Микрокалориметр для измерения потока ионизирующего излучения Советский патент 1983 года по МПК G01T1/12 

Изобретение отнюсится к теплофизиче КИМ измерениям, в частности к калориметрическим измерениям плотности пото ка ионизирующего излучения, и может найти применение для абсолютных доз метрических измерений в радиационной фвзике и химии для калориметрии реакто .кого излучения, контроля эффективности средств защиты и т.д. Известны разнообразные калориметри .ческие устройства для измерения тепловых эффектов, сопровождающих различные физико-химические процессы, в там числе и тепловых эффектов при поглощении ионизирующего излучения, характеризующиеся большой инерционностью и громозд костью, обусловленной, главным образом требованием тщательной защиты от воз- действия изменения параметров окружающей среды. Известен теплопроводящий калориметр содержащий смонтированные внутри тепло проводящего блока две идентичные измерительные ячейки, представляющие собой снабженные теплсыетрическими оболочка- ми две цилиндрические камеры. Теплометрическими оболочками служат равномерно распределенные по внешней поверх ности камер батареи из большого числа последовательно соединенных металличео ких или полупроводниковых дифференциальных термопар, холодные и горячие спаи которых соответственно находятся в тепловом контакте с поверхностями камер и теплопроводящехх) блока 1. Для уменьшения и частичной компе1. сации проникающих к ячейкам тепловых возмущений, вызванных взменестем п& раметров окружающей среды, термобата- ( ячеек включены встречно, а теппо-. проводящий блок калориметра снабжен системой тёрмостабилизапни. С внешней стороны блок калориметра обычно покрыт слоем теплоизоляции. В силу указанных конструктивных особенкютей калориметр отличается сложностью изготовления, громоздкостью и большой тер У1Ической нерцией. В калориметрии вонизнруюшвх излучений такие устройства применяют, главным образом, для измерения энерго выделенияразличных радиоактивных во. точников. Для дозиметрии ионизирующих пучков они мало пригюдны из-за больших габаритов и экранирующего эффекта тепло провошщего блока. Извесгны статические калориметры, принцип действия которых основан на измерении в установившемся тепловом режиме температурного перепада между поглощающим ионизирующее излучение образцом и окружающей средой. Обычш) температурный перепад измеряют с помощью одной или нескольких диффере циальных термопар, а для повышения чувствительности образец покрывают про- пус1Рсающим излучение слоем теплоизоляции С ЗОднако чувствительность таких калориметров остается низкой в вх используют лишь для измерения больших тепловых эффектов например, прв ввутрвреакг торных измерениях влв калорвметрвв . радиоактивных -источников. Существенным недостатком таких калориметров является низкая точность измерения, обусловленная искажениями за,счет неиэотермичвоств в флюктуации температуры окружающей среды. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является микрокалоримегр для -вз-. мерения потока ионизирующего излучения, содержащий поглощающий излучение образец и находящийся с ним в тепловом контакте темопреобразователь. Основы конструкции калориметра составляют две коаксиально распоокжсенные то&костенные алюминиевые трубки с зазором между ними около 1 мм. Посреди зазора для уменьшения конвекции помещена оболочка из полистиролового пенопласта. Поглощающий ионизирующее излучение образец находится в средней части внутреннего цилиндра. С торцов калориметр тщательно изолирован пробкамв. Установи иаяся прв тепловом равво весик разность температур между внутренним и наружным цилиндрами, которая служит мерой, рассеиваемой тепловой мощности, измеряется с помощью дифференциальной медьковстанта новой термопары. Для градуировки калориметр снабжен электрическим нагревателем, заделанным на посерхности цвлвидра. Калориметр исцольз жался для внутрвреакторных измерений потоков большой плотйости з 3 I Недостатками данного калориметра я ляются его низкая чувстввтельвость в валвчве искажений за счет флюктуации температуры стенки исследуемого объекта. Кроме того, значительные