Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и проблемы дозиметри ческого обеспечения радиационных испытаний ра диоэлектронных систем в лабораторных условиях при гамма- или электронном воздействии . 17
1.1 Источники мощных импульсов электронного и тормозного излучений 17
1.2 Характеристики импульсных и статических моде лирующих установок для исследований радиацион ной стойкости электронных систем 21
1.3. Состояние дозиметрического обеспечения радиа ционных исследований и актуальные задачи их ме тодического совершенствования 33
1.4 Выводы 53
Глава 2, Диагностика угловых характеристик элект ронов в пучках сильноточных импульсных ускорите лей . 56
2.1. Постановка задачи 56
2.2. Разработка методов определения угловых характеристик электронов и радиального профиля пучка 59
2.3 Исследование угловых характеристик электронов и параметров пучков моделирующих установок 71
2.4 Выводы 84
Глава 3. Создание образцовых средств измерений энер гетических и потоковых характеристик электронного излучения 86
3.1 Разработка метода и средства для определения энергетического спектра импульсного электрон ного излучения по измерению распределения энер гии и заряда в однородном полубесконечном пог лотителе 87
3.2 Создание измерительного преобразователя тока импульсного пучка электронов 99
3.3 Создание измерительных систем потоковых и энергетических характеристик моделирующих полей электронного излучения космического пространства 104
3.4 Выводы 111
Глава 4. Разработка методов и средств комплексного измерения характеристик электронного и тормозного излучений ускорителей по передаточной функции мишени-конвертера . 112
4.1 Физические основы метода 114
4.2 Разработка измерительной системы импульсной моделирующей установки 120
4.3 Определение статической передаточной функции мишени-конвертера моделирующей установки 138
4.4 Комплексное определение импульсных характеристик электронного и тормозного излучений моделирующих установок 146
4.5 Разработка экспрессного метода определения энергетического спектра тормозного излучения 154
4.6 Выводы 179
Глава 5. Пути повышения эффективности дозиметрического обеспечения радиационных испытаний . 181
5.1 Совершенствование системы мониторирования энергетических характеристик электронного и тормозного излучений 182
5.2 Оптимизация выхода тормозного излучения импульсных моделирующих установок в направлении «вперёд» кострукцией мишени 196
5.3 Формирование плоских областей равномерного облучения в поле тормозного излучения 205
5.4 выводы 216
Глава 6. Разработка дозиметрического обеспечения радиационных испытаний на моделирующих уста новках электронного компонента космического излучения 217
6.1. Моделирование электронного компонента косми ческого пространства 220
6.2 Разработка системы мониторирования и контроля характеристик поля электронного излучения 228
6.3 Разработка системы мониторирования средней плотности потока и интегрального потока электронов. 235
6.4 Разработка рабочих средств измерения энергии электронов 240
6.5 Разработка детекторов интегрального потока электронов 244
6.6 Разработка универсального монитора электронного излучения на основе секционированного цилиндра фарадея 261
6.7 Создание локальной поверочной схемы для средств измерений характеристик полей электронного излучения 271
6.8 Выводы 277
Заключение 278
Литература 281
Приложения 314
- Состояние дозиметрического обеспечения радиа ционных исследований и актуальные задачи их ме тодического совершенствования
- Исследование угловых характеристик электронов и параметров пучков моделирующих установок
- Создание измерительных систем потоковых и энергетических характеристик моделирующих полей электронного излучения космического пространства
- Комплексное определение импульсных характеристик электронного и тормозного излучений моделирующих установок
Введение к работе
3^ &Y
Актуальность работы. При постоянном совершенствовании свойств и создании новых типов оружия особую важность приобретет создание радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и её элементов, способных сохранять свою работоспособность в условиях воздействия ионизирующих и электромагнитных излучений ядерного взрыва (ЯВ) или космического пространства (КП), характеризующихся значительным разнообразием временных, амплитудных и энергетических характеристик.
В связи с установлением моратория на проведение натурных испытаний ядерного оружия и сложностью космических испытаний основная работа по исследованию радиационной стойкости РЭА и её элементной базы проводится в лабораторных условиях на специализированных моделирующих установках (МУ). В частности, быстрый компонент гамма-излучения ЯВ и электронный компонент космического излучения (КИ) моделируют на импульсных ускорителях электронов и радиационных изотопных установках различного типа и принципа действия. Характеристики полей излучения этих установок существенно отличаются от характеристик радиационной обстановки в реальных условиях воздействия. Поэтому актуальной задачей для лабораторных радиационных исследований является повышение информативности и достоверности получаемых результатов на МУ с целью корректного определения (прогнозирования) параметров радиационной стойкости электронных систем в реальных условиях воздействия.
