Калориметр для измерения импульсных ионизирующих излучений

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК Т 1/1 МИТЕТ СССИЙ И ОТНРЦТИЙ СУДАРСТВЕНН0 ДЕЛАМ ИЗОБ САНИЕ ИЭОБРЕТЕНИ ме позы цля ннзкреп тгеновск сивности. П ваний, 197 (прототип). ТОРСКОМУСВИДЕТЕЛЬС(56) 1. Пелинин В. М. Небольщие комбинированные рентгеновские калоримеъры, Приборы для научных исслецований,1972, т. 43, % 8, с, 115-118.2. Филипончева П. И. Метоа спектротрии мощных импульсных электронов,Приборы и техника эксперимента, 1979,Ин 6, с, 40-43.3. Вуп О,С. Калориметр глубиннойовольтных импульсныхих установок высокой интенриборы аля научных исследо2, т. 43, И 8, с, 23 26,(54) (57) КАЛОРИМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕ.НИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ИОНИЗИРУЮЩИХИЗЛУЧЕНИЙ, соаержаший термопары ипоглотитель излучений в вице наборапараллельно расположенных пластин, о тл и ч а ю щ и й с ятем, что, с цельюповышения точности измерений и упрощения конструкции, термопары выполненыв вице попарно соециненнык в пентрэи изолированных по периферии пластинпоглотители, изготовленных из матерналов с близкой поглощающей способностьюи различной абсолютной теркоЭДС.Изобретение отнск. итси к цозиметрииионизирующих излучений, в частности ккадориметрическим методам измеренияимпульсных ионизирующих излучений, иможет быть использовано пля измеренияпараметров излучения импульсных ускорителей, мощных излучателей, импудьсной плазмы и др,Известен калориметр, предназначен ный пля измерения поверхностной цозы 1 Ов тантале и полной энергии излученияот импульсных рентгеновских установокВ качестве цетектора полной энергии в этом калориметре используется 15цилинцрическ 11 Р блок-поглотитель иэлу:чения из вольфрамового сплава окру=женный защитным кольцом иэ того жематериала и такой же, как блок-поглотитель, высотой. Назначение защитного 20кольца - компенсация потерь фотонов,рассеянных поглотителем, за счет при-,тока фотонов в него иэ защитного кольца,Поглотитель те рмическ и изолированот защитного кольца, а весь узел тер=мически изолирован от оболочки вставками из пенопласта.Темп у тура разогрева погчотитедяизмеряется с помощью терморезистора,установленногс на дальней по ходу излучения стороне поглотителя.Детектор поверхностной позы выпол=цен в вице тонкогс писка-поглотителяиз танталовой фольги толщиной 7,5 мкм,,Лиск подвешен на трех медь=константановьм термопарах с пиаметром проволок 25 мкмприваренных к нему точеч=ной сваркой, При сборке калориметрафольга располагается в непосредственной4 Облизости к основному поглотители(впежци него), чтобы обратное рассеяние от него было практически ицентичнорассеянию в однородном материале притакой же толщине,Кадориметр описанной конструкции сложен в изготовленииточность измере"- ния с помощью него невысока, Сами авторы конструкции оценивают погрешность измерения полной энергии величиной 10%,0 а погрешность измерения поверхностной дозы считают еше большей,Сравнительно невысокая точность измерения поглощенной энергии данным калориме тром может быть объяснена 55 следующими причинами:- поглотители излучения и датчики температуры выпущены из материалов с различной поглощающей способностью,вследствие чего они по-разному разогреваются при прохождении излучения;а- пиаметр термоэдектроднъм провелочек в петекторе поверхностной зонызначительно больше толщины дискапоглотителя, что способствует искажениютемпературного поля диска-поглотителяв месте приварки термопар;- трупно обеспечить хороший термический контакт терморезистора с поглотителем, вследствие чего температуратерморезистора всегда будет отличатьсяот температуры поглотителя;- неизбежны потери тепла поглотителем за время выравнивания температу ры.Известен также калориметр-спектрометр пля измерения параметров мощныхимпульсньх пучков электронов 2,Поглотитель излучения в этом калорйметре выполнен в вице набора иэ 10параллельно расположенных алюминиевыхпластин толщиной 150 и 580 мкм. Между пластинами с помощью кольцевьмпрокладок обеспечивается зазор величиной 0,2 мм, Температура разогревапластин измеряется с помощью хромелькопелевых термопар, рабочие спаи которых расположены примерно в центрепластин. Калориметр указанной конотопрукции измеряет энерговыпеление пучка электронов на раздичной глубинеоднородного материала, в нанном случаеалюминия,Измерение профиля энерговыделенияпозволяет производить восстановлениеспектра электронов и рассчитывать полную энергию излучения,Б работе не приведена погрешностьизмерения энерговыделения, Указана лишьошибка восстановления спектра, средняявеличина которой оценивается примесжов 5%,1В конструкции этого калориметра поглотитечь выполнен из алюминия, а термопары - из хромеля и копеля, обладающих большей поглошающей способ.