proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
Атомный год 2017
  Агентство  ПРоАтом. 20 ЛЕТ с атомной отраслью!              
Навигация
· Главная
· Все темы сайта
· Каталог поставщиков
· Контакты
· Наш архив
· Обратная связь
· Опросы
· Поиск по сайту
· Продукты и расценки
· Самое популярное
· Ссылки
· Форум
Журнал
Журнал Атомная стратегия
Подписка на электронную версию
Журнал Атомная стратегия
Атомные Блоги





Обсудим?!
На ГХК открытые бассейны с РАО засыпают грунтом. Ваше отношение?
Поддерживаю такой способ изоляции
Допускаю при научном обосновании
Нужно РАО извлекать, в емкости и в хранилище

Результаты
Другие опросы
Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС
Вышла в свет книга воспоминаний Михаила Владимировича Шавлова. Авторитет инженера, технического специалиста был в то время в стране на самом достойном уровне, поэтому и страна развивалась высочайшими темпами.
PRo Погоду

Сотрудничество
Редакция приглашает региональных представителей журнала «Атомная стратегия» и сайта proatom.ru. Информация: (812) 438-32-77, E-mail: pr@proatom.ru Савичев Владимир.
PRo Рекламу

[02/11/2005]     Ядерное приборостроение: вехи большого пути (1945–2003 гг.)

М.Н.Тихонов, ГУП НИИ промышленной и морской медицины Минздрава России;
Э.Л.Петров, председатель Санкт-Петербургского отделения Ядерного общества России;
О.Э.Муратов, член Координационного совета по ядерной энергетике, ядерной, радиационной и экологической безопасности при полномочном представителе Президента РФ в СЗФО


Во второй половине ХХ века в СССР было создано мощное ядерное приборостроение, которое полностью удовлетворяло запросы народного хозяйства, армии и флота, атомной науки, ядерной энергетики и промышленности в части измерений ионизирующих излучений (ИИИ). Эта область пришла на смену существовавшему в 40-е годы одному из направлений экспериментальной физики – разработке и производству электронно-физической аппаратуры.

«Наши предприятия разрабатывают и изготавливают разнообразные детекторы ионизирующих излучений, системы дозиметрического контроля и регистрации быстропротекающих процессов, радиоэлектронные приборы, полупроводниковые лазерные излучатели, аппараты для проведения научных исследований. А наша фундаментально-прикладная наука по физике высоких энергий, по термоядерному синтезу, по сверхсильным магнитным полям, по сверхпроводимости – это достояние всего народа и его гордость… Нет, не зря наши ученые, конструкторы и рабочие ели народный хлеб!»
Академик РАН В.Н. Михайлов


Решение «приборной проблемы», как и остальных проблем, возникших в связи с работами по освоению атомной энергии и ракетно-ядерному вооружению СССР, было отнюдь не простым. В публикации американского журнала «Lоок» в 1947 г. «Когда Россия будет иметь атомную бомбу?» отмечалось: «Русской промышленности недостает тонкости и это является громадным препятствием в изготовлении атомных бомб… Для… России, легче освоить производство громоздкого оборудования, чем овладеть тонким механическим мастерством, необходимым для изготовления таких точных устройств, как радиоаппаратура…».

Надо иметь в виду, что речь шла о традиционном приборостроении, в то время как приборы для ИИИ только начали выходить из стен лаборатории и еще не стали в те первые послевоенные (1945-1949) годы по-настоящему промышленной продукцией. Нужны были время и огромные усилия ученых, инженеров и производственников, чтобы задача оснащения атомной науки не лабораторными, а промышленно освоенными серийными приборами была успешно решена, а деятельность по созданию и производству таких приборов (табл. 1) сформировалась в самостоятельную отрасль науки и техники.

Таблица 1. Классификация приборов для измерения ионизирующих излучений (по В.В.Матвееву и Д.П.Ширшову)



Необходимость решения сложных и специфических измерительных задач с последующим использованием результатов измерения для оптимизации и повышения безопасности ядерных технологий потребовала творческого использования достижений в области ядерной физики, физики твердого тела, электроники, радиотехники, вычислительной техники и информатики, технологии приборостроения, что и определило основные особенности ядерного приборостроения как отрасли науки и техники, возникшей и сформировавшейся на стыке современных научно-технических дисциплин.

Этапы научно-технического прогресса

Изделия ядерного приборостроения за 50 с лишним лет прошли большой путь от громоздких приборов с недостаточной надежностью, большим энергопотреблением, выполнявших ограниченные измерительные функции, до сложных многофункциональных устройств, соответствующих современному техническому уровню. В развитии рассматриваемой отрасли можно выделить пять поколений аппаратуры ядерного приборостроения. В приборах этих поколений изменялись элементная база, используемые детекторы ионизирующих излучений, методы выполнения и характеристики (быстродействие и чувствительность, диапазон и число измеряемых параметров, надежность и ремонтопригодность, ресурс работы и сроки службы, степень автоматизации, стандартизации и точность процесса измерений), структурные и схемотехнические решения.

Приборы 1-го поколения, относящиеся к середине 40-х – началу 50-х годов, представляли собой устройства, выполненные с применением электронно-вакуумных ламп и рассчитанные на использование преимущественно счетчиков Гейгера и ионизирующих камер. Они обеспечивали решение весьма ограниченной задачи, связанной с измерением интегральных характеристик радиационных потоков.

Аппаратура для радиационных измерений на начальном этапе развития ядерного приборостроения выполнялась так называемым приборным способом, для которого был характерен индивидуальный подход к проектированию и изготовлению приборов.

В середине 50-х годов произошла смена 1-го поколения приборов для ИИИ на второе. Для него характерны приборы, предназначенные для работы со сцинтилляционными счетчиками, либо содержавшие такие счетчики. Аппаратура 2-го поколения стала намного более сложной и обладала большими функциональными возможностями, а повышение эффективности регистрации излучения сцинтилляционными счетчиками по сравнению со счетчиками Гейгера позволило снизить погрешность выполняемых измерений. Значительно повысилось и быстродействие приборов.