Состояние дозиметрического обеспечения радиационных испытаний РЭА и её элементной базы в квазистатических полях электронного излучения (ЭИ) и импульсных полях тормозного излучения (ТИ) МУ показывает, что критерий определения радиационной стойкости образца базируется, в основном, на определении интегральных характеристик поля излучения, без учёта их динамики в импульсе.
При невысокой воспроизводимости режима работы импульсных МУ подобное состояние дозиметрического обеспечения не способствует корректной интерпретации результатов исследований и прогнозирования радиационной стойкости образцов.
В этих условиях актуальными являются разработка и создание единого комплекса экспериментальных и расчетных методик, средств и систем оперативного измерения характеристик полей ЭИ и ТИ импульсных и квазистатических МУ в плоскости облучения образца, обеспечивающих решение важной народнохозяйственной задачи по испытаниям РЭА и её элементов на радиационную стойкость. Опираясь на созданный методологический и технический инструментарий, можно комплексно осуществлять как полноту мониторирования характеристик воздействующих факторов, повышающих достоверность прогнозирования радиационной стойкости образцов, так и диагностику работы МУ с целью повышения воспроизводимости их выходных характеристик.
Системное рассмотрение проблемы дозиметрического обеспечения испытаний РЭА и её элементов на радиационную стойкость при моделировании быстрого гамма-компонента ЯВ и электронного компонента КИ данной работой представлено впервые. Другими авторами ранее исследовались лишь некоторые отдельные вопросы данной проблемы.
І, і f. і,
ІЩ> ft
Цель работы. Основная цель работы заключалась в создании методов, средств и систем измерений, органично сочетающих оперативность и полноту дозиметрического обеспечения радиационных испытаний РЭА и еб элементов в полях ЭИ и ТИ МУ с диагностикой их работы как электрофизических установок.
В рамках сформулированной проблемы поставлены следующие обобщённые задачи разработки данного направления:
исследование передаточной характеристики мишени-конвертера импульсной МУ как измерительного преобразователя для определения спектрально-энергетических и угловых характеристик электронов, параметров сечения трубчатого пучка релятивистских электронов в плоскости мишени;
разработка и исследование экспериментальных и расчётных методов, систем комплексного измерения интегральных и динамических характеристик ЭИ и ТИ МУ в плоскости облучения образца;
исследование и создание образцовых и рабочих средств измерения потоковых и спектрально-энергетических характеристик ЭИ МУ;
повышение интенсивности выхода ТИ импульсных МУ в направлении «вперёд» при ограниченном энергозапасе пучка электронов;
создание метрологической базы для обеспечения и поддержания единства измерений параметров ЭИ МУ в технологии радиационных испытаний РЭА.
Научная новизна работы заключается в создании комплекса новых не-возмущающих методов определения угловых, спектрально-энергетических характеристик релятивистских электронов в пучках сильноточных импульсных ускорителей (СИУ) в процессе генерации ими ТИ, основанных на измерении тока пучка, дозовых характеристик ТИ и передаточных характеристик мишени-конвертера, совместимых с технологией радиационных испытаний РЭА.
На их основе, впервые в РФ и мировой практике, разработана методология комплексного измерения характеристик ЭИ и ТИ импульсных МУ, обеспечивающая как оперативность, полноту и достоверность определения характеристик воздействующих факторов в технологии проведения испытаний образцов на радиационную стойкость, так и диагностику работы МУ.
Проведены системные исследования связи дозовых характеристик поля ТИ с энергетическими, потоковыми и угловыми характеристиками электронов в трубчатых и сплошных цилиндрических пучках импульсных МУ для мишеней-конвертеров полного поглощения Показано, что при неизменных условиях конвертирования электронных пучков связь потоковых, спектральных характеристик электронов и дозовых характеристик ТИ выражается через передаточную характеристику (функцию) мишени-конвертера. Предложена уточнённая форма ее аналитического представления для рассматриваемых условий и энергетического диапазона электронов.
Проведены исследования и установлены закономерности между трансформацией пространственно-угловых распределений релятивистских электронов в трубчатых пучках и пространственно-угловым распределением интенсивности ТИ за однородными и гетерогенными поглотителями.
Разработан расчётно-экспериментальный метод экспрессного определения энергетического спектра импульсного ТИ для произвольного угла вылета фотонов, проведено его усовершенствование для направления «вперёд». Предложена усовершенствованная схема расчёта угловых распределений электронов с использованием двух первых членов распределения Мольера и введения эмпирических коэффициентов; при этом первый коэффициент оптимизирует форму углового распределения электронов, а второй уточняет число атомов, с которыми взаимодействуют электроны в «элементарном» слое мишени. Ошимизирована схема определения толщины «элементарного» слоя мишени-конвертсра в зависимости от атомного номера её вещества и глубины проникновения электронов.
