CC BY
8
УДК 53.083.1
РЕЗОНАТОРНЫЙ ДОЗИМЕТР ДЛЯ МОНИТОРИНГА ДОЗОВЫХ ПОЛЕЙ ИЗЛУЧЕНИЙ ВЫСОКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ
H.H. Морозов
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры (физики) Академия гражданской защиты МЧС России имени Д.И. Михайлика
Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск, ул. Соколовская, стр. 1А E-mail: п.п.morozovQamchs.ru
А.И. Мазаник
доктор военных наук, профессор, главный научный сотрудник научно-исследовательского центра Академия гражданской защиты МЧС России имени Д.И. Михайлика
Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск, ул. Соколовская, стр. 1А E-mail: а.mazanikQamchs.ru
Аннотация. В настоящей статье рассматривается проблема создания системы мониторинга дозовых импульсных полей излучений на территориях, где возможны чрезвычайные ситуации, обусловленные неконтролируемыми цепными ядерными реакциями. Рассмотрены некоторые аспекты разработки метода измерения дозы за однократный мощный импульс ионизирующего излучения с помощью стеночной ионизационной камеры, помещённой в объемный резонатор. Ионизационный эффект измеряется по сдвигу резонансной частоты объемного резонатора в момент непосредственно после окончания действия импульса излучения. Ионизация измеряется в воздухе пониженного давления для того, чтобы обеспечить максимальную длительность существования плазменного образования, которое возникает в полости ионизационной камеры при воздействии импульса излучения. Показано, что методика позволяет определять значения дозы за однократный мощный импульс без привязки к существующей поверочной схеме в диапазоне доз от 1,0 • 10-3 Гр до 51 Гр.
Ключевые слова: импульсное излучение, ионизационная камера, микроволновая диагностика плазмы, дозовые поля, интенсивность излучения, объемный резонатор.
Цитирование: Морозов H.H., Мазаник А.И. Резонаторный дозиметр для мониторинга дозовых полей излучений высокой интенсивности // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2023. № 1 (56). С. 65 - 72.
В работе [1] отмечено, что измерение параметров дозовых полей высокой интенсивности является весьма актуальной проблемой в свете задач, возникающих при оперативном реагировании на последствия воздействия мощных импульсных излучений на население, системы связи и оповещения.
В настоящей статье рассматривается проблема создания системы мониторинга дозовых импульсных полей излучений на территориях, где возможны чрезвычайные ситуации (далее — ЧС), обусловленные неконтролируемыми цепными ядерными реакциями. Своевременное получение сведений на основе применения данной системы мониторинга позволит провести комплекс оперативных мероприятий, направленных на снижение санитарных и безвозвратных потерь населения, а также на повышение устойчивости системы управления и связи.
К настоящему времени разработаны и применяются на практике методы измерения импульсных доз ионизирующих излуче-
ний (далее — ИИ) высокой интенсивности для решения задач радиационного контроля испытаний изделий на радиационную стойкость, которые основаны на применение термо- и фотолюминесцентных дозиметров [2]. Эти дозиметры аттестуются в стационарных эталонных полях низкой интенсивности. Правомерность их применения при высоких значениях мощности дозы подтверждено лишь теоретически. Люминесцентные дозиметры для получения конечной информации о дозе требуют сложной процедуры обработки образцов в лабораторных условиях путем нагрева или воздействия светом и снятия люминесценций фотометрическими методами. Все это не дает возможность получать информацию в реальном времени и плохо совместимо с современными автоматическими информационно-измерительными системами.
Существует ряд источников воздействия [2], которые не приводят к сильным разрушениям, но обладают мощным импульсным излучением нейтронов. Нейтроны, взаимодей-
2023'! (56)
ствуя с атомами окружающей среды, порождают мощное импульсное вторичное гамма-излучение, длительность которого не превышает 10-5 с. Такое излучение весьма опасно как для населения, так и для различных электронных систем [3].
