СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ИССЛЕДУЕМЫЙ ОБРАЗЕЦ ИМПУЛЬСНОГО ВЫСОКОИНТЕНСИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING PARAMETERS OF IONISING ACTION ON ANALYSED SAMPLE OF PULSED HIGH-INTENSITY RADIATION

Изобретение относится к области дозиметрии и спектрометрии ионизирующих излучений и может быть использовано для определения параметров ионизирующих излучений сильноточных импульсных ускорителей, что может быть полезно при их разработке и использовании, а также при разработке и использовании дозиметров.
Известен способ определения параметров ионизирующего воздействия - профиля распределения поглощенной дозы электронного излучения (И.О. Ананьев и др. / Определение профиля поглощенной дозы электронного излучения / Межвуз. сб. научных трудов «Проблемы спектроскопии и спектрометрии». Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2008, вып.25, с.191-200). В известном способе профиль распределения поглощенной дозы определяли в исследуемом материале, в качестве которого брали до 10 и более шт. тонких пластин из оргстекла - 5 мм и кристаллы фторида натрия. Кристаллы приходилось раскалывать на более тонкие пластины толщиной 1-3 мм. В качестве ускорителя использовали ускоритель микротрон, энергия электронов 10 МэВ. За каждой платиной исследуемого материала располагали используемый в качестве детектора сопровождения государственный стандартный образец поглощенной дозы фотонного и электронного излучения в виде полимерных пленок сополимера с феназиновым покрытием типа СО ПД(Ф)-5/50 ГСО толщиной 56 мкм. Набор пластин из исследуемого материала вместе с полимерными пленками ГСО устанавливали перпендикулярно падающему электронному пучку. Облучение сборки проводили 7-14 мин в условиях, которые обеспечиваюи метрологические характеристики полимерных пленок. После облучения сборку разбирали и для каждой из полимерных пленок ГСО в соответствии со стандартной процедурой определяли оптическую плотность на длине волны 512 нм в сравнении с таковой для необлученного образца, по которой с помощью градуировочных характеристик определяли поглощенную дозу и ее профиль по глубине исследуемого материала в соответствии с Инструкцией и паспортом на применение ГСО.
Недостатком известного способы является то, что использование в качестве детектора сопровождения государственного стандартного образца поглощенной дозы фотонного и электронного излучения в виде полимерных пленок сополимера с феназиновым покрытием типа СО ПД(Ф)-5/50 ГСО приводит к погрешности определения поглощенных доз импульсного высокоточного излучения, т.к. пленки отградуированы с помощью эталонного стационарного радионуклидного источника ионизирующих излучений. Кроме того другим недостатком способа является необходимость раскалывать или разрезать исследуемые образцы материала на тонкие пластинки, а при исследовании материала в виде набора тонких пластинок увеличивается погрешность измерений из-за процессов рассеяния электронов на всех стыках отдельных пластинок. Т.о общая погрешность измерений составляет ≈20%.
Известен другой способ определения профиля распределения поглощенной дозы электронного излучения с энергией до 10 МэВ в материале образца с малым эффективным атомным номером (Z≤11), частично устраняющий недостатки вышеописанного способа и выбранный в качестве прототипа (патент RU 2427857, опублик. 27.08.2011). Данный способ включает в себя облучение блоков исследуемого материала вместе с используемым в качестве детектора сопровождения государственным стандартным образцом (ГСО) поглощенной дозы в виде полимерной пленки, который устанавливают и монтируют между блоками исследуемого материала, а также стандартную процедуру определения поглощенной дозы путем сравнительных измерений оптической плотности облученной полимерной пленки и необлученного образца полимерной пленки, выбираемого в качестве опорного. Оптическую плотность облученного образца ГСО в виде полимерной пленки, вынутой из сборки после облучения, измеряли в соответствии с паспортом на ГСО через 30 мин после облучения. Опорные образцы (2-4 штуки) были выбраны из большой партии ГСО (не менее 30 штук), значение первичной оптической плотности которых близко к среднему. Оптическую плотность облученных и опорных образцов измеряли на спектрофотометре Гелиос-Альфа на длине волны 512 нм строго в соответствии с инструкцией по применению ГСО. Измерение проводили вдоль полимерной пленки от ее начала до конца с шагом 3 мм. В процессе обработки результатов вычисляли отношение средней оптической плотности к средней толщине пленок в каждой точке измерения и определяли поглощенную дозу по градуировочным кривым, приведенным в Инструкции для конкретного вида ГСО. Зависимость абсолютной величины поглощенной дозы электронного излучения от глубины материала-поглотителя, иначе говоря, профиль распределения поглощенной дозы представляют в виде кривой. Максимальное значение поглощенной дозы определяют с погрешностью ±15%.