Впервые проведены исследования но оптимизации формирования поля ТИ в направлении «вперёд» для радиационных испытаний образцов от трубчатых пучков релятивистских электронов, позволившие определить связь между угловыми характеристиками электронов, радиусом эффективного сечения пучка в плоскости мишени и размерами изодозовых плоскостей в поле ТИ, выраженную в аналитической форме. Показано, что при изменении индукции продольного магнитного поля в примишенной области транспортировки пучка изменяются угловые характеристики электронов, эффективный радиус сечения трубчатого пучка, пространственно-угловое распределение интенсивности и коэффициент использования ТИ. Это позволяет расширить диапазон направленного формирования дозы и мощности экспозиционной дозы (МЭД) ТИ для радиационных исследований при ограниченном энергозапасе пучка релятивистских электронов МУ.
Впервые созданы автоматизированные системы комплексного измерения спектрально-энергетических характеристик ЭИ и ТИ импульсных МУ, методы их градуировки, основанные на определении статической и динамической характеристик мишени-конвертера МУ.
Разработны новые образцовые средства измерений потоковых и энергетических характеристик квазистатического и импульсного ЭИ на основе калориметрического цилиндра Фарадея (ЦФ).
Показано, что метод определения энергии моноэнергетических электронов по измерению коэффициента пропускания (поглощения) может использоваться для определения средней энергии пучков электронов в воздухе, характеризующихся спектрально-энергетическим распределением конечной ширины.
Впервые сформулирована и реализована методологическая концепция моделирования высокоэнергетического электронного компонента КИ, базирующаяся на мониторировании характеристик воздействующих факторов в плоскости образца на основе разработанных средств измерений, а не воспроизведения и поддержания аттестованных режимов работы МУ по контрольным приборам её систем управления.
Впервые исследованы стеклянные детекторы дозы ТИ (СГД-8, ИС-7) с целью измерения потоковых характеристик ЭИ. Показано, что в комплексе они обеспечивают в рассматриваемом энергетическом диапазоне измерение флюенса электронов в диапазоне от 2 107 до 2-1014см"2.
Практическая значимость работы состоит в создании новых расчетно-экспериментальных методов, средств и систем измерений характеристик воздействующих факторов ионизирующих излучений (ИИ), впервые внедренных в технологию испытаний на радиационную стойкость РЭА на МУ в ФГУП НИИП (Центр радиационных и надёжностных испытаний изделий электронной и космической техники Федерального агентства по атомной энергии).
Полученные на их основе результаты позволили создать наиболее эффективное в РФ оперативное дозиметрическое обеспечение в технологии исследования радиационной стойкости РЭА и её компонент, отвечающее потребностям мировой практики измерений ИИ и обслуживающее требования стандартов «Климат-7» и «Мороз-6».
Проведенные исследования расширили и обобщили знания о процессах, определяющих особенности формирования полей ТИ в условиях коллективного прохождения релятивистских электронов через однородные и гетерогенные поглотители в полубесконечной геометрии, используемые в решении прикладных задач.
Внедрение в практику результатов выполненных исследований позволило:
обеспечить полноту измерений потоковых и спектрально-энергетических, интегральных и динамических характеристик воздействующих факторов в плоскости испытуемого образца, проводить диагностику работы МУ различных принципов действия;
повысить эффективность работы СИУ как МУ быстрого гамма-компонента ЯВ (по формированию МЭД ТИ, формированию областей с плоским изодозовым облучением) при неизменном энергозапасс пучка электронов;
проводить исследования по корреляции параметров воздействующих факторов с параметрами работоспособности испытуемого образца в активном режиме;
разработать комплекс методик выполнения измерений интегральных и динамических, угловых, энергетических, потоковых и спектральных характеристик полей ЭИ и ТИ МУ федерального и межведомственного статуса, совместимых с технологией проведения исследований на радиационную стойкость РЭА и другими радиационными технологиями;
создать межведомственную метрологическую базу по измерению интегральных и динамических характеристик ЭИ, объединённую локальной поверочной схемой средств измерений ФГУП НИИП, адаптированной с государственной поверочной схемой.
Разработаны методические рекомендации по дозиметрическому сопровождению облучения при исследовании радиационной стойкости РЭА, элементов электронной техники и электротехники на МУ как ФГУП НИИП, так и друїих организаций. При эгом разработана система передачи соответствующих единиц измерений от образцовых к рабочим средствам измерений, обеспечивающая условия единства измерений и других необходимых метрологических требований.
