КАЛОРИМЕТР ИМПУЛЬСНОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к области экспериментальных методов ядерной физики, в частности к дозиметрии ионизирующих излучений, и может быть использовано для измерения дозовых характеристик тормозного, гамма, нейтронного излучений и потоков ускоренных электронов импульсных источников ионизирующего излучения.

Известен "Фольговый адиабатический калориметр" авторов В.П.Сучкова, М.Д.Тарасова и Ю.П.Щербака, ж. "Приборы и техника эксперимента" №5, 1987 г., с.58-61. Поглотитель излучения в калориметре изготавливался в виде набора тонких (фольговых) пластин - термопар. Набор термопар общей толщиной 3 мм помещался во фторопластовый стакан и защитный корпус с окном. Излучение, пройдя коллимирующее устройство, попадает на пластины термопар, нагревая их до уровня, пропорционального количеству поглощенной в них энергии излучения. Сигнал термопар через определенный промежуток времени, необходимый для выравнивания температуры по толщине пластин, становится пропорциональным средней температуре обеих пластин. Измеряя сигналы всех термопар, можно определить профиль энерговыделения излучения в материале поглотителя (рабочего тела), а по нему восстановить спектр падающего излучения, вычислить полную энергию излучения, определить поверхностную дозу и др.

Недостатком данного калориметра является низкая чувствительность при измерении доз малого уровня (менее 10 Гр). Ограничения связаны с низкой чувствительностью термопар и необходимостью контроля температуры их холодного спая.

Наиболее близким к заявляемому устройству является калориметр импульсного ионизирующего излучения, а.с. №533189, кл. МПК G 01 Т 1/12, "Калориметр локальной поглощенной дозы ионизирующего импульсного излучения" автора Ю.М.Перескокова, опубл. в БИ №39, 1977 г. Калориметр включает рабочее тело и датчик температуры, расположенные в теплоизолирующем корпусе, и измерительное устройство. Датчик температуры выполнен в виде, по крайней мере, одного слоя из полупроводникового терморезистивного материала, например, In₂Te₃, находящегося в тепловом и электрическом контакте с рабочим телом.

Недостатком прототипа является низкая точность измерения, малое временное разрешение из-за продолжительного времени выравнивания тепла по рабочему телу калориметра и изменения температурного коэффициента сопротивления под действием излучения.

При создании данного изобретения решалась задача создания калориметра импульсного излучения с широкими функциональными возможностями, с высокой стойкостью к радиационным повреждениям, позволяющего измерять поглощенные дозы импульсных рентгеновского, гамма, нейтронного излучений и потоков ускоренных электронов.

Техническим результатом при решении данной задачи является повышение точности измерения за счет увеличения быстродействия и радиационной стойкости калориметра.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с прототипом, в котором калориметр импульсного ионизирующего излучения включает рабочее тело и датчик температуры, расположенные в теплоизолирующем корпусе, и измерительное устройство, в заявляемом калориметре рабочее тело выполнено из наружной и внутренней частей, между которыми по всей длине равномерно размещен датчик температуры из металла, спиральные витки которого расположены в винтовых канавках, выполненных на поверхности внутренней части рабочего тела, а зазор между частями рабочего тела заполнен пластичным теплопроводным материалом. Рабочее тело выполнено из материала с удельной теплопроводностью от 1 до 400 Вт/(м·К) и удельной теплоемкостью от 0,1 до 2 кДж/(кг·К) при температуре 293 К. Датчик температуры выполнен из металлической проволоки с температурным коэффициентом сопротивления α=(1÷7)·10^-3 К^-1 и удельным сопротивлением ρ=(1÷100)·10^-8 Ом·м. В качестве пластичного теплопроводного материала выбрана, например, кремнийорганическая паста типа КПТ-8.

В заявляемом устройстве необходимо сочетать два свойства:

1 - Длительное сохранение тепла, выделившегося от поглощенной энергии излучения. Это позволяет уменьшить верхнюю граничную частоту полосы пропускания измерительного устройства, что приведет к уменьшению шумов и повышению чувствительности.

2 - Высокое быстродействие, которое при длительном сохранении тепла в рабочем теле калориметра позволяет многократно измерять разность температур до и после облучения в одном опыте для обеспечения высокой точности и чувствительности.

