Пузырьковая дозиметрия ионизирующих излучений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

научный центр «Курчатовский институт»

На правах рукописи УДК 533.9.79

СМИРНОВА Нина Семеновна

ПУЗЫРЬКОВАЯ ДОЗИМЕТРИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

01.04.01 — техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва—1993

Работа выполнена в Российском научном центре "Курчатовский институт"

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор Ю.В.Сивинцев Доктор физико-математических наук, профессор Е.А.Крамер-Агеев Доктор технических наук, профессор Ю.И.Брегадзе

Ведущая организация

Институт физики высоких энергий РАН

Защита состоится " /££|£МУ993г. в_часов на заседании

специализированного совета но/ядерной энергетике (Д 034.04.03) при РНЦ "Курчатовский институт" по адресу: 123182 Москва, нл.академика И.В.Курчатова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ "Курчатовский институт".

Ученый секретарь специализированного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тгмы исследований- С начала работ по проблеме управляемого термоядерного синтеза (УТС) информация о нейтронной эмиссии из плазмы представляла большой интерес. В I период изучения возможности УТС эти данные принимались в качестве количественной меры интенсивности реакции синтеза. Накопление знаний о поведении плазмы в различных установках позволило указать на другие возможные механизмы образования нейтронов, такие как фотонейтронный канал в режиме со срывом тока плазмы, алектрорасщспленис дейтона и др. Это потребовало для выявления связи величины нейтронной эмиссии и параметров плазмы не просто потоковых измерений, но и спектральных оценок нейтронного излучения. На современных установках УТС нейтронная спектрометрия связала с трудностями надежной регистрации потоков низкой интенсивности в смешанных полях ионизирующей и неионизируюшей радиации. Несмотря на указанные трудности, поиск новых мс-тодов и средств регистрации излучений не прекращается. Он выражается в стремлении иметь • устройство, обладающее по крайней мерс, способностью избирательной регистрации определенного вида излучения, высокой чувствительностью, малыми габаритами, простотой изготовления и эксплуатации. Кроме того, анализ излучений современных термоядерных установок, а также установок, реализующих применение плазменных методов в технологии, ставит задачу создания универсального высокочувствительного метода регистрации излучений разного типа.

Проблематичной остается и разработка достаточно универсального портативного, надежного и дешевого индивидуального дозиметра нейтронов. Работы по ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС выявили отсутствие компактного и достаточно простого детектора радиоактивных проб, позволяющего оперативно получать информацию. Проблемы оценки риска облучения во многом не решены также при полетах на авиалайнерах и при аналогичных оценках для космических экипажей.

Перечисленную совокупность физических и эксплуатационных параметров универсального высокочувствительного истода регистрации ионизирующих излучений разных типов оказалось возможным обеспечить с помощью нового класса детекторов, созданных на основе перегретых дисперсных систем (ПДС). Использование перегретых жидкостей в дозиметрии ионизирующих излучений началось в 1979г с работ Апфеля*(США), который-в качестве рабочей среды детектора применял вязхую жидкость или мягкий гель с вкрапленными в них каплями перегретой жидкости. В таких средах капли могли существовать достаточно долго. При облучении нейтронами капли вскипали, образуя пузырьки газа, которые, диффундируя через гель, собирались над ннм. Количество собранного газа использовалось как мера дозы нейтронного облучения. В работах Инга** ( Канала ), сообщения о которых появились в 1984 г, более плотная стабильная фаза позволяла удерживать пузырьки, образующиеся под действием нейтронного облучения, в месте их образования и визуально регистрировать их число. В отличие от зарубежных коллег мы постагили перед собой более сложную задачу - заставить работать и матрицу и метастабильную жидкость, чтобы решить задачу управления характеристиками детектора и повысить уровень его тканеэквивалентности.

Под руководством автора в 1985-1993гг впервые был проведен широкий цикл исследований, представляющий собой систематическую и последовательную расчетно-экспериментальную разработку принципов и методов применения ПДС для

*) Apfel R.E. "The superheated drop detector". Nuclear Instr. and Meth..N 162,

pp. 603-608, 1979.

регистрации монтирующих излучений, включая практическую реализацию предложенных методов в виде детекторов с заданными свойствами, изготовленных на основе отечественных материалов и технологий.

Цели работы. 1. Создание теоретической модели физических процессов, происходящих к ПДС под действием ионизирующих излучений.

2. Экспериментально-теоретическое исследование процессов в ПДС и экспериментальная проверка предложенных моделей.

3. Применение результата! этих исследований для создания детекторов с заданными свойствами и изучение областей их применения.

Научная новизна. В работе впервые с единых позиций предложены средства количественной оценки физических параметров ионизирующих и неионизирующих излучений и их биологического действия; показано преобладающее действие ионизирующих излучений (особенно нейтронной компоненты) на исследовательских термоядерных установках (ИТЯУ), раскрыта специфика регистрации и определения характеристик нейтронной эмиссии в условиях малых потоков нейтронов, наличия интенсивного гамма-излучения и неионизирующих электро-мапштных полей. Проведены расчетные и экспериментальные исследования энергетических и временных характеристик ПДС при взаимодействии с ними ионизирующих излучений различных типов. Разработаны методы, позволяющие модифицировать кривую энергетической зависимости отклика детектора в соответствии с требованиями эксперимента (эквилозимстр нейтронов, керма-дозиметр и др.). Предложены и реализованы индивидуальный детектор и спектрометр нейтронного излучения на основе ПДС. Обоснованы параметры ПДС при их использовании для анализа характеристик альфа-излучателей и осколков деления. В работе впервые выполнен полный анализ ПДС, начиная с разработки технологии их изготовления до обоснования возможных сроков хранения, продолжительности использования и устойчивости. Предложены, созданы и использованы в практических задачах малые партии детекторов.

Научная и практическая нсинпеть. Впервые проведен полный анализ факторов, влияющих на чувствительность НДС-детекторов к нейтронному

излучению различной энергии, и обоснованы способы управления ею, объяснена взаимосвязь и выявлено влияние физических, тсплофизнческих, механических и химических параметров ПДС на характеристики детектора. Предложена и экспериментально проверена нетрадиционная схема метрологии таких детекторов (без использования источников ионизирующих излучений) на основе анализа оптической плотности ПДС. Проанализированы предельные возможности таких систем. В частности, впервые определена предельная степень дисперсности для таких систем, при которой фазовый переход 1 рода в метастабилыюй компоненте системы становится невозможным. Обоснование оптимального диапазона дисперсности ПДС позволило включить химические элементы стабильной фазы системы в функцию отклика детектора на облучение и обеспечить характеристики, необходимые для нейтронного детектора хермы и эквивалентной дозы при флюенсе порядка - 100 н/см-. Разработаны программы расчета характеристик ПДС и конкретные образцы ПДС -детекторов.

**) Ing Н„ Birnbom Н.С. "A bubble - damage polymer detector forneutrons'.Nucl.Tracks and Radiat.Measur..v.8. pp.285-288, 1984.

Предложен, обоснован расчетным путем и проверен экспериментально ЛП")-мстр на основе ПДС. Установлены по ¡можпости ПДС в области детектирования ]яжслых заряженных частиц высоких эперпш.

1. Физическая модель перегретых дисперсных систем, в которой впервые показано влияние поверхности раздела метастабшнлюй и стабильной фазы и размеров микрообьсиов метастабнлыюй фазы на характеристики системы.

2. Результаты экспериментальных исследований ПДС, к которых доказана возможность применения микродозиметрического подхода к описанию процессов взаимодействия ионизирующих излучений с такими системами: экспериментально верифицированная математическая модель.

3. Методики получения детекторов с заданными свойствами (виц зависимости чувствительности от энергии, типа излучения, цели измерения: ЛПЭ-мстр, детекгор кермы, эквивалентной доты) на основе отечественных материалов; применения этих детекторов для регистрации нейтронной эмиссии, заряженных частиц высоких энергий, гамма-излучения, измерения активности растворов, содержащих альфа-, бета-излучатели и делящиеся вещества.

подтверждена согласием с экспериментальными результатами как полученными соискателем, так и другими авторами, разрабатывающими аналошчпме сна сим.

