Калориметр для измерения импульсных ионизирующих излучений

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

C0LlHAËÈÑÒÈ×ЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) А рд) 6 01 Т 1/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ..н (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

hO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЦТИЙ (21) 3268142/18-25 (22) 01.04.81 (46) 23.05.83. Бюл, l4 19 (72).В. П. Сучков и В. Н. Фунин (53) 621.386,42 (088.8) (56) 1. Пелинин Q. М. Небольшие ком бинированные рентгеновские калоримеъ ры, Приборы для научных исслецований, 1972, т. 43, % 8, с. 115 118.

2. Филипончева П. И. Метод спектро метрии мощных импульсных электронов, Приборы и техника эксперимента, 1979, hb 6, с. 40-43.

3. Вуц fl.C. Калориметр глубинной позы цля низковольтных импульсных рентгеновских установок высокой интен» сивности. Приборы аля науЧных исследо ваний, 1972, т. 43, % 8, с. 23-28. (прототип). (54) (57) КАЛОРИМЕТР 5ffR ИЗМЕРЕ»

НИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ИОНИЗИРУЮШИХ

ИЗЛУЧЕНИЙ, соаержаший термопары и поглотитель излучений в вице набора . параллельно расположенных пластин, о т» л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений и упрощения конструкции, термопары выполнены в вице попарно coeaaaeHHbtx в центре и изолированных по периферии пластин поглотители, наготовленных из матерна лов с близкой поглощающей способностью и различной абсолютной те моЭДС.

989963

Изобретение отнск..итси к цозиметрии ионизирующих излучений, в истности к кадориметрическим методам измерения импульсных ионизирующих излучений, и может быть использовано цля измерения параметров излучения импульсных ускорителей, мощных излучателей, импульсной плазмы и др.

Известен калориметр, предназначен-ный для измерения поверхностной цозы в тантале и полной энергии излучения от импульсных рентгеновских устаньвок (1 1

В качестве цетектора полной энергии в этом калориметре используется 15 цилинцри еский блок-поглотитель иэлу== чения из вольфрамового сплава, окру= женный защитным кольцом иэ того же материала и такой же, как блок-поглотитель, высотой. Назначение защитного 20 кольца - компенсация потерь фотонов, рассеянных поглотителем, за счет при-, тока фотонов в него иэ защитного кольца, Поглотитель термически изолирован от защитного кольца, а весь узел тер= мически изолирован от оболочки вставками из пенопласта.

Температура разогрева поглотители измеряется с помощью терморезистора, установленногс на дальней по ходу излучения стороне поглотителя.

Детектор поверхностной цозы выпол=нен в вице тонкого диска-поглотителя из танталовой фольги толщиной 7,5 мкм.

Диск подвешен на трех медь=константановых те рм опа рах с д иаме тром проволок 25 мкм„1 риварэнных к нему точеч= ной сваркой. При сборке калориметра фольга располагается в непосредственной

4О близости к основному поглотители (впереди него), чтобы обратное рассеяние от него было практически ицентично рассеянию в однородном материале при такой же толщине.

Кало риме тр оп и саин ой конс т рук ци и сложен в изготовлении„точность измере= ния с помощью него невысока. Сами авторы конструкции оценивают погрешность измерения полной энергии величиной 10%,5О а погрешность измерения поверхностной дозы считают еше большей.

Сравнительно невысокая точность измерения поглощенной энергии данным калориме тром может быть объяснена 55 следующими при ипатами:

- поглотители излучения и датчики температурры выпоютены из материалов с различной поглощающей способностью, вследствие чего они по-разному разогреваются при прохождении излучения;

- диаметр термоэлектроднъи прове лочек в детекторе поверхностной зоны значительно больше толщины цискапоглотителя, что способствует искажению температурного поля диска-поглотителя в месте приварки термопар; — трудно обеспечить хороший термический контакт терморезистора с поглотителем, вслецствие чего температура терморезистора всегда буцет отличаться от температуры поглотителя; — неизбежны потери тепла поглоти» телем за время выравнивания температу ры.

Известен также калориметр-спектрометр для измерения параметров мощных импульснь|х пучков электронов (2) .

Поглотитель излучения в этом калорйметре выполнен в вице набора иэ 10 параллельно расположенных алюминиевых пластин толщиной l50 и 580 мкм. Между пластинами с помощью кольцевьм прокладок обеспечивается зазор величи» ной 0,2 мм. Температура разогрева плас=ин измеряется с помощью хромелькопелевых термопар, рабочие спаи кото рых расположены примерно в центре пластин. Калориметр указанной конст»рукции измеряет энерговыделение пучка электронов на различной глубине однородного материала, в данном случае алюминия.

