Калориметр Советский патент 1983 года по МПК G01T1/12 

4i

00

-vl

00

Изобретение относится к области калориметрии импульсного излучения, а конкретнее к калориметрическим средствам для измерения распределения плотности энергии и энергосодержания импульсного излучения (несколько микросекунд и короче), в том числе пучков заряженных частиц, и может быть применено для измерения распределения плотности энергии по поперечном сечению -сплошных и полых импульсных пучков ускоренных электронов .

Известен калориметр для измерения энергосодержания импульсного пучка ускоренных электронов, содержащий общий приемник излучения из меди, термодатчик в виде термопары, соединенный с измерителем температуры l .

Недостаток этого калориметра невозможность измерения распределения плотности энергии по поперечному сечению пучка излучения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является калориметр для измерения общей энергии и распределения плотности энергии по поперечному сечению импульсного пучка электронов, содержащий в вакуумируемом объеме размещенные в виде мозаики по сечению пучка приемники электронов из меди в виде наклонных параллелепипедов высотой каждый 4-8 мм и с квадратным основанием 20x20 мм, обращенным к пучк термодатчик, размещенный на поверхности приемников 2 .

Недостатком этого калориметра является невысокая точность измерений, связанная с неоптимальной массой и геометрической формой кг ждого приемника. Неоптимальность массы и формы приемника состоит в том, что при неравномерной плотности пучка, что наиболее характерно для сильноточных пучков, после достижения тепловым фронтом местоположения термодатчика температура этого места начнет повышаться одновременно с распределением тепла по всему объему приемника, а затем начнет понижаться и к моменту установления равноменой температуры по объему приемника когда производят измерение температуры, ее величина будет значительно ниже максимальной в месте подключения термодатчика. Например, при пучке трубчатой формы с толщиной стенки много меньше стороны 20 мм основания приемника, на которое падает пучок против расположения термодатчика на другом-основании, при указанной толщине приемника 4-8 мм в прототипе фронт тепла значительно быстрее дойдет до термодатчика, чем он пройдет по основанию, на которое

упал пучок, температура места присоединения термодатчика начнет быстг ро расти, а затем, по мере перераспределения тепла по массе приемника, падать и к моменту равновесия температуры, соответствующему моменту ее измерения, она будет в несколько раз меньше максимальной. Особенно большая разница между максимальной и равновесной температурой будет при локальном поглощении энергии пучка с точечным фокусом против местоположения термодатчика и при уменьшенной толщине приемника до 4 мм. Высокий перепад температур в месте подключения тёрмодатчика приводит к постепенному ухудшению теплового контакта между приемником и термодатчиком в связи с образованием здесь мелких трещин из-за переменных тепловых деформаций и возникающих механических напряжений, что снижает точность измерений и их стабильность от импульса к импульсу. Кроме того, уменьшение теплопроводности в месте контакта термодатчика и приемника увеличивает время выравнивания температуры в приемнике и в массе термодатчика. Неоптимальность массы и формы приемника приводит к росту времени установления равновесной температуры, что в совокупности с постепенным ухудшением теплового контакта увеличивает время измерения. Наличие в приемнике мест с высокой температурой и большое время установления равновесной температуры приводит к потере тепла за счет излучения, теплоотвода и конвекции, что снижает точность измерений.

Потребностью является повышение точности калориметрических измерений при увеличении числа их циклов, особенно в связи с созданием термодатчиков, имеющих высокую чувствительность и передаточную временную характеристику менее 10 не. Целесообразными явились бы такие масса и форма каждого приемника, чтобы при любой форме поперечного сечения пучка (трубчатая, цилиндрическая, в виде серии дискретных пучков и др. и любом законе распределения плотности энергии максимальная температура в месте присоединения термодатчика к приемнику соответствовала бы равновесной температуре по массе приемника.