Внедрённые в практику методы измерения характеристик ЭИ и ТИ, основанные на определении статической и динамической передаточных характери-
стик мишени-конвертера как измерительного преобразователя, обеспечили полноту, надёжность и экспрессность определения параметров воздействующих факторов в технологии дозиметрического обеспечения радиационных испытаний РЭА, повысили достоверносіь прогнозирования радиационной стойкости образцов в условиях реального воздействия. Они позволяют получать информацию об энергетическом спектре ТИ, динамике дозы, мощности дозы и энергетического спектра ТИ. Таким образом, решена важная научно-техническая проблема - комплексное измерение интегральных и динамических характеристик воздействующих факторов в технологии испытаний РЭА на радиационную стойкость с одновременной диагностикой работы МУ.
Состояние дозиметрического обеспечения радиа ционных исследований и актуальные задачи их ме тодического совершенствования
В основу метрологического обеспечения дозиметрического сопровождения при радиационных исследованиях в лабораторных условиях положено два компонента:- определение характеристик полей ионизирующих излучений МУ, соответствующих нормам проведения испытаний и обеспечение 34воспроизводимости установленных режимов их работы с возможностью прогнозирования параметров излучения (метрологическая аттестация МУ);- мониторирование динамических и интегральных энергетическихпараметров полей излучения в плоскости облучения исследуемыхобразцов.В процессе метрологической аттестации МУ устанавливаются: режим работы МУ;пространственное распределение МЭД, ЭД и зоны возможного облучения образцов;энергетический спектр ТИ в зоне облучения; воспроизводимость характеристик поля ТИ. Информация, получаемая в процессе метрологической аттестации МУ, необходима при решении следующих основных задач, возникающих при подготовке, проведении и обработке результатов испытаний:- выбор МУ на основе характеристик поля излучения, требуемых уровней воздействия и габаритов испытуемых изделий;- определение возможности размещения образцов в рабочем поле МУ в соответствии с характеристиками поля, габаритами образцов и требуемым уровням воздействия;- выбор типа детекторов сопровождения, их количества и места размещения;- регистрация импульса МЭД ТИ;- обсчет детекторов сопровождения и определение по их результатам характеристик поля излучения (D, PY) в точках размещения детекторов;- определение зачетных уровней воздействия:а) определение по всей совокупности детекторов сопровожденияуровней, определяющих реакцию испытываемого изделия;б) определение спектрального коэффициента относительнойэффективности Кэф;в) введение поправки на отличие формы импульса МУ и реальнойформы воздействия.
При поведении радиационных исследований испытуемых образцов осуществляется мониторирование следующих характеристик полей ТИ:пиковой величины МЭД и эффективного значения длительности импульса ТИ;ЭД ТИ на задней и передней стенке образца.
В силу особенностей процесса формирования импульсного напряжения на вакуумном диоде и динамики развития разряда, ток, энергия электронов и их угол падения в ускоренном пучке могут изменяться во времени, поэтому для абсолютного большинства СИУ прямого действия каждый импульс ТИ имеет присущие ему индивидуальные особенности.
При использовании сложных электрофизических установок (типа ЛИУ), с многоэлементными источниками ускоряющего напряжения, возникают определённые технические проблемы, носящие вероятностный характер. Эти проблемы связаны с электрической прочностью отдельных элементовконструкции, с синхронизацией большого числа искровых разрядников, коммутирующих токи в сотни килоампер, с транспортировкой сильноточного пучка в ускорительном тракте. Эти трудности во многом адекватны вышеизложенным особенностям ускорителей прямого действия и проявляются в нестабильности воспроизведения характеристик электронного пучка, падающего на мишень и выходящего из нее ТИ. В таблице 1.2 приведены коэффициенты воспроизведения МЭД КР, ЭД KD и эффективной длительности импульса Кт в локальных точках поля ТИ импульсных МУ, определённые при аттестации МУ. Совершенно очевидно, что если бы определялась характеристика воспроизведения энергетического спектра ТИ, то величина была бы подобной.
Определение спектрального состава наносекундных импульсов ТИ МУ осложнено невозможностью прямого применения хорошо разработанных методов рентгеновской и гамма-спектрометрии. Это связано с тем, что из-за высокой мощности излучения в импульсе, временной интервал между квантами, попадающими в детектор, в порядки раз меньше временного разрешения любого из известных типов детекторов. Поэтому амплитуда сигнала детектора оказывается пропорциональной лишь полной энергии импульса, выделившейся в рабочем объеме детектора.