В работе [1] предложен и обоснован метод регистрации импульсной дозы фотонного излучения по сдвигу резонансной частоты объемного электромагнитного резонатора, заполненного разреженным воздухом. Воздух малой плотности (порядка одного килопаскаля) заполняет не всю полость, а ионизационную камеру, выполненную из воздух эквивалентной пластмассы, расположенную в емкостном зазоре четвертьволнового резонатора, нагруженного на емкость.
При всех преимуществах такого решения и возможности использовать длинноволновую часть сверх высотного частотного (далее — СВЧ) диапазона, это решение имеет один недостаток. Найти воздух эквивалентную пластмассу с малым тангенсом угла потерь на СВЧ не представляется возможным, что существенно уменьшает добротность резонатора, а это, в свою очередь, уменьшает диапазон измеряемых доз и ухудшает точность измерений.
В настоящей работе предприняты поиски способов улучшения метрологических характеристик метода. В частности, исследованы источники методических погрешностей и найдены пути их минимизации. Проведено уточнение диапазона измеряемых доз при новых конструктивных решениях измерительного преобразователя.
Как отмечалось в статье [1], чувствительность метода определяется добротностью резонатора. Для улучшения этого параметра была изменена конструкция резонатора. Радиатор с воздух эквивалентной стенкой вынесен за пределы объема резонатора и выбран вид колебаний Е010 в цилиндрической геометрии, что теоретически позволяет получить добротность 104 [4]. Это дает возможность увеличить чувствительность метода на порядок по сравнению с оценкой, приведенной в работе [1].
На рисунке 1 схематично изображена конструкция резонатора и принципиальная схема измерительного тракта дозиметра. Цилиндрическая полость резонатора позволяет, не меняя конструкции, возбуждать в той же полости более высокочастотные колебания, тем самым увеличивая диапазон измерений. Это объясняется тем, что концентрация свободных электронов, при которой еще можно использовать резонаторный метод определяется критическим значением концентрации пекр. При достижении критической концентрации частота зондирующего поля становится равной плазменной частоте, что приводит к резкому поглощению электромагнитных колебаний ионизированным газом. Критическая концентрация может быть определена из выражения [4]
пекр = 1,24 ■ 1010 ■ /о2, см-3
где /о - собственная частота резонатора, ГГц.
Увеличение частоты резонатора в 3 раза приводит к увеличению верхней границы измерения доз на порядок данной величины.
Рисунок 1 - Схематичное изображение конструкции резонаторного измерительного преобразователя и принципиальная схема измерительного тракта: 1 - радиатор из воздух
эквивалентной пластмассы; 2 - внутренняя полость резонатора; 3 - металлизированная поверхность полости (напыленная) в вакууме; 4 - петли связи резонатора с измерительным трактом; 5 - вакуум плотные коаксиальные вводы СВЧ энергии; 6 - штуцер для заполнения газом; 7 - вакуум плотный кожух из нержавеющей стати толщиной 0,5 мм; 8 - СВЧ спин генератор; 9 - высокоскоростной сцинтилляционный детектор ИИ с линией задержки; 10 - частотный детектор; 11 - импульсный регистратор.
Из формулы для сдвига резонансной частоты объемного резонатора вследствие ионизации газа в его объеме, приведенной в работе [4, с. 109], может быть получена зависимость концентрации свободных электронов пе от сдвига собственной частоты резонатора Д/.
пе.
2пт/о е2 с„
Д/,
(1)
где ей т - заряд и масса электрона в СГСЕ; /о - резонансная частота электромагнитных колебаний без облучения; - коэффициент формы поля, который определяется из выражения
а =
Уг -¡ур пе \Е|2 йУ к ■ / \Е\2 йУ'
(2)
где Ур - объем плазмы; Уг - объем резонатора;
Е - напряженность электрической составляющей зондирующего поля.
При равномерном облучении объема резонатора (случай удаленного источника ИИ)
а = 1.
