RU2752020C1

RU2752020C1 - Laser measurement unit

Info

Publication number: RU2752020C1
Application number: RU2020139780A
Authority: RU
Inventors: Сергей Константинович Манкевич; Евгений Прохорович Орлов
Priority date: 2020-12-03
Filing date: 2020-12-03
Publication date: 2021-07-22

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: invention relates to laser measurement equipment and deals with a laser measurement device. The device contains a laser generator, a laser radiation meter, a measuring cell with a first mover, a reference cell with a second mover, first and second photoreceiving units, first and second controllable spectrum filters, a controllable optical attenuator, a laser amplifier with a pumping device, a pullout semitransmitting mirror with a third mover, a reflecting mirror, three semitransmitting mirrors, and first and second cube-corner reflectors.

EFFECT: increased device sensitivity.

6 cl, 3 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 наличия оптических потерь при многократном распространении зондирующего ЛИ в измерительной системе и отсутствия возможности компенсации этих потерь в данной измерительной системе. Наличие оптических потерь обусловливает ослабление зондирующего лазерного импульса и ограничивает число циклов прохождения лазерного импульса через кювету с исследуемым веществом, а, следовательно, ограничивает возможности увеличения чувствительности измерительной системы при анализе малых количеств веществ в случае 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 presence of optical losses during multiple propagation of the probing LI in the measuring system and the inability to compensate for these losses in this measuring system. The presence of optical losses determines the attenuation of the probe laser pulse and limits the number of cycles of the laser pulse passing through the cell with the test substance, and, therefore, limits the possibilities of increasing the sensitivity of the measuring system when analyzing small amounts of substances in the case of 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 ЯЭУ.The objective of the present invention is to eliminate these disadvantages with the achievement of the technical result in the form of increased sensitivity in the determination of uranium in the 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 предложено лазерное измерительное устройство, содержащее лазерный генератор, измеритель лазерного излучения, измерительную кювету с первым блоком перемещения, эталонную кювету со вторым блоком перемещения, первый и второй фотоприемные блоки, первый и второй управляемые спектральные фильтры, управляемый оптический ослабитель, лазерный усилитель с блоком накачки, выдвижное полупрозрачное зеркало с третьим блоком перемещения, отражательное зеркало, первое-третье полупрозрачные зеркала и первый и второй уголковые отражатели, на оптической оси между которыми последовательно размещены третье полупрозрачное зеркало, лазерный усилитель, управляемый оптический ослабитель, а также измерительная кювета, эталонная кювета и выдвижное полупрозрачное зеркало во введенных состояниях, первое полупрозрачное зеркало и отражательное зеркало предназначены для подачи излучения лазерного генератора в измеритель лазерного излучения, второе и третье полупрозрачные зеркала предназначены для введения лазерного излучения в лазерный усилитель, причем третье полупрозрачное зеркало предназначено также для подачи лазерного излучения из лазерного усилителя через первый управляемый спектральный фильтр в первый фотоприемный блок, а выдвижное полупрозрачное зеркало во введенном состоянии предназначено для подачи лазерного излучения, прошедшего управляемый оптический ослабитель и измерительную или эталонную кювету во введенном состоянии, через второй управляемый спектральный фильтр во второй фотоприемный блок, управляющий вход лазерного генератора, выходы обоих фотоприемных блоков и измерителя лазерного излучения, а также управляющие входы обоих управляемых спектральных фильтров, управляемого оптического ослабителя и всех блоков перемещения подключены к блоку управления и обработки.To solve this problem and achieve the specified technical result, the present invention proposes a laser measuring device comprising a laser generator, a laser radiation meter, a measuring cuvette with a first movement unit, a reference cuvette with a second movement unit, first and second photodetector units, first and second controllable spectral filters, a controlled optical attenuator, a laser amplifier with a pumping unit, a retractable semitransparent mirror with a third movement unit, a reflective mirror, the first or third semitransparent mirrors and the first and second corner reflectors, on the optical axis between which a third semitransparent mirror is placed in series, a laser amplifier controlled an optical attenuator, as well as a measuring cuvette, a reference cuvette and a retractable semitransparent mirror in the introduced states, the first semitransparent mirror and a reflective mirror are designed to feed the laser generator radiation into the measuring instrument grain radiation, the second and third semitransparent mirrors are designed to introduce laser radiation into the laser amplifier, and the third semitransparent mirror is also intended to supply laser radiation from the laser amplifier through the first controllable spectral filter to the first photodetector unit, and the retractable semitransparent mirror in the inserted state is intended to supply laser radiation passed through the controlled optical attenuator and the measuring or reference cuvette in the inserted state, through the second controlled spectral filter into the second photodetector unit, the control input of the laser generator, the outputs of both photodetector units and the laser radiation meter, as well as the control inputs of both controlled spectral filters controlled the optical attenuator and all displacement units are connected to the control and processing unit.

Особенность устройства по настоящему изобретению состоит в том, что оно может дополнительно содержать оптический затвор с четвертым блоком перемещения, размещенный во введенном состоянии рядом со вторым уголковым отражателем.A feature of the device according to the present invention is that it can further comprise an optical shutter with a fourth movement unit, placed in the inserted state next to the second corner reflector.

Другая особенность устройства по настоящему изобретению состоит в том, что лазерный генератор и лазерный усилитель могут быть выполнены каждый с возможностью перестройки длины волны генерируемого и усиливаемого лазерного излучения, соответственно.Another feature of the device according to the present invention is that the laser generator and the laser amplifier can each be configured with the possibility of tuning the wavelength of the generated and amplified laser radiation, respectively.

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

Еще одна особенность устройства по настоящему изобретению состоит в том, что управляемый оптический ослабитель может быть выполнен на основе акустооптической ячейки.Another feature of the device according to the present invention is that the controlled optical attenuator can be made on the basis of an acousto-optic cell.

Наконец, еще одна особенность устройства по настоящему изобретению состоит в том, что каждая из измерительной и эталонной кювет может иметь 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 device according to the present invention is that each of the measuring and reference cuvettes can have 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.The present invention is illustrated in the accompanying drawings.

На Фиг. 1 представлена блок-схема лазерного измерительного устройства по настоящему изобретению.FIG. 1 is a block diagram of a laser measuring device according to the present invention.

На Фиг. 2 и 3 представлены результаты экспериментального исследования опытного образца лазерного измерительного устройства.FIG. Figures 2 and 3 show the results of an experimental study of a prototype laser measuring device.

Лазерное измерительное устройство по настоящему изобретению содержит лазерный генератор 1, измеритель 2 лазерного излучения, первый и второй фотоприемные блоки 3, 4, первый и второй управляемые спектральные фильтры 5, 6, первый уголковый отражатель 7, измерительную кювету 8, первое средство 9 наполнения, предназначенное для подачи измеряемой среды в кювету 8, эталонную кювету 10, второе средство 11 наполнения, предназначенное для подачи эталонной среды в кювету 10, первый и второй блоки 12, 13 перемещения, предназначенные каждый для перемещения, соответственно, измерительной кюветы 8 и эталонной кюветы 10, второй уголковый отражатель 14, блок 15 обработки и управления, выдвижное полупрозрачное зеркало 16, третий блок 17 перемещения, предназначенный для перемещения выдвижного зеркала 16, оптический затвор 18, блок 19 управления оптическим затвором, предназначенный для управления оптическим затвором 18, отражательное зеркало 20, первое-третье полупрозрачные зеркала 21-23, лазерный усилитель 24, блок 25 накачки, управляемый оптический ослабитель 26. На Фиг. 1 отмечен также держатель 27 выдвижного полупрозрачное зеркала 16, связанный с третьим блоком 17 перемещения.The laser measuring device according to the present invention comprises a laser generator 1, a laser meter 2, the first and second photodetector units 3, 4, the first and second controllable spectral filters 5, 6, the first corner reflector 7, the measuring cuvette 8, the first filling means 9 for for feeding the medium to be measured into the cuvette 8, the reference cuvette 10, the second filling means 11 for supplying the reference medium into the cuvette 10, the first and second blocks 12, 13 moving, each intended for moving, respectively, the measuring cuvette 8 and the reference cuvette 10, a second corner reflector 14, a processing and control unit 15, a retractable semitransparent mirror 16, a third movement unit 17 for moving the retractable mirror 16, an optical shutter 18, an optical shutter control unit 19 for controlling an optical shutter 18, a reflective mirror 20, the first - third translucent mirrors 21-23, laser amplifier spruce 24, pumping unit 25, controlled optical attenuator 26. FIG. 1 also shows the holder 27 of the retractable semitransparent mirror 16 associated with the third movement unit 17.