ностью, чем алюминий. Это приводит к неоцинаковому нагреву излучением пластин поглотителя и термопар,Кроме того, кажная термопара акранирует от излучения часть поверхностипластин, расположенных за ней, чтоувеличивает неравномерность нагрввапластин и термопар.Наиболее близким к изобретению яв.ляется калориметр пля измерения юмпульсных ионизирующих излучений, содержащий термопары и поглотитель излучейий, выполненный в виде наборапараллельно расположенных пластин 31,В этом калориметре поглотитель 5выполнен из набора последовательнорасположенных пластин иэ тантала толщиной от 12,7 до 203 мкм. Температура разогрева пластин измеряется спомощью железно-кокс тантовых термопар из проволок диаметром 25 мкм.Каждая пластина с термопарой окружена защитным кольцом такой же, каки пластина, толщины и из того же материала. Защитные кольца не дают возмож 15ности боковым лучам попасть на задниепластины, минуя переднпие, Кроме того,потери энергии измерительными пластинами за счет вторичного излучениякомпенсируются поступлением энергии 20иэ защитных колец. Измерительныепластины внутри защитных колец на тонких шелковых нитях с помощью клея.В указанной конструкции калориметратемпература пластин поглотителя измеря 25,ется с помощью. термопар, спаи которыхприкрепляют к пластинам в облучаемойзоне, причем термопары и пластины изготовлены из материалов с разной поглошающей способностью. В момент облучения пластины поглотителя и присоединенные к ним спаи термопар нагреваются до разных температур. Для пластиниз тантала и железо-константовых термопар различия В уровнях нагрева могут 35составлять десятки и сотни грацусов.В связи с этим необходимо определенное время на выравнивание температуры в системе пластина-спай, что увеличивает потери тепла с пластин и сни40жает тем самым точность измерений.Крепление измерительных пластинпоглотителя к защитным кольцам с целью уменьшения потерь тепла. пластинойв процессе выравнивания температурыосуществляется с помощью шелковыхнитей и клея,1Такое крепление недостаточно надежао и не может быть применено для измерений мощных пучков излучения, сопровождаюшихся механическими эффектами. Температура разогрева пластинпоглотителя не может превышать температуру загорания пластин, шелка и разрушения клеевого соецинения55Кроме того, крепление к изьврительным пластинам шелковых нитей с помацьюклея вносит в измерительную систему дополнительную теплоемкость неопределенной величины, что прималой собственной теплоемкости измерительных пластянснижает точность измерений,Погрешность измерения поглощеннойэнергии с помощью описываемого калориметра 3, оцениваемая по проводимой авторами кривой поглощения энергиив тантале, составляет 1015%.Целью настоящего изобретения авляется повышение точности, измерений иупрощение конструкции калориметра.Указанная цель достигается тем, чтов калориметре для измерения импульсныхионизирующих излучений, содеркащемтермопары и поглотитель излучений ввиде набора параллельно расположенных .пластин, термопары выполнены в видепопарно соединенных в центре и изолированных по периферии пластин иэ маматериалов с близкойоглошающей способностью и различной абсолютной термоЭ,ПС,Пластины попарно соединены, например,точечной или диффузионной сваркой внутриподвергаемой облучению эоны и электрически изолированы за ее прецелами, образуя таким образом термопару с фгорячим" спаем в облучаемой зоне пластин,фХолодными" спаями термопар служатнеоблученные концы пластин либо прикрепляемые к ним отводы из того же материала.. Размеры облучаемой зоны пластинподбирают расчетным путем таким обрезом, чтобы обеспечить фотонное и электронное равновесие зоны горячего" спая ;и смежных с ним облученных участковпластин.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.Каждая термопараизмеряет среднюю величину поглощенной в обеих пластинах энергии излучения, набор из нескольких последовательно расположенных термопар измеряет профиль энергопоглошения в материале термопар.Совмещение функций поглотителя и датчика температуры в одном элементе устраняет недостатки, свойственные аналогам и прототипу.