Одной из основных проблем в связи с возросшей сложностью приборов стало повышение надежности в работе. Это удалось реализовать только при появлении транзисторов, выпуск которых был освоен отечественной промышленностью к концу 50-х годов. В качестве базовых элементов в устройствах памяти стали использовать сердечники на ферритах с прямоугольной петлей гистерезиса. Транзисторы вытеснили электровакуумные лампы, что позволило сделать аппаратуру не только более надежной, но и намного более быстродействующей, экономичной (потребляемая мощность сократилась с нескольких ватт на лампу до сотых долей ватта на вентиль), дешевой, имеющей в несколько раз меньшие массо-габаритные характеристики.

Был повсеместно внедрен печатный монтаж, который позволил значительно снизить трудоемкость изготовления электронных узлов и повысить их надежность. Для упрощения компоновки и обеспечения взаимозаменяемости однотипных блоков были разработаны конструкции вдвижных блоков единой высоты и глубины с шириной, кратной некоторой величине (модулю), использовавшие однотипные соединители.

Все это определило переход во 2-м поколении приборов к функционально-блочному способу компоновки аппаратуры. В соответствии с ним приборы разбивались на отдельные, схемотехнически и конструктивно завершенные изделия – функциональные блоки, из которых компоновалась радиационная аппаратура.

На начальных этапах развития ядерного приборостроения при разработке аппаратуры основное внимание уделялось лишь механической сопрягаемости отдельных блоков и устройств и их электрической совместимости, что характерно для серийно выпускаемых наборов блоков «Б», «М», «Т».

Увеличение плотности потоков информации и повышение быстродействия аппаратуры потребовали автоматизации ее работы и стандартизованности не только механических конструкций и электрических параметров, но и логики взаимодействия между собой отдельных блоков. Система блоков «Вектор» была создана по нормам широко известной системы «САМАС». Основа подобных систем – канал передачи данных, который является иерархическим, древовидным. Он включает несколько видов каналов применительно к основным конструктивным элементам систем (каркасу, стойки, комплексу из стоек), так как именно эти конструктивные единицы определяют длину линии связи. Большое удобство при работе с этими системами заключается в независимости их функционирования от конкретного типа используемой ЭВМ, поскольку эта связь определяется лишь одним интерфейсным блоком связи с ЭВМ.

Разработка системы программно-управляемых блоков позволила автоматизировать не только проведение эксперимента, но и сам процесс изготовления блоков на этапе их настройки и проверки работоспособности.

В системе «Вектор» было разработано более 100 разновидностей блоков с различными измерительными и логическими характеристиками: линейки усилителей, различных видов преобразователей, регистров и счетчиков, устройств накопления и обработки информации, ввода-вывода информации. Блоки выполняли на шасси стандартных размеров, для их компоновки использовали стандартные каркасы и стойки. Таким образом, значительную часть необходимой аппаратуры, в том числе и достаточно специфичной (включая многоканальные и многомерные анализаторы), экспериментаторы собирали из стандартных блоков, затрачивая минимум времени и средств.

В 60-х годах произошла смена поколений приборов для ИИИ – со 2-го на третье. Для аппаратуры 3-го поколения благодаря использованию интегральных схем были характерны значительное сокращение (более чем на порядок) числа элементов в аналогичных по назначению устройствах, дальнейшее повышение надежности, применение цифровых узлов и элементов вместо аналоговых, создание более сложных по структуре устройств, увеличение объема собираемых данных и представление результатов измерений в цифровой форме. С переходом в аппаратуре 3-го поколения на интегральные микросхемы существенно возросла плотность монтажа.

Все это определило важность внедрения (начиная с первой половины 70-х годов) в разработку приборов методов автоматизированной разводки печатных плат и изготовления плат с помощью ЭВМ. При помощи библиотек с данными по радиоэлементам в соответствии с принципиальной электрической схемой определялись оптимальное размещение микросхем и других радиоэлементов на плате, соединения между элементами (трассировка) и подготавливался файл для изготовления печатных плат на автоматическом оборудовании.

В рамках изготовления аппаратуры 3-го и последующих поколений (начиная с 60-х годов), наряду с разработкой отдельных приборов, начали создаваться различные комплексные системы для радиационных измерений. Примером таких комплексов были системы радиационного контроля (РК) на атомных электростанциях (АЭС), радиоэкологического контроля местности, прилегающей к объектам атомной промышленности и энергетики, контроля на атомных ледоколах и других судах с ядерными энергетическими установками (ЯЭУ), комплексы для индивидуального дозиметрического контроля, системы контроля герметичности тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), лаборатории активационного рентгено-радиометрического анализа, измерительные комплексы для научно-исследовательских институтов (НИИ) и космических исследований.

В начале 70-х годов произошла очередная смена поколений и расширение номенклатуры приборов для радиационных измерений – с аппаратуры 3-го на аппаратуру 4-го поколения, элементной базой которой служили микросхемы с повышенной степенью интеграции (в том числе, микросхемы памяти). Важной особенностью приборов 4-го поколения явилось введение в состав многих устройств централизованных ЭВМ, так что приборы стали полностью програмно-управляемыми. Использование ЭВМ для управления работой аппаратуры позволило существенно улучшить измерительные и эксплуатационные характеристики приборов. За счет проведения различных вычислительных операций была повышена точность и воспроизводимость измерений (компенсировались периодические слагающие погрешности, исключались субъективные ошибки оператора), автоматизировалась обработка результатов измерений, оператор освобождался от выполнения рутинных операций.

На основе достижений микроэлектроники в рамках аппаратуры 4-го поколения была создана серия приборов нового класса – бытовых (рассчитанных на использование семьей) и общественных (размещаемых на улицах) дозиметров, позволявших населению самостоятельно контролировать радиоактивную загрязненность пищевых продуктов и среду обитания.

