CC BY
15
УДК 53.083.94
ИЗМЕРИТЕЛЬ МОЩНОСТИ ДОЗЫ ИМПУЛЬСНОГО ФОТОННОГО 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
Т.Н. Нурмагомедов
кандидат технических наук, ИО заведующего кафедрой физики Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск
E-mail: t.nurmagomedovQamchs.ru
Аннотация. В статье обоснованы предложения по выбору рациональных параметров измерительного устройства мощности дозы и дозы за импульс фотонного излучения высокой интенсивности. В частности, предложена конструкция первичного измерительного преобразователя, выполненного в форме стеночной ионизационной камеры, снабженной компактным полоско-вым волноводом. Разработаны принципиальная схема измерительного тракта и алгоритмы преобразования первичной информации в мгновенные значения мощности дозы и дозы за импульс излучения. Мощность дозы определяется по изменению затухания электромагнитной волны, проходящей через волновод, заполненный ионизированным воздухом. Данный метод измерения мощности дозы, при соблюдении ряда условий, позволяет получить абсолютные значения мощности дозы без привязки к эталонным полям излучений. 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, связанных с радиационной опасностью.
Ключевые слова: мощность дозы, фотонное ионизирующее излучение, стеночная ионизационная камера, полосковый волновод, затухание электромагнитной волны, скорость образования ионов.
Цитирование: Морозов H.H., Нурмагомедов Т.Н. Измеритель мощности дозы импульсного фотонного излучения высокой интенсивности // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2022. № 1 (52). С. 27 - 33.
Короткие мощные импульсы фотонного ионизирующего излучения (далее — ИИ) являются мощным поражающим фактором при воздействии на живые организмы и современную электронную технику [1]. Разработка методов и средств, способных оперативно определять высокие значения импульсных доз излучений, а также способных в реальном времени преобразовывать величину дозы в электрический сигнал, является актуальной научной задачей, поскольку их применение позволяет предотвратить негативные последствия чрезвычайной ситуации (далее — ЧС) в условиях нахождения людей и электронной техники в зоне ионизации мощных источников излучений [2].
В настоящее время разрабатываются дозиметры, позволяющие регистрировать импульсы с высокой мощностью дозы (далее — МД) в полях излучения с микросекундной длительностью импульса [3]. Основным недостатком этих устройств является длительное время об-
работки результатов измерений для определения МД.
С помощью рассматриваемого в настоящей статье устройства может быть реализован метод измерения МД, основанный на регистрации затухания высокочастотной электромагнитной волны в ионизированном газе, предложенный и теоретически обоснованный в работе [2].
В области измерений мощных импульсных ИИ до настоящего времени не созданы специальные эталонные средства измерений, предназначенные для хранения и воспроизведения единиц физических величин [4, с. 34]. Хотя мощные импульсные излучатели, на которых проводятся основные радиационные испытания современной техники, обеспечивают мощность дозы от 107 до 1011 Р/с [4, с.35].
Эталоны (поверочные установки) работают только в статическом режиме и основаны на применении ионизационных камер, работающих в режиме полного сбора ионов. Эти ка-
2022'! (52)
меры мало приспособлены к импульсным измерениям и большим мощностям доз.
Если дозиметрические измерения ироисхо-дят в непосредственной близости тел, имеющих атомный номер и плотность, значительно отличающиеся от газа в ионизационной камере, то ионизация в камере может сильно отличаться от ионизации в однородной среде. Это связано с тем, что электроны, освобожденные жестким фотонным излучением из окружающих камеру тел, могут ионизировать газ в камере. Чтобы избежать этого явления, которое может привести к существенным искажениям результатов измерений МД, ввиду разной зависимости ионизации различных материалов от энергии излучений, стенки ионизационной камеры должны иметь толщину больше, чем максимальная длина пробега вторичных электронов, но быть прозрачными для фотонного излучения [5, с.98]. Такие камеры получили название стеночных. Они используются для регистрации излучений с широким энергетическим спектром, к которым относятся фотонные импульсные излучения высокой интенсивности, имеющие, как правило, тормозную природу.