Целью изобретения является повышение точности измерений распределения плотности энергии по поперечному сечению импульсного пучка излучения при увеличении числа циклов взаимодействия его с приемником путем создания максимальной температуры на термодатчике по достижении теплового равновесия по объему приемника при любом законе распределения плот ности энергии по поперечному сечени излучения. Данная цель достигается тем, что в калориметре, содержащем приемник излучения и термодатчик, размещенны на поверхности приемника, приемник выполнен с уменьшающимися площадями поперечных сечений в направлении к термодатчику, расположенному на поверхности с наименьшей площадью, а длина линии, соединяющей центры опи санных окружностей поперечных сечений приемника, больше максимального поперечного размера приемника, а также тем, что приемник выполнен в виде усеченной наклонной или правильной пирамиды. При таком техническом решении калориметра выделившийся от поглоще ния энергии излучения поток тепла распространяется от обращенной к пучку поверхности приемника в напра лении к термодатчику со снижением температуры массы поглотителя за тепловым фронтом, поэтому по достижении термодатчика фронтом потока тепла температура места присоединения термодатчика будет постоянно по вышаться, и в момент достижения мак симальной температуры вея масса при емника будет нагрета равномерно, а сигнал с термодатчика будет максигмальный по амплитуде. Изложенный пр цесс распределения тепла будет таковым как при выделении энергии изл чения равномерно по всей обращенной к нему поверхности, так и при локал ном нагреве излучением любого участ ка этой поверхности, что позволяет калориметрировать импульсные пучки излучения с любым профилем плотности энергии по поперечному сечению пучка. Выбирая массу приемника, нап ример, путем замены приемников из материалов с разной теплоемкостью (И удельной плотностью, можно в соот ветствии с чувствительностью примененного термодатчика получать при максимальной его температуре, соответствующей равномерному нагреву приемника по всему его объему, уровень сигнала, достаточный для точных абсолютных измерений температуры Измерение сигнала с термодатчика в момент максимальной температуры в месте его расположения без последующего выжидания установления равновесной температуры по объему приемника, а также отсутствие высоких перепадов температур в этом месте и потому повышение долговечности тепло вого контакта между приемником и тер модатчиком позволяет уменьшить потери тепла приемником и повысить стабильность теплопередачи от приемйика к термодатчику с числом включений источника излучения, что в совокупности увеличивает точность каяориметрирования плотности энергии и по сечению пучка. Дополнительно сокращается время измерений из-за улучшения и стабилизации теплового контакта. Приемник может быть выполнен в виде усеченной наклонной или правильной пирамиды, что упрощает его изготовление. На чертеже показан калориметр в двух проекциях, причем, вместо одного приемника, перемещаемого по сечению пучка излучения, он включает в себя серию одинаковых приемников, установленных в виде мозаики по всему сечению пучка. Калориметр содержит одинаковые термоизолированные размещенные в вакуумируемом объеме по окружностям в два ряда приемники 1, например, из графита, расположенные по поперечному сечению трубчатого пучка 2 излучения, например, заряженных частиц, в частно.сти ускоренных до 500 кэВ электронов. Каждый приемник 1 выполнен с уменьшающимися площадями поперечных сечений в направлении к термрдатчику 3, расположенному на поверхности с наименьшей площадью, и имеет вид наклонной усеченной пирамиды, обращенной большим основанием к пуску, причем полость по оси Z-Z выполнена в значительной мере свободной от приемников для размещения здесь дополнительной диагностической аппаратуры, например фотоумножителя {.на чертеже не показан). Линия А-А, соединяющая центры описанных окружностей поперечных сечений пирамиды, имеет длину больше максимашьного линейного размера приемника в поперечном сечении, в данном случае обращенной к пучку поверхности приемника, т.е. диагонали В-В большего основания пирамиды. Целесообразно длину А-А выбирать больше указанного размера на длину половины или более максимального линейного размера поверхности приемника с наименьшим поперечным сечением, на которой расположен термодатчик, т.е. в данном .случае меньшего основания пирамиды. Гермодатчик 3, например, в виде тон-, кой пленки из никеля с чувствительностью около 100 мВ/°С при использовании в качестве измерителя импульсной мостовой схемы (на чертеже не показана) размещен наповерхности меньшего основания пирамиды, будучи изолированным от него тонким слоем 4 керамической пасты, обладающей высокой теплопроводностью. Паста обладает адгезией к графиту и имеет сцепление с пленкой термодатчика при создании ее электрическим осаждением или иным способом: к выводам 5, 6 от пленки

присоединяется измеритель. (На чертеже не показаны тонкостенные провод НИКИ, отводящие заряд с каждого приемника, и элементы, фиксирующие положение приемников).

