Калориметр для измерения импульсных ионизирующих излучений Советский патент 1983 года по МПК G01T1/12 

ф

OD СО Изобретение отнск-ится к дозиметрии иониэирующ1и. излучений, в частности к калориметрическим метопам измерения импульсных ионизирующих излучений, и может быть использовано цля измерени параметров излучения импульсных уско™ рителей, моищых излучателей, импульс ной плазмы и ар. Известен калориметр, прецназначен™ ный цля измерения поверхностной дозы в тантале и полной энергии излучения от импульсных рентгеновских устано - БОК 1 , В качестве детектора полной энер гии в этом калориметре используется цишшцрический блок -поглотитель излу --чения из вольфрамового сплава окру- женный защитным кольцом из того же материала и такой же, как блох-поглотитель, высотой. Назначение защитного кольца - компенсация потерь фотонов, рассеян ьк; поглотителем, за счет при« тока фотонов в него из защитного коль ца, Поглотитель термически изолирован от защитного кольца, а весь удел тер мически изолирова от оболочки встав- ками из пенопласта. Температуре разогрева поглотителя измеряется с помощью те рмо резне тора, установленного на дальней по ходу из- стороне поглотителя. Детектор поверхлостной дозы выпол нен в вице тонкого циска -поглотителя из танталовой фольги толщиной 7,5 мкм Диск подвешен на трех меаь константа™ новых; термопарах с диаметром прово ло.1( 25 MKMj приваренных к нему точеч ной сваркой. При сборгш калориметра фольга располагается в непосредственно близости к, основному поглотителлю (впереци него), чтобы обратное рассея кие от него было практически идентичн рассеянию в оцнороцном материале при тшсой же толщине. Калориметр описанной конструкции сложен в изготовлении, точность иаме}: ния с помощью него невысока. Сами ав торы конструкции оценивают пот решност измерения полной энергии величиной 1О а погрешность измерения поверхностиной дозы считают еше большей. Сравнительно невысокая точность из MejfSHKH поглощенной энергии данным калориметрюм может быть объяснена следующими прич1шами; поглотители излучения и датчики температуры выполнены из материалов 632 различной поглощающей способностью, вслепствие чего они по-разному разогреваются при прохожцвнии излучения; - циаметр термоэлектроаных проволочек в детекторе поверхностной зоны значительно больше толщины дискапоглотителя, что способствует искажению температурного поля аиска поглотителя в месте приварки термопар; трудно обеспечить хороший терми ческий контакт терморезистора с поглотителем, вслецствие чего температура терморезистора всегда будет отличаться от температуры поглотителя; - неизбежны потери тепла поглотителем за время выравнивания температуры. Известен также калориметр-спектрометр для измерения параметров мощных импульсных пучков электронов 2, Поглотитель излучения в этом калориметре выполнен в вице набора из 10 параллельно расположенных алюминиевых пластин толщиной 150 и 580 мкм. Меж- ау пластинами с помощью кольцевьгх прокладок обеспечивается зазор,величиной 0,2 мм. Температура разогрева пластин измеряется с помошью хромель- копелевьк. термопар, рабочие спаи которых расположены примерно в центре пластин. Калориметр указанной конструкции измеряет энерговыделение пучка электронов на различной глубине однородного материала, в данном случав алюминия. Измерение профиля энерговыделения позволяет производить восстановление спектра электронов и рассчитывать полную энергию излучения. В работе не приведена погрешность измерения энерговыделения. Указана лишь сшибка восстановления спектра, средняя величина которой оценивается примерно в 15%. В конструкции этого калориметра поглотитель выполнен из алюминия, а термопары - из хромеля и копеля, обладающих большей поглощающей способ ностью, чем алюминий. Это приводит к неодинаковому нагреву .