CC BY
9
УДК 53.083.94
ЭКСПРЕСС МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ДОЗЫ ЗА ИМПУЛЬС ИЗЛУЧЕНИЯ
ВЫСОКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ
H.H. Морозов
доктор технических наук, профессор,
профессор кафедры физики
Академия гражданской защиты МЧС России
Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки,
мкр. Новогорск
E-mail: п.п.morozovQamchs.ru
А.И. Мазаник
доктор военных наук, профессор,
главный научный сотрудник
научно-исследовательского центра
Академия гражданской защиты МЧС России
Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки,
мкр. Новогорск
E-mail: а.mazanikQamchs.ru
Е.Ж. Акимбаев
кандидат технических наук, профессор кафедры Оперативного искусства и тактики Национальной гвардии Национальный университет обороны имени Первого Президента Республики Казахстан - Елбасы Адрес: 010000, Казахстан, Нур-Султан, проспект Турана, 72 E-mail: ernar 1974Qmail.ru
Аннотация. В работе рассмотрены теоретические основы метода измерения дозы импульсного излучения высокой интенсивности, основанного на регистрации сдвига собственной частоты объемного резонатора, возникающего при воздействии импульса излучения на газ, заполняющий полость резонатора. Исследованы основные характеристики метода. Предложен путь его реализации и конструкция первичного измерительного преобразователя на основе коаксиального резонатора, нагруженного на емкость. Метод позволяет решить задачу регистрации дозы за короткий импульс фотонного излучения высокой интенсивности.
Ключевые слова: импульсное излучение, доза за импульс излучения, объемный резонатор, высокочастотное зондирование, концентрация электронов, ионизационная камера. Цитирование: Морозов H.H., Мазаник А.И. Экспресс метод измерения дозы за импульс излучения высокой интенсивности // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2021. № 2 (49). С. - .
Короткие мощные импульсы фотонного ионизирующего излучения могут быть серьезным поражающим фактором при воздействии на живые организмы и современную спасательную роботизированную технику [1]. Устройства, позволяющие в реальном времени оперативно фиксировать уровень дозы импульсного ионизирующего излучения, представляют большой практический интерес в качестве элемента информационно-измерительных систем для оповещения о чрезвычайных ситуациях (далее — ЧС), связанных с большими дозами излучения, полученными людьми и электронными системами автоматического управления. Разработка методов и средств, способных оперативно определять уровень высоких импульсных доз излучений, а также позволяющих в реальном масштабе времени преобразовывать дозу в электрический сигнал является актуальной задачей предотвращения негативных последствий
ЧС в условиях нахождения людей и высоко компьютеризированной техники в зоне ионизации мощных источников излучений.
Предлагаемый метод основан на регистрации сдвига собственной частоты объемного резонатора, возникающего при воздействии импульса излучения на газ, заполняющий полость объемного резонатора. Преимущество использования газов в качестве рабочего тела для детектирования излучений вытекает из их высокой радиационной стойкости по отношению к твердотельным детекторам, например, к полупроводниковым [2] и термолюминесцентным [3] дозиметрам и из возможности в широких пределах менять плотность рабочего тела, тем самым варьировать его чувствительность и порог нелинейности. Полупроводниковые методы, обладая высоким временным разрешением, требуют сложной процедуры градуировки для получения абсолютных значений дозы за импульс высокой ин-
тенсивности. Обычно эти методы дополняются интегральными дозиметрами, калиброванными в эталонных полях излучений, например, термолюминесцентными. Для получения конечного результата измерений эти дозиметры после экспозиции нуждаются в нагреве и регистрации люминесценций в специальных лабораториях. Таким образом, эти средства измерений не могут давать информацию о дозе за импульс в реальном масштабе времени и плохо совместимы с управляющими информационно-измерительными системами. Серьезным недостатком твердотельных дозиметров является также зависимость их показаний от энергии излучения, что приводит к дополнительным искажениям. Весьма актуальной является разработка методов и средств измерений дозы за импульс высокой интенсивности лишенных перечисленных недостатков.
Под действием мощного излучения в газе образуется плазма, сходная по многим параметрам с плазмой газового разряда. Эффективным инструментом для ее диагностики являются бесконтактные СВЧ методы, широко используемые в экспериментах с плазмой и в дозиметрии мощных импульсов излучений [4, 5]. В этих работах предлагается в качестве рабочего тела использовать воздух нормальной плотности и судить о мощности дозы по наведенной в нем проводимости. Однако, в этом случае мощность дозы связана с проводимостью посредством электрофизических констант, таких как подвижность электронов проводимости и время жизни их до прилипания к нейтральным молекулам. Эти константы исследованы при относительно низких давлениях воздуха и определены для нормального давления путем экстраполяции, что несколько ухудшает их точность определения.
