Содержание к диссертации
Введение
1. Основные процессы взаимодействия гамма излучения с веществом
1.1. Классификация процессов взаимодействия гамма-излучения с веществом
1.2. Энергетические спектры электронов конденсированного вещества
2. Методы измерения потока энергии 30
2.1. Ионизационный метод 30
2.1.1. Толстостенная ионизационная камера 32
2.1.2. Метод переходных кривых 35
2.1.3. Метод разности пар из тонких поглотителей 37
2.2. Сцинтиляционный метод 39
2.3. Калориметрический метод 42
2.4. Метод магнитного парного спектрометра 46
2.5. Заключение 47
3. Теоретические основы калориметрического и ионизационного методов измерения потока энергии 49
3.1. Источник фотонов тормозного излучения 49
3.2. Основы измерения единицы потока энергии 51
3.2.1. Измерительная схема калориметра 55
3.2.2. Поглотитель калориметра 57
3.2.3. Определение места размещения терморезистора 59
3.2.4. Определение постоянной термостата 64
3.2.5. Оценка тепловых потерь в термостате 68
3.2.6. Регистрирующая аппаратура 70
3.3. Квантометр 72
3.3.1. Общие требования к квантометру 74
3.3.2. Расчет чувствительности квантометра 76
3.3.2.1. Ионизационные потери 78
3.3.2.2. Энергетические спектры электронов 83
3.3.2.3. Расчет величины Sm 89
3.3.2.4. Средняя энергия ионообразования 90
4. Измерение потока энергии калориметрическим методом 93
4.1. Экспериментальное определение чувствительности калориметра 93
4.2. Экспериментальное и теоретическое определение полных
потерь энергии за счет неполного поглощения фотов в поглотителе 95
4.2.1. Определение энергии, уносимой из поглотителя рассеянным излучением
4.2.2. Расчет потерь энергии фотонов тормозного излучения за счет непровзаимодействующей компоненты первичного излучения и фотоядерных реакций 105
4.3. Абсолютные измерения потока энергии фотонов тормозного излучения 107
4.4. Анализ и оценка погрешности измерения единицы потока
энергии тормозного излучения 111
4.4.1. Случайная погрешность измерения 111
4.4.2. Систематическая погрешность измерения 112
5. Измерение потока энергии ионизационным методом и создание поверочной схемы 117
5.1. Экспериментальное определен ие чу вствител ьности квантометра 117
5.2. Факторы, влияющие на зависимость чувствительности квантометра от максимальной энергии фотонов 123
5.2.1. Зависимость средних ионизационных потерь электронов от максимальной энергии фотонов ' 123
5.2.2. Зависимость чувствительности квантометра от фотоядерных реакций и обратного рассеяния 127
5.2.3. Зависимость чувствительности квантометра от неточного 129 интегрирования переходной кривой
5.3. Метод передачи размера единицы потока энергии фотонов 133
5.4. Оценка погрешности передачи размера единицы 135
5.5. Создание поверочной схемы 137
5.6. Непосредственное сличение камер Р2-СНИИПи Р2-ВНИИМ в диапазоне энергий от 5 до 50 МэВ 141
Заключение 143
Список литературы
- Энергетические спектры электронов конденсированного вещества
- Метод разности пар из тонких поглотителей
- Определение места размещения терморезистора
- Определение энергии, уносимой из поглотителя рассеянным излучением
Введение к работе
В настоящее время, кроме применения в области фундаментальных исследований, пучки ускоренных частиц чрезвычайно широко используются для прикладных целей. Так, многочисленные исследования показывают, что при воздействии излучения в твердом теле образуется статистическое множество неоднородностей, проявляющихся в нарушениях кристаллической и электронной структуры. Совокупность этих неоднородностей, возникающих в поле излучения, может оказывать влияние на кинетику различных атомарных и электронных процессов, протекающих во время облучения. Понимание физики процессов взаимодействия излучения с твердым телом позволит более эффективно решать задачи реакторного материаловедения. Условно можно выделить две основные области применения ускорителей. В первой ускорители служат инструментом в научных исследованиях, а во второй - технологической единицей, обеспечивающей нормальный ход технологического процесса [1, 5, 6, 12].
В первую очередь надо выделить исследования в области ядерной энергетики. Важной проблемой является безопасность и надежность работы реакторов атомных электростанций. Часть ее - это вопрос о возникновении и динамике развития радиационных дефектов в тепловыделяющих элементах в условиях долговременного облучения нейтронами. На ускорителях возможно эффективно имитировать результат воздействия нейтронов; на металлы, облучая их пучками ионов.
Интересно применение ускорителей в качестве источников нейтронов для получения ядерного топлива. Быстрые нейтроны для этой цели можно получить за счет расщепления ядер тяжелых элементов протонами или у-квантами. Такой способ получения делящихся материалов называют электроядерным.
