Калориметр

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН (19) (11) 3(51) 01 АНИЕ ИЭОБРЕТЕ сн чаю выполи или пр йе ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ АВТОРСКОМУ СВИДй":ТЕЛЬСТ/ских параметров пелятивистского элект ронного пучка ускорителя РУЖ, ЖТФ, 1974, т.44, )1 6, с. 1228.2. В.И,Коротаев и др. Комплек ый зонд для исследования импульсных сильноточных электронных пучков, ПТЭ 1974, 9 3, с. 35 (прототип)(54) (57) 1. КАЛОРИИЕТР содержащий пРиемник излучения и термодатчик, размещенный на поверхности приемника, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений распределения плотности энергии импульсого излучения, приемник выполнен с уменьшающимися площадями поперечных сечений в направлении к термодатчику, расположенному на поверхности с наименьшей площадью, а дли-, на линии, соединяющей центры описанных окружностей поперечных сече.ний приемника, больше магсимального поперечного размера приемника,2. Калориметр по и. 1, о т л ищ и й с я тем, что приемникен в виде усеченной наклонноавильной пирамиды.1014378 60 50 Изобретение относится к области калориметрии импульсного излучения, а конкретнее к калориметрическим средствам для измерения распределения плотности энергии и энергосодержания импульсного излучения (несколько микросекунд и короче), н том числе пучков заряженных частиц, иможет быть применено для измеренияраспределения плотности энергии попоперечном сечению сплошных и полых импульсных пучков ускоренныхэлектронов,Известен калориметр для измерения энергосодержания импульсногопучка ускоренных электронов, содержащий общий приемник излучения измеди, термодатчик в виде термопары,соединенный с измерителем температуры (1) .недостаток этого калориметра - 20невозможность измерения распределения плотности энергии по поперечному сечению пучка излучения.Наиболее близким по техническойсущности к изобретению является калориметр для измерения общей энергии и распределения плотности энергии по поперечному сечению импульсного пучка электронов, содержащий внакуумируемом объеме размещенные ввиде мозаики по сечению пучка приемники электронон из меди н виденаклонных параллелепипедов высотой(каждый 4-8 мм и с квадратным основанием 20 х 20 мм , обращенным к пучкутермодатчик, размещенный на поверхности приемников 23 . Недостатком этого калориметра является невысокая точность измерений, связанная с неоптимальной массой и геометрической формой каждого приемника. Неоптимальность массы иформы приемника состоит в том, чтопри неравномерной плотности пучка,что наиболее характерно для сильноточных пучков, после достижения тепловым фронтом местоположения термодатчика температура этого места начнет понышаться одновременно с распределением тепла по всему объемуприемника, а затем начнет понижаться и к моменту установления ранномер ной температуры по объему приемника, когда производят измерение температуры, ее величина будет значительно ниже максимальной н месте подключения термодатчика. Например, при пуч" ке трубчатой формы с толщиной стенки много меньше стороны 20 мм основания приемника, на которое падаетпучок против расположения термодатчика на другом основании, при указанной толщине приемника 4-8 мм впрототипе фронт тепла значительно быстрее дойдет до термодатчика, чем он пройдет по основанию, на которое упал пучок, температура места присоединения термодатчика начнет быстро расти, а затем, по мере перераспределения тепла по массе приемника, падать и к моменту равновесия температуры, соответствующему моменту ее измерения, она будет н несколько раз меньше максимальной. Особенно большая разница между максимальной и равновесной температурой будет при локальном поглощении энергии пучка с точечным фокусом против местоположения термодатчика и при уменьшенной толщине приемника до 4 мм, Высокий перепад температур в месте подключения термодатчика приводит к постепенному ухудшению теплового контакта между приемником и термодатчиком н связи с образованием здесь мелких трещин из-за переменных тепловых деформаций и возникающих механических напряжений, что снижает точность измерений и их стабильность от импульса к импульсу, Кроме того, уменьшение теплопроводности в месте контакта термодатчика и приемника увеличивает время выравнивания температуры в приемнике и в массе термодатчика, Неоптимальность массы и формы приемника приводит к росту времени установления равновесной температуры, что в совокупности с постепенным ухудШением теплового контакта увеличивает время измерения. Наличие в приемнике мест с высокой температурой и большое время установления равновесной температуры приводит к потере тепла за счет излучения, теплоотвода и конвекции, что снижает точность измерений.