4
УДК 536.6+539.12.04
ДИАГНОСТИКА МОЩНЫХ ПУЧКОВ ЭЛЕКТРОНОВ С ПОМОЩЬЮ
КАЛОРИМЕТРОВ ПОЛНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ
А. П. Степовик, Д. В. Хмельницкий
Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики, 456770 Снежинск
C целью исследования динамических эффектов в материалах при облучении на мощных
ускорителях электронов рассмотрена возможность диагностики выведенного в атмосферу
пучка с использованием калориметров полного поглощения. Приведена схема
кольцевого калориметра, с помощью которого выполнены измерения переноса энергии
на ускорителях ИГУР-3 и ЭМИР-М до значений (2,0 ч 2,5) · 102 Дж/см2. Рассчитана
доля поглощаемой в калориметре энергии падающих электронов, показано влияние
их спектра на результаты измерений, рассмотрены вопросы теплопередачи. Установлено,
что по результатам измерений можно определить среднюю по объему калориметра
температуру в момент окончания действия электронного импульса, которая однозначно
связана с поглощенной в калориметре энергией электронов.
Ключевые слова: электронные пучки, мощный ускоритель, поглощенная энергия,
пряжения является облучение мощным электронным пучком (длительность 10−8÷10−7 с,
полный ток пучка составляет десятки килоампер) [1]. Поглощение энергии за время, мнодиагностика,
калориметр.
Одним из способов нагружения материалов коротким импульсом механического наго
меньшее механической инерционности материала, приводит к возникновению в нем
термоупругих напряжений, что позволяет изучать откольные явления, а также измерять
термодинамические и упругие параметры материалов [2, 3]. Связь между возникающим
тепловым давлением P и поглощенной энергией электронов Ea выражается известным соотношением
[4] P = ΓdEa (Γ— коэффициент Грюнайзена материала; d— его плотность).
Поглощенная энергия электронов зависит от спектра и значения переноса энергии
падающих электронов, которое необходимо измерять при расчете давления. (Термин “перенос
энергии ионизирующих частиц” означает отношение суммарной энергии (исключая
энергию покоя) всех ионизирующих частиц, проникающих в объем элементарной сферы,
к площади поперечного сечения этой сферы.) Распределение энергии по сечению выведенного
в атмосферу пучка электронов в мощных ускорителях [1] недостаточно однородно,
поэтому требуется разработка метода диагностики, обеспечивающего минимальное затенение
чувствительным элементом поверхности облучаемых образцов (пленочная дозиметрия,
фольговая калориметрия и т. д.).
Для измерения переноса энергии пучка электронов, которым облучались образцы материалов,
применялись калориметры двух типов: фольговый и полного поглощения [5].
К достоинствам калориметрического метода следует отнести возможность регистрации
нагрева калориметров после окончания действия помех, сопровождающих работу установок
такого рода [6], а также малые размеры чувствительного элемента, что существенно
из-за неоднородности излучения в сечении пучка.
Результаты измерений с помощью фольговых калориметров более подробно изложены
в [5]. С использованием этих калориметров можно измерять величину переноса энергии
ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. 2003. Т. 44, N◦
6
Стр.1
А. П. Степовик, Д. В. Хмельницкий
5
5
3
4
6
2
1
Рис. 1. Схема кольцевого калориметра:
1 — стальное кольцо; 2 — корпус; 3 — растяжки;
4—кольцевой калориметр; 5—центральный
калориметр; 6 — термопары
электронов, падающих непосредственно на образец. Однако показания фольговых калориметров
сильно зависят от материала образца (по данным наших измерений, показания
могут различаться в 2–3 раза) из-за вклада в разогрев калориметров энергии отраженных
от него электронов.
Использование калориметров полного поглощения позволило существенно уменьшить
влияние отраженных электронов, однако с их помощью можно измерять величину переноса
энергии только в окрестности образца. Погрешность измерений, обусловленная этим
фактором, в значительной мере определяется степенью и видом неоднородности распределения
энергии в поперечном сечении пучка электронов.
При отработке методики диагностики с помощью указанных калориметров на установках
ИГУР-3 и ЭМИР-М [1] применялись локальные калориметры из меди и стали диаметром
3,5÷6 мм и толщиной 2÷3 мм. В тело калориметров с тыльной (по отношению
к потоку электронов) стороны впаивались термопары, затем они приклеивались к пластине
из текстолита (по сравнению с другими органическими материалами его стойкость
к действию электронов наибольшая). При величине переноса энергии до 10 Дж/см2 такие
калориметры можно использовать неоднократно. Однако при больших значениях этого
параметра (вследствие теплового удара) калориметры отлетали от платы, а при сильном
разогреве отпаивались и разрушались термопары. В результате исследуемая область
амплитуд динамических напряжений сужалась (до 100 МПа в алюминии).
