Микрокалориметр для измерения потока ионизирующего излучения

01012167 СОКИ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСГИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК А в СУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ(71) Институт технической теплофизикнАН УкраинскойССР(56) 1. Кальве Е. и Прат А. Микро,калорнметрия. М., Иностранная жтература, 1969, с. 477,2. Шиманская Н,СКалориметрияионизирующих излучений. М., Атомнздат,- 1973., с. 328,3. Ричардсон Д., Аллен АБойль Дж;1.В кн. Труды Первой международной;конференции по мърному использованиюатамной энергии, Женева, 1956, с. 267(54) (57) МИКРОКАЛОРИМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКА ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий поглощающий излучение образец и находящийся с ннм в тепловом контакте термоареобразователь, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения и устранения искажений, вносимых в п казания калориметра неюотермичностью и колебаниями температура внутри кана ла, его тщьаотреобразоаатель выполнен в виде датчика теплового потока, представляющего собой обладающую анизотропией термо-ЭДС стенку, которая разделе на системой параллельных разрезов на четное число последовательно сощиненныс Р секций, причем с обеих сторон стенки в чередующемся порядке на каждой секции расположены поглощающие излучение об разны, теплоемкость которых равна тепло емкости секпий термопреобразователя.1 3.012Изобретение относится к теплофизичеоким измерениям, в частности к капориметрическим измерениям плотности потока ионизирующего излучения, и можетнайти применейие для абсолютных дозиметрических измерений в радиационнойфизике и химии для калориметрии реакторного излучения, контроля аффективностисредств защиты И т дИзвестны разнообразные капориметрические устройства для измерения тепловых эффектов, сопровождающих различные фщнко-химические процессы, в том чис ле и тепловых эффектов при поглощенииионизирующего излучения, характеризую щиеся большой инерционностью и громоздкостью, обусловленной, главным образам, требованием тщательной защиты от воз.- действия изменения параметров окружающей среды, 20Известен теплопроводящий калорнметр, содержащий смонтированные внутри тепло проводящего блока две идентичные изме ритепьные ячейки, представляющие собой снабженные теплометрическими оболочка ми две цилиндрические камеры, Тепло метрическими оболочками служат равномерно распределенные по внешней поверх ности камер батареи из большого числа последовательно соединенных металличеов ких или полупроводниковых дифференциальных термопар, холодные и горячие спаи которых соответственно находятся в тепловом контакте с поверхностями камер и теплопроводящего блока 1,Для уменьшения и частичной компен сации проникающих к ячейкам тепловых возмущений, вызванных изменением параметров окружающей среды, термобата,реи ячеек включены встречно, а теплсм проводящий блок калориметра снабжен40 системой термостабилиэации. С внешней стороны блок калорююетра обычно покрыт слоем теплоизоляции, В силу указанных конструктивных особенностей калориметр отличается сложностью изготовления, громоздкостью и. большой термической инерцией. В калораметрии ионвзируюших излучений такие устройства применяют, главным образсм, дпя измерения анерго выделения различных радиоактивных ио точников. Для доз иметрии ионизирующих пучков они мало пригодны из-за больших габаритов и акранирующего аффекта тепло- проводящего блока.Известны статические калориметры, 55 приюап действия которыхфснован на из мерении в установившемся тепловом ре жиме температурного перепада между йоглощающим иоииэирующее излучение образцом и окружающей средой. Обычно температурный перепад иакеряют с по манью одной или нескольких дифферент. циальных термопар, а для повышения чувствительности образец псжрывают пропускающим излучение слоем теплоизоляции Г 23Однако чувствительность таких калорометров остается низкой. и их исполь зуют 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 неизотермичности и флюктуаций температуры окружающей средыНаиболее 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 агого калориметра составляют две коаксиально расположенные тон костенные алюминиевые трубки с зазором между ними около 1 мм. Посреди зазора для уменьшения конвекции по- мещена оболочка из полистиропового пенопласта, Поглощающий иониэирующееизлучение образец находится в средней части внутреннего цилиндра, С торцов калориметр тщательно изооирован пробками, Установившаяся при тепловом равновесии разность температур между внутренним и наружным адиндрами, кото рая служит мерой. рассеиваемой тепловой мощности, измеряется с помощью дифференциальной медьконстанта новой термопары. Дпя градуировки капориметр снабжен алектрическим нагревателем, заделанным на поверхности цилиндра. Ка лориметр использовался для внутриреакторных измерений потоков большой плотности 3,Недостатками данного калориметра яв ляются его низкая чувствительность и наличие искажений за счет фпюктуаций температуры стенки исследуемого объекта. Кроме того, значительные погрешностивозникают 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 .1012167 ф наружительную способность калорнметра,:.Предлагаемый микрокалориметр рабовследствие чего он не может быть но- тает следукшам образом. пользован для измерения потоков ионизи Размещенный в канале исследуемого .рующего излучения малой плотности. объекта, калориметр подвергается возЦель изобретении - повышение,точнос. :действию потока ионизирующего нэлучети измерения и устранение искажений ння. Последний поглощается расноло вносимых в показания калориметра не- женнымн на секцнях 2 преобразователя нзотерачностьюн колебаниями темпера- образцами 4, вызывая их нагрев. Рассэтуры внутрн канала. нваемые при этом образцами тепловыеПоставленная цель достигается тем, 1 О цотокн вызывают соответствующие градичто в микрокагюриметре для измерения :енты температуры в каждой секции, тер потока Ионизирующего юзлучення, содер- мообраэователя. В связи с тем, что обжащем щи.