Микрокалориметр для измерения потока ионизирующего излучения

 

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 теплоемкости секЕсий термоЕфеобразователя. О кд оь

СОКИ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИС ГИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

Sue G-0

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21 ) 33101 57/1 8-25 (22) 02.07.81 (46) 15.04.83. Бюл. М 14. (72) В.Г. Карпенко, Ж.Л. Погурская, В. Н.Аваев и Е. П.Ефимов (71) Институт технической теплофизики

АН Украинской CCP . (.53) 621.387.424 (088.8) t (56) 1. Кальве Е. и Прат А. Микро,калорнметрия. М., Иностранная. жтература, 1969, с. 477.

2. Шиманская Н.С., Калориметрия ионизирующих излучений. М., Атомиздат, — 1973, с. 328.

3. Ричардсон Д., Аллен А., Бойль Дж1..

В кн. Труды Первой международной ;конференции по мърному использованию .:атомной энергии. Женева, 1956, с. 267 (прототип).

„Я0„,,1012167 (54) (57) МИКРОКАЛОРИМЕТР ДЛЯ

ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКА ИОНИЗИРУЮЩЕГО

ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий поглощающий излучение образец и saxogsmaRcs с ннм

s тепловом контакте термоареобразователь, отличающийся тем, что, с целью повышения точности.измерения lK устранения искажений, вносимых в п каза ния калориметра неюотермичностью и колебаниями температура внутри кана ла, его тщьаотреображюатель выполнен в виде датчика теплового потока, пре№ставляющего собой обладающую анизотро пией термо-ЭДС стенку, которая pasgene на системой параллельных разрезов sa четное число последовательно со щиненных о секций, причем с обеих сторон стенки в чередующемся порядке на каждой секции расположены поглощающие излучение об« разцы, теплоемкость которых равна тепло С емкости секпий термопреобразователя.

° ива

Ю

ЭаМ

Ю

Iaa4

Cb

° м,ф

1 f012

Изобретение относится к теплофиэичео ким измерениям, в частности к капори метрическим измерениям плотности потока ионизирующего излучения, и может найти применейие для абсолютных дози метрических измерений в радиационной физике и химии для калориметрии реакторного излучения, контроля аффект ивности средств защиты и т.д.

Известны разнообразные капориметри ческие устройства для измерения тепловых эффектов, сопровождающих различные физико-химические процессы, в том чис ле и тепловых эффектов при поглощении ионизирующего излучения, характеризующиеся большой инерционностью и громоздкостью, обусловленной, главным образам, требованием тщательной защиты от воз. действия изменения параметров окружающей среды. 20

Известен теплопроводящий калорнметр, содержащий смонтированные внутри тепло проводящего блока две идентичные изме ритепьные ячейки, представляющие собой снабженные теплометрическими оболочк ми две цилиндрические камеры. Теплометрическими оболочками служат равномерно распределенные по внешней aosepxности камер батареи из большого числа последовательно соединенных металличео хих или полупроводниковых дифференциальных термопар, холодные и горячие спаи которых соответственно находятся в тепловом контакте с поверхностями камер и теплопроводящего блока 11.

Для уменьшения и частичной компен сации проникающих к ячейкам тепловых возмущений, вызванных изменением па- раметров окружающей среды, термобата, реи ячеек вкпючейы встречно, а теплс, йроводящий блок калориметра снабжен

40 системой термостабилизации. С внешней стороны блок калорыиетра обычно покрыт слоем теплоизоляции. В силу указанных конструктивных особенностей калориметр отлнчаетса сложностью изготовления, Громоздкостью и. большОй термическОй инерцией. В калораметрии ионизирующих излучений такие устройства применяют, главным образсм, дпя измерения анерго» выделения различных радиоактивных ио- 50 точников. Для доз иметрии ионизирующих

Q oB oHa мало пригодны из-За 0cMIhBtax габаритов и акранирующего аффекта теплопроводящего блока.