конференциях по средствам индивидуального дозиметрического контроля ( Москва, 1987, 1989гт) и радиационной безопасности (Одесса, 1985,1989ц), по проблемам риска в промышленности и энергетике (Ленинград, 1986т) и путям развития дозиметрии (Ленинград, 1987г), международном совещании "Биос!1утник-9"( Москва, 19880, секции РБ и ТБ МСМ (Москва, 1987г.), на специализированных конференциях по физике плазмы- (Звенигород, 1988г) и радиационным аспектам Чернобыльской аварии (Обнинск, 1988г), по проблемам радиационной безопасности на ускорителях высоких энергий ( Дубна, 1983г, Протвино, 1991 г), У-ой и У1-ой конференциях по прикладным аспектам ядерной физики (Ноорус, 1986г, Канев, 19890, на международных конференциях по физике радиационной зашиты (Гауссиг. ФРГ. 1991,1992гг). 7-ом Международном симпозиуме по нейтронной дозиметрии (Берлин, 19910, на семинарах группы радиационной зашиты ЦЕРН. (Женева, 19920 и отдела индивидуальной дозиметрии ¡ЭКР (Париж,1992).

Материалы работы опубликованы в 26 работах, двух диссертациях на соискание ученой степени к.ф.-м.н., выполненных под руководством автора, защищены авторским св»шстел1>етвом.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав л заключения. Основные выводы приводятся в конце каждого раздела. Работа изложена на 245 страницах машинописного текста, содержит 75 рисунков, 9 таблиц и 187 наименований литературы.

Вл1_'да.'ЛИ1;ш еффму.шропаны пели и задачи исследований.

Со'ланио р..;.;:\ установок в рамках проблемы У1'С С1 нмулировало и Н()-с годы работы как по счч'риюпелюваиню биологического нормирован:;« нсипни шрунчпнх излучений и очет энного возденс: спя понтирующих и нсионишрутших и пучений, так и но создании) среден) колнчссыюшой и качественной оиенкн 'лих нмлсйстнй.

Обоснованность теоретических положении лиссертании

Результаты работы были доложены на всесоюзных

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

одним из таких средств явились псрепретые дисперсные системы (ПДС), всестороннему изучению, развитию и внедрению в практику которых и посвящена данная работа.

Перша—шва посвящена разработке физической модели ПДС, выявлению механизмов разрушения и анализу особенностей фазового перехода в таких системах.

Введено определение ПДС, как многофазной гетерогенной системы, в которой одна или несколько фаз находятся в мелкодисперсном (в виде микрообъемов), жидком и перегретом состоянии, и показано, что переход от монофазных жидкостей к ПДС (только за счет диспергирования перегретой фазы) увеличивает время существования жидкости в перегретом состоянии в сотни раз.

Термодинамика ПДС - это, главным образом, термодинамика перегретой фазы и фазового перехода 1 рода (жидкость-пар) в этой фазе. Единственное отличие ПДС от монофазных жидкостей - наличие поверхности раздела фаз между микрообьемами (каплями) перегретой жидкости (метастабильной фазой) и разделяющей их стабильной фазой (матрицей). Поэтому в случае ПДС для образования пузырька-зародыша критического радиуса г*кр, способного к дальнейшему росту, а не к конденсации, давление в перегретой среде - в капле ПДС (по сравнению с монофазной жидкостью, где условием для образования пузырька критического радиуса является

^р=2бАР -У)

должно быть увеличено на величину ь Р = б*Л*к с учетом коэффициента поверхностного натяжения поверхности капля-матрица С*и радиуса капли Лк.

Первая часть фазового перехода - формирование зародышевых пузырьков, необходимых для дальнейшего развития процесса кипения, существенно зависит от радиуса Як капель, что приводит к невозможности зародышеобразования в ПДС большой дисперсности (рис.1). Из этих данных следует, что наиболее удобны для использования ПДС с размерами капель от ~1 мкм до -100 мкм.

В указанном диапазоне дисперсности критический радиус пузырька-зародыша и энергия зародышеобразования в ПДС (г*кр, №*) и монофазных жидкостях (гкр, \У) отличаются на несколько процентов при Як - 10 мкм и до нескольких порядков при Як - 1мкм (рис.1).

Показано, что в ПДС на основе очищенных дегазированных жидкостей спонтанное зародышеобразование происходит по гомогенному механизму. Поэтому, чем больше перегрев метастабильной фазы в ПДС, тем выше требования к чистоте этой фазы для уменьшения вероятности спонтанного вскипания. - ... '•

1 10 Ек(нки) 1 10 КкСккм)

Рис.1.Энергия У/* образования пузырька и его критический радиус г*кр в

зависимости от радиуса Як капель метастабильной фазы ПДС. (Ямин-радиус капли, при котором фазовый переход в ПДС невозможен).

Под действием заряженных частиц процесс вынужденного зародышеобразования в ПДС возможен при условии, что такая частица для образования пузырька-зародыша критического радиуса может выделить энергию в объеме с радиусом от единиц нм до величины порядка 100 нм (в зависимости от типа жидкости). Величины поправок на значение критического радиуса, полученные как на основе расчета радиального распределения переданной энергии излучения в треке заряженной частицы, так и по экспериментальным оценкам страгглинга. которые были выполнены для детекторов контроля растворов, содержащих альфа-излучатели, оказались незначимыми ( <5% ) для детекторов на основе ПДС Применение концепции ЛПЭ к процессу зародышеобразования под действием ионизирующего излучения в таких системах позволяет определить условия образования критического зародыша: энергию \У* фазового перехода в ПДС и величину критического радиуса г*хр пузырьха-зародыша в ПДС, зависящие от типа жидкости, температуры, давления, радиуса капель Як, упругости матрицы, и энергию и тип заряженной частицы.

Как показали экспериментальные исследования, существуют, по крайней мере, три механизма разрушения ПДС. Первый связан с коалесценцией капель метастабильной жидкости, когда при слиянии двух капель происходит их вскипание. Применение теории коагуляции (коапссненцин) коллоидов к этому явлению в монодисперсных ПДС позволяет считать число соударений мнкрообъемов дисперсной фазы количественной характеристикой неустойчивости ПДС, подтверждая экспериментальный вывод о большей устойчивости ПДС к коалесценции при большей дисперсности.

Эксперименты по изучению диффузионной неустойчивости ПДС, построенных на основе вязкой матрицы и практически устойчивых к коалесценции, показали, что у системы, не имеющей свободной поверхности, с течением Ерсмени устанавливается динамическое равновесие потоков вешеств. При наличии свободной поверхности поток вещества метастабильной фазы из ПДС приводит к ее обеднению, и в конеч'ном итоге к ее разрушению и образованию раствора, насыщенного газом, как только, размер мнкрообъемов достигает величины порядка размеров молекул.

Зависимость диффузии от типа перегретой жидкости и от дисперсности ПДС доминирует лишь при значениях перегрева дТ = 0 ; 15° С. ПрндТ > 15°С начинает играть роль процесс испарения газовой фазы из капель и диффузия газовой фракции через матрицу. Именно этим определяется малое различие в скорости диффузионного разрушения ПДС па основе различных жидкостей при * Т > 20"С. В целом указанный механизм неустойчивости целиком определяется коэффициентом диффузии мстасгабилыюн фат в стабильной.

К этим двум главным механизмам разрушения ПДС (диффузионному и коамесцентному) наиболее устойчивы ПДС с вязкой или вязхоупругой стабильной фазой (при значении коэффициента кинематической вялости 5 ~50 ис/м^) и минимальным перегревом метастабильной фазы (лТ <20°С).

Третий механизм разрушения - ударно-акустический - имеет место при кратковременных механических воздействиях па ПДС. Акустическая волна вы?чечт сильное локальное разрежение в ПДС, перегрев и вскигшше ПДС.

Исследование акустических импульсов, возникающих в ПДС прч проход .^енчн через нее заряженных частиц, показало, что источниками звука являются зародыш;.вы; пузырьки. В формировании пузырька и ззукового импульса выделены две скц«:<. ' Первая из них относится к образованию зародышевого пузырька и длится : - !0'-\\ При эюч генерируете:! короткий знаковой импульс малой амплитуды, ксгор:;й .•-•ожег нести информацию о ЛПЭ частит,I. Из второй стадии, при которой полное грс\г. < испарения капли в зависимости от типа жидкости соответствует I - 10"-с:10"Ч.

