Способ определения электрических сигналов в конструкциях диэлектрик-металл при действии высокоинтенсивного импульсного ионизирующего излучения по результатам измерений на статических источниках излучения низкой интенсивности
METHOD OF DETERMINING ELECTRICAL SIGNALS IN DIELECTRIC-METAL STRUCTURES UNDER ACTION OF HIGH-INTENSITY PULSED IONIZING RADIATION BASED ON MEASUREMENT RESULTS ON STATIC LOW-INTENSITY RADIATION SOURCES

Изобретение относится к области радиационных измерений и может быть использовано для определения электрических сигналов в конструкциях диэлектрик-металл при действии высокоинтенсивного импульсного ионизирующего излучения по результатам измерений на статических источниках излучения низкой интенсивности при работе на ядерно-физических установках различного типа и назначения по результатам измерений на статических источниках излучения низкой интенсивности.
Известны устройства для определения радиационных сигналов в конструкциях диэлектрик-металл при действии нейтронного излучения, основанные на эффекте переноса заряда, которые именуются как «зарядовые детекторы» нейтронов (З.А. Альбиков, A.M. Веретенников, А.В. Козлов -Детекторы импульсного ионизирующего излучения, Москва, Атомиздат, 1978 г.). Различают два типа зарядовых детекторов. К первому типу относятся детекторы прямой зарядки, выполненные в виде эмиттера и коллектора, разделенных тонким диэлектрическим слоем. Эмиттер изготавливается из материала, в котором при облучении нейтронами образуются радиоактивные изотопы, распадающиеся с выходом заряженных частиц. Заряженные частицы (продукты распада) проходят через диэлектрический слой и собираются коллектором. В электрической цепи протекает ток, который характеризует плотность потока первичного нейтронного излучения. Если период полураспада радиоактивного изотопа много меньше длительности импульса нейтронного излучения, то амплитуда тока коллектора пропорциональна плотности потока нейтронов. Указанная функциональная зависимость используется для определения формы импульса воздействующего нейтронного излучения. Недостатком данного типа детекторов является сравнительно низкое временное разрешение (более сотых долей секунды), что обусловлено периодом полураспада образующихся в эмиттере радиоактивных изотопов. Поэтому на многих ядерно-энергетических установках при длительностях импульса нейтронного излучения менее миллисекунды (например, импульсные установки термоядерного синтеза, импульсные ядерные реакторы и др.) детекторы этого типа используются, в основном, для измерения флюенса нейтронов.
Известен детектор, выполненный в виде конструкции диэлектрик-металл, в, котором для определения радиационных сигналов регистрируют перенос заряда вторичных высокоэнергетических электронов (Г.Ф. Иоилев, В.А. Сафонов - Детекторы с диэлектрическим рассеивателем - Приборы и техника эксперимента, т. 14, вып. 5, с. 210, 1969). Детектор состоит из корпуса и сигнального электрода, которые разделены двумя одинаковыми диэлектрическими слоями. Перенос заряда в детекторе осуществляется вторичными высокоэнергетическими электронами, которые образуются за счет комптоновского и фото- эффектов при взаимодействии гамма-излучения с материалах конструкции детектора. Детектор обладает высоким временным разрешением, которое определяется электрической схемой подключения детектора к электроизмерительному прибору, однако имеет значительные весогабаритные характеристики.
Известно защищенное авторским свидетельством изобретение - аналог 713293 A1 G01T 3/00 1978 год «Детектор мононаправленного нейтронного излучения» (М.В. Яковлев, И.С. Терешкин, Г.В. Кулаков, Н.А. Комаров), который основан на измерении тока протонов отдачи, образующихся в результате упругого рассеяния нейтронов на ядрах атомов водорода в облучаемом материале - рассеивателе. Прибор содержит металлический корпус, внутри которого расположена пластина - рассеиватель из водородосодержащего материала, например, полиэтилена. За рассеивателем расположены металлическая пластина - коллектор и электроизолирующая пластина из материала, не содержащего водород. Коллектор подключен к электроизмерительному прибору. Толщина полиэтиленовой пластины - рассеивателя выбирается много меньше свободного пробега первичных нейтронов, но значительно больше пробега вторичных протонов отдачи в данном материале. Корпус и коллектор выполнены из низкоатомного металла алюминия, чтобы в смешанных полях гамма-нейтронного излучения внутри детектора не нарушались условия гамма-электронного равновесия. Коллектор имеет толщину, достаточную для поглощения протонов отдачи, движущихся со стороны пластины - рассеивателя.