Для МУ с энергией фотонов до 3-4 МэВ применяется расчётно-экспериментальный метод определения спектра ТИ по ослаблению дозы за фильтрами /48/. Классический метод фильтров получил широкое распространение в спектрометрии коротких импульсов ТИ. Геометрия узкого пучка обеспечивается помещением фильтров различной толщины из однородного материала и ТЛД в коллиматор. Использование ТЛД придаёт методу новые возможности. Их способность длительно сохранять информацию позволяет разделить процесс воздействия излучения на детектор и измерение результата воздействия на него. Детектор автономен и имеет малые размеры. Некоторые типы ТЛД не обнаруживают зависимости показаний от мощности дозы вплоть до ІО Р-с"1.
Метод стал прост в использовании после того, как была решена проблема восстановления спектра как процедуры с математической точки зрения. Построение последовательного метода восстановления спектра стало возможным с появлением метода регуляризации А.Н.Тихонова для решения некорректных задач /49/, в основе которого лежит уравнениеФредгольма первого рода:Eij2 - энергетические границы спектра. В отличие от стандартной процедуры метода регуляризации, функция Y(E) может определяться из вариационной задачи для сглаживающего функционала, при условии минимизации его относительного квадратичного отклонения, вычисленного по восстановленному спектру функций ослабления, вместо минимизации того же функционала абсолютного отклонения, т.е.Здесь x! 2- минимальная и максимальная толщина фильтров; а- параметр регуляризации; K(E7,z) - ядро интегрального уравнения;
Исследование угловых характеристик электронов и параметров пучков моделирующих установок
Целью проводимых экспериментов на МУ типа ЛИУ являлось исследование влияния энергии электронов пучка и внешнего, аксиально симметричного магнитного поля на эффективный угол падения электронов и фокусировку пучка, пространственное распределение поля ТИ и оценка возможности формирования полей ТИ с требуемыми характеристиками. При исследовании зависимостей углов скручивания и компрессии от энергии электронов (Р(Е), у(Е)}, индукция магнитного поля в областимишени была неизменной от импульса к импульсу и составляла 0,35Тл.
Энергия электронов изменялась ступенчато, через 0,7Мэв посредством изменения количества ускоряющих секций (индукторов) ускорительной трубки. Ток пучка электронов на выходе, перед мишенью, контролировался, что позволяло проводить выборку идентичных режимов. Вид зависимостей (3(E) и у(Е), при выбранном режиме работы ускорителя представлен на рис.2.7... Изменение угловых характеристик электронов от энергии. Погрешность определения углов р, у не превышает 10% придоверительной вероятности 0.95. Эффективный угол компрессии у электронов практически не зависит от их энергии, а эффективный уголскручивания пучка проявляет характерные изменения. Знак минус для угла компрессии, полученный в расчётах, показывает, что в районе мишени-конвертера происходит расхождение пучка электронов относительно его оси транспортировки, что подтверждается и сравнением определяемого в ЩЩ экспериментах эффективного радиуса пучка с диаметром эмитирующейкромки катода. Исходя из задач, выполняемых ускорителем ЛИУ-10 как установки, моделирующей быстрый у-компонент ЯВ, исследовались угловые характеристики электронов в пучках, создающих оптимальные характеристики поля ТИ для проведения экспериментов по радиационной стойкости электронных систем.
В первом случае мишень была установлена в соленоид, позволяющий изменять индукцию магнитного поля в плоскости мишени от 0,35 до 0,6 Тл. В этих условиях (ламинарный пучок), ларморовский радиус вращения электронов Г[ с энергией Е 10 МэВ соизмерим с толщиной нормального сечения а пучка /84/. Невысокая магнитная жёсткость обеспечивает проекцию траектории электронов на поперечное сечение пучка согласно,щШ рис.2,26. Изменения угловых характеристик электронов представлены нарис.2.8. Как следует из эксперимента, эффективный угол компрессии.0электронов у-0 при индукции продольного магнитного поля в плоскости мишени В=0,5 Тл, а в целом, углы компрессии и скручивания возрастают с ростом индукции продольного магнитного поля.
Возрастание эффективного угла скручивания р обусловлено, в основном, уменьшением ларморовского радиуса движения электронов с ростом индукции аксиально-симметричного магнитного поля, при неизменной линейной скорости электрона. Отрицательное значение эффективного угла компрессии у при В 0,5Тл свидетельствует о том, что трубчатый пучок электронов на входе в мишень расходится, а радиус его эффективного сечения увеличивается.