Первый и второй уголковые отражатели 7 и 14 направлены друг на друга и образуют оптическую ось O₁-O₂, на которой последовательно размещены третье полупрозрачное зеркало 23, лазерный усилитель 24 с блоком 25 накачки, управляемый оптический ослабитель 26, между которым и вторым уголковым отражателем 14 могут размещаться измерительная кювета 8, эталонная кювета 10 и выдвижное полупрозрачное зеркало 16 в своих введенных состояниях, которые обеспечиваются для них, соответственно, первым-третьим блоками 12, 13, 17 перемещения. Рядом со вторым уголковым отражателем 14 может размещаться оптический затвор 18, управляемый блоком 19 управления.The first and second corner reflectors 7 and 14 are directed towards each other and form the optical axis O ₁ -O ₂ , on which the third semitransparent mirror 23, a laser amplifier 24 with a pumping unit 25, a controlled optical attenuator 26 are placed in series, between which and the second corner reflector 14, the measuring cuvette 8, the reference cuvette 10 and the retractable semitransparent mirror 16 can be placed in their inserted states, which are provided for them, respectively, by the first to third movement blocks 12, 13, 17. Next to the second corner reflector 14, an optical shutter 18 can be placed, controlled by the control unit 19.

Первое полупрозрачное зеркало 21 и отражательное зеркало 20 предназначены для подачи излучения лазерного генератора 1 в измеритель 2 лазерного излучения. Кроме того, лазерное излучение от лазерного генератора 1, пройдя первое полупрозрачное зеркало 21, вводится с помощью второго и третьего полупрозрачных зеркал 22, 23 в лазерный усилитель 24. Третье полупрозрачное зеркало 23 служит также для подачи лазерного излучения из лазерного усилителя 24 через первый управляемый спектральный фильтр 5 в первый фотоприемный блок 3. Выдвижное полупрозрачное зеркало 16, являющееся полупрозрачным, во введенном состоянии обеспечивает подачу лазерного излучения, прошедшего управляемый оптический ослабитель 26 и измерительную кювету 8 либо эталонную кювету 10 в их введенных состояниях, через второй управляемый спектральный фильтр 6 во второй фотоприемный блок 4. Управляющий вход лазерного генератора, помеченный как a ₁ управляющий вход блока 25 накачки, помеченный как а ₃, выход первого фотоприемного блока 3, помеченный как b₂, выход второго фотоприемного блока 5, выход измерителя 2 лазерного излучения, помеченный как а ₂, а также управляющий вход первого управляемого спектрального фильтра, помеченный как b₁, и управляющий вход второго управляемого спектрального фильтра 5, управляющий вход управляемого оптического ослабителя 26, помеченный как а ₄, управляющие входы всех блоков 12, 13, 17 перемещения, помеченные, соответственно, как c₁, с₂, с₃, и управляющий вход блока 19 управления оптическим затвором, помеченный как с₄, подключены к блоку 15 управления и обработки.The first semitransparent mirror 21 and the reflective mirror 20 are designed to supply the radiation of the laser generator 1 to the laser meter 2. In addition, laser radiation from the laser generator 1, passing through the first semitransparent mirror 21, is introduced by means of the second and third semitransparent mirrors 22, 23 into the laser amplifier 24. The third semitransparent mirror 23 also serves to supply laser radiation from the laser amplifier 24 through the first controlled spectral filter 5 into the first photodetector unit 3. The retractable semitransparent mirror 16, which is semitransparent, in the inserted state provides the supply of laser radiation that has passed the controlled optical attenuator 26 and the measuring cell 8 or the reference cell 10 in their inserted states through the second controlled spectral filter 6 in the second photodetector unit 4. The control input of the laser generator, labeled a _{1, the} control input of the pump unit 25, labeled a ₃ , the output of the first photodetector unit 3, labeled as b ₂ , the output of the second photodetector unit 5, the output of the laser meter 2, labeled a ₂ , as well as the control input lane the first controlled spectral filter, marked as b ₁ , and the control input of the second controlled spectral filter 5, the control input of the controlled optical attenuator 26, marked as a ₄ , the control inputs of all displacement units 12, 13, 17, marked, respectively, as c ₁ , c ₂ , c ₃ , and a control input of the optical shutter control unit 19, labeled c ₄ , are connected to the control and processing unit 15.

Измерительная кювета 8 и эталонная кювета 10 имеют каждая прозрачные для используемого лазерного излучения противолежащие окна, и каждая кювета может быть снабжена, соответственно, средством 9, 11 наполнения, предназначенным для подачи измеряемой среды в измерительную кювету 8 и эталонной среды в эталонную кювету 10.Measuring cuvette 8 and reference cuvette 10 each have opposite windows transparent for the used laser radiation, and each cuvette can be equipped, respectively, with means 9, 11 for filling, intended for supplying the medium to be measured into the measuring cuvette 8 and the reference medium into the reference cuvette 10.

Как показано на Фиг. 1, измерительная и эталонная кюветы 8, 10 размещены на оптической оси О₁-О₂, т.е. во введенном состоянии, попеременно. Выдвижное полупрозрачное зеркало 16 показано на Фиг. 1 во введенном состоянии.As shown in FIG. 1, the measuring and reference cuvettes 8, 10 are placed on the optical axis O ₁ -O ₂ , i.e. in the inserted state, alternately. A retractable translucent mirror 16 is shown in FIG. 1 in the inserted state.

Лазерное измерительное устройство по настоящему изобретению осуществляет абсорбционно-спектральный анализ вещества пробы, полученной из технической среды ядерной энергетической установки (ЯЭУ), например, из первого или второго контуров теплоносителя водного энергетического ядерного реактора (ВВЭР). При этом полученная проба может быть сразу подвержена анализу в данном лазерном измерительном устройстве, либо возможно осуществление анализа этой пробы после ее химической обработки посредством химического реагента, который после взаимодействия (растворения пробы) подвергается анализу с помощью настоящего лазерного измерительного устройства. Далее работа лазерного измерительного устройства рассмотрена на примере реализации второго варианта анализа пробы из технической среды ЯЭУ. Эта работа лазерного измерительного устройства 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 device according to the present invention carries out absorption-spectral analysis of the sample substance obtained from the technical environment of a nuclear power plant (NPP), for example, from the first or second coolant circuits of a water power nuclear reactor (VVER). In this case, the obtained sample can be immediately subjected to analysis in this laser measuring device, 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 this laser measuring device. Further, the operation of the laser measuring device is considered on the example of the implementation of the second option for analyzing a sample from the technical environment of the nuclear power plant. This operation of a laser measuring device 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 теплоносителя ЯЭУ. Полученный таким образом водный раствор комплексного соединения помещают в измерительную кювету 8. Одновременно приготовляют эталонный холостой раствор, содержащий растворитель (соляная кислота) и реагент - краситель-Арсеназо-3, без содержания урана. Данный раствор помещают в эталонную кювету 10.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 reagent solution, a dye, is added to this solution, for example, a solution of Arsenazo-3. 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 8. At the same time, a standard blank solution is prepared containing a solvent (hydrochloric acid) and a reagent - dye-Arsenazo-3, without uranium. This solution is placed in a standard cuvette 10.