Минимально измеряемый сдвиг резонансной частоты будет определяться добротностью резонатора без плазмы Q и может быть оценен соотношением Д/тт = 0,3 ■ /о/ Я [4]. Для частоты 1,7 ГГц и добротности 104 значение данной величины составляет 0,05 МГц. Это соответствует концентрации электронов 10е см-3.
Максимально измеряемая концентрация будет определяться критической концентрацией и если в резонаторе возбуждать вид колебаний £о2о> что соответствует более высокой резонансной частоте того же резонатора (3,9 ГГц), то может быть получена максимально измеряемую концентрацию
^•е. гпл.сг. — 1,9 • 10 СМ
При заполнении полости резонатора воздухом давлением в один килопаекаль уверенно выполняется условие справедливости формулы (1) 2^/о ^ V для двух резонансных частот (и - средняя частота соударений свободных электронов с молекулами воздуха). Делением концентрации свободных электронов в полости резонатора на плотность разреженно-IX) воздуха и умножением на энергию образования одной электрон ионной нары в воздухе может быть получена поглощенная доза в воздухе в предположении, что в воздух эквивалентном радиаторе (изготовленном из нолиметилметакрилата) выполняется условие электронного равновесия. Условие электронного равновесия выполняется в том случае, когда толщина стенки радиатора не меньше максимальной длины пробега вторичных электронов, освобожденных излучением в веществе стенки [5]. Расчет толщины стенки проводился для энергии электронов 1,3 МэВ (средняя энергия гамма квантов при ядерной ценной реакции) [2|. Известно, что на образование одной нары ионов в воздухе затрачивается 34 эВ или 5,4 ■ 10-18 Дж [5]. При подстановке соответствующих значений может быть получен диапазон измеряемых поглощенных доз от 1,0 ■ 10-3 Гр до 51 Гр. Следует отметить, что этот диапазон является и динамическим диапазоном, поскольку при многоканальном ре-
жиме может проводиться измерение одновременно на двух частотах одним и тем же преобразователем, например, многоканальным анализатором MCSG ULN. Для фотонного излучения этот диапазон соответствует от 1 мЗв до 51 Зв.
Указанный диапазон измеряемых доз укладывается в диапазон принятых градаций опасных доз [6], начиная с 1 2 Гр (дееспособность персонала сохраняется) до 6 20 Гр (выполнение профессиональных обязанностей невозможно).
Экспериментальное исследование метода проводилось на электрофизической установке типа «Ангара». Облучение резонатора осуществлялось тормозным рентгеновским излучением высокой интенсивности колоколооб-разной формы длительностью около 150 не.
К входу синхронизации регистратора амплитудно- частотных характеристик (далее АЧХ) подсоединялся кабель синхронизации ускорителя через блок задержки и производилось импульсное облучение резона-торного преобразователя. Перед облучением вручную запускался регистратор АЧХ, что позволяло определить собственную частоту. Затем производилось облучение резонатора и непосредственно по окончанию импульса ИИ может быть получено изображение двух АЧХ с облучением и без, как это показано на рисунке 2.
Рисунок 2 АЧХ резонатора без плазмы (1) и АЧХ резонатора с плазмой (2)
АЧХ получены на анализаторе RF NETWORK ANALYZER Hewlett Packard 8714 В. Опыт проводился при давлении в резонаторе 0,32 кПа.
Сдвиг частоты определялся как расстояние между максимумами значений графиков 1 и 2, отсчитанными но оси абсцисс и составлял величину 74 МГц. В соответствии с формулой (1) концентрация электронов в резонаторе в этом опыте равна 1,08 ■ 1010 см-3, что соответствует поглощенной дозе 2,9 Гр.
Анализ возможных источников методических погрешностей показал, что при относительно невысоких давлениях и на поздних стадиях распада плазменного образования в полости резонатора возможны потери свободных электронов вследствие их прилипания к молекулам кислорода в воздухе и диффузии на стенку. Первый источник легко устраним введением соответствующих поправок так, как частота прилипания электронов в воздухе достаточно хорошо экспериментально изучена в широком диапазоне давлений в условиях импульсной ионизации воздуха пучком релятивистских электронов на ускорителях [7].