происходит сравшггельно белее медленный рост пузырьха от до Ю^м. Основным "поставщиком" энергии для испарения капли является ее окружение, откуда энергия поступает к капле посредством теплопередачи. Совпадение числа акустичесхих импульсов, зафиксированных пьезодатчиком, к пузырьков, появившихся в ПДС, подтвердило предположение об источнике звуковых импульсов. Экспериментально и теоретически обоснован вывод о том, что 'зафиксированные акустические импульсы (из-за быстродействия аппаратуры, составляющего -1 мке, фиксировалась лишь вторая стадия процесса) не несут информации о частице. Единственным фактором, способным влиять на формирование акустического импульса, является расположение и количество зародьнлеЕых пузырьков в капле (единственный зародыш, образуемый дельта-электронами, или при спонтанном вскипании; паровой тоннель • от низкоэнергстическнх тяжелых заряженных частиц).

Использование акустического метода регистрации актов вскипания наиболее целесообразно для ПДС с небольшой вязкостью стабильной фазы, в которой пузырьки медленно всплывают, поскольку в очень вязких системах пузырьки, остающиеся в объеме, приводят к затуханию сигнала от пузырьков, образовавшихся позднее. Использование иевязких матриц имеет ряд преимуществ, основными из которых являются расширение динамического диапазона и сохранение плотности рабочего тела детектора в процессе эксперимента. Отсутствие технических возможностей предотвращения быстрого процесса естественной диффузии в использованных иами ПДС с "мягкими" гелями вынудило ограничиться их применением только для исследовательских целей.

Первым и главным требованием к ПДС, используемым для регистрации заряженных часгиц. является устойчивость ПДС. Для коррехтных измерений необходимо, чтобы число актов вскипания, обусловленных коалесцениней, было много меньше, чем число вскипаний, нидуиированиых заряженными частицами. Второе требование - постоянство таких характеристик ПДС. как общая масса мстастабнлыюй фазы, дисперсность, число микрообъемов, однородность по объему. Оценить вероятность сохранения однородности ПДС оказалось возможным только экспериментально.

Для создания устойчивой к коалесценцин ПДС нами была отработана следующая последовательность операций:

1. Получение педиспсрсной системы с границей раздела двух стабильных фаз.

2. Получение устойчивой эмульсии одной фазы в другой..

.3. Создание перегрева одной из фаз.

Были опробованы несколько наиболее употребительных способов получения дисперсной фазы: конденсационный, диспергациоиный и ультразвуковой. В качестве стабильной фазы использовали различные водные растворы, метастабнльнымн фазами были и-буган, изобуган. фрсонц-12 и 114В с температурами кипения -0.5. -11.5,-29, +4 °С. соответственно. Для обеспечения стабильности обеих фаз при изготовлении ПДС на основе н-бугина, изобугапа и фрсона-12 получение исходной двухфазной системы происходило в прочных 1срмстичио закрытых пробирках при даатешш насыщенных паров мстастабнлыюй фалл. Поете диспергирования в случае н-бутапа. изобугапа и фреона-12 давление в пробирках сбрасывалось до атмосферного, а ПДС с фрсопом-114В нагревали в термостате до +60Х.

Поскольку, как показали исследования. ПДС на водной основе мало устойчива к коа1утяцни (например, ПДС "изобуган-вода" разрушачась со скоростью 200-300

G

вскипаний в минуту), многие эксперименты проводились на образцах ПДС с вязкой ил» вязкоупрутой стабильной фазой.

Развивая основные принципы получения вязких к вязкоупругих ПДС "фреон-12 -раствор полиакриламшп", изложенные в указанных выше работах Апфсля и Инга, мы разработали следующую методику. Исходный водный раствор, содержащий 5-15% мономеров акрнламида (+ 0.02% №М'-метилснбисакри1амид<1 только для вязкоупругих ПДС), разливали по [¡робиркам, в которые затем вводили метастабпльную фазу в избытке, относительно сс содержания з готовой ПДС. Часть введенного вещества испарялась, создавая б пробирке давление, равное давлению насыщенных паров метастабильнои фазы. Затем пробирки подвергши воздействию днепергаторов, полученные эмульсии выдерживали в течение нескольких минут (для повышения их однородности по размерам капель) и проводили химическую или фотополпмеризацию.

Вязкие ПДС с раствором иолнакрнламнда в качестве стабильной фазы имели голубоватый цют и вязкость от почти полной истекучссти до вязкости глицерина (в зависимости от концентрации акрнламида). Вязкоунруте ПДС имели гелецодобнуго структуру сшитого полимера и были иетекучими для концентрации акрнламида > 5%. Содержание ДО,К'-метиленбисакрил;шида может лсжаи. в Интерполе 0.01-0.1^. При более высоких концентрациях гель получается неэластичным н непрозрачным, при меньших - текучим. Вязкоупрутис ПДС весьма устойчивы к коалссненннн: а течение суток не было зафиксировано ни одного акта вскипании. Однако их диффузионное время жизни в открытой пробирке исчислялась двумя часами (в ПДС под поверхностью появлялась четко различимая зона обеднения, через трое суток весь обьем ПДС 3 см-') был лишен метастабильной фазы).

Принцип использования полимеров в качестве стабильной фазы представляется перспективным для дальнейшей работы с ПДС. Главные преимущества этою метода состоят в удобстве управления свойствами стабильной фазы: прозрачностью, упругостью, вязкостью н, что очень важно, коэффициентом диффузии метастабильнои фазы, определяющим диффузионную устойчивость ПДС. Варьируя виды полимеров, растворители, сшиватели и т. д., получали ПДС с необходимыми свойствами. Получение вязких ПДС не исчерпывается способом полимеризации распк>ра мономеров. Тот же результат достигается добавлением к эмульсии глицерина, силикатов и т.д. Однако при этом происходит разбавление эмульсии, что не всегда удобно.

Проведенными расчетами и экспериментами, описанными » гл.1, обоснованы следующие количественные результаты:

1.Для фазового перехода в ПДС справедливы понятия критическою радиуса г*кр и анергии V/* образов!пи зародыша. Эти величины существенно зависят от дисперсности, превышая аналогичные значения для ионофазшдх жидкостей от единиц процентов до сотен раз за счет существования поверхности раздела мстастабильной и стабильной фаз. Выявлены границы дисперсности, от минимальных значений радиуса капель мстаста5ш1Ы!о?; фазы (^=0.1;5мкм, в зависимости от типа ~<ндкости), при которых фазовый перевод в метастабильнои фазе становится практически невозможным, до максимальных (Кк=50;100 мкм), при которых время жизни ПДС существенно уменьшается из-за тепловых флуктуации.

2. Экспериментально подтверждено, что в ПДС может происходить шмокнное (спонтанное) зароди!псобразопаиие и вынужденное (под действием заряженных части).

3. Излучения могут вызывать вскипание микрообьема ПДС при выполнении следующих условнГ:: если относительная энершя частицы ( \7с, где V - скорость частицы и с - скорость свега) меньше некоторого значений (р < 10"^), то зародыш

образует сама частица (L>Lxp = W*/2r,;p); если р > 10"3, то лузырьхи-зародьшш образуют ^-электроны и, если энергия б-электронов больше энергии фазового перехода в ПДС ( Еб > W*), то возникают газовые пузырьки.

4. Установлено, что дня стабильности ПДС существенны три механизма разрушения: коалесцентный, диффузионный и акустический. Экспериментально показано, что при изготовлении ПДС необходимо принимать во внимание влияние дисперсности на устойчивость, поскольку первые два вида неустойчивости определяют время хранения таких систем до облучения и фединг ПДС-детекторов.

5. Изучение акустических характеристик процесса фазового перехода в ПДС показало, что вскипание микрообъемов ПДС сопровождается излучением акустических импульсов (со средней амплитудой - 20 дБ, различимых на слух в виде щелчков). Источниками акустических импульсов являются растущие газовые пузырьки, образующиеся при испарении микрообъемов метастабнльной фазы. Из двух стадий акустического импульса - быстрой (10"' с) и медленной (<~1(Н с) информацию о частице, вызвавшей этот импульс, может нести только первая. Вторая стадия может служить лишь индикатором акта вскипания микрообъема ПДС. Акустический метод подсчета актов вскипания микрообъемов метастабилыюй фазы ПДС, особенно для ПДС с малой вязкостью, является единственным способом зафиксировать все акты вскипания в динамике. Проведенные исследования показали удобство и простоту акустического способа регистрации.