1
2
3
2
3
При облучении детектора нейтронами со стороны пластины -рассеивателя сигнал коллектора обусловлен сбором заряда протонов отдачи, q, а также токами смещения от объемных зарядов, q, q, которые образуются в объеме рассеивателя. Вблизи границы раздела с металлическим корпусом образуется область отрицательного объемного заряда, q, а счет оттока из этой области протонов отдачи. Положительный объемный заряд, образующийся в пластине - рассеивателе за счет ослабления потока нейтронов. Заряд q, имеет сравнительно малую величину, поэтому отрицательный объемный заряд приблизительно равен заряду протонов отдачи, инжектируемых в коллектор. Однако в силу выбранной геометрии детектора емкостная связь отрицательного заряда с коллектором значительно меньше, чем с корпусом, поэтому вклад отрицательного заряда в результирующий положительный сигнал детектора оказывается незначительным.
При облучении нейтронами с противоположной стороны сигнал детектора определяется отрицательным объемным зарядом, который находится вблизи коллектора в приграничной области пластины -рассеивателя. Временное разрешение детектора определяется его собственной емкостью и параметрами регистрирующего тракта и может быть доведено до единиц наносекунд. При энергии гамма-квантов ~1,25 МэВ чувствительность детектора-прототипа к действию гамма-излучения составляет ~5%. (И.С. Терешкин, М.В. Яковлев «Детектор высокоинтенсивного нейтронного излучения», Сборник научных трудов ФГУП ЦНИИмаш «Теоретические и экспериментальные исследования вопросов общей физики» под редакцией академика РАН Н.А. Анфимова, ФГУП ЦНИИмаш, с. 122, 2003 г.).
Известно защищенное патентом изобретение - аналог, патент 2676822 G01T 3/06, 2018 год «Способ измерения плотности потока нейтронного излучения низкой интенсивности в статических полях смешанного гамма-нейтронного излучения» (М.В. Яковлев), согласно которому измерения выполняют детектором, в котором корпус, металлический коллектор, водородосодержащую и не содержащую водород диэлектрические пластины изготовляют из материалов с близкими эффективными атомными номерами, коллектор выполняют в виде двух пластин, которые разделяют электростатическим экраном толщиной, равной пробегу образуемых гамма-излучением вторичных электронов, между каждой из пластин коллектора и корпусом располагают диэлектрические пластины из водородосодержащего материала, а между пластинами коллектора и электростатическим экраном располагают диэлектрические пластины из материала, не содержащего водород, детектор подключают через схему вычитания к электроизмерительному прибору, причем диэлектрические пластины из водородосодержащего материала синхронно с заданным периодом выводят за пределы детектора и возвращают в исходное положение.
Известно защищенное патентом изобретение - прототип, патент 2583861 G01T 3/06, 2015 год «Детектор мононаправленного нейтронного излучения» (М.В. Яковлев, Т.М. Яковлева, Д.М. Яковлев, Дикая Н.Ю., Соколова А.В.), который основан на измерении тока протонов отдачи, образующихся в результате упругого рассеяния нейтронов на ядрах атомов водорода в облучаемом материале - рассеивателе. Детектор содержит изготовленные из материалов с близкими эффективными атомными номерами корпус, металлический коллектор, водородосодержащую и не содержащую водород диэлектрические пластины, коллектор выполнен в виде двух пластин, которые разделены электростатическим экраном толщиной, равной пробегу образуемых гамма-излучением вторичных электронов, и подключены через схему вычитания к электроизмерительному прибору, причем между каждой из пластин коллектора и корпусом расположены диэлектрические пластины из водородосодержащего материала, а между пластинами коллектора и электростатическим экраном расположены диэлектрические пластины из материала, не содержащего водород. Детектор практически не чувствителен к воздействию сопутствующего гамма-излучения в смешанных полях гамма-нейтронного излучения и позволяет регистрировать флюенс или плотность потока нейтронного излучения в зависимости от выбранной схемы измерения. Детектор содержит изготовленные из материалов с близкими эффективными атомными номерами корпус, металлический коллектор, водородосодержащую и не содержащую водород диэлектрические пластины. Технический результат достигается тем, что коллектор детектора содержит две металлические пластины из алюминия, которые разделены электростатическим экраном толщиной, равной пробегу образуемых гамма-излучением вторичных высокоэнергетических электронов. Пластины коллектора подключены через схему вычитания к электроизмерительному прибору. Каждая из пластин коллектора отделяется от корпуса диэлектрическими пластинами из водородосодержащего материала, а между пластинами коллектора и электростатическим экраном расположены диэлектрические пластины из материала, не содержащего водород.