излучением пластин поглотителя и термопар. Креме того, каждая термопара экра нирует от излучения часть поверсшости пластин, расположенных за ней, что увеличивает неравномерность нагрева пластин и термопар. Наиболее близким к взобретеыию я ляется калориметр для взмереяяя им- 3 пульсных иониэируклцих излучений, сх)- держащий термопары и поглотитель иэлучений, выполненный в вице набора параллельно расположенных пластин 3J. В этом калориметре поглотитель вьтолнен из набора последовательно расположенных пластин из тантала толщиной от 12,7 до 2ОЗ мкм. Температура разогрева пластин измеряется с помощью железно-константовьгх термопар из проволок диаметром 25 мкм. Каждая пластина с термопарой окружена Защитным кольцом такой же, как и пластина, толщины и из того же материала. Защитные кольца не дают возмо ности боковым лучам попасть на задние пластины, минуя переднпие. Кроме того, потери энергии измерительными пластинами за счет вторичного излучения компенсируются поступлением энергии из защитных колец. Измерительные пластины внутри защитных на тон ких щелковых нитях с помощью клея. В указанной конструкции калориметра температура пластин поглотителя измвря ется с помощью термопар, спаи которых прикрепляют к пластинам в облучаемой зоне, причем термопары и пластины изготовлены из материалов с разной погло шакхцей способностью. В момент облу- чения пластины поглотителя и присоециненные к ним спаи термопар нагревают ся ар разных температур. Для пластин из тантала и железо констактовых терм пар различия в уровнях нагрева могут составлять десятки и сотни градусов. В связи с этим необходимо определенное время на выравнивание температуры в системе пластина-спай, что увеличивает потери тепла с пластин и сии- жает тем самым точность измерений. Крепление измерительных пластин поглотителя к защитным кольцам с целью уменьшения потерь тепла ппастижА в процессе выравнивания температуры осуществляется с помощью шелковых нитей в клея. 1 Такое крепление недостаточно надеж но н не может быть применено оля из меренвй мощных пучков излучения, со провожавющихся механическими эффек тами. Температура разогрева пластин поглотителя не может превышать темпе ратуру загорания пластин, щелка в разрушения клеевого соединения. Кроме того, крепление к измеритель ным пластинам шелковых нитей с помощ ялея вносит в измерительную систему 63 цополнительную теплоемкость неопределенной величины, что при малой собственной теплоемкости измерительных пластин снижает точность измерений. Погрешность измерения поглощенной энергии с помощью описываемого калориметра З, оцениваемая по проводимой авторами кривой поглощения энергии в тантале, составляет 1О-15%. Целью настоящего изобретения является повыщение точности .измерений и упрощение конструкции калориметра. Указанная цель достигается тем, что в калориметре для измерения импульсных ионизирующих излучений, содержащем термопары и поглотитель излучений в виде набора параллельно расположенных пластин, термопары выполнены в виде попарно соединенных в центре и изоли- рованньк по периферии пластин из мама териалов с близкой :оглощающей способ.ностью и различной абсолютной термоЭДС. Пластины попарно соединены, например, точечной или диффузионной сваркой внутри подвергаемой облучению зоны и электрик чески изолированы за ее пределами, образуя таким образом термопару с горячим спаем в облучаемой зоне пластин. Холодными спаями служат необлученные концы пластин либо прикрепляемые к ним отводы из того же материала. Размеры облучаемой зоны пластин подбирают расчетным путем таким o6petзом, чтобы обеспечить фотонное и элект ронное равновесие зоны горячего спая и смежных с ним облученных участков пластин... Кроме тоГо, размеры зоны облучения должны быть такими, чтобы изменение температуры пластин в зоне горячего спая за счет потерь тепла в необлученную часть пластин к моменту измерения не превысило определенную заранее рассчитанную величину либо было пренебрежимо малым. Каждая термопара измеряет среднюю величину поглощенной в обеих пластинах энергии излучения, набор из нескольких последовательно расположенных термопар н;эт«(ерает профиль знергопоглощения в материале тармопар. Совмещение функций поглотителя и датчика температурь в одном элементе устраняет недостатки/свойственные аналогам н прототипу. Отсутствует искажение температурного поля поглотителя вследствие неодвнахового нагрева пластин поглотителя и термопар. Отсутствует отток тепла по тер)моэлвктроаам термопар из зоны горячего спая, что исключает связанные с этим погрешности измерений,