6. В процессе разработки методик изготовления ПДС обнаружено, что качество ПДС определяется ее устойчивостью к коалесценции, постоянством общей массы метастабилыюй фазы, дисперсностью, числом микрообъемов, однородностью по объему. Для изготовления эмульсий, как предшественников ПДС, успешно применены механический и ультразвуковой способы диспергации. Метод полимеризации в стабильной фазе ПДС позволяет получать устойчивые вязкие и вязкоупругие ПДС с управляемыми характеристиками стабильной фазы. Методика изготовления ПДС защищена авторским свидетельством.

В главе 1 представлена математическая модель взаимодействия ионизирующего излучения с ПДС (на примере нейтронов), рассмотрены границы применимости пузырьковых детекторов, созданных на основе ПДС.

Упрощенная схема работы пушрькового детектора нейтронов, реализованная в модели, выглядит следующим образом: нейтрон, попадая в рабочее таю детектора, выбивает вторичную заряженную частицу, которая, в свою очередь, попадая в кайлю перегретой жидкости, вызывает ее вскипание, если ЛПЭ частицы больше некоторого критического значения. Образовавшийся газовый пузырек является откликом детектора на облучение. При описании отклика учитываются флуктуации поглощенной энергии, поскольку энергия, фактически поглощенная в капельках чувствительной жидкости, значительно превосходит ее среднее значение, В данном случае под чувствительностью детектирующей среды понимается число вскипевших капель в единице объема ПДС, отнесенное к единичному флюснсу нейтронов.

Суть использованного алгоритма заключена в вычислении функции "попадания" (вероятности того, чго заряженная частица, образоинная на каком-то расстоянии от капли, попадет в каплю, и вызокгг ее вскипание) для заряженных чистин, ' образованных внутри и вне капли. Две независимые части алгоритма: расчет ЛПЭ заряженных частиц в сложных средах (программа SNDW) и энергии продышеобразовання :i критического рааиусг для монофазной жидкости с последующим введением поправок на гетерогенность (программа ENERGY) - предшествуют расчету 3

энергетической зависимости чувствительности (программа CIROP) для конкретного нейтронного поля. Для учета искажений поля излучения, обусловленных сложной геометрией, использовались программы (DOT-3. MORSE).

В алгоритме программы CIROP заложено понятие эффективного пробега Rэф вторичной частицы, т.е. того участка треха, на котором ЛПЭ превышает критическое значение Lxp (рис.2). Для программной реализации методики расчета спектральной чувствительности подготовлены и использованы библиотеки групповых сечений ENDF/B-IV (формата АМРХ).

Для каждой ПДС расчет начинается с оценок критических значений энергии W* зародышеобразования и критического радиуса г*кр пузырька-зародыша и их отношения для любой требующейся в данном конкретном случае чистой жидкости, либо смеси ассоциированных жидкостей, находящейся в перегретом состоянии (программа ENERGY). В зависимости от типа жидкости (полярная-неполярная, чистая-ассощщрованная смесь) погрешность расчстоз не превышает 20%; при благоприятных условиях (чистые неполярные жидкости) она минимальна ('%).

Простейший пузырьковый детектор - детектор быстрых нейтронов на основе ПДС, не содержащей элементов,

которые обладают

значительными сече-

ниями ядерных реакций по сравнению с упругим рассеянием нейтронов. Такие условия реализуются при использовании ПДС типа *Углсводороа - вода" или "углеводород - раствор глицерина", когда образуются только ядра отдачи Н. С А О. Поскольку ЛПЭ протонов существенно отличается от ЛПЭ ядер С и О (рис.2), для порогового (по энергии En) детектора нейтронов выбран тгхой перегрев, чтобы регистрировались только ядра С и О. Изменяя чувствительность детектора по ЛПЭ (величину Lnop), можно варьировать порог (минимальную энергию регистрируемых ядер отдачи) энергии детектируемых нейтронов. Например, детектор, для крторого энергия ядер отдачи ограничена величиной 1 МэВ, регистрирует нейтроны с Ел > 4,5 МэВ. Показано, что этим методом Епор регулируется в диапазоне от 450 кэВ до 17 МэВ. В качестве примера на рис.3 представлены результаты расчета энергетической чувствительности детектора быстрых нейтронов с ПДС "нзобутан-раствор пачиахрнламида (10%)" и измерений этой характеристики на генераторе Ван-де-Граафа и в тепловой колонне реактора в диапазоне энергий от тепловых до 17 МэВ. Реакция (п,р) на ядрах азота 14N. который входит в состав полиакрнламияиото геля ( ПААГ), не вносила вклада в чувствительность, т.к. перегрев был слишком мал для регистрации протонов.

ППЭ, кэВ икм

10"

CI

--- /.«f! с4

и У ~

ч -LtfL

Ю1 102 103

Е ,кэ В

Рис.2ЛПЭ заряженных частиц в изо-бутане (расчет по программе SNDW).

IX

пуэ-

<4,2

10

10"

.1

Регулировку порога в диапазоне от 1.5 МэВ до 3-5 МэВ осуществляли посредством стабилизации температуры детектора в интервале от !0°С до 20°С Адекватность модели была проверена путем сравнения расчетных данных с результатами экспериментальных исследований для идентичных рабочих условий ПДС - детектора. Расхождение между расчетными и экспериментальными данными не превышает - 20%.

Для частиц, рождающихся в среде, эффективность регистрации излучений пузырьковым детектором обратно пропорциональна радиусу капель метает а-бкльной фазы.

На рис.4 приведены результаты расчетов относительных вкладов в чувствительность детектора матрицы н жидкости в ПДС " изобуган - вода " для радиусов капель

ю-«

iï s

[

{

1 10 Рис.3. Энергетическая зависимость

детектора быстрых нейтронов с ПДС

"изобуган-ПААГ" (----расчет по

программе SIROP, * - измерения на ускорителе Ван-де-Граафа).

Еп.НэВ

вклад 1

0.S

1 5ч „rff*

0.5 - 50 мкм. При указанных условиях холостой пробег для ' альфа - частицы составляет 10 мкм, Лэфф = 52 мкм. В зависимости от дисперсности чувствительность ПДС -детектора определяется либо элементным составом среды, либо составом жидкости. Для пузырькового детектора две частицы разных масс и зарядов с одинаковыми ЛПЭ вызовут одинаковый эффект.

Установлено, однако, что,

используя зависимость ЛПЭ от энергии частицы и работая с частицами одинаковых масс и зарядов, можно определить эту энергию. К сожалению, эта зависимость имеет максимум для всех частиц, поэтому для однозначного определения энергии частицы необходимы дополнительные данные.

Существенным недостатком детекторов на основе ПДС является температурная зависимость их характеристик, в частности, величин V/» и т*кр. Исследования, проведенные для различных рабочих температур, показали, что кривые энергетической зависимости чувствительности от перегрева рабочей жидкости имеют характерный вид: резко выраженный порог в быстрой области и плавный подъем с понижением энергии нейтронов (рис.5). Чувствительность детектора в быстрой области определяется в основном ядрами отдачи упругих соударений нейтронов с ядрами водорода

20 40 Ек(мкн)

Рис.4.Вклад жидкости и матрицы в чувствительность ПДС-детектора в зависимости от радиуса (Як) капель. Расчет.

(дм лТ > 60°С) или ядрами тяжелых элементов ( для дТ -20° С). На чувствительность 8 тепловой и промежуточной области в основном влияют экзотермические

реакции, которые идут

п.

оуЗ

с»2

10"

10"6

10

-7

56

4<П ■

18 'С^ / 2.

\'1 \ 1 З'С

к - -/ —

\

ю-' 10-г ю~1 10о Еп>и,в

Рис.5. Изменения с температурой вида энергетической зависимости чувствительности (ПДС - "пропан-акрил амид". Як=5 мкм).

на элементах, входящих в состав матрицы или рабочей жидкости. Поэтому в детекторах, содержащих в качестве метастабилмюй фазы про-пан-бутановую смесь, чувствительность к тепловым нейтронам -на 5 порядков ниже, чем в детекторах с фреоном-12.

