CC BY
43
6. Smetanii M.M. Control of the dynamics of hygroscopic aerosols in the atmosphere of potash and rock-salt mines: abstract. dis. ... doctor of technical sciences. S-Pb, 1996. 44c.
7. Medvedev I.I., Krasnoshtein A.BE. Dust control at potash mines. M.: Nedra. 1977.
192s.
8. Clinical and hygienic aspects of prevention of dust pathology in potash miners / A.A. Ashelrod, G.E. Kosyachenko, A. S. Bogdanovich, I.I. Krushevskaya // Sb. nauch. tr. nauch.-tech. conf. Problems of safe development of potash deposits. Soligorsk, September 1113, 1990. Minsk. 1990. From 168-170.
9. Lesnevsky R.F. The main issues of occupational hygiene in the production of potash fertilizers from silvinite ore by flotation: abstract. dis. ... candidate of medical Sciences. Minsk. 1974. 25c.
10. Schrader R., Achermann G., Grund H. Entwicklung von Methoden zur Bestimmung des Gasgehaltes in Salzen // Bergakademie. 1960. No. 10. S.543.
11. Selection of individual respiratory protection equipment for workers working in the workshops of the Belaruskali Software. Research report: Belgorkhimprom, head A.N. Zemskov, Soligorsk. 1994. 41 p.
12. Zemskov A.N. Individual means of protection of workers of mining enterprises -a pledge of industrial safety // Sb. nauch. tr. mezhregion, nauch.tech. the seminar. Industrial safety management technology. Perm, June 6-7, 2001. Perm: PSTU. 2001. pp.105-108.
УДК 53.06, 629.039.58
МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ОТ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ ВЫСОКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ
Н.Н. Морозов, Т.Н. Нурмагомедов
Обеспечение устойчивой работы электронного оборудования в зонах действия ионизирующих излучений высокой интенсивности представляет собой актуальную проблему. Метод защиты оборудования основан на шунтировании цепей питания. Теоретический анализ проблемы показал, что такое шунтирование может осуществляться газовым промежутком, заполненным инертным газом, либо использованием для этих целей импульсных тиратронов. Подобные устройства позволяют в моменты времени действия импульса излучения шунтировать цепи питания электронного оборудования и тем значительно снизить напряжения на полупроводниковых устройствах, сохранить их работоспособность при воздействии мощных импульсов излучения.
Ключевые слова: шунтирование цепей питания, ионизирующее излучение, электропроводность, импульсный тиратрон, мощность дозы, мгновенное излучение, вторичное гамма-излучение, сцинтилляционный датчик, стильбен, информационная система.
Все более широкое распространение радиационных технологий в промышленности, оборонной сфере, медицине, научных исследованиях и т.п. вызвало значительный рост генерирующих источников ионизирующих излучений, в т. ч. способных создавать поля излучений с мощностью доз до 108 Зв/с и выше [1]. Это породило ряд проблем, связанных не только с радиационным контролем, но и защитой электронных систем от негативного воздействия ионизирующих излучений, в частности, импульсов рентгеновского излучения высокой интенсивности.
Освоение новых ядерных технологий может приводить к неконтролируемым цепным реакциям. Одним из главных поражающих факторов в таких реакциях является мощный импульс проникающей радиации, опасный не только для живых организмов, но и для современных систем связи, а также электронных информационных и управляющих систем.
В настоящее время известны процессы, когда большую часть энергии реакции уносят нейтроны. При этом реакция может протекать в весьма короткие интервалы времени 10-8 - 10-7 с [2]. Такое излучение принято называть мгновенным. Быстрые нейтроны в процессе движения от центра излучения претерпевают неупругие взаимодействия с ядрами азота и кислорода воздуха, порождая жесткое фотонное излучение. Последующей реакцией, приводящей к вторичному гамма-излучению, является захват нейтронов ядрами окружающей среды. Захват преимущественно претерпевают нейтроны низких энергий, максимум которых приходится на расстояния порядка пятисот метров от центра.