Выбранное расположение диэлектрических пластин приводит к формированию сигналов различной полярности в первой и второй пластинах коллектора при воздействии нейтронов. При этом амплитуды сигналов практически одинаковы, так как ослаблением нейтронов в материалах конструкции детектора можно пренебречь. Под действием гамма-излучения в пластинах коллектора формируются сигналы одинаковой отрицательной полярности, что происходит за счет поглощения вторичных высокоэнергетических электронов. Материалы конструкции детектора имеют близкие эффективные атомные номера, поэтому при характерных энергиях квантов ~1 МэВ внутри детектора реализуются условия, близкие к условиям гамма-электронного равновесия. При этом амплитуды сигналов от гамма-излучения в пластинах коллектора равны между собой. Таким образом, разность показаний первой и второй пластин коллектора обеспечивает условия, при которых в полях смешанного гамма-нейтронного излучения детектор мононаправленного нейтронного излучения нечувствителен к воздействию сопутствующего гамма-излучения.
Недостатком детектора является низкая чувствительность к действию нейтронов, что при измерениях плотности потока нейтронного излучения в статических полях смешанного гамма-нейтронного излучения приводит к необходимости использования сложных электрометрических схем усиления сигнала по постоянному току, а также нарушение пропорциональной зависимости показаний детектора от плотности потока нейтронного излучения при высоких флюенсах нейтронов вследствие неравномерного распределения радиационно-наведенной электропроводности в полиэтиленовом диэлектрике детектора.
Целью предполагаемого изобретения является определения электрических сигналов в конструкциях диэлектрик-металл при действии высокоинтенсивного импульсного ионизирующего излучения по результатам измерений на статических источниках излучения низкой интенсивности.
Указанная цель достигается в заявляемом способе определения электрических сигналов в конструкциях диэлектрик-металл при действии высокоинтенсивного импульсного ионизирующего излучения по результатам измерений на статических источниках излучения низкой интенсивности, согласно которому компенсируют электретные заряды в диэлектрическом материале, облучают конструкцию на статическом источнике излучения низкой интенсивности со спектральным составом, близким к спектральному составу высокоинтенсивного импульсного излучения, измеряют ток между электродами облучаемой конструкции, определяют электрические сигналы при действии высокоинтенсивного импульсного излучения по измеренному току, причем регистрируют два устойчивых состояния тока и определяют соответствующие значения критериального параметра, зависящие от мощности поглощенной дозы и продолжительности облучения, определяют электрические сигналы при действии высокоинтенсивного импульсного излучения по току, измеренному при критериальном параметре, соответствующем условиям высокоинтенсивного импульсного облучения.
Для обоснования реализуемости заявляемого способа необходимо определить критерии, при которых экспериментальные данные о радиационных сигналах, полученные при воздействии излучения низкой интенсивности, могут быть использованы для прогноза реакции исследуемых объектов в условиях высокоинтенсивного импульсного облучения. Указанные критерии хорошо известны в литературных источниках (Шилобреев Б.А., Лазурик В.Т., Яковлев М.В. Граничные эффекты в элементах бортовой аппаратуры космических аппаратов при действии потоков ионизирующего излучения. М.: Изд-во «Физматлит», 2017. ISBN 978-5-9221-1755-5 - [1]).