После этого определяют оптические характеристики приготовленных комплексных соединений в двух кюветах 8 и 10 модифицированным абсорбционно-спектральным методом, аналогичным изложенному в работах авторов [6-9]. Для проведения измерений оптических характеристик веществ в двух кюветах 8 и 10 лазерный генератор 1 генерирует импульс зондирующего ЛИ с длиной волны λ_m, соответствующей максимуму поглощения излучения комплексного соединения урана с реагентом Арсеназо-3, которая хорошо известна и равна 632 нм. Одновременно на фильтрацию этой длины волны ЛИ настраиваются управляемые спектральные фильтры 5 и 6. Лазерный усилитель 24 осуществляет усиление ЛИ на этой же длине волны. Измерение оптических параметров вещества в кюветах 8 и 10 осуществляется поочередно. Для проведения измерений одна из кювет, например измерительная кювета 8, с помощью первого блока 12 перемещения устанавливается на оптической оси O₁-О₂. При этом эталонная кювета 10 находится в выведенном из оптической оси состоянии, как это показано на Фиг. 1.After that, the optical characteristics of the prepared complex compounds are determined in two cuvettes 8 and 10 by a modified absorption-spectral method, similar to that described in the authors' works [6-9]. To measure the optical characteristics of substances in two cuvettes 8 and 10, the laser generator 1 generates a probe LR pulse with a wavelength λ _m corresponding to the absorption maximum of the radiation of the uranium complex compound with the Arsenazo-3 reagent, which is well known and equal to 632 nm. At the same time, the controlled spectral filters 5 and 6 are tuned to filter this LR wavelength. The laser amplifier 24 amplifies the LR at the same wavelength. Measurement of the optical parameters of the substance in cells 8 and 10 is carried out alternately. To carry out measurements, one of the cuvettes, for example a measuring cuvette 8, with the help of the first movement unit 12 is installed on the optical axis O ₁ -O ₂ . In this case, the reference cuvette 10 is in a state removed from the optical axis, as shown in FIG. one.

Зондирующий импульс ЛИ от лазерного генератора 1 поступает с помощью второго и третьего полупрозрачных зеркал 22 и 23 на оптическую ось O₁-O₂, проходит через лазерный усилитель 24 и через управляемый оптический ослабитель 26 и поступает далее на оптический вход измерительной кюветы 8. После прохождения через измерительную кювету 8 зондирующий импульс ЛИ проходит через выдвижное полупрозрачное зеркало 16, находящееся во введенном состоянии, как это показано на Фиг. 1, и проходит далее через оптический затвор 18, находящийся в открытом состоянии. Далее зондирующий импульс ЛИ поступает на второй уголковый отражатель 14. После этого осуществляется многократное прохождение импульса ЛИ по оптической оси О₁-О₂ между уголковыми отражателями 14 и 7 вплоть до полного ослабления интенсивности данного зондирующего импульса ЛИ.The probing pulse LR from the laser generator 1 is fed with the help of the second and third semitransparent mirrors 22 and 23 to the optical axis O ₁ -O ₂ , passes through the laser amplifier 24 and through the controlled optical attenuator 26 and goes further to the optical input of the measuring cell 8. After passing through through the measuring cuvette 8, the probing pulse LR passes through the retractable semitransparent mirror 16, which is in the inserted state, as shown in FIG. 1, and passes further through the optical shutter 18, which is in the open state. Further, the probing LR pulse is fed to the second corner reflector 14. After that, the LR pulse is repeatedly passed along the optical axis O ₁ -O ₂ between the corner reflectors 14 and 7 until the intensity of this probing LR pulse is completely attenuated.

При этом осуществляется многократное прохождение импульса ЛИ через измерительную кювету 8 при распространении в прямом и обратном направлениях между первым и вторым уголковыми отражателями 7 и 14. Данные уголковые отражатели 7, 14 образуют открытый оптический резонатор (далее просто резонатор), на оптической оси O₁-O₂ которого расположена измерительная кювета 8, а также лазерный усилитель 24 и управляемый оптический ослабитель 26, которые при совместном действии обеспечивают компенсацию оптических потерь в указанном оптическом резонаторе. При каждом обороте по оптическому резонатору часть импульса ЛИ ответвляется на входы управляемых спектральных фильтров 5 и 6, и далее поступает на входы фотоприемных блоков 3 и 4. Ответвление импульсов ЛИ осуществляется посредством третьего полупрозрачного зеркала 23 и выдвижного полупрозрачного зеркала 16 во введенном состоянии, как это показано на Фиг. 1. Фотоприемные блоки 3 и 4 осуществляют регистрацию серии импульсов ЛИ после многократного прохождения ими через измерительную кювету 8.In this case, the LR pulse is repeatedly passed through the measuring cell 8 during propagation in the forward and reverse directions between the first and second corner reflectors 7 and 14. These corner reflectors 7, 14 form an open optical resonator (hereinafter simply a resonator), on the optical axis O ₁ - O _{2 of} which a measuring cell 8 is located, as well as a laser amplifier 24 and a controlled optical attenuator 26, which, when combined, provide compensation for optical losses in the specified optical cavity. With each revolution through the optical resonator, a part of the LR pulse is branched off to the inputs of controlled spectral filters 5 and 6, and then fed to the inputs of photodetecting units 3 and 4. The LR pulses are tapped off by means of the third semitransparent mirror 23 and the retractable semitransparent mirror 16 in the inserted state, as shown in FIG. 1. Photoreceiving units 3 and 4 record a series of LR pulses after they have repeatedly passed through the measuring cuvette 8.

Данная информация поступает далее в блок 15 обработки и управления, где осуществляется определение концентрации урана в измерительной кювете 8 относительно холостой пробы в эталонной кювете 10. Для выполнения процедуры сравнения оптических параметров отобранной и обработанной пробы в измерительной кювете 8 с оптическими параметрами холостой пробы (не содержащей урана) в эталонной кювете 10, последнюю с помощью второго блока 13 перемещения автоматически устанавливают на оптической оси O₁-О₂. Измерительную кювету 8 с помощью первого блока 12 перемещения убирают с оптической оси О₁-O₂. Далее осуществляют процесс измерения оптических параметров с использованием эталонной кюветы 10 аналогично тому, как это было проделано для измерительной кюветы 8.This information is fed further to the processing and control unit 15, where the concentration of uranium in the measuring cell 8 is determined relative to the blank sample in the reference cell 10. To perform the procedure for comparing the optical parameters of the selected and processed samples in the measuring cell 8 with the optical parameters of the blank sample (not containing uranium) in the reference cuvette 10, the latter with the help of the second block 13 of the movement is automatically set on the optical axis O ₁ -O ₂ . The measuring cuvette 8 with the help of the first movement unit 12 is removed from the optical axis O ₁ -O ₂ . Next, the process of measuring the optical parameters is carried out using the reference cuvette 10 in the same way as it was done for the measuring cuvette 8.

Образующаяся серия импульсов ЛИ после многократного прохождения через эталонную кювету 10 регистрируется в блоке 15 обработки и управления. На основании полученных данных в виде серий импульсов ЛИ определяется окончательная оценка величины концентрации урана в измерительной кювете 8 и в отобранной исходной пробе из технической среды ЯЭУ.The resulting series of LR pulses after repeated passage through the reference cuvette 10 is recorded in the processing and control unit 15. Based on the data obtained in the form of a series of LR pulses, the final estimate of the value of the uranium concentration in the measuring cell 8 and in the taken initial sample from the technical environment of the nuclear power plant is determined.