Для получения абсолютных значений дозы
и МД с помощью стеночных камер должны выполняться определенные условия. Прежде всего, стенки камеры должны быть газ эквивалентными, иначе говоря, эффективный атомный номер стенки должен быть таким же, как у газа. Это исключает зависимость показаний от энергии излучений, особенно в области преобладания фотоэффекта (при энергии фотонов менее 200 КэВ), где выход электронов, освобожденных излучением, пропорционален кубу атомного номера.
Толщина стенки выбирается так, чтобы выполнялось условие электронного равновесия [5, с. 100]. Суть электронного равновесия заключается в том, что все электроны, освобожденные фотонным излучением и попадающие в полость камеры, рождаются только в материале стенки камеры. Это условие будет выполняться, если максимальный пробег электронов в стенке камеры меньше толщины стенки.
Если газовая полость достаточно мала, то освобожденные электроны в основном будут рождены в стенке, а не в самой полости. При этом соотношение мощностей доз в стенке и в газе определяется из выражения [5, с.92]
Wcт —
где 7ст и Рст - массовая тормозная способность и плотность стенки соответственно.
При заполнении полости камеры воздухом и в условиях, когда стенки камеры изготовле-
7ст Ра
Ж,
^г Рг
(1)
ны из воздух эквивалентного материала тормозные способности стенки и газа уравниваются. В этом случае соотношение (1) принимает вид
Wcт —
Метод полного сбора ионов является абсолютным, иными словами позволяет получить абсолютные значения МД и дозы за определенное время. Однако дозиметрия коротких импульсов практически исключает использование этого метода. Второе ограничение использования этого метода связано с тем обстоятельством, что при интенсивном излучении для обеспечения режима насыщения приходится увеличивать напряжение на электродах вплоть до значений, когда электроотрица-
Рг
(2)
тельные ионы, получив значительную энергию от поля в соударениях с нейтральными молекулами, начинают терять прилипшие к ним электроны. В этих условиях увеличивается проводимость газового промежутка и вольт-амперная характеристика не имеет участка насыщения, что приводит к ограничению в измерении МД не выше 102 Р/с.
Для получения абсолютных значений МД любым ионизационным методом необходимо получить сведения о скорости образования
ионов в единице объема газа. В работе [2] показано, что этот параметр может быть получен измерением затухания электромагнитной волны в волноводе, заполненном ионизированным воздухом плотностью, близкой к нормальной.
Использование волновода предполагает распространение зондирующей волны в объеме, заполненном воздухом и ограниченном вы-сокопроводящей поверхностью (чаще всего металлом). Наличие металла вблизи рабочего тела приводит к тому, что вторичные электроны, ионизирующие воздух в волноводе, выбиваются в основном первичным фотонным излучением из металла. Для фотонов с энергией порядка менее 1 МэВ основными механизмами формирования потоков вторичных электронов в среде, подверженной воздействию фотонного излучения, являются эффект Комптона и внутренний фотоэффект. Интенсивность эффекта Комптона пропорциональна первой степени, а для фотоэффекта - третьей степени атомного номера металла Z. Это, в конечном счете, приводит к существенным искажениям, так как скорость ионизации д формируется лавинами вторичных электронов, рожденных не в воздухе (стандартной среде), а в значительной степени в металле, где Zэф может существенно отличаться от Z воздуха.
Выходом из данной ситуации может явиться использование в качестве стенки волновода воздух эквивалентной пластмассы с Zэф, равным Z воздуха, с последующим напылением на нее металла таким образом, чтобы электроны, порожденные фотонным излучением, вылетали преимущественно из воздух эквива-
лентной стенки, а не из металла.
Напыление на внешнюю поверхность стенки волновода приводит к необходимости учитывать особенности распространения волны в сложной для анализа среде «диэлектрик и газ». Диэлектрик при этом должен иметь малый тангенс угла потерь на сверхвысоких частотах (далее — СВЧ), что сильно усложняет задачу выбора материала стенки.