В данной работе было отдано предпочтение резонаторному методу диагностики, который достаточно полно описан в монографии [6, с. 104]. Он обеспечивает относительно высокую пространственную локальность измерений в сочетании с высокой, по сравнению с другими СВЧ методами, чувствительностью. В СВЧ резонаторе большую часть электрического поля можно локализовать в объеме около 1 см3, применив при этом длинно-
волновую часть СВЧ диапазона, которая в использовании значительно проще сантиметровой его части.
По сдвигу частоты объемного резонатора, заполненного газом, который измеряется непосредственно после окончания действия импульса излучения, когда концентрация распадающейся плазмы еще близка к начальной, определяется концентрация свободных электронов, равная плотности ионизации за вычетом потерь электронов в процессе рекомбинации, и их сродства (прилипания) к молекулам и диффузии на стенку.
При определении экспозиционной дозы за импульс целесообразно в качестве рабочего тела выбрать воздух, так как она была введена в воздухе как в стандартной среде. Металлические стенки объемного резонатора могут эмитировать под действием излучения вторичные электроны в воздух, создавая в нем дополнительную ионизацию, что приводит к искажениям в измерении дозы. Это обстоятельство приводит к необходимости использовать ионизационную камеру с воздух-эквивалентной стенкой. Для уменьшения потерь электронов необходимо заполнять камеру разреженным воздухом. При большой плотности воздуха основным механизмом потерь электронов является процесс их прилипания к молекулам кислорода. В работе [7] экспериментально исследован этот процесс в широком диапазоне давлений в условиях облучения воздуха релятивистским пучком электронов. Было показано, что среднее время жизни электронов обратно пропорционально квадрату давления. Уже при давлениях порядка долей кПа время жизни электронов может составлять величину порядка нескольких миллисекунд. Если проводить измерения за время 10-5с потерями электронов, связанными с их прилипанием к молекулам, можно пренебречь. В таком случае концентрация свободных электронов в воздухе однозначно характеризует дозу за импульс.
В первом приближении теории малых возмущений электромагнитных колебаний плазмой сдвиг собственной частоты Дi объемного резонатора, обусловленный введением в его объем плазмы, линейно связан с концентрацией электронов пе, усреднённой по объему ре-
зонатора [6, с. 109].
а / = 2ж—.с„ п-Л, (1)
2 жт / уг где е и т - заряд и масса электрона; / - зондирующая частота; ур - объем плазмы в резонаторе; IV - объем резонатора; - коэффициент формы поля Е, который определяется из выражения
С1> —
? I2 V
-/р\ Ур
(2)
1иг |Ер| Ер
в плазме, а интеграл берется по всему объему резонатора. Последнее соотношение справедливо, когда чувствительная часть резонатора заполнена однородной плазмой и объем плазмы занимает относительно небольшой объем резонатора. Минимальные значения сдвига частоты, которые могут быть измерены, определяются добротностью резонатора без плазмы Q
(7).
\ •> / тгг,
Л
Q,
(3)
соба измерений, его значение обычно находится в пределах 0,1 - 0,3 [6, с. 110].
Максимальное значение концентрации электронов, при котором можно использовать резонаторный метод, определяется границами применимости линейных соотношений теории возмущений. Обычно максимальное значение концентрации близко к критическому п- кр. = 1,24 * 1010 /р2,см-3(Др* 1 в ГГц).
С учетом вышеприведенных ограничений для зондирующей частоты 1 ГГц, добротности ^ ^ ^^^^ ^ ^^^^^ициента формы С^ = 0,3 динамический диапазон измерений концентраций электронов составляет 1,6 * 108 - 1,2 * 1010 3
3
ответствует диапазону экспозиционной дозы (0,14 - 9,0) Р или (0,36 - 23) 10-4 Кл/кг. Изменением плотности газа и использованием смеси гелия и неона диапазон может быть суще-
ственно расширен, как в меньшую, так и большую стороны. Верхний предел измерений может быть существенно увеличен использованием высоких зондирующих частот. Увеличивая частоту до 10 ГГц, величина верхнего предела может быть увеличена на два порядка.
Ионизационная камера, заполненная разреженным воздухом, размещена в емкостном зазоре резонатора, где сосредоточена электри-
Е
но на рисунке 1, так как с заряженными частицами плазмы взаимодействуют только электрическая компонента поля.
Как уже отмечалось, дециметровая часть СВЧ-диапазона значительно более удобна в реализации метода, что связано с меньшими затуханиями в подводящих кабелях связи и более простой реализацией измерительного тракта, чем в сантиметровом диапазоне длин волн.