С целью повышения стойкости калориметров к действию мощных импульсных пучков
электронов разработана конструкция, схема которой представлена на рис. 1. Заземленное
кольцо предназначено для защиты корпуса от действия электронов. Растяжки изготовлены
из стальной проволоки диаметром 0,4 мм. В центральный калориметр запрессована одна
термопара, в кольцевой — четыре (равномерно по окружности). Затенение образца диаметром
50÷60 мм, определяемое площадью центрального калориметра, при его диаметре
6 мм было несущественным. Термопары проложены в проточке в корпусе и выведены в
виде жгута. В экспериментах с образцами диаметром 10 ч 15 мм в корпусе размещались
несколько кольцевых калориметров (для каждого образца свой), центральные калориметры
отсутствовали.
Изменение температуры калориметров регистрировалось с помощью самопишущих
потенциометров ЭПП-09М3 или миллиамперметров постоянного тока Н-37 с усилителем
И-37. Выбор аппаратуры обусловлен ее устойчивостью (вследствие значительной инерционности)
к возникающим на установках электрическим помехам нано- и микросекундного
диапазона длительности. При этом термоЭДС термопар измерялась примерно через 1 с
после облучения электронами.
Стр.2
6
F, ÌýÂ-1
0,3
0,4
0,2
0,1
0 13 4
2
а
1
ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. 2003. Т. 44, NF,
ÌýÂ-1
2
1,0
1,5
2,0
2,5
0,5
5 E, МэВ
0
Рис. 2. Энергетические спектры электронов:
а — Emax = 5,2 МэВ (1 — t ≈ 90 нс, E = 2,59 МэВ; 2 — t ≈ 25 нс, E = 2,68 МэВ);
б — Emax = 1,05 МэВ
При использовании разработанной конструкции для диагностики пучка электронов
необходимо оценить тепловые характеристики калориметра, а также влияние спектра
электронов и условий облучения на результаты измерений. При этом необходимо учитывать
следующие обстоятельства. Во-первых, часть падающих на калориметр электронов
отражается от его поверхности, часть электронов вылетает из объема калориметра через
его боковые поверхности вследствие рассеяния и, наконец, часть энергии электронов при
их торможении в веществе затрачивается на излучение фотонов. В результате на нагрев
калориметра расходуется не вся энергия падающих электронов. Во-вторых, поскольку калориметр
находится в атмосфере, необходимо учитывать изменение его температуры за
счет охлаждения и перераспределения поглощенной энергии по объему. Для корректного
учета влияния указанных выше факторов на точность диагностики пучка электронов
рассмотрим их более подробно.
Для определения доли энергии электронов, поглощенной в материале калориметра, методомМонте-Карло
по программе MCNP4А проведены расчеты распространения электронов
в телах разной формы из железа (dFe = 7,8·103 г/м3). В качестве тел рассматривались
кольца и диски из стали марки ст.3 толщиной h = 0,3 см, в том числе с такими же размерами,
как у изготовленных калориметров (радиус диска R0 = 0,3 см; внутренний радиус
кольца R1 = 2,0; 2,25 см, внешний R2 = 2,6; 2,85 см). Источник электронов представлял
собой плоскость, параллельную торцевой поверхности тела, и располагался на расстоянии
100 см от нее. Направление вылета электронов совпадало с направлением нормали к
поверхности тела. На рис. 2 представлены три вида энергетического спектра электронов
Φ(E): два “жестких” с одинаковыми значениями максимальной энергии Emax = 5,2 МэВ
для разных режимов работы установки ИГУР-3 (длительность импульса t ≈ 90; 25 нс) [1]
и более “мягкий” с Emax = 1,05 МэВ. Учитывался совместный перенос электронов и фотонов.
ке;
Ea —энергия электронов и образовавшихся фотонов, поглощенных в калориметре; Ee,
Ep—энергии электронов и фотонов, вылетевших из системы, в том числе Ee1, Ee2—энергии
электронов, вылетевших из системы через другую торцевую поверхность и боковые
Результаты расчетов приведены в табл. 1 (E — средняя энергия электронов в пучповерхности
соответственно; χ = Ea/E — доля поглощенной в калориметре энергии).
Все приведенные результаты нормированы на один электрон источника.
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0 E, МэВ
б
◦ 6
Стр.3