Во втором случае, мишень устанавливалась в соленоид с индукцией аксиально-симметричного магнитного поля, изменяющегося в плоскости мишени от 1,4 до 2 Тл. Исследовался эффект компрессии пучка, характер изменения углового распределения электронов и пространственное распределение поля ТИ в условиях, соответствующих большой магнитной жёсткости и невысокого диамагнетизма пучка (рис.2.2а) /71/.Рис.2.9 Изменение радиального компонента электрического полявблизи мишени3 5 - 1. 0.5 Z, см В этих условиях (турбулентный пучок), толщина нормального сечения пучка a=re-rl может несколько превышать ларморовский радиус электронов г/. По мере нарастания внешнего магнитного поля происходит усиление размешивания электронов по фазе, ларморовский радиус электронов уменьшается, а их угловая скорость растет. Начинает проявляться влияние скорости дрейфа ведущих центров электронов, природу которой составляет радиальная составляющая напряженностисобственного электрического поля пучка и нарастание продольной составляющей индукции внешнего магнитного поля. Характер угловогораспределения ведущих центров электронов в зависимости от индукциивнешнего магнитного поля представлен на рис.2,10. Параметры эффективного сечения пучка электронов в плоскости мишени определялись по изменению оптической плотности основы рентгеновской пленки типа РТ-5. Зависимость внешнего и внутреннего радиусов R12 сечения пучка электронов от индукции внешнего магнитного поля представлялось возможным аппроксимировать по имеющимся экспериментальным результатам в диапазоне В=0,3 5- -2,0 Тл. Результаты экспериментов представлены на рис.2.11. Характер зависимости R3(B) находится в хорошем согласии с зависимостью равновесного радиуса цилиндрического пучка, транспортируемого в аксиально-симметричном магнитном поле /86, 87/, при токе меньше альфвеновского.
Создание измерительных систем потоковых и энергетических характеристик моделирующих полей электронного излучения космического пространства
. Задача повышения сроков активного существования космических аппаратов до 7-Ю лет требует достоверных данных о ресурсе их оборудования, которые получают расчётно-экспериментальными методами наземного моделирования. Повышение достоверности испытаний электронных систем и блоков РЭА космических аппаратов к воздействию ЭИ КП посредством разработки методов и средств наземного моделирования, их дозиметрического обеспечения, позволяет решить народнохозяйственную задачу по определению ресурса космических аппаратов с длительным сроком активного существования. Основные характеристики ЭИ естественных и искусственных РПЗ изложены в работах /115-117/.
Полученные экспериментальные данные о дифференциальном спектре электронов и годовой дозе космического ЭИ естественного и искусственного РПЗ представлены на рис. 3.4 и 3.5. Энергетический диапазон спектра электронов составляет от ОД до 12 МэВ.
Плотность потока электронов естественного РПЗ достигает 5-10 см" -с", а искусственного РПЗ может достигать 109 см"2-с" и выше. Оценки поглощённых доз за год показывают, что она может достигать 108-109рад. Эти характеристики естественных и искусственных РПЗ послужили основой по созданию метода моделирования электронных спектров в лабораторных условиях на линейном ускорителе электронов и наборе стронций-иттриевых изотопных источников.
Комплекс моделирующих радиационных установок в составе изотопной установки «СИРИУС-3200» и линейного ускорителя «ЭЛЕКТРОНИКА У-003» с разработанными ИС дозиметрического обеспечения был аттестован и введен в эксплуатацию в ФГУП НИИП для проведения испытаний элементов и блоков электронных систем /118, 119/.
Поскольку промышленностью не выпускается средств измерений параметров высокоинтенсивных ионизирующих излучений, то аттестация полей ЭИ данных установок стала возможной при условии создания соответствующих нестандартизованных средств измерений. Для этих целей были разработаны ИС на основе калориметрического ЦФ /19, 120, 121/ и ЦФ /18/.