Необходимым условием является исключение эффектов, которые могли бы привести к существенной неопределенности регистрируемых сигналов при любой интенсивности воздействующего излучения. Для конструкций диэлектрик-металл к таким эффектам относятся сигналы, обусловленные начальными электретными зарядами в диэлектрике исследуемых систем диэлектрик-металл. Первым критерием возможности моделирования импульсных излучений на статических источниках излучения является компенсация начальных электретных зарядов в конструкциях диэлектрик-металл методами теплового или радиационного воздействия (Б.А. Шилобреев, М. В. Яковлев - Нелинейные электрические эффекты в конструкциях диэлектрик-металл при радиационном воздействии - Сборник научных трудов ФГУП ЦНИИмаш «Теоретические и экспериментальные исследования вопросов общей физики» под редакцией академика РАН Н.А. Анфимова, с. 132-139, 2003 г. - [2]).
Корректное моделирование действия импульсного излучения на статических источниках излучения предполагает тождественность физических эффектов, ответственных за формирование регистрируемых сигналов при статическом или импульсном облучении. В конструкциях диэлектрик-металл основными физическими эффектами, ответственными за формирование радиационно-наведенных сигналов, являются формирование объемного заряда и радиационно-наведенной электропроводности (РНЭ) в диэлектрике за счет переноса вторичных высокоэнергетических заряженных частиц. Для моделирования импульсного воздействия необходимо, чтобы образующиеся в диэлектрике распределения объемного заряда и поглощенной дозы (следовательно, и РНЭ) при статическом и импульсном облучении были одинаковы. На практике это условие выполняется при близком спектральном составе статического и импульсного излучений и при одинаковом направлении облучения.
Таким образом, вторым критерием моделирования является близкий спектральный состав импульсного и статического излучений и одинаковое направление облучения.
При условии выполнения двух первых критериев К условиям моделирования относится
При условии пропорциональной зависимости амплитуды радиационно-наведенных сигналов от мощности поглощенной дозы излучения данные измерений на статическом источнике однозначно определяют ожидаемый сигнал при импульсном высокоинтенсивном облучении. Условие пропорциональности может быть нарушено за счет изменения механизма передачи заряда из объема диэлектрика на измерительный электрод [1].
В начальные моменты облучения объемный заряд в диэлектрике и связанное с ним электрическое поле отсутствуют. Токи проводимости в этом случае равны нулю. Регистрируемый сигнал в начальные моменты времени определяется преимущественно токами смещения за счет образования объемного заряда в диэлектрике в результате переноса вторичных высокоэнергетических электронов. Дальнейшее облучение приводит к накоплению объемного заряда и соответственно - увеличению электрического поля, при этом токи проводимости возрастают. Регистрируемый сигнал определяется уже суперпозицией токов смещения и токов проводимости. Постепенно наступает состояние квазистатического равновесия, когда приток заряда внутри любого выбранного элементарного объема внутри диэлектрика за счет переноса высокоэнергетических электронов становится равным оттоку заряда из этого объема за счет токов проводимости. Дальнейший рост объемного заряда прекращается. Регистрируемый сигнал на измерительном электроде определяется лишь токами проводимости.
Нелинейные эффекты при изменении механизма передачи заряда от токов смещения к токам проводимости возникают в случае нарушения равномерности распределений поглощенной дозы в диэлектрике вблизи границ раздела с металлом, т.е. за счет, так называемых, граничных эффектов [1]. (см. также: М.В. Яковлев «Граничные эффекты в дозиметрии ионизирующих излучений», Сборник научных трудов ФГУП ЦНИИмаш «Теоретические и экспериментальные исследования вопросов общей физики» под редакцией академика РАН Н.А. Анфимова, с. 159, 1999 - [3]).
В изложенной ситуации необходимо найти критериальный параметр, который зависит от амплитудно-временных характеристик импульсного или статического облучения и соответствует одному из двух предельных механизмов передачи заряда из объема диэлектрика на измерительный электрод (токи смещения или токи проводимости). Далее, ожидаемые условия импульсного облучения сравнивают с полученными численными значениями критериального параметра, определяют доминирующий механизм формирования сигнала и выбирают соответствующие данные измерений на статическом источнике для пересчета к случаю импульсного облучения. Пересчет сигнала к выполняется по известному отношению мощностей дозы импульсного и статического излучения.
В том случае, когда обсуждаемый критерий относится к переходной зоне механизмов передачи заряда от токов смещения к токам проводимости, устанавливают диапазон изменения критериального параметра в названных предельных ситуациях и проводят экстраполяционную оценку. Указанный подход позволяет определить, по крайней мере, границы изменения амплитуды радиационно-наведенного сигнала при импульсном воздействии.