Чувствительность в первом случае пределяет-ся только реакциями на азоте NN. для которого характерно довольно малое значение сечения экзотермической (п,р)-реакции. При малых перегревах ( -30" С) "не чувствует" промежуточные

детектор тепловые и нейтроны, для работы

При использовании вязкоупругмх ПДС существенным фактором детектора является упругость срсды. Если он» невысока, пузырек, образовавшийся в детекторе, за 10-20 минут достигает размеров 3-5 мм, так что 2-3 пузырька в теле детектора могут сделать его практически неработоспособным. Изучение процесса образования и роста пузырьков с помощью Ри-Вс источника нейтронов при различных свойствах матрицы показали, что, например, в матрице с содержанием акрил амида более 22% пузырьки достигают максимального размера - Змм и сохраняются в течение нескольких месяцев. В "мягких" гелях пузырьки мо|ут сливаться и диффундировать в матрицу, исчезая совсем (рассасываться). Упругие свойства матрицы зависят от содержания акриламнда в исходном растворе: чем больше его концентрация, тем прочнее матрица благодаря большему числу сшивок полимера.

Установлено, что в детекторах с вязкоупрутими ПДС можно осуществлять восстановление вскипевших микрообъемов. Для этого нужно повысить давление Р над ПДС до значения Р > Р1. Эксперименты показали, что для полного превращения пузырьков размерами 1 мм в капли рабочей жидкости достаточно 1 часа. При этом может бить использовано менее 30% полного динамического диапазона детектора, составляющего, как правило. < 102 пузырьков/см3.

Существенную роль играет общий объем детектора, т. к. чувствительность ко всем видам излучений пропорциональна объему ПДС. Однако при детектировании нейтронов с помощью детекторов больших объемов спектр нейтронов на периферийных слоях ПДС отличается от спектра вблизи центра детектора. Во избежание введения поправки на изменение спектра, максимальный размер детектора должен быть меньше длины релаксации исйтроноо в ПДС.

Среда детектора на основе ПДС выполняет еще одну важную функцию считывание информации. Были испытаны несколько методов определения числа вскипевших капель. В первом из них использовали объем газа, выходящего из ПДС. Для

вязкоупругих ПДС пригоден прямой подсчет образующихся пузырьков, где они остаются длительно зафиксированными в среде. Ограничения этого метода - низкий динамический диапазон детектора (менее -3 порядков ), связанный с нелинейностью характеристик детектора в области, где суммарный о&ьем пузырьков становится сравнимым с общим объемом детектора, и трудности получения динамической информации об излучении.

Предложенная методика индивидуальной калибровки ПД без использования ионизирующих излучений основана на том, что чувствительность ПДС-детекгора зависит от концентрации и дисперсности рабочей жмдхостк в матрице детектора, от которых, в свою очередь, зависит прозрачность ПДС. Тестирование методики осуществлено с использованием источников ионизирующего излучения.

Основными результатами исследований, представленных в главе 2. являются:

1. Построена математическая модель, адекватно описывающая отклик ПДС на излучение, позволяющая описать различные характерце гика ПДС до ее создания. Модель позволяет, исходя из требований эксперимента ( вид излучения и его энергия, необходимая чувствительность детектора, параметры окружающей среды), выбрать перегретую фазу (необходимый перегрев), обосновать химический сосгаз ПДС, дисперсность эмульсии, температурный диапазон работы, возможное время хранения ПДС до измерения, способ регистрации отклика детектора.

2. Продемонстрированы способы управления функцией энергетической зависимости чувствительности детекторов на основе ПДС, Показано, что вклад элементного состава матрицы, как "поставщика" ядер отдач;:, в чувствительность детектора является соразмеримым с вкладом в чувствительность, обусловленным элементным составом жнцкости. Обоснованы рекомендации по подбору оптимального размера микрообъемов метастабилыюй фазы в диапазоне 0. Ь50 мкм (механическая характеристика), позволяющие варьировать чувствительность детектора без изменения чувствительной жидкости и термодинамических параметров. Предложенная модель верифицирована экспериментально методом сопоставления с показаниями детекторов другого типа при измерениях в опорных полях, на ускорителе Ван-де-Граафа и на калибровочных источниках.

3. Показано, что ГЩС-детектор нейтронов является по существу детектором интегрального типа, предназначенным^ основном1 для измерений кермы, дозы и др. На установках типа "плазменный фокус" (с длительностью нейтронной эмиссии I- 10 не) и токамак (I - 0.1 с) продемонстрирована возможность применения такого детектора для измерений мощности кермы, мощности дозы, плотности потока в процессе облучения, поскольку регистрация информации возможна как в процессе облучения, так и после его окончания.

4. Предложен нетрадиционный метод калибровки (без использования источников ионизирующих излучений) пузырьковых детекторов, основанный на измерениях оптических характеристик ПДС.

5. Показана связь между формой, обьемом, характеристиками оболочки и характеристиками детектора. Продемонстрирована возможность восстанааливать детекторы с вязкоупрутими ПДС после образования пузырьков до исходного состояния путем повышения давления в рабочем объеме.

В главе 3 представлены результаты исследований по применимости пузырьковых детекторов для регистрации гамма-, бета-, альфа- и других видов ионизирующего излучения.

Измерения на 4-ом блоке ЧАЭС позволили сделать вывод о применимости ГЩС-детеооров также для обнаружения скоплений делящихся всшесгв и регистрации нейтронных нолей при мощном сопутствующем гамма-излучении (до - 7000 р/ч), 12

которое не оказывало влияния на результаты измерений этим типом детекторов. Использование тяжелых элементов позволило применить детекторы на основе ПДС в спектрометрических задачах, при которых восстановление спектра нейтронов выполняется аналогично активанионным детекторам. При этом для ПДС очень важна разрешающая способность, вследствие офаннчснности динамического диапазона ПДС непосредственно связанная с точностью восстановления спектров.

Влияние разницы в перепевах двух детекторов на характеристики спектрометрической системы, основанной на пузырьковых детекторах, неоднозначно. Уменьшение разницы в перегревах двух детекторов с одной стороны улучшает энергетическое разрешение, а с другой стороны, ухудшает точность восстановления спектра. При фиксированной разнице в перепевах точность восстановления прямо пропорциональна точности измерения, т.е. для достижения требуемого энср|стического разрешения необходимо набирать необходимую статистику. При измерении стационарных полей потери точности из-за значительного расхождения количества вскипаний и ограниченности диапазона работы детектора можно избежать, набирая на каждом детекторе оптимальную статистику за счет увеличения продолжительности экспозиция. В этом случае значение спектра определяет не разнима числа вскипаний, а разница значений скорости вскипаний и измеряется не флюене, а плотность потока.

Рассмотрение источников погрешностей и распределения статистических величин, характерных для ПДС-детекторов, выполнено в предположении, что перегретые микрообьемы ПДС я их вскипания являются независимыми событиями. (Ввиду того, что при концентрациях метастабильной фазы, составляющих менее - УА, и размерах микрообьемов от 5 мкм до 10 мкм количество микрообъемов составляет ~ 107. вскипание одного конкретного микрообъема является событием маловероятным).

Кроме естестве!того и неустранимого источника погрешностей измерения -случайности процессов вскипания - существуют такие факторы, как неточность определения метастабильной фазы, ее вариации для ПДС одинакового состава, связанные с изготовлением ПДС, и дне Персия размера капель метастабильной фазы. Экспериментальный анализ вклада перечисленных факторов в общую пофсншость измерения показал, что результаты укладываются в пуассоиовское распределение. Даже при визуальном контроле за концентрацией метастабильной фазы погрешность, вносимая неопределенностью этого фактора и разбросом размеров капель, значительно меньше статистической, погрешности, равной в эксперименте ~ 10%. Поэтому при измерениях, где дисперсия числа пузырьков превышает ~ 10, дополнительные источники погрешностей можно'не учитывать.

При решении задачи определения характеристик ноля нейтронного излучения но от ношению к создаваемым им дозовым пафузкам на человека, пушрьконый детектор вне конкуренции. Это обуслотсмо двумя факторами: он практически нечукстшпелсн к гамма-излучению, а его спектральную чувствительность к нейтронам можно сделать близкой к закиснмости Эквивалентной дозы от а.чергин. Показания такого нушрьконого детектора соответствуют максимальной эквивалентной дозе (МЭД) в теле человека при условии, что поле нейтронного излучения изотропно.