В результате этих взаимодействий возникает мощное вторичное фотонное излучение высокой интенсивности. Вторичное гамма-излучение имеет средние пробеги фотонов порядка нескольких сот метров. Это приводит к тому, что за время 10-6 - 10-5 с импульс ионизирующей радиации на расстояниях порядка 103 - 104 м от центра излучения практически заканчивается [2]. Иными словами, импульсное излучение перестает быть опасным по истечению микросекундных интервалов времени от начала реакции. Зоны поражения ударной волной и световым излучением в таких реакциях значительно меньше, чем зона поражения ионизирующим излучением [2].
Воздействие ионизирующего излучения на электронное оборудование, включая средства связи, оповещения и управления, может приводить к существенным материальным и коммуникационным потерям. Особенно подвержены воздействию излучений полупроводниковые элементы входных каскадов систем связи и автоматического регулирования управляющих и телекоммуникационных систем. Комптон-эффект и внутренний фотоэффект приводят к высокой наведенной проводимости в р-п-переходах и возникновению значительных токов под действием даже малых напряжений. Все это сопровождается выделением высокой энергии и выходу этих устройств из строя.
В работе [3] изложен метод защиты электроники от импульсного излучения шунтированием цепей питания в моменты действия импульса излучения. Шунтирование обеспечивает полупроводниковая пластина с высокой подвижностью электронов проводимости и относительно широкой запрещенной зоной (арсенид галия). По мнению авторов, такое решение эффективно защищает входные каскады информационных систем.
Известно, что полупроводниковые материалы обладают сравнительно не высокой радиационной стойкостью, и особенно подвержены ти-ратронному эффекту. В этом случае по окончании действия вспышки излучения шунтирующее устройство не может вернуться в исходное состояние и продолжить нормальное функционирование. Это связано с высокой концентрацией свободных электронов в полупроводнике, рожденных под действием излучения в окружающих телах и не способных к рекомбинации с дыркой ввиду их избыточной численности.
Газообразные среды более стойки к воздействию радиации, особенно стойки инертные газы, которые не меняют свой химический состав в плазменно-химических реакциях.
Под воздействием излучения в газе возникает наведенная проводимость, которая определяется преимущественно электронной компонентой, которая на четыре порядка более подвижна, чем ионная. Уравнение баланса для концентрации электронов п имеет вид
где д - скорость образования электрон ионных пар в единице объема газа, м-6 •с-1, величина пропорциональная мощности дозы; а - коэффициент рекомбинации, м3/с; N - концентрация положительных ионов, которая для инертных газов равна п и второе слагаемое в правой части уравнения (1) может быть записано в виде - ап2 .
Интегрирование (1) дает выражение
При больших мощностях доз или высокой интенсивности излучения концентрация электронов быстро достигает своих равновесных значений, и уравнение (2) будет иметь вид
В моменты действия импульса ионизирующего излучения в ионизационной камере возникает наведенная излучением проводимость, достаточная для шунтирования цепей питания. Для усиления шунтирующего эффекта стенки камеры изготавливаются из материала с высокой тормозной способностью (с большим атомным номером), что приводит к усиле-
(1)
(2)
(3)
нию потока высокоэнергичных вторичных электронов, высвобожденных излучением из стенок камеры [4].
Оценим шунтирующий эффект при таком подходе. Наиболее уязвимыми являются входные каскады информационно-измерительных систем и систем связи. Положим, что блоки питания входных каскадов обеспечивают напряжение порядка 102 В и токи порядка 1 А. Таким образом, положим входные сопротивления равными 102 Ом. Если шунтирующее устройство во время действия импульса излучения будет иметь сопротивление на 3-4 порядка меньше входных сопротивлений результат можно считать удовлетворительным.
Испытания электронной аппаратуры проводятся на импульсных электрофизических установках, работающих в диапазоне 108 Р/с и выше. При больших значениях мощности дозы, согласно с (3), шунтирующий эффект будет больше [1].