Работает калориметр следующим образом. При падении на большее основание приемника 1 ускоренных электронов пучка 2, например, длительностью 100 НС и энергией 500 кэВ наг ревается поверхностный слой обращенной к пучку поверхности приемника за счет преобразования большей части кинематической энергии электронов в тепловую (часть энергии преобразуется в рентгеновское излучение, часть передается вторичным частицам и обратно рассеянным электронам). В случае равномерной плотности энергии по сечению пучка тепловой поток начи нает перемещаться от большего основания приемника 1 к меньшему основанию, проходит изолирующий слой 4 и по достижении термодатчика 3 начинает нагревать его. Так как линия А-А имеет длину больше максимального поперечного размера приемника, т.е. больше диагонали В-В обращенной к пучку поверхности, и за термодатчиком нет поглощающей тепло массы, то температура термодатчика начнет постепенно повышаться и по достижении здесь максимальной температуры она по всей массе приемника будет одинаковой. В этот момент и проводят измерение сигнала с термодатчика. Аналогичная ситуация с распределением тепла будет и в другом крайнем случае - локальном выделении тепла пучком, например, в вершине угла на обращенной к пучку поверхности приеМ ника 1. Так как измерение температуры производят в момент ее максимального значения без надобности выжидания последующего равновесного ее. установления по массе приемника, как это имеет место в прототипе, то это сокращает потери тепла иповышает

по этой причине точность измерений, а также по причине стабилизации теплового контакта между термодатчиком и приемником пучка по мере роста числа циклов калориметрических измерений. Таким образом, если в прототипе температура термодатчика сначала повышается до максимальной, а затем по мере перераспределения тепла температура уменьшается до равно0 .весной по всему объему каждого при- i емника и эта температура измеряется термодатчиком, то в предложенном калориметре максимальная температура термодатчика соответствует равновесной при любом распределении плотности энергии по поп-еречному-ечению излучения. Производя аналогичное измерение температуры каждого приемника, определяют за одно включение импульсного

Q источника излучения распределение плотности энергии излучения по его поперечндму сечению.

В других вариантах выполнения калориметра могут быть любое число одинаковых приемников и их размещение по поперечному сечению излучения.

Проведенные испытания калориметра, каждый приемник которого был выполнен из алюминия в виде правильной усеченной четырехгранной пирамиды, обращенной большим основанием к пучку электронов, причем приемники были размещены в виде мозаики по поперечному сечению цилиндрического сплошного или трубчатого пучка электронов с энергией 500 - 800 кэВ и длительностью импульса тока 30-50 не, а термодатчики присоединены к поверхности меньшего основания каждой из пирамид, показали перечисленные выше преимущества предложенного калориметра перед прототипом.

Таким образом, предложенный калориметр позволяет по сравнению с прототипом повысить точность измерений

5 при увеличении числа циклов. Дополнительно уменьшается время измерений.

JV

1. КАЛОРИМЕТР содержащий приемник излучения и термодатчик, разме щенный на поверхности приемника, отличающийся тем, что, с целью повьваения точности измерений распределения плотности энергии импульс.-ого излучения, приемник выполнен с уменьшающимися площадями поперечных сечений в направлении к тер модатчику, расположенному на поверхности с наиьюньшей площадью, а дли-, на линии, соединякнцей центры описанных окружностей поперечных сече НИИ приемника, больше магсимального поперечного размера приемника. 2. Калориметр по п. 1, отличающийся тем, что приемник выполнен в виде усеченной наклонной кли правильной пирамиды.