Реальная возможность широко использовать средства вычислительной техники в приборах для ИИИ появилась в 80-х годах после разработки и серийного выпуска микропроцессоров, больших интегральных схем (БИС) микропроцессорных семейств и микроконтроллеров – массовых и дешевых вычислительно-управляющих устройств, а также создания и широкого внедрения в практику персональных компьютеров (ПК). Это привело к появлению нового, 5-го поколения аппаратуры для ИИИ, которое характеризовалось использованием в составе приборов ПК и построением приборов с распределенным интеллектом, содержащих микропроцессоры и микроконтроллеры в различных звеньях измерительного тракта.

Устройства 5-го поколения были выполнены как различные децентрализованные информационно-измерительные системы (ИИС) с местной обработкой данных и такими «интеллектуальными» компонентами (наряду с блоками детектирования), как устройства световой и звуковой сигнализации, блоки бесперебойного низковольтного питания и т.д. Часто в аппаратуре использовалось резервирование основных блоков и устройств и практически во всех устройствах было введено самодиагностирование.

В рамках 5-го поколения аппаратуры для радиационных измерений проявилась важная тенденция – расширение ее функциональной направленности. В конце 90-х годов В.В. Матвеевым, К.Н. Стасем и С.Б. Чебышовым (СНИИП) была выдвинута концепция, в соответствии с которой целью измерений становится получение не только данных о характеристиках источников ионизирующих излучений, создаваемых ими полей или результатов взаимодействия излучения с веществом, но и информации о функциональном состоянии контролируемого устройства на объекте атомной промышленности и энергетики или всего объекта в целом. Этот подход стал основным в развитии техники радиационных измерений, а реализуемая при этом техника получения количественной и качественной информации о состоянии контролируемого объекта получила наименование «ядерные информационно-измерительные технологии» (ЯИИТ).

Составными частями ЯИИТ являются не только разработка и создание приборов и систем для измерения характеристик ионизирующих излучений, сбора и первичной обработки этих данных и их метрологического обеспечения, т.е. непосредственно ядерное приборостроение (базовый элемент технологий), но и совокупность норм и правил проведения измерений, методы и алгоритмы получения объективной и достоверной информации о состоянии контролируемого объекта, методы обработки, представления и интерпретации полученной информации (не только измерительной, но и функциональной) и методы использования этих сведений для управления, оптимизации, безопасного и эффективного ведения технологических процессов. Такой подход в настоящее время стал применяться не только для определения состояния промышленных объектов, но и в ряде других областей знаний и техники.

Разрабатываемые в настоящее время подобные ИИС представляют собой многодетекторные устройства с непрерывным контролем состояния основных компонентов производств или звеньев технологического процесса, базирующиеся на промышленных ПК, со световой и звуковой предупредительной и аварийной сигнализацией и с обменом данными между компьютером и блоками детектирования по информационным магистралям (например, с интерфейсом RS-485), через радиальные цепи (например, с интерфейсом RS-232), по радиоканалу или по телефонным каналам. Такие единые децентрализованные системы с распределенным интеллектом и оптимальным разделением функций между средствами вычислительной техники и оператором заменяют разрозненные специализированные устройства с ограниченным кругом функций.

Для создаваемых ИИС характерным является стремление расширить функциональные возможности, а также наделить их возможностями не только контролировать имеющуюся ситуацию, но и на основании выявленных тенденций прогнозировать развитие ситуации для ранней диагностики аварийных ситуаций и вырабатывать рекомендации персоналу по проведению противоаварийных мероприятий. В таких системах должны выполняться: самодиагностирование всех составляющих их компонентов, поверяться блоки детектирования, входящие в состав системы, и проводиться метрологическая аттестация аппаратуры на месте размещения и без демонтажа. Перспективными для этого направления ядерного приборостроения являются работы, результатом которых должны явиться расширение форм представления различных измерений, повышение наглядности представления данных, улучшение взаимодействия оператора с техническими средствами, а также повышение надежности каналов обмена данными (например, использование опторазвязок, аппаратно-программных средств защиты от сбоев). Кроме того, необходимо проводить работы по организации архивирования получаемых данных, автоматизированной подготовке отчетных материалов, фильтрации результатов измерения и передаче наиболее существенных данных в системы более высокого уровня.

Важной задачей является построение систем, цель которых – не только получение информации об уровнях излучений и состоянии объекта (проведение контроля), но и управление производственными комплексами и оптимизация технологических процессов, т.е. переход от ИИС к автоматизированным системам управления (АСУ) и автоматизированным системам управления технологическими процессами (АСУТП). Это потребует не только дополнения имеющихся программно-аппаратных технических средств устройствами управления исполнительными механизмами, но и осуществления резервирования основных компонентов системы и значительного повышения надежности работы систем (в том числе, программного обеспечения).

Современные ИИС все чаще создают для определения состояния контролируемого объекта таким образом, чтобы ИИИ сочеталось с измерениями других параметров (например, температуры, давления, расхода веществ с анализом их состава). Перед этими системами ставится задача получения комплексной информации об объекте (знания объекта).

На повестке дня стоит также создание крупных территориально-распределенных систем РК регионального и государственного масштаба.

В связи с использованием в составе аппаратуры ПК большая часть трудозатрат при проведении разработки расходуется на организацию среды общения оператора с прибором или системой, т.е. на проектирование экрана видеомонитора.

Это определяет важность работ по автоматизации создания так называемых графических машинных интерфейсов и внедрения в практику проектирования аппаратуры таких инструментальных средств, как SKADA-системы.

Труд разработчиков-конструкторов был облегчен после освоения с середины 80-х годов системы PCAD, которая позволяла в соответствии с электрической схемой размещать на печатной плате элементы (резисторы, конденсаторы, микросхемы, полупроводниковые приборы и др.), описанные в стандартных библиотеках, проводить оптимальное соединение между элементами с помощью печатных проводников и готовить документацию для изготовления печатной платы (фотошаблона, файла для управления сверлильным станком и пр.). Расширенные системы РСАD давали возможность моделировать электрические схемы узлов, определять значения выходных параметров при заданных входных воздействиях и исследовать переходные процессы. Освоение приблизительно в те же годы системы АutoCAD позволило широко автоматизировать разработку конструкторской документации. С ее помощью выполнялись чертежи деталей и узлов по правилам Единой системы конструкторской документации (ЕСКД) с использованием библиотек чертежей стандартных деталей, определялись сечения и разрезы, выполнялись трехмерные изображения конструкции. При этом конструкторская документация не только выводилась в виде чертежей, но и сохранялась непосредственно на магнитных носителях.