Для повышения точности измерений в лазерном измерительном устройстве по настоящему изобретению осуществляют настройку и калибровку параметров элементов оптической системы. Данная настройка и калибровка осуществляется до проведения режима собственно оптических измерений параметров веществ в измерительной кювете 8 и представляет собой режим настройки лазерного измерительного устройства.To improve the accuracy of measurements in the laser measuring device according to the present invention, the parameters of the elements of the optical system are tuned and calibrated. This setting and calibration is carried out before carrying out the mode of actual optical measurements of the parameters of substances in the measuring cuvette 8 and is the setting mode of the laser measuring device.

После режима настройки осуществляется собственно процесс измерения оптических характеристик приготовленных проб из технических сред ЯЭУ, как это представлено выше.After the adjustment mode, 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 (из технической среды ЯЭУ и холостой пробы) осуществляется модифицированным абсорбционно-спектральным методом, изложенным авторами в работах [6-9].Measurement of the optical characteristics of the prepared samples (from the technical environment of the nuclear power plant and the blank sample) 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 8, а также измерение уровня I величины ЛИ, прошедшего дважды через измерительную кювету в прямом и обратном направлении. После измерения и регистрации двух указанных величин ЛИ величина концентрации С урана в составе комплексного соединения в измерительной кювете 8 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 8 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 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 8 is determined by the following formula:

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 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 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 8. При этом при каждом очередном цикле прохождения зондирующего лазерного импульса через измерительную кювету в прямом и обратном направлении осуществляется измерение уровня интенсивности I этого импульса, прошедшего через измерительную кювету 8 в прямом направлении N раз, с помощью соответствующего фотоприемного блока 3, а также с помощью фотоприемного блока 4.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 8. In this case, at each successive cycle of the probe laser pulse passing through the measuring cell in the forward and reverse directions, the intensity level I of this pulse is measured. passed through the measuring cuvette 8 in the forward direction N times, with the help of the corresponding photodetector unit 3, as well as with the help of the photodetector unit 4.

Измерение концентрации комплексного соединения с ураном осуществляется на основе сравнения амплитуды I(N) импульса зондирующего ЛИ, прошедшего через измерительную кювету 8 в прямом направлении N раз, с амплитудой I₀ исходного первоначального импульса ЛИ на оптическом входе измерительной кюветы 8. 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 8 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 8. Measurement of the intensity of the original 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:

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 3. Цифра 2 в формуле обусловлена учетом двойного прохождения зондирующего ЛИ через измерительную кювету 8 в прямом и обратном направлениях. Как следует из формулы (2), чувствительность лазерного измерительного устройства 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, the value of the value of the measured pulse of the probing LI with the number N should be substituted as the value of I: I = I (N). The measurement of the amplitude of this pulse is carried out by the photodetector unit 3. The number 2 in the formula is due to the double passage of the probing LI through the measuring cell 8 in the forward and reverse directions. As follows from formula (2), the sensitivity of the laser measuring device 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 8 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 8 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, известного из технической литературы, или полученного экспериментальным путем при измерениях с использованием предлагаемого лазерного измерительного устройства. Данное соединение Арсеназо-3 с ураном имеет сечение поглощения на некоторой оптимальной длине волны λ_m=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]. Для экспериментального определения коэффициента экстинкции соединения урана с реагентом Арсеназо-3 осуществляют приготовление специальной эталонной пробы с известным заранее установленным содержанием урана, добавляемого в раствор с реагентом типа Арсеназо-3. Данную приготовленную пробу с известным содержанием урана помещают в эталонную кювету 10 и осуществляют процесс измерения серии импульсов зондирующего ЛИ, прошедших многократно через эталонную кювету 10, аналогично изложенному выше процессу измерений. Далее на основании полученной серии импульсов ЛИ из формулы (2), в которой параметр С (концентрация урана, добавленного при приготовлении эталонной пробы) является известным, осуществляют определение коэффициента К экстинкции соединения урана с реагентом Арсеназо-3 и вычисление сечения поглощения оптического излучения этим соединением. Полученные величины коэффициента К экстинкции используют при определении концентрации урана в отобранной пробе из ЯЭУ по приведенной формуле (2). Применение метода многократного прохождения зондирующего ЛИ через измерительную кювету дополнительно увеличивает чувствительность лазерного измерительного устройства в 2N раз).First, it is possible to determine the concentration of uranium C according to 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, known from the technical literature, or obtained experimentally by measurements using the proposed laser measuring device. This compound of Arsenazo-3 with uranium has an absorption cross section at a certain optimal wavelength λ _m = 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 ]. To experimentally determine the extinction coefficient of the uranium compound with the Arsenazo-3 reagent, a special reference sample is prepared with a known predetermined uranium content added to the solution with the Arsenazo-3 reagent. This prepared sample with a known uranium content is placed in a reference cell 10 and the process of measuring a series of probing LR pulses that have passed repeatedly through the reference cell 10 is carried out, similar to the above measurement process. Further, on the basis of the obtained series of LR pulses from formula (2), in which the parameter C (the concentration of uranium added during the preparation of the reference sample) is known, the extinction coefficient K of the uranium compound with the Arsenazo-3 reagent is determined and the absorption cross section of optical radiation by this compound is calculated ... The obtained values of the extinction coefficient K are used to determine the concentration of uranium in a sample taken from a nuclear power plant according to the above formula (2). The use of the method of multiple passing of the probing LR through the measuring cuvette additionally increases the sensitivity of the laser measuring device by a factor of 2N).

Во-вторых, возможно прямое сравнение амплитуд импульсов с одним и тем же номером N, полученных при регистрации зондирующего ЛИ, прошедшего через измерительную кювету 8 и эталонную кювету 10. Отношение этих импульсов позволяет непосредственно получить отношение концентраций урана в измерительной и эталонной кюветах. При этом в эталонную кювету 10 помещается эталонная проба с известной концентрацией урана, добавленного при приготовлении данной эталонной пробы на основе комплексного соединения реагента Арсеназо-3 с ураном. При этом при увеличении номера импульса N возрастает чувствительность измерений концентрации урана. Использование в формуле (2) отношения амплитуд импульсов с одинаковыми номерами N позволяет скомпенсировать поглощение собственно реагента Арсеназо-3 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 эталонной кюветах 8 и 10 позволяет дополнительно увеличить чувствительность и точность проведения измерений.Second, it is possible to directly compare the amplitudes of pulses with the same number N, obtained by registering a probing LR that passed through measuring cuvette 8 and reference cuvette 10. The ratio of these pulses makes it possible to directly obtain the ratio of uranium concentrations in the measuring and reference cuvettes. In this case, a reference sample with a known concentration of uranium added during the preparation of this reference sample based on the complex compound of the Arsenazo-3 reagent with uranium is placed in the reference cell 10. In this case, with an increase in the pulse number N, the sensitivity of measurements of the uranium concentration increases. The use of the ratio of the amplitudes of pulses with the same numbers N in formula (2) makes it possible to compensate for the absorption of the Arsenazo-3 reagent itself at the wavelength of the highest absorption of the complex compound containing uranium, which additionally 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 reference cuvettes 8 and 10 makes it possible to further increase the sensitivity and accuracy of measurements.