Недостатком известного способа является возможность определения только суммарной поглощенной дозы в исследуемом образце за время воздействия импульса ионизирующего излучения и не возможность измерения мощности поглощенной дозы, вследствие чего утрачивается информация о скорости изменения накопления поглощенной в исследуемом образце дозы, не учитывается отличие спектральных характеристик исследуемого образца и детектора сопровождения как следствие ограничение применения только с исследуемыми образцами близкого эффективного атомного номера. Следует также отметить, что использование в поле ионизирующего излучения высокой интенсивности и наносекундной длительности в качестве детектора сопровождения ГСО в виде полимерной пленки (прототип), градуируемой с помощью эталонного стационарного радионуклидного источника ионизирующих излучений низкой интенсивности ≈1 Гр/с в течение длительного времени, приводит к дополнительной погрешности измерений.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение возможности применения, снижение погрешности измерения характеристик поля импульсного ионизирующего излучения.
<mrow><mi>P</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>U</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mfrac><mi>K</mi><mi>S</mi></mfrac></mrow>
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе определения параметров ионизирующего воздействия на исследуемый образец импульсного высокоинтенсивного излучения, включающий облучение исследуемого образца вместе с детектором сопровождения с последующим определением расчетно-экспериментальным путем поглощенной дозы, являющейся параметром ионизирующего воздействия, сначала определяют мощность поглощенной дозы, при этом в качестве детектора сопровождения используют детектор с диэлектрическим рассеивателем, выполненным в виде плоской экранированной системы конденсаторного типа с однородным твердым диэлектриком, причем поперечный размер детектора выбирают соответствующим или превышающим поперечный размер исследуемого образца, измеряют изменения напряжения U(t)на сопротивлении нагрузки R детектора сопровождения в течение импульса ионизирующего излучения, после чего при заранее известных или рассчитанных, для известного энергетического спектра, чувствительностях к ионизирующему излучению образца исследуемого материала K и прилегающего к нему детектора сопровождения S определяют мощность поглощенной дозы в исследуемом образце P(t) по следующей зависимости:
,
после чего интегрированием по времени воздействия вычисляют поглощенную дозу в исследуемом образце.
i
i
В случае воздействия импульсного высокоинтенсивного ионизирующего излучения неопределенного энергетического спектра, можно использовать, по крайней мере, еще один детектор сопровождения, измеряют изменения напряжения U(t) на сопротивлении нагрузки R каждого детектора сопровождения в течение импульса ионизирующего излучения, по разности показаний определяют функцию ослабления ионизирующего излучения, проходящего через сборку детекторов, на основании которой вычисляют энергетический спектр воздействующего ионизирующего излучения, для которого рассчитывают чувствительности исследуемого образца K и каждого из n детекторов сопровождения S и мощность поглощенной дозы P(t) определяют по следующей зависимости:
<mrow><mi>P</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>n</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mrow /><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle><msub><mi>U</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mfrac><mi>K</mi><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
где i=1…n.
j
i
При исследовании m образцов, их устанавливают последовательно, чередуя с детекторами сопровождения, рассчитывают чувствительности каждого исследуемого образца K и каждого из n детекторов сопровождения S и мощность поглощенной дозы P(t) определяют по следующей зависимости:
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>j</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>n</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msubsup><mrow /><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mi>n</mi></msubsup></mrow></mstyle><msub><mi>U</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mfrac><mrow><msub><mi>K</mi><mi>j</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
при этом в случае воздействия импульсного высокоинтенсивного ионизирующего излучения неопределенного энергетического спектра, дополнительно определяют функцию ослабления ионизирующего излучения, проходящего через сборку детекторов и исследуемых образцов, на основании которой вычисляют энергетический спектр воздействующего ионизирующего излучения.
Измерение мощности поглощенной дозы позволяет исследовать не только пассивные материалы, но и сложные устройства, работа которых контролируется во время воздействия импульса излучения, дает дополнительные возможности в построении и верификации расчетных моделей поля ионизирующего излучения, а поскольку с помощью прототипа такие показания получить невозможно, то можно сказать, что возможность применения прототипа ограничена.
