CC BY
10
УДК 53.043
МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ ИНТЕНСИВНОГО ИМПУЛЬСА СВЕРХЖЕСТКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ
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: morozov-2006Qyandex.ru
Н.В. Чечеткина
кандидат педагогических наук, доцент, доцент кафедры физики Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки мкр. Новогорск
E-mail: chechetkina-nQyandex.ru
В.Н. Евсеев
кандидат физико - математических наук, доцент, доцент кафедры физики Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки мкр. Новогорск E-mail: evseyevQmail.ru
Аннотация. В статье рассмотрены и исследованы основные характеристики метода регистрации интенсивного импульса сверхжесткого излучения в реальном масштабе времени. В частности исследованы: динамический диапазон, временное разрешение, методическая и динамическая погрешности, а также возможность его технической реализации. Метод основан на измерении ионизационного эффекта, возникающего при воздействии импульса сверхжесткого излучения высокой интенсивности на воздух нормальной плотности. Метод позволит решать задачу регистрации импульса излучения в реальном масштабе времени с наносекундным разрешением в относительно широком динамическом диапазоне мощностей доз (3 * 106 — 3 * 1010 Р/с).
Ключевые слова: импульсное излучение, экспозиционная доза, высокочастотное зондирование, электропроводность ионизированного воздуха.
Цитирование: 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 (46). С. 62 - 69 .
При нештатных и аварийных ситуациях на атомных объектах, а также в зоне ионизации мощных источников с высоким выходом жесткого излучения возникает опасность поражения гражданского населения коротким импульсом излучения высокой интенсивности (3 * 106 — 3 * 1010 Р/с). Даже при микросекундной длительности такого импульса человек может получить опасную дозу (от нескольких единиц зиверт и выше). Опасность такого излучения усугубляется тем, что высокая концентрация радикалов в организме, накопленная за короткое время, негативно влияет на течение лучевой болезни. При этом экстренная терапия может существенно снизить риски летального исхода.
Эффективная, высокоскоростная система регистрации таких явлений с целью оповещения населения может быть создана на основе сверхвысокочастотных (далее — СВЧ) методов диагностики газов, ионизированных
излучением [1, 2]. При использовании в качестве рабочего тела воздуха нормальной плотности можно получить метод абсолютного измерения мощности экспозиционной дозы (далее — МЭД). Это связано с тем обстоятельством, что рентген, в качестве единицы измерения экспозиционной дозы рентгеновского или гамма - излучения, был определен в воздухе, как в стандартной среде. Таким образом, работа по созданию метода регистрации интенсивного импульса сверхжесткого излучения в реальном масштабе времени является актуальной. На основе этого метода может быть создана система оповещения о мощных вспышках рентгеновского излучения, смертельно опасных для населения.
Баланс заряженных частиц определяет проводимость ионизированного воздуха. Уравнения динамического баланса образования заряженных частиц и их убыли в реком-бинационных процессах имеют вид [3]
^ = q — 7п — апМ+
= я — апЫ+ — РИ+И-, (1)
.ТГ = 7п — РМ+М-
где п, И+ и — концентрация электронов, положительных и отрицательных ионов, соответственно;
д — скорость ионообразования в единице объема;
^ = 1,1 * 108 с-1 — скорость сродства электрона к нейтральным молекулам;
а = 4,6* 1Г7 см3 с^1 и /3 = 2,6* 1Г6 см3 с^1
коэффициенты электронной и ион - ионной рекомбинации [3, 4|.
Решение системы (1) проводилось с помощью пакета программ МаЛеаё 2014 методом Рунге Кутта на интервале времени от 0 до 10_5 с. Скорость образования д электрон - ионных пар в 1 см3 воздуха нормальной плотности пропорциональна МЭД (Ш) рентгеновского излучения. Если единицы измерения Ш
рентген в секунду, то согласно определению рентгена
д = 2,082 * 109^.
Ш задана в виде прямоугольного импульса величиной 3 * 108 Р/с и длительностью 10-6 с (график изображен на рисунке 1а пунктирной линией). На рисунке 1 (сплошной линией) а, б, в приведены временные зависимости электронной и ионных концентраций в воздухе, полученные численным интегрированием системы (1).
В работе [3] для воздуха нормальной плотности приведены значения подвижноетей: для электронов = 8.8 * 105 ед. СГСЭ, для положительных ионов = 420 ед. СГСЭ и для отрицательных ионов = 540 ед. СГСЭ.