Эти свойства одновременно обеспечиваются конструкцией, в которой проволочный датчик температуры спирально наматывается в резьбовых канавках на массивную внутреннюю часть рабочего тела калориметра по всей ее длине. Снаружи датчик температуры прикрыт материалом, аналогичным внутренней части рабочего тела датчика. Расположение проволочного датчика температуры внутри рабочего тела позволяет измерять средний, а не поверхностный нагрев датчика, что увеличивает точность измерений. Применение датчика температуры из металла обеспечивает постоянство его термического коэффициента сопротивления независимо от температуры и дозы облучения. Выполнение датчика температуры в виде спирали, намотанной по всей длине внутренней части рабочего тела датчика, повышает быстродействие до сотых долей времени выравнивания тепла по длине рабочего тела. Это объясняется следующим образом. Предположим, что вдоль оси датчика происходит его облучение пучком электронов со слабой проникающей способностью. Выделившаяся энергия пучка нагреет поверхностный слой рабочего тела, и его нагрев будет измерен частью датчика температуры, пропорциональной толщине этого слоя. В результате даже при неравномерном поглощении энергии вдоль оси рабочего тела датчик температуры будет измерять средний его нагрев. Быстродействие датчика будет определяться только временем выравнивания тепла между рабочим телом и датчиком температуры. Использование в качестве рабочего тела калориметра материала с удельной теплопроводностью от 1 до 400 Вт/(м·К) при 293 К обеспечивает выравнивание тепла между рабочим телом калориметра и датчиком температуры за времена менее 1 секунды, что обеспечивает необходимое быстродействие датчика. Удельная теплоемкость материала датчика от 0,1 до 2 кДж/(кг·К) при температуре 293 К в совокупности с температурным коэффициентом сопротивления датчика температуры α=(1÷7)·10^-3 К^-1 обеспечивает возможность измерения среднего нагрева рабочего тела калориметра величиной менее 0,01 К. Удельное сопротивление датчика температуры ρ=(1÷100)·10^-8 Ом·м при диаметре проволоки менее 0,1 мм обеспечивает нагрев рабочего тела датчика со скоростью менее 0,01 К/с при протекании через датчик температуры тока из измерительного устройства с напряжением порядка 1 В, что в совокупности со всеми характеристиками датчика температуры увеличивает точность измерений.

На фигуре 1 изображен заявляемый калориметр импульсного ионизирующего излучения. На фигуре 2 изображен заявляемый калориметр с окном, прозрачным для ускоренных электронов. На фигуре 3 изображено расположение спирального датчика температуры и место его соединения с измерительным устройством.

Заявляемый калориметр содержит рабочее тело 1 и 2, датчик температуры 3, теплоизолирующий корпус 4, клеммы 5 для подключения измерительного устройства 6. Направление излучения 7 совпадает с осью датчика. Для работы с ускоренными электронами используется прозрачное для них окно 8. Рабочее тело выполнено из наружной 2 и внутренней 1 частей, между которыми размещен датчик температуры 3, спиральные витки которого расположены в винтовых канавках, выполненных на наружной поверхности внутренней части рабочего тела по всей его длине. Зазор между частями рабочего тела заполнен пластичным теплопроводным материалом. Рабочее тело 1 и 2 выполнено из материала с удельной теплопроводностью от 1 до 400 Вт/(м·К) и удельной теплоемкостью от 0,1 до 2 кДж/(кг·К) при температуре 293 К. Спиральный датчик температуры 3 выполнен из металлической проволоки с температурным коэффициентом сопротивления α=(1÷7)·10^-3 К^-1 и удельным сопротивлением ρ=(1÷100)·10^-8 Ом·м. В качестве пластичного теплопроводного материала выбрана, например, кремнийорганическая паста типа КПТ-8. Кроме того, во внутренней части рабочего тела с торцевых частей выполнены клеммы 5 измерительного устройства 6.