Второй источник методической погрешности был исследован математическим моделированием процесса амбнполярной диффузии в заданных условиях. Задача решалась в одномерном случае при плоекопараллельной геометрии газового промежутка [8] численным моделированием процесса диффузии электронов. В расчетах использован пакет программ МаШс-ас!. Показано, что введением соответствующих поправок можно минимизировать до единиц процента эту составляющую мето-ди ческой погрешности.
Графики распределения концентрации электронов пе (х,Ь)/по по высоте полости ионизационной камеры в момент окончания
импульса ионизирующих) излучения и для че-
10 5
10_4 с, 10_3 с и 5 ■ 10_3 с представлены на рисунке 3. Численное моделирование показало, что для точного описания равномерной
концентрации электронов но всему объему
10 5
уже достаточно всего 20 членов разложения ряда Фурье.
Рисунок 3 Распределение концентрации электронов но высоте полости резонатора
Из предетавленших) рисунка следует, что высшие члены разложения быстро убывают во времени. По истечении 2,25 ■ 10_3 с после окончания импульса ионизирующих) излучения вклад в общую концентрацию электронов всех членов разложения кроме нервохх) не превышает однохх) процента.
Численное моделирование позволяет определять концентрацию электронов пе, усредненную по объему плазмы, в зависимости от времени £ после окончания импульса излучения. На рисунке 4 изображен график относительных потерь электронов пе/по (по -концентрация электронов в момент окончания действия импульса ИИ) для различных моментов времени.
Рисунок 4 Относительные потери свободных электронов в полости резонатора
Из предетавленших) рисунка следует, что па временах порядка 10-5 с потери незначительны. При увеличении временных интервалов от начала импульса потери становятся значительными, но введением нормированных поправок методическую погрешность можно свести к единицам процентов.
Таким образом, в представленной статье: проведен краткий анализ существующих методов определения дозы за импульс излучения высокой интенсивности и сделаны выводы о том, что существующие методы не позволяют решить задачу определения дозы в реальном времени и не мснут служить источником оперативной информации о последствии '1С. связанной с воздействием мощжих) однократ-но!Х) импульса ИИ на людей, системы управления и связи;
проведена модернизация метода определения плотности ионизации приемами СВЧ диагностики плазменных образований, осно-ваннохх) на резонаторном методе диагностики ионизированших) воздуха низкой плотности. Показано, что усовершенствованный метод позволяет определять значения дозы за однократный мощный импульс без привязки к существующей поверочной схеме в диапазоне доз от 1 мГр до 50 Гр;
показано, что метод совместим с современными информационно измерительными системами и может давать сведения в реальном времени об интегральной дозе за импульс фотон-но!Х) жесткого излучения высокой интенсивности и, имея весьма широкий динамический диапазон, может служить основой мониторинга мощных импульсных излучений.
Литература
1. Морозов H.H., Мазаник А.И., Акимбаев Е.Ж. Экспресс метод измерения дозы за импульс излучения высокой интенсивности. // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2021. № 2. С. 55 - 60.
2. Тарасенко Ю.Н. Ионизационные методы дозиметрии высокоинтенсивного ионизирующего излучения. - М.: Техносфера. 2013. 264 с.
3. Морозов Н.Н., Нурмагомедов Т.Н. Методы защиты электронных систем от ионизирующих излучений высокой интенсивности. // Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2022. Выпуск 3. С. 70 — 77.
4. Голант В.Е. Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы. - М.: Издательство «Наука». 1968. 327 с.
5. Голубев Б.П. Дозиметрия и защита от ионизирующих излучений. - М.: Атомиздат. 1976. 503 с.
6. Тарасенко Ю.Н. Вторичные эталоны единиц измерения ионизирующих излучений: монография. -М.: Техносфера. 2011. 458 с.