Еще одним важным использованием ускорителей для прикладных научных исследований является применение синхронного излучения (СИ), возникающего при движении электрона по циклической орбите синхротрона. Его мощность возрастает с увеличением энергии электронов ив больших ускорителях достигает несколько мегаватт. Хотя синхротрон имеет большие размеры и сложнее других источников коротковолнового излучения, но в некоторых отношениях он не имеет среди них даже близких конкурентов. Спектр СИ непрерывный. Нижняя граница располагается в области инфракрасного излучения, а верхняя зависит от энергии электронов, причем длина волны, при которой наблюдается максимум интенсивности излучения, от 1 нм при энергии 2 ГэВ до 10 нм при энергии 8 ГэВ,,
В далеком инфракрасном диапазоне от 10 до 1000 мкм интенсивность СИ сравнима с интенсивностью излучения черного тела при разумных температурах. Однако в этом диапазоне конкурентом СИ будут инфракрасные лазеры. Для волн меньше 120 нм,то есть начиная с ультрафиолета, СИ благодаря высокой интенсивности и сплошному спектру превосходит все. источники, применяемые в спектрометрии.
Еще одним преимуществом СИ является его коллимированность и естественная поляризация, важная для: исследования анизотропных процессов. Интерес к использованию СИ в оптике, физике твердого тела, микроэлектронике, химии, биологии и т.д. оказался настолько велик, что создаются специальные установки, которые позволяют получить СИ высокой интенсивности.
Кроме научных исследований ускорители применяются непосредственно для прикладных целей, причем, в первую очередь используются ускорители на малые энергии как наиболее экономичные и простые в эксплуатации. Использование пучков частиц в производственных процессах привело к возникновению радиационных технологий.
Электронные ускорители из общего числа,используемых для технологических целей,составляют около 70%, ускорители ионов - 30%. Это связано с высокой стоимостью ускорителей ионов и сложной эксплуатацией. Ниже приведены основные примеры использования ускорителей, распола 7 гаемые примерно в порядке уменьшения числа ускорителей, применяемых для каждого процесса.
Электронно-лучевая сварка [54]. Сварка является производственным процессом с высоким уровнем автоматизации и широко применяется во всех отраслях народного хозяйства. Электронная сварка считается, наряду с плазменной и ультразвуковой, одной из наиболее перспективных технологий. Процесс превращения кинетической энергии электронов в тепловую обладает большой эффективностью. При этом более 97% энергии электронов превращается в тепло.
При торможении ускоренные электроны разогревают некоторую область металла, в результате чего происходит плавление металла, а затем его остывание с образованием шва.
Характерными особенностями электронной сварки являются возможность получения малой площади нагрева и высокая плотность энергии в ней. Так, например, площадь нагрева может быть доведена до значения порядка 10"7 см2 при плотности потока энергии до 108-109 Вт/см2. Электронным пучком можно сваривать разнородные металлы, медь, высокопрочные алюминиевые сплавы, тугоплавкие металлы, сталь. Осуществление сварки в вакууме позволяет сваривать тугоплавкие и химически активные металлы (вольфрам, молибден, тантал, ниобий, титан и цирконий), исключая насыщения металла атмосферными газами, что обычно приводит к хрупкости швов и снижению коррозийной стойкости. Высокая удельная концентрация энергии в электронном пучке позволяет проводить размерную обработку изделий при соединении деталей в микроэлектронике и приборостроении. При сварке готовых изделий из высокопрочных сталей и сплавов на основе титана и алюминия обеспечиваются минимальные деформации, что исключает необходимость последующей механической и термической обработки. Дефектоскопия [I]. Применение тормозного излучения ускорителей электронов для неразрушающего контроля представляет собой хорошо развитую область практического использования ускорителей - радиационную дефектоскопию. Ускорители "обладают определенными достоинствами посравнению с изотопными источниками гамма-излучения: пучок электронов; является управляемым и включается только на время, необходимое для просвечивания; кроме того, ускорители могут создаваться в широком диапазоне значений основных параметров пучка - его энергии и потока энергии.
Метод радиационной дефектоскопии основан на экспоненциальном ослаблении потока тормозного излучения при прохождении через вещество с последующей регистрацией тем или иным способом результатов этого ослабления. Он позволяет просвечивать металлические изделия большой толщины, например, изделия из стали толщиной: 150-200 мм. Ослабление потока тормозного излучения происходит вследствие трех основных процессов — фотоэффекта, комптоновского рассеяния и образования пар. Вследствие этого локальное изменение интенсивности, вызванное дефектом, определяется его размером и отличием его коэффициента ослабления от коэффициента ослабления основного материала. Оптимальная энергия первичного пучка тормозного излучения зависит от толщины просвечиваемого изделия и находится в пределах от 5 до 30 МэВ.