От;пааает необходимость крепления )измерительных пластин внутри рашитных колец с помощью клея и шелковых нитей,-что устраняет погрешности, связанные с дополнительной теплоемкостью, повышает прочность конструкции калориметра и значительно расширяет допустимый уровень нагрева измерительных пластин. Функции зашитных колец в предлагаемой конструкции калориметра выполняютучастки пластин вокруг горячего спая. Потери частиц и фотонов зоной горячего спая компенсируется поступлением из соседних, облученных, областей пластин.

Погрешность измерения поглощений энергии предлагаемой конструкцией калориметра определяется лишь погрешностями определения теплоемкостей и термоЭДС применяемых материалов. При использовании хорошо изученных материалов погрешность измерения энерговыделения без учета погрешностей измерительной аппаратуры может составлять ед1шицы и даже доли процента.

Допустимый уровень нагрева пластин поглотителя в предлагаемой конструкции калориметра ограничивается прочностны- ми свойствами материалов пластин. При применении жаростойких металлов и сплавов допустимые уровни нагрева термопар могут достигать 1000 С и более, что значительно расширяет диапазон применения калориметра в область измерения больших потоков энергии. Прочность калориметра при механичео ких нагрузках значительно вьцие прочности известных калориметров.

Пластины поглотителя в предлагаемой конструкции калориметра изготавливаются из сплавов нескольких химических элементов, например, таких, как термоэлектронные сплавы хромельалюмель и др., или из чистого элемента и сплава егО с незначительным количеством другого элемента,

В зависимости от атомных номеров элемента, из которых изготовлены пластины, и толщины пластин калориметр может использоваться для измерений электронного, рентгеновского гамма- и других видов ионизирутощих излучений. Окружая пластины термопар материалам

чувствительными к нейтронному излучению, или изготавливая пластины из таких материалов, можно производить измерения и нейтронного излучения.

Предлагаемая конструкция калоримет ра приведена на чертеже.

Пластины 1и 2 из материбшов с различной абсолютной термоЭДС и близкой поглощающей способностью, сварены в зоне контакта 3 с помощью точечной или диффузионной сварки. Пластины изолированы друг от друга с помощью прокладок 4 и 5. От каждой пластины сделаны отводы 6 и 7 из фольги или проволоки из того же материала для присоединения к измерительной аппаратуре. Пучок излучения формируется с помощью коллимируюцего устройства 8.

Излучение, пройдя коллимируюшее устройство, попадает на пластины термопар, нагревая их до уровня, пропорционального количеству поглощений в них энергии излучения.

Сигнал термопар через определенный промежуток времени, необходимый для выравнивания температуры по толщине пластин, становится пропорциональным средней температуре обеих пластин. Измряя сигналы всех термопар, можно определить профиль энерговыделения излучения в материале поглотителя, а по нему восстанавливать спектр падающего излучения, вычислять полную энергию и: лучения, определять поверхностную дозу и др.

К настоящему времени калориметры предлагаемой конструкции испытаны при измерениях излучений мощных импульсны установок РИУС-б и ТОНГ.

Термопары изготавливали из нихро- мовой и никелевой фольги толщиной 50 м Поглотители выполняли из пяти либо двадцати термопар, что позволяло регисьрировать распределение поглощенной энергии излучения по глубине поглотителя. В сборку входило шестнадцать наборов термопар, расположенных по восемь Б двух взаимно перпенаику- . лярных направлениях в вице креста. Такая конструкция позволяла опред ять конфигурацию пучка излучения в каждом импульсе и распреаеление энергии по сечению пучка излучения.

«

Испытания показали высокую нацежностъ прецлагаемого калориметра в условиях СИЛЫ1ЫХ электрических и магнитных полей. Температура нагрева пласти

аоотигвла в некоторых стытвх Tebinepae. typbi плавления материала. Погрешность каиерения поглощенной в термопарахэнергии ижтучения без учета погрешяоо тай измерительной аппаратуры .составля ла в среонем 3,0%..

КАЛОРИМЕТР ПЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ, содержащий термопары я поглотитель в виде набора параллельно расположенных пластин, о тличающийся тем, что, с целью повьшения точности измерений и упрощения конструкции, термопары выполнены в виде попарно соединенных в пентре и изолированных по периферии пластин поглотителя, изготовленных из материалов с близкой поглошакхцей способностью н различной абсолютной термоЭЛС. (Л

§

f ,