Измерение профиля энерговыделения позволяет производить восстановление спектра электронов и рассчитывать полную энергию излучения, Б работе не приведена погрешность измерения энерговыцеления. Указана лишь ошибка восстановления спектра, средняя величина которой оценивается примерно в 15%.

В конструкции этого калориметра поглотитечь выполнен из алюминия, а термопары - из хромеля и копеля, обладающих большей поглошающей способ: ностью, чем алюминий. Это привоцит к неоцинаковому нагреву излучением пластин поглотителя и термопар.

Кроме того, каждая термопара акра нирует от излучения часть поверхности пластин, расположенных за ней, что увеличивает неравномерность нагрева пластин и термопар.

Наиболее близким к изобретению яв ляется калориметр цля измерения им.989963 пульсных ионизирующих излучений, со держащий термопары и поглотитель излучейий, выполненный в виде набора параллельно расположенных пластин (31.

В этом калориметре поглотитель выполнен из набора последовательно расположенных пластин иэ тантала толщиной от 12,7 до 203 мкм. Температура разогрева пластин измеряется с помощью железно-кокс тантовых термо пар из проволок циаметром 25 мкм.

Каждая пластина с термопарой окружена защитным кольцом такой же, как и пластина, толщины и из того же материала. Защитные кольца не дают возмож l5 ности боковым лучам попасть на задние пластины, минуя переднпие. Кроме того, потери энергии измерительными пластинами за счет вторичного излучения компенсируются поступлением энергии 20 иэ защитных колец. Измерительные пластины внутри защитных колец на тонких шелковых нитях с помощью клея.

B указанной конструкции калориметра температура пластин поглотителя измеря >5, ется с помощью термопар, спаи которых прикрепляют к пластинам в облучаемой зоне, причем термопары и пластины изготовлены из материалов с разной поглошающей способностью. В момент облу- Ç0 чения пластины поглотителя и присоединенные к ним спаи термопар нагревают ° ся до разных температур. Ihs пластин из тантала и железо-константовых термо пар различия в уровнях нагрева могут составлять десятки и сотни грацусов.

В связи с этим необходимо определенное время на выравнивание темпера туры в системе пластина-спай, что увеличивает потери тепла с пластин и сни 40 жает тем самым точность измерений.

К репление измерительных пластин поглотителя к защитным кольцам с целью уменьшения потерь тепла. пластиной в процессе выравнивания температуры осуществляется с помощью шелковых нитей и клея.

Такое крепление нецостаточно надеж но и не может быть применено для измерений мощных пучков излучения, сопровождающихся механическими эффек тами. Температура разогрева пластин поглотителя не может превышать темпе ратуру загорания пластин, шелка и раз рушения клеевого соецинения., 55

Кроме того, крепление к изьюритель ным пластинам шелковых нитей с помацью клея вносит в изм рительную систему дополнительную теплоемкость неопрецеленной величины, что при малой собственной теплоемкости измерительных пластян снижает точность измерений.

Погрешность измерения поглощенной энергии с помощью описываемого калориметра (3), оцениваемая по проводимой авторами кривой поглощения энергии в тантале, составляет 10»15%.

Целью настоящего изобретения sansется повышение точности .измерений и упрощение конструкции калориметра.

Указанная цель достигается тем, что в калориметре для измерения импульсных ионизирующих излучений, содеркащем термопары и поглотитель излучений в виде набора параллельно расположенных . пластин, термопары выполнены в виде попарно соединенных в центре и изолированных по периферии пластин иэ маматериалов с близкой оглошающей способностью и различной абсолютной термоЭДС.

Пластины попарно соединены, например, точечной или диффузионной сваркой внутри подвергаемой облучению эоны и электри чески изолированы за ее прецелами, образуя таким образом термопару с горячим" спаем в облучаемой зоне пластин. Холодными" спаями термопар служат необлученные концы пластин либо прикрепляемые к ним отводы из того же матери ала. . Размеры облучаемой зоны пластин подбирают расчетным путем таким обра зом, чтобы обеспечить фотонное и электронное 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 необпученную часть пластин к моменту измерения не превысило опрецеленную заранее рас считанную величину либо было пренебрежимо малым.

Кажшщ термопара измеряет срецнюю величину поглощенной в обеих пластинах энергии излучения, набор из нескольких послецова тельно расположенных термопар измеряет профиль энергопоглошения в . материале термопар.