Радиационная химия [20]. Некоторые химические процессы можно инициировать с помощью лучков тормозного излучения. Для промышленного использования этого явления, а также для исследований применяются ускорители электронов. С помощью излучения электронного ускорителя можно улучшить термомеханические свойства различных полимеров. При этом ускоренные электроны взаимодействуют с электронными оболочками: вещества и разрушают существующие связи между макромолекулами, в результате чего образуются межмолекулярные поперечные связи и пространственная сетка сшивок. Такая сетка увеличивает термостойкость и улучшает механические свойства полимерной пленки.
Электронные ускорители используют как инструмент для исследования природы происходящих радиохимических процессов, кинетики реак 9 ций, в подготовке необходимых данных для новых производственных процессов [66]. Для этого применяются универсальные установки, позволяющие в определенных пределах варьировать параметры ускоренного потока электронов, таких как: энергия и ток электронов, длительность импульса тока.
Неразрушающий анализ [31]. В промышленности часто надо определить элементарный состав или содержание в материалах очень малых количеств вещества, которые, тем не менее, существенно влияют на его свойства в целом. Особенно важно бывает получать такую информацию в ходе технологического процесса. Для этого применяют нейтронный активационный анализ.
В нейтронном активационном анализе используют возбуждение ядра вещества нейтронами с последующей регистрацией излучения ядра. Источником нейтронов могут служить реакторы, но более удобно применять ускорители. Это обусловлено тем, что нейтронные потоки достаточной интенсивности можно получать от малогабаритных ускорителей с тритиевой мишенью, где нейтроны получаются с помощью реакции T(d, п) Не. Примерно 50 различных элементов можно определить в концентрациях от нескольких миллионных долей до 50% общего количества атомов в веществе. Минимальная концентрация элементов, которая регистрируется, зависит от" энергии ускоренных электронов.
Ускорители используются также и для изучения износостойкости материалов путем активации поверхностного слоя заряженными частицами [6]. Последующее измерение спада радиоактивности за счет износа тонких поверхностных слоев позволяет определить скорость износа изделия. Активационный анализ с помощью тормозного излучения от ускорителей электронов на энергии 25-30 МэВ позволяет определять концентрации элементов в полиметаллических рудах.
Радиационная терапия [46]. В медицине используется процесс образования ионов и последующего разрушения тканей живого организма под действием излучения. Чувствительность к излучению тканей злокачественных опухолей значительно выше, чем нормальных, что приводит к более быстрому их разрушению. В принципе все виды излучения, получаемые от ускорителей, можно использовать для радиационной терапии, однако распределение поглощенной энергии по глубине различно для разных типов излучения.
Тормозное излучение имеет большую проникающую способность, вследствие этого обладает малым поглощением в тканях. Применение быстрых электронов позволяет получить значительно большее поглощение энергии в тканях, но их проникающая способность меньше, чем тормозного излучения. Совместное применение тормозного излучения и электронов вызывает значительное повреждение здоровых тканей, поэтому облучение поврежденной ткани проводится со всех сторон, чтобы она оказалась в фокусе, в то время как окружающие здоровые ткани получили бы меньшую дозу поглощения.
Наиболее распространены в клинических условиях линейные ускорители электронов и бетатроны. Наилучшие результаты дает совместное применение бетатронов и химиотерапия. Энергия ускоренных электронов колеблется в пределах от 4 до 35 МэВ.
Стерилизация [46]. Пучки ускоренных электронов и тормозное излучение применяются также для стерилизации медицинских инструментов: большая доза поглощения уничтожает микроорганизмы. Поток энергия излучения осуществляет стерилизацию инструментов, помещенных внутри пластикового герметичного пакета.
Среди других практических применений ускорителей следует упомянуть имитацию радиационных повреждений твэлов реакторов; имитацию космоса в земных условиях, где требуются ускорители,электронов от 1 до 100 МэВ; дезинсекцию зерна, обработку отходов, в том числе стерилизацию сточных вод с помощью электронных ускорителей с энергией 4-10 МэВ и др. Без сомнения, радиационные технологии находятся сейчас на начальном этапе развития и следует ожидать расширения области применения ускорителей.
Столь широкое применение ускорителей требует решения вопросов обеспечения единства и правильности измерения параметров, характеризующих пучки тормозного излучения от ускорителей. Для решения этой задачи необходимо выполнить комплекс мероприятий [69], включающих:
- разработку и унификацию единиц физических величин;
- создание первичных эталонов единиц этих величин с наивысшей точностью на данном уровне развития науки и техники;
- разработку методов и средств передачи размера единицы первичных эталонов к рабочим средствам измерения.
В России работы по метрологическому обеспечению измерений потока энергии тормозного излучения ведутся в НПО «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева» давно. Создание эталона единицы потока тормозного излучения приведет к более эффективному применению выпускаемых в России электронных ускорителей и других источников тормозного излучения. В работах, связанных с исследованиями этого эталона и передачей размера единицы потока энергии, автор принимал непосредственное участие [17, 18, 49, 63, 64].