В лазерном измерительном устройстве по настоящему изобретению для увеличения чувствительности и повышения числа прохождений зондирующих импульсов ЛИ через измерительную кювету 8 используется вновь введенный лазерный усилитель 24. Лазерный усилитель 24, называемый также квантовым усилителем, снабжен блоком 25 накачки, обеспечивающим непрерывную накачку активной среды лазерного (квантового) усилителя 24 и перевода и поддержания активных элементов на верхнем энергетическом уровне, что обеспечивает (квантовое) усиление импульсов зондирующего ЛИ при их прохождении через активную среду лазерного усилителя 24 в обоих направлениях. Состав лазерного усилителя 24 эквивалентен лазерному генератору 1, но без зеркал резонатора, которые в случае лазерного генератора 1 обеспечивают многократное прохождение оптического излучения через активную среду этого лазерного генератора 1 и возникновение генерации ЛИ на длине волны соответствующего лазерного перехода. Лазерный усилитель 24 работает на той же длине волны, что и лазерный генератор 1, и использует одинаковую с лазерным генератором 1 активную среду. Однако возможно применение для лазерного усилителя 24 других активных сред, работающих на соответствующей длине волны лазерного генератора 1, например, полупроводниковых лазерных усилителей и генераторов. Можно утверждать, что лазерный генератор представляет собой лазерный усилитель, снабженный оптическим резонатором для создания положительной обратной оптической связи на рабочей длине волны квантового перехода активной среды. Поэтому если разработан и существует лазерный генератор 1 на некоторой рабочей длине λ_m волны генерации ЛИ, то существует и лазерный усилитель 24, работающий на этой же длине волны ЛИ.In the laser measuring device according to the present invention, to increase the sensitivity and increase the number of passages of the probe LR pulses through the measuring cell 8, a newly introduced laser amplifier 24 is used. The laser amplifier 24, also called a quantum amplifier, is equipped with a pumping unit 25 that provides continuous pumping of the active medium of the laser (quantum ) amplifier 24 and the translation and maintenance of active elements at the upper energy level, which provides (quantum) amplification of the probing LR pulses as they pass through the active medium of the laser amplifier 24 in both directions. The composition of the laser amplifier 24 is equivalent to the laser generator 1, but without resonator mirrors, which, in the case of the laser generator 1, ensure multiple transmission of optical radiation through the active medium of this laser generator 1 and the appearance of LR generation at the wavelength of the corresponding laser transition. The laser amplifier 24 operates at the same wavelength as the laser generator 1 and uses the same active medium as the laser generator 1. However, it is possible to use for the laser amplifier 24 other active media operating at the corresponding wavelength of the laser generator 1, for example, semiconductor laser amplifiers and generators. It can be argued that the laser generator is a laser amplifier equipped with an optical resonator to create a positive optical feedback at the operating wavelength of the quantum transition of the active medium. Therefore, if there is developed and the laser generator 1 in a working length λ _m wave generating LEE, there exists a laser amplifier 24, operating at the same wavelength of LEE.

Можно также утверждать, что описанное здесь устройство для увеличения чувствительности абсорбционной фотометрии на основе многократного прохождения зондирующего ЛИ через исследуемое вещество представляет собой лазерный генератор с оптическим резонатором в виде уголковых отражателей, работающий в подпороговом режиме. При этом зондирующее ЛИ запускается в этот оптический резонатор только один раз, а далее осуществляется многократное прохождение ЛИ по этому резонатору, как и в любом лазерном генераторе. При этом, чем большее количество оборотов ЛИ по резонатору и прохождений зондирующего ЛИ через измерительную кювету 8 реализуется, тем достигается большее увеличение чувствительности. Предельное количество оборотов ЛИ по указанному резонатору обусловлено наличием оптических потерь. Оптические потери имеют место при прохождении ЛИ через каждый элемент, стоящий на пути распространения оптического (лазерного) излучения. Элементами, обуславливающими и обладающими оптическими потерями, являются уголковые отражатели 7 и 14, измерительная и эталонная кюветы 8, 10, третье полупрозрачное зеркало 23 и выдвижное полупрозрачное зеркало 16. К оптическим потерям следует отнести влияние расходимости ЛИ при его большой длине распространения.It can also be argued that the device described here for increasing the sensitivity of absorption photometry based on multiple passes of the probing LR through the test substance is a laser generator with an optical resonator in the form of corner reflectors, operating in a subthreshold mode. In this case, the probing LR is launched into this optical resonator only once, and then the LR is repeatedly passed through this resonator, as in any laser generator. In this case, the greater the number of revolutions of the LR through the resonator and the passes of the probing LR through the measuring cell 8, the greater the increase in sensitivity is achieved. The limiting number of LR revolutions along the indicated cavity is due to the presence of optical losses. Optical losses occur when the LR passes through each element standing in the path of propagation of optical (laser) radiation. The elements that cause and have optical losses are corner reflectors 7 and 14, measuring and reference cuvettes 8, 10, a third semitransparent mirror 23 and a retractable semitransparent mirror 16. Optical losses include the effect of the LR divergence with its long propagation length.

Лазерный усилитель 24 обеспечивает компенсацию оптических потерь при многократном распространении и прохождении зондирующего ЛИ по резонатору и через измерительную кювету 8. Этим обеспечивается увеличение количества прохождений зондирующего импульса ЛИ через измерительную кювету 8 и числа N регистрируемых импульсов ЛИ с интенсивностью I(N) в фотоприемных блоках 3 и 4. Для осуществления данной компенсации оптических потерь в лазерном усилителе 24 устанавливается некоторый заданный уровень квантового усиления G проходящего ЛИ посредством блока 25 накачки по управляющим сигналам от блока 15 обработки и управления. Одновременно в управляемом оптическом ослабителе 26 по сигналам от блока 15 обработки и управления устанавливается некоторый заданный уровень ослабления D проходящего лазерного зондирующего излучения. Лазерный усилитель 24 и управляемый оптический ослабитель 26 действуют совместно и позволяют обеспечить более точную компенсацию оптических потерь в резонаторе лазерного измерительного устройства, образованного уголковыми отражателями 7 и 14.The laser amplifier 24 compensates for optical losses during multiple propagation and passage of the probing LR through the resonator and through the measuring cell 8. This ensures an increase in the number of passages of the probing LR pulse through the measuring cell 8 and the number N of recorded LR pulses with intensity I (N) in the photodetector units 3 and 4. To implement this compensation of optical losses in the laser amplifier 24, a certain predetermined level of quantum gain G of the transmitted LI is set by means of the pumping unit 25 according to the control signals from the processing and control unit 15. At the same time, in the controlled optical attenuator 26, according to signals from the processing and control unit 15, a certain predetermined level of attenuation D of the transmitted laser probe radiation is set. The laser amplifier 24 and the controlled optical attenuator 26 work together and make it possible to provide a more accurate compensation of optical losses in the cavity of the laser measuring device formed by the corner reflectors 7 and 14.

Коэффициент передачи Т от импульса ЛИ с номером N к импульсу ЛИ с номером N + 1 будет равен:The transfer coefficient T from the LI pulse with number N to the LI pulse with the number N + 1 will be equal to:

Здесь Р - оптические потери, выраженные в виде коэффициента ослабления ЛИ на одном обороте по резонатору. Отсюда можно определить величину дополнительного ослабления D ЛИ в управляемом оптическом ослабителе 26 при наличии оптических потерь, характеризуемых величиной Р, а также на основе установленного фиксированного коэффициента G усиления ЛИ в лазерном усилителе 24:Here P is the optical loss, expressed as the LR attenuation coefficient per revolution along the resonator. Hence, it is possible to determine the value of the additional attenuation D of the LR in the controlled optical attenuator 26 in the presence of optical losses characterized by the value of P, and also on the basis of the set fixed gain factor G of the LR in the laser amplifier 24:

