 |
Источники радиоактивного излучения
|
|
|
|
В качестве источников радиоактивного излучения в лабораторных условиях применяют ускорители заряженных частиц и ядерные реакторы. В «классических» ускорителях ускоряющее поле создается внешними радиотехническими устройствами (генераторами). В ускорителях с коллективными методами ускорения заряженных частиц ускоряющее поле создается другими заряженными частицами (электронным пучком, электронным кольцом, плазменными волнами). В линейных ускорителях траектории заряженных частиц близки прямой линии, а в циклических ускорителях частицы под действием ведущего магнитного поля (постоянного или изменяющегося во времени) движутся по орбитам, близким к круговым. В резонансных ускорителях ускорение производится высокочастотным электрическим полем и ускоряемые частицы движутся синхронно в резонанс с изменением поля. В нерезонансных - направление поля за время ускорения не изменяется.
Классификация ускорителей заряженных частиц:
а) по способу получения ускоряющего поля:
- "классические";
- с коллективными методами ускорения;
б) по виду траекторий частиц:
- линейные;
- циклические;
в) по типу ускоряемых частиц:
- электронные;
- протонные;
- ионные;
г) по характеру ускоряющего поля:
- резонансные;
- нерезонансные (индукционные и высоковольтные).
Увеличение энергии частиц в ускорителях происходит за счет действия на них сил электрического поля.
Большую кинетическую энергию заряженные частицы могут получать в результате:
- однократного прохождения ускоряющего зазора, к которому приложена большая разность потенциалов; движения в вихревом электрическом поле;
- многократного прохождения ускоряющего зазора, к которому приложена сравнительно невысокая разность потенциалов (частицы возвращаются в область ускоряющего зазора поперечным магнитным полем).
|
|
|
В электростатических ускорителях линейного типа ускорение заряженных частиц осуществляется в ускорительной линии.
Ускорительная линия представляет собой вакуумную трубку с расположенными в ее торцах электродами, к которым прикладывается высокая разность потенциалов. Остаточное давление газа в ускорительной трубке должно быть довольно низким, чтобы при работе в ней не возникал газовый разряд. Поскольку при функционировании ускорителя происходит непрерывное газовыделение элементами конструкции трубки и натекание газа из ионного источника, ускорительные трубки работают при непрерывной откачке высокопроизводительными насосами. В качестве источников ионов в настоящее время применяют источники с холодным катодом и источники с высокочастотным разрядом, в которых происходит ионизация газа. Образовавшиеся ионы с помощью специальной системы электродов формируются в пучок, попадают в ускорительную трубку, где приобретают высокую энергию.
Электростатические ускорители нашли широкое применение при проведении радиационных испытаний ЭС для получения энергии заряженных частиц в диапазоне 1...12 МэВ. Кроме того, их используют для инжекции заряженных частиц в другие, более крупные ускорители.
Волноводный ускоритель линейного типа позволяет получить более высокую энергию заряженных частиц, в частности электронов. Ускоряющей системой в нем служит цилиндрический диафрагмированный волновод (рис. 7).
Рис. 7. Диафрагмированный волновод с бегущей волной:
1 - ускоряемый сгусток электронов; 2 - диафрагмы; штриховыми линиями показано распределение магнитного поля
Циклические ускорители работают на принципе ускорения заряженных частиц, движущихся по окружности под действием магнитного поля. При этом частицы набирают большую конечную энергию благодаря многократному прохождению ими ускоряющего зазора, к которому приложена сравнительно небольшая разность потенциалов. Траектории частиц в циклических ускорителях имеют различную форму (рис. 8). В современных циклических ускорителях используют постоянные или переменные управляющие магнитные поля.
|
|
|
К циклическим ускорителям с постоянным во времени магнитным полем относятся циклотроны, фазотроны (синхроциклотроны) и микротроны.
Циклотрон предназначен для циклического ускорения тяжелых частиц - протонов и ионов. Частота ускоряющего электрического поля в нем постоянна во времени. Движение частиц в циклотроне происходит по спирали, разворачивающейся от центра к периферии вакуумной камеры ускорителя. Ускоряемые частицы дважды за период обращения проходят ускоряющий зазор. Ускоренные частицы выводятся из вакуумной камеры с помощью специального устройства, называемого дифлектором, и далее попадают в вакуумную трубку ионопровода, по которому направляются к месту использования. С помощью циклотрона протонам можно сообщать энергию 20...25 МэВ.