Отсутствует искажение температурн го пола поглотители вследствие неодинакового нагрева пластин поглотитвляи термопар, Отсутствует отток тепла потермоэлвктроаам термопар из зоны горячего" спал, что исключает связанные сэтим погрешности измерений.Отпадает необходимость крепления)измерительных пластин внутри защитных колец с помощью клея и шелковыхнитей, что устраняет погрешности, связанные с дополнительной теплоемкостью,повышает прочность конструкции калориметра и значительно расширяет допустимый уровень нагрева измерительныхпластин, Функции защитных колец в предлагаемой конструкции калориметра выполняют участки пластин вокруг горячего"спая, Потери частиц и фотонов зонойгорячего" сная компенсируется поступлением из соседних, облученных, областей пластин.Погрешность измерения поглощенийэнергии предлагаемой конструкцией калориметра опреаеляется лишь погрешностями определения твплоемкостей итермоЭДС применяемых материалов.При использовании хорошо изученных материалов погрешность измерения энерговыделения без учета погрешностей измерительной аппаратуры может составлять единицы и даже доли процента.Допустимый уровень нагрева пластинпоглотителя в предлагаемой конструкциикалориметра ограничивается прочностными свойствами материалов пластин, Приприменении жаростойких металлов исплавов допустимые уровни нагреваотермопар могут постигать 1000 С иболее, что значительно расширяет диапазон применения калориметра в областьизмерения больших потоков энергии,Прочность калориметра при механичес ких нагрузках значительно выше прочности известных калориметров,Пластины поглотитвля в предлагаемойконструкции калориметра изготавливают"ся иэ сплавов нескольких химическихэлементов, например, таких, как термоэлвктропные сплавы хромельалюмельн др., или из чистого элемента и сплаваего с незначительным количеством другого элемента,Э зависимости от атомных номеровэлемента, из которых изготовлены пластины, и толщины пластин калориметрмакет использоваться пля измеренийэлектронного, рентгеновского гамма идругих видов ионизирующих излучений.Окружая пластины термопар материалами,10 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 чувствительными к нейтронному излучению, или изготавливая пластины из таких материалов, можно производить измерения и нейтронного излучения,Предлагаемая конструкция калоримелра приведена на чертеже.Пластины 1 и 2 иэ материалов с различной абсолютной термоЭДС и близкой поглошающей способностью, сварены в зоне контакта 3 с помощью точечной или диффузионной сварки. Пластины изолированы друг от пруга с помощью про-, кладок 4 и 5, От каждой пластины сделаны отвопы 6 и 7 из фольги или провсьлоки иэ того же материала пля присоепинения к измерительной аппаратуре. Пучок излучения формируется с помощью коллимирующего устройства 8.Излучение, пройдя коллимирующее устройство, попадает на пластины термопар, нагревая их ао уровня, пропорционального количеству поглощений в них энергии излучения.Сигнал термопар через определенный промежуток времени, необхопимый аля выравнивания температуры по толщине пластин, становится пропорциональным срепней температуре обеих пластин. Измеряя сигналы всех термопар, можно.определить профиль энерговыделения излучения в материале поглотителя, а по нему восстанавливать спектр падающего излучения, вычислять полную энергию излучения, определять поверхностную позу и др.К настоящему времени калориметры предлагаемой конструкции испытаны при измерениях излучений мощных импульсных установок "РИУСи ТОНГ.Термопары изготавливали из нихромовой и никелевой фольги толщиной 50 мкм. Поглотители выполняли из пяти либо двапцати термопар, что позволяло регистрировать распрепеление поглощенной энергии излучения по глубине поглотители. В сборку входило шестнадцать наборов термопар, расположенных по восемь в двух взаимно перпендикулярных направлениях в виде креста. Чакая конструкция позволяла опреаелять конфигурацию пучка излучения в каждом импульсе и распределение энергии посечению пучка излучения. Испытания покаэаля высокую надежность предлагаемого калориметра в условиях сильных электрических в магнитных полей, Температура нагрева пластин7-. 99899638достигала а некоторых опытах темпера-энергии излучения без учета яогрщпиостуры плавления материала. Погрешность: тей измерительной аппаратуры составляизмерения поыощенной в термопарах ла в среднем 3,0%,Подписноетета СССРРРийнаб., д. 4//5 6633/3 Тираж 710 ВНИИПИ Государственного комипо делам изобретений и открь 3035, Москва, Ж, Раушская илиал ППП Патент, г. Ужгород, ул, Проектная, 4 актор Б. Федотов Техред М,Теперкорректор Вф Б