Упростить разработку программ позволило использование наборов библиотек различного назначения (в том числе библиотеки математических операций и функций). Для работы с базами данных были освоены такие средства, как инструментальный пакет Ессеss и др. К середине 90-х годов относится начало использования средств автоматизации создания программ. Для выполнения так называемого графического интерфейса (проектирование экрана видеомонитора компьютера, входящего в состав прибора или системы для радиационных измерений) – одной из наиболее трудоемких работ при создании программного обеспечения информационно-измерительной аппаратуры – были освоены такие средства, как Delphi (на базе объектно-ориентированного языка Паскаль) и С++Builder (на базе объектно-ориентированного языка С++).

Учитывая все возрастающую роль программных средств в общих программно-аппаратных ресурсах аппаратуры, весьма актуальной становится задача выбора для ЭВМ (входящей в состав аппаратуры) операционных систем, обеспечивающих высокую надежность работы, а также создание средств тестирования разрабатываемого программного обеспечения.

Сегодня потребности атомной науки и техники, других отраслей науки и народного хозяйства выдвигают новые задачи перед ядерным приборостроением. Одной из основных задач по-прежнему остается создание более совершенной измерительной аппаратуры, улучшение ее измерительных и эксплуатационных характеристик и совершенствование методов их разработки и изготовления.

Введение новой редакции Норм радиационной безопасности (НРБ-99) с более жесткими предельно-допустимыми уровнями облучения персонала и населения требует повышения чувствительности аппаратуры.

Одна из важных задач сегодняшнего дня – использование достижений микроэлектроники для повышения характеристик аппаратуры для ИИИ. Решение перечисленных и ряда других задач в ближайшие годы будет определять пути дальнейшего развития ядерного приборостроения.

Научно-технический и промышленный потенциал ядерного приборостроения

Постоянное расширение областей и масштабов применения приборов и систем для контроля и ИИИ определило и диалектику формирования в СССР научно-производственного потенциала ядерного приборостроения. Первые серийные дозиметрические, радиометрические и электронно-физические приборы были созданы в период 1945–1952 гг. небольшими коллективами инженеров и техников московских заводов № 696 и № 528 Министерства промышленности средств связи СССР и группой ученых Лаборатории измерительных приборов АН СССР (в будущем – ИАЭ им. И.В. Курчатова) под руководством М.С. Козодаева. Помимо этих коллективов, в эти же годы разработкой аппаратуры для исследовательских целей в области ядерной физики, дозиметрии и технологического контроля занимались специалисты и многих других научно-исследовательских организаций, которые изготавливали единичные экземпляры и небольшие опытно-экспериментальные партии приборов сначала собственными силами, а позднее совместно с приборными службами атомных предприятий – Института биофизики МЗ СССР, Физического института АН СССР, Всесоюзного института минерального сырья, Всесоюзного НИИ неорганических материалов, Московского государственного университета, Физико-энергетического института и др. В связи с тем, что потребности страны в ядерной аппаратуре (в том числе и для оборонных нужд) непрерывно увеличивались, требования к аппаратуре возрастали, а существовавшие на заводах специальные конструкторские бюро из-за малой численности, отсутствия высококвалифицированных научных кадров и слабой технической оснащенности не могли решить эти задачи, постановлением Совета Министров СССР в 1952 г. на базе завода № 696 создается Центральное конструкторское бюро № 1 (ЦКБ-1) с опытным заводом, подчиненное Министерству средств связи СССР, в последующие годы НИИ-1, Союзный НИИ приборостроения, ныне – Научно-инженерный центр «СНИИП».

ЦКБ-1 было первой специализированной самостоятельной организацией по разработке приборов для ИИИ. В дальнейшем в структуре Минсредмаша было создано еще несколько научных организаций, специализировавшихся на отдельных направлениях ядерного приборостроения, – НИИ импульсной техники, Всесоюзный НИИ радиационной техники, Рижский НИИ радиоизотопного приборостроения.

Разработанную аппаратуру ядерного приборостроения в течение довольно длительного периода серийно выпускали на заводах, не входивших в структуру Минсредмаша. Некоторые из них проектировали и строили специально для этих целей, для других – эта продукция была непрофильной. Продукцию ядерного приборостроения выпускали приборостроительные заводы в Москве, Минске, Киеве, Курске, Махачкале, Астрахани, Фрунзе, Сумах, Нарве, Брянске, Таллинне и др.

К концу 60-х годов практическое использование достижений атомной науки и техники в различных отраслях народного хозяйства и соответственно потребность в приборах ИИИ достигли таких масштабов, что это стало входить в противоречие с возможностями и теми производственными заданиями, которые имели заводы по своим основным направлениям деятельности. Было принято решение о создании в Минсредмаше собственной промышленной базы для производства аппаратуры ядерного приборостроения и к середине 70-х годов были построены и введены в эксплуатацию крупные приборные заводы «Тензор» (Дубна), «Сигнал» (Обнинск), «Электрон» (Желтые Воды), полностью реконструирован завод «Импульс» (Пятигорск), создано приборное производство на заводе «Балтиец» (Нарва).

Широкое распространение изделий ядерного приборостроения (наряду с радиоизотопной продукцией) привело в середине 60-х годов к необходимости создания специализированной организации по сбыту и сервисному обслуживанию изделий, и в 1961 г. было образовано Всесоюзное объединение «Изотоп».

В результате, в составе Минсредмаша был сформирован мощный научно-производственный комплекс, объединивший все виды предприятий, обеспечивавших жизненный цикл продукции ядерного приборостроения: группу научных организаций, выполнявших научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию новых типов изделий ядерного приборостроения, группу серийных заводов, сбытовую и сервисную организацию, обеспечивавшую постоянную связь с потребителями аппаратуры.