цогрещ1юств возникают вследствие веошу{метрвчного распределения температуры внутри ка вала, в котором размещен калорвметр, а таюке вследствве веравномерного распр делеввя термических сопротивланвй по его поверх HocTBi Все это сшокает о5. наружитепьную спосюбносгь калориметра,; вследствие чего он не мсжет быть иопопьзбвав для измерения потоков ионизкрующего излучения малой плотности. Цель изобретевия - повышение. точвос ти измерения и устранение искажений, вносимых показания калориметра не язотёрыичвостыб и колебаниями темпер туры внутри канала. ПоставленЕйя цель достигается тем, что в микрокалориметре для измерения потока йонширующего излучения, содержащем, поглощающий излучение образец и находяощйся с ним в тепловом контакте термопреобразователь, последний выполнен в виде датчика тешювогю потока, прёдставляющетч} собой обладающую анизотропией термо-ЭДС стенку, которая разделена системой параллельных разрезов на четное число последовательно соединенных секций, причем с обеих сторон стенки в чередующемся порядке на каждой секции расположены поглоо&н ющие излучение образцы, теплоемкость которых равна теплоемкости секций теЕмо преобразователя. По сравнению с-прототипом, благодаря j предложенной конструкции термодатчика в расположению поглощающих излучение ; образцов, взаимно компенсируются искаЖжения от неиэотермичности и флюктуации температуры внутри канала. Термообразователь калориметра представляет собой термоэлектрически анизотропнуто пластв ну Нз секций, каждая из которых экви вапе{1гна батарее большого числа после1 довательно соединенных термоэлементов, которых суммируются. При этом в отличие от прототипа, где измеряется разность температур между цилиндрами, в предлагаемой конструкции каж)риметра н посредственно определяется тепловой пото достоверно отображающий плотность тонтоирующего излучения. Все это способ ствует повышению точности измерения и улучшению обн ружительной способности калориметра. На чертеже показана конструкцш npej лагаемого калориметра. Калориметр состоит из термопреобразо вателя, представляющего собой термоэлектрически анизотропную стенку, со держащую систему параллельных разрезов 1, образующих последовательно соединен ные секции 2 с токосъемными выводами 3. С обеих сторон стенки в чередующемся порядке Ни каждой секции расположены пргжхцйюшие излучение образцы 4. iO Предлагаемыймикрокалориметр работает следующим образом. Размещенный в канале исследуемого объекта, калориметр подвергается воз- действию потока ионизирующего взлучения. Последний поглощается расяюложенными на секюшх 2 преобразователя образцами 4, вызывая их вагрев. Рассеиваемые при атом образцами тешювые потоки вызывают соответствуюоше град енты температуры в каждой секции. тер« мообразователя. В связи с тем, что образцы расположены в чередующемся порядке на каждой секции, градиенты температуры в смежных секциях направлены в противоположные стороны псшерек стежки преобразователя. Под воздействием градиента температурвы вследствие анизо тропии термоэлектрических свойств стевки вдоль каждой секции преобразователя генерируется поперечная от здсительво направления градиента температуры ЭДС. При этом механизм работы такоготе{ыо датчика подобен действию термопреобразователя из большого числа послёдовательно соединенных дифференциальных TepMonapi Поскольку градиенты температуры в соседних секциях взаимно противопопожны, электрические сигналы секций термсь преобразователя складываются. Таким обм| разом, снимаемый с токосьемных выводов 3 результирующий сигнал пропоршювалег: мощности тепловыделения и служит мерой плотности потока ионизирующего взлучания. ., П(Яу1имо полезЕогчэ сигнала, возникаю . щегО за счет тепловыделения в поглоаш ющих излучение образцах, термопреобрг зователь воспринимает также уеплшой поток, обусловленный невзотермичвостью и не Я1мметричным распределением тем пературы в конструктивных элементах исследуемого объекта, что влечет за собой появление доподнительвой составляю щей градиента температуры в каждой секции термообшзователя. Однако бпагодаря тому, что |гермообраэоватеть выполвен в виде термоэлектрически аввзотрох ной пластины с указа нюй выше системой разрезов, электрические сигналы в ос седних секциях, вызванные дсшолввтепьвой составляющей градиевга теамшературы; ксыпенсируются. Таким образом, всасажеВИЯ, вносимые в щясазаниа детектора во изотермичностью и флкжтуацвякга тшш ратуры внутри канала, устраняются.