Рис. 8. Идеальная траектория заряженных частиц
в некоторых циклических ускорителях:
а - спиральная (циклотрон); б - спиральная (микротрон);
в - круговая (бетатрон).
Фазотрон, или синхроциклотрон - циклический резонансный ускоритель тяжелых частиц. Движение частиц в фазотроне, как и в циклотроне, происходит по раскручивающейся спирали. В фазотроне для обеспечения резонанса частота ускоряющего электрического поля изменяется синхронно с изменением частоты обращения частиц. Благодаря этому в данном ускорителе может быть получена значительно большая энергия, чем в циклотроне. Ускоренные частицы выводятся из вакуумной камеры к месту использования аналогично способу, рассмотренному в циклотроне.
К циклическим ускорителям с изменяющимся во времени управляющим магнитным полем относятся бетатрон, синхротрон и синхрофазотрон. Бетатрон — циклический индукционный ускоритель; предназначенный для ускорения бета-частиц, т. е. электронов.
Рис. 9. Конструкция бетатрона:
а) принцип действия (1 - катушка возбуждения; 2 - инжектор; 3 - мишень); б) - конструкция (1 - вакуумная камера; 2 - обмотка возбуждения; 3 - магнитопровод; 4 - полюсные наконечники; 5 - смещающие обмотки)
|
|
|
Частицы, вылетающие из инжектора 2, попадают в переменное магнитное поле Ф, двигаясь в котором по круговой орбите они увеличивают свою энергию под действием вихревого электрического поля. Ускорение электронов при движении по орбите происходит за время нарастания магнитного поля от нуля до максимального значения, т. е. за четверть периода. Направление ускоряющего вихревого электрического поля в течение этого промежутка времени не меняется. За время ускорения электрон успевает сделать огромное (до нескольких миллионов) число оборотов по круговой орбите постоянного радиуса 
, так называемой равновесной орбите. Хотя энергия, приобретаемая электроном за один оборот, невелика, конечное значение энергии оказывается очень большим. Ускоренные электроны выводятся на мишень 3.
По принципу действия бетатрон аналогичен обычному трансформатору, поэтому не случайно их конструктивное сходство (рис. 9,б). Катушка возбуждения соответствует первичной обмотке трансформатора, а роль вторичной обмотки выполняет электронный луч. Число оборотов, совершаемых электронами в процессе ускорения, соответствует числу витков вторичной обмотки. Ускорение электронов осуществляется в вакуумной камере тороидальной формы. По окончании цикла ускорения электроны должны быть смещены с равновесной орбиты для бомбардировки мишени, установленной в вакуумной камере (для бетатронов, предназначенных для генерирования жесткого рентгеновского излучения), или выведены из камеры в атмосферу (для бетатронов, служащих в качестве источников электронов высокой энергии) через выводное устройство (например, дифлектор). Бетатрон может ускорять электроны до энергий 100... 300 МэВ. Однако ввиду громоздкости его конструкции для энергий выше 100 МэВ предпочтительнее использовать синхротрон.
Синхротрон - циклический резонансный ускоритель электронов, ускорение частиц в котором осуществляется высокочастотным электрическим полем постоянной частоты, а управление траекторией их движения в вакуумной камере - переменным магнитным полем. Поскольку в процессе повышения энергии частиц магнитное поле на орбите ускорителя также нарастает, радиус орбиты электронов остается постоянным. Магнитное поле в синхротроне обеспечивает устойчивое движение электронов по орбите постоянного радиуса. Синхротроны позволяют повышать энергию электронов до 5.. 10 ГэВ.
|
|
|
Максимальная энергия частиц достигается в синхрофазотронах. Синхрофазотрон - циклический резонансный ускоритель протонов (или ионов), в котором частота ускоряющего электрического поля меняется во времени так, чтобы частицы под действием переменного магнитного поля двигались по орбите с постоянным радиусом, т. е. по равновесной орбите. Конструктивно синхрофазотрон аналогичен синхротрону.
В синхрофазотронах применяют ускоряющие устройства двух типов: объемные резонаторы и дрейфовые трубки. Резонаторы используют для перестройки частоты ускоряющего напряжения в сравнительно небольших пределах. Для регулирования частоты в полости резонатора устанавливают ферритовые кольца, играющие роль дополнительной индуктивности. Регулировку частоты осуществляют изменением намагничивающего тока.