Совмещение функций поглотителя и датчика температуры в одном элементе устраняет недостатки, свойственные аналогам и HpoToTHIpÃå

Отсутствует искажение температурно го пола поглотители вследствие неоди55 накового нагрева пластин поглотителя и термопар, Отсутствует отток тепла по термоэлектродам термопар из зоны горячего" спал, что исключает связанные с этим погрешности измерений.

Отпадает необхоцимость крепления

) измерительных пластин внутри дашитных колец с помошью клея и шелковых нитей, что устраняет погрешности, свя занные с дополнительной теплоемкостью, повышает прочность конструкции калориметра и значительно расширяет цопустимый уровень нагрева измерительных пластин, Функции зашитных колец в преплагаемой конструкции калориметра выполняют участки пластин вокруг горячего спая, Потери частиц и фотонов зоной

"горячего" спая компенсируется поступ лением из соседних, облученных, облас тей пластин.

Погрешность измерения поглошений энергии предлагаемой конструкцией калориметра определяется лишь погрешностями определения теплоемкостей и термоЭДС применяемых материалов.

При использовании хорошо изученных материалов погрешность измерения энерговыделения без учета погрешностей иэмерительной аппаратуры может составлять ециницы и даже goJIH процента.

Допустимый уровень нагрева пластин поглотителя в прецлагаемой конструкции калориметра ограничивается прочностны-. ми свойствами материалов пластин. При применении жаростойких металлов и сплавов допустимые уровни нагрева о термопар могут достигать 1000 С и более, что значительно расширяет диапа; зон применения калориметра в область измерения больших потоков энергии.

Прочность калориметра при механичес -ких нагрузках значительно вйше прочности известных калориметров.

Пластины поглотителя в предлагаемой конструкции калориметра изготавливают ся иэ сплавов нескольких химических элементов, например, таких, как термоэлектроцные сплавы хромельалюмель и др., или из чистого элемента и сплава его с незначительным количеством другого элемента.

B зависимости от атомных номеров элемента, из которых изготовлены пластины, и толшины пластин калориметр макет использоваться пля измерений электронного, рентгеновского гамма н других видов иониэируюших излучений.

Окружая пластины термопар материалами, 10 t5

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

Прецлагаемая конструкция калориме лра привецена на чертеже.

Пластины 1и 2 иэ материалов с различной абсолютной термоЭДС и близкой поглошаюшей способностью, сварены в зоне контакта 3 с помошью точечной или циффузионной сварки. Пластины изолированы цруг от друга с помошью про-.кладок 4 и 5, От каждой пластины сцеланы отводы 6 и 7 из фольги или провсьлоки из того же материала цля присоединения к измерительной аппаратуре.

Пучок излучения формируется с помощью коллимируюшего устройства 8.

Излучение, пройця коллимируюшее устройство, попадает на пластины термопар, нагревая их цо уровня, пропорционального количеству поглошений в них энергии излучения.

Сигнал термопар через опрецеленный промежуток времени, необхопимый цля выравнивания температуры по толшине пластин, становится пропорциональным средней температуре обеих пластин. Измеряя сигналы всех термопар, можно определить профиль энерговыделения излучения в материале поглотителя, а по нему восстанавливать спектр падаюшего излучения, вычислять полную энергию излучения, определять поверхностную позу и цр.

К настояшему времени калориметры предлагаемой конструкции испытаны при измерениях излучений мощных импульсных установок РИУС-5 и ТОНГ .

Термопары изготавливали из нихромовой и никелевой фольги толшиной 50мкм.

Поглотители выполняли из пяти либо двапцати термопар, что позволяло регистрировать распрепеление поглошенной энергии излучения по глубине поглотителя. В сборку вхоцило шестнадцать наборов термопар, расположенных по восемь в двух взаимно перпендикулярных направлениях в виде креста.

Такая конструкция позволяла определять конфигурацию пучка излучения в каждом импульсе и распределение энергии по сечению пучка излучения.

Испытания показали высокую надежность предлагаемого калориметра в условиях сильных электрических н магнитных полей. Температура нагрева пластин

7 := =. = 989963 8 достигала i некоторых опытах темпера- энергии излучения без ущта я туры плавления материала. Погрешность - тей измерительной аппаратуры составлю измерения поюаощенной в термопарах- ла в среднем 3,0%, Ф

Редактор Б. Федотов Техред М.Тепер .. корректор В Бутяга

Заказ 6633/3 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5.Филиал ППП Патент -, г. Ужгород, ул. Проектная, 4