Рисунок 1 Временные зависимости концентрации электронов а), концентрации положительных ионов б) и концентрации отрицательных ионов в)
На рисунке 2 приведена временная записи- учетом вклада всех ее компонент по формуле, мость проводимости воздуха а, рассчитанная с
к = р (н.п -А-
а = е (реп + 1л.+Ы+ + ^ Ы-)
Рисунок 2 - Зависимость проводимости воздуха а от времени
Из рисунков 1 а) и 2 видно, что проводимость ионизированного воздуха для микросекундных импульсов излучения полностью определяется электронной компонентой. Это объясняется весьма высокой подвижностью электронной компоненты, которая превосходит подвижность ионной компоненты более чем на три порядка. Совпадение временной зависимости проводимости и первично-IX) излучения на временном масштабе порядка 10-7 с объясняется высокой скоростью сродства электронов к нейтралам в воздухе нормального давления [3].
При высокой интенсивности излучения концентрация электронов столь высока, что в воздухе образуется низкотемпературная плазма, которая экранирует низкочастотное поле. Это делает невозможным применение традиционных методов кондуктометрии. СВЧ методы диагностики плазменных образований хорошо себя зарекомендовали еще с пятидесятых годов прошлого столетия, чему посвящен ряд известных монографий, например [5].
При нормальном атмосферном давлении частота столкновений электронов с молекулами воздуха V порядка Ю11^1, что для широкого диапазона зондирующих частот (от сантиметровых до дециметровых волн) позволя-
ет выполнить условие V ^ ш, где ш — циклическая частота зондирующих) поля. Это условие предполагает, что мнимая часть комплексной высокочастотной проводимости плазмы ничтожно мала, а сама проводимость равна ее действительной части [5, с. 16]. Это условие также приводит к тому, что методы зондирования, сводящиеся к измерению фазовых набегов или сдвигов частот в объемных резонаторах, заполненных плазмой, неперспективны в указанных диапазонах. Переход к более высокочастотному диапазону делает эти методы сложными в реализации и дорогостоящими.
Наиболее перспективными и простыми в реализации являются приемы измерения проводимости, основанные на определении затухания СВЧ волны либо в волноводе с плазмой, либо в открытом пространстве, когда волна распространяется между излучающей и приемной антеннами.
При использовании волноводного метода зондирования интегральное затухание Д^, связанное с введением плазмы в волновод, представляет собой выражение
Д^ = /0г Да <1г,
где Да — изменение коэффициента затухания при введении плазмы в волновод.
В первом приближении теории малых возмущений волны плазмой интегральное
где а - проводимость плазмы; X - длина волны в волноводе; Л - длина волны в свободном пространстве; с - скорость света в вакууме; V - объем волновода;
затухание Д^, вызванное введением плазмы в волновод, [5, с. 153] дается соотношением
(2)
5 - сечение волновода; Е - напряженность электромагнитного поля.
Если волновод однородно заполнен ионизированным воздухом, то
Дг/
2п X ¡у яЕ2<Ш сЛ Е2 <1Б ,
Дг/
В случае когда волна распространяется между двумя антеннами
2ж X а1 сЛ .
(3)
Дг/
2жа1
В системе (1) лишь уравнение, характеризующее поведение электронной компоненты, будет представлять интерес для анализа проводимости. Если длительность импульса 10 8
тать квазистационарным и производную концентрации электронов по времени в системе (1) можно положить равной нулю, а связь между скоростью ионизации ц и концентрацией электронов п будет линейной
д = 7п
Проводимость в этом случае определяется из выражения
а
= е^ед
= 7
При известных значениях подвижности электронов ¡л,е и частоте прилипания электронов к молекулам воздуха 7, измеренная тем или иным способом величина проводимости воздуха дает возможность судить об абсолютных значениях МЭД импульсного излучения с погрешностью, определяемой погрешностью этих констант.
При регистрации рентгеновского и гамма излучений сложного спектрального состава всегда возникает проблема зависимости отклика первичного преобразователя от спектра падающего на преобразователь излучения, так называемый «ход с жесткостью». Это связано с сильной зависимостью отклика от атомного номера г рабочего тела первичного преобразователя. Достаточно вспомнить, что внутренний фотоэффект пропорционален [6].
Волновод обычно представляет собой полую металлическую конструкцию. Присутствие металла может сильно исказить результаты измерений из - за существенного отличия эффективного атомного номера среды, где формируются вторичные электроны, от атомного номера воздуха. Использование в качестве стенки волновода воздух эквивалентной пластмассы с равным Z воздуха, с последующим напылением на нее металла, может решить это затруднение.