Потребностью является повышение точности калориметрических измерений при увеличении числа их циклов, особенно н связи с созданием термодатчикон, имеющих высокую чувствительность и передаточную временную характеристику менее 10 нс. Целесообразными явились бы такие масса и форма каждого приемника, чтобы при любой форме поперечного сечения пучка (трубчатая, цилиндрическая, в виде серии дискретных пучков и др,) и любом законе распределения плотности энергии максимальная температура в месте присоединения термодатчика к приемнику соответствовала бы равновесной температуре по массе приемника. Целью изобретения является повышение точности измерений распределения плотности энергии по поперечному сечению импульсного пучка излучения при увеличении числа циклов взаимодействия его с приемником путем создания максимальной температуры на термодатчике по достижении теплового равновесия по объему приемникапри любом законе распределения плотности энергии по поперечному сечению излучения,Данная цель достигается тем, что в калориметре, содержащем приемник излучения и термодатчик, размещенный на поверхности приемника, приемник выполнен с уь(еньшающимися площадями поперечных сечений в направлении к термодатчику, расположенному на поверхности с наименьшей площадью, а 10 длина линии, соединяющей центры описанных окружностей поперечных сечений приемника, больше максимального поперечного размера приемника, а также тем, что приемник выполнен в 15 виде усеченной наклонной или правильной пирамиды.При таком техническом решении калориметра выделившийся от поглощения энергии излучения поток тепла распространяется от обращенной к пучку поверхности приемника в направлении к термодатчику со снижением температуры массы поглотителя за тепловым фронтом, поэтому по достижении термодатчика фронтом потока тепла температура места присоединения термодатчика будет постоянно повышаться, и в момент достижения максимальной температуры вся масса при- ЗО емника будет нагрета равномерно, а сигнал с термодатчика будет макси-. мальный по амплитуде Изложенный про цесс распределения тепла будет таковым как при выделении энергии излу чения равномерно по всей обращенной к нему поверхности, так и при локаль. ном нагреве излучением любого участка этой поверхности, что позволяет калориметрировать импульсные пучки 40 излучения с любым профилем плотности энергии по поперечному сечению пучка, Выбирая массу приемника, например, путем замены приемников из материалов с разной теплоемкостью и удельной плотностью, можно в соответствии с чувствительностью примененного термодатчика получать при максимальной его температуре, соответствующей равномерному нагреву приемника по всему его объему, уровень сигнала, достаточный для точных абсолютных измерений температуры. Измерение сигнала с термодатчика в момент максимальной температуры в месте его расположения без последую щего выжидания установления равновесной температуры по объему приемника, а также отсутствие высоких перепадов температур в этом месте и потому повышение долговечности теплового контакта между приемником и термодатчиком позволяет уменьшить потери тепла приемником и повысить стабильность теплопередачи от приемйика к термодатчику с числом включений 65 источника излучения, что в совокупности увеличивает точность калориметрирования плотности энергии и по сечению пучка. Дополнительо сокраща ется время измерений из-за улучшения и стабилизации теплового контакта.Приемник может быть выполнен в виде усеченной наклонной или правильной пирамиды, что упрощает его изготовление.На чертеже показан калориметр в двух проекциях, причем вместо одного приемника, перемещаемого по сечению пучка излучения, он включает в себя серию одинаковых приемников, установленных в виде мозаики по всему сечению пучка.Калориметр содержит одинаковые термоизолированные размещенные в вакуумируемом объеме по окружностям в два ряда приемники 1, например, из графита, расположенные по попереч.ному сечению трубчатого лучка 2 излучения,например, заряженных частиц, в частности ускоренных до 500 кэВ электронов, Каждый приемник 1 выполнен с уменьшающимися площадями поперечных сечений в направлении к термодатчику 3, расположенному на поверхности с наименьшей площадью, и имеет вид наклонной усеченной пирамиды, обращенной большим основанием к пуску, причем полость по оси 2-2 выполнена в значительной мере свободной от приемников для размещения здесь дополнительной диагностической аппаратуры, например фотоумножителя (.