Цилиндр Фарадея наиболее простой и часто применяемый зарядовый детектор коллекторного типа. Заряженные частицы, проникая внутрь цилиндра через открытый торец, попадают затем на его стенки. Ось цилиндра ориентируют вдоль направления потока. Для того чтобы частицы передали свой заряд цилиндру, необходимо их эффективное поглощение в коллекторе. Собирание заряженных частиц на внутреннюю поверхность полости цилиндра позволяет уменьшить влияние вторичной эмиссии. Для повышения эффективности собирания первичных заряженных частиц использовались известные методы реализации ЦФ (легкоатомный поглотитель, его конструктивное исполнение и т. п.). Калориметрический ЦФ состоит из цилиндрического металлического корпуса, со съёмными торцевыми крышками. В центре верхней крышки, удовлетворяющей условию полного поглощения для электронов, имеется входное окно, которое вакуумноплотно перекрыто полиимидной плёнкой толщиной 40 микрон. Внутри вакуумированного корпуса, соосно с входным окном на тепло - и электроизоляторах установлен рабочий электрод. Рабочий электрод выполнен в форме стакана, из бифилярно намотанного медного провода однородного сечения, с тонкоплёночным покрытием радиационно-стойкой электроизоляцией. Толщина стенки и дна электрода удовлетворяет условию полного поглощения для электронов. Рабочий электрод в подобном исполнении одновременно является и тепломерноЙ оболочкой калориметра. Конец одной обмотки электрода соединён с началом другой, что обеспечивает взаимную компенсацию электромагнитных наводок от пучка электронов, при этом, последовательно соединённые обмотки рабочего электрода служат одновременно и нагревателем при электрической калибровке калориметра. В принципе работы калориметра используется свойство металлов изменять электрическое сопротивление с изменением температуры. Для изготовления рабочего электрода использовался медный провод, обладающий линейным изменением сопротивления от температуры (є = 4,26-10"3 град"1) в диапазоне от -50 до 220С. Объединённые концы обмоток посредством коммутатора каналов могут быть соединены с аналого-цифровым преобразователем, преобразующим заряд электронов в квантованные импульсы, регистрируемые счётчиком импульсов. Свободные концы обмоток поглотителя могут быть соединены через коммутатор с мостом сопротивлений. Поскольку температурный коэффициент сопротивления чистых металлов при комнатной температуре приблизительно равен 0,4%, то схема измерения приращения сопротивления обмоток должна быть чувствительной к изменениям сопротивления не хуже 0,003% от номинального значения. Созданная ИС позволяет измерять поток электронов, плотность потока электронов, флюенс (перенос) электронов, поток энергии, плотность потока энергии и флюенс энергии электронного излучения ускорителей. Поскольку рабочий электрод первичного преобразователя на основе калориметрического ЦФ является одновременно и тепломерной оболочкой калориметра, то становится возможным косвенным методом определить и среднюю энергию электронов Ё по формуле:где AR, N — приращение сопротивления калориметрической оболочки и число квантованных импульсов регистратора, соответственно;калориметрического ЦФ.
Измерительная система на основе калориметрического ЦФ прошла аттестацию на государственном эталоне Госстандарта РФ и признана рабочим эталоном 1-го разряда /122/ в диапазонах плотности потока электронов от 2-Ю9 до 2- 1012см"2, при энергии электронов от 2 до 8 МэВ. Радиоизотопная МУ (90Sr-90Y) с суммарной активностью источников 3200 Ки имеет сплошной энергетический спектр электронов в диапазоне от 0 до 1,95 МэВ, который изменяется в зависимости от расстояния по оси излучения, как и плотность потока электронов. Для измерения потоковых характеристик электронов в энергетическом диапазоне от 0,15 до 8 МэВ был разработан ЦФ, отличающийся от калориметрического тем, что рабочий электрод выполнен из алюминия в форме стакана. На дне стакана установлен конусообразный частичный поглотитель из графита, уменьшающий обратное рассеяние и отражение электронов /18/. Измерительная система потока электронов, плотности потока электронов и флюенса электронов на основе ЦФ была аттестована в Госстандарте РФ в качестве рабочего эталона 1-го разряда /123/. Характер зависимости его коэффициента преобразования кп от энергии электронов Е представлен в таблице 3.1. Как следует из таблицы, для измерения потоковых характеристик ЭИ МУ типа «СИРИУС-3200» с помощью ЦФ необходимо знать энергетический спектр излучения. Энергетический спектр ЭИ определялся методом полного поглощения в однородном многослойном поглотителе в полубесконечной геометрии (п. З.1.). измерение распределения поглощённой энергии в многослойном однородном поглотителе; восстановление энергетического спектра электронов. Для определения распределения поглощённой энергии использовался термолюминесцентный плёночный детектор CaF2-Mn на полимерной основе с измерительным прибором /124/, разработанные в НИИПриборов. Детектор представляет собой порошок люминофора, равномерно распределённый в инертном полимерном связующем материале (полиимид), придающем плёнке эластичность и температурную устойчивость до 400С.