В соответствие с определением рентгена доза в 1 Р создает 2,08-109 электрон-ионных пар в см3 воздуха при нормальных условиях. При использовании смеси газов неона и гелия, в соответствующих долях можно получить воздух эквивалентный газ (с эффективным атомным номером равным атомному номеру воздуха). Для этого необходимо приготовить смесь с мольными долями 0,286 для гелия и 0,714 для аргона. В этом случае при нормальных условиях доза излучения в 1 Р будит создавать в этой смеси газов ионизацию в см-3 равную 2,08-109 рсм /рв, где рсм - плотность смеси; рв - плотность воздуха. Для мощности дозы 108 Р/с получим скорость образования электрон-ионных пар q = 1,111017 см-3/с. Коэффициент рекомбинации для инертных газов достаточно хорошо представлен в монографии [5]. Положим его равным 2,2-10-7 см3/с, тогда концентрация электронов согласно (3) п = 0,71-1012 см-3. Проводимость ионизированного газа дается произведением заряда электрона на подвижность электронов и на их концентрацию. Подвижность электронов в инертных газах можно получить из экспериментальных данных по измерению скорости дрейфа электронов, представленных в [5], которая в нашем случае равна 3,3103 м2/В с. Проводимость газа при этих условиях составляет величину равную 3,4 102 См/м. При размерах полости ионизационной камеры, заполненной газом, диаметром 70 мм и высотой 5 мм имеем сопротивление шунтирующего устройства в моменты действия импульса ионизации 3,8-10-3 Ом, что вполне удовлетворяет требованиям поставленной задачи.
Если стенки ионизационной камеры изготовить из тяжелых металлов (вольфрама или свинца), то шунтирующий эффект можно увеличить на 1-2 порядка величины. При этом желательно соблюсти 2 условия: условие электронного равновесия в стенке, которое выполняется, когда длина пробега комптоновского электрона не превышает толщины стенки и, чтобы стенка была прозрачна для первичного излучения. Это усиление связано с резким увеличением числа комптоновских и фотоэлектронов, выбиваемых
первичным излучением из стенки, способных создавать лавины вторичных электронов в газе. Эмиссия комптоновских электронов пропорциональна плотности вещества и атомному номеру, а фотоэлектронов еще и кубу атомного номера. Эффективность таких простых защитных методов ограничивается защитой маломощных электронных устройств.
Для защиты любых форм электронных устройств необходим более мощный шунтирующий элемент. В этом случае импульсный тиратрон с газовым наполнением предпочтительней. Особенностью газоразрядных тиратронов является возможность создания управляемого сильноточного разряда фиксированной длительности. Например, тиратрон типа ТГИ1-1000/25 позволяет получить ток шунтирования до тысячи ампер с длительностью импульса разрядного тока до нескольких десятков микросекунд.
Если на управляющий электрод тиратрона подавать сигнал с высокоскоростного и чувствительного датчика гамма-излучения [6], то тиратрон можно запустить на несколько микросекунд раньше, чем придет основной импульс нейтронного и вторичного гамма-излучения.
Здесь уместно сказать, что около 80 % мгновенных гамма-квантов выделяются за время 10-10 - 10-9 с с момента начала реакции. Энергия, уносимая мгновенным гамма-излучением, составляет менее 1 % от общей энергии, выделяемой при реакции [2].
Нейтроны, которые излучаются в процессе реакции, имеют среднюю энергию 1,5 МэВ и не являются релятивистскими, поэтому мгновенное гамма-излучение раньше сформирует сигнал на датчике гамма-излучения, чем сформируется основной поток проникающей радиации. Если к этому времени будут сняты потенциалы с питания электронных устройств, то они не выйдут из строя и по истечению времени разряда тиратрона опять могут возобновить нормальное функционирование.
Сильноточный разряд тиратрона такого типа длится порядка нескольких десятков микросекунд. Как уже ранее упоминалось, к этому времени импульс излучения заканчивается и шунтирование блоков питания отключается.
Принципиальная схема защитного устройства на основе импульсного тиратрона показана на рисунке.
Мгновенное гамма-излучение формирует короткий световой импульс в быстродействующем сцинтилляционном датчике 1 на основе стильбена [6], который конвертируется в короткий электрический импульс фотодиодом или фотоумножителем 2. Сигнал с сцинтилляционного датчика поступает на усилитель-формирователь 3, который формирует прямоугольный импульс с амплитудой в сотни вольт и длительностью в несколько десятков микросекунд, соответствующих времени горения разряда в тиратроне. Этот импульс подается на управляющий электрод тиратрона 4, разрядный ток которого может составлять 1000 и более ампер. Такой ток
в состоянии шунтировать цепи блоков питания больших информационно коммуникационных систем 6.