на чертеже не показан), Линия А-А, соединяющая центры описанных окружностей поперечных сечений пирамиды, имеет длину больше максимального линейного размера приемника в поперечном сечении, в данном случае обращенной к пучку поверхности приемника, т.е. диагонали В-В большего основания пирамиды. Целесообразно длину А-А выбирать больше указанного размера на длину половины или более максимального линейного размера поверхности приемника с наименьшим поперечным сечением, на которой расположен термодатчик, т.е. в данном случае меньшего основания пирамиды. Термодатчик 3, например, в виде тонкой пленки из никеля с чувствительностью около 100 мВ/оС при использовании в качестве измерителя импульсной мостовой схемы (на чертеже не показана) размещен наповерхности меньшего основания пирамиды, будучи изолированным от него тонким слоем 4 керамической пасты, обладающей высокой теплопроводностью, Паста обладает адгезией к графиту и имеет сцепление с пленкой термодатчика при создании ее электрическим осаждением или иным способом: к выводам 5, 6 от пленкиприсоединяется измеритель. (На чертеже не показаны тонкостенные проводники, отводящие заряд с каждого приемника, и элементы, фиксирующие положение приемников).Работает калориметр следующим образом. При падении на большее основание приемника 1 ускоренных электронов пучка 2, например, длительностью 100 нс и энергией 500 кэВ нагревается поверхностный слой обращен О ной к пучку поверхности приемника за счет преобразования большей части кинематической энергии электронов в тепловую (часть энергии преобразуется в рентгеновское излучение, часть 15 передается вторичным частицам и обратно рассеянным электронам), В случае равномерной плотности энергии ло сечению пучка тепловой поток начинает перемещаться от большего осно О вания приемника 1 к меньшему основанию, проходит изолирующий слой 4 и по достижении термодатчика 3 начинает нагревать его. Так как линия А-А имеет длину больше максимального по перечного размера приемника, т,е.больше диагонали В-В обращенной к пучку поверхности, и за термодатчиком нет поглощающей тепло массы, то температура термодатчика начнет постепенно повышаться и по достижении здесь максимальной температуры она по всей массе приемника будет.одинаковой. В этот момент и проводят измерение сигнала с термодатчика.Аналогичная ситуация с распределени- З 5 ем тепла будет и в другом крайнем случае - локальном выделении тепла пучком, например, в вершине угла на обращенной к пучку поверхности прием ника 1. Так как измерение температу ры производят в момент ее максимального значения без надобности выжидания последующего равновесного ее установления по массе приемника, как это имеет место в прототипе, то это сокращает потери тепла иповышает по этой причине точность измерений,а также по причине стабилизации теплового контакта между термодатчикоми приемником пучка по мере ростачисла циклов калориметрических измерений. Таким образом, если в прототипе температура термодатчика сначала повышается до максимальной, азатем по мере перераспределения тепла температура уменьшается до равновесной по всему объему каждого приемника и эта температура измеряетсятермодатчиком, то в предложенном калориметре максимальная температуратермодатчика соответствует равновесной при любом распределении плотностиэнергии по поперечному:ечению излучения, Производя аналогичное измерениетемпературы каждого приемника, определяют за одно включение импульсногоисточника излучения распределениеплотности энергии. излучения по егопоперечному сечению,В других вариантах выполнения ка-лориметра могут быть любое число одинаковых приемников и их размещениепо поперечному сечению излучения.Проведенные испытания калориметра,каждый приемник которого был выполнен из алюминия в виде правильнойусеченной четырехгранной пирамиды,обращенной большим основанием к пучку электронов, причем приемники былиразмещены в виде мозаики по поперечному сечению цилиндрического сплошного или трубчатого пучка электронов с энергией 500 - 800 кэВ и длительностью импульса тока 30-50 нс,а термодатчики присоединены к поверхности меньшего основания каждой изпирамид, показали перечисленные выше преимущества предложенного калориметра перед прототипом,Таким образом, предложенный калориметр позволяет по сравнению с прототипом повысить точность измеренийпри увеличении числа циклов, Дополнительно уменьшается время измерений,1014378 Составитель С.Ко Техред Т.Хаточка т рректор И, Э о иал ППП Патент, г.ужгород, ул,Проектная,едактор Н,Колакаэ 10609/8 ВНИИ и 113035, Тираж 710 ПодпнГосударственного комитета СССРелам изобретений и открнтийсква, Ж, Раушская наб., д. 4/5