Испытание работоспособности волноводно-го измерителя может проводиться лишь на мощных электрофизических установках, в которых излучение имеет вид пучка, то есть имеет значительные поперечные градиенты. Это предполагает некоторую компактность чувствительной части первичного волноводного преобразователя.
Стенка первичного измерительного волноводного преобразователя была изготовлена из воздух эквивалентного материала - полиме-тилметакрилата. Толщина стенки выбиралась из расчета пробега электрона с энергией 2 МэВ и составила величину 7,1 мм.
Волновод должен быть выполнен в виде несимметричной полосковой линии и рассчитан на волновое сопротивление стандартного коаксиального измерительного высокочастотного тракта 50 Ом. Для создания компактного первичного преобразователя потенциальный электрод полосковой линии должен быть нанесен методом напыления алюминия в вакууме в форме узкой полосы на цилиндрический каркас из полиметилметакрилата, охватывающей его по спирали, как это представлено на рисунке 1.
Рисунок 1 - Облик первичного измерительного волноводного преобразователя
20221 (52)
Упомянутый цилиндрический каркас 8 (рисунок 2) является частью стенки камеры. Совместно с другой цилиндрической частью стенки 9, выполненной в форме втулки с цилиндрическими выступами, они образуют сте-ночную камеру с высотой полости 0,5 мм. На внутренней цилиндрической поверхности втулки методом напыления в вакууме нанесен заземленный электрод 5 в форме сплош-
ной цилиндрической поверхности. Электроды полоековой линии 1 и 5 соединены с остальным измерительным трактом коаксиальными вводами 4. Такая конструкция исрвичного измерительного волноводного преобразователя позволяет при габаритном размере 750 мм получить длину волновода порядка одного метра.
Рисунок 2 Чертеж волноводншх) первичного измерительного преобразователя: 1 потенциальный электрод полоекового волновода; 2 полость ионизационной камеры; герметичный корпус; 4 коаксиальные СВЧ вводы; 5 заземленный электрод полоекового волновода; 6 медные вставки; 7 штуцер; 8 каркас со спиралевидным полоековым электродом; 9 втулка с заземленным электродом на ее внутренней цилиндрической
поверхности
Для заполнения камеры осушенным воздухом при фиксированном давлении первичный преобразователь заключен в герметичный корпус 3 из нержавеющей стали толщиной 0,4 мм и снабжен штуцером 7 из отожженной меди для последующей холодной отпайки.
Для обеспечения надежной гальванической связи между полоековым электродом и центральной жилой коаксиального ввода предусмотрены миниатюрные медные вставки 6, которые предварительно должны быть покрыты оловом гальваническим методом, что послужит протектором от образования гальванической нары медь-алюминий.
Разработанный первичный преобразователь отвечает условию Брегга-Грея и имеет гомогенный объем, что обеспечивает достоверную интерпретацию результатов измерений.
Как уже отмечалось, по скорости образования ионов в единице объема воздуха при соблюдении ряда условий можно судить о МД излучения. В работе [2| показано, что скорость образования ионов, пропорциональна изменению интегрального затухания электромагнитной волны в ионизированном излучением воздухе. Там же показано, что в широком диапазоне МД в воздухе нормальной плотности значение проводимости определяется электрон-
ной компонентой с высоким временным разрешением, повторяет форму импульса излучения и может быть однозначно связано со скоростью образования ионов посредством из-
вестных электрофизических констант. Мощность дозы связана непосредственно с измеряемой величиной (с изменением интегрального затухания волны в волноводе) соотношением
(*) = 1,2 * 102
где и0 - сигнал на СВЧ детекторе без облучения датчика, и(¿) - сигнал на СВЧ детекторе в моменты действия импульса излучения, с скорость света в системе СГС, А и А - длина волны в свободном пространстве и в волноводе соответственно, I - длина волновода, заполненного ионизированным воздухом.
,р/с (3)
Необходимо отметить, что в полоековом волноводе распространяется волна типа ТЕМ и в предложенной конструкции первичного преобразователя длины волн в волноводе и свободном пространстве равны.