Коэффициент усиления G в стандартном устойчивом режиме лазерного усилителя 24 составляет 10-15 единиц. Оптические потери в резонаторе составляют порядка Р = 0,5 на один оборот ЛИ. Для устойчивой работы фотоприемных блоков необходимо, чтобы к концу серии N импульсов в резонаторе оставалось порядка 10% энергии от первоначального зондирующего импульса ЛИ. Такую величину интенсивности ЛИ после многократного прохождения ЛИ по резонатору можно обеспечить при величине оптических потерь Т = 0,95. В этом случае из формулы (4) получаем требуемую величину ослабления ЛИ в управляемом оптическом ослабителе 26: D = 0,12 единиц. Таким образом, действие управляемого оптического ослабителя 26 совместно с лазерным усилителем 24 позволяет обеспечить более точную компенсацию оптических потерь в резонаторе на каждом обороте зондирующего ЛИ при достаточно устойчивом стандартном уровне коэффициента усиления лазерного усилителя 24 порядка G = 15 единиц. При этом обеспечивается число регистрируемых импульсов ЛИ N = 40, что дает увеличение чувствительности лазерного измерительного устройства в 2N = 80 раз по сравнению с проведением фотометрических измерений по однопроходной схеме определения оптического пропускания исследуемого вещества в измерительной кювете.The gain G in the standard stable mode of the laser amplifier 24 is 10-15 units. Optical losses in the cavity are of the order of P = 0.5 per one LR revolution. For stable operation of the photodetector units, it is necessary that by the end of a series of N pulses, about 10% of the energy from the initial probe LR pulse remains in the cavity. Such a value of the LR intensity after repeated LR passage through the cavity can be provided at the value of optical losses T = 0.95. In this case, from formula (4), we obtain the required value of the LI attenuation in the controlled optical attenuator 26: D = 0.12 units. Thus, the action of the controlled optical attenuator 26 in conjunction with the laser amplifier 24 makes it possible to provide a more accurate compensation of optical losses in the cavity at each revolution of the probing LR at a sufficiently stable standard level of the gain of the laser amplifier 24 of the order of G = 15 units. In this case, the number of recorded LR pulses N = 40 is ensured, which gives an increase in the sensitivity of the laser measuring device by a factor of 2N = 80 in comparison with carrying out photometric measurements using a single-pass scheme for determining the optical transmission of the test substance in the measuring cell.

Удвоение числа проходов ЛИ через измерительную кювету 8 обусловлено двукратным прохождением ЛИ в прямом и обратном направлениях, поэтому каждый зарегистрированный импульс в фотоприемных блоках 3 и 4 отражает двукратное прохождение зондирующего ЛИ через измерительную кювету 8.The doubling of the number of LR passes through the measuring cell 8 is due to the double passage of the LR in the forward and reverse directions; therefore, each recorded pulse in the photodetector units 3 and 4 reflects the double passage of the probe LR through the measuring cell 8.

Установление величин коэффициента усиления G лазерного усилителя 24 и ослабления D в управляемом оптическом ослабителе 26 устанавливается по управляющим сигналам от блока 15 обработки и управления в режиме калибровки предлагаемого лазерного измерительного устройства, который предшествует режиму проведения измерений. В этом режиме калибровки устанавливается и измеряется коэффициент усиления лазерного усилителя 24. На оптическую ось устройства O₁-О₂ устанавливается эталонная кювета 10 с холостой пробой. Измерительная кювета 8 из оптической оси О₁-O₂ удаляется. Оптический затвор 18 закрывается. Лазерный усилитель 24 не накачивается, а управляемый оптический ослабитель 26 устанавливается в нулевое ослабление. Подается один зондирующий импульс ЛИ от лазерного генератора 1, который регистрируется во втором фотоприемном блоке 4. Далее запускается лазерный усилитель 24 и подается второй импульс зондирующего ЛИ от лазерного генератора 1, который также регистрируется вторым фотоприемным блоком 4. Отношение этих импульсов характеризует коэффициент усиления G лазерного усилителя 24. Далее в блоке 25 накачки устанавливается уровень накачки, необходимый для обеспечения коэффициента усиления G порядка 15 единиц. Аналогичным образом, но при неработающем лазерном усилителе 24 устанавливается необходимое ослабление в управляемом оптическом ослабителе 26. Далее открывается оптический затвор 18. При выбранных уровнях коэффициента G лазерного усиления и величины D ослабления ЛИ подается импульс зондирующего ЛИ от лазерного генератора 1. Осуществляется регистрация серии импульсов ЛИ, прошедших N оборотов по резонатору между уголковыми отражателями 7 и 14 при наличии эталонной кюветы 10 на оптической оси резонатора. При необходимости осуществляется подстройка величин усиления G и ослабления D для увеличения количества N зарегистрированных импульсов прошедшего зондирующего ЛИ.The establishment of the values of the gain G of the laser amplifier 24 and the attenuation D in the controlled optical attenuator 26 is set according to control signals from the processing and control unit 15 in the calibration mode of the proposed laser measuring device, which precedes the measurement mode. In this calibration mode, the gain of the laser amplifier 24 is set and measured. A reference cuvette 10 with a blank sample is installed _{on the optical axis of the O 1} -O _{2 device.} The measuring cuvette 8 is removed from the optical axis O ₁ -O _2. The optical shutter 18 is closed. The laser amplifier 24 is not pumped, and the controllable optical attenuator 26 is set to zero attenuation. One probe LR pulse is supplied from the laser generator 1, which is recorded in the second photodetector unit 4. Next, the laser amplifier 24 is started and the second probe LR pulse is supplied from the laser generator 1, which is also recorded by the second photodetector unit 4. The ratio of these pulses characterizes the gain G of the laser amplifier 24. Next, in the pumping unit 25, the pumping level is set, which is necessary to ensure the gain G of about 15 units. In a similar way, but when the laser amplifier 24 is inoperative, the required attenuation is set in the controlled optical attenuator 26. Next, the optical shutter 18 is opened. At the selected levels of the laser gain G and the LR attenuation value D, a probe LR pulse is supplied from the laser generator 1. A series of LR pulses is recorded. passed N revolutions through the resonator between the corner reflectors 7 and 14 in the presence of a reference cell 10 on the optical axis of the resonator. If necessary, the values of gain G and attenuation D are adjusted to increase the number N of registered pulses of the transmitted probe LR.

Далее на оптическую ось резонатора вместо эталонной кюветы 10 устанавливается измерительная кювета 8 с обработанной пробой из технической среды ЯЭУ и осуществляется процесс измерения оптических параметров пробы на основе регистрации серии импульсов зондирующего ЛИ, рассмотренный выше. Фотоприемные блоки 3 и 4 регистрируют последовательность импульсов ЛИ, прошедших через измерительную кювету 8 и сдвинутых на один проход. Это позволяет оперативно в блоке 15 обработки и управления по отношению этих импульсов контролировать уровень коэффициента усиления в лазерном усилителе 24 и уровень ослабления в управляемом оптическом ослабителе 26. Осуществляется несколько циклов одного и того же измерения параметров пробы в измерительной кювете 8. После этого для реализации максимальной чувствительности и точности выдвижное полупрозрачное зеркало 16 убирается из резонатора с помощью третьего блока 17 перемещения. Далее осуществляется процесс измерения и регистрация серии импульсов зондирующего ЛИ только с помощью первого фотоприемного блока 3 при минимальном уровне потерь в оптическом резонаторе, образованном уголковыми отражателями 7 и 14.Then, instead of the reference cell 10, a measuring cell 8 with a processed sample from the technical environment of the nuclear power plant is installed on the optical axis of the resonator, and the process of measuring the optical parameters of the sample based on the registration of a series of probing LR pulses, discussed above, is carried out. Photoreceiving units 3 and 4 register a sequence of LR pulses that have passed through the measuring cell 8 and shifted by one pass. This makes it possible to quickly monitor the level of the gain in the laser amplifier 24 and the level of attenuation in the controlled optical attenuator 26 in the processing and control unit 15 in relation to these pulses. Several cycles of the same measurement of the parameters of the sample in the measuring cell 8 are carried out. sensitivity and accuracy, the retractable semitransparent mirror 16 is removed from the resonator using the third block 17 of movement. Further, the process of measurement and registration of a series of pulses of the probing LR is carried out only with the help of the first photodetector unit 3 at a minimum level of losses in the optical resonator formed by corner reflectors 7 and 14.

Следует отметить, что уголковые отражатели 7, 14 могут быть заменены эквивалентными отражательными элементами - отражательными плоскими зеркалами с максимально возможными коэффициентами отражения и минимальными оптическими потерями. Оптический затвор 18 используется только в режиме настройки лазерного измерительного устройства и в режиме измерений не используется и находится в открытом состоянии.It should be noted that the corner reflectors 7, 14 can be replaced by equivalent reflective elements - reflective flat mirrors with the maximum possible reflection coefficients and minimum optical losses. The optical shutter 18 is used only in the adjustment mode of the laser measuring device and is not used in the measurement mode and is in the open state.

