Установка для исследования радиационной стойкости материалов и электроники в масштабе реального времени

Установка предназначена для исследования радиационной стойкости материалов и электроники в режиме реального времени. Источник гамма-излучения с активностью 5·10¹² Бк, размещенный в защитном контейнере с выходным коллиматором диаметром 40 мм и система перемещения облучаемого объекта вдоль горизонтальной оси контейнера обеспечивают облучение испытуемых образцов с заданной мощностью дозы от 0.01 до 1 Грэй/час. Смесь этиленгликоля с водой циркулирующая между термостабилизирующей системой LAUDA и светонепроницаемым и теплоизолированным боксом позволяет поддерживать фиксированную температуру облучаемых образцов, размещенных в кассете-теплообменнике, в диапазоне температур от +30°С до -25°С. Соответствующие регистрирующая электроника, система сбора данных и программное обеспечение позволяют отслеживать изменение требуемых характеристик облучаемого объекта в процессе непрерывного облучения.

Полезная модель позволяет проводить исследования радиационной стойкости материалов и электроники в режиме реального времени для потребностей российского рынка в сфере атомной и оборонной промышленности, в решении задач физики ядра и элементарных частиц.

Обычно облучение материалов и измерения их характеристик разнесены во времени. Все известные установки по исследованию радиационной стойкости состоят из источника излучения и системы перемещения испытываемых объектов. В этих установках процессы облучения образцов и определения параметров их радиационных повреждений разнесены во времени. В качестве примера можно привести две установки по гамма облучению образцов материалов. Первая -Gamma Irradiation Facility- находится в ЦЕРН'е (Швейцария) [http://ess.web.cern.ch/ESS/gifProject/]. В качестве гамма источника используется ¹³⁷Cs с активностью ~ 7·10¹¹ Бк. Вторая установка - ГУТ-200М создана и находится в РНЦ "Курчатовский Институт" [http://www.kiae.ru/]. Установка использует гамма источники ⁶⁰Со с интегральной активностью ~ 5·10¹⁴ Бк. Поскольку многие материалы частично восстанавливают свои свойства после прекращения облучения, любая потеря времени между окончанием облучения и началом измерений может привести к искажению результатов.

В ГНЦ ИФВЭ создана установка для облучения материалов гамма-излучением радиоактивных источников с возможностью наблюдения за изменением характеристик облучаемых объектов в масштабе реального времени, т.е. в процессе облучения. Диапазон изменения мощности дозы в воздухе, на границе с облучаемой средой, составляет от 1 до 100 рад/час (100 рад = 1 Гр). Диапазон температур, при которых проводятся облучение и измерения, - от +30°С до -25°С.

Это достигается тем, что в состав полезной модели входят:

- специализированный источник гамма-излучения;

- светонепроницаемый теплоизолированный бокс с размещенной в нем кассетой-теплообменником для испытуемых образцов и система перемещения бокса относительно источника излучения;

- криотермостат LAUDA;

- аппаратура мониторирования;

- регистрирующая электроника, программное обеспечение и система сбора данных.

Схема установки ориентированной на исследование сцинтилляционных и оптических характеристик кристалла вольфрамата свинца (PWO) в режиме реального времени приведена на рис.1.

Для облучения кристаллов используется источник гамма-излучения ¹³⁷Cs активностью 5·10 ¹² распадов в секунду и энергией излучаемых -квантов 0,66 МэВ. Источник размещается в специальном контейнере (1) с выходным коллиматором диаметром 40 мм. Требуемая мощность дозы облучения в указанном диапазоне обеспечивается изменением расстояния между источником и кассетой с кристаллами.

Кассета с облучаемыми кристаллами находится в светонепроницаемом теплоизолированном боксе (2). Кассета изготовлена из меди и является теплообменником для стабилизации температуры кристаллов. Для устранения влажности в теплоизолированном боксе предусмотрена система его продувки сухим азотом. Измерения температуры в контролируемых зонах бокса и кассеты с кристаллами ведутся с использованием термодатчиков РТ100 и РТ1000.

Температурный контроль и стабильность температуры кристаллов, установленных в боксе, обеспечивается криотермостатом LAUDA RC6CP (3). Мощность криотермостата 300 Вт является достаточной для поддержания стабильной температуры в диапазоне от -25°С до +30°С в течение десяти суток с абсолютной точностью не хуже 0,2°С. Смесь этиленгликоля с водой циркулирует между термостабилизирующей системой LAUDA и кассетой с кристаллами.