- Авалогичным о6раз к(певсщ ук гся фовс вые возмущения обусловлевшлл. собствея 10 вым тепловыдепенвем в стенке термопреобрваоватепя. Тем самым повышается точность измередая и обнаружитепьвая способность микрркалориметра. Для проверки работоспособности и метрологических возможностей предпага-ч емого микрокалориметра изготавлтгвают его опытный образец.. В качестве термо|Преобразователя калориметра служит плао .тинка размером 12 8-1 мм, выреза иая из монокристалла а нтимонида кадмия под углом 45 ° к главной кристаллографической оси Пластинка разрезана на 10 секций, как показано на чертеже. По всей поверхности одной из сторон каждой ceKJ таш в чередующемся пор5шке наклеены поглощающие излучение свинцовые образ« щ толщиной 0,8 мм. С помощью калиброванных нагревателей проводят градусровку калориметра и определяют его чувствителыюсть, составившую 0,11 В/Вт. Кроме того, была проверена способность калориметра компенсировать транзитные тепловые потсжи. С этой целью во время , ;11)адуировки калориметра одна сторона термопреобразователя периодически |щается лучистым потоком, мощность которого выбирается равной тепловому потоку, задаваемсыу при калибровке. Вознккакшие при атом искажения показаний ка- ло|«метра составляют менее 5% полезшэго сигнала. По сравнению с существующими калориметрами для измерения потоков ионизирующего излучения предлсженное техническое решение обеспечивает повышевие техвико-ековомической эффективности. в (язи с тем, что термопреобразователь данного микрокалориметра работает анало67 батарее из большого числа последом вательно включенных термопар, а его сиг вал не зависит от толщины термоэлектрически анизотропной стенки и определяется; только эффективной длиной секпии, чувствительность такого микрокалориметра ва два порядка превышает чувствителы- г.ность прототипа. При этом термопреобразсшатель может быть выполнен тошюсте вым, а следовательно, и малоинерпиоввым, поскольку генерируемый преобразователем сигнал не зависит от его толшины, а определяется градиентом тек пературы по толщине стенки. Благодаря , что в предлагаемой KOHCTpyKiJonr калориметра компенсируются искажения, В1юсимые в етч) «показаняя фоновым поглощениен неизотермичностью и флюктуация- ми температуры канала объекта, более, чем на порядок .-увеличивается отюшение полезного сигнала к сигналу шума, что улучшает обнаружительную способность калориметра. Предлагаемый микрокалориметр выгодно отличается от наиболее распространеншлх устройств аналогичного назначения простотой конструкции и высокой точностью измерения. Калориметр может быть легко выполнен миниатк5рш 1х. размеров, блахчэдаря чему имеется возможвость его размещения в трудно до- ступных для исследования участках обт екта. KpcMvie тогх, стенка термопреобразователя может быть таготовлева кз термостойкой искусстве нно нвзотропной композиции, что дает возможнс1сть осуществлять измерения потоков ионизирующего излучения в зоне высоких температур.

t t f 2 2 2

МИКРОКАЛОРИМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКА ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий поглощающий излучение образец и находящийся с нвм в тепловсм контакте термопреобразрватепь, отличающийся тем, что, с целью повышения точвости измерения я устранения исзкажеввй, ВЕОСЕМЫХ в хкь казания калориметра иеюотермичвостью и колебаниями температуры ввутри кава ла, его термопреобразователь выпопвев в виде датчика тешювого потока, представляющего собой обладающую анизотропией TefMo-ЭДС стенку, которая разделе на системой параллельных разрезов ва четное число последовательво соеаиввввы& секций, причем с обеих «лчфов стевЕВ в чередующемся порядке на каждс секхшв расположены поглощающие излучение образцы, теплоемкость icoToiaiix равна тепло- емкости секЕсий термоЕфеобразователя. О кд оь