С учетом формулы (2) выражение (3) можно привести к виду
W(¿) = 1,2 * 102
Для получения достоверных результатов МД однократных импульсов измерительный СВЧ тракт необходимо дополнить высокоскоростным и достаточно чувствительным датчиком ионизирующих) излучения, необходимым для запуска системы импульсной регистрации. В качестве такого элемента измерительного тракта может быть взят высокоскоростной преобразователь на основе сцинтил-лятора из стильбена и фотодиода.
Высокая чувствительность такого индика-
ргс
, Р/с
(4)
рст 4к\Г""и (¿);
тора к ИИ может приводить к ложным срабатываниям, например, систем оповещения. Для предотвращения ложных срабатываний измерительный тракт должен содержать схему совпадений, когда только при наличии двух сигналов одновременно сигнал поступает на дальнейшую обработку в информационно -измерительную систему.
Принципиальная схема измерительного тракта приведена на рисунке 3.
Рисунок 3 Принципиальная схема измерительного тракта высокоскоростного волноводного дозиметра: 1 поток ИИ; 2 волноводный первичный измерительный преобразователь; 3 СВЧ генератор; 4 ферритовый вентиль; 5 детекторная секция; 6 регистратор импульсов; 7 цифровой вольтметр; 8 сцинтилляционный датчик ИИ; 9 усилитель формирователь; 10 схема совпадений; 11 информационно - измерительная система;
12 защита от ИИ
2022Т (52)
Импульс ИИ 1 воздействует на волновод-ный измерительный преобразователь 2, вызывая ионизацию воздуха в полости камеры, что приводит к импульсному затуханию СВЧ волны в волноводе. В детекторе 5 формируется импульсное уменьшение постоянной составляющей выпрямленного СВЧ сигнала. Импульсную составляющую фиксирует импульсный регистратор 6, а постоянная составляющая выпрямленного СВЧ тока фиксируется цифровым милливольтметром 7. Ранние этапы формирования импульса излучения фиксируются чувствительным высокоскоростным сцинтилляционным датчиком 8. Сигнал с датчика 8 усиливается формирователем 9 и поступает на вход регистратора импульсов 6 и на один из входов схемы совпадений 10. Если на второй вход схемы совпадений 10 поступает одновременно сигнал и с регистратора импульсов 6, схема 10 оцифровывает сигнал с регистратора и передает на вход информационно измерительной системы 11 для дальнейшей обработки. Информационно-измерительная система 11 в соответствии с рабочей формулой по изменению затухания волны, вызванному ИИ в данный момент времени, определяет МД. Изменение величины затухания определяется как натуральный логарифм отношения разности между уровнем постоянной составляющей с детектора 5, зафиксированной вольтметром 7 и амплитудой импульсного сигнала с регистратора 6 в данный момент времени. Доза за импульс определяется системой 11 интегрированием мгновенных
значений МД по времени.
Необходимо отметить, что при малых изменениях затухания волны в волноводе (амплитуда импульса более чем в три раза меньше постоянной составляющей с СВЧ детектора) амплитуда импульсного сигнала с детектора линейно связана с МД.
Разработанное устройство, которое реализует метод измерения уровня МД по затуханию электромагнитной высокочастотной волны в ионизированном излучением воздухе, теоретически обоснованный в работах [2, 6], позволяет определять мгновенные значения МД без привязки к существующей поверочной схеме в диапазоне мощностей доз от 3*106 до 3*10° Р/с с временным разрешением 10-8 с.
Предлагаемое устройство совместимо с современными информационно-измерительными системами и может давать сведения в реальном времени о мгновенных значениях МД и интегральной дозы за импульс фотонного жесткого излучения высокой интенсивности.
Технико-экономическая эффективность настоящей разработки вытекает из возможности внедрения устройства в системы оперативного оповещения об опасных дозах облучения людей и современной электронной техники, которая весьма чувствительна к ионизирующему излучению высокой интенсивности. Следует отметить, что разработанный измеритель МД не нуждается в дорогостоящей и весьма сложной процедуре калибровки в эталонных полях интенсивных излучений.
