БОЛОМЕТРИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения интегральной энергии импульсов мягкого рентгеновского излучения.
Известен болометрический приемник (болометр) [1. R.B. Spielman, C. Deeney, D.L. Fehl et al. // Rev. Sci. Instrum., 1999, v. 70, p. 651-655 - аналог], представляющий собой термочувствительный элемент (ТЭ) из никеля толщиной 1 мкм, напыленный на подложку, выполненную из материала с низкой теплопроводностью. К недостаткам данного устройства можно отнести сложную технологию изготовления приемника излучения, которая содержит большое число производственных этапов. Кроме того, размещение ТЭ на подложке (диэлектрическом основании) и наличие передающей линии между ТЭ и источником питания болометра, приводят к погрешности измерений и недостаточной помехозащищенности устройства.
2
В работе [2. Ю.Л. Бакшаев, С.А. Данько, Е.Е. Соколов и др. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез, 2011, вып. 1, с. 54-62 - прототип] описан импульсный фольговый болометр, предназначенный для измерения энергии мягкого рентгеновского излучения в сильноточном X-пинче. В качестве термочувствительного элемента применялись полоски алюминиевой фольги толщиной 2 мкм и 8 мкм и рабочей поверхностью 2×15 мм. К элементу, смонтированному на подложке из стеклотекстолита и расположенному в металлическом корпусе, через закрепленные в подложке контактные выводы посредством кабельной (передающей) линии подключен источник тока, заключенный в экранирующий кожух (экранированный от электромагнитного излучения корпус). Данная конструкция обладает рядом недостатков. Во-первых, теплопередача от ТЭ в подложку приводит к недостоверному измерению полученного сигнала с болометра. Также применяемый источника тока не является стабилизированным, что приводит к увеличению погрешности измерений. И, кроме того, схема измерений имеет недостаточную помехозащищенность, связанную с наличием передающей линии от источника питания к ТЭ.
Существует ряд задач по исследованиям процессов генерации мягкого рентгеновского излучения (МРИ) на мощных Z-пинч установках, где, наряду с оценкой спектра МРИ, измеряются его интегральная энергия и мощность. Как правило, при работе мощных электрофизических установок, особенно на основе взрывомагнитных генераторов (ВМГ), генерируются сильные электромагнитные наводки, затрудняющие проведение измерений. Данная проблема актуальна и при проведении экспериментов на лабораторных установках. Поэтому возникла необходимость в разработке и создании компактного и мобильного болометра с высокой помехозащищенностью для проведения более точных измерений.
Технический результат состоит в повышении точности регистрации сигнала в условиях высокого уровня электромагнитных помех как на лабораторных установках, так и во взрывных экспериментах, при достижении компактности и мобильности устройства.
Данный технический результат достигается тем, что в отличие от известного болометрического приемника излучения для измерения энергии мягкого рентгеновского излучения, содержащего термочувствительный элемент, электрически соединенный через контактные выводы, закрепленные в диэлектрическом основании, с импульсным источником питания, расположенным в экранированном от электромагнитного излучения корпусе, в заявляемом устройстве термочувствительный элемент не имеет физического контакта с поверхностью диэлектрического основания, термочувствительный элемент соединен с импульсным источником питания посредством контактных выводов без передающей линии, при этом использован автономный и быстродействующий источник питания на основе аккумуляторной батареи, обеспечивающий стабилизацию тока при изменении сопротивления термочувствительного элемента.
Отсутствие непосредственного физического (теплового) контакта с диэлектрическим основанием предотвращает частичный отток тепла от термочувствительного элемента в подложку. При этом, нагрев ТЭ, по сравнению с прототипом, не занижается, регистрируется более достоверный сигнал и повышается точность измерений. Исключение передающей линии между термочувствительным элементом и источником питания позволяет минимизировать дополнительные наводки в цепи питания болометра, что снижает общий уровень помех. Использование автономного и быстродействующего импульсного источника питания на основе аккумуляторной батареи, обеспечивающего стабилизацию тока при изменении сопротивления термочувствительного элемента, позволяет поддерживать заданный уровень тока в ТЭ, что упрощает дальнейшую обработку сигнала с болометра и повышает точность процедуры восстановления энергии МРИ из полученных осциллограмм во взрывных и лабораторных экспериментах. Плотное размещение деталей болометра позволило достигнуть мобильности и компактности устройства в целом.
На фиг. 1 схематично изображен болометрический приемник излучения для измерения энергии мягкого рентгеновского излучения.
На фиг. 2 приведена осциллограмма с болометра во взрывном эксперименте.
На фиг. 3 приведена осциллограмма с болометра в эксперименте на лабораторной установке.
2
Практически реализована конструкция компактного (физические размеры болометра ⌀115×95 мм) и мобильного болометрического приемника (фиг. 1), состоящего из термочувствительного элемента (1) из никеля 2×8 ммтолщиной 2 мкм, диэлектрического основания (2), автономного источника питания болометра (3) на основе промышленно выпускаемой аккумуляторной батареи (4), термочувствительный элемент электрически связан посредством контактных выводов (5) (без передающей линии), закрепленных в диэлектрическом основании, с источником питания, заключенным в помехозащищенный корпус (6). Запуск источника питания осуществляется по оптоволоконной линии (7), сигнал с болометра выводится на регистратор (8).
Применяемый автономный источник питания формирует импульс тока прямоугольной формы величиной 10 А и длительностью 100 мкс. При этом он обеспечивает стабилизацию тока при изменении сопротивления термочувствительного элемента.
После подачи управляющего импульса по оптоволокну (7) на источник питания (3) происходит формирование импульса тока, подаваемого на термочувствительный элемент (1). Под воздействием рентгеновского излучения термочувствительный элемент нагревается, увеличивается его сопротивление, что вызывает изменение напряжения, фиксируемое на регистраторе (8).
Отработка болометрической методики проводилась в ряде взрывных экспериментов с запиткой схлопывающихся Z-пинчей от формирователей тока на основе ВМГ, а также на лабораторной установке.
Как видно из осциллограммы на фиг. 2, наводка, сопровождающая процесс генерации МРИ, имеет небольшую амплитуду (~0,1 В) и длительность, что обеспечивает уверенное выделение полезной составляющей сигнала болометра (~0,5 В).
На фиг. 3 представлена осциллограмма с болометра в опыте по генерации МРИ при схлопывании цилиндрического лайнера на лабораторной электрофизической установке. Общий уровень наводок здесь существенно ниже, чем в экспериментах с ВМГ (полезный сигнала с болометра ~2 В, уровень помех ~0,05 В). Высокая помехозащищенность болометра позволяет в подобных экспериментах получать сигналы с минимальными искажениями.
Таким образом, проведенные эксперименты показали высокую точность измерений болометра и хорошую помехозащищенность устройства в целом. Это позволило уверенно регистрировать сигналы как в экспериментах на электрофизической установке, так и во взрывных экспериментах в условиях высокого уровня электромагнитных помех.