Устройство для определения максимальной энергии электронов
Владельцы патента RU 2502086:
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)
Предложено устройство для определения максимальной энергии электронов. Устройство содержит фильтр из электропроводящего материала с малым атомным весом и известной зависимостью пробега электронов от их энергии и детектор для регистрации электронов. Устройство выполнено в виде монолитного объемного тела с плоским участком для ввода пучка электронов. В теле под углом по отношению к плоскому участку выполнен сквозной боковой паз. Клиновидный участок, образованный поверхностями плоского участка и паза, является фильтром переменной толщины. В пазу установлен детектор для регистрации электронов в виде пленочного визуального индикатора поглощенной дозы электронов. Техническими результатами являются упрощение конструкции устройства при наличии высокого ресурса, обеспечение простоты стыковки устройства с источником электронов, снижение времени регистрации электронов и обработки результатов. 3 ил.
Изобретение относится к технике регистрации параметров электронных пучков и может быть использовано при оперативной оценке максимальной энергии электронов.
Измерение максимальной энергии электронов позволяет определить требуемую толщину биологической защиты персонала, режимы облучения промышленных и биологических объектов, провести оценку амплитуды напряжения на ускорительных трубках без использования сложной аппаратуры и т.д. Для снижения стоимости таких работ устройство должно обладать простотой изготовления и высоким ресурсом.
Максимальную энергию электронов можно определять при помощи полукругового магнитного спектрометра (А.И.Герасимов, Е.Г.Дубинов, Б.Г.Кудасов. Спектрометр импульсного пучка электронов. ПТЭ №3, 1971, стр.31-34) непосредственно по измеренному спектру электронов. Спектрометр содержит вакуумную камеру, в которую через щелевую диафрагму поступает тестируемый пучок электронов. Камера расположена в поперечном однородном магнитном поле, в котором электроны двигаются по круговой траектории. При этом радиус траектории зависит от энергии электронов, поэтому после прохождения через магнитное поле электронный пучок растягивается в радиальном направлении, и распределение заряда электронов вдоль радиуса соответствует энергетическому спектру электронов.
Магнитный спектрометр позволяет проводить измерения энергии электронов многократно и с наибольшей точностью, но отличается высокой сложностью и стоимостью изготовления, а также необходимостью вакуумно-плотной стыковки входного узла камеры спектрометра и источника электронов, что требует изготовления дополнительных деталей. Поэтому об оперативной оценке максимальной энергии электронов при помощи магнитного спектрометра не может быть и речи.
Известны устройства, в которых максимальная энергия электронов определяется по полному пробегу электронов в веществе (А.А.Воробьев, Б.А.Кононов. Прохождение электронов через вещество. Изд. Томского университета: Томск, 1966, стр.145). Полный пробег измеряют в ядерных эмульсиях, пузырьковой камере или в другом подобного рода приборе, позволяющем наблюдать весь трек частицы. Недостатком этих устройств также является высокая стоимость и большие затраты времени на определение искомого параметра.
Наиболее близким к заявляемому является устройство, в котором используется прохождение электронов через фильтр в виде 10 слоев графитизированного полипропилена (ППГ), между слоями проложены детекторы электронов в виде пленочных дозиметров ЦДП-Ф2-3 (А.В.Грунин и др. Исследование характеристик электронного излучения ускорителя СТРАУС-2. Метод поглощающих фильтров. VII Межотраслевая конференция по радиационной стойкости. Сборник докладов. Снежинок: Изд-во РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2006, с.412-419). После определения поглощенной дозы в каждом дозиметре и обработке полученной информации с помощью расчетов методом Монте-Карло определяется кривая поглощения электронов в материале ППГ. По кривой поглощения можно определить максимальную энергию электронов.
Это устройство позволяет более оперативно проводить измерение максимальной энергии электронов, однако формирование одноразовой сборки из слоев ППГ и дозиметров ЦДП-Ф2-3 требует достаточно больших трудозатрат и материалов, а измерение поглощенной дозы электронов в пленочных дозиметрах может производиться только при помощи спектрофотометра, который сам по себе является дорогостоящим оборудованием.