Головной организацией страны в области ядерного приборостроения был определен Союзный НИИ приборостроения (СНИИП).

В течение полувека коллектив ЦКБ-1, затем НИИ-1, СНИИП, НИЦ «СНИИП» был определяющим в отечественном ядерном приборостроении. Приборы, установки, комплексы и системы, разработанные и изготовленные в институте, широко использовались во всех областях атомной науки, промышленности и энергетике и других областях техники, связанных с ИИИ.

За прошедшие годы ученые и инженеры института создали свыше 2 тыс. типов различных приборов и систем, специальных электронных блоков и устройств. Значительную часть их выпускали более чем 20 серийных заводов, некоторые – собственное опытно-экспериментальное производство СНИИП.

Создав несколько поколений надежной и точной аппаратуры ядерного приборостроения, СНИИП внес весомый вклад в выполнение наиболее приоритетных, получивших широкое международное признание научных и инженерно-технических программ СССР – атомной, освоения космоса, информатизации и обеспечения радиационной безопасности населения.

Необходимо отметить, что в основу концепции развития ядерного приборостроения в СНИИП уже на начальных этапах были положены принципы комплексности и системности, обеспечивавшие, с одной стороны, развертывание работ по созданию универсальной (имевшей наиболее широкую область применения) аппаратуры, а с другой – детальное изучение технологических особенностей объектов или научно-технических проблем, формулирование измерительных задач и создание соответственно оптимального по структуре и объему аппаратурного комплекса для данного вида объекта (или проблемы) на основе использования типовых унифицированных технических средств и решений.

При таком подходе принципиально важными стали вопросы построения информационно-физических моделей объектов контроля и определения на их основе оптимальных объемов контроля, измерения и автоматизации. Создание новых перспективных технологических процессов и установок потребовало привлечения к проведению соответствующих исследований уже в самом начале работ приборостроительных институтов. Это позволило наиболее эффективно достичь органического единства технологического и информационно-управляющего контуров и обеспечить реальные предпосылки для создания высокоавтоматизированных и безопасных производств на основе полного использования возможностей приборостроения.

Благодаря успешной реализации системно-комплексного подхода коллектив НИЦ «СНИИП» создал и обеспечил крупными измерительно-информационными и управляющими аппаратурными комплексами многие народно-хозяйственные и оборонные объекты.

Необходимо отметить, что прогрессивность технических решений в области ядерного приборостроения и общего приборостроения во многом определялась многолетним опытом участия специалистов НИЦ «СНИИП» в работе Международной электротехнической комиссии (МЭК), где НИЦ «СНИИП» ведет по поручению правительственных органов секретариат Технического комитета МЭК 45 «Ядерное приборостроение». На основе учета требований международных стандартов были разработаны и внедрены в практику научно-технические и организационно-технические основы проектирования изделий ядерного приборостроения, сформулированные в виде системы стандартов, обеспечивающих прогрессивность разрабатываемой аппаратуры и устанавливающих терминологию, классификацию, основные технические требования, параметры, методы испытаний и градуировки, а также порядок и организацию проведения исследований и разработок.

Для развития метрологии и обеспечения единства и правильности измерений, градуировки и поверки приборов в СНИИПе был организован Метрологический центр, в котором сосредоточивалось эталонное и образцовое оборудование, в том числе эталоны в области рентгеновского, гамма-излучения и тормозного излучения высокой энергии, рабочие эталоны в области радиометрии тепловых и быстрых нейтронов, образцовые средства измерений в области дозиметрии гамма- и рентгеновского излучений и нейтронов, образцовые установки гамма- и нейтронного излучения и радиометрии газов, образцовые твердые альфа- и бета-источники и жидкие источники излучений, поверочные гамма-установки и поверочные метрологические комплексы на основе генераторов искусственных аэрозолей, образцовые радиометры аэрозолей и др. (табл. 2).

Таблица 2. Характеристики образцовых дозиметров (по НИЦ «СНИИП», 2002 г.)



Была создана группа эталонных приборов для передачи единиц измерения физических величин в атомной технике, разработаны методы и инструкции по градуировке и поверке аппаратуры. Это позволило снизить пределы допустимых основных погрешностей при измерении основных величин, характеризующих источники и поля радиоактивного излучения, а также эффектов взаимодействия излучения с веществом.

Были выполнены многочисленные работы по разработке методик измерения при решении конкретных задач.

Начиная с 60-х годов, радиометрическая, дозиметрическая и спектрометрическая аппаратура, предназначавшаяся для промышленного производства, проходила государственные испытания во ВНИИ физико-технических и радиоизмерений Госстандарта СССР (ВНИИФТРИ), где осуществлялась всесторонняя проверка измерительных характеристик приборов. Впоследствии ряд таких приборов был занесен в Государственный реестр средств измерений.

С середины 90-х годов для обеспечения качества измерений ионизирующих излучений в ЗАО «СНИИП-СИГМА» (входящем в структуру НИЦ «СНИИП») были созданы Центр для осуществления независимой оценки измерительной аппаратуры и ее сертификации и Испытательный центр изделий ядерного приборостроения. Многие приборы, разработанные в СНИИПе в последние годы, прошли такую сертификацию.

За прошедшие годы трудами ученых ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, ВНИИФТРИ, СНИИП, Института биофизики МЗ СССР, Радиевого института им. В.Г. Хлопина, ИАЭ им. И.В. Курчатова и других в рамках международного сотрудничества были успешно разработаны научные, технические и методические основы метрологии ионизирующих излучений и в настоящее время Россия обладает одной из лучших систем метрологического обеспечения ИИИ.

Созданные центры метрологии ионизирующих излучений во ВНИИМ, ВНИИФТРИ и СНИИП обеспечивают потребности страны, являясь базой ядерного приборостроения, достоверных и сопоставимых измерений любых величин, характеризующих ионизирующие излучения, их источники и поля, эффекты взаимодействия.