Цель работы — теоретическое и экспериментальное исследование факторов, влияющих на потери энергии фотонами, для создания установки высшей точности, измеряющей поток энергии тормозного излучения в диапазоне от 10 до 10 Вт.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Теоретически исследовать воздействие фотонов тормозного излучения на изменение энергетических спектров электронов конденсированного вещества.
2. Провести обзор методов измерения потока энергии фотонов тормозного излучения в указанном выше диапазоне энергий. 3. На основе критического анализа существующих методов измерения создать установку и методику измерений потока энергии фотонов тормозного излучения.
4. Создать поверочную схему для средств измерения потока энергии тормозного излучения в диапазоне от 10" до 10 Вт.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Результаты экспериментальных и теоретических исследований механизмов потерь энергии фотонов тормозного излучения из свинцового поглотителя.
2. Результаты исследований чувствительности квантометра от максимальной энергии фотонов тормозного излучения и анализ факторов, влияющих на эту зависимость.
3. Результаты теоретических исследований, позволивших: а) определить месторасположение терморезистора в поглотителе из свинца; б) оценить постоянную времени калориметра с учетом теплообмена с окружающей средой.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Теоретически и экспериментально исследованы особенности взаимодействия фотонов тормозного излучения в системе «поглотитель — поток энергии», что позволило создать средства измерения потока энергии с наивысшей точностью.
2. Разработана поверочная схема для средств измерений потока энергии фотонов с максимальной энергией от 0,8 до 8,0 пДж (5-50 МэВ).
3. Создан и исследован квантометр оригинальной конструкции для измерения потока энергии тормозного излучения (А.С. 906300 СССР, 1982 г.).
Результаты проделанной работы внедрены в метрологическую практику в качестве Государственного эталона России, а разработанные методы передачи размера единицы легли в основу ГОСТа 8.201-76. Это и есть практическая значимость исследований, выполненных в данной работе. Диссертационная работа выполнялась в НПО «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева» и в Институте материаловедения ХНЦ ДВО РАН в соответствии с планом научно-исследовательских работ этих учреждений.
Энергетические спектры электронов конденсированного вещества
Элементарные процессы, испытываемые у-квантами при прохождении через конденсированное вещество, обусловлены силами взаимодействия излучения с электрическими зарядами и токами в веществе. Для классификации этих процессов остановимся прежде всего на перечислении различных носителей электричества, подверженных действию излучения. К ним относятся: 1) атомные электроны, обычные составляющие конденсированного состояния вещества; 2) электроны и позитроны, которые могут возникать в пустоте в присутствии электрического поля, в частности, вблизи атомного ядра, в результате процессов образования пар и поляризации вакуума; 3) нуклоны, обычные составляющие ядерного вещества, то есть протоны, а также нейтроны, которые, подобно протонам, будучи носителями внутренних токов, обладают небольшим магнитным моментом. Для дальнейшей: классификации-элементарных процессов мы рассмотрим результирующее влияние у-квантов на вещество.
Действие гамма-излучения на конденсированное вещество приводит к возникновению вынужденных колебаний, частота которых равна частоте действующего излучения. В той степени, в которой частота собственных колебаний атомных систем совпадает с частотой поля излучения, эти колебания носят резонансный характер и сопровождаются переходом энергии у-квантов к веществу. Таким путем осуществляется процесс истинного поглощения (один у-квант в каждом элементарном процессе). Независимо от явлений резонанса, вынужденные электрические колебания приводят к ро 15 ждению у-квантов, движущихся во всевозможных направлениях, которое можно рассматривать как процесс рассеяния. Поскольку процесс рассеяния состоит в образовании вторичных у-квантов в результате вынужденных колебаний среды, то он является процессом второго порядка. Но этот процесс не зависит существенно от резонанса и поэтому в определенных энергетических областях может играть более важную роль, чем поглощение. Если в процессе рассеяния энергия у-квантов не переходит в энергию внутренних движений различных частей среды, то процесс называется упругим; в этом случае у-кванты, рассеянные на различных объектах в данной части среды, находятся в определенных фазах друг относительно друга и могут интерферировать, то есть рассеяние когерентно. Если же часть энергии передается среде и энергия фотона соответственно уменьшается, то рассеивание называется неупругим; у-кванты, рассеянные на различных объектах, не обладают постоянной разностью фаз друг относительно друга и не могут интерферировать. Рассеяние в этом случае не когерентно. Вынужденные электрические колебания могут приводить к излучению двух и более фотонов вместо одного первичного фотона, испытавшего взаимодействие; в таком случае говорят о многофотонных процессах. Такие фотоны имеют в большинстве случаев очень низкую энергию. Вероятность этих процессов обычно крайне мала по сравнению с нормальным поглощением и рассеянием [58].
Комбинируя каждый из трех классов носителей заряда и тока с каждым из трех типов результирующего эффекта, мы получаем различные типы элементарных процессов, представленных в таблице 1.1.