Принципиальная схема защитного устройства на основе импульсного
тиратрона
Есть все основания считать, что подобные устройства могут найти применение на производствах и экспериментальных полигонах, где проводятся исследования ядерных устройств.
Рассмотренные методы шунтирования электронного оборудования могут быть использованы при конструировании надёжных и дешёвых устройств для защиты широкого перечня электронных систем от воздействия ионизирующего излучения высокой интенсивности в различных отраслях техники специального назначения.
Список литературы
1. Тарасенко Ю.Н. Вторичные эталоны единиц измерения ионизирующих излучений: монография. М.: Техносфера, 2011. 458 с.
2. Тарасенко Ю.Н. Ионизационные методы дозиметрии высокоинтенсивного ионизирующего излучения. М.: Техносфера, 2013. 264 с.
3. Морозов Н.Н., В.С. Гнатюк В.С. Метод защиты электронной аппаратуры от импульсного рентгеновского излучения // Вестник МГТУ. Мурманск, 2017. Т. 20. № 4. С.729-733.
4. Голубев Б.П. Дозиметрия и защита от ионизирующих излучений. М.: Атомиздат, 1976. 530 с.
5. Мак-Даниель И. Процессы столкновений в ионизированных газах. М.: Изд-во «Мир», 1967. 832 с.
6. Альбиков З.А. Детекторы импульсного ионизирующего излучения. М.: НИЯУ МИФИ, 2016. 216 с.
Морозов Николай Николаевич, д-р техн. наук, проф., n.n.morozov@amchs.ru, Россия, Химки, Академия гражданской защиты МЧС России,
Нурмагомедов Тимур Низамудинович, канд. техн. наук, доц., t.nurmagomedov@,amchs.ru, Россия, Химки, Академия гражданской защиты МЧС России
THE METHODS OF PROTECT ELECTRONIC SYSTEMS FROM HIGH-INTENSITY
IONIZING RADIATION
N.N. Morozov, T.N. Nurmagomedov
Ensuring the stable operation of electronic equipment in the areas of high-intensity ionizing radiation is an urgent problem. The method of equipment protection is based on the shunting of power circuits. Theoretical analysis of the problem has shown that such shunting can be carried out by a gas gap filled with an inert gas, or by using semiconductor devices for these purposes or by using pulsed thyratrons. Such devices can significantly reduce the voltage on the primary converters and thus maintain their operability when exposed to powerful radiation pulses.
Key words: shunting of power circuits, ionizing radiation, electrical conductivity, pulsed tyratron, dose rate, instantaneous radiation, secondary gamma radiation, scintillation sensor, stilben, information system.
Morozov Nikolay Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, n.n.morozov@amchs.ru, Russia, Khimki, Civil Defence Academy EMERCOM of Russia.
Nurmagomedov Timur Nizamudinovich, candidate of technical sciences, docent, t.nurmagomedov@amchs.ru, Russia, Khimki, Civil Defence Academy EMERCOM of Russia
References
1. Tarasenko Yu.N. Secondary standards of measurement units of ionizing radiation: monograph. M.: Technosphere. 2011. 458 p.
2. Tarasenko Yu.N. Ionization methods of dosimetry of high-intensity ionizing radiation. M.: Technosphere. 2013. 264 p.
3. Morozov N.N., V.S. Gnatyuk V.S. Method of protection of electronic equipment from pulsed X-ray radiation // Bulletin of the Moscow State Technical University. Murmansk, 2017. Vol. 20. No. 4. pp.729-733.
4. Golubev B.P. Dosimetry and protection from ionizing radiation. M.: Atomizdat, 1976. 530 p
. 5. McDaniel I. Collision processes in ionized gases. M.: Publishing House "Mir". 1967. 832 p.
6. Albikov Z.A. Detectors of pulsed ionizing radiation. M.: NRU MEPhI, 2016.
216p.