И, наконец, нельзя не упомянуть об активном участии специалистов НИЦ «СНИИП» в решении таких важнейших общесистемных проблем, как выработка идеологии развития промышленной базы ядерного приборостроения в отрасли и проектирование технологических схем специализированных серийных заводов, которые были построены и введены в эксплуатацию в 70-е годы.

За прошедшие годы ядерное приборостроение сформировалось в самостоятельную отрасль измерительной техники и промышленности, имеющую свою теорию, метрологию и терминологию, технические средства, методы проектирования и организации, занимающиеся дальнейшим его развитием, промышленным выпуском разрабатываемых изделий.

Системно-комплексный подход к проектированию аппаратуры дал соответствующие плоды – отечественная аппаратура с начала 80-х годов по своим измерительным параметрам и функциям, надежности, устойчивости к воздействию внешних факторов не уступала, а чаще превышала зарубежные аналоги. Подтверждением этому являются многолетняя эксплуатация аппаратуры в армии, на флоте, на АЭС в СССР и за рубежом, при космических исследованиях, плодотворная совместная работа с иностранными специалистами по созданию международных стандартов в МЭК.

Последовательность в применении принципов системного и комплексного подхода, в том числе и в организационных вопросах, основанного на детальном анализе ситуации, обусловленной внедрением в России элементов рыночной экономики, имеющегося зарубежного опыта, увеличения конкуренции привела к необходимости кардинального изменения структуры НИЦ «СНИИП» и преобразованию его в диверсифицированную компанию холдингового типа, объединяющую и контролирующую деятельность нескольких десятков предприятий и фирм.

В настоящее время НИЦ «СНИИП» представляет собой государственную организацию холдингового типа, объединяющую головное предприятие и ряд дочерних обществ и товариществ, каждое из которых осуществляет свою хозяйственную деятельность по определенным направлениям ядерного приборостроения при общей координации со стороны головного предприятия.

Основные направления развития ядерного приборостроения

Открытие деления и радиоактивности ядер, использование этих явлений для создания ядерного оружия, реакторов, ускорителей, атомной промышленности и энергетики обусловили появление новых объектов измерений – источников излучений, создаваемых ими полей излучения и эффектов, возникающих при взаимодействии излучений с веществом.

Объектом измерения ядерного приборостроения стали характеристики ионизирующих излучений, их полей и источников, эффектов взаимодействия излучения с веществом. Уже на первых порах для решения Атомной проблемы потребовались устройства, регистрирующие различные излучения в виде потоков a- и b-частиц, g-квантов, рентгеновского излучения, нейтронов, протонов, а также ядер некоторых элементов. Во многих случаях необходимо было избирательно измерять и идентифицировать частицы одного какого-либо типа в составе многокомпонентного излучения, образованного частицами и электромагнитным излучением разного рода.

Измерения физических величин, характеризующих радиоактивное излучение, необходимо выполнять во всех средах – твердых, газообразных, жидких, в плазме, а также в вакууме, а приборы эксплуатировать на земле, под землей, под водой и в космосе, при этом значения измеряемых величин могли изменяться на восемнадцать порядков, а длительность некоторых регистрируемых процессов находилась в наносекундной области (составляла одну миллиардную секунды). Надо было учитывать вероятностный характер ядерных процессов, в силу которого для получения достоверных результатов измерения требовалось накопить и статистически обработать большое количество данных.

В интересах атомной науки, промышленности и энергетики, для удовлетворения потребностей народного хозяйства и военно-промышленного комплекса страны было развернуто широкомасштабное производство по всем основным направлениям ядерного приборостроения, но особенно большое развитие получили исследования по созданию аппаратуры для атомной энергетики, радиационного контроля для АЭС и судов с ЯЭУ, для защиты личного состава и объектов армии и флота, ядерно-геофизической и дозиметрической аппаратуры и аналитического и медицинского приборостроения, для научных исследований в космосе, радиационного контроля при переработке делящихся и радиоактивных материалов.

В течение многих лет СНИИП создавал аппаратуру и приборы, обеспечивающие все стадии полного цикла ядерной энергетики, включая начальные – поиск радиоактивных ископаемых. Были разработаны радиометры для радиометрического обогащения (рудосортировки) урановых и других видов руд. Для управления радиохимическими процессами была создана большая группа приборов, контролирующих технологические среды в целях получения урановых соединений высокой степени очистки для изготовления ТВЭЛов.

Разработаны комплексы аппаратуры для АЭС, выполняющие контроль, управление и защиту основных типов энергетических реакторов. Комплекс состоит из нескольких специальных аппаратурных систем, подобранных по функциональному признаку. Структура каждой из систем является функцией общей задачи и назначения аппаратуры. Комплекс аппаратуры для АЭС включает системы: внутриреакторного контроля (ВРК); измерения нейтронного потока для управления и защиты реактора (АКНП); контроля герметичности оболочек ТВЭЛов (КГО); контроля и обеспечения радиационной безопасности (АКРБ); контроля окружающей среды (АСКРО); шумовой диагностики и др.

Назначение этих систем – наглядный пример последовательного перехода от чисто технологических функций (обеспечивающих достижение высоких и напряженных параметров работы реакторного блока) к функциям защитным, гарантирующим максимальную безопасность работы АЭС.

Разработанные автоматизированные системы контроля радиационной обстановки (АСКРО) предназначены для контроля радиоактивности воздуха, почвы, воды, растительности непосредственно вблизи территории АЭС и за ее распространением на большие расстояния. Системы построены аналогично КРБ, но для обработки данных используют также метеорологические измерения (направление и скорость ветра) и другие сведения, необходимые для осуществления мониторинга окружающей среды.

В целом комплекс специальной аппаратуры для АЭС обеспечивает контроль всех важнейших агрегатов атомной производительной установки по физическим параметрам и контроль радиационной и ядерной безопасности. В зависимости от типа реактора комплекс контролирует от 1500 (для ВВЭР) до 2500 (для РБМК) точек. Аппаратурой, входящей в состав этого комплекса, было оснащено большинство блоков отечественных и построенных СССР за рубежом АЭС («Ловииза», «Норд», «Козлодуй», «Вакш» и др.).

