Детектирование потока энергии фотонов и их потерь при взаимодействии излучения с веществом

СОДЕРЖАНИЕ
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
2.1. Ионизационный метод %
2.1.1. Толстостенная ионизационная камера
2.1.2. Метод переходных кривых
2.1.3. Метод разности пар из тонких поглотителей
2.2. Сцинтиляционный метод
2.3. Калориметрический метод
2.4. Метод магнитного парного спектрометра
2.5. Заключение
3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КАЛОРИМЕТРИЧЕСКОГО И ИОНИЗАЦИОННОГО МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКА ЭНЕРГИИ
3.1. Источник фотонов тормозного излучения
3.2. Основы измерения единицы потока энергии
3.2.1. Измерительная схема калориметра
3.2.2. Поглотитель калориметра
3.2.3. Определение места размещения терморезистора
3.2.4. Определение постоянной термостата
3.2.5. Оценка тепловых потерь в термостате
3.2.6. Регистрирующая аппаратура
3.3. Квантометр
74
76
78
83
89
90
93
93
95
96
105
107
111
111
112
117
117
123
3.3.1. Общие требования к квантометру
3.3.2. Расчет чувствительности квантометра
3.3.2.1. Ионизационные потери
3.3.2.2. Энергетические спектры электронов
3.3.2.3. Расчет величины Ят
3.3.2.4. Средняя энергия ионообразования
4. ИЗМЕРЕНИЕ ПОТОКА ЭНЕРГИИ КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
4.1. Экспериментальное определение чувствительности калориметра
4.2. Экспериментальное и теоретическое определение полных потерь энергии за счет неполного поглощения фотов в поглотителе
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
4.3. Абсолютные измерения потока энергии фотонов тормозного излучения
4.4. Анализ и оценка погрешности измерения единицы потока энергии тормозного излучения
4.4.1. Случайная погрешность измерения
4.4.2. Систематическая погрешность измерения
5. ИЗМЕРЕНИЕ ПОТОКА ЭНЕРГИИ ИОНИЗАЦИОННЫМ МЕТОДОМ И СОЗДАНИЕ ПОВЕРОЧНОЙ СХЕМЫ
5.1. Экспериментальное определение чувствительности квантометра
5.2. Факторы, влияющие на зависимость чувствительности квантометра от максимальной энергии фотонов
5.2.1. Зависимость средних ионизационных потерь электронов от
4
123
127 129
133 135 137
141
143
144
к
к І
*
. V
максимальной энергии фотонов
5.2.2. Зависимость чувствительности квантометра от фотоядерных реакций и обратного рассеяния
5.2.3. Зависимость чувствительности квантометра от неточного интегрирования переходной кривой
5.3. Метод передачи размера единицы потока энергии фотонов
5.4. Оценка погрешности передачи размера единицы
5.5. Создание поверочной схемы
5.6. Непосредственное сличение камер Р2-СНИИПи Р2-ВНИИМ в диапазоне энергий от 5 до 50 МэВ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
; ВВЕДЕНИЕ
5
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 элек-троядерным.
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 и в 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*2 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-
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 10*-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 [1]. Применение тормозного излучения ускорителей электронов для неразрушающего контроля представляет собой хорошо развитую область практического использования ускорителей - радиационную
дефектоскопию. Ускорители'обладают определенными достоинствами по сравнению 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 пучков 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-
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 3Т(б, п)4Не. 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 ускорителен, 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.Менделесва» 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 1СГ4 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 10'4 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 (A.C. 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.
13
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.