При создании данного изобретения решалась задача снижения времени, стоимости и трудозатрат для определения максимальной энергии электронов.
Техническим результатом является упрощение конструкции устройства при наличии высокого ресурса, обеспечение простоты стыковки устройства с источником электронов, снижение времени регистрации электронов и обработки результатов.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством для определения максимальной энергии электронов, содержащим фильтр из электропроводящего материала с малым атомным весом и известной зависимостью пробега электронов от их энергии, а также детектор для регистрации электронов, новым является то, что устройство выполнено в виде монолитного объемного тела с плоским участком для ввода пучка электронов, в теле под углом по отношению к плоскому участку выполнен сквозной боковой паз, при этом клиновидный участок, образованный поверхностями плоского участка и паза, является фильтром переменной толщины, в пазу установлен детектор для регистрации электронов в виде пленочного визуального индикатора поглощенной дозы электронов.
Заявляемое устройство имеет предельно простую конструкцию и может быть легко изготовлено в любой механической мастерской. При фрезеровании паза под углом к плоскому торцу в теле устройства формируется клиновидный участок (клин), который является фильтром с линейно изменяющейся толщиной. Выполнить клин в составе предлагаемого устройства значительно проще, чем изготавливать тонкий клин отдельно. Кроме того, тело устройства служит для поглощения рассеянных электронов и зажима индикаторной пленки.
В паз, с плотным прилеганием к поверхности клиновидного участка, вставляется пленочный визуальный индикатор, и устройство устанавливается на источнике электронов (при вертикальной ориентации пучка электронов оно просто ставится на источник, при боковом направлении пучка закрепляется подручными средствами). Затем в устройство нормально к поверхности клиновидного фильтра вводится тестируемый пучок электронов. При этом под воздействием электронов, проходящих сквозь клин, на прилегающей к нему поверхности индикатора появляется картина изменения цвета, соответствующая поглощенной дозе. Граница минимального изменения цвета будет соответствовать участку клина с толщиной, равной пробегу электронов с максимальной энергией в веществе клина. Зная эту толщину, можно определить максимальную энергию электронов в пучке по графику зависимости максимального пробега электронов в веществе от энергии электронов (А.А.Воробьев, Б.А.Кононов. Прохождение электронов через вещество. Изд. Томского университета: Томск, 1966, стр.150). Индикатор не требует дополнительной обработки на спектрофотометре или другом подобном устройстве; граница минимального изменения цвета определяется чисто визуально, и поэтому результаты можно получать в течение нескольких минут.
Таким образом, в данном изобретении реализуется указанный технический результат, поскольку конструкция устройства значительно проще, чем в устройствах по аналогу и прототипу, максимально упрощена процедура стыковки устройства с источником электронов, и существенно уменьшено время регистрации электронов и обработки результатов.
На фиг.1 показана конструкция устройства, где:
1 - объемное тело;
2 - пленочный визуальный индикатор поглощенной дозы электронов;
А - направление взгляда на сквозной паз;
Б - направление потока электронов.
На фиг.2 показана типичная фотография полоски визуального индикатора после облучения устройства электронами, где:
В - граница, соответствующая тонкому краю клина;
Г - граница участка прохождения сквозь клин электронов с максимальной энергией;
Д - граница, соответствующая толстому краю клина.
На фиг.3 показана фотография изготовленного устройства.
Устройство (фиг.1) содержит объемное тело 1, в котором под углом α к плоскому основанию выполнен сквозной узкий паз. Глубина паза d выбирается таковой, чтобы оставалась прочная перемычка, соединяющая клиновидный участок с остальной частью устройства. В паз до упора и заподлицо с тонким краем клина вставлена полоска 2 индикатора поглощенной дозы электронов. Устройство устанавливается на источник электронов и облучается электронами в направлении Б. После облучения полоска индикатора извлекается из устройства и анализируется. Типичная фотография облученной полоски приведена на фиг.2. На ней можно выделить три основных участка, расположенных между границами В, Г и Д.