Дрейфовая трубка (рис. 10,б) состоит из трех цилиндров круглого и эллиптического сечения: длинного (среднего) и двух коротких (крайних). При подаче на трубку высокочастотного напряжения в зазорах между цилиндрами образуются переменные электрические поля, направленные встречно. При указанной на рис. 10,б полярности приложенного к электродам напряжения частица, попавшая в левый зазор, ускоряется и попадает в средний цилиндр. За время ее движения через него полярность электродов меняется на противоположную, поэтому в правом зазоре частица также ускоряется. Дрейфовая трубка входит в резонансный контур входного усилительного каскада высокочастотного генератора. Частота ускоряющего напряжения на зазорах дрейфовой трубки регулируется с помощью индуктивности, включенной в резонансный контур. Значение индуктивности, выполненной в виде катушки с ферритовым сердечником, зависит от силы намагничивающего тока.
В настоящее время в эксплуатации находятся синхрофазотроны с энергией частиц до 500 ГэВ (США). Предельная энергия частиц в синхрофазотроне лимитируется себестоимостью ускорителя.
Ядерные реакторы применяют наряду с ускорителями заряженных частиц для испытания ЭС на воздействие радиоактивных излучений. В реакторах происходит управляемая цепная ядерная реакция деления, приводящая к излучению интенсивного потока нейтронов и гамма-излучению. По принципу работы все реакторы делятся на импульсные (развивающие большую мощность при очень малом времени функционирования — 10-5...10-2 с) и статические (длительного действия).
|
|
|
Рис.10. Сечение ускоряющего синхрофазотрона:
а) объемный резонатор (1 - изолятор; 2 - корпус резонатора;
3 - ферритовые кольца; 4 - вакуумная камера; 5, 6 - коаксиальные кабели); б) дрейфовая трубка
Любой ядерный реактор состоит из активной зоны, отражателя, систем регулирования, контроля, охлаждения и биологической защиты. В активной зоне, где находится ядерное топливо, протекает цепная ядерная реакция с выделением энергии, главным образом тепловой. В качестве делящегося вещества в ядерном реакторе применяют природное ядерное топливо — уран, который содержит делящиеся ядра 235U, обеспечивающие поддержание цепной реакций; и «сырьевые» ядра 238U, способные захватывать нейтроны и превращаться в новые делящиеся ядра 239Рu, не существующие в природе (вторичное горючее). К вторичному горючему относятся также ядра 233U. Если активная зона кроме ядерного топлива включает замедлитель нейтронов (графит, воду и другие вещества, содержащие легкие ядра), то основная часть делений происходит под действием тепловых нейтронов - ядерный реактор на тепловых нейтронах. Замедлитель позволяет получить нейтроны с низкими энергиями, равными тепловым (около 25-10-4 эВ). Если же замедлителя в активной зоне нет, то основная часть делений вызывается быстрыми нейтронами с энергией, превышающей 10 кэВ, - быстрый реактор.
Рис. 11. Гетерогенный ядерный реактор на тепловых нейтронах: а) схематический разрез (1 - регулирующие стержни; 2 - блок с топливом; 3 - активная зона; 4 - замедлитель нейтронов; 5 - отражатель нейтронов; 6 – защитное устройство); б) конструкция (1 - нижняя опорная плита; 2 - каналы охлаждения биологической защиты; 3 - тепловыделяющий элемент; 4 - корзина реактора; 5 - автоматически регулирующий стержень; 6 - верхняя опорная плита; 7 - компенсирующий стержень; 8 - стержень аварийной защиты; 9 - тяги системы управления и защиты; 10 - крышка реактора; 11 - трубопровод для выхода теплоносителя; 12 - корпус реактора; 13 - трубопровод для входа теплоносителя; 14 — биологическая защита)
По конструкции ядерные реакторы делятся на гомогенные и гетерогенные. В гомогенных реакторах ядерное топливо и замедлитель представляют однородную смесь (раствор или суспензию). В гетерогенных ядерное топливо распределено в активной зоне дискретно по блокам, между которыми находится замедлитель нейтронов (рис. 11,а). В наиболее распространенных ядерных реакторах блоки с ядерным топливом в виде стержней, называемых тепловыделяющими элементами, образуют правильную решетку. Конструкция гетерогенного ядерного реактора на тепловых нейтронах представлена на рис. 11, б.