Литература
1. Морозов Н.Н., Гнатюк B.C. Метод защиты электронной аппаратуры от импульсного рентгеновского излучения / Вестник МГТУ (Труды Мурманского гос. техн. университета). - Мурманск: 2017. Т. 20. № 4. С.729 - 733.
2. Морозов Н.Н., Евсеев В.Н., Чечеткина Н.В. Метод регистрации интенсивного импульса жесткого излучения в реальном масштабе времени / / Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. - Химки: 2020. № 3 (46). С. 62 - 69.
3. Intercomparison of personal and ambient dosimeters in extremely high-dose-rate pulsed photon fields/ G. Zorloni, I. Ambrozova, P. Carbonez et al. Radiation Physics and Chemistry. 10.1016 / j.radphyschem.2020.108764.
4. Тарасенко Ю.Н. Вторичные эталоны единиц измерения ионизирующих излучений: монография. - М.: Техносфера. 2011. 458 с.
5. Голубев Б.П. Дозиметрия и защита от ионизирующих излучений. - М.: Атомиздат. 1976. 503 с.
Морозов H.H., Гнатюк B.C. Метод измерения ионизационного эффекта, индуцированного импульсом излучения высокой интенсивности/ Наука Юга России (Вестник Южного научного центра РАН). - Ростов-на-Дону: 2020. Т. 16. № 1. С. 12 - 17.
HIGH-INTENSITY PULSED PHOTON RADIATION DOSE RATE MEASURING
DEVICE
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
Timur NURMAGOMEDOV
candidate of technical sciences, head of the department of physics Civil Defence Academy EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow region, city Khimki, md. Novogorsk
E-mail: t.nurmagomedovQamchs.ru
Abstract. The article discusses the main points of the development of a measuring device for the dose rate and dose per pulse of high-intensity photon radiation. In particular, the design of a primary measuring converter made in the form of a wall ionization chamber equipped with a compact strip waveguide has been developed. A schematic diagram of the measuring path and algorithms for converting primary information into instantaneous values of the dose rate and dose per radiation pulse have been developed. The dose rate is determined by the change in the attenuation of an electromagnetic wave passing through a waveguide filled with ionized air. The method of measuring the dose rate, based on recording the attenuation of a high-frequency electromagnetic wave in a gas ionized by radiation under a number of conditions, allows us to obtain absolute values of the dose rate without reference to the reference radiation fields. Devices that allow to quickly record the dose level of pulsed ionizing radiation in real time are of great practical interest as an element of information and measurement systems for warning about emergency situations (emergencies) associated with large doses of radiation.
Keywords: dose rate, photonic ionizing radiation, wall ionization chamber, strip waveguide, attenuation of an electromagnetic wave, the rate of ion formation.
Citation: Morozov N.N., Nurmagomedov T.N. High-intensity pulsed photon radiation dose rate measuring device // Scientific and educational problems of civil protection. 2022. № 1 (52). S. 27 - 33.
References
1. Morozov N.N., Gnatyuk V.S. Method of protection of electronic equipment from pulsed X-ray radiation / Vestnik MSTU (Proceedings of the Murmansk State Technical University, university). - Murmansk, 2017. Vol. 20, No. 4. - S. 729 - 733.
2. Morozov N.N., Evseev V.N., Chechetkina N.V. Method of registering an intense pulse of hard radiation in real time / Scientific and educational problems of civil protection. - Khimki - 2020, No. 3 (46). -S. 62 - 69.
3. Intercomparison of personal and ambient dosimeters in extremely high-dose-rate pulsed photon fields/ G. Zorloni, I. Ambrozova, P. Carbonez et al. Radiation Physics and Chemistry. 10.1016 / j. radphyschem. 2020. 108764.
4. Tarasenko Yu.N. Secondary standards of measurement units of ionizing radiation: monograph. - M.: Technosphere, 2011 - 458 s.
5. Golubev B.P. Dosimetry and protection from ionizing radiation. - Moscow: Atomizdat, 1976 - 503 s.
6. Morozov N.N., Gnatyuk V.S. Method of 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.