Для подтверждения настоящего изобретения проведены экспериментальные исследования работы опытного образца лазерного измерительного устройства. На Фиг. 2 и 3 представлены серии импульсов зондирующего ЛИ, прошедших N циклов распространения через резонатор, в котором минимизирован уровень оптических потерь. Измерительная и эталонная кюветы 8, 10 находились в выведенном состоянии из резонатора. На Фиг. 2 представлена средняя часть осциллограммы с масштабом 25 наносекунд в одной клетке осциллографа. Длительность импульса зондирующего ЛИ от лазерного генератора 1 составляла 3 наносекунды. Отношение Т амплитуд двух последовательных импульсов, определяющее коэффициент передачи за один оборот по резонатору и уровень оптических потерь, составляет согласно представленной осциллограмме T = 0,96. При таком минимальном уровне оптических потерь число N регистрируемых импульсов ЛИ, при которых интенсивность остаточного последнего зондирующего импульса ЛИ уменьшается до 10% от исходного уровня зондирующего ЛИ, составляет N_max = 40. Это обеспечивает увеличение чувствительности лазерного измерительного устройства в 2N_max = 80 раз.To confirm the present invention, experimental studies of the operation of a prototype laser measuring device were carried out. FIG. Figures 2 and 3 show a series of probing LR pulses that have passed N propagation cycles through a cavity in which the level of optical losses is minimized. Measuring and reference cuvettes 8, 10 were in the removed state from the resonator. FIG. 2 shows the middle part of the oscillogram with a scale of 25 nanoseconds in one cell of the oscilloscope. The duration of the probe LR pulse from the laser generator 1 was 3 nanoseconds. The ratio T of the amplitudes of two consecutive pulses, which determines the transfer coefficient per revolution over the resonator and the level of optical losses, is, according to the presented oscillogram, T = 0.96. With this a minimum level of optical losses number N of pulses recorded LI, at which the intensity of the last residual probe pulse DO decreases to 10% of baseline DO probe is N _max = 40. This provides increased sensitivity of the laser measuring device in 2N _max = 80 times.

На Фиг. 3 представлена панорамная осциллограмма серии импульсов зондирующего ЛИ от начала распространения по резонатору до полного поглощения в резонаторе и уменьшения интенсивности до нуля. Масштаб данной осциллограммы 250 наносекунд в одной клетке осциллографа. Уровень снижения интенсивности до величины 10% от исходного начального уровня интенсивности достигается к моменту времени t = 750 не. Максимальное число импульсов зондирующего ЛИ для этого момента времени составляет N_max = 150 (с учетом наличия согласно Фиг. 3 одного импульса ЛИ в промежутке времени, равном 5 не). Такое количество регистрируемых импульсов ЛИ обеспечивает 300 проходов зондирующего ЛИ через кювету с исследуемым веществом и увеличение чувствительности лазерного измерительного устройства в 2N_max = 200-300 раз.FIG. 3 shows a panoramic oscillogram of a series of probing LR pulses from the beginning of propagation through the resonator to complete absorption in the resonator and a decrease in intensity to zero. The scale of this oscillogram is 250 nanoseconds in one cell of the oscilloscope. The level of decrease in intensity to 10% of the initial initial level of intensity is reached by the time t = 750 ns. The maximum number of pulses of the probing LR for this moment of time is N _max = 150 (taking into account the presence, according to Fig. 3, of one LR pulse in a time interval equal to 5 ns). This number of recorded LR pulses provides 300 passes of the probing LR through the cuvette with the test substance and an increase in the sensitivity of the laser measuring device by 2N _max = 200-300 times.

Представленные результаты показывают постепенное увеличение чувствительности лазерного измерительного устройства при увеличении числа N проходов зондирующего ЛИ через измерительную кювету 8. Максимальная чувствительность достигается при измерении концентрации урана на основе зарегистрированного импульса с номером N_max с указанным максимальным числом проходов через измерительную кювету 8. Согласно работе [2] чувствительность определения урана при использовании реагента типа Арсеназо-3 составляет 0,01 мкг/литр. Соответственно в лазерном измерительном устройстве по настоящему изобретению при реализации указанного числа проходов зондирующего ЛИ через измерительную кювету 8 чувствительность увеличивается и составляет 1,25×10^-4 мкг/литр.The presented results show a gradual increase in the sensitivity of the laser measuring device with an increase in the number N of probing LR passes through the measuring cell 8. The maximum sensitivity is achieved when measuring the uranium concentration on the basis of the registered pulse with the number N _max with the specified maximum number of passes through the measuring cell 8. According to [2 ] the sensitivity of uranium determination when using a reagent of the Arsenazo-3 type is 0.01 μg / liter. Accordingly, in the laser measuring device according to the present invention, when the specified number of probing LR passes through the measuring cuvette 8 is realized, the sensitivity increases and is 1.25 × 10 ^-4 μg / liter.

При реализации режима измерения в соответствии с Фиг. 3 и обеспечении N = 100 оборотов зондирующего ЛИ по резонатору чувствительность лазерного измерительного устройства по настоящему изобретению при определении урана составит 5×10^-5 мкг/л или 5×10^-11 г/литр.When implementing the measurement mode in accordance with FIG. 3 and ensuring N = 100 revolutions of the probing LR in the resonator, the sensitivity of the laser measuring device according to the present invention in determining uranium will be 5 × 10 ^-5 μg / l or 5 × 10 ^-11 g / l.

Данный высокий уровень чувствительности, достигнутый и продемонстрированный экспериментально, 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.This high level of sensitivity, achieved and demonstrated experimentally, makes it possible to control the uranium content in the technical environment of a nuclear power plant, for example, in the primary coolant loop, directly from the start of operation of the newly loaded fuel elements in a nuclear reactor and ensures an increase in the safety of the nuclear power plant.

В лазерном измерительном устройстве по настоящему изобретению использованы блоки и узлы, разработанные или выпускаемые промышленностью. Измерительная и эталонные кюветы 8, 10 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 1 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. Как было отмечено выше, лазерный генератор 1 и лазерный (квантовый) усилитель 24 - это практически одинаковые по принципу работы устройства, различающиеся только наличием оптического резонатора для создания оптической обратной связи и режимом работы. Для обнаружения урана в настоящем изобретении целесообразно использовать в качестве лазерного генератора 1 и лазерного усилителя 24 гелий-неоновый лазер, работающий как раз на длине волны наибольшего поглощения излучения комплексного соединения урана с реагентом Арсеназо-3. В качестве лазерного усилителя 24 можно использовать непрерывный гелий-неоновый лазер без оптических зеркал резонатора лазера. В качестве лазерного генератора 1 можно также использовать непрерывный гелий-неоновый лазер, сопряженный с оптическим модулятором, например, с электрооптическим модулятором. Последний обеспечивает формирование коротких импульсов зондирующего ЛИ. При определении различных веществ и элементов необходимо использовать лазерные генераторы и лазерные усилители, работающие на соответствующей длине волны ЛИ, или использовать лазерные генераторы и усилители с перестройкой рабочей длины волны, которые в настоящее время освоены и выпускаются промышленностью, например, полупроводниковые лазерные генераторы и усилители.The laser measuring device of the present invention uses commercially designed or manufactured blocks and assemblies. Measuring and reference cuvettes 8, 10 are made in the form of standard design developments using transparent windows in a wide range from the short part of the UV range to the IR wavelength range. The laser generator 1 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. As noted above, the laser generator 1 and the laser (quantum) amplifier 24 are practically identical in the principle of operation of the device, differing only in the presence of an optical cavity for creating optical feedback and in the mode of operation. For the detection of uranium in the present invention, it is advisable to use a helium-neon laser as a laser generator 1 and a laser amplifier 24, operating just at the wavelength of the highest absorption of the radiation of the uranium complex compound with the Arsenazo-3 reagent. As the laser amplifier 24, a continuous helium-neon laser without optical mirrors of the laser cavity can be used. A continuous helium-neon laser coupled to an optical modulator, for example, an electro-optical modulator, can also be used as a laser generator 1. The latter provides the formation of short pulses of the probing LR. When determining various substances and elements, it is necessary to use laser generators and laser amplifiers operating at the corresponding LR wavelength, or to use laser generators and amplifiers with tuning of the operating wavelength, which are currently mastered and produced by industry, for example, semiconductor laser generators and amplifiers.