-10
-9
Использование в качестве детекторов сопровождения детектора с диэлектрическим рассеивателем [Алексеев Г.С., Грунин А.В., Тихонов А.И. и др. Характеристики детектора с диэлектрическим рассеивателем для регистрации импульсного гамма-излучения // Приборы и техника эксперимента. 1983. №5. С 36-38.] выполненные в виде плоской экранированной системы конденсаторного типа с однородным твердым диэлектриком связано с тем, что такие детекторы обладают относительно низкой чувствительностью к ионизирующему излучению ≈10÷10Кл/Гр, что значительно повышает верхний предел измеряемой мощности дозы ионизирующего излучения и соответственно снижается погрешность измерения поглощенной дозы при высокой интенсивности импульсного ионизирующего излучения. Кроме того данный тип детекторов не требует для работы подключения внешнего источника питания, а современные цифровые осциллографы и радиочастотные кабельные линии позволяют уверенно регистрировать импульсы изменения напряжения наносекундной длительности и амплитудой в несколько милливольт, уменьшая величину минимально регистрируемой мощности поглощенной дозы. Радиационная реакция таких детекторов определяется движением заряженных частиц (электронов, позитронов и др.), проникших внутрь или образованных в объеме детектора, при этом на обкладках конденсатора возникает разность потенциалов. Расчет таких актов взаимодействия ионизирующего излучения с веществом рассчитывается с высокой точностью, подтвержденной экспериментально [Донской Е.Н. Методика и программа ЭЛИЗА решения методом Монте-Карло задач совместного переноса гамма излучения, электронов и позитронов. Вторая версия. // (Саров, 14-20 октября 2002 г.). Сборник докладов / Саров: ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ". 2002. С.93-99; А.В. Грунин, Е.Н. Донской, А.Н. Залялов, Г.А. Иванов, К.Н. Ковшов, С.А. Лазарев, О.Н.Петрушин, М.Д. Тарасов. Экспериментальное и расчетное определение дозовых характеристик эталонного источника γ-излучения // Атомная энергия. 2009. Т.107. Вып.5. С.285-288] методом Монте-Карло. Было показано, что отличие Данных эксперимента и расчета определяется в основном погрешностью измерений и для наиболее прецизионных измерений не превышает 4% с доверительной вероятностью 95%. Если начальный спектр ионизирующего излучения известен с высокой степенью точности, то по математической модели поля излучения эталонной установки с использованием метода Монте-Карло пространственные распределения мощности дозы и дозовые распределения рассчитываются с погрешностью, не превышающей несколько процентов.
Выполнение детектора сопровождения с поперечным размером, совпадающим или превышающим поперечный размер исследуемого образца, позволяет регистрировать детектором сопровождения поток ионизирующего излучения прошедший через весь исследуемый образец.
Измерение изменения напряжения U(t) на обкладках конденсатора детектора сопровождения в течение импульса ионизирующего излучения устанавливает временную связь со скоростью накопления поглощенной дозы в исследуемом образце.
Определение мощности поглощенной дозы в исследуемом образце P(t) по следующей зависимости:
<mrow><mi>P</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>U</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mfrac><mi>K</mi><mi>S</mi></mfrac></mrow>
,
с последующим вычислением поглощенной дозы в исследуемом образце при заранее известных или рассчитанных чувствительностях к ионизирующему излучению образца исследуемого материала K и прилегающего к нему детектора сопровождения S путем интегрирования P(t) по времени воздействия, позволяет исследовать практически любые материалы, для которых известны: габаритные размеры, агрегатное состояние, химический состав, плотность и учесть спектральную зависимость чувствительности исследуемого образца от энергии воздействующего ионизирующего излучения, что приводит к уменьшению погрешности измерения поглощенной дозы.
Применение n детекторов позволяет одновременно исследовать m≤n образцов, что естественно снижает количество необходимых для экспериментальных исследований импульсов ионизирующего излучения и как следствие стоимость экспериментальных работ.
На фиг.1 приведена функциональная схема сборки, поясняющая и реализующая заявляемый способ.
i
На фиг.2 представлены функции S(E), рассчитанные методом Монте-Карло.
На фиг.3 представлена функция ослабления Q(i), определенная для одного из импульсов ионизирующего излучения (под цифрой 1), а также два расчетных варианта (под цифрами 2, 3), полученные для заданного энергетического спектра.
На фиг.4 представлена зависимость оптической плотности дозиметрических пленок от поглощенной в них дозы гамма-излучения, полученная по результатам трех импульсов тормозного излучения.