В примере реализации заявляемого калориметра рабочее тело выполнено из наружной полой и внутренней сплошной цилиндрических частей из сплава алюминия марки АДОО с теплоемкостью 0,86 кДж/(кг·К) и теплопроводностью 200 Вт/(м·К) при 293 К. Наружный диаметр и длина рабочего тела калориметра 50 мм и 40 мм соответственно. Резьба на внутренней части рабочего тела калориметра выполнена методом накатки с шагом 0,3 мм, глубиной 0,2 мм. Поверхность цилиндров покрыта слоем изолятора в виде цапонлака толщиной несколько микрон. На внутреннюю часть рабочего тела калориметра намотана проволока без изоляции из никелевого сплава типа НК02 диаметром 30·10^-6 м, длиной около 15 м, удельным сопротивлением 9,4·10^-8 Ом·м, при температуре 291,7 К и термическим коэффициентом сопротивления 4,6·10^-3 К^-1. Концы проволоки припаяны к изолированным от катушки клеммам измерительного устройства, выполненным из константановой проволоки диаметром 0,2 мм. Для обеспечения хорошего теплового контакта свободное пространство между внутренней и наружной частями рабочего тела калориметра заполнено тонким слоем кремнийорганической теплопроводной пасты типа КПТ-8. Общая масса рабочего тела датчика составляет 205,99 г, где масса сплава АДОО занимает 99,8%. Масса чистого алюминия занимает более 99,5% общей массы рабочего тела датчика. На этом основании при расчете поглощенных доз использовалась теплоемкость чистого алюминия. Теплоизолирующий корпус калориметра выполнен из пенопласта толщиной 0,02 м с плотностью 22 кг/м³. Такой пенопласт, являясь хорошим теплоизолятором, практически прозрачен для жестких рентгеновских квантов и примерно эквивалентен по поглощению алюминию толщиной 0,17 мм. Для ввода ускоренных электронов в теплоизолирующем корпусе было выполнено цилиндрическое окно, прикрытое лавсаном толщиной 5 мкм.

Датчик температуры включен в измерительный мост, три плеча которого выполнены из одинаковых резисторов типа С2-29, четвертым плечом моста служит сопротивление датчика температуры. В схеме регистрации дисбаланса моста используются измерительный усилитель и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Усилитель собран на микросхеме AD524AR, имеющей коэффициент усиления 1000. АЦП типа 1-7018Р имеет 16 разрядов дискретизации, обслуживающих переключаемые диапазоны измерений, из которых наиболее чувствительный ±0,15 В. Разность напряжений между ближайшими точками дискретизации 4,5 8·10^-6 В (4,5 8·10^-9 В - величина, приведенная к входу усилителя). АЦП через преобразователь интерфейса 1-7520 связан с персональным компьютером. Управление АЦП осуществляется специальной программой с компьютера. С ее помощью производится запуск АЦП, чтение информации и вывод ее на экран монитора в виде непрерывно обновляющегося графика. Программа обеспечивает оцифровку сигнала с частотой 10 Гц и ниже.

Работает заявляемый калориметр следующим образом. Излучение, направленное по оси рабочего тела калориметра, взаимодействует с ним, вызывая, как правило, неравномерный нагрев в направления оси устройства. За доли секунды тепло между проволочным датчиком температуры и рабочим телом калориметра выравнивается. Измерительное устройство замеряет дисбаланс моста, пропорциональный поглощенной в рабочем теле калориметра энергии излучения, практически при любом распределении поглощенной энергии вдоль оси рабочего тела. Доза рассчитывается из измеренной величины дисбаланса моста, известного коэффициента чувствительности измерительного устройства, теплоемкости рабочего тела калориметра и термического коэффициента сопротивления датчика температуры. Калориметр был испытан в условиях облучения тормозным излучением с энергией в спектре квантов до 30 МэВ и ускоренными электронами с энергией до 300 кэВ. Эксперименты продемонстрировали, что данное техническое решение позволяет измерять средние дозы в алюминии величиной от 0,1 Гр (нагрев рабочего тела калориметра на 10^-4 К) и поглощенную энергию электронного пучка от 2·10^-2 Дж. При этом полученная в единичном эксперименте при измерении дисбаланса моста через 0,1 с в течение 40 с (четыреста измерений одной величины) среднеквадратичная ошибка в значениях дозы составила ±0,05 Гр, а в значениях поглощенной энергии электронного пучка - ±1·10^-2 Дж.

Таким образом, по сравнению с прототипом в заявляемом устройстве стойкость к радиационным повреждениям увеличена за счет стабильности коэффициента термического сопротивления датчика температуры, выполненного из металла. Быстродействие при одинаковых размерах рабочего тела калориметра в заявляемом устройстве по сравнению с прототипом увеличено в несколько раз за счет равномерного распределения материала датчика температуры в направлении падающего потока излучения. Это, в конечном итоге, приводит к увеличению точности измерений.