γ
Для выявления характера нелинейной зависимости между радиационно-наведенным током конструкции диэлектрик-металл, j(t), и мощностью дозы воздействующего ионизирующего излучения (например, гамма-излучения), P(t), выполнен следующий эксперимент [1, 3].
60
-5
-1
γ
γ
γ
γ
Отрезок коаксиального кабеля РК-75-4-11 в виде плоской спирали облучался на источнике Со по нормали к плоскости спирали. Мощность экспозиционной дозы излучения составляла Р=10 Гр⋅с. Испытуемый образец кабеля подключался к электрометру. Электретные эффекты были исключены путем предварительной термической обработки кабеля. В ходе эксперимента измерялась зависимость тока жилы кабеля от времени. Результаты измерений представлены на фигуре 1 в виде зависимости коэффициента радиационной чувствительности кабеля, k, от параметра D, равного: . Коэффициент k определяется как отношение радиационно-наведенного тока, j(t), к мощности дозы воздействующего излучения, P(t), в расчете на единицу длины облучаемого отрезка кабеля. Параметр Δ входит в феноменологическую формулу Роуза для радиационно-наведенной электропроводности диэлектрика (С. Роуз - Основы теории фотопроводимости, Изд-во Мир, Москва, 1976 - [4]):
0
где σ, Δ - эмпирические константы, значение которых зависит от типа материала и условий облучения.
γ
γ
γ
γ
-12
-1
-1
-12
-1
-1
3
Δ
1-Δ
Результаты эксперимента представлены на фигуре 1а. Измеренные значения k заключены в пределах заштрихованной области, которая определяется флуктуациями регистрируемого радиационно-наведенного сигнала в процессе измерений. Из анализа фигуры следует, что измеренная зависимость k=k(D) имеет два «устойчивых» состояния. В начале облучения коэффициент радиационной чувствительности имеет максимальное значение и составляет ~4,3⋅10 Кл⋅Р⋅м, затем он спадает и становится равным ~ 10 Кл⋅Р⋅м. Изменение коэффициента k происходит в диапазоне изменения значений параметра D ~ 100…2⋅10 P⋅c.
γ
На фигуре 1б показаны результаты вычисления аналогичной зависимости, k (D), для плоской модели кабеля с толщинами слоев, отвечающих реальной конструкции кабеля по формуле (5.42) монографии [1]. Расчет радиационно-наведенной электропроводности производился по формуле (1) для следующих коэффициентов полиэтиленового диэлектрика [4]:
0
σ=4,5⋅10-14 Ом-1⋅м-1⋅Гр-Δ⋅сΔ, Δ=0,82.
γ
0,1
γ
0,9
0,1
0,9
γ
Δ
1-Δ
3
-1
-1
Из анализа рисунков фигур 1а, 1б следует, что качественный характер расчетной зависимости k (D) удовлетворительно согласуется с результатами эксперимента как с точки зрения характера кривой, так в части значений параметра D, при которых наблюдаются переходные процессы. При D<D~ 100 Р⋅с вычисленные значения коэффициента радиационной чувствительности, k, соответствуют механизму передачи заряда на из диэлектрика на жилу кабеля за счет токов смещения и при D>D~2⋅10 Кл⋅Р⋅м - за счет токов проводимости. В таком случае установленный в эксперименте сигнал в облучаемом отрезке кабеля при D<D также может быть отождествлен с токами смещения, а при D>D  - с токами проводимости. При постоянной мощности дозы воздействующего излучения изменение k (D) для испытанного образца кабеля достигает ~4 раз, что и определяет возможную степень нелинейности сигналов в процессе облучения.
0,1
0,9
Значения параметров D≤D, и D≥D можно рассматривать как значения критериального параметра, при которых определяющими механизмами формирования радиационной реакции систем диэлектрик-металл являются механизмы передачи сигнала из объема диэлектрика на измерительный электрод за счет токов смещения или токов проводимости соответственно.
Таким образом, выполненные расчеты и эксперименты подтверждают реализуемость заявляемого способа определения электрических сигналов в конструкциях диэлектрик-металл при действии высокоинтенсивного импульсного ионизирующего излучения по результатам измерений на статических источниках излучения низкой интенсивности, который имеет высокую практическую значимость для планирования и проведения радиационных испытаний систем диэлектрик-металл.