При детектировании СВЧ сигналов используются детекторы с квадратичной вольт - амперной характеристикой, поэтому реально измеряется не амплитуда поля, а мощность СВЧ поля, проходящего по волноводу. Из формулы (3) может быть получено выражение для проводимости ионизированного воздуха, понимая под интегральным затуханием натуральный логарифм отношения мощности электрического поля на выходе из волновода в отсутствии плазмы, к мощности при наличии плазмы в волноводе
с
а
ск 1п
ХГ
(4)
где Ро мощность на выходе из волновода до облучения;
Р мощность на выходе в моменты облучения.
При использовании метода «свободного пространства», когда ноле распространяется между двумя антеннами, формула (4) имеет вид
с 1п
Ро
а =
4
где I - расстояние между антеннами.
Изучению констант определяющих проводимость посвящены работы [3, 4|. II для воздуха нормальной плотности они составляют = 8,8 * 105 ед. СГСЭ, а 7эф
1,1 * 108 с-1.
Все вышесказанное позволяет получить простую связь между сигналом на детекторе при прохождении волны через волновод с плазмой и мгновенным значением МЭД
W(*) = 1,2 * 102
где и0 - сигнал на СВЧ детекторе без облучения датчика, и(¿) - сигнал на СВЧ детекторе в моменты действия импульса излучения.
Аналогичное соотношение получаем для случая «свободного пространства»
W(£) = 1,2 * 102^ 1п^,Р/с,
Верхнюю границу динами чеекого диапазона метода можно оценить по формуле (5), приняв логарифм равным единице, а I = 0,1 м
ск
1п
и0
4^ X I и (*)
, Р/с.
(о)
Разумно предел чувствительности метода
0,01
10
водит к диапазону применимости метода в пределах от 3 * 106 Р/с до 3 * 1010 Р/с.
На рисунках 3 и 4 приведены временные зависимости концентрации электронов в воздухе и проводимости воздуха для крайних значений динами чеекого диапазона, рассчитанные по алгоритму, описанному выше для МЭД величиной 3 * 108 Р/с.
Рисунок 3 Графики, характеризующие нижнюю границу динамического диапазона: а) зависимость концентрации электронов п от времени; б) зависимость проводимости воздуха а от времени
Рисунок 4 Графики, характеризующие верхнюю границу динамического диапазона: а) зависимость концентрации электронов п от времени; б) зависимость проводимости воздуха а от времени
Графики концентрации электронов и проводимости повторяют форму импульса первичного излучения. Проводимость определяется поведением электронной компоненты во всем динамическом диапазоне. Как видно из рисунка 3 б на нижнем краю диапазона {Ш = 3* 106 Р/с) начинает незначительно влиять на проводимость воздуха его ионная компонента. Это влияние можно учесть соответствующими поправками.
Таким образом, в представленной статье приведены основные положения метода, позволяющих) оценить мгновенные значения МЭД без привязки результатов измерений к эталонным дозным полям жесткого фотонно-IX) излучения. Здесь уместно отметить, что существующие эталонные поля жесткого фотонного излучения имеют МЭД не более 0,1 Р/с. Перенос единицы размерности без значительных искажений на 7 10 порядков величины является сложнейшей технической задачей.
Методи чеекая погрешность измерений МЭД определяется точностью констант, характеризующих электрофизи чеекие свойства ионизированного воздуха. Это частота прилипания электронов проводимости к нейтральным молекулам и их подвижность. Упомянутые константы достаточно хорошо исследованы теоретически и экспериментально, но их значения можно уточнить в исследованиях
на электронных ускорителях периодического действия ввиду высокой воспроизводимости параметров пучка от импульса к импульсу
В работе показано, что при импульсной ионизации воздуха нормальной плотности его электропроводность определяется электронной компонентой. Высокая вероятность сродства электронов к молекулам кислорода в воздухе при давлении, близком к нормальному, приводит к тому, что электропроводность воздуха практически повторяет форму импульса излучения с характерным временем порядка 10_8 ^
Использование высоко частотного зондирования электропроводности воздуха дает возможность, с высокой степенью достоверности, определить мгновенные значения мощности экспозиционной дозы. Отметим, что МЭД является наиболее объективной характеристикой интенсивности первичного фотонного излучения.