Известны статические калориметры, 55 принлип действия которых основан на измерении в установившемся тепловом ре» жиме температурного перепада между йоглощающим иоииэирующее излучение образцом и окружающей средой. Обычно температурный перепад иа4еряют с по мацью одной или нескольких дифференциальных термопар, а для повышения чувствительности образец псжрывают пропускающим излучение слоем теплоизоляции С23

Однахо чувствительность таких калориметров остается низкой. и их используют лишь для измерения больших теплсьвых аффектов, например, при внутриреак торных измерениях или калориметрии радиоактивных источников. Существенным недостатком таких калориметров является низкая точность измерения, обусловленная искажениями за, счет неизотермичцости и флюхтуаций температуры окружающей средые

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобре- тению является микрокалориметр для.измерения потока ионизирующего излучения, содержеиий поглощающий излучение образец и находящийся с ним в тепловом контакте темопреобраэователь. Основы конструкции етого калориметра составляют две коаксиально расположенные тон костенные алюминиевые трубки с зазором между ними около 1 мм. Посреди зазора для уменьшения хонвекции по- мещена оболочка из полистиропового пенопласта. Поглощающий ионизирующее излучение образец находится в средней части внутреннего цилиндра. С торцов калориметр тщательно изолирован пробка ми. Установившаяся при тепловом равновесии разность температур между внутренним и наружным алиндрами, хото рая служит мерой. рассеиваемой тепловой мощности, измеряется с помощью дифференциальной медьхонстанта новой термопары. Дпя градуировки капориметр снабжен алехтрическим нагревателем, заделанным на поверхности цилиндра. Ка лориметр использовался для внутриреакторных измерений потоков большой плот ности (3). ,Недостатками данного калориметра яв ляются его низкая чувствительность и наличие искажений за счет фпюхтуаций температуры стенки исследуемого объекта.

Кроме того, значительные погрешности возникают вследствие несимметричного распределения температуры внутри канала, в котором размещен калориметр, а также вследствие неравномерного распре деления термических сопротивлений по его поверхности. Все ато снижает об3 gQgQg . наружительную способность калориметра,: вследствие чего он не может быть иопольэован для измерения потоков ионизи рующего излучения малой плотности.

Бель изобретении - повышение. точнос ти измерения и устранение искажений, вносимых в показания калориметра нэизотеркичностью ° и колебаниями темпера туры внутри канала.

Поставленная цель достигается тем, 1ô что в микрокагюриметре для измерения потока ионизирующего излучения, содержащем, поглощающий излучение образец и находяивйся с ннм в тепловом контакте термопреобразователь, последний м выполнен в виде датчика теплового потока, представляющего собой обладающую анизотропией термоЗДС стенку, которая разделена системой параллельных разрезов на четное число последователь 2э но соединенных секций, причем с обеих сторон стенки в чередующемся порядке на каждой секции расположены поглощающие излучение образцы, теплоемкость которых равна теплоемкости секций термо- преобразователя.

По сравнению с. прототипом, благодаря

; предложенной конструкции термодатчика и расположению поглощакяцих излучение ,: образцов, взаимно компенсируются иска жения от неиэотермичности и фпюктуаций

: температуры внутри канала. Термообразователь калориметра цредставлиет собой

- термоалектрически анизотро ную пластину из секций, каждая из которых акви валентна батарее большого числа после-. довательно соединенных термоалементов, сигналы которых суммируются. При атом в отличие от прототипа, где измеряется разность температур между цилиндрами, в предлагаемой конструкции калориметра непосредственно определяется тепловой поток, более достоверно отображающий плотность ионизирующего излучении. Все ато способствует повышению точности измерения и улучшению обнаружительной способности калориметра.

На чертеже показана конструкция предлагаемого калориметра.

Калориметр состоит из термоцреобразо- вателя, представляющего собой термо алэктричесжи анизотропную стенку, содержащую систему параллельных разрезов, 1, образукацих последовательно соединен ные секции 2 с токосъемными выводами

3. С обеих сторон стенки в чередующемся порядке на каждой секции расположены поглощающие излучение образцы 4.

67

Предлагаемый микрокалориметр работает следующим образом.

Размещенный в канале исследуемого объекта. калориметр подвергается воз» действию потока ионизирующего излучения. Последний поглощается располо женными на секциях 2 преобразователя образцами 4, вызывая их нагрев. Рассеиваемые при атом образцами тепловые потоки вызывают соответствующие градиенты температуры в каждой секции, тер мообраэователя. В связи стем,,что образцы расположены в чередующемся порядке на каждой секции, градиенты температуры в смежных cerussx направлены в противоположные стороны поперек стен ки преобразователя. Под воздействием градиента- температуры вследствие анизо тропин термоалектричесжих свойств стен ки вдаль каждой секции преобразователя генерируется поперечная отиосительионаправления градиента температуры ЭДС.