Для рабочих характеристик детектора важна не абсолютная температура, а перегрев (разница между рабочей температурой и температурой кипения жидкости). Поэтому для ра ¡личных жидкостей с одинаковыми пере!репами дозиметрические характеристики одинаковы ( для конкретных рабочих услошш и способ.! герисстг:6>:л:пац1П1 подбирается соответствующая жидкость). Например, в случае использования фрсоноп нрнеунт.чне хлора, имеющего большое сечение лсэотсрмическон реакции, при достаточных перепевах ( - 38"С) обеспеншаег

повышенную чувствительность к тепловым нейтронам . При наличии в матрице хлористого лития вклад реакции С1(п,р) незначителен по сравнению с реакцией Ц(п,«ЬТ. В остальных случаях использование различных жидкостей влияет только на микроструктуру вида энергетической зависимости чувствительности, что для дозиметрических задач несущественно. В частности, для детектора кермы "изобутан-полиакриламид" оптимальными являются рабочая температура 29°С; радиус капель Як =0.5 мкм; концентрация акрнламида в матрице 12%. При этих условиях детектор имеет керма-эхвивалентную чувствительность б диапазоне энергий нейтронов от тепловых до 60 эВ и от 40 кэВ до 20 МэВ с погрешностью не более 40%

Дальнейшее расширение энергетического диапазона чувствительности и улучшение точности детектора возможно при использовании корректирующих фильтров. Для ПДС-эквидозиметра (20% погрешность во всем интервале энергий нейтронов и 15% отклонение от изотропности) без фильтров измерение эквивалентной дозы возможно с погрешностью до 40% в интервале энергий - тепловые нейтроны и от 40 кэВ до 20 МэВ (при этом температура должна быть 29° С, радиус капель Кк в 0.5мкм, концентрация ахрил амида в матрице ~30%). Как показали результаты исследования, добавление в матрицу детектора небольшого количества хлористого лития ( и использование фильтра из В4С толщиной 80 мкм

позволяет расширить ■ диапазон чувствительности ПДС-эквидозиметра до 10 эВ. Дальнейшее увеличение диапазона предполагает использование водородсодержшщх фильтров. В результате экспериментального анализа изотропности ПДС-детекторов наиболее часто используемой нами геометрии показано, что в рутинных измерениях нет необходимости вводить поправку на неизотропность.

Предложенный персональный дозиметр на основе ПДС состоит из блока детектирования, содержащего 2 пузырьковых детектора, один из которых регистрирует только нейтронное излучение, а другой - нейтронное+гамма-излучение. Чувствительность детекторов определяется поставленной задачей. Например, если необходимо зарегистрировать дозовую нагрузку за одну рабочую смену (6-8 час ), необходимо иметь детекторы с чувствительностью ~ 0.1 мбзр/пузырек ( нейтроны ) и - 0.1 мкбэрУнузырек (гамма-квшггы - с учетом корректирующих фильтров). Считывание показаний проводится с помощью акустического датчика. В корпусе блока детектирования находится еще одна Пара детекторов, чувствительность которых рассчитана на аварийные ситуации. Эти детекторы не подключены к считывающей системе. Считывание показаний с этой пары детекторов выполняется после облучения с использованием оптического способа регистрации.

В итоге обширных исследований теоретически и экспериментально подтверждена применимость ПДС-детекторов для регистрации гамма-излучения с энергией Е^>10 кэВ. Для таких гамма-квантов практически в результате каждого акта взаимодействия рождается электрон, способный при достаточном перегреве рабочей жидкости вызвать се вскипание. Линейный коэффициент ослабления гамма-квантоз можно трактовать как число вторичных электронов, образованный на единице пути гамма-кванта. При больших перегревах, когда эффективный пробег электрона становится сразинмым с радиусом капли ( 0.5 - Ю мкм). при расчете эффективности регистрации учитывалась конечность эффективного пробега вторичного электрона, при малых -пробег принимался точечным. При больших размерах детектора (когда характерный размер детектора больше длины свободного пробега гамма-кванта) принимались во внимание ослабление потока гамма-квантов и вклад рассеянного излучения. Учет величины обьема выполнен стандартными методами физики защиты и различен для разных конфигураций ПДС-детекторов. Количественным анализом фотоядерных 14

реакций при Е^г> 10 МэВ показано, что вклад этих процессов дас в максимуме гигантского резонанса составляет не более 2 Та;; как чувствительность ПДС

можно варьировать в широких пределах, то принципиально возможно изготовление пузырькового детектора гамма-излучения с эффективностью, близкой к I. Выполненные исследования показали, что чувствительность ПДС-детектороз гамма-излучения в довольно широком диапазоне температур (от ~45°С до -80°С) не зависит от перегрева жидкости, а вид кривой чувствительности повторяет вид энергстичссхой зависимости сечения комптон-эффекта для доминирующего (вносящего основной вклад) элемента среды детектора ( для "пропан-бутана в воде" это кислород и углерод, для "фреона-12 в воде"- хлор и кислород).

Для ПДС-дстекторов эффект больших мощностей доз ("ударная" доза) практически не имеет значения, т.к.вероятность вскипания капли перегретой жидхости под коллективным воздействием на нее дельта-электронов ничтожна. (Если неограниченно наращивать поток гамма-квантов, ранее происходит разогрев среды и выход ПДС-детектора из рабочего режима по термодинамическим причинам).

Экспериментально установлено, что ПДС способны регистрировать природный гамма-фон (при этом чувствительность составляет - 10 нбэр/пузырек).

Поскольку никакой информации об энергии гамма-квантов с помощью ПДС получить невозможно, детекторы тахого типа целесообразно использовать в качестве счетчиков. ПДС-детекторы пригодны и для дозиметрических измерений, если скомпенсировать нх ход с жестхостью с помощью фильтров.

Пригодность жидкости к использованию ее в ПДС-детекторах гамма-ихтучения определяли, измеряя зависимость скорости спонтанного зародышеобразования от температуры. У нижнего температурного порога чувствительности часть пробега электрона, на котором он способен вызвать вскипание жидкости (1Ъфф), находится в самом конце пробега и много меньше его полного пробега. При увеличении температуры, Яэфф увеличивается и для достаточно "чистых" жидкостей может достичь значения порядка 10 мхм.

Детекторы с ПДС наиболее удобны для анализа видов излучений при наличии смеси радиоактивных нуклидов без предварительной информации о ее составе. Классическим объектом лая исследования с помощью ПДС является смесь альфа-излучаюших, спонтанно-дсляшихся и бета-активных изотопов. Зависимости ЛПЭ электронов, альфа-частиц и более тяжелых ядер, продуктов распада ядер I/, ТЬ.Ри и т.д. от их энергий свидетельствуют, что ПДС, для которой Ькр = Ькр1 (рис.2), регистрируют только осколки деления, при Ькр2 - осколки деления и альфа-частицы, при ЬкрЗ - все частицы.

При малых перегревах рабочей жидкости (дТ < 10°С для изобугана) срабатывание детектора альфа-частиц определяется ядрами отдачи. При этом вследствие малости пробегов тяжелых ядер абсолютная чувствительность детектора, выраженная в единицах пузырск/мкбэр, мала. С увеличением энергии азьфа-частнц чувствительность детектора возрастает и при энергиях выше "пороговой" становится постоянной. Для измерения активности растворов неизвестного радионуклида юго состава необходимо, чтобы возможные энергии альфа-частни лежали в районе "ичато". Для этой цели предложена нспользопать малые перегрсви рабочей жидкости, так как порог выхода па плато растет с увеличением температуры. Например, для изобугана оптимальной ярляетса температура - 25° С. Для растворов известного радионуклнлного состава в целях повышения чувствительности допустимо увеличивать перегрев.

Характерный вид энергетической запнсичосш чувствительности по петляет проводить оценки энергии Ей, альфа- частиц в исследуемых растворах. Величину НА

15

находят по отношению показаний пузырькового детектора при двух разных температурах (при условии, что порог детектора при измерении с большей температурой заведомо превышает максимальную возможную энергию альфа-частиц). Чувствительность детектора и порог выхода па плато в зависимости от радиуса капель рабочей жидкости определяются степенью перегрева рабочей жидкости.

Как показали расчетные исследования, эффективность детектора альфа-частиц равна 0.9 (рабочая жидкость изобутан.ьТ=45°С). ПривТ > 50°С возможна регистрация гамма + бета - фона, который может давать основной вклад в показания детектора. Этот метод позволяет контролировать растворы, содержащие альфа-активные нуклиды при удельных активностях более 1 Бк/мл. Чем больше обгем ГЩС, тем более точные измерения могут проводиться. Такой способ измерения активности был использован для экспресс-анализа растворов смеси радиоактивных нуклидов в экологических исследованиях, при взвешивании аэрозольных частиц в вязкой ГЩС, определении активности аэрозолей, осажденных на фильтре (определяется только поверхностная активность частиц аэрозоля). При таких анализах исходный раствор для ПДС ютовится на основе смывов с фильтров или растворения озоленных проб. Дня такого рода измерений предпочтительно использование вязкой ПДС с акустическим считывателем в термостат е.

