоприемника, зеркальный механический модулятор, разностный каскад, блок обработки сигналов и блок управления. К недостаткам данного устройства следует отнести низкую точность измерений, особенно проявляющуюся при измерении малых концентраций веществ. Это обусловлено невозможностью увеличения длины измерительной кюветы при измерении малых концентраций вещества, а также влиянием разброса в чувствительности двух используемых фотоприемников и отсутствием компенсации этого разброса. Следует отметить, что двухпроходовая кювета требует больших количеств вещества для анализа и не может быть использована для измерений малых количеств вещества в пробах.Known device for optical absorption analysis according to the author's certificate of the USSR No. 750287 (publ. 07/23/1980) [5]. This device is a two-beam photometer and is intended for optical absorption analysis and determination of the concentration of substances in the liquid phase. This device contains a radiation source with a condenser, a multi-pass (two-pass) cell with a test substance, measuring and reference channels, an interference filter, two photodetectors, a mirror mechanical modulator, a differential stage, a signal processing unit and a control unit. The disadvantages of this device include low measurement accuracy, especially when measuring low concentrations of substances. This is due to the impossibility of increasing the length of the measuring cell when measuring low concentrations of the substance, as well as the influence of the spread in the sensitivity of the two used photodetectors and the lack of compensation for this spread. It should be noted that a two-pass cuvette requires large amounts of material for analysis and cannot be used to measure small amounts of material in samples.

Наиболее адекватным методом решения проблемы измерения параметров малых количеств вещества из пробы от ЯЭУ и одновременного увеличения чувствительности является модифицированный абсорбционно-спектральный оптический метод измерения, предложенный авторами в работах [6, 7] и реализованный в системах измерения по патентам РФ №2594364 (опубл. 20.08.2016) [8] и №2606369 (опубл. 10.01.2017) [9]. В указанных измерительных системах осуществляется просвечивание вещества теплоносителя в ЯЭУ зондирующим лазерным излучением (ЛИ) и измерение характеристик излучения, прошедшего через слой вещества теплоносителя. Измерение параметров прошедшего через теплоноситель зондирующего ЛИ позволяет обеспечить оперативный контроль концентрации исследуемого вещества в составе теплоносителя, например, борной кислоты. Указанные системы измерения предназначены для работы в условиях ядерного реактора при наличии радиоактивности, высоких температур и давления. Аналогичным образом в данных измерительных лазерных системах можно осуществить измерение параметров комплексных соединений, содержащих уран, или другие вещества, являющиеся продуктами деления урана при работе ЯЭУ.The most adequate method for solving the problem of measuring the parameters of small quantities of a substance from a sample from a nuclear power plant and simultaneously increasing the sensitivity is a modified absorption-spectral optical measurement method proposed by the authors in [6, 7] and implemented in measurement systems according to RF patents No. 2594364 (publ. 20.08 .2016) [8] and No. 2606369 (publ. 01/10/2017) [9]. In these measuring systems, the coolant substance in the nuclear power plant is scanned with probing laser radiation (LI) and the characteristics of the radiation passed through the coolant substance layer are measured. Measurement of the parameters of the probing LI passed through the coolant makes it possible to provide operational control of the concentration of the investigated substance in the composition of the coolant, for example, boric acid. These measurement systems are designed to operate in a nuclear reactor in the presence of radioactivity, high temperatures and pressures. Similarly, in these measuring laser systems, it is possible to measure the parameters of complex compounds containing uranium or other substances that are products of uranium fission during the operation of a nuclear power plant.

В качестве ближайшего аналога выбрана наиболее близкая по технической реализации система измерения по упомянутому патенту РФ №2606369 [9]. Данная система измерения содержит первый и второй лазерные генераторы, измерительную и эталонную кюветы, фотоприемный блок, измеритель ЛИ на основе фотоприемного блока, оптический модулятор, выполняющий функцию управляемого оптического спектрального фильтра, адаптеры волокна, волоконно-оптическую линию, блоки обработки информации и управления, два выносных зеркала, уголковые оптические отражатели, полупрозрачные и отражательные зеркала, управляемые оптические ослабители. К недостаткам данной измерительной системы следует отнести ограниченную чувствительность вследствие отсутствия оперативной калибровки измерительных фотоприемных блоков и отсутствия уравнивания величин амплитуд зондирующих лазерных импульсов, подаваемых на оптические входы измерительной и эталонной кювет, что может привести к ошибкам измерений при анализе малых концентраций урана или продуктов его деления.As the closest analogue, the closest in technical implementation of the measurement system was chosen according to the mentioned RF patent No. 2606369 [9]. This measurement system contains the first and second laser generators, measuring and reference cuvettes, a photodetector unit, an LR meter based on a photodetector unit, an optical modulator serving as a controlled optical spectral filter, fiber adapters, a fiber-optic line, information processing and control units, two remote mirrors, corner optical reflectors, translucent and reflective mirrors, controlled optical attenuators. The disadvantages of this measuring system include limited sensitivity due to the lack of operational calibration of the measuring photodetector units and the lack of equalization of the amplitudes of the probing laser pulses supplied to the optical inputs of the measuring and reference cells, which can lead to measurement errors when analyzing low concentrations of uranium or its fission products.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков с достижением технического результата в виде повышения чувствительности при определении урана в технических средах ЯЭУ на основе модифицированного абсорбционно-спектрального метода и химической обработки пробы от ЯЭУThe objective of the present invention is to eliminate these disadvantages with the achievement of a technical result in the form of increased sensitivity in the determination of uranium in technical environments of a nuclear power plant based on a modified absorption-spectral method and chemical processing of a sample from a nuclear power plant

Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в настоящем изобретении предложена лазерная измерительная система, содержащая измерительную кювету, первую и вторую эталонные кюветы, лазерный генератор, первый-третий фотоприемные блоки, первый и второй измерители лазерного излучения, первый-третий управляемые спектральные фильтры, выдвижное зеркало с блоком перемещения, блок обработки и управления, первый-шестой уголковые отражатели, первое и второе отражательные зеркала, первое-девятое полупрозрачные зеркала, первый-седьмой управляемые оптические ослабители, первый-шестой оптические переключатели, на первой оптической оси между первым и вторым уголковыми отражателями последовательно размещены первое полупрозрачное зеркало, четвертый оптический переключатель, измерительная кювета и пятый управляемый оптический ослабитель, на второй оптической оси между третьим и четвертым уголковыми отражателями последовательно размещены второе полупрозрачное зеркало, пятый оптический переключатель, первая эталонная кювета и шестой управляемый оптический ослабитель, а на третьей оптической оси между пятым и шестым уголковыми отражателями последовательно размещены третье полупрозрачное зеркало, шестой оптический переключатель, вторая эталонная кювета и седьмой управляемый оптический ослабитель, при этом второй измеритель лазерного излучения и четвертый-шестой оптические переключатели последовательно размещены на четвертой оптической оси, перпендикулярной первой-третьей оптическим осям, на выходе лазерного генератора в направлении распространения лазерного излучения, параллельном первой-третьей оптическим осям, последовательно установлены девятое-седьмое полупрозрачные зеркала и второе отражательное зеркало, причем выдвижное зеркало во введенном состоянии расположено между девятым и восьмым полупрозрачными зеркалами и предназначено для формирования пятой оптической оси, которая перпендикулярна направлению лазерного излучения и на которой последовательно размещены первый управляемый оптический ослабитель и третий-первый оптические переключатели, восьмое-шестое полупрозрачные зеркала предназначены для формирования, соответственно, пятой-седьмой оптических осей, которые перпендикулярны направлению лазерного излучения, на пятой оптической оси последовательно размещены второй управляемый оптический ослабитель, второе и первое полупрозрачные зеркала, на шестой оптической оси последовательно размещены третий управляемый оптический ослабитель, четвертое и третье полупрозрачные зеркала, на седьмой оптической оси последовательно размещены четвертый управляемый оптический ослабитель, шестое и пятое полупрозрачные зеркала, девятое полупрозрачное зеркало и первое отражательное зеркало предназначены для подачи лазерного излучения с выхода лазерного генератора на первый измеритель лазерного излучения, второе полупрозрачное зеркало предназначено для подачи лазерного излучения через первый оптический переключатель и первый управляемый спектральный фильтр на первый фотоприемный блок, четвертое полупрозрачное зеркало предназначено для подачи лазерного излучения через второй оптический переключатель и второй управляемый спектральный фильтр на второй фотоприемный блок, шестое полупрозрачное зеркало предназначено для подачи лазерного излучения через третий оптический переключатель и третий управляемый спектральный фильтр на третий фотоприемный блок, управляющий вход лазерного генератора, выходы всех фотоприемных блоков и обоих измерителей лазерного излучения, а также управляющие входы всех управляемых спектральных фильтров, управляемых оптических ослабителей, оптических переключателей и блока перемещения подключены к блоку управления и обработки.To solve this problem and achieve the specified technical result, the present invention proposes a laser measuring system comprising a measuring cuvette, first and second reference cuvettes, a laser generator, first to third photodetector units, first and second laser radiation meters, first to third controllable spectral filters, a retractable mirror with a movement unit, a processing and control unit, the first to sixth corner reflectors, the first and second reflective mirrors, the first to ninth semitransparent mirrors, the first to seventh controllable optical attenuators, the first to sixth optical switches, on the first optical axis between the first and second corner reflectors sequentially placed the first semitransparent mirror, the fourth optical switch, the measuring cuvette and the fifth controlled optical attenuator, on the second optical axis between the third and fourth corner reflectors, the second semitransparent mirror, the fifth optical esky switch, the first reference cuvette and the sixth controlled optical attenuator, and on the third optical axis between the fifth and sixth corner reflectors, the third semitransparent mirror, the sixth optical switch, the second reference cell and the seventh controlled optical attenuator are sequentially placed, while the second laser radiation meter and the fourth - the sixth optical switches are sequentially placed on the fourth optical axis, perpendicular to the first to third optical axes, at the output of the laser generator in the direction of propagation of laser radiation parallel to the first to third optical axes, the ninth to seventh semitransparent mirrors and the second reflective mirror are installed in series, and the retractable mirror in the inserted state, it is located between the ninth and eighth semitransparent mirrors and is intended to form a fifth optical axis, which is perpendicular to the direction of laser radiation and on which is sequentially placed s the first controlled optical attenuator and the third-first optical switches, the eighth-sixth semitransparent mirrors are designed to form, respectively, the fifth to seventh optical axes, which are perpendicular to the direction of the laser radiation, on the fifth optical axis a second controlled optical attenuator is sequentially placed, the second and first semitransparent mirrors, the third controlled optical attenuator, the fourth and third semitransparent mirrors are sequentially located on the sixth optical axis, the fourth controlled optical attenuator, the sixth and fifth semitransparent mirrors are sequentially placed on the seventh optical axis, the ninth semitransparent mirror and the first reflective mirror are designed to supply laser radiation from the output laser generator to the first laser meter, the second semitransparent mirror is designed to supply laser radiation through the first optical switch and the first controllable spectral filter on the p The first photodetector unit, the fourth semitransparent mirror is designed to supply laser radiation through the second optical switch and the second controllable spectral filter to the second photodetector unit, the sixth semitransparent mirror is designed to supply laser radiation through the third optical switch and the third controllable spectral filter to the third photodetector unit, the control input of the laser generator, the outputs of all photodetector units and both laser radiation meters, as well as the control inputs of all controlled spectral filters, controlled optical attenuators, optical switches and a movement unit are connected to the control and processing unit.

Особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что лазерный генератор может быть выполнен с возможностью перестройки длины волны лазерного излучения.A feature of the system according to the present invention is that the laser generator can be configured to tune the wavelength of laser radiation.

Другая особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что каждый управляемый спектральный фильтр может быть выполнен на основе акустооптической ячейки.Another feature of the system according to the present invention is that each controllable spectral filter can be based on an acousto-optic cell.

Еще одна особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что каждый управляемый оптический ослабитель может быть выполнен на основе акустооптической ячейки.Another feature of the system according to the present invention is that each controllable optical attenuator can be based on an acousto-optic cell.

Наконец, еще одна особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что каждая из измерительной и обеих эталонных кювет имеет прозрачные для используемого лазерного излучения противолежащие окна и может быть снабжена средством наполнения, предназначенным для подачи в конкретную кювету соответствующей среды.Finally, another feature of the system according to the present invention is that each of the measuring and both reference cuvettes has opposing windows transparent for the used laser radiation and can be equipped with filling means for supplying a particular cuvette with the corresponding medium.

Настоящее изобретение иллюстрируется приложенными чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.The present invention is illustrated in the accompanying drawings, in which like elements are designated by the same reference numbers.

На Фиг. 1 представлена блок-схема лазерной измерительной системы по настоящему изобретению.FIG. 1 is a block diagram of a laser measurement system of the present invention.

На Фиг. 2 и 3 показано выполнение одного из оптических переключателей.FIG. 2 and 3 show the implementation of one of the optical switches.

На Фиг. 4 представлена серия зарегистрированных зондирующих импульсов лазерного излучения, прошедших несколько раз через измерительную кювету.FIG. 4 shows a series of registered probing laser pulses that have passed several times through the measuring cell.

Лазерная измерительная система по настоящему изобретению содержит измерительную кювету 1, первое средство 2 наполнения, предназначенное для подачи измеряемой среды в измерительную кювету 1, первую эталонную кювету 3, второе средство 4 наполнения, предназначенное для подачи первой эталонной среды в первую эталонную кювету 3, вторую эталонную кювету 5, третье средство 6 наполнения, предназначенное для подачи второй эталонной среды во вторую эталонную кювету 5, первый-шестой уголковые отражатели 7-12, первый-третий фотоприемные блоки 13-15, первый-третий управляемые спектральные фильтры 16-18, лазерный генератор 19, первый и второй измерители 20 и 34 лазерного излучения, первый-шестой оптические переключатели 21-26, первый-седьмой управляемые оптические ослабители 27-33, выдвижное отражательное зеркало 35, блок 36 перемещения, предназначенный для перемещения выдвижного отражательного зеркала 35, первое и второе отражательные зеркала 37 и 47, первое-девятое полупрозрачные зеркала 38-46, блок 48 обработки и управления.The laser measuring system according to the present invention comprises a measuring cuvette 1, a first filling means 2 for supplying a measured medium to a measuring cuvette 1, a first reference cuvette 3, a second filling means 4 for supplying a first reference medium to a first reference cuvette 3, a second reference cuvette 5, third filling means 6 for feeding the second reference medium into the second reference cuvette 5, first to sixth corner reflectors 7-12, first to third photodetector units 13-15, first to third controllable spectral filters 16-18, laser generator 19, the first and second laser meters 20 and 34, the first to sixth optical switches 21-26, the first to seventh controllable optical attenuators 27-33, a retractable reflective mirror 35, a movement unit 36 for moving the retractable reflective mirror 35, the first and second reflective mirrors 37 and 47, first to ninth translucent mirrors 38-46, bl approx 48 processing and management.

В каждой паре из первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого уголковых отражателей 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12 уголковые отражатели каждой пары направлены друг на друга и образуют, соответственно, первую-третью оптические оси O1-O2, O3-O4, O5-O6. На первой оптической оси O1-O2 между первым и вторым уголковыми отражателями 7 и 8 последовательно размещены первое полупрозрачное зеркало 38, четвертый оптический переключатель 24, измерительная кювета 1 и пятый управляемый оптический ослабитель 31, на второй оптической оси O3-O4 между третьим и четвертым уголковыми отражателями 9 и 10 последовательно размещены третье полупрозрачное зеркало 40, пятый оптический переключатель 25, первая эталонная кювета 3 и шестой управляемый оптический ослабитель 32, а на третьей оптической оси O5-O6 между пятым и шестым уголковыми отражателями 11 и 12 последовательно размещены пятое полупрозрачное зеркало 42, шестой оптический переключатель 26, вторая эталонная кювета 5 и седьмой управляемый оптический ослабитель 33. Отметим, что первая-третья оптические оси O1-O2, О3-O4, O5-O6 предпочтительно параллельны одна другой.In each pair of the first and second, third and fourth, fifth and sixth corner reflectors 7 and 8, 9 and 10, 11 and 12, the corner reflectors of each pair are directed towards each other and form, respectively, the first or third optical axes O 1 -O 2 , O 3 -O 4 , O 5 -O 6 . On the first optical axis O 1 -O 2 between the first and second corner reflectors 7 and 8, the first semitransparent mirror 38, the fourth optical switch 24, the measuring cuvette 1 and the fifth controllable optical attenuator 31 are sequentially placed, on the second optical axis O 3 -O 4 between the third and fourth corner reflectors 9 and 10 sequentially place the third semitransparent mirror 40, the fifth optical switch 25, the first reference cuvette 3 and the sixth controlled optical attenuator 32, and on the third optical axis O 5 -O 6 between the fifth and sixth corner reflectors 11 and 12 the fifth semitransparent mirror 42, the sixth optical switch 26, the second reference cell 5 and the seventh controllable optical attenuator 33 are placed in series. Note that the first to third optical axes O 1 -O 2 , O 3 -O 4 , O 5 -O 6 are preferably parallel one another.

Второй измеритель 34 лазерного излучения и четвертый-шестой оптические переключатели 24-26 последовательно размещены на четвертой оптической оси O7-O8, которая перпендикулярна первой-третьей оптическим осям O1-O2, O3-O4, O5-O6. На выходе лазерного генератора 19 в направлении распространения лазерного излучения, параллельном первой-третьей оптическим осям O1-O2, O3-O4, O5-O6, последовательно установлены девятое, восьмое и седьмое полупрозрачные зеркала 46, 45, 44 и второе отражательное зеркало 47. Выдвижное отражательное зеркало 35 во введенном состоянии (обозначенном на Фиг. 1 ссылочной позицией 49) расположено между девятым и восьмым полупрозрачными зеркалами 46 и 45 и предназначено для формирования пятой оптической оси O9-O10, которая перпендикулярна направлению лазерного излучения от лазерного генератора 19 и на которой последовательно размещены первый управляемый оптический ослабитель 27 и третий, второй и первый оптические переключатели 23, 22, 21.The second laser meter 34 and the fourth to sixth optical switches 24-26 are sequentially placed on the fourth optical axis O 7 -O 8 , which is perpendicular to the first to third optical axes O 1 -O 2 , O 3 -O 4 , O 5 -O 6 ... At the output of the laser generator 19 in the direction of propagation of laser radiation, parallel to the first to third optical axes O 1 -O 2 , O 3 -O 4 , O 5 -O 6 , the ninth, eighth and seventh semitransparent mirrors 46, 45, 44 and second reflective mirror 47. Retractable reflective mirror 35 in the inserted state (indicated in Fig. 1 by reference numeral 49) is located between the ninth and eighth semitransparent mirrors 46 and 45 and is intended to form a fifth optical axis O 9 -O 10 , which is perpendicular to the direction of laser radiation from the laser generator 19 and on which the first controlled optical attenuator 27 and the third, second and first optical switches 23, 22, 21 are sequentially placed.

Восьмое и седьмое полупрозрачные зеркала 45 и 44 и второе отражательное зеркало 47 предназначены для формирования, соответственно, шестой-восьмой оптических осей O11-O12, O13-O14, O15 _O16, которые перпендикулярны направлению лазерного излучения. На шестой оптической оси O11-O12 последовательно размещены второй управляемый оптический ослабитель 28, второе и первое полупрозрачные зеркала 39 и 38, на седьмой оптической оси O13-O14 последовательно размещены третий управляемый оптический ослабитель 29, четвертое и третье полупрозрачные зеркала 41 и 40, на восьмой оптической оси О15-О16 последовательно размещены четвертый управляемый оптический ослабитель 30, шестое и пятое полупрозрачные зеркала 43 и 42.The eighth and seventh semitransparent mirrors 45 and 44 and the second reflective mirror 47 are designed to form, respectively, the sixth to eighth optical axes O 11 -O 12 , O 13 -O 14 , O 15 _ O 16 , which are perpendicular to the direction of the laser radiation. On the sixth optical axis O 11 -O 12 , the second controllable optical attenuator 28, the second and first semitransparent mirrors 39 and 38 are sequentially placed, on the seventh optical axis O 13 -O 14 , the third controllable optical attenuator 29, the fourth and third semitransparent mirrors 41 and 40, on the eighth optical axis O 15 -O 16 , the fourth controllable optical attenuator 30, the sixth and fifth semitransparent mirrors 43 and 42 are sequentially placed.

Девятое полупрозрачное зеркало 46 и первое отражательное зеркало 37 предназначены для подачи лазерного излучения с выхода лазерного генератора 19 на первый измеритель 20 лазерного излучения. Второе полупрозрачное зеркало 39 предназначено для подачи лазерного излучения через первый оптический переключатель 21 и первый управляемый спектральный фильтр 16 на первый фотоприемный блок 13. Четвертое полупрозрачное зеркало 41 предназначено для подачи лазерного излучения через второй оптический переключатель 22 и второй управляемый спектральный фильтр 17 на второй фотоприемный блок 14. Шестое полупрозрачное зеркало 43 предназначено для подачи лазерного излучения через третий оптический переключатель 23 и третий управляемый спектральный фильтр 18 на третий фотоприемный блок 15.The ninth semitransparent mirror 46 and the first reflective mirror 37 are designed to supply laser radiation from the output of the laser generator 19 to the first laser meter 20. The second semitransparent mirror 39 is designed to supply laser radiation through the first optical switch 21 and the first controllable spectral filter 16 to the first photodetector unit 13. The fourth semitransparent mirror 41 is designed to supply laser radiation through the second optical switch 22 and the second controllable spectral filter 17 to the second photodetector unit 14. The sixth semitransparent mirror 43 is designed to supply laser radiation through the third optical switch 23 and the third controllable spectral filter 18 to the third photodetector unit 15.

Управляющий вход лазерного генератора 19, обозначенный на Фиг. 1 ссылочной позицией а 1 выходы обоих измерителей 20, 34 лазерного излучения, обозначенные ссылочными позициями а 2 и а 3, и выходы всех фотоприемных блоков 13-15, обозначенные ссылочными позициями b1-b3, а также управляющие входы всех управляемых спектральных фильтров 16-18, обозначенные ссылочными позициями с1-с3, управляемых оптических ослабителей 27-33, обозначенные ссылочными позициями f1-f7, оптических переключателей 21-26, обозначенных ссылочными позициями d1-d6, и блока 36 перемещения, обозначенный ссылочной позицией d7, подключены к блоку 48 управления и обработки.The control input of the laser generator 19, indicated in FIG. 1 with the reference numeral a 1, the outputs of both laser meters 20, 34, indicated by the reference numerals a 2 and a 3 , and the outputs of all photodetector units 13-15, indicated by the reference numerals b 1 -b 3 , as well as the control inputs of all controllable spectral filters 16 -18, denoted by reference numerals 1 -c 3 , controllable optical attenuators 27-33 denoted by reference numerals f 1 -f 7 , optical switches 21-26, denoted by reference numerals d 1 -d 6 , and a movement unit 36, denoted by reference position d 7 , connected to the control and processing unit 48.

Выполнение любого из оптических переключателей 21-26 иллюстрируется на Фиг. 2 и 3 на примере первого оптического переключателя 21. Фиг. 2 показывает первый оптический переключатель 21 в том же положении, что и на Фиг. 1, а Фиг. 3 представляет вид по стрелке А на Фиг. 2, т.е. вид в направлении пятой оптической оси О9-О10. Ссылочной позицией m1 обозначен на Фиг. 2 и 3 центр второго полупрозрачного зеркала 39.The implementation of any of the optical switches 21-26 is illustrated in FIG. 2 and 3 using the example of the first optical switch 21. FIG. 2 shows the first optical switch 21 in the same position as in FIG. 1, and FIG. 3 is a view along arrow A in FIG. 2, i.e. view in the direction of the fifth optical axis O 9 -O 10 . The reference numeral m 1 is designated in FIG. 2 and 3, the center of the second translucent mirror 39.

Оптический переключатель 21 (как и все остальные оптические переключатели 22-26) содержит перемещаемое отражательное зеркало 51, которое перемещается блоком 52 перемещения либо во введенное положение, обозначенное на Фиг. 1 и 2 ссылочной позицией 50, либо в выведенное из оптического переключателя положение. Оптические входы V1-V4 (они же оптические выходы) представляют собой прозрачные стеклянные плоскопараллельные пластины. Работа оптического переключателя 21, как и любого другого оптического переключателя 22-26, аналогична работе выдвижного отражательного зеркала 35 с блоком 36 перемещения. Отличие состоит в том, что блок 52 перемещения в случае оптического переключателя 21 расположен не в плоскости чертежа, а в перпендикулярной плоскости и в открытом состоянии выводит отражательное зеркало 51 из плоскости чертежа Фиг. 1 или 2. При этом оптический переключатель 21 свободно пропускает оптические излучения, распространяющиеся от входа V1 до V3 и в перпендикулярном направлении от входа V2 до V4 и обратно. Во введенном состоянии оптический переключатель 21 обеспечивает прохождение оптического излучения от входа V1 на вход V4 и обратно. При этом оптические переключатели 21-26 во введенном состоянии работают только в режиме калибровки лазерной измерительной системы. В режиме измерений все оптические переключатели 21-26 находятся в открытом (выведенном) состоянии отражательного перемещаемого зеркала 51 и не препятствуют прохождению оптических излучений в двух перпендикулярных направлениях.The optical switch 21 (like all other optical switches 22-26) contains a movable reflective mirror 51, which is moved by the movement unit 52 or to the inserted position indicated in FIG. 1 and 2 by reference numeral 50, or to a position removed from the optical switch. Optical inputs V 1 -V 4 (they are also optical outputs) are transparent glass plane-parallel plates. The operation of the optical switch 21, like any other optical switch 22-26, is similar to the operation of the retractable reflective mirror 35 with the movement unit 36. The difference is that the movement unit 52 in the case of the optical switch 21 is not located in the plane of the drawing, but in the perpendicular plane and in the open state drives the reflective mirror 51 out of the plane of the drawing in FIG. 1 or 2. In this case, the optical switch 21 freely passes the optical radiation propagating from the input V 1 to V 3 and in the perpendicular direction from the input V 2 to V 4 and vice versa. In the inserted state, the optical switch 21 provides the passage of optical radiation from the input V 1 to the input V 4 and back. In this case, the optical switches 21-26 in the inserted state operate only in the calibration mode of the laser measuring system. In the measurement mode, all optical switches 21-26 are in the open (removed) state of the reflective movable mirror 51 and do not interfere with the passage of optical radiation in two perpendicular directions.

Лазерная измерительная система по настоящему изобретению осуществляет абсорбционно-спектральный анализ вещества пробы, полученной из технической среды ядерной энергетической установки (ЯЭУ), например, из первого или второго контуров теплоносителя водо-водяного энергетического ядерного реактора (ВВЭР). При этом полученная проба может быть сразу подвержена анализу в данной лазерной измерительной системе, либо возможно осуществление анализа этой пробы после ее химической обработки посредством химического реагента, который после взаимодействия (растворения пробы) подвергается анализу с помощью лазерной измерительной системы по настоящему изобретению. Далее работа лазерной измерительной системы рассмотрена на примере реализации второго варианта анализа пробы из технической среды ЯЭУ, при котором полученная проба подвергается химической обработке. Эта работа лазерной измерительной системы рассмотрена на примере обнаружения и измерения концентрации урана в пробе из технической среды ЯЭУ, например, из первого контура теплоносителя ядерного реактора типа ВВЭР. В данном реакторе водный теплоноситель первого контура непосредственно контактирует с тепловыделяющими элементами. По техническим условиям допускается негерметичность в 0,1% твэлов. Это обусловливает возможность проникновения в теплоноситель первого контура малых количеств урана в самом начале работы вновь загруженной серии твэлов.The laser measuring system according to the present invention carries out absorption-spectral analysis of a sample substance obtained from the technical environment of a nuclear power plant (NPP), for example, from the first or second coolant circuits of a pressurized water-cooled nuclear power reactor (VVER). In this case, the obtained sample can be immediately subjected to analysis in this laser measuring system, or it is possible to analyze this sample after its chemical treatment by means of a chemical reagent, which after interaction (dissolution of the sample) is analyzed using the laser measuring system according to the present invention. Further, the operation of the laser measuring system is considered on the example of the implementation of the second variant of analyzing a sample from the technical environment of a nuclear power plant, in which the obtained sample is subjected to chemical processing. This operation of the laser measuring system is considered by the example of detecting and measuring the concentration of uranium in a sample from the technical environment of a nuclear power plant, for example, from the primary coolant circuit of a VVER-type nuclear reactor. In this reactor, the primary coolant water is in direct contact with the fuel elements. According to technical conditions, leakage of 0.1% of fuel elements is allowed. This makes it possible for small amounts of uranium to penetrate into the primary coolant at the very beginning of the operation of the newly loaded series of fuel elements.

В ходе эксплуатации возможно возникновение трещин в корпусах твэлов и дальнейшее увеличение количества урана в составе вещества теплоносителя в первом контуре ВВЭР. Для обнаружения урана методом абсорбционного анализа полученную из первого контура теплоносителя пробу подвергают предварительной химической обработке, которая заключается в следующем [1-2]. Полученную пробу растворяют в растворе соляной кислоты. Далее к этому раствору добавляют раствор реагента-красителя, например, раствор Арсеназо-3. В результате получают водный раствор комплексного соединения Арсеназо-3 с ураном, который содержался в исходной пробе, полученной в результате отбора из контура теппоносителя ЯЭУ. Полученный таким образом водный раствор комплексного соединения помещают в измерительную кювету 1.In the course of operation, cracks may appear in the fuel rod casings and a further increase in the amount of uranium in the composition of the coolant material in the primary VVER loop. To detect uranium by the absorption analysis method, the sample obtained from the primary coolant circuit is subjected to preliminary chemical treatment, which consists in the following [1-2]. The resulting sample is dissolved in a solution of hydrochloric acid. Next, a dye reagent solution is added to this solution, for example, Arsenazo-3 solution. As a result, an aqueous solution of a complex compound Arsenazo-3 with uranium is obtained, which was contained in the original sample obtained as a result of sampling from the coolant circuit of the nuclear power plant. The thus obtained aqueous solution of the complex compound is placed in a measuring cuvette 1.

Одновременно приготовляют эталонный холостой раствор, содержащий растворитель (соляная кислота), реагент-краситель Арсеназо-3 без содержания урана. Данный раствор помещают в первую эталонную кювету 3. Одновременно с указанными двумя растворами формируют и приготовляют второй эталонный раствор с точно известным содержанием урана. Для этого в раствор соляной кислоты добавляют заранее известное измеренное количество урана, например, 10 мкг. В полученный раствор добавляют раствор реагента-красителя Арсеназо-3 такой же концентрации реагента-красителя Арсеназо-3, как и в первых двух случаях. В результате получают раствор комплексного соединения урана с реагентом Арсеназо-3 с точно известной концентрацией урана. Полученный второй эталонный раствор помещают во вторую эталонную кювету 5. Далее осуществляется операция одновременного определения оптических характеристик всех трех приготовленных комплексных соединений в трех кюветах 1, 3 и 5 модифицированным абсорбционно-спектральным методом, аналогичным изложенному в работах авторов [6-9].Simultaneously prepare a standard blank solution containing a solvent (hydrochloric acid), reagent-dye Arsenazo-3 without uranium. This solution is placed in the first standard cuvette 3. Simultaneously with these two solutions, form and prepare a second standard solution with a precisely known uranium content. For this, a predetermined measured amount of uranium, for example, 10 μg, is added to the hydrochloric acid solution. A solution of the Arsenazo-3 dye reagent with the same concentration of the Arsenazo-3 dye reagent as in the first two cases is added to the resulting solution. As a result, a solution of a complex compound of uranium with the reagent Arsenazo-3 with a precisely known uranium concentration is obtained. The resulting second standard solution is placed in the second standard cuvette 5. Next, the operation of simultaneous determination of the optical characteristics of all three prepared complex compounds in three cuvettes 1, 3 and 5 is carried out using a modified absorption-spectral method similar to that described in the authors' works [6-9].

Для проведения измерений оптических характеристик веществ в трех кюветах 1, 3 и 5 лазерный генератор 19 генерирует импульс зондирующего лазерного излучения (ЛИ) с хорошо известной длиной волны λ1=632 нм, соответствующей максимуму поглощения излучения комплексного соединения урана с реагентом Арсеназо-3. Одновременно на фильтрацию этой длины волны ЛИ настраиваются управляемые спектральные фильтры 16, 17 и 18. Данный импульс лазерного излучения (ЛИ) от лазерного генератора 19 разделяется на три равных части посредством восьмого и седьмого полупрозрачных зеркал 45 и 44 и поступает далее через управляемые оптические ослабители 28, 29 и 30 на оптические входы измерительной 1 и эталонных кювет 3 и 5 посредством первого, третьего и пятого полупрозрачных зеркал 38, 40 и 42. При этом выдвижное отражательное зеркало 35 находится в выведенном положении, как показано на Фиг. 1. Оптические переключатели 21-26 при проведении измерений находятся в выведенном состоянии и не препятствуют прохождению через них зондирующих импульсов ЛИ во всех направлениях. Как уже отмечено, данные оптические переключатели используются только в режиме калибровки оптических элементов лазерной измерительной системы.To measure the optical characteristics of substances in three cells 1, 3, and 5, the laser generator 19 generates a probe laser radiation (LR) pulse with a well-known wavelength λ 1 = 632 nm, corresponding to the absorption maximum of the radiation of the uranium complex compound with the Arsenazo-3 reagent. At the same time, controllable spectral filters 16, 17, and 18 are tuned to filter this LR wavelength. This laser pulse (LR) from the laser generator 19 is divided into three equal parts by means of the eighth and seventh semitransparent mirrors 45 and 44 and enters further through controlled optical attenuators 28 , 29 and 30 to the optical inputs of the measuring 1 and reference cuvettes 3 and 5 by means of the first, third and fifth semitransparent mirrors 38, 40 and 42. In this case, the retractable reflective mirror 35 is in the withdrawn position, as shown in FIG. 1. Optical switches 21-26 during measurements are in the removed state and do not interfere with the passage through them of the probing LR pulses in all directions. As already noted, these optical switches are used only in the calibration mode of the optical elements of the laser measuring system.

Далее зондирующий импульс ЛИ осуществляет многократное прохождение через измерительную кювету 1 и эталонные кюветы 3 и 5 при распространении в прямом и обратном направлениях между соответствующими уголковыми отражателями 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12. Данные уголковые отражатели образуют оптические резонаторы, на оптической оси каждого из которых расположены кюветы 1, 3, 5 и управляемые оптические ослабители 31, 32 и 33. При каждом обороте по оптическому резонатору часть импульса ЛИ ответвляется на входы управляемых спектральных фильтров 16, 17 и 18 и далее поступает на входы фотоприемных блоков 13, 14 и 15. Ответвление импульсов ЛИ осуществляется посредством полупрозрачных зеркал 38 и 39, 40 и 41, 42 и 43, соответственно. Фотоприемные блоки 13-15 осуществляют регистрацию серии импульсов ЛИ после многократного прохождения ими через измерительную кювету 1 и эталонные кюветы 3 и 5, соответственно. Данная информация поступает далее в блок 48 обработки и управления.Further, the LR probing pulse carries out multiple passes through the measuring cuvette 1 and reference cuvettes 3 and 5 during propagation in the forward and backward directions between the corresponding corner reflectors 7 and 8, 9 and 10, 11 and 12. These corner reflectors form optical resonators on the optical axis each of which contains cuvettes 1, 3, 5 and controlled optical attenuators 31, 32 and 33. With each revolution along the optical cavity, a part of the LR pulse is branched off to the inputs of controlled spectral filters 16, 17 and 18 and then enters the inputs of the photodetector units 13, 14 and 15. Branching of the LI pulses is carried out by means of semitransparent mirrors 38 and 39, 40 and 41, 42 and 43, respectively. Photoreceiving units 13-15 register a series of LR pulses after they have repeatedly passed through the measuring cuvette 1 and the reference cuvettes 3 and 5, respectively. This information goes further to the processing and control unit 48.

В блоке 48 осуществляется определение концентрации урана в измерительной кювете 1 относительно холостой пробы в первой эталонной кювете 3, определение концентрации урана во второй эталонной кювете 5, сравнение полученных данных с известным содержанием урана во второй эталонной кювете 5, а также коррекция полученных результатов измерений в измерительной кювете 1. На основании полученных данных определяется окончательная оценка величины концентрации урана в измерительной кювете 1 и в отобранной исходной пробе из технической среды ЯЭУ. Для повышения точности измерений в лазерной измерительной системе по настоящему изобретению осуществляется специальная настройка и калибровка параметров элементов оптической системы. Данная настройка и калибровка осуществляется до проведения режима собственно оптических измерений параметров веществ в кюветах 1, 3 и 5 и представляет собой специальный режим настройки лазерной измерительной системы. Данный режим настройки состоит из трех этапов и реализуется следующим образом.In block 48, the uranium concentration in the measuring cell 1 is determined relative to the blank sample in the first reference cell 3, the uranium concentration in the second reference cell 5 is determined, the data obtained are compared with the known uranium content in the second reference cell 5, and the measurement results obtained are corrected in the measuring cell. cell 1. Based on the data obtained, the final estimate of the value of the uranium concentration in the measuring cell 1 and in the taken initial sample from the technical environment of the nuclear power plant is determined. To improve the accuracy of measurements in the laser measuring system according to the present invention, a special adjustment and calibration of the parameters of the elements of the optical system is carried out. This adjustment and calibration is carried out before carrying out the mode of actual optical measurements of the parameters of substances in cuvettes 1, 3 and 5 and is a special mode of tuning the laser measuring system. This setting mode consists of three stages and is implemented as follows.

На первом этапе осуществляется калибровка фотоприемных блоков 13, 14 и 15. Для выполнения этого режима работы выдвижное зеркало 35 переводится во введенное состояние и занимает положение 49 на Фиг. 1. Лазерный генератор 19 генерирует импульс ЛИ, который поступает в первый измеритель 20 ЛИ, где осуществляется измерение его интенсивности. Одновременно импульс ЛИ поступает на оптический вход первого управляемого оптического ослабителя 27, где осуществляется его ослабление до уровня средней чувствительности фотоприемных блоков. Далее данный импульс ЛИ принимается за эталонный и поступает на оптический вход третьего управляемого спектрального фильтра 18 и далее на вход третьего фотоприемного блока 15. Для этого третий оптический переключатель 23 переводится во введенное состояние, при котором импульс ЛИ, поступающий на его вход от блока 27, далее проходит на его выход, обращенный ко входу управляемого спектрального фильтра 18. В результате на вход управляемого спектрального фильтра 18 и далее на вход фотоприемного блока 15 поступает эталонный импульс ЛИ с точно известными параметрами интенсивности, установленными с помощью первого управляемого оптического ослабителя 27. Этот импульс ЛИ регистрируется фотоприемным блоком 15 и информация об этом импульсе в цифровом виде поступает в блок 48 обработки и управления, где запоминается. Этим осуществляется калибровка фотоприемного блока 15 на основе оцифровки эталонного импульса ЛИ, поступившего на его вход.At the first stage, the photodetector units 13, 14 and 15 are calibrated. To perform this mode of operation, the retractable mirror 35 is switched to the inserted state and takes position 49 in FIG. 1. The laser generator 19 generates an LR pulse, which is fed to the first LR meter 20, where its intensity is measured. At the same time, the LR pulse is fed to the optical input of the first controlled optical attenuator 27, where it is attenuated to the level of the average sensitivity of the photodetector units. Further, this LI pulse is taken as a reference and is fed to the optical input of the third controllable spectral filter 18 and then to the input of the third photodetector unit 15. For this, the third optical switch 23 is transferred to the input state, in which the LI pulse arriving at its input from the unit 27, then it passes to its output, facing the input of the controlled spectral filter 18. As a result, a reference LR pulse with precisely known intensity parameters set using the first controlled optical attenuator 27 is fed to the input of the controlled spectral filter 18 and then to the input of the photodetector unit 15. LI is registered by the photodetector unit 15 and information about this pulse in digital form enters the processing and control unit 48, where it is stored. This calibrates the photodetector unit 15 on the basis of digitizing the reference LR pulse received at its input.

Далее аналогичным образом осуществляется калибровка следующего фотоприемного блока 14. Оптический переключатель 23 обратно переводится в открытое состояние, при котором он пропускает ЛИ во всех направлениях, а второй оптический переключатель 22 переводится в состояние переключения, при котором импульс ЛИ проходит от его входа (обращенного к оптическому переключателю 23) на выход к управляемому спектральному фильтру 17 и далее на вход фотоприемного блока 14. Далее осуществляется процесс калибровки фотоприемного блока 14 аналогично приведенному выше процессу калибровки фотоприемного блока 15. Далее аналогично осуществляется калибровка фотоприемного блока 13, для чего оптический переключатель 22 переводится в открытое состояние, а оптический переключатель 21 переводится в состояние переключения оптического входа на выход к управляемому спектральному фильтру 16. На этом процесс калибровки фотоприемных блоков завершается.Further, in a similar way, the next photodetector unit 14 is calibrated. The optical switch 23 is returned to the open state, in which it passes the LI in all directions, and the second optical switch 22 is switched to the switching state, in which the LI pulse passes from its input (facing the optical switch 23) to the output to the controlled spectral filter 17 and then to the input of the photodetector unit 14. Next, the process of calibrating the photodetector unit 14 is carried out similarly to the above process of calibrating the photodetector unit 15. Next, the calibration of the photodetector unit 13 is carried out in the same way, for which the optical switch 22 is switched to open state, and the optical switch 21 is transferred to the state of switching the optical input to the output to the controllable spectral filter 16. This completes the calibration process of the photodetector units.

На втором этапе осуществляется точное уравнивание интенсивностей импульсов ЛИ от лазерного генератора 19, поступающих на оптические входы измерительной кюветы 1 и эталонных кювет 3, 5. Данный процесс осуществляется с помощью оптических переключателей 24, 25 и 26, которые установлены на четвертой оптической оси O7-O8 совместно со вторым измерителем 34 лазерного излучения. Для этого оптические переключатели 24-26 последовательно и поочередно переключаются в состояние перевода импульса ЛИ, поступающего на их входы от полупрозрачных зеркал 38, 40 и 42, на выход, обращенный к измерителю 34 лазерного излучения по оси O7-O8. При этом импульс ЛИ, который поступает на входы оптических переключателей 24-26 от полупрозрачных зеркал 38, 40 и 42 соответственно, поступает с выходов оптических переключателей 24-26 на вход второго измерителя 34 ЛИ (поочередно). При работе одного из оптических переключателей в состоянии переключения остальные оптические переключатели находятся в открытом состоянии и пропускают импульсы ЛИ в обоих направлениях. Второй измеритель 34 ЛИ осуществляет измерение, оцифровку импульсов ЛИ и передачу информации в блок 48 обработки и управления. При этом осуществляется установление одинаковой интенсивности импульсов ЛИ посредством управляемых оптических ослабителей 28, 29 и 30, которые вносят небольшие фиксированные и дозированные ослабления в исходные импульсы ЛИ, поступающие на них от лазерного генератора 19 и через полупрозрачные 44, 45 зеркала и отражательное зеркало 47. На этом заканчивается второй этап настройки оптических элементов лазерной измерительной системы.At the second stage, the exact equalization of the intensities of the LR pulses from the laser generator 19, arriving at the optical inputs of the measuring cell 1 and reference cells 3, 5, is carried out. This process is carried out using optical switches 24, 25 and 26, which are installed on the fourth optical axis O 7 - O 8 together with a second laser meter 34. For this, the optical switches 24-26 are sequentially and alternately switched to the state of transferring the LI pulse arriving at their inputs from the semitransparent mirrors 38, 40 and 42 to the output facing the laser meter 34 along the O 7 -O 8 axis. When this pulse LI, which is fed to the inputs of the optical switches 24-26 from the semitransparent mirrors 38, 40 and 42, respectively, comes from the outputs of the optical switches 24-26 to the input of the second meter 34 LI (alternately). When one of the optical switches is operating in the switching state, the remaining optical switches are in the open state and transmit LR pulses in both directions. The second LR meter 34 measures, digitizes LI pulses and transfers information to the processing and control unit 48. In this case, the establishment of the same intensity of the LR pulses is carried out by means of controlled optical attenuators 28, 29 and 30, which introduce small fixed and dosed attenuations into the initial LR pulses arriving at them from the laser generator 19 and through semitransparent 44, 45 mirrors and a reflective mirror 47. On this ends the second stage of tuning the optical elements of the laser measuring system.

На третьем этапе настройки осуществляется уравнивание (калибровка) величин пропускания ЛИ собственно оптической схемы системы измерений в каналах измерения по оптическим осям О1-О2, О3-О4 и O5-O6. Для этого используются управляемые оптические ослабители 31, 32 и 33, установленные на указанных оптических осях между измерительной кюветой 1 и эталонными кюветами 3, 5 и, соответственно, уголковыми отражателями 8, 10 и 12. Данный вид калибровки осуществляется одновременно, так как оптическое излучение после прохождения импульсами ЛИ через указанные кюветы регистрируется раздельно и одновременно соответствующими фотоприемными блоками 13-15. При этом калибровка осуществляется при пустых кюветах 1, 3 и 5, в которых отсутствуют измеряемые вещества. Для проведения калибровки лазерный генератор 19 генерирует один импульс ЛИ, который одновременно поступает на оптические входы указанных кювет. Осуществляется многократный проход импульса ЛИ в прямом и обратном направлениях между уголковыми отражателями 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12. Образующиеся серии последовательных импульсов ЛИ, ответвляемые на каждом обороте с помощью полупрозрачных зеркал 38, 40 и 42, поступают на фотоприемные блоки 13-15 соответственно, регистрируются и поступают в блок 48 обработки и управления. Так как во всех трех кюветах отсутствует измеряемое вещество, все три серии импульсов ЛИ должны быть совершенно идентичны. При небольших различиях в амплитуде импульсов ЛИ с помощью управляемых оптических ослабителей 31, 32 и 33 вводятся небольшие потери для уравнивания оптического пропускания в соответствующих оптических каналах по первой, второй и третьей оптическим осям. На этом заканчивается третий этап калибровки и настройки оптической схемы в данной лазерной измерительной системе. Далее осуществляется собственно процесс измерения оптических характеристик приготовленных проб из технических сред ЯЭУ, как это представлено выше.At the third stage of adjustment, equalization (calibration) of the LR transmission values of the actual optical circuit of the measurement system in the measurement channels along the optical axes O 1 -O 2 , O 3 -O 4 and O 5 -O 6 is carried out. For this, controlled optical attenuators 31, 32 and 33 are used, installed on the indicated optical axes between the measuring cuvette 1 and the reference cuvettes 3, 5 and, accordingly, the corner reflectors 8, 10 and 12. This type of calibration is carried out simultaneously, since the optical radiation after The passage of the LR pulses through the indicated cuvettes is recorded separately and simultaneously by the corresponding photodetector units 13-15. In this case, calibration is carried out with empty cuvettes 1, 3 and 5, in which there are no measured substances. To carry out the calibration, the laser generator 19 generates one LR pulse, which is simultaneously fed to the optical inputs of the indicated cuvettes. A multiple pass of the LR pulse in the forward and backward directions is carried out between the corner reflectors 7 and 8, 9 and 10, 11 and 12. The resulting series of successive LR pulses, branched off at each revolution using semitransparent mirrors 38, 40 and 42, are fed to the photodetector units 13 -15, respectively, are registered and fed to the processing and control unit 48. Since there is no substance to be measured in all three cells, all three series of LR pulses should be completely identical. With small differences in the amplitude of the LR pulses, small losses are introduced using controlled optical attenuators 31, 32, and 33 to equalize the optical transmission in the corresponding optical channels along the first, second, and third optical axes. This completes the third stage of calibration and adjustment of the optical scheme in this laser measuring system. Next, the actual process of measuring the optical characteristics of the prepared samples from the technical media of the nuclear power plant is carried out, as presented above.

Измерение оптических характеристик приготовленных проб осуществляется модифицированным абсорбционно-спектральным методом, изложенным авторами в работах [6-9].Measurement of the optical characteristics of the prepared samples is carried out by a modified absorption-spectral method described by the authors in [6-9].

Абсорбционно-спектральный метод основан на определении величины поглощения оптического излучения определенной длины волны при его прохождении через исследуемое вещество - приготовленную пробу, помещенную в соответствующую кювету и содержащую комплексное соединение реагента, например, Арсеназо-3 [2], с ураном, содержащимся в исходной пробе. При использовании данного метода, называемого также фотометрическим методом, осуществляется измерение величины уровня I0 ЛИ соответствующей длины волны, поступающего на оптический вход измерительной кюветы 1, а также измерение уровня I величины ЛИ, прошедшего дважды через измерительную кювету 1 в прямом и обратном направлении. После измерения и регистрации двух указанных величин ЛИ величина концентрации С урана в составе комплексного соединения в измерительной кювете 1 определяется по следующей формуле:The absorption-spectral method is based on determining the absorption of optical radiation of a certain wavelength when it passes through the test substance - a prepared sample placed in an appropriate cuvette and containing a complex compound of the reagent, for example, Arsenazo-3 [2], with uranium contained in the original sample ... When using this method, also called the photometric method, the measurement of the level I 0 of the LI of the corresponding wavelength entering the optical input of the measuring cell 1 is carried out, as well as the measurement of the level I of the value of the LI, which has passed twice through the measuring cell 1 in the forward and backward directions. After measuring and registering the two indicated LR values, the concentration of uranium C in the composition of the complex compound in the measuring cell 1 is determined by the following formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

где V - величина, на которую уменьшается световой поток при прохождении слоя исследуемого вещества с толщиной (длиной) L: V=I0-I; К - коэффициент экстинкции комплексного соединения, содержащего уран (параметр, характеризующий способность комплексного соединения реагента Арсеназо-3 с ураном поглощать оптическое излучение определенной длины волны). Размерность К - л/г см, размерность С - г/л. Толщина слоя L совпадает с длиной измерительной кюветы 1 по направлению распространения зондирующего ЛИ.where V is the value by which the luminous flux decreases when passing through a layer of the test substance with a thickness (length) L: V = I 0 -I; K is the extinction coefficient of a complex compound containing uranium (a parameter characterizing the ability of a complex compound of the Arsenazo-3 reagent with uranium to absorb optical radiation of a certain wavelength). Dimension K - l / g cm, dimension C - g / l. The layer thickness L coincides with the length of the measuring cell 1 in the direction of propagation of the probing LR.

Формула (1) является основной для определения концентрации вещества С в абсорбционно-спектральном методе и хорошо известна в технической литературе. В предлагаемом лазерном измерительном устройстве данное соотношение используется для измерения сравнительно больших или средних концентраций урана в составе комплексного соединения. Для измерения малых концентраций на начальном этапе работы вновь загруженного ядерного реактора используется специальный режим измерений. Данный специальный режим измерений является модифицированным абсорбционным методом измерений и характеризуется многократным прохождением зондирующего импульса ЛИ через исследуемое вещество в измерительной кювете 1. При этом при каждом очередном цикле прохождения зондирующего лазерного импульса через измерительную кювету 1 в прямом и обратном направлении осуществляется измерение уровня интенсивности I этого импульса, прошедшего через измерительную кювету 1 в прямом направлении N раз, с помощью соответствующего фотоприемного блока 13.Formula (1) is the main one for determining the concentration of substance C in the absorption-spectral method and is well known in the technical literature. In the proposed laser measuring device, this ratio is used to measure relatively high or medium concentrations of uranium in a complex compound. To measure low concentrations at the initial stage of operation of a newly loaded nuclear reactor, a special measurement mode is used. This special measurement mode is a modified absorption measurement method and is characterized by repeated passage of the probe LR pulse through the test substance in the measuring cell 1. In this case, at each successive cycle of the probe laser pulse passing through the measuring cell 1 in the forward and reverse directions, the intensity level I of this pulse is measured passed through the measuring cell 1 in the forward direction N times, using the corresponding photodetector unit 13.

Измерение концентрации комплексного соединения с ураном осуществляется на основе сравнения амплитуды I(N) импульса зондирующего ЛИ, прошедшего через измерительную кювету 1 в прямом направлении N раз, с амплитудой I0 исходного первоначального импульса ЛИ на оптическом входе измерительной кюветы 1. Измерение интенсивности исходного зондирующего импульса ЛИ осуществляется с помощью измерителя 2 лазерного излучения. Формула для определения концентрации С урана на основе амплитуды I(N) N-го импульса зондирующего ЛИ приобретает следующий вид:The concentration of the complex compound with uranium is measured by comparing the amplitude I (N) of the probe LR pulse that has passed through the measuring cell 1 in the forward direction N times with the amplitude I 0 of the initial initial LR pulse at the optical input of the measuring cell 1. Measurement of the intensity of the initial probe pulse LI is carried out using a laser meter 2. The formula for determining the concentration of uranium C based on the amplitude I (N) of the Nth pulse of the probing LR takes the following form:

Figure 00000002
Figure 00000002

Здесь в качестве величины I следует подставлять значение величины измеренного импульса зондирующего ЛИ с номером N:I=I(N). Измерение амплитуды данного импульса осуществляет фотоприемный блок 13. Цифра 2 в формуле обусловлена учетом двойного прохождения зондирующего ЛИ через измерительную кювету 1 в прямом и обратном направлениях. Как следует из формулы (2), чувствительность лазерной измерительной системы возросла в 2N раз, что обусловлено увеличением длины пути прохождения зондирующего импульса ЛИ через слой исследуемого вещества в 2N раз. Это позволяет обеспечить измерение весьма малых концентраций урана в комплексном соединении в приготовленной пробе, полученной из технической среды ЯЭУ.Here, as the value of I, the value of the magnitude of the measured pulse of the probing LI with the number N should be substituted: I = I (N). The measurement of the amplitude of this pulse is carried out by the photodetector unit 13. The number 2 in the formula is due to the double passage of the probing LI through the measuring cell 1 in the forward and reverse directions. As follows from formula (2), the sensitivity of the laser measuring system has increased by a factor of 2, which is due to an increase in the length of the path of the probe laser pulse through the layer of the investigated substance by a factor of 2. This makes it possible to measure very low concentrations of uranium in the complex compound in the prepared sample obtained from the technical environment of the nuclear power plant.

Определение концентрации урана в комплексном соединении урана с реагентом Арсеназо-3 в измерительной кювете 1 может осуществляться на основе нескольких различных алгоритмов.Determination of the concentration of uranium in the complex compound of uranium with the reagent Arsenazo-3 in the measuring cell 1 can be carried out on the basis of several different algorithms.

Во-первых, возможно определение концентрации С урана по формуле (2), в которой коэффициент К экстинкции получен расчетным путем на основе величины сечения поглощения комплексного соединения реагента Арсеназо-3 с ураном. Данное соединение Арсеназо-3 с ураном имеет сечение поглощения на некоторой оптимальной длине волны = 632 нм, значительно превышающее сечение поглощения урана, или его соединений с неорганическими реагентами, что и обусловливает высокую чувствительность при определении урана с помощью реагента Арсеназо-3 [2]. Применение метода многократного прохождения зондирующего ЛИ через измерительную кювету 1 дополнительно увеличивает чувствительность лазерной измерительной системы в несколько раз (2N). Возможно определение коэффициента экстинкции К на основании измерений во второй эталонной кювете 5 с известным содержанием урана, добавленного в раствор с реагентом Арсеназо-3 при приготовлении эталонного соединения для второй эталонной кюветы 5. Данное определение коэффициента К осуществляется на основе формулы (2), в которой параметр С является известным при приготовлении эталонного соединения для второй эталонной кюветы 5. Далее параметр К, полученный из решения уравнения (2) для вещества во второй эталонной кювете 5, используется для определения концентрации урана в первой эталонной кювете 1 на основе формулы (2).First, it is possible to determine the concentration of uranium C by formula (2), in which the extinction coefficient K is obtained by calculation based on the absorption cross section of the complex compound of the reagent Arsenazo-3 with uranium. This compound of Arsenazo-3 with uranium has an absorption cross-section at a certain optimal wavelength = 632 nm, significantly exceeding the absorption cross-section of uranium, or its compounds with inorganic reagents, which causes high sensitivity in determining uranium using the Arsenazo-3 reagent [2]. The application of the method of multiple passage of the probing LR through the measuring cell 1 additionally increases the sensitivity of the laser measuring system several times (2N). It is possible to determine the extinction coefficient K based on measurements in the second reference cell 5 with a known uranium content added to the solution with the Arsenazo-3 reagent when preparing the reference compound for the second reference cell 5. This determination of the coefficient K is carried out on the basis of formula (2), in which parameter C is known when preparing the reference compound for the second reference cell 5. Next, the parameter K obtained from solving equation (2) for the substance in the second reference cell 5 is used to determine the uranium concentration in the first reference cell 1 based on formula (2).

Возможно прямое сравнение амплитуд импульсов с одним и тем же номером N, полученных при регистрации прошедшего через измерительную кювету 1 и вторую эталонную кювету 5. Отношение этих импульсов позволяет непосредственно получить отношение концентраций урана в измерительной кювете 1 и второй эталонной кювете 5. При этом при увеличении номера импульса N возрастает чувствительность измерений концентрации урана. Использование в формуле (2) отношения амплитуд импульсов с одинаковым номером числа (N) прохождений зондирующего ЛИ через измерительную кювету 1 и первую эталонную кювету 3 позволяет скомпенсировать поглощение собственно реагента на длине волны наибольшего поглощения комплексного соединения, содержащего уран, что дополнительно повышает точность проведенных измерений. Таким образом, измерение поглощения комплексного соединения реагента с ураном в измерительной и второй эталонной кюветах позволяет дополнительно увеличить чувствительность и точность проведения измерений.It is possible to directly compare the amplitudes of pulses with the same number N, obtained during registration of the signal transmitted through the measuring cell 1 and the second reference cell 5. The ratio of these pulses makes it possible to directly obtain the ratio of the uranium concentrations in the measuring cell 1 and the second reference cell 5. In this case, with an increase the pulse number N increases the sensitivity of measurements of the uranium concentration. The use in formula (2) of the ratio of the amplitudes of pulses with the same number of the number (N) of the probing LR passages through the measuring cell 1 and the first reference cell 3 makes it possible to compensate for the absorption of the reagent itself at the wavelength of the highest absorption of the complex compound containing uranium, which further increases the accuracy of the measurements ... Thus, the measurement of the absorption of the complex compound of the reagent with uranium in the measuring and second reference cuvettes makes it possible to further increase the sensitivity and accuracy of measurements.

Для подтверждения настоящего изобретения проведены экспериментальные исследования работы опытного образца лазерной измерительной системы. На Фиг. 4 представлены серии импульсов зондирующего ЛИ, прошедших N циклов распространения через измерительную кювету 1 при некоторой концентрации С урана в комплексном соединении урана с реагентом Арсеназо-3. При этом на представленной осциллограмме показано отношение амплитуд I(N) импульсов, прошедших через измерительную кювету 1 с концентрацией С урана, к амплитудам I0(N) импульсов при нулевой концентрации урана С=0: I(N)/I0(N). Таким образом, здесь показано отношение импульсов ЛИ, прошедших N раз через измерительную кювету 1, к импульсам, прошедшим через первую эталонную кювету 3, т.е. к импульсам холостой пробы.To confirm the present invention, experimental studies of the operation of a prototype laser measuring system were carried out. FIG. 4 shows a series of probing LR pulses that have passed N propagation cycles through the measuring cell 1 at a certain concentration of uranium C in the complex compound of uranium with the Arsenazo-3 reagent. In this case, the presented oscillogram shows the ratio of the amplitudes I (N) of the pulses passed through the measuring cell 1 with the uranium concentration C to the amplitudes I 0 (N) of the pulses at zero uranium concentration C = 0: I (N) / I 0 (N) ... Thus, the ratio of the LR pulses that have passed through the measuring cell 1 N times to the pulses that have passed through the first reference cell 3 is shown here, i.e. to the impulses of the blank sample.

Представленные результаты показывают постепенное увеличение чувствительности лазерной измерительной системы при увеличении числа проходов N зондирующего ЛИ через измерительную кювету 1. Максимальная чувствительность достигается при измерении концентрации урана на основе зарегистрированного импульса с номером N=30 с максимальным числом проходов через измерительную кювету, равным 2N=60 проходов. Согласно работе [2] чувствительность определения урана при использовании реагента типа Арсеназо-3 составляет 0,01 мкг/л. Соответственно в предлагаемой лазерной измерительной системе при реализации указанного числа проходов зондирующего ЛИ через измерительную кювету чувствительность увеличивается и составляет 0,01/60=0,00017 мкг/л.The presented results show a gradual increase in the sensitivity of the laser measuring system with an increase in the number of passes N of the probing LR through the measuring cell 1. The maximum sensitivity is achieved when the uranium concentration is measured on the basis of the registered pulse with the number N = 30 with the maximum number of passes through the measuring cell equal to 2N = 60 passes ... According to [2], the sensitivity of uranium determination when using a reagent of the Arsenazo-3 type is 0.01 µg / L. Accordingly, in the proposed laser measuring system, when the specified number of probing LI passes through the measuring cuvette is realized, the sensitivity increases and is 0.01 / 60 = 0.00017 μg / L.

Лазерная измерительная система по настоящему изобретению обеспечивает в стандартном режиме работы измерение минимального уровня концентрации урана в измеряемой пробе с высокой точностью порядка 0,00017 мкг/л. Это позволяет обеспечить контроль содержания урана в технических средах ЯЭУ, например, в первом контуре теплоносителя, непосредственно с начала работы вновь загруженных твэлов в ядерном реакторе и обеспечивает увеличение безопасности работы ЯЭУ.The laser measuring system according to the present invention provides, in a standard mode of operation, the measurement of the minimum level of uranium concentration in the measured sample with a high accuracy of the order of 0.00017 μg / L. This makes it possible to control the uranium content in the technical environments of the nuclear power plant, for example, in the primary coolant loop, directly from the start of operation of the newly loaded fuel elements in the nuclear reactor and ensures an increase in the safety of the nuclear power plant.

В лазерной измерительной системе по настоящему изобретению использованы блоки и узлы, разработанные или выпускаемые промышленностью. Измерительная кювета 1 и эталонные кюветы 3 и 5 выполняются в форме стандартных конструкторских разработок с использованием иллюминаторов, прозрачных в широком диапазоне от короткой части УФ диапазона до ИК-диапазона длин волн. Лазерный генератор 19 выполнен с возможностью перестройки длины волны генерируемого ЛИ. Такие лазерные генераторы, а также фотоприемники с широкой полосой чувствительности выпускаются промышленностью и используются в промышленности, медицине и научных исследованиях. Оптические приборы и элементы, входящие в состав данной лазерной измерительной системы, разработаны и выпускаются промышленностью. К таким элементам относятся оптические отражательные и полупрозрачные зеркала, выносные зеркала с приводом на основе шаговых электродвигателей, управляемые спектральные фильтры, выполненные на основе акустооптических ячеек, работающие в широком диапазоне длин волн от видимого до ультрафиолетового диапазона [10-11]. Управляемые спектральные фильтры обеспечивают спектральную узкополосную фильтрацию зондирующего ЛИ перед его поступлением на входы фотоприемных блоков. Длина волны спектральной фильтрации задается сигналом управления от блока 48 обработки и управления и соответствует длине волны лазерного излучения, генерируемого в этот момент времени лазерным генератором 19. Управляемые спектральные фильтры 16-18 выполняют также функцию необходимого ослабления поступающего лазерного излучения, а также обеспечивают защиту фотоприемных блоков от высокого уровня интенсивности лазерного излучения в первый момент генерации импульса излучения лазерным генератором 19. Фотоприемные блоки 13, 14 и 15 выполнены на основе высокочувствительного фотоэлектронного умножителя, работающего в диапазоне 200-800 нм. В состав фотоприемных блоков входят электрические усилители импульсных сигналов, блоки оцифровки и сопряжения с входом ЭВМ. Измерители 20, 34 лазерного излучения выполнены на основе фотоприемников и выпускаются промышленностью.The laser measuring system of the present invention uses commercially designed or manufactured blocks and assemblies. Measuring cuvette 1 and reference cuvettes 3 and 5 are made in the form of standard design developments using illuminators that are transparent in a wide range from the short part of the UV range to the IR wavelength range. The laser generator 19 is configured to tune the wavelength of the generated LI. Such laser generators, as well as photodetectors with a wide sensitivity band, are produced by industry and are used in industry, medicine, and scientific research. The optical devices and elements that make up this laser measuring system are developed and manufactured by the industry. Such elements include optical reflective and semitransparent mirrors, remote mirrors with a drive based on stepper motors, controllable spectral filters based on acousto-optic cells, operating in a wide wavelength range from visible to ultraviolet range [10-11]. Controllable spectral filters provide spectral narrow-band filtering of the probing LR before it arrives at the inputs of the photodetector units. The wavelength of the spectral filtering is set by the control signal from the processing and control unit 48 and corresponds to the wavelength of the laser radiation generated at this moment in time by the laser generator 19. Controlled spectral filters 16-18 also perform the function of the necessary attenuation of the incoming laser radiation, and also protect the photodetector units from a high level of laser radiation intensity at the first moment of generation of a radiation pulse by a laser generator 19. Photoreceiving units 13, 14 and 15 are made on the basis of a highly sensitive photomultiplier tube operating in the range of 200-800 nm. The composition of the photodetector units includes electrical amplifiers of pulse signals, units for digitizing and interfacing with the computer input. Meters 20, 34 of laser radiation are made on the basis of photodetectors and are produced by the industry.

Блок 48 обработки и управления выполнен на основе стандартной электронной вычислительной машины любого типа. Блок 48 выполняет функции обработки информации, поступающей с выходов фотоприемных блоков 13-15, на основе чего осуществляется расчет и определение концентрации урана в пробах из технических сред ЯЭУ. Одновременно блок 48 осуществляет управление работой всех элементов и устройств лазерной системы измерений по специальной программе. Блок 48 содержит средства сопряжения и соединен со всеми управляемыми элементами лазерной измерительной системы.The processing and control unit 48 is based on any type of standard electronic computer. Unit 48 performs the functions of processing information coming from the outputs of the photodetector units 13-15, on the basis of which the calculation and determination of the uranium concentration in samples from the technical environment of the nuclear power plant is carried out. At the same time, block 48 controls the operation of all elements and devices of the laser measurement system according to a special program. Block 48 contains interface means and is connected to all controllable elements of the laser measuring system.

Оптические переключатели 21-26 выполнены на основе выдвижного зеркала 51 с блоком 52 перемещения, аналогично выдвижному отражательному зеркалу 35. Отличие состоит в том, что блок 36 перемещения выдвижного зеркала 35 расположен не в плоскости чертежа Фиг. 1, а в перпендикулярной плоскости. Это позволяет при выведенном выдвижном зеркале 35 обеспечить прохождение лазерных излучений при открытом оптическом переключателе (например, 21) в двух перпендикулярных направлениях V1-V3 по оси О9-О10 и в перпендикулярном направлении V2-V4. Возможно выполнение оптических переключателей на основе акустооптических элементов и ячеек [10-11]. Такие оптические переключатели выпускаются промышленностью.The optical switches 21-26 are made on the basis of a retractable mirror 51 with a movement unit 52, similar to a retractable reflective mirror 35. The difference is that the movement unit 36 of the retractable mirror 35 is not located in the plane of the drawing of FIG. 1, but in the perpendicular plane. This makes it possible, with the withdrawn retractable mirror 35, to ensure the passage of laser radiation with an open optical switch (for example, 21) in two perpendicular directions V 1 -V 3 along the O 9 -O 10 axis and in the perpendicular direction V 2 -V 4 . It is possible to make optical switches based on acousto-optical elements and cells [10-11]. These optical switches are commercially available.

Управляемые оптические ослабители 27-33 выполнены на основе электрооптических модуляторов светового излучения. Возможно выполнение управляемых оптических ослабителей на основе акустооптических ячеек, в которых возбуждаются акустические волны [10-11]. Дифракция лазерного излучения на этих волнах обеспечивает уменьшение интенсивности излучения, прошедшего через акустооптическую ячейку. Это позволяет с высокой точностью обеспечить весьма малый уровень ослабления проходящего лазерного излучения. Блоки 2, 4 и 6 наполнения (средства наполнения) представляют собой емкости для приготовления и переноса пробы из ЯЭУ, подсоединяемые к измерительной кювете 1 и эталонным кюветам 3 и 5, соответственно.Controlled optical attenuators 27-33 are made on the basis of electro-optical modulators of light radiation. It is possible to design controlled optical attenuators based on acousto-optic cells, in which acoustic waves are excited [10-11]. Diffraction of laser radiation at these waves reduces the intensity of radiation transmitted through the acousto-optic cell. This makes it possible to provide a very low level of attenuation of the transmitted laser radiation with high accuracy. Blocks 2, 4 and 6 filling (filling means) are containers for preparation and transfer of a sample from the nuclear power plant, connected to the measuring cuvette 1 and reference cuvettes 3 and 5, respectively.

Лазерная измерительная система по настоящему изобретению позволяет осуществить определение в составе отобранной пробы практически всех элементов таблицы Менделеева при использовании предварительной химической обработки пробы в соответствии с методиками, изложенными в известном классическом сборнике [1]. При этом вследствие использования метода многократного прохода зондирующего ЛИ через измерительную кювету 1 реализуется возможность увеличения чувствительности в 10-50 раз при определении любого элемента или соединения, например борной кислоты.The laser measuring system according to the present invention makes it possible to determine in the composition of a selected sample practically all elements of the periodic table using preliminary chemical processing of the sample in accordance with the methods set forth in the well-known classical collection [1]. In this case, due to the use of the method of multiple passes of the probing LI through the measuring cell 1, it is possible to increase the sensitivity by a factor of 10-50 when determining any element or compound, for example, boric acid.

При этом лазерный генератор 19 осуществляет генерацию ЛИ с длиной волны, соответствующей максимуму поглощения ЛИ в исследуемом веществе или комплексном соединении. Управляемые спектральные фильтры 16-18 настраиваются на фильтрацию ЛИ соответствующей длины волны.In this case, the laser generator 19 generates LR with a wavelength corresponding to the maximum LR absorption in the test substance or complex compound. The controllable spectral filters 16-18 are tuned to filter the LI of the appropriate wavelength.

Лазерная измерительная система по настоящему изобретению может использоваться для анализа содержания урана в бассейнах выдержки тепловыделяющих элементов.The laser measurement system of the present invention can be used to analyze the uranium content in fuel ponds.

Применение данной лазерной измерительной системы позволяет своевременно организовать работы по предотвращению аварийной ситуации высокого уровня и повысить безопасность работы ЯЭУ.The use of this laser measuring system makes it possible to timely organize work to prevent a high-level emergency and improve the safety of the NPP operation.

Лазерная измерительная система по настоящему изобретению вследствие высокой точности измерений, широкого диапазона измерений концентраций исследуемых веществ и высокой оперативности выполнения измерений найдет применение в системе мониторинга и обеспечения безопасности атомных электростанций, в различных областях производства, химической, нефтеперерабатывающей промышленности, геологоразведке урана и системах мониторинга окружающей среды и экологического контроля.The laser measuring system according to the present invention, due to the high measurement accuracy, wide measurement range of the concentrations of the substances under study and high efficiency of measurements, will find application in the monitoring and safety system of nuclear power plants, in various fields of production, chemical, oil refining, uranium geological exploration and environmental monitoring systems. and environmental control.

Источники информацииSources of information

1. Марченко З.К. Фотометрическое определение элементов. М. Мир. 1971.1. Marchenko Z.K. Photometric determination of elements. M. Mir. 1971.

2. Жерин И.И, Амелина Г.Н. Оптические методы определения урана и тория. Издательство Томского политехнического института. 2012.2. Zherin I.I., Amelina G.N. Optical methods for the determination of uranium and thorium. Publishing house of the Tomsk Polytechnic Institute. 2012.

3. Патент РФ №2499310, опубл. 20.11.2013.3. RF patent No. 2499310, publ. 20.11.2013.

4. Патент Великобритании №1157086, опубл 02.07.1969.4. UK patent No. 1157086, publ. 07/02/1969.

5. Авторское свидетельство СССР №750287, опубл. 23.07.1980.5. USSR author's certificate No. 750287, publ. 07/23/1980.

6. Манкевич С.К., Орлов Е.П. Абсорбционно-спектральный фотометрический метод измерения концентрации борной кислоты в теплоносителе контура охлаждения энергетического ядерного реактора. Атомная энергия, 2016, Т. 121, вып. 5, С. 265-269.6. Mankevich S.K., Orlov E.P. Absorption-spectral photometric method for measuring the concentration of boric acid in the coolant of the cooling circuit of a nuclear power reactor. Atomic Energy, 2016, Vol. 121, no. 5, pp. 265-269.

7. Манкевич С.К., Орлов Е.П. Абсорбционно-спектральный метод контроля характеристик теплоносителя в ядерном энергетическом реакторе. Препринт ФИАН №12. М. 2015. 34 с.7. Mankevich S.K., Orlov E.P. Absorption-spectral method for monitoring the characteristics of the coolant in a nuclear power reactor. FIAN Preprint No. 12. M. 2015.34 p.

8. Патент РФ №2594364, опубл. 20.08.2016.8. RF patent No. 2594364, publ. 08/20/2016.

9. Патент РФ №2606369, опубл. 10.01.2017.9. RF patent No. 2606369, publ. 10.01.2017.

10. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М.: Радио и связь. 1985. С. 134-234.10. Balakshy V.I., Parygin V.N., Chirkov L.Ye. Physical foundations of acousto-optics. M .: Radio and communication. 1985.S. 134-234.

11. Балакший В.И., Манкевич С.К., Парыгин В.Н. Квантовая электроника. 1985, Т. 12, №4.11. Balakshy V.I., Mankevich S.K., Parygin V.N. Quantum electronics. 1985, T. 12, No. 4.

Claims (5)

1. Лазерная измерительная система, содержащая измерительную кювету, первую и вторую эталонные кюветы, лазерный генератор, первый-третий фотоприемные блоки, первый и второй измерители лазерного излучения, первый-третий управляемые спектральные фильтры, выдвижное отражательное зеркало с блоком перемещения, блок обработки и управления, первый-шестой уголковые отражатели, первое и второе отражательные зеркала, первое-девятое полупрозрачные зеркала, первый-седьмой управляемые оптические ослабители, первый-шестой оптические переключатели, на первой оптической оси между первым и вторым уголковыми отражателями последовательно размещены первое полупрозрачное зеркало, четвертый оптический переключатель, измерительная кювета и пятый управляемый оптический ослабитель, на второй оптической оси между третьим и четвертым уголковыми отражателями последовательно размещены третье полупрозрачное зеркало, пятый оптический переключатель, первая эталонная кювета и шестой управляемый оптический ослабитель, а на третьей оптической оси между пятым и шестым уголковыми отражателями последовательно размещены пятое полупрозрачное зеркало, шестой оптический переключатель, вторая эталонная кювета и седьмой управляемый оптический ослабитель, при этом второй измеритель лазерного излучения и четвертый-шестой оптические переключатели последовательно размещены на четвертой оптической оси, перпендикулярной первой-третьей оптическим осям, на выходе лазерного генератора в направлении распространения лазерного излучения, параллельном первой-третьей оптическим осям, последовательно установлены девятое-седьмое полупрозрачные зеркала и второе отражательное зеркало, причем выдвижное отражательное зеркало во введенном состоянии расположено между девятым и восьмым полупрозрачными зеркалами и предназначено для формирования пятой оптической оси, которая перпендикулярна упомянутому направлению лазерного излучения и на которой последовательно размещены первый управляемый оптический ослабитель и третий-первый оптические переключатели, восьмое и седьмое полупрозрачные зеркала и второе отражательное зеркало предназначены для формирования, соответственно, шестой-восьмой оптических осей, которые перпендикулярны упомянутому направлению лазерного излучения, на шестой оптической оси последовательно размещены второй управляемый оптический ослабитель, второе и первое полупрозрачные зеркала, на седьмой оптической оси последовательно размещены третий управляемый оптический ослабитель, четвертое и третье полупрозрачные зеркала, на восьмой оптической оси последовательно размещены четвертый управляемый оптический ослабитель, шестое и пятое полупрозрачные зеркала, девятое полупрозрачное зеркало и первое отражательное зеркало предназначены для подачи лазерного излучения с выхода лазерного генератора на первый измеритель лазерного излучения, второе полупрозрачное зеркало предназначено для подачи лазерного излучения через первый оптический переключатель и первый управляемый спектральный фильтр на первый фотоприемный блок, четвертое полупрозрачное зеркало предназначено для подачи лазерного излучения через второй оптический переключатель и второй управляемый спектральный фильтр на второй фотоприемный блок, шестое полупрозрачное зеркало предназначено для подачи лазерного излучения через третий оптический переключатель и третий управляемый спектральный фильтр на третий фотоприемный блок, управляющий вход лазерного генератора, выходы всех фотоприемных блоков и обоих измерителей лазерного излучения, а также управляющие входы всех управляемых спектральных фильтров, управляемых оптических ослабителей, оптических переключателей и блока перемещения подключены к блоку управления и обработки.1. Laser measuring system containing a measuring cuvette, first and second reference cuvettes, laser generator, first-third photodetector units, first and second laser radiation meters, first-third controllable spectral filters, retractable reflective mirror with a movement unit, processing and control unit , first to sixth corner reflectors, first and second reflective mirrors, first to ninth semitransparent mirrors, first to seventh controllable optical attenuators, first to sixth optical switches, on the first optical axis between the first and second corner reflectors, the first semitransparent mirror is sequentially placed, the fourth optical a switch, a measuring cuvette and a fifth controlled optical attenuator, on the second optical axis between the third and fourth corner reflectors, a third semitransparent mirror, a fifth optical switch, a first reference cell and a sixth controlled optical attenuator are sequentially placed, and on the third optical axis between the fifth and sixth corner reflectors, the fifth semitransparent mirror, the sixth optical switch, the second reference cuvette and the seventh controlled optical attenuator are sequentially placed, while the second laser radiation meter and the fourth to sixth optical switches are sequentially placed on the fourth optical axis perpendicular to the first - the third optical axes, at the output of the laser generator in the direction of propagation of laser radiation parallel to the first to third optical axes, the ninth to seventh semitransparent mirrors and the second reflective mirror are sequentially installed, and the retractable reflective mirror in the inserted state is located between the ninth and eighth semitransparent mirrors and is intended to form a fifth optical axis, which is perpendicular to the mentioned direction of laser radiation and on which the first controlled optical attenuator and the third-first optical switches, the eighth and seventh semitransparent mirrors and the second reflective mirror are designed to form, respectively, the sixth to eighth optical axes, which are perpendicular to the mentioned direction of the laser radiation, on the sixth optical axis there are sequentially placed the second controlled optical attenuator, the second and first semitransparent mirrors, on the seventh optical axis sequentially placed third controlled optical attenuator, fourth and third semitransparent mirrors, on the eighth optical axis sequentially placed fourth controlled optical attenuator, sixth and fifth semitransparent mirrors, the ninth semitransparent mirror and the first reflective mirror are designed to supply laser radiation from the output of the laser generator to the first laser radiation meter, the second semitransparent mirror is designed to supply laser radiation through the first optical switch and the first controllable spectral filter to the first photodetector th unit, the fourth semitransparent mirror is designed to supply laser radiation through the second optical switch and the second controllable spectral filter to the second photodetector unit, the sixth semitransparent mirror is designed to supply laser radiation through the third optical switch and the third controllable spectral filter to the third photodetector unit, which controls the input of the laser generator, the outputs of all photodetector units and both laser radiation meters, as well as the control inputs of all controlled spectral filters, controlled optical attenuators, optical switches and the movement unit are connected to the control and processing unit. 2. Система по п. 1, в которой лазерный генератор выполнен с возможностью перестройки длины волны лазерного излучения.2. The system of claim. 1, in which the laser generator is configured to tune the wavelength of the laser radiation. 3. Система по п. 1, в которой каждый управляемый спектральный фильтр выполнен на основе акустооптической ячейки.3. The system of claim. 1, in which each controllable spectral filter is made on the basis of an acousto-optic cell. 4. Система по п. 1, в которой каждый управляемый оптический ослабитель выполнен на основе акустооптической ячейки.4. The system of claim. 1, in which each controllable optical attenuator is made on the basis of an acousto-optic cell. 5. Система по п. 1, в которой каждая из измерительной и обеих эталонных кювет имеет прозрачные для используемого лазерного излучения противолежащие окна и снабжена средством наполнения, предназначенным для подачи в конкретную кювету соответствующей среды.5. The system according to claim. 1, in which each of the measuring and both reference cuvettes has opposite windows transparent for the used laser radiation and is equipped with filling means intended for supplying the corresponding medium to the particular cuvette.
RU2020139781A 2020-12-03 2020-12-03 Laser measuring system RU2752376C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020139781A RU2752376C1 (en) 2020-12-03 2020-12-03 Laser measuring system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020139781A RU2752376C1 (en) 2020-12-03 2020-12-03 Laser measuring system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2752376C1 true RU2752376C1 (en) 2021-07-26

Family

ID=76989565

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020139781A RU2752376C1 (en) 2020-12-03 2020-12-03 Laser measuring system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2752376C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2606369C1 (en) * 2015-09-16 2017-01-10 Сергей Константинович Манкевич System of measuring concentration of boric acid in power nuclear reactor heat carrier circuit
RU2695091C2 (en) * 2018-12-18 2019-07-19 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) Laser system for measuring heat carrier parameters of nuclear power reactor
US20190317013A1 (en) * 2016-10-27 2019-10-17 United Kingdom Research And Innovation Infra red spectrometer
RU2705212C2 (en) * 2019-03-14 2019-11-06 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) Laser leak detection system in the nuclear power reactor heat carrier circuit

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2606369C1 (en) * 2015-09-16 2017-01-10 Сергей Константинович Манкевич System of measuring concentration of boric acid in power nuclear reactor heat carrier circuit
US20190317013A1 (en) * 2016-10-27 2019-10-17 United Kingdom Research And Innovation Infra red spectrometer
RU2695091C2 (en) * 2018-12-18 2019-07-19 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) Laser system for measuring heat carrier parameters of nuclear power reactor
RU2705212C2 (en) * 2019-03-14 2019-11-06 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) Laser leak detection system in the nuclear power reactor heat carrier circuit

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ding et al. Fibre optic pH sensors prepared by sol-gel immobilisation technique
Lieberman et al. A distributed fiber optic sensor based on cladding fluorescence
Deboux et al. A novel technique for optical fiber pH sensing based on methylene blue adsorption
RU2606369C1 (en) System of measuring concentration of boric acid in power nuclear reactor heat carrier circuit
CN106990086A (en) A kind of multichannel Evanescent Wave All-fiber biology sensor
CN103499393B (en) The measuring method of spectrum
AU2020104424A4 (en) A method and equipment for measuring absorption coefficient of liquid
CN103499391A (en) Spectrum measuring system
CN102279164A (en) Difference measurement method and device for low moisture content of fiber bragg grating with double wavelengths and double light paths
CN110018123A (en) A kind of In situ spectroscopic fado parameter water quality monitoring method and device
CN102980658A (en) Micro optical fiber spectrograph
RU2705212C2 (en) Laser leak detection system in the nuclear power reactor heat carrier circuit
CN110530822A (en) A method of hollow-core fiber structure measurement refractive index is cascaded using taper coreless fiber
CN108872148A (en) High-precision particulate in air concentration detection method based on Fibre Optical Sensor
RU2752376C1 (en) Laser measuring system
Smock et al. Vapor phase determination of blood ammonia by an optical waveguide technique
RU2746522C1 (en) Laser system for atmosphere monitoring in technical rooms of nuclear power plants
RU2695091C2 (en) Laser system for measuring heat carrier parameters of nuclear power reactor
RU2594364C2 (en) System of measuring concentration of boric acid in first circuit of heat carrier of nuclear power reactor
Noire et al. Optical sensing of high acidity using a sol–gel entrapped indicator
Vickers et al. Time-resolved fluorescence with an optical-fiber probe
RU2752020C1 (en) Laser measurement unit
CN110567899B (en) Low-temperature compensation method for COD detection
CN209992383U (en) Multi-parameter water quality monitoring device adopting in-situ spectrum method
RU2766300C1 (en) Laser system for detecting emergency operation of a nuclear reactor