лощающиВ взлученне образец разцы расположены в чередующемся пои находянайся с ннм в тепловом кон- рядке на каждой секции, градиенты темтакте термопреобраэователь, последний м .пературя в смежных секцнях направлены выполнен в виде датчика теплового пото- в протнвоположиые стороны поперек стен ка, представляющего собой обладающую кн преобразователя. Под воздействием анизотропией термо ЗДС стенку, кото- градиента температуры вследствие аннзо рая разделена системой параллельных тропки термоэлектрнческнх свойств стен разрезов на четное число последователь 2 е ки вдоль каждой секции преобразователяно соединенных секций, причем с обеих генерируется поперечная относительно сторон стенки в чередующемся порядке направления градиента температуры ЭДС. на каждой секции расположены поглоща- Прн этом механизм работы такогтермо ющие нзлученне образцы, теплоемкость датчика подобен действию термопреобракоторых равна теплоемкости секций термоз зователя нз большого числа последовапреобразователя тельно соединенных днфференцнальныхПо сравнению с прототнпом, благодаря термопар.,предложенной конструкции термодатчика Поскольку градиенты температуры в и расположенню поглощающих излучение соседних секцнях взаимно противополож.,образцов, взаимно комценснруются иска- Зй иы, электрические сигналы секций терюо ження от нензотермнчностн и фпюктуацнй преобразователя складываются. Таким обтемпературы внутри канала. Термообра- . разом, снимаемый с токосъемных выводов зователь калориметра представляет собой;3 результирующий сигнал пропорцноналептермоэлектрическн анизотроцную пластн-. мощности тецловыделення н служит мерой ну нз секций, каждая из которых эквн- плотности потока ионизирующего излуче валентна батарее большого числа после-. Эф ння.довательно соединенных термоэлементов, Помимо полезного са нала, возникаю сигналы которых суммируются. Прн этом щего за счет тепловыделения в поглаца в отгачне от прототипа, где измеряется ющих излучение образцах, термопреобра разность температур между цилиндрами, зователь воспринимает также тешввой в предлагаемой конструкцнн калориметра не- поток, обусловленный неиэотермнчностью посредственно определяется тепловой поток, и несимметричным распределением таФ более достоверно отображающий плотность пературы в конструктнвных элементах ионизирующего излучения. Все это способ- исследуемого объекта, что влечет за со ствует цовышенню точности нэмерения н бой появление дополнительной составляю улучшевпо обнаружительной способности щей градиента температурой в каждой4калориметра. секции термообраователя. Однако благо, даря тому, что мрмообразователь аяпсаНа чертеже показана конструкция пред- нен в виде термоэлектрическн аннзотров лагаемого калориметра. ной пластины с указанной выше системойКалорнметр состоит нз термоцреобразо-ф разрезов, электрические сигналы в ос вателя, представляющего собой термо. седннх секщих, вызванные ааолавель-" электричесжн аннзотропную стенку, со- вой составляющей градиента твмпературьц держащую систему параллельных разрезов, компенснруются. Таким образом, нскаже 1, образуквцнх последовательно соединен ння, вносимые в показания детектора вэ ные секции 2 с токосъемными выводамн фф нзотермнчностью и флюктуацкямн темпе 3. С обеих сторон стенки в чередующем- ратууы внутри канала, устраняются; Анв ся порядке на каждой секции расположены логичным образом компенсируются фоир поглощающие взлучение образцы 4. иые возмущения обусловленюнм ообствеии5 1012ным тепловыдепением в стенке термопреобразователя. Тем самым повышаетсяточйость измерения и обнаружительнаяспособность микрокапориметра.Для проверки работоспособности и 5 метрологических возможностей предпага .емого микрокалориметра изготавливают его опытный образец, В качестве термо 1 преобразователя калориметра служит плас,тинка размерам 128 1 мм, вырезанная иэ монокристалпа антимонида кадмия под углом 45 к главной кристалпографи ческой оси, Пластинка разрезана на 10 секций, как показано на чертеже, По всей поверхности одной иэ сторон каждой сех. цИ ции в чередующемся порядке наклеены поглощающие излучение свинцовые образцЦ толщиной 0,8 мм, С помощью калиброванных нагревателей проводят градуи ровку калориметра и определяют его чув ствнтепъность, составившую 0,11 В/Вт. Кроме того, была проверена способность калориметра компенсировать транзитные тепловые потоки. С этой целью во время , градуировки калориметра одна сторона 2 термопреобразователя периодически освещается лучистым потоком, мощность которого выбирается равной тепловому потоку, задаваемому при калибровке. Возни кающие при этом искажения показаний ка 2 е лорнметра составляют .менее 5% полезного сигнала.По сравнению с существующими кало- риметрами для измерения потоков ионизир,ющего излучения предложенное тех ническое решение обеспечивает повыше- . ние технико-еконамической эффективности. в связи с тем, что термопреобраэоватепь данною микрокалоркметра работает анало 1 Д 6гично 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 микрокапориметра на два порядка превышает чувствителы,г ность прототипа. При этом термопреобраэователь может быть выполнен тонкостенным, а следовательно, и малоинерционным, поскольку генерируемый преобразователем сигнал не зависит от его топ 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 фпюктуация-. 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 ивысокой точностью измерения. Калорнметр может быть легко выполнен миниатюрных. размеров, благодаря чему имеется возможность его размещения в трудно до ступных дпя исследования участках объ ектае Кроме того, стенка термопреобразователи может быть изготовлена из тераостойкой Искусственно-анизотропной композиции, что дает возможюсть осуществлять измерения потоков ионизирующего излучения в зоне высоких температур.1012167 11 2 2 Составитель Б,РахмТовтин Техред Е.Харитончнк Корре иал ППП фПатент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 54/56 Тираж 708 ВНИИПИ Государственно по делам юобрете 113035, Москва, Ж