ПДС пригодны и для регистрации спонтанно делящихся ядер (в растворах по осколкам целения). Зависимость чувствительности ПДС к делящимся изотопам от температуры невелика: абсолютная и относительная величины разброса слабо меняются с температурой и составляют 8 - 10 %. Оптимальной для таких измерений (для ПДС " изобутан-акриламид") является температура - 20°С. При больших температурах резко возрастает чувствительность к альфа-частицам. Зависимость чувствительности нушрькового детектора осколков деления от радиуса капель такая же, как и для альфа-излучения.

Эффективность регистрации в этом случае равна 0.5, т.е. регистрируется каждый второй осколок деления, следовательно каждый акт деления. При этом чувствительность к альфа-излучению может быть сведена к нулю путем уменьшения температуры до 15°С (при этом чувствительность к осколкам деления будет уменьшена всего в 1.5 раза). Нейтроны, рождающиеся в акте деления, практически не вносят погрешность в »оказания детектора осколков деления. С погрешностью 10 '/< чувствительность такого детектора не зашеиг ог регистрируемого изотопа (от массы и энергии осколков cío деления).

Возможно также применение пузырьковых детекторов для регистрации бета-излучения, для чего необходимо увеличивать перегрев метастабилыюн фазы. По сути, эга задача возвращает нас в хороню известные условия работы обычных пузырьковых камер. Здесь важным представляется вопрос теплового фхмга ПДС (т.е. число капель, вскипевших в единицу времени г. резулыате тепловых флуктуации в перегретой жидкости). Если для небольших перегревов, используемых при регистрации альфа-частиц и осколкоз аелишя, скорость юмошпюго зародышеобразования практически равна нулю ( Ю"-° зарод.ЛА прндТ=20°С), то при репарации бега-излучения это конечная величина.

Что касается детектирования з.чмлых иысохоэлергетичеехщ частиц, то ПДС практически непригодны для згото in-ia плохих оптических свойств и низхогс проетранетьенного разрешения, связанною с большими размерами пузырьков ( - 1мм). Тикос преимущество ПДС, как долговременное хранение информации, не имеет практическою смысла при этом способе регистрации. Используя ядерные втаичоденетвиях между налегашшей частицей и ядрами среды или рабочей жидкости 16

~1ДС можно использовать как оперативный счетчик тяжелых релятивистских частни. 'асчет чувствительности ПДС показал, что эффективность их регистрации по упругому >ассеянию или ядерным реакциям невелика (<10'3). Кроме того, практически гевозможно определить, какая именно частица вызвала вскипание микрообьема, шределить ее заряд и массу и даже отличить заряженные частицы от нейтронов.

Как показали эксперименты, проведенные на ускорителях ОИЯИ и ИТЭФ. при :оторых регистрировались ядра Не , С , О с удельной энергией 300 МэВ на нуклон I протоны с энертей 300 МэВ. а детекторы находились в прямом пучке, эффективность >сгистраниц релятивистских ядер составляет ~10"5 п не зависит от типа ядра.(Если в том случае заряд и массу релятивистских частиц определить невозможно, то, »бсспечив условия остановки таких частиц в ПДС, можно с большой точностью пмерять их пробег и энергию).

Возможность применения ПДС-детекторов для измерения ЛПЭ-спектров некоторых [астиц следует из того, что скорость счета пропорциональна эффективному пробоу [астии (Яэфф) при выполнении условия, что холостой пробег превышает диаметр капли Ях > 2Як). Если менять 1_кр от максимальной ЛПЭ рассматриваемых частиц до ¡еличины, соответствующей этому условию, то в результате зависимость скорости чета от Ькр представляет собой интегральный частотный спектр ЛПЭ частни. Дня >еализации этих условий мы использовали метод сканирования по V/*. Изменяя емпературу или давление в ПДС и, тем самым, изменяя и'*, получаем интегральный пектр ЛПЭ частиц. Этот способ пригоден однако только для частиц одного типа, отя и имеющих разные энергии.

Высокой стоимости пузырьковых детекторов у практически их монопольных гроизводителей упомянутых выше Инга и Апфелх — 80 $ и -100 $ за образец (1988г I 1991 г, соответственно) нельзя не противопоставить относительно низкую стоимость |аших детекторов (~2 руб/шт в 1987г). Особо важное достоинство разработанных [ами пузырьковых детекторов - высокая чувствительность, достаточная для егистраиии низких уровней излучения, которые соответствуют требованиям 1убликации 60 МКРЗ.

В главе 3 рассмотрены также перспективные направления использования узырьковых детекторов в более отдаленном будущем, в частности, для регистрации !еионизирующих электромагнитных излучений и уровней шума. Особо выделена озможность изготовления "истинно^ тканеэквивалентного фантома, поскольку качения радиусов капель метастабильнсГЙ фазы 'в ПДС сопоставимы с радиусом аиболее повреждаемой части клетки. Наряду с этим капли жидкости распределены авномерно по матрице, что соответствует распределению наиболее повреждаемых трухтур в живой ткани, т.е. одинаковы геометрические условия облучения структур, тпетственных за отклик на облучение. С точки зрения концентрации чувствительных бъектов "повреждаемость" ПДС близка к таковой для мшхой ткани. Для описания олученного эффекта в ПДС мы также использовали представление о необходимости ыделения определенной энергии в некотором чувствительном объеме ткани, ерешедшес. из теории мишени. Используя фантом на основе ПДС, можно практически олучить распределение эквивалентной дозы в теле человека или экспериментального :нвотного. Трудности со съемом информации не должны явиться ограничением при аком использование ПДС.

По результатам исследований, представленным в главе 3, сделаны следующие ыводы:

1. Доказано, что метод ПДС-детекторов является универсальным н пригодным для егистрации любого типа ионизирующих излучений. На осног.с ГЩС созданы

17

шсокочу&ствтслъиыс пороговые детекторы быстрых нейтронов. Особым преимуществом ПДС-детекторов при визуальном (оптическом) считывании является возможность регистрации короткоимпульснога излучения (1-10 не) невысокой интенсивности, характерного для работ по проблеме УТС. С помощью ПДС можно определять активность водных растворов и проб аэрозолей. Детекторы !амма-игчучения на основе ПДС могут использоваться в качестве высокочувствительных счетчиков. ПДС целесообразно применять в качестве счетчика релятивистских частиц для получения оперативной информации о плотности их потока.

2.Показано, что чувствительность детектора спонтанного деления сначала растет с ростом температуры, потом выходит на константу и дальнейшее лмСюе повышение температуры не оказывает влияния на чувствительность. Чувствительность детектора альфа-излучения монотонно растет, увеличиваясь в ~2-3 раза при изменении температуры на 10°С.

3. Изучена зависимость чувствительности детекторов на основе ПДС от степени диспергирования рабочей жидкости. Установлено, что в диапазоне размеров капан, Rk = 0.1-100 мкм эта зависимость значительна при регистрации излучений любого типа. Изменение чувствительности, в зависимости от вида жидкости, может составлять от 2% до нескольких сот процентов.

4. Выявлена принципиальная возможность регистрации бста-активцых растворов с помощью ПДС-детекторов на основе использования жидкости высокой чистоты (с количеством примесей <0.1% по массе мстастабкльной жидкости).

5. Выявлены возможности применимости ПДС-детекторов в индивидуальном дозиметрическом контроле нейтронов. Проанализированы источники погрешностей при измерениях такого типа детекторами.

6. Выполнены практические работы по применению ПДС-детекторов на исследовательских термоядерных установках, на Чернобыльской АЭС, на медицинских ускорителях, в экологическом контроле проб, при авиаполетах; показаны возможные перспективы их развития.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Основные результаты работы

J. Впервые выполнено полное исследование перегретых дисперсных систем (ПДС), как средства регистрации ионизирующих излучсний.Разработана технолошя изгхповления таких систем. Показано, что характерное для ПДС существование перегретой фазы в виде микрообъемов, разделенных стабильной фазой, приводит к значительному ( по сравнению с монофазпыми жидкостями) увеличению иременн жизни метастабилыюй фазы (наличие поверхности раздела сказывается при размерах микрообъемов < 100 мкм). В результате изучения устойчивости ПДС выявлено три механизма их разрушения: коалесиситный, диффулюниый и акустический. Показана связь этих механизмов с параметрами ПДС. Построена физическая модель взаимодействия ПДС с ионизирующим излучением. Выполнен анализ фазового перехода и рзднашюшю-акусгических явлений в ПДС.