Граница В совпадает с тонким краем клина. Участок В-Г прилегает к более тонкому участку клина, сквозь который проходят электроны с достаточной для этого энергией, поэтому на данном участке наблюдается заметное изменение цвета индикатора. На границе Г наблюдается минимальное изменение цвета, поскольку здесь проходят только электроны с максимальной энергией. Участок Г-Д соответствует более толстому участку клина, сквозь который не проходят даже электроны с максимальной энергией, поэтому изменения цвета индикатора здесь не наблюдается. Участок индикатора правее границы В расположен вне устройства, служит только для извлечения индикатора, поэтому не несет никакой информации и в данном примере на фиг.2 полностью засвечен рассеянными электронами.
Толщина клина на границе Г прохождения электронов с максимальной энергией рассчитывалась исходя из расстояния L между границами В и Г (фиг.2) по формуле t=t0+L·sin(α), где t0 - толщина тонкого края клина, α - угол между плоским участком устройства и пазом (фиг.1). Далее по графику зависимости максимального пробега электронов в веществе клина от энергии электронов определялась максимальная энергия электронов в пучке.
На фиг.3 приведена фотография изготовленного устройства. Оно было выполнено в виде кубика из алюминиевого сплава АМг6 с габаритами 20×20×20 мм. Чтобы расширить диапазон измеряемых энергий электронов и при этом не увеличивать габариты, в теле устройства был выполнен не один, а два косых паза глубиной 15 мм и шириной 1 мм таким образом, чтобы получить два клиновидных участка с толщинами тонкого края 0.5 мм и 1.5 мм. Соответственно, у данного устройства имеется две плоскости для ввода электронного пучка. Со стороны более тонкого клина вводится пучок электронов с меньшей энергией, со стороны утолщенного клина - с большей энергией. Пазы были выполнены под углом α=4° к плоскому участку для ввода пучка. Ширина полосок индикатора поглощенной дозы электронов составляла 8-10 мм. Максимальная энергия электронов определялась при помощи заявляемого устройства на импульсном частотном ускорителе электронов АРСА на 1 MB (Эльяш С.Л., Профе Л.П. Применение малогабаритного ускорителя АРСА для оперативного контроля показателей стойкости элементной базы к воздействию импульсного ионизирующего излучения. // ВАНТ Физика радиационного воздействия на РЭА, выпуск 3, 2002 г. - С.132-136). Величина поглощенной дозы на входе заявляемого устройства, полученная за 30 пусков ускорителя, была равна 1.5 МГр, в качестве детектора использовался визуальный индикатор ЦВИД-3. Сравнение полученных результатов с данными магнитного спектрометра показало, что расхождение величин энергии, определенной при помощи заявляемого устройства и спектрометра, не превышает 50 кВ. На одно измерение расходуется не более 5 мин, ресурс устройства практически неограничен.
Таким образом, применение заявляемого устройства обеспечивает решение задачи данного изобретения, поскольку оно позволяет существенно сократить время и стоимость определения максимальной энергии электронов. Устройство весьма доступно, имеет простую конструкцию, легко изготавливается и может быть оперативно установлено на любом источнике электронов, например на окне ускорительной трубки сильноточного ускорителя.
Устройство для определения максимальной энергии электронов, содержащее фильтр из электропроводящего материала с малым атомным весом и известной зависимостью пробега электронов от их энергии, а также детектор для регистрации электронов, отличающееся тем, что устройство выполнено в виде монолитного объемного тела с плоским участком для ввода пучка электронов, в теле под углом по отношению к плоскому участку выполнен сквозной боковой паз, при этом клиновидный участок, образованный поверхностями плоского участка и паза, является фильтром переменной толщины, в пазу установлен детектор для регистрации электронов в виде пленочного визуального индикатора поглощенной дозы электронов.