Все сказанное диктует необходимость выбора конструкции резонатора, который был исполнен в виде четвертьволнового коаксиального резонатора, нагруженного на емкость, в зазоре которой расположена ионизационная камера (рисунок 1). В области сосредоточения магнитного поля резонатор выполнен из меди с высокой чистотой поверхности полости резонатора для обеспечения его высокой добротности. В той части, где располагается камера резонатор сделан из алюминия с толщиной стенок, не превышающих одного миллиметра. Такая конструкция резонатора делает практически прозрачной его чувствительную часть для жесткого фотонного излучения. Стенка камеры из воздух-эквивалентной пластмассы имеет толщину 7 мм, что обеспечивает условие электронного равновесия, т.е. гарантию того, что большая часть вторичных электронов, освобожденных излучением, будут образованы в стенке камеры. Это обстоятельство дает уверенность, что результат измерений не будет зависеть от энергетического спектра фотонного излучения в диапазоне от 1,5 МэВ до 50 КэВ, что вполне удовлетворяет потребности практики.
2
1
2
Рисунок 1 Объемный СВЧ резонатор (первичный измерительный преобразователь), 1 ионизационная камера; 2 газовая полость; 3- петли связи с измерительным трактом;
4 трубка для откачки воздуха
После окончания действия источника излучения в плазме кроме прилипания электронов к нейтральным молекулам будет протекать амбиполярная диффузия заряженных частиц на стенку, которая при низких давлениях может оказывать существенное влияние на баланс заряженных частиц в камере. При малых давлениях, длительность распадающейся плазмы составляет порядка единиц миллисекунд. Если проводить измерения сразу после окончания импульса излучения в течение времени порядка 10-5с, то потери электронов могут составлять не более 15-20 %. Начальная электронная концентрация (концентрация в конце импульса излучения) характеризует ионизацию газа в полости, которая пропорциональна давлению газа и может быть пересчитана в экспозиционную или поглощенную дозу в воздухе нормальной плотности. Таким образом, получаем метод абсолютных измерений доз за импульс микросекундной и бо-
лее короткой длительности.
Вопрос влияния потерь электронов на первых стадиях распада плазмы на точность измерения дозы за импульс может быть решен рассмотрением процесса амбиполярной диффузии электронов на стенку камеры.
Диффузионные потери можно оценить нестационарным уравнением диффузии
^ = У(Оупе), (4)
где пе - концентрация свободных электронов, И - коэффициент амбиполярной диффузии.
Уравнение (4) для плоекопараллельной камеры с начальными и храничными условиями:
пе(0,х) = п0, 0) = 0 и пе(1,й) = 0 , где (I - расстояние между стенками; £ - время с момента окончания импульса радиации; х расстояние от границы стенки,
можно решить разложением в ряд по собственным функциям:
IT)
X
exp
-{^fWaKk/d)21
(5)
те
ne(x,t) = ^ Ак sin к= 1
Сверхвысокочастотное зондирование является объемным, поэтому необходимо оценивать средние потери электронов по объему газового промежутка. Расчеты показывают, что в начальный момент времени первая диффузионная мода составляет 81 % всех электронов, вторая 9 % всех электронов, третья - 3,2 % всех электронов и т. д. В процессе диффузии высшие моды быстро затухают. В расчетах расстояние d = 10 мм, коэффициент диффузии Da = 2*104 см2с-1 Па [8]. Диффузионным потерям в 10 % соответствует время 10-5с.
Основная погрешность метода складывается из погрешностей, связанных с использованием линейного приближения теории возмущений волны плазмой и потерями электронов за время измерений. Влияние первой составляющей заметно на верхней границе измерений. Вторая составляющая зависит от времени измерения частотного сдвига. Первая составляющая методической погрешности может быть сведена к единицам процента оценкой второго члена разложения теории малых
возмущений волны плазмой. Вторая составляющая может быть существенно уменьшена меньшим интервалом измерения сдвига частоты резонатора и введением поправок влияния диффузии электронов на стенки камеры. Отметим, что частотные измерения обладают рядом метрологических преимуществ и весьма помехоустойчивы.
Таким образом, в статье предложен и исследован метод регистрации дозы за импульс излучения высокой интенсивности. Такие импульсы возникают при неуправляемых ядерных реакциях, например, могут возникать при авариях на реакторах или при террористических актах на атомных объектах. Этот метод не требует сложных и длительных процедур обработки первичной информации, помехоустойчив, обладает высоким быстродействием и легко совместим с современными информационно-измерительными системами. Может служить детектором в системах оповещения об опасных дозовых полях импульсных излучений высокой интенсивности.