Сборка включает расположенные последовательно чередующиеся исследуемые образцы (позиция 3) дозиметрических пленок и детекторы сопровождения (позиция 2). Для уменьшения воздействия на сборку электронной и позитронной компоненты ионизирующего излучения установлен компенсирующий фильтр (позиция 1), представляющий собой алюминиевый диск толщиной 6 см.
Ниже приводим пример конкретной реализации заявляемого способа.
1
2
Для измерения поглощенной дозы импульсного высокоинтенсивного ионизирующего излучения известного энергетического спектра объект исследования и детектор сопровождения устанавливают перпендикулярно направлению распространения ионизирующего излучения. В качестве детектора сопровождения используют детектор с диэлектрическим рассеивателем, выполненным в виде плоской экранированной системы конденсаторного типа с однородным твердым диэлектриком, причем поперечный размер детектора выбирают размером соответствующим поперечному размеру исследуемого образца. Измеряют изменения напряжения U(t) нa обкладках конденсатора детектора сопровождения в течение импульса ионизирующего излучения. Для определения поглощенной дозы в объекте исследования при известности спектра за промежуток времени от t до t применяют соотношение:
<mrow><mi>D</mi><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow></munderover><mrow><mi>P</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow>
Мощность поглощенной дозы P(t) в исследуемом образце определяется соотношением:
<mrow><mi>P</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>U</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>н</mi></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mi>K</mi><mi>S</mi></mfrac></mrow>
где K - поглощенная доза в исследуемом образце в расчете на одну частицу падающего на сборку ионизирующего излучения;
н
S - заряд прошедший через эквивалентное сопротивление нагрузки R детектора сопровождения в расчете на одну частицу падающего на сборку ионизирующего излучения
Для измерения поглощенной дозы импульсного высокоинтенсивного ионизирующего излучения неопределенного энергетического спектра в объектах исследования - дозиметрических пленках (позиция 3, фиг.1), пленки и детекторы сопровождения (позиция 2, фиг.1) последовательно с чередованием устанавливают перпендикулярно направлению распространения ионизирующего излучения. С помощью цифрового осциллографа LeCroy715Zi экспериментально получают осциллограммы изменения напряжения U(t) на сопротивлении нагрузки R четырех детекторов сопровождения.
Коэффициенты K и S рассчитывают методом Монте-Карло с учетом геометрии облучаемой сборки. Для j-ой дозиметрической пленки получают:
<mrow><msub><mi>D</mi><mi>j</mi></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>4</mn><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>4</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>K</mi><mi>j</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow>
,
I
где Q - электрический заряд, прошедший через сопротивление нагрузки i-ого детектора с диэлектрическим рассеивателем.
i
Для данной сборки методом Монте-Карло рассчитаны функции S(E), представленные на фиг.2. На фиг.3 представлена функция Q(i), (под цифрой 1), определенная для одного из импульсов ионизирующего излучения, аналитический вид которой задан в виде:
<mrow><mi>Q</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munder><mo>∫</mo><mi>E</mi></munder><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>Ψ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi><mi>E</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow>
,
i
н
где i=1…n, S(E) - заряд прошедший через эквивалентное сопротивление нагрузки R i-го детектора сопровождения в расчете на одну частицу падающего на сборку ионизирующего излучения с энергией Е,
Ψ(E) - искомый спектр ионизирующего излучения.
На фиг.3 представлены также два расчетных варианта функции ослабления 2 и 3, полученные для энергетического спектра, заданного в виде
<mrow><mi>Ψ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>N</mi><mfrac><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>T</mi><mo>−</mo><mi>E</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>β</mi></msup></mrow><mrow><msup><mi>E</mi><mi>α</mi></msup></mrow></mfrac></mrow>
и
<mrow><mi>Ψ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mi>N</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>δ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mo>−</mo><msub><mi>E</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow>
с различными переменными.
В конце каждого импульса ионизирующего излучения из сборки вынимали облученные исследуемые образцы и измеряли их оптическую плотность относительно оптической плотности воздуха. На фиг.4 представлена зависимость оптической плотности дозиметрических пленок от поглощенной в них дозы гамма-излучения, которая имеет линейный характер до поглощенной дозы 280 Гр. Практически все точки лежат близко к прямой линии, что говорит о высокой достоверности проведенных измерений. Часть данных, представленных в виде светлых точек, не использовалась при обработке результатов градуировки, т.к. значения оптической плотности могли быть вызваны неравномерностью облучения. Это можно устранить, установив вокруг сборки, вдоль оси облучения, защитный экран из материала с высоким атомным номером, например, свинца.