Сцинтилляционный свет с кристалла, обусловленный воздействием гамма излучения, попадает на фотокатод фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и имеет спектральную характеристику, которая является суперпозицией собственного спектра испускания PWO и его спектра поглощения. Изменение прозрачности кристалла в процессе облучения отслеживается аппаратурой мониторирования (4). При облучении кристаллы PWO теряют свою прозрачность. Два светодиода с длинами волн 450 нм и 640 нм используются для измерения относительного светопропускания кристаллов PWO в этих областях светового спектра. Свет от них передается к дальним от фотокатодов ФЭУ торцам кристаллов по кварцевым волокнам.

Для измерения относительных изменений коэффициентов усиления ФЭУ используются два других светодиода с теми же характеристиками, свет от которых передается непосредственно на фотокатоды ФЭУ также по кварцевым волокнам.

Стабильность светового потока от светодиодов обеспечивается постоянством тока, выдаваемого высокостабильными импульсными источниками питания (драйверами), отдельными для каждого светодиода. Световые потоки дополнительно измеряются с помощью двух полупроводниковых (р-n)-фотодиодов: один из них регистрирует свет от светодиодов, мониторирующих светопропускание кристаллов, другой - от светодиодов, мониторирующих коэффициенты усиления ФЭУ.

Анализ оптических характеристик кристаллов при их облучении ведется по трем сигналам: сцинтилляционный сигнал и сигналы от голубого и красного светодиодов, свет от которых проходит через кристалл. Остальные сигналы являются вспомогательными, но очень важными для обеспечения высокой точности измерений.

Для непрерывной регистрации сигналов, описанных выше, используется высокочувствительная регистрирующая электроника серии I7000 производства компании ICP DAS. Каждый модуль регистрирующей электроники обеспечивает усиление аналогового сигнала и его преобразование в цифровой код под управлением микроконтроллера, который также поддерживает связь с общей системой сбора данных установки. Вся измерительная электроника системы сбора данных размещена в непосредственной близости от кристаллов. Таким образом, аналоговые сигналы с ФЭУ и температурных датчиков конвертируются в цифровой вид, минуя длинные кабели, что обеспечивает низкий уровень шумов при высокой чувствительности (единицы наноампер). Для управления и передачи цифровых данных модули электроники связаны между собой и управляющим компьютером с помощью сети промышленного стандарта RS485 с гальванической развязкой. Оцифрованные сигналы поступают в систему обработки в реальном времени и записываются на архивный носитель для последующей дополнительной обработки.

Обработка информации в реальном времени позволяет осуществлять непрерывный контроль работоспособности всей установки и параметров исследуемых кристаллов.

На созданной в ГНЦ ИФВЭ установке проводятся испытания радиационной стойкости сцинтилляторов на основе монокристаллов PbWO₄. Протестировано более 100 кристаллов, произведенных на Богородицком Техно-химическом комбинате и на предприятии «Северные кристаллы» г.Апатиты, Россия

Данные кристаллы являются элементами электромагнитных калориметров в создаваемых экспериментальных установках физики высоких энергий: «Спасчарм» - ИФВЭ, Россия (10000 шт.); «Панда» - Дармштад, Германия (20000 шт.); «CMS», «ALICE» - CERN, Швейцария (80000 шт.).

В качестве примера, на Рис.2, приведены результаты относительных изменений во времени сцинтилляционных сигналов кристаллов b16 и b30 (произведенных на Богородицком Техно-химическом комбинате) в поле гамма-излучения мощностью дозы 80 рад/час при различных температурных режимах.

Установка для исследования радиационной стойкости материалов, содержащая радиоактивный источник гамма-излучения и систему перемещения исследуемого объекта относительно источника излучения, отличающаяся тем, что наличие светонепроницаемого и теплоизолированного бокса с размещенной в нем кассетой-теплообменником для испытуемых образцов, криотермостата, аппаратуры мониторирования, электроники и программного обеспечения позволяют измерять электрические, оптические и другие характеристики исследуемого объекта в режиме реального времени без прерывания облучения и при фиксированной температуре в диапазоне от -25 до +30°С.