2. Создана и реализована в виде расчетных программ для ЭВМ PC/AT модель взаимодействия излучения с ПДС. основанная на микродозимстрическом подходе. Модель позволяет, исходя из требований эксперимента ( вид игчучеиия и его энершя, необходимая чувствительность детектора, параметры окружающей среды), выбрать перегретую фазу (необходимый перарсв), обосновать химический состав ПДС, дисперсность эмульсии, температурный диапазон работы, воллжпое ирсмя хранения ПДС до шмерсшы, способ регистрации отклика детектора. Проведено тестирование данной модели путем сравнения результатов расчетов и экспериментов и сравнений с

показаниями других детекторов 8 стандартных условиях, проанализированы различные факторы, влияющие на погрешности измерения пузырьковыми детекторами.

3. Изучена применимость ПДС для регистрации и спектрометрии ионизирующих излучений различного типа ( нейтроны, гамма-излучение, тяжелые заряженные частицы высоких энергий, растворы, содержащие альфа-, бета- излучатели и делящиеся вещества). Показана теоретически и подтверждена практически наиболее целесообразная область применения детекторов на основе ПДС: регистрация и спектрометрия нейтронов - при фпюенсе более 100 и/см2 и длительности импульса более 10 не; индикация наличия гамма-излучения - на уровне естественного фона; регистрация и анализ энергетических характеристик альфа-излучателей (в виде растворов с ахтивностью > 1 Б к/мл), осколков деления, анализ формы трека заряженных частиц высоких энергий.

4. Обоснованы характеристики индивидуального ПДС-аетектора (керма-детектор, детектор эквивалентной дозы).

5. Выполнены практические работы по применению ПДС-цстекторов на исследовательских термоядерных установках, на Чернобыльской АЭС, на медицинских укорителях, в экологическом контроле проб, при авиаггоггетах; показаны возможные перспективы их развития.

!. 10.!1,Мартышок,H.H.Семашко,Н.С.Смирнова,Г.В.'Ромим. Биологичесхое действие неио-шпируюших излучений термоядерных установок. Обзор, М„ ЦНИИатоминформ, 1988.

2. O.A.Кочетков, Ю.Н.Мартынюк. Н.С.Смирнова. Г.В.Фомин. Расчет относительной энтропии лейкоцитарной формулы, как методика опенки преднозологических состояний персонала, возникающих при воздействии магнитных полей. В кн."Проблемы донозологичсской гигиенической диагностики" Материалы научной конференции М.. 1989.ee 104-106.

3.Г.М.Пархомснко.В.В.Копаев.Н.С.Смнрнова и др. Проблемы гигиены груда в термоядерной энергетике,- Гигиена труда и профессиональные заболевания, 1988, N2, сс. 1-5.

4 В.И. Иванов. H.H. Семашко, Н.С-Смирнова.А.К.Саломатов. Дозиметрия нейтронов при помощи детекторов на основе перегретой жидкости. Атомная энергия, 1987.T.63. вып,1.сс.62-67.

5.Н.С.Смирнова, Ю.Н.Мартынюк, СВ.Малиновский, А.К.Саломатов. Использование перегретых жидкостей в дозиметрии нейтронов. Препринт ИАЭ-4546/14. М„ 1987.

6. М.М.Беликов, Н.С.Смирнова, и др. Применение пероретых эмульсий для регистрации нейтронного излучения. ВАНТ.серия "Ядерно-физические исследования (теория и эксперимент)",вып.2.1989. с.65.

7. Ю.Н. Мартынюк, Н.С. Смирнова. Свойства перегретых дисперсных систем, используемых для регистрации ионизирующих излучений. Препринт ИАЭ-5180/2, М..1990.

8. Ю.Н. Мартынюк. Н.С. Смирнова. О генерации звука в перегретых жидкостях тяжелыми заряженными частицами. Ахустический журнал, т. 37, вып.4, 199!, сс.723-728.

9. М.М.Бслюков, Н.С.Смирнова, Ф.Спурны. К. вопросу об измерении потоков фотонейтронов в режимах со срывом тока плазмы на установке Т-15 (Результаты первых экспсримсггтов). ВАНТ, серия "Термоядерный синтез", выи.2. 1991. сс.62-67.

10.N.Smirnova. N.Semaschko and Y.Martrnuk. Bubble detecror in Fusion Dosimctry.Radiai, Prot.Dosim.,v,44, N1 -4.pp.347-349.1992.

1 КН.С.Смирнова. Моделирование взаимодействия нейтронов с перегретыми лкспер-:ными системами. В кн.прикладные аспехты радиационной физики", М.ии.МИФИ. :с.311-327, 1989.

12.N.Smirnova,N.Semaschko.Bubble-detector the question of creation. In: "Radiation Protection Physics".(Procee<lings of the 24-lh Int. Symp.) Oaussing. FRG, April 1990, pp.203-209.

13.М.М.Бслюков,Н.С.Смирнова. Радиационные аспекты режимов с ускоренными электронами на установке Т-15.Пренршгг ИАЭ-4915/7.М..1989.

14.Н.С.Смирнова.Ю.Н.Мартынюк.Особе1И1оети инициации ИИ процесса образованна газовых пузырьков в пересыщенных растворах. В кн.:"Материалы 1-го Всесоюзное: Совещания по мсдикобиологические проблемы декомпрессии". И., 1991, сс. 100-104. 13.М.М.Белюкос. В.П.Виноградов, Н.С.Смирнова и ар. Развитие методов восстановлен!« спектров гамма-излучения импульсных установок. ИАЭ. отчет инв. 40/5453, М., 1985.

16.М.М.Бслюков.Ю.Н.Мартынюк, С.В.Малиновский. А.К.Саломатов, Н.С.Смирнова Разработка прямопоказываюшего дозиметра нейтронов для малых значений эквива лентных доз. ИАЭ, отчет инв.40/5585,М., 1986.

17.М.М.Белюко1!,Ю.Н.МартынюкЛ.К.Саломатов,Н.С.Смир11ова.Аналитичсские исследо вопия спектральной чувствительности полимерного детектора нейтронов (ПДН). ИАЭ отчет инв.40/5б8б,М.. 1986.

18.М.М.Белюков,С.В.Цаун.Г.В.ФоминН.С.Смирнова и др. Исследовательские терме ядерные и плазменные установки как источники электромагнитных излучений. ИАЗ отчет инв. 40/5673,М.,1987.

19.М.М.Бслюков,Ю.Н.Мартынюк.Н.ССмирнова и др. Применение полимерного aerci тора для регистрации импульсного нейтронного излучения. ИАЭ, отчет инв.40/573.' М.,1987.

20.М.М.Белюков,С.В.Мали11овский,А.К.Саломатов,Н.С.Смирнова,Ю.Н.Мартынюк.Экспе иментальный анализ отклика полимерного детектора на нейтронное излученк различных энергий.ИАЭ,отчет инв.40/5700,М„ 1987.

21.М.М.Белюков, С.В.Малиновский. Н.С.Смирнова и др. Экспериментальный анал! отклика полимерного детектора на излучение термоядерных установок. ИАЭ, отч( ннв.40/5933,М„198«.

22.Н.С.Смирнова, Ю.Н.Мартынюк, А.В.Якименко. Установка для экспериментальна изучения отклика полимерного детектора нейтронов. ИАЭ, отчет инв.40/5946,М.,1988

23.И.И-Лннге,В.А.Беляев,Ю.Н.Сосенков Н.С.Смирнова и др.Радиационная безопасное на опытном термоядерном реакторе OTP. ИБФ МЗ СССР, отчет инв. Б-5134, М., 1989.

24.Ю.Н. Мартынюх, С.В. Малиновский. Н.С. Смирнова. Разработка теоретических осн< методики индикации отклика веществ, находящихся в метастабильном состоянии 1 излучение термоядерных установок. ИАЭ, отчет нив.40/6059,М., 1989.

25.С.В.Ма.'!иноискнй.Ю.Н.Мартынюк,Н.С.Смирнова. Теоретические исследования к можностей использования ПДС для регистрации р- и (¡¡-излучающих изотопов.ИА отчет HfiