AP1000电站堆外核测系统(NIS)中间量程(IR)的构成及信号处理特点详析
杨天;陈科
【摘 要】本文主要阐述了中间量程(IR)通道的功能,硬件构成,信号流程以及其处理方式(包括硬件短路与软件模块两部分),相对于SR,IR增加了MSV模式用于高计数率情况下的数据处理. 【期刊名称】《仪器仪表用户》
【年(卷),期】2016(023)002
【总页数】5页(P73-77)
【关键词】堆外核测系统(NIS);中间量程(IR);MSV模式;信号处理
【作 者】金属表面涂料杨天;陈科
【作者单位】中国核电工程有限公司福清项目部,北京100840;中国核电工程有限公司福清项目部,北京100840
【正文语种】中 文
【中图分类】T
AP1000为标准化设计，结构简单，人员维护少，保证系统可靠的同时又提高了经济性。AP1000堆外核测系统提高了堆外核测设计的可靠性和专业性，这也是未来发展的趋势！
中间量程使用4个独立的裂变室探测器，铝电极上涂U235涂层。对腔室的活性区施加高压，从而在每次裂变时，产生约0.1皮库的脉冲。裂变室产生的信号通过3种不同的方式处理。 直流模式（DC），脉冲计数模式（PC）以及MSV模式。
在直流模式中，测量整个腔室的电流，电流正比于计数率，计数率正比于中子通量。在PR中，中子通量正比于热功率，所以探头可工作在DC模式监测功率水平。这种信号处理方式在AP1000的IR裂变室中未采用，而是用在了PR的非补偿电离室（UIC）。
在脉冲计数模式中，类似于SR，裂变也是通过前置放大器整形为窄脉冲。前置放大器中设固态高频
置了一个脉冲高度甄别器，用以消除幅度较低的脉冲，这些脉冲可能源于系统噪声，伽马，以及裂变室中U234衰变产生的阿尔法粒子衰变。脉冲计数模式覆盖的中子通量的区间小于1-1E6CPS。在这个值之上的脉冲不适用此种计数模式，因为每次计数事件中，脉冲宽度导致的脉冲重叠以及同时可能产生的脉冲复合。类似于SR,受到DP620模块的性能影响，同样，在IR对应的NISPA中，采用两路输出，一路是整形后的输出，一路是脉冲除以10后的整形输出。CPS与IR百分比功率的对应关系，是关于探头灵敏度，甄别阈以及中子通量的函数。由于收到脉冲重叠的限制，CPS模式只能用于IR的低量程，高量程采用MSV信号处理模式。 MSV模式取决于泊松分布，计数累加的标准方差等于累加计数平均值的开方。标准方差是平均值偏差的衡量。因为标准方差是平均计数开方的函数，所以标准差的平方是平均计数的直接测量，因为受到脉冲重叠的影响，无法直接得到平均计数。
在前置放大器输出端的AC分量是标准差的衡量，只要脉冲的频率足够造成脉冲重叠。前置放大器测量这个小的AC RMS电压，然后整形成一个成比例的DC电压后，传送至NISPA，在NISPA内部在进行放大，以便于与PMS接收卡件AI688 0-10VDC输入兼容。为了改善低
功率水平下的信噪比，实际上，有两路MSV信号从前置放大器输出：标准输出以及乘以十倍后的输出，后者用于软件处理范围的最低两个量程。
以功率百分比呈现的MSV测量范围是关于探头处中子通量与功率水平的函数。在MSV模式下，不存在脉冲高度甄别阈，伽马与噪声的剔除依赖于裂变室中，中子产生的相对较大的脉冲。这样就提供了一个固有的伽马甄别，因为伽马产生的RMS AC电压远远低于中子产生的[1]。
2.1 量程
按照系统设计规范书的要求，IR应该囊括8个量程范围，包括1E-6%-100%FP，与源量
程最少有两个数量级的重叠。在实际中，因为PR的上限达到160%FP，而在IR MSV电路上有一个放大信号用以匹配超功情况，所以IR的实际上限为200%FP。综上，IR必须覆盖的量程范围是1E-6%-200%FP。尽管对于量程的下限没有限制，但是DP620模块能够测量低至1CPS的计数。
IR通道最终输出是%FP的形式而不是CPS或者MSV。在NIS处理软件中，选择关于中子通弯曲弹簧
量函数的CPS或者MSV，然后将通道的结果转换成功率百分比的形式。IR CPS与功率百分比的对应关系是关于两个变量的函数：
1）满功率的中子通量一般情况下，假设200%功率时，对于堆外设计来讲，对应的中子通量为1E10NV，即1E-6%RTP对应50NV，1NV对应2E-8%RTP。在AP1000堆外指定位置的中子通量计算书（APP-RXS-M3C-038）中，这些值是基本相符的。
2）IR探头的灵敏度，取决于探头的设计。不同于SR，IR的裂变室有一个更宽的可能的脉冲高度的频谱分布。这样就导致，一个已知的探头的灵敏度可能范围较宽，取决于脉冲高度甄别阈的选择。一般，裂变室的最大灵敏度发生在“Alpha Cutoff”点，此时，甄别阈值设置的最低，以通过尽可能多的中子脉冲，同时，尽可能滤去U234衰变引入的脉冲，其高度低于中子脉冲。最大的中子计数灵敏度一般为0.6-0.8CPS/NV。这个远远低于SR的灵敏度。实际上，甄别阈的选择不会在“Alpha Cutoff”点，因为此时有大量的伽马产生的计数会高于这个值，所以一般甄别阈值的选择会相对偏高一些，脉冲大约0.08皮库或者更高。这样，就将探头的灵敏度降至0.2CPS/NV。
综合上述的因素，1E-6%RTP对应50NV, 灵敏度0.2CPS/ NV，1CPS=1E-7%RTP。考虑到
防老剂264源量程的范围是1-1E6CPS，并且SR与IR要有两个区间的重叠，所以IR的CPS计算部分用于0.1%RTP以下，MSV用于0.1%RTP以上。
按照上述计算，MSV用于0.1%-200%RTP，但是，在CPS计数模式的上限存在部分与MSV交叉的区间。从软件计算上来讲，伴随着功率的增长，就会存在一个区间，MSV逐渐介入，同时CPS逐渐退出，在该区间，两者均对IR的输出有所贡献。当两种处理方式的任何小的不匹配导致的CPS切换到MSV时，过渡的使用消除了IR输出的阶跃变化。
烷基叔丁基醚2.2 脉冲高度甄别阈
对于每个吸收的中子，IR探测器会产生一个脉冲。脉冲的宽度（小于1ms）与高度均非
常低（甄别阈的高度一般设为0.1皮库）。因为裂变室产生的脉冲具有一个非常宽的频谱特性，并且相对于SR来讲，中子导入的脉冲高度相对于伽马导入的脉冲高度的比值更高，所以对于生成6个量程的CPS信号，一般只设置单阈值。
不同于SR探测器，IR探测器的脉冲高度取决于物理特性，与探头的燃耗与老化无关，不会随着时间而改变。因此，IR的脉冲高度甄别阈值位于前置放大器本体，幅度高度足够穿过
甄别阈的脉冲通过光纤接口送往NISPA。在SR中，甄别阈是在NISPA中完成的，因为其前置放大器的信号相对比较难达到，从而，SR甄别阈值的调整可能相对于IR更为频繁。
在NISPA组件中，光纤形式传输的通过甄别后的脉冲信号再转换成电气信号，然后经过类似于SR在NISPA中的整形，使得脉冲信号同DP620兼容，然后以TTL电平的形式传至DP620的计数模块。
2.3 CPS除以10输出
CPS的测量范围是1-1E6CPS，对于这个量程，中子探头，前置放大器，信号处理电路都
有足够的带宽。但DP620的工作上限是1E5CPS，所以NISPA提供一个单独的除以10之后的输出。然后，在NIS对应的处理器中，再将此路信号乘以10。对于这两路信号，一路原始的，一路经过换算的，到底采用哪路作为输入，有专门的模块进行选择，阈值为1E5CPS。
2.4 甄别后的脉冲信号整形
NISPA中，对于 IR而言，非常重要的一点特征是，两路甄别输出信号（CPS，CPS/10）在送往DP620模块之前，都已经完成了整形。信号整形的重要功能包括两点。
一是保证脉冲之间最少有10微秒的间隔，这点对DP620非常重要。DP620同时具备模拟RC低通滤波以及最小1微秒的数字滤波设置。由于脉冲的间隔是随机的，不能正确的考虑脉冲间隔将导致在高计数率的情况下的脉冲丢失。
另一点是，将计数率限制在1E5CPS。因为脉冲最少间隔10μs，所以计数的上限是1E5CPS，正好满足DP620的处理能力。
3.1 计数统计（模块3）
中子事件是随机发生的，遵循泊松分布。然而，有些其它分支会影响SRNI以及IRNI的信号处理软件。在泊松分布中，一个给定的计数的精度（统计学上，关于平均值的波动）只是累计计数的函数。这是因为标准差只是等于给定时间间隔内平均计数的开方。例如，如果1S内的平均计数是25S，那么平均值的波动是：25+/-5个计数，即精度为20%。如果计数增加，则精度会上升，例如100CPS对应的精度为10%；1E4CPS对应的精度为1%。
KTMX代表通过累加以获取要求的值的最大时间（循环时间）。如果输入计数率太低，可能导致有更多的可能性偏离要求值，但是累加更多的计数可能导致响应时间不可接受。由于裂变室探测器的灵敏度比BF3的低一到两个数量级，所以一个给定的中子通量会生成一个相对较低的计数率。灭蚊机
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