Комплексное определение импульсных характеристик электронного и тормозного излучений моделирующих установок
Определённые в п.4.3 статические передаточные функции мишеней-конвертеров для условий и геометрии измерений на импульсных МУ, являются градуировочными (собственными) характеристиками разработанных ИС, позволяющих определять потоковые и спектрально-энергетические характеристики электронного и тормозного излучений МУ. Типовые временные характеристики МЭД ТИ PY(t), тока пучка электронов I(t) и динамической передаточной функции мишени-конвертера PT(t) для ускорителей ЛИУ-10, ЛИУ-15 и УИН-10 (режим «короткого» импульса), представлены на рис. 4.12, 4ЛЗ и 4.14 /137, 138/. Динамическая и статическая передаточные функции, определённые в адекватных условиях и геометрии измерений, согласно /106/, позволяют определить временную зависимость энергии электронов в импульсе МУ (рис. 4Л5 и 4.16) /139/. Таким образом, в одном импульсе излучения ускорителя, в режиме реального времени определяются динамические характеристики пучка электронов (I(t), E(t)}, падающего на мишень-конвертер и ТИ (PT(t)}, в выбранной точке поля. Рис. 4.13 Динамические характеристики излучений ускорителя ЛИУ-15. Становится возможным определение фронтов нарастания и спада тока и энергии электронов в импульсе, которые могут быть одновременно использованы и в качестве основных параметров для диагностики работыускорителя как электрофизической установки. 4.15 Характер изменения энергии электронов в импульсе излучения МУ. При этом создаются условия для оптимизации и контроля воспроизведения режимов работы ускорителей, так необходимые для проведения массовыхрадиационных испытании электронных систем. Рис. 4.16 Характер изменения энергии электронов в импульсе ускорителяУИН-10 (режим «длинного» импульса). Важным свойством разработанных ИС является возможность определения энергетического спектра электронов, падающих на мишень за импульс излучения ускорителя. Для этого используются временные характеристики I(t) и E(t), обработанные согласно (4.7), при условии нормировкиEmj5rэнергетического спектра \F{E)dE = 1. Существует реальная возможность спомощью ПЭВМ определять временную трансформацию энергетического спектра электронов в импульсе излучения или за любой промежуток времени, в пределах длительности импульса. Типовые энергетические спектры электронов в импульсе излучения ускорителей представлены на рис. 4.17 и 4.18. Рис. 4.19 Характер распределения мощности пучков электронов МУ (УИН-10 - в режиме «короткого» импульса). Наблюдаемый на рис. 4.16 характер ускорения электронов в импульсе МУ УИН-10 в режиме, наиболее полно моделирующем характеристику гамма-компонента ЯВ по длительности, носит периодический характер. Этот режим определяется прямым разрядом индуктивного накопителя на вакуумную передающую линию ускорителя. Периоды между пиками во временном распределении энергии ускоренных электронов составляют порядка 0,33"10"6с. Амплитуда периодического колебательного режима ускорения электронов в импульсе носит затухающий характер, т.е., подвод энергии к вакуумному диоду ускорителя в импульсе происходит в неоптимальном режиме. В канале подвода энергии к ускоряющему диоду существует эффективно себя проявляющее, паразитное колебательное звено. Результат воздействия этого звена на процесс ускорения электронов в доде наглядно проявляется на форме энергетического спектра электронов (рис. 4.18). Наблюдаемый низкоэнергетический пик в спектре является результатом воздействия первого периода колебательного режима этого звена/139, 140/.
Как следует из рис. 4.17, энергетический спектр электронов ускорителя УИН-10 для режима «короткого» импульса содержит два пика. Низкоэнергетический пик в его спектре электронов обусловлен неуправляемыми процессами, происходящими в диодном промежутке на заднем фронте импульса. Передний фронт характеристики E(t) в импульсе излучения (рис. 4.15) нарастает с длительностью близкой к оптимальной, соизмеримой с фронтом нарастания напряжения на вакуумной передающей линии ускорителя. Посредством этой линии происходит передача запасённой энергии индуктивного накопителя на вакуумный диод. При вершине этой характеристики наблюдается достаточно стабильный во времени интервал оптимального ускорения электронов. Затем происходит спад тока и энергии электронов (рис. 4.14), обусловленный временными характеристиками формирователей импульса на взрывающихся проводниках. Процессы, проистекающие в диоде после срабатывания формирователей импульса, позволяют судить о том, что на сформированный импульс затрачивается только часть энергии индуктивного накопителя. Возникающая в диоде катодная плазма шунтирует сопротивление диода, при этом, ток диода возрастает при невысоком ускоряющем напряжении. Подобное развитие процесса и подтверждается низкоэнергетическим пиком в спектре электронов. Обсуждаемые результаты получены при работе вакуумного диода без срезающего разрядника по заднему фронту сформированного импульса тока.
В условиях МУ УИН-10 мгновенное значение МЭД ТИ и токаопределяются посредством восстановления электрического аналогасигналов за импульс излучения, учитывающего временное разрешение иослабление сигнала в измерительном канале ИС по соотношениям:где Pl(t),Il(t) - программно восстановленные электрические аналоги МЭД ТИ и тока пучка электронов;Клс — коэффициент преобразования КЛС;Коу, KQI — коэффициенты преобразования детекторов, соответственно. Суммарная оценка погрешности определения МЭД ТИ проводилась согласно /119/, по формуле:где SPa - погрешность, обусловленная влиянием альбедо ТИ;информации об энергетическом спектре ТИ и погрешности определения чувствительности дозиметра (6%), суммарная погрешность определения коэффициента преобразования детектора МЭД ТИ составляет 10%, а измерительного канала 13%. Погрешность определения чувствительности первичного преобразователя тока не