В рассматриваемой области энергии, то есть от 50 кэВ до 50 МэВ, имеют место в основном три процесса:
1) фотоэлектрический эффект, при котором фотон передает всю свою энергию связанному электрону, причем часть энергии расходуется на преодоление связи электрона с атомом, а остальная превращается в кинетическую энергию электрона; этот эффект преобладает при низких энергиях; Таблица 1.1. Классификация элементарных процессов взаимодействия
Носители тока и заряда Поглощение Рассеяние Многофотонные процессы упругое неупругое Атомные электроны Фотоэлектрическое о Z Рэлеевское с Z2 (в области низких энергий) Комптонов-скоеa Z Двухфотон-ное компто-новское рассеяние Электрон-но-позитрон-ное поле Образованиепарc Z2 Дельбруков-скоеc Z4 Нуклоны Фотоядерные процессы (у, п), (у, р) и др. c Z (7. У) c Z2 o Z2 Примечание: а - поперечное сечение взаимодействия гамма-излучения с атомами вещества.
2) рассеяние атомными электронами, в результате которого фотон отклоняется от своего первоначального направления с потерей или без потери энергии; при энергиях, значительно превышающих энергию связи электронов, фотоны рассеиваются так, как если бы электроны были свободны и покоились; в этом случае имеет место эффект Комптона;
3) образование пар, при котором фотон в поле ядра или электрона исчезает и рождается пара электрон-позитрон, полная кинетическая энергия которой равна энергии фотона, уменьшенной на энергию покоя двух появившихся частиц; этот процесс начинается при энергии около I МэВ и, когда энергия достаточно высока, становится преобладающим видом взаимодействия, как в нашем случае. Интересно изучить дельбргаковское рассеяние - упругое рассеяние в кулоновском поле ядра. Поскольку это рассеянное когерентное излучение, то оно комбинирует с рэлеевским рассеянием, ядерным резонансным рассеянием и ядерным томсоновским рассеянием; Таким образом, для обнаружения дельбрюковского рассеяния нужно знать вклад в упругое рассеяние других видов рассеяния.
Фотоэлектрический эффект. Фотоэлектроны могут быть вырваны с любой оболочки атома но свободный электрон не может поглотить фотон и стать фотоэлектроном, поскольку для сохранения количества движения необходимо третье тело.- ядро. Было установлено, что поглощение очень быстро растет с увеличением энергии связи электрона, а при энергиях, превышающих энергию связи/Г-электрона, оболочка К дает наибольший вклад. Проводились исследования фотоэффекта с оболочек, L, М и с более высоких оболочек, однако в большинстве работ наблюдалось поглощение на А"-оболочке [77].
Строгий теоретический анализ фотоэффекта затруднен, главным образом, из-за того, что волновые функции конечного состояния, которые являются решением уравнения Дирака для вырываемого электрона, могут быть получены лишь в виде бесконечного ряда.парциальных волн, а для больших энергий требует большого количества членов ряда. Волновая функция начального состояния связанного электрона обычно принимается как состояние одного электрона в центральном поле ядра, а для учета влияния других электронов предполагается, что поле ядра соответствует заряду Постоянную Si называют постоянными внутреннего экранирования. Они указывают на уменьшение эффективного заряда ядра вследствие наличия в атоме других электронов.
Метод разности пар из тонких поглотителей
Для измерения потока энергии тормозного излучения применяется спектрометр полного поглощения, который состоит из следующих основных частей: - сцинтиллятора, где энергия ионизирующего излучения преоб разуется в энергию световых фотонов. Размеры кристалла выбираются та кими, чтобы эффективность регистрации фотонов тормозного излучения была около 100%; - фотоумножителя, в котором происходит преобразование световых вспышек в электрические импульсы, амплитуда которых пропорциональна энергии, падающей на кристалл; - измерительной аппаратуры, в которой происходит анализ спектра падающих фотонов.