При этом механизм работы такогс термо датчика подобен действию термопреобразователи из бот.ьшого числа последовательно соединенных дифференциальных термопар.

Поскольку градиенты температуры в соседних секциях взаимно противоположны, электрические сигналы секций хе о» преобразователя складываются. Таким об> разом, снимаемый с токосъемных выводов

3 результирующий сигнал пропорционален:

° мощности тецловыделения и служит мерой плотности потока ионизирукяцего излучэ ния.

Помимо полезного сигнала, возникаю . щего за счет тепловыделения в поглсвца ющих излучение образ ах, термопреобра зователь воспринимает также тепловой поток, обусловленный нэиэотермичностью и несимметричным распределением тем пературы в конструктивах элементах исследуемого объекта, что влечет за со бой появление дополнительной составляю щей градиента температуры в кщкдой секции термообраэователя. Oaaare благодаря тому, что ърмообразоиа щп* аипоа нен в виде термоалектрически аииэотроа ной пластины с указанной выше системой разрезов, электрические сигналы в ам седних секциях, вызванные дополщвель " ной составляющей градиента температурьц. компенсируются. Таким образам, искажэ ния, вносимые в показания детщстора ю изотермичностью и флюктуациями хампэ ратууы внутри канала, устраняются; Анз логичным образом компенсируются фои@ иые возмущения обусловленжм собствено.

5 1012 ным тепловыделением в стенке термопреобразователя. Тем самым повышается точйость измерения и обнаружитель способность микрокалориметра.

Для проверки работоспособности и з метрологических возможностей предлага . емого микрокалориметра изготавливают его опытный образец. В качестве термо преобразователя калориметра служит плас тинка размерам 12 ° 8 -1 мм, вырезан-16 ная иэ монокристалла антимонида кадмия под углом 45 к главной кристаллографи ческой оси. Пластинка разрезана на 10 секций, как показано на чертеже. По всей поверхности одной из сторон каждой сех 1 ции в чередующемся порядке наклеены поглощающие излучение свинцовые образ цы толщиной 0,8 мм. С помощью калиброванных нагревателей проводят градуи ровку калориметра и определяют его чув- 2î ствителъность, составившую 0,11 В/Вт.

Кроме того, была проверена способность калориметра компенсировать транзитные тепловые потоки. С этой целью во время градуировки калориметра одна сторона 25 термопреобразователя периодически осве щается лучистым потоком, мощность которого выбирается равной тепловому потоку, задаваемому при калибровке. Возни кающие при этом искажения показаний ка 2е лорнметра составляют менее 5% полезного . сигнала.

По сравнению с существующими кало- риметрами для измерении потоков ионизирующего излучения предложенное тех ническое решение обеспечивает повыше- .

Bse технико-еконамической эффективности. в связи с тем, что термопреобраэователь даннож микрокалоркметра работает анало

1ДР 6 гично батарее из большого числа последовательно включенных термопар, а его сигнал не зависит от толщины термоэлектри чески аниэотропной стенки и определяется, только эффективной длиной секции, чувствительность такого микржалориметра на два порядка превышает чувствителы--:с ность прототипа. При этом термопреобраэователь может быть выполнен тонкостенным, а следовательно, и малоинерционным, поскольку генерируемый преобразователем сигнал не зависит от его тол щины, а определяется градиентом температуры по толщине стенки. Благодаря тому, что в предлагаемой конструкции калориметра компенсируются искажения, вносимые в его.показания фоновым поглощением, неизотермичностйо и фпижтуация-. ми температуры канала объекта, более, чем на порядох .увеличивается отношение полезного сигнала к сигналу шума, что улучшает обнаружительную способность калориметра. Предлагаемый микрокалориметр выгодно отличается от наиболее распространенных устройств аналогичного назначения простотой конструкции и высокой точностью измерения. Калориметр может быть легко выполнен миниатюрных. размеров, благодаря чему имеется возможность его размещения в трудно до ступных для исследования участках объ ектае

Кроме того, стенка термопреобразователи может быть изготовлена из термостойкой Искусственно-анизотропной композиции, что дает возможюсть осуществлять измерения потоков ионизирующего излучения в зоне высоких температур.

1012167

1 1 1 2 2 2

Составитель Б.Рахманов

Редактор М. Товтин Техред Е.Харнтончж Корректор Л.Бокзпан

Заказ 2754/56 Тираж 708 Подлисное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по. делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушскаа наб,, д. 4./5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4