Литература
1. Морозов H.H., Гнатюк B.C. Защита электронного оборудования от импульсного излучения. // Наука Юга России (Вестник Южного научного центра РАН). 2016. Т. 12. № 3. С. 17-20.
2. Альбиков З.А., Немчинов В.М. Детекторы импульсного ионизирующего излучения - М.: Издательство НИЯУ МИФИ. 2016. 216 с.
3. Тарасенко Ю.Н. Вторичные эталоны единиц измерений ионизирующих излучений - М.: Издательство «Техносфера». 2011. 448 с.
4. Морозов H.H., Гнатюк B.C. Метод измерения ионизационного эффекта, индуцированного импульсом излучения высокой интенсивности. // Наука Юга России (Вестник Южного научного центра РАН). 2020. Т. 16. № 1. С. 12-17.
5. Морозов H.H., Евсеев В.Н., Чечеткина Н.В. Метод регистрации интенсивного импульса сверхжесткого излучения в реальном масштабе времени. // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2020. № 3. С. 62-69.
6. Голант В.Е. Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы. - М.: Издательство «Наука». 1968. 327 с.
7. Капинос В.Н. и др. Время жизни электронов в воздухе большой плотности. // Журнал технической физики. 1974. Т. 44. № И. С. 126-133.
8. Мак-Даниель И. Процессы столкновений в ионизированных газах. М.: Издательство «Мир». 1967. 586 с.
EXPRESS DOSE MEASUREMENT METHOD FOR HIGH INTENSITY RADIATION
PULSE
Nikolay MOROZOV
doctor of technical sciences, professor, professor of the department of physics Civil Defence Academy EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow region, city Khimki, md. Novogorsk
E-mail: n.n.morozovQamchs.ru
Alexander MAZANIK
doctor of military sciences, professor,
chief researcher of the research center
Civil Defence Academy EMERCOM of Russia
Address: 141435, Moscow region, city Khimki,
md. Novogorsk
E-mail: a.mazanikQamchs.ru
Yernar AKIMBAYEV
candidate of Technical Sciences, Professor
departments of Operational Art and
national Guard tactics
National Defense University named after
The first President of the Republic
of Kazakhstan - Elbasy
Address: 010000, Kazakhstan, Nursultan,
72 Turan Avenue
E-mail: ernar 1974Qmail.ru
Abstract. The paper considers the theoretical foundations of the method for measuring the dose of high-intensity pulsed radiation, based on recording the shift of the natural frequency of a cavity resonator, which occurs when a radiation pulse acts on the gas filling the cavity of the resonator. The main characteristics of the method are investigated. A way of its implementation and the design of a primary measuring transducer based on a coaxial resonator loaded onto a capacitor are proposed. The method allows solving the problem of registering a dose for a short pulse of high-intensity photon radiation.
Keywords: pulsed radiation, dose per radiation pulse, cavity resonator, high-frequency probing, electron concentration, ionization chamber.
Citation: Morozov N.N., Mazanik A.I. Express dose measurement method for high intensity radiation pulse // Scientific and educational problems of civil protection. 2021. No. 2 (49). p. - .
References
1. Morozov N.N., Gnatyuk V.S. Protection of electronic equipment from pulsed radiation. // Science of the South of Russia (Bulletin of the Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences). 2016. Vol. 12. No. 3. S. 17-20.
2. Albikov Z.A., Nemchinov V.M. Pulsed ionizing radiation detectors - M .: Publishing house of NRNU MEPhl. 2016. 216 s.
3. Tarasenko Yu.N. Secondary standards of measurement units of ionizing radiation - M .: Publishing house "Technosphere". 2011. 448 s.
4. Morozov N.N., Gnatyuk V.S. A method for measuring the ionization effect induced by a high-intensity radiation pulse. // Science of the South of Russia (Bulletin of the Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences). 2020. Vol. 16. No. 1. S. 12-17.
5. Morozov N.N., Evseev V.N., Chechetkina N.V. A method for recording an intense pulse of superhard radiation in real time. // Scientific and educational problems of civil protection. 2020. No. 3. S. 62-69.
6. Golant V.E. Ultrahigh-frequency methods of plasma research. - M .: Publishing house "Science". 1968. 327 s.
7. Kapinos V.N. etc. The lifetime of electrons in high-density air. // Journal of Technical Physics. 1974.Vol. 44. No. 11. S. 126-133.
8. McDaniel I. Collision processes in ionized gases. Moscow: Mir Publishing House. 1967. 586 s.