Так как спектр фотонов тормозного излучения имеет низкоэнергетическую составляющую, то возникающие при этом импульсы малой амплитуды накладываются друг на друга. Вследствие этого непосредственное измерение всего спектра тормозного излучения сцинтилляционньш спектрометром становится невозможным. Для устранения этого препятствия поступают следующим образом. Перед кристаллом спектрометра помещается поглотитель толщиной L. Тогда, если а(Е$, Е) начальный спектр тормозного излучения, то после прохождения фотонов через поглотитель спектр будет описываться выражением: где ц() - линейный коэффициент ослабления фотонов тормозного излучения. Тогда полное число импульсов будет равно:
Из этого выражения можно найти значение потока энергии Ф ,так как число импульсов п известно, а правая часть (2.14) может быть рассчитана. Во время измерений потока энергии фотонов тормозного излучения осуществляют дискриминацию импульсов, которая отсекает импульсы, возникающие от фона, шумов ФЭУ и так далее. Как правило, поправка, учитывающая обрезание низкоэнергетической части ,невелика и составляет около 2%, Особое внимание необходимо обратить на загрузку спектрометра, чтобы избежать просчётов при регистрации фотонов тормозного излучения. Вследствие больших размеров кристалла, спектрометр очень чувствителен к фону. Поэтому, при проведении точных измерений необходимо тщательно защищать блок детекторов от рассеянного излучения свинцовыми экранами, что приводит к утяжелению и громоздкости установки. Кроме того, погрешность измерения спектра зависит от погрешности измерения длины поглотителя и коэффициентов поглощения фотонов, а также формы спектра тормозного излучения. Форма спектра тормозного излучения оказывает большое влияние на точность расчётов, так как спектр фотонов тормозного излучения зависит от угла, под которым фотоны выходят из мишени, а поскольку все расчёты ведутся от нулевого угла, то необходима очень точная юстировка по оси пучка. Основное достоинство метода - высокая чувствительность. Спектрометр может считать отдельные фотоны, а в работе [69] сравнение сцинтилляционного и калориметрического методов показало, что оба метода дают совпадающие друг с другом результаты в пределах погрешностей измерения.
Калориметрический метод
Калориметрическое определение потока энергии основано на том, что в конечном итоге энергия ионизирующего излучения превращается в тепловую энергию. Теория калориметрических измерений детально разработана в целом ряде фундаментальных работ [53, 57, 62] и может быть использована для измерения потока фотонов тормозного излучения.
Калориметр, измеряющий поток энергии, состоит из массивного поглотителя и экранов. Теплообмен между экранами и поглотителем может быть приближенно описан с помощью закона Ньютона следующим образом: = .F{T03), (2.15) где Q = m-cu;F- поверхность поглотителя, м ; т - масса поглотителя, кг; с - удельная теплоёмкость поглотителя, Дж/(кг-К); Тп - температура поглотителя, К; Гэ - температура экрана, К; а - коэффициент теплообмена, Вт/(м2-К); t - время, с.
Если в поглотителе выделяется тепловая мощность Р, то изменение температуры поглотителя в единицу времени может быть записано следующим образом: В зависимости от метода контроля температур экрана Гэ различают три типа калориметров: адиабатический, полуадиабатический -. и изотермический. В адиабатических калориметрах температура Г, поддерживается равной температуре -Т„ .тогда скорость изменения температуры может быть записана в виде: dTn P
В калориметрах подобного типа точное знание значения а несущественно. Практически разность температур (Г„ - Гэ) отличается от нуля , и, поэтому, чтобы погрешность измерения была минимальной коэффициент теплообмена а должен быть достаточно малым. Для создания адиабатических условий к экрану, который окружает поглотитель, подводится джоуле-во тепло а таком количестве, чтобы температуры Тп и Т3 были приблизительно равны между собой. В случае, если в калориметрической системе Тп и Тэ равны между собой, то такая система является полу адиабатической. Если же температура Тэ постоянна, то такой калориметр считается изотермическим. Калориметры, измеряющие поток энергии фотонов тормозного излучения, как правило, являются изотермическими [2, 35, 36, 37, 43, 68, 105].
Энергия, выделяемая в поглотителе за конечный промежуток времени может быть определена путём интегрирования выражений (2.16) и (2.17). В полуадиабатических и изотермических калориметрах следует учитывать теплообмен за время калориметрического опыта. Теплообмен поглотителя с окружающей средой происходит за счёт: трёх основных процессов: лучеиспускания, конвекции и теплопроводности, учёт которых производится по известным формула [57]. Так как измеряемая разность температур порядка 10"3-10"4 К, то приходится принимать специальные меры для снижения тепловых утечек из калориметра и уменьшения влияния колебаний температуры окружающей среды на результаты измерений. Для этого поглотитель помещают в массивную изотермическую оболочку, которая термостатируется с помощью водяной или масляной ванны, или изолируется от окружающей среды слоем теплоизоляции. Кроме того, поглотитель устанавливают на хороших тешюизоляторах, а из камеры калориметра откачивают воздух для того, чтобы уменьшить теплообмен за счёт конвекции и теплопроводности воздуха
Определение места размещения терморезистора
Так как при малых значениях максимальной энергии фотонов тормозного излучения ускорителей заряженных частиц плотность потока энергии составляет величину порядка 10"3 Вт/м2 на расстоянии одного метра от мишени, то калориметр, предназначенный для измерения потока энергии тормозного излучения должен обладать высокой чувствительностью и иметь низкий уровень собственных шумов. Для выполнения этих требований, как следует из формулы (ЗЛО), необходимо иметь поглотитель небольших размеров, изготовленный из материала с низкой удельной теплоёмкостью. При этом размеры поглотителя оказывают меньшее влияние на чувствительность калориметра, чем теплоёмкость, поскольку она определяет скорость изменения температуры поглотителя при данном потоке энергии, и если эта скорость сравнима с температурным дрейфом, то никакие ухищрения в измерительной схеме не смогут повысить чувствительность калориметра. Поэтому в первую очередь необходимо надлежащим выбором материала поглотителя сделать теплоёмкость калориметрической системы как можно малой. С этой точки зрения и был выбран свинец, об-ладающий низкой удельной теплоёмкостью и большим коэффициентом ослабления, что очень важно при определении размеров поглотителя. Что касается размеров поглотителя, то здесь необходимо решить два противоречивых требования; с одной стороны, для увеличения чувствительности калориметра необходимо уменьшить размеры поглотителя (см. формулу (3.10)), а, с другой стороны, для полного поглощения потока энергии тормозного излучения - увеличить, что ведёт, естественно, к уменьшению чувствительности калориметра. Пришлось прибегнуть к компромиссному решению вопроса, а именно, поглотитель был сделан таких размеров, чтобы в нём поглощалось до 95% падающей энергии. Количество прошедшей энергии через поглотитель определялось в отдельном опыте. При выборе размеров поглотителя использовали переходную кривую для свинца при Е =50 МэВ и результаты работы [38] . Приведённые в этой работе кривые позволяют определить, какими размерами должен обладать поглотитель, чтобы радиационные утечки составляли определённую часть от падающего потока энергии тормозного излучения. Для определения окончательного количества непровзаимодействовавшей энергии был поставлен специальный эксперимент, который будет описан ниже.