7. Капинос В.Н., Медведев Ю.А., Морозов Н.Н. Время жизни электронов в воздухе большой плотности. // Журнал технической физики. 1974. Т. 44. № 11. С. 1275 - 1279.
8. Морозов Н.Н., Евсеев В.Н. Некоторые метрологические аспекты измерения дозы за импульс фотонного ионизирующего излучения резонаторным методом. Сборник трудов секции № 19 XXXII Международной научно-практической конференции «Предотвращение. Спасение. Помощь». - Химки: Академия гражданской защиты МЧС России. 2022. С. 11 - 16.
CAVITY DOSIMETER FOR M О NIТ О RI N G DOSE FIELDS OF HIGH
INTENSITY RADIATION
Nikolay MOROZOV
doctor of technical sciences, professor,
professor of the department (physics)
The Civil Defence Academy of EMERCOM of Russia
named after D.I. Mikhailika
Address: 141435, Moscow region, city Khimki,
md. Novogorsk, st. Sokolovskaya, building 1A
E-mail: n.n.morozovQamchs.ru
Alexander MAZANIK
doctor of military sciences, professor,
chief researcher of the research center
The Civil Defence Academy of EMERCOM of Russia
named after D.I. Mikhailika
Address: 141435, Moscow region, city Khimki,
md. Novogorsk, st. Sokolovskaya, building 1A
E-mail: a.mazanikQamchs.ru
Abstract. This article discusses the problem of creating a system for monitoring dose pulsed radiation fields in areas where emergency situations are possible due to uncontrolled nuclear chain reactions. Some aspects of the development of a method for measuring the dose for a single powerful pulse of ionizing radiation using a wall ionization chamber placed in a cavity resonator are considered. The ionization effect is measured by the shift of the resonant frequency of the cavity resonator at the moment immediately after the end of the radiation pulse. Ionization is measured in low pressure air in order to ensure the maximum duration of existence of the plasma formation that occurs in the cavity of the ionization chamber when exposed to a radiation pulse. It is shown that the technique allows to determine the dose values for a single powerful pulse without reference to the existing verification scheme in the dose range from 1,0 • 10-3 Gy to 51 Gy. Keywords: pulsed radiation, ionization chamber, microwave plasma diagnostics, dose fields, radiation intensity, cavity resonator.
Citation: Morozov N.N., Mazanik A.I. Cavity dosimeter for monitoring dose fields of high intensity radiation // Scientific and educational problems of civil protection. 2023. № 1 (56). S. 65 - 72.
References
1. Morozov N.N., Mazanik A.I., Akimbaev E.Zh. Express method for measuring the dose per high-intensity radiation pulse. // Scientific and educational problems of civil protection. 2021. No. 2. S. 55 - 60.
2. Tarasenko Y.N. Ionization methods of dosimetry of high-intensity ionizing radiation. - M.: Technosphere. 2013. 264 s.
2023Т (56)
3. Morozov N.N., Nurmagomedov T.N. Methods for protecting electronic systems from high-intensity ionizing radiation. // News of TulGU. Earth Sciences. 2022. Issue 3. S. 70 - 77.
4. Golant V.E. Microwave methods for plasma research. - M .: Publishing house "Nauka". 1968. 327 s.
5. Golubev B.P. Dosimetry and protection from ionizing radiation. - M.: Atomizdat. 1976. 503 s.
6. Tarasenko Y.N. Secondary standards of units of measurement of ionizing radiation: monograph. - M.: Technosphere. 2011. 458 s.
7. Kapinos V.N., Medvedev Y.A., Morozov N.N. Lifetime of electrons in high density air. // Journal of technical physics. 1974. V. 44. No. 11. S. 1275 - 1279.
8. Morozov N.N., Evseev V.N. Some metrological aspects of measuring the dose per pulse of photon-ionizing radiation by the resonator method. Collection of proceedings of section No. 19 of the XXII International Scientific and Practical Conference "Prevention. The rescue. Help". - Khimki: The Civil Defence Academy of EMERCOM of Russia. 2022. S. 11 - 16.