Мощность ядерного реактора в основном зависит от возможности быстрого отвода тепла, выделяющегося в активной зоне. Управление реактором, поддержание реакции и мощности на заданном уровне, пуск и остановку производят специальными подвижными управляющими стержнями, изготовленными из материалов, интенсивно поглощающих тепловые нейтроны. Перемещением стержней управляют дистанционно с пульта управления. При небольшом перемещении стержней от положения, соответствующего критическому состоянию реактора, цепной процесс либо развивается, либо затухает, т. е. мощность потока нейтронов в активной зоне можно регулировать. Если стержни ввести глубоко в активную зону, поглощение в них нейтронов будет настолько велико, что цепной процесс станет невозможен.
Испытываемые изделия при помощи манипулятора вводят в активную зону либо через вертикальный канал, либо через специально сделанный для этих целей боковой горизонтальный канал.
Основными характеристиками излучения тепловых ядерных реакторов, которыми необходимо располагать при испытании изделий, являются следующие:
- поток нейтронов в месте расположения испытываемого изделия;
- энергетическое распределение нейтронов; экспозиционная доза гамма-излучения и ее максимальная мощность;
- энергетическое распределение гамма-квантов.
Для реакторов быстрых частиц, которые могут работать также и в импульсном режиме, к указанным характеристикам добавляются форма и длительность нейтронного импульса и импульса гамма-излучения.
Радиационное испытание ЭС
Испытание проводят с целью проверки работоспособности и сохранения внешнего вида ЭС в соответствии с НТД (требования ТЗ и ТУ) во время и после воздействия радиации. Испытание проводят в электрических режимах, оговоренных в стандартах и программах испытаний, по специально разработанной методике, которая составляется на каждый вид радиоактивного излучения. При выборе контролируемых параметров необходимо исходить из требования получения максимального объема информации и из технологических возможностей методов измерения параметров ЭС в условиях облучения.
Испытательный комплекс, схема одного из возможных вариантов которого приведена на рис. 12, должен обеспечивать одновременное испытание выбранного числа образцов, дистанционное измерение и регистрацию контролируемых параметров. Состав блоков комплекса и их функции определяются видом испытаний, типом моделирующего источника радиоактивного излучения и характеристиками контролируемого параметра.
Рис. 12. Структурная схема испытательного комплекса:
1 - испытываемые изделия; 1а - дозиметры и датчики температуры; 2 - блок датчиков; 3 - блок коммутации и согласования; 4 - регистрирующая аппаратура; 5 - командный блок; 6 - вспомогательная аппаратура; 7 - блок измерений;
8 - блок питания
Блок датчиков содержит датчик формы импульса гамма-излучения и датчик импульса запуска регистрирующей аппаратуры (электронных осциллографов). Этот блок необходим только при импульсных источниках излучения. В качестве датчика формы импульса служит фотоэлектронный умножитель с фотолюминесцентным кристаллом. Датчик импульса запуска электронных осциллографов вместе с блоком согласования обеспечивают запуск разверток с опережением сигнала реакции ЭС на излучение, что необходимо для качественной записи импульса реакции и его фронта. Опережение определяется временем срабатывания схемы развертки осциллографа и длительностью фронта импульса воздействующего излучения.
Блок коммутации и согласования обеспечивает переключение каналов регистрации параметров ЭС на одно регистрирующее устройство при проведении испытания на статическом ядерном реакторе и временное согласование сигналов от испытываемых изделий и сигналов на запуск регистрирующей аппаратуры при испытании на импульсной моделирующей установке. Командный блок предназначен для программного автоматического или ручного управления работой аппаратуры измерительного комплекса. Вспомогательная аппаратура служит для градуировки осциллографов и проверки измерительных трактов.
Измерение температуры окружающей среды или корпусов изделий следует проводить в случае ожидаемого нарушения температурного режима изделий за счет радиационного разогрева или повышенной температуры в зоне облучения. Датчики и блок измерения, температуры обеспечивают одновременное измерение и регистрацию ее в заданном диапазоне. Они должны быть нечувствительны или малочувствительны к воздействию проникающих излучений. Обычно для этих целей используют термопары.
|
|
|