Как отмечалось в [38], поток энергии тормозного излучения может быть измерен надёжно, когда разность между диаметром поглотителя и диаметром пучка не меньше 2 см. Поэтому мы выбрали диаметр поглотителя 70 мм. Длину можно найти из переходной кривой и по кривым [38] , если задаться определённым процентом радиационных утечек энергии. В частности, как показывают данные этой работы, при Е — 50 МэВ утечки составляют 7% от падающей энергии при длине поглотителя равной 7 см, 6% - при длине 8,5 см, 5% - при длине равной 11 см. Видно, что применение длинных поглотителей нецелесообразно: увеличение длины (то есть уменьшение чувствительности) в 1,5 раза приводит лишь к незначительному уменьшению радиационных утечек. Окончательно длина поглотителя была принята равной 75 мм.
В поглотителе имеются два отверстия, в которых размещены терморезистор и нагревательная катушка. Последняя представляет собой свинцовый стержень с резьбой, на который намотана манганиновая проволока диаметром 0,07 мм с шагом, равным переходной кривой, для свинца при =50 МэВ. Выведенные наружу короткие концы проволоки припаяны к контактам, прикреплённым к поглотителю с помощью изоляторов из фторопласта и эпоксидной смолы. Сопротивление выведенных проводов пренебрежительно мало по сравнению с сопротивлением всей катушки, остальные соединения выполнены медными проводами, так что практически вся подводимая электрическая мощ 59 ность во время калибровки выделяется внутри поглотителя. Для обеспечения надёжного теплового контакта с телом поглотителя катушка заливается сплавом Вуда. В другое отверстие помещается терморезистор, который также заливается сплавом Вуда. Так как при облучении тепловыделение по длине поглотителя происходит неравномерно из-за особенности взаимодействия фотонов высокой энергии с веществом, то необходимо знать на каком расстоянии от передней поверхности поглотителя должен находиться терморезистор.
Определение места размещения терморезистора.
Из общих соображений следует, что терморезистор нужно размещать в точке, которая соответствует максимуму переходной кривой, т.к. в этой области происходит максимальное тепловыделение при облучении поглотителя. В работе [44] этот вопрос был рассмотрен экспериментально. Было качественно показано, что если терморезистор расположен вблизи максимума переходной кривой, то в течение 1-2 мин после облучения происходит быстрый рост сопротивления терморезистора. Наоборот, когда терморезистор находится в области, далёкой от максимума, после окончания облучения сопротивление терморезистора продолжает некоторое время уменьшаться. Изменение сопротивления терморезистора обусловлено тем, что, во-первых, время распространения теплоты за счёт теплопроводности конечно и; во-вторых, скорость увеличения температуры поглотителя за счёт поглощения фотонов тормозного излучения сравнима со скоростью уменьшения температуры за счёт: теплообмена поглотителя с окружающей средой. Следовательно, как видно из результатов работы [17], нужно точно знать, в каком месте должен располагаться терморезистор.
Определение энергии, уносимой из поглотителя рассеянным излучением
Измерение потока энергии тормозного излучения в ваттах основывается на ионизационном действии фотонов тормозного излучения в воздухе и осуществляется с помощью квантометра, в основе конструкции которого лежит метод переходных кривых. Для измерения потока энергии тормозного излучения: с помощью этого метода не требуется детального знания переходной кривой, а необходимо знать только площадь под этой кривой. На этом принципе и построен данный квантометр, который осуществляет автоматическое интегрирование переходной кривой, то есть находит площадь под этой кривой.