Оптические приборы и элементы, входящие в состав рассмотренной 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 3, 4. Длина волны спектральной фильтрации задается сигналом управления от блока 15 и соответствует длине волны ЛИ, генерируемого в этот момент времени лазерным генератором 1. Управляемые спектральные фильтры выполняют также функцию необходимого ослабления поступающего ЛИ, а также обеспечивают защиту фотоприемных блоков от высокого уровня интенсивности ЛИ в первый момент генерации импульса излучения лазерным генератором. Фотоприемные блоки 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 со входом ЭВМ. Оптический затвор выполнен на основе заграждающей диафрагмы с блоком перемещения на основе шагового электродвигателя. Блоки перемещения 12 и 13 измерительной и эталонной кювет 8, 10 также выполнены на основе шаговых электродвигателей.Optical devices and elements that make up the considered 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 photodetector units 3, 4. The wavelength of spectral filtering is set by the control signal from unit 15 and corresponds to the wavelength of LR generated at this time by the laser generator 1. Controlled spectral filters are also performed the function of the necessary attenuation of the incoming LR, and also provide protection of the photodetector units from a high level of LR intensity at the first moment of the generation of the radiation pulse by the laser generator. The photodetector units are made on the basis of a highly sensitive photomultiplier tube operating in the range of 200-800 nm. The photodetector units include electrical amplifiers of pulse signals, digitizing units and interfacing with the computer input. The optical shutter is made on the basis of a blocking diaphragm with a movement unit based on a stepping motor. The displacement units 12 and 13 of the measuring and reference cuvettes 8, 10 are also made on the basis of stepping motors.

Измеритель 2 ЛИ выполнен на основе фотоприемников и выпускается промышленностью. Блок 15 обработки и управления выполнен на основе стандартной электронной вычислительной машины любого типа. Блок 15 выполняет функции обработки поступающей с выходов фотоприемных блоков информации, на основе которой осуществляется расчет и определение концентрации урана в пробах из технических сред ЯЭУ. Одновременно блок 15 осуществляет управление работой всех элементов лазерного измерительного устройства по программе, составленной с учетом описанной выше последовательности операций. Блок 15 содержит средства сопряжения и соединен со всеми управляемыми элементами лазерного измерительного устройства. Управляемый оптический ослабитель 26 выполнен на основе электрооптических модуляторов светового излучения. Возможно выполнение оптического ослабителя на основе акустооптических ячеек, в которых возбуждаются акустические волны [10-11]. Дифракция ЛИ на этих волнах обеспечивает уменьшение интенсивности излучения, прошедшего через акустооптическую ячейку. Это позволяет с высокой точностью обеспечить весьма малый уровень ослабления проходящего ЛИ. Средства 9 и 11 наполнения представляют собой емкости для приготовления и переноса пробы из ЯЭУ, подсоединяемые к измерительной и эталонной кюветам 8, 10.The LI meter 2 is made on the basis of photodetectors and is manufactured by the industry. The processing and control unit 15 is made on the basis of a standard electronic computer of any type. Unit 15 performs the functions of processing the information received from the outputs of the photodetector units, 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, unit 15 controls the operation of all elements of the laser measuring device according to a program drawn up taking into account the above-described sequence of operations. Unit 15 contains interface means and is connected to all controllable elements of the laser measuring device. The controlled optical attenuator 26 is made on the basis of electro-optical modulators of light radiation. It is possible to make an optical attenuator based on acousto-optical cells, in which acoustic waves are excited [10-11]. LR diffraction by these waves reduces the intensity of radiation transmitted through the acousto-optic cell. This makes it possible to provide with a high accuracy a very low level of attenuation of the transmitted laser radiation. Means 9 and 11 for filling are containers for preparing and transferring a sample from a nuclear power plant, connected to the measuring and reference cuvettes 8, 10.

Лазерное измерительное устройство 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 8 реализуется возможность увеличения чувствительности в 10-50 раз при определении любого элемента или соединения, например борной кислоты. При этом лазерный генератор 1 осуществляет генерацию ЛИ с длиной волны, соответствующей максимуму поглощения ЛИ в исследуемом веществе или комплексном соединении. Управляемые спектральные фильтры 5, 6 настраиваются на фильтрацию ЛИ соответствующей длины волны.The laser measuring device 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 cuvette 8, it is possible to increase the sensitivity by a factor of 10-50 when determining any element or compound, for example boric acid. In this case, the laser generator 1 generates LR with a wavelength corresponding to the maximum LR absorption in the test substance or complex compound. Controllable spectral filters 5, 6 are tuned to filter LI of the corresponding wavelength.

Лазерное измерительное устройство по настоящему изобретению может использоваться для анализа содержания урана в бассейнах выдержки тепловыделяющих элементов. Применение этого лазерного измерительного устройства позволяет своевременно организовать работы по предотвращению аварийной ситуации высокого уровня и повысить безопасность работы ЯЭУ.The laser measuring device of the present invention can be used to analyze the uranium content in fuel storage ponds. The use of this laser measuring device makes it possible to timely organize work to prevent a high-level emergency and improve the safety of the NPP operation.

Лазерное измерительное устройство 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 device according to the present invention, due to the high measurement accuracy, a wide measurement range of the concentrations of the investigated substances and the 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

1. Laser measuring device containing a laser generator, a laser radiation meter, a measuring cuvette with a first movement unit, a reference cuvette with a second movement unit, first and second photodetector units, first and second controllable spectral filters, a controlled optical attenuator, a laser amplifier with a pumping unit , a retractable semitransparent mirror with a third movement unit, a reflective mirror, the first or third semitransparent mirrors and the first and second corner reflectors, on the optical axis between which the third semitransparent mirror, a laser amplifier, a controlled optical attenuator, as well as a measuring cuvette, a reference cuvette, and a retractable semitransparent mirror in the introduced states, the first semitransparent mirror and the reflective mirror are designed to supply the laser generator radiation to the laser radiation meter, the second and third semitransparent mirrors are designed to introduce laser radiation into the laser amplifier, and the third semitransparent mirror is also intended for supplying laser radiation from the laser amplifier through the first controllable spectral filter into the first photodetector unit, and the retractable semitransparent mirror in the inserted state is intended for supplying laser radiation that has passed the controlled optical attenuator and the measuring or reference cell into introduced state, through the second controllable spectral filter into the second photodetector unit, the control inputs of the laser generator and the pump unit, the outputs of both photodetector units and the laser radiation meter, as well as the control inputs of both controllable spectral filters, controllable optical attenuator and all movement units are connected to the control unit and processing.

2. The device according to claim 1, further comprising an optical shutter with a fourth movement unit located adjacent to the second corner reflector.

3. The device according to claim. 1, in which the laser generator and the laser amplifier are each made with the possibility of tuning the wavelength of the generated and amplified laser radiation, respectively.

4. The device according to claim. 1, in which each controllable spectral filter is made on the basis of an acousto-optic cell.

5. The device according to claim. 1, in which the controlled optical attenuator is made on the basis of an acousto-optic cell.

6. The device according to claim 1, in which each of the measuring and reference cuvettes has opposing windows transparent for the used laser radiation and is equipped with filling means for supplying the corresponding medium to the particular cuvette.