Для обеспечения управления и безопасности ЯЭУ, применяемых на различных передвижных объектах – атомных ледоколах, контейнеровозах, подводных лодках, крейсерах, используют аппаратуру, выполняющую в основном функции, аналогичные функциям систем для АЭС. Однако в связи со спецификой эксплуатации и компоновки ЯЭУ к ним предъявляют более жесткие требования по ремонтопригодности, массо-габаритным характеристикам, простоте обслуживания, устойчивости при воздействии ударов, вибрации, других дестабилизирующих факторов. Современные системы контролируют не только радиационные параметры, но и состав воздуха, температуры и другие факторы обитаемости, оценивают состояние теплоносителя и целостности герметичности оболочек ТВЭЛов, герметичность парогенераторов, теплообменников и другого оборудования, контролируют выбросы газов и аэрозолей, сбросы воды. Для мониторинга окружающей среды необходимо иметь систему технических средств и методов, способных обеспечить радиоэкологическую безопасность населения от возможных нежелательных влияний и последствий на больших территориях. Сложность этой задачи в том, что необходимы методы и аппаратура с предельно высокой чувствительностью, позволяющие обнаруживать слабые следы радиоактивных веществ и наблюдать за их миграцией в воздушном и водных бассейнах, в почве и растительности, сельскохозяйственных продуктах. Для этих целей разработаны и серийно освоены линейка дозиметрических приборов, приборы для измерения в широком диапазоне мощности экспозиционной дозы непрерывного и импульсного рентгеновского и g-излучений. Создана универсальная аппаратура для измерения a-активных газов, включающая единый измерительный пульт и набор специализированных устройств для отбора, подготовки и измерения проб воздуха и воды в диапазоне, перекрывающем 7 порядков; комплекс радиометров для экспрессных измерений удельной объемной массовой b-активности проб объектов внешней среды (воды, почвы, растительности, пищевых продуктов) в диапазоне 7–8 порядков, а также для непрерывного контроля поступлений b-активных изотопов во внешнюю среду. Разработаны линейки прямопоказывающих зарядных дозиметров карандашного типа и термолюминесцентных дозиметров (табл. 3).

Таблица 3. Некоторые типы аппаратуры контроля за радиационной обстановкой (по Л.П.Рихванову, 1997 г.)



С помощью данной аппаратуры не только контролируют, но и обеспечивают нормальные безопасные условия работы персонала, а также резко снижают вероятность загрязнения окружающей среды.

Более глубокому пониманию этих проблем способствовала работа по ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС.

На основе опыта, полученного специалистами СНИИП и других научных учреждений, были созданы и внедрены в практику приборы нового класса для ИИИ – бытовые дозиметрические приборы, которые позволили населению самостоятельно контролировать радиоактивное загрязнение окружающей среды и продуктов питания. Одновременно были разработаны технические средства, на базе которых стали развертываться АСКРО с выводом текущей информации на специальное табло коллективного пользования.

Наряду с этим специалисты пришли к пониманию необходимости создания единых глобальных территориальных систем радиационной и экологической безопасности. С учетом разработанной концепции проектирования подобных систем в стране начали создавать и вводить в эксплуатацию локальные территориальные подсистемы радиационного контроля (на Урале, в Москве, Северо-Западном регионе России, вокруг АЭС), которые в будущем должны войти в Единую государственную автоматизированную систему контроля радиационной обстановки (ЕГАСКРО) в стране.

Таким образом, именно ядерное приборостроение стало родоначальником глобальных территориальных приборных систем экологического мониторинга, позволяющего гибко изменять и наращивать объем выполняемых функций и измерительных задач в зависимости от конкретной ситуации в данном регионе.

При решении многих научно-технических проблем возникает необходимость определения состава, структуры и свойств веществ и материалов, невозможного без помощи ядерных аналитических приборов. На основе различий, имеющихся в схемах распадов урана, тория и радия и в энергетических спектрах испускаемых ими излучений, был создан ряд приборов, позволяющих быстро и точно определять содержание этих элементов в пробах.

Ведущее положение среди этих ядерно-физических методов занимает активационный анализ. Большое достоинство этого метода – высокая чувствительность, экспрессность и возможность подвергать неразрушающему анализу представительные по массе образцы веществ в различном агрегатном состоянии. Эти качества позволили активационному анализу превратиться из лабораторного ядерно-физического метода в метод, используемый в различных областях науки и народного хозяйства (металлургии, геологии, геохимии, медицине).

Для измерения и идентификации наведенной активности были созданы комплексы измерительной аппаратуры, состоящие из спектрометрической многоканальной аппаратуры для определения энергетических спектров a- и b-излучения, периодов полураспада радиоизотопов, приборов для выделения испускаемых при радиоактивном распаде каскадных g-квантов и b-частиц регистрацией g-g-совпадении. Использование многоканальных анализаторов (обычно входящих в состав измерительной аппаратуры для активационного анализа в амплитудно-временном и временном режимах) позволило применить их также для анализа g-излучения радиационного захвата и неупругого рассеяния нейтронов.

Предназначенные для обеспечения задач атомной отрасли ядерные методы и приборы послужили основой для развития и широкого применения радиоизотопных методов, базирующихся на регистрации измерений параметров ионизирующих излучений при взаимодействии их с веществом, например, в геологии и геофизике при поиске и разведке полезных ископаемых; в медицинских и биологических исследованиях, диагностике и клинической медицине; в промышленности для неразрушающего контроля, при производстве бумаги, стали и т.п. Используемые для этих целей приборы представляют еще одну группу изделий ядерного приборостроения – радиоизотопные приборы, в состав которых (помимо указанных ранее частей) входит еще и источник ионизирующего излучения (радиоизотоп, рентгеновская трубка, генератор нейтронов и т.п.).

Приборы для ИИИ все шире используются в биологии. Их применение в большей степени связано с методом меченых атомов, позволяющим быстро и точно измерить характеристики жизнедеятельности организма без нарушения его функций. Для предельного уменьшения возмущающего действия ионизирующего излучения на организм исследователи стремятся вводить изотопы минимально необходимой активности, что требует создания специальной аппаратуры, обладающей высокой чувствительностью (см. публикации «Aтомная стратегия», 2003, № 1 (6) и № 3 (8)).