Динамические возможности метода принципиально ограничиваются средним временем жизни электронов проводимости, кото-
10 8
ма - рентгеновская вспышка неконтролируемых ядерных цепных реакций обычно длится несколько микросекунд. Вышесказанное позволяет утверждать, что предложенный метод является перспективным для использования
в современных системах мониторинга и опо- источников зондирующего электромагнитно-
вещения населения о кратковременных ин- го поля могут быть использованы многочис-
тенсивных вспышках жесткого фотонного из- ленные стационарные излучатели современ-
лучения и местах локализации опасных доз- ных средств связи сантиметрового и децимет-
ных полей. По мнению авторов, в качестве рового диапазона длин волн.
Литература
1. Виллевальде ! 1.Д.. Морозов H.H. и др. Ионизационная камера для измерения мощности экспозиционной дозы интенсивных импульсных потоков рентгеновского и гамма-излучения. // Атомная энергия. Т. 51. Вып. 3. Сентябрь 1981. С. 190 - 191.
2. Морозов H.H. Ионизационный метод импульсной дозиметрии большой дозы ионизирующего излучения. // Атомная энергия. Т. 71. Вып. 2. Август 1991. С. 149 - 152.
3. Гнатюк B.C., Морозов H.H. Физические основы электропроводности сильно ионизированного воздуха. // Вестник МГТУ. Мурманск. 2016. Т. 19. № 1/2. С. 227 - 131.
4. Морозов H.H., Гнатюк B.C. Метод измерения ионизационного эффекта, индуцированного импульсом излучения высокой интенсивности. // Наука юга России. 2020. Т. 16. №1. С. 12 - 17
5. Голант В.Е. Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы. М.: Наука. 1968. 327 с.
6. Голубев Б.П. Дозиметрия и защита от ионизирующих излучений. М.: Атомиздат. 1976. С. 104 - 105.
METHOD FOR RECORDING AN INTENSE PULSE OF ULTRA - HARD
RADIATION IN REAL TIME
Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Physics
Civil Defence Academy of EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow region, city Khimki, md. Novogorsk E-mail: evseyevQmail.ru
Abstract. The work is aimed at studying the tactical and technical parameters of the method for registering an intense pulse of ultra - hard radiation in real time (hereinafter referred to as the method) its dynamic range, time resolution, methodological and dynamic errors, etc. and the possibility of its technical implementation. The method is based on the measurement of the ionization effect that occurs when a pulse of ultra - hard radiation of high intensity is exposed to air of normal density. The method will solve the problem of registering the radiation pulse in real time with nanosecond resolution in a relatively wide dynamic range of dose rates (3 * 106- 3 * 10
Keywords: pulse radiation, exposure dose, high - frequency sensing, electrical conductivity of ionized air.
Citation: Morozov M.M., Evseev V.N., Chechetkina N.V. Method for recording an intense pulse of ultra - hard radiation in real time // Scientific and educational problems of civil protection. 2020. No. 3 (46). p. 62 - 69 .
Nikolay MOROZOV
doctor of technical Sciences, Professor Professor of the Department of Physics Civil Defence Academy of EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow region, city Khimki, md. Novogorsk
E-mail: morozov - 2006Qyandex.ru Vladimir EVSEEV
Candidate of Pedagogical Sciences,
Associate Professor, Associate Professor of
the Department of Physics
Civil Defence Academy of EMERCOM of Russia
Address: 141435, Moscow region, city Khimki,
md. Novogorsk
E-mail: chechetkina-nQyandex.ru
Nina CHECHETKINA
P/s).
References
1. Villevalde N.D., Morozov N.N., etc. Ionization chamber for measuring the exposure dose rate of intense pulsed x-ray and gamma radiation fluxes. //Atomic energy. Vol. 51. Issue 3. September 1981. S. 190 - 191.
2. Morozov N.N. Ionization method of pulsed dosimetry of a large dose of ionizing radiation. // Atomic energy. Vol. 71. Vol. 2. August 1991. S. 149 - 152.
3. Gnatyuk V.S., Morozov N.N. Physical bases of electrical conductivity of strongly ionized air. // MSTU Bulletin. Murmansk. 2016. Vol. 19. No. 1/2. S. 227 - 131.
4. Morozov N.N., Gnatyuk V.S. Method for measuring the ionization effect induced by a high - intensity radiation pulse. // Science of the South of Russia. 2020. Vol. 16. 1. S. 12 - 17
5. Golant V.E. ultrahigh - Frequency methods of plasma research. Moscow: Nauka. 1968. 327 s.
6. Golubev B.P. Dosimetry and protection from ionizing radiation. M.: Atomizdat. 1976. S. 104 - 105.