Напомним, что переходная кривая представляет собой зависимость ионизации і в малой газовой полости от толщины вещества t перед полостью. По мере увеличения толщины материала ионизация сначала возрастает, а затем, достигнув максимального значения при толщине, примерно равной среднему пробегу электронов, плавно начинает убывать. Особенностью переходной кривой является то, что при больших толщинах её ход хорошо описывается экспо-нентой ехр(-ц/), ц. - коэффициент ослабления излучения, равный минимальному значению в рассматриваемом веществе. Эта особенность переходной кривой позволяет разбить кривую на две части:
Экспоненциальный хвост, интегрируемый аналитически; 2. Основная часть, аналитический вид, которой неизвестен и площадь под этой частью может быть вычислена методами приближённого интегрирования.
Известно, что методы приближенного интегрирования основаны на использовании квадратурных формул, которые осуществляют интерполяцию любой кривой по её значениям в нескольких точках-узлах. В нашей задаче такая формула будет иметь вид: где tk - узлы интерполирования; Аь интерполяционные коэффициенты.
Отсюда становится ясной конструкция прибора, необходимого для интегрирования переходной кривой. Он должен представлять собой многозазорную ионизационную камеру, расположение зазоров в которой соответствовало бы узлам формулы (3.34). Зазоры должны быть выбраны такими, чтобы весь собираемый заряд был пропорционален площади под переходной кривой. Обо-, значим ширину k-го зазора через а тогда ионизация в этом зазоре равна щ-iit), а полный заряд определяется как:
Сравнение выражений (3.34) и (3.35) показывает, что для выполнения пропорциональности между собираемым зарядом и площадью под переходной кривой необходимо, чтобы выполнялось следующее условие:
Если величина одного из зазоров задана, то все остальные определяются выбранной квадратурной формулой через соотношение (3.36). Для получения полной площади под кривой необходимо определить площадь под оставшейся частью, которая находится аналитически: S =jirexp[-n(t-I)]-dt = , (3.37). где U - ионизация на глубине /. Следовательно, собираемый в квантометре заряд следует увеличить на некоторую величину q , поместив дополнительный зазор на глубине /:
Для сохранения пропорциональности между собираемым зарядом и площадью под переходной кривой нужно выполнить условие:
Эта формула связывает величину добавочного зазора с основными размерами квантометра. Толщина последней пластины должна быть взята такой, чтобы скомпенсировать обратное рассеяние электронов. Итак, квантометр представляет собой многозазорную ионизационную камеру, толщины электродов которой определяются расположением узлов квадратурной формулы, а ширина зазоров между электродами пропорциональна весам формул (3.36) и (3.39). При выборе подходящей формулы интегрирования основным критерием является требование точного интегрирования переходной кривой. Исходя из этого требования, а также из анализа результатов работы [44] нами была выбрана для интегрирования формула Гаусса. На основе этой формулы была рассчитана конструкция квантометра, в которой были заложены следующие требования.
Общие требования к квантометру
1. Для того, чтобы интегрирование переходной кривой проводилось в соответствии с выбранной формулой, величина всех зазоров должна быть выдержана с высокой точностью по всей площади. При применении обычных меха 75 нических средств измерения (щупы, мерные плитки) погрешность установки составляет не менее 0,01 мм. Это приводит к погрешности 0,5% при зазоре шириной 2 мм, а при зазоре 1 мм - 1% и так далее. Отсюда следует, что для достижения высокой точности ширина зазора должна быть не менее 1 мм.
2. С другой стороны, газовые промежутки должны быть как можно небольшими, чтобы их наличие не вносило заметное искажение в спектр электронов. Следует также иметь в виду» что в случае больших зазоров становятся существенными потери на ионизацию за счет электронов, рассеянных на большие углы. Оба эти требования выполняются при наличие зазоров шириной в несколько мм.
3. Чтобы обеспечить жёсткость конструкции, пластины должны иметь толщину не менее 4-5 мм
К веществу, из которого изготовлены пластины, предъявлялись следующие требования. Оно должно быть проводящим, чтобы обеспечить собирание ионов во всех зазорах без использования каких-либо дополнительных покрытий. Материал в химическом отношении должен быть чистым и простым по составу, т.к. трудно будет точно рассчитать чувствительность квантометра. Для более полного поглощения фотонов необходимо применять вещества, обладающие большим коэффициентом: поглощения. Наконец, материал пластин должен быть механически прочным и легко обрабатываться. Наиболее полно этим требованиям отвечает медь марки Ml, из которой и были сделаны пластины квантометра.
Что касается выбора газа- наполнителя, то самым простым является воздух. Наш квантометр выполнен свободно-воздушным. Для удаления из него водяных паров использовался осушитель-силикагель. Воздушное наполнение имеет тот недостаток, что при больших интенсивностях тормозного излучения оказывается слишком малой эффективность собирания ионов.