Приборы и системы для ИИИ широко используют в космических исследованиях. Разнообразные задачи, поставленные исследователями космического пространства, потребовали от создателей приборов поиска новых технических решений. Предельно малые масса и потребляемая мощность, широкий диапазон (часто непрогнозируемый) величин, которые приходится измерять, необходимость обеспечения избирательности к определенному виду излучений и некритичности к интенсивному ультрафиолетовому излучению Солнца, широкий диапазон измеряемых энергии частиц, простирающийся от единиц электронвольт до 10 МэВ, – все это потребовало создания нового направления ядерного приборостроения – разработки приборов для космического исследования.

На искусственных спутниках Земли (ИСЗ) и космических станциях, направленных к Луне, Венере, Марсу, большой удельный вес среди научной аппаратуры занимают приборы для ИИИ. Крупнейший научный результат, полученный с помощью ИСЗ, – открытие околоземных поясов радиации. Наличие зон с повышенной радиацией установлено с помощью радиометрических приборов. Эти приборы широко используют сейчас для исследований, позволяющих установить процесс образования радиационных зон, их связь с магнитным полем Земли и космическими излучениями. Измерения на спутниках и межпланетных станциях дали возможность установить состав и плотность потока первичных космических лучей вне атмосферы и магнитного поля Земли, определить природу и плотность межпланетного протонно-электронного газа, потоков заряженных частиц, испускаемых Солнцем и звездами. Много ценных сведений получено с помощью приборов, измеряющих концентрацию заряженных частиц – электронов и протонов в ионосфере. Наконец, с помощью приборов для измерения ионизирующих излучений были исследованы поверхность Луны, Венеры, Марса.

Изучение состава межпланетной среды и изменений ее структуры, выполняемое с помощью приборов для измерения различных компонентов ионизирующего излучения, имеет большую практическую и научную ценность.

При полетах людей в космос нельзя не учитывать радиацию, и защита от нее становится одной из важнейших проблем космонавтики. Современные ядерно-физические приборы, устанавливаемые на ИСЗ, позволили уловить сигналы от звезд в области рентгеновского излучения, что обусловило появление новой перспективной области астрономии – рентгеновской астрономии.

Большую роль играют измерительные приборы в осуществлении управляемого термоядерного синтеза. Здесь необходима аппаратура, позволяющая проводить комплексные диагностические исследования высокотемпературной плазмы. В термоядерных установках значительная часть энергии, выделяющейся в плазменном шнуре, испускается в виде различных излучений. Поэтому исследования плазмы по рентгеновскому и нейтронному излучениям, получение информации на расстоянии без введения в камеры каких-либо дополнительных элементов, становятся особенно перспективными.

Ядерные методы обладают и другими достоинствами, которые делают их незаменимыми при экспериментах с высокотемпературной плазмой. Так, измерение рентгеновского излучения плазмы позволяет судить об ее устойчивости, о влиянии электронов на протекание разряда, распределении силовых линий магнитного поля и об электронной температуре плазмы. Еще большее значение имеют измерения плотности потока и энергетических спектров нейтронов. Наиболее важный для физиков параметр плазмы – ее температура. Различные использовавшиеся ранее методы измерения температуры неприемлемы для величин в миллион градусов и выше. Данные о таких температурах дает измерение нейтронного излучения. Созданные образцы аппаратуры на основе газовых сцинтилляционных счетчиков (наполненных смесью гелия-3 с ксеноном) позволили успешно решить эту измерительную задачу.

Аппаратура, создаваемая в настоящее время, представляет собой устройства с тщательной конструктивной и технологической проработкой, использующие как специфические высокоинформативные детекторы квантов рентгеновского и гамма-излучений, заряженных частиц и нейтронов, так и современные средства интегральной электроники и вычислительной техники.

Широкое использование технических и программных средств ядерного приборостроения во многих отраслях промышленности, науки и техники в целях своевременного получения и эффективного использования достоверной информации в национальном и международном масштабах позволяет сделать вывод о том, что указанные выше средства стали базой для широко внедрившихся в практику ЯИИТ, которые в последнее десятилетие развивались особенно интенсивно. В первую очередь этому способствовала реакция международных правительственных и неправительственных организаций, международной и отечественной научной общественности на последствия аварии на ЧАЭС, приведшей к расширению работ по созданию новых приборных систем повышения безопасности АЭС и развертыванию территориальных систем радиационного мониторинга. Кроме того, в последнее время усилилось внимание к проблеме организации контроля нераспространения ядерных материалов, предотвращения возможных актов ядерного и радиационного терроризма. В нашей стране особую важность ЯИИТ приобрели после принятия Законов РФ «Об использовании атомной энергии» и «О радиационной безопасности населения» (ужесточивших требования к безопасности ядерных объектов), а также постановления Правительства РФ о создании ЕГАСКРО на основе усовершенствованных базовых средств измерения ионизирующих излучений и современного метрологического обеспечения.

Журнал «Атомная стратегия» № 9, январь 2004 г.  

 
Связанные ссылки
· Больше про Приборостроение
· Новость от PRoAtom


Самая читаемая статья: Приборостроение:
Приборы дозиметрического контроля производства АЭХК

Рейтинг статьи
Средняя оценка: 0
Ответов: 0

Пожалуйста, проголосуйте за эту статью:

Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Нормально
Плохо

опции

 Напечатать текущую страницу Напечатать текущую страницу

"Авторизация" | Создать Акаунт | 0 Комментарии
Спасибо за проявленный интерес





Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(812)438-3277
E-mail: info@proatom.ru, webmaster@proatom.ru. Разрешение на перепечатку.
За содержание публикуемых в журнале информационных и рекламных материалов ответственность несут авторы. Редакция предоставляет возможность высказаться по существу, однако имеет свое представление о проблемах, которое не всегда совпадает с мнением авторов Открытие страницы: 0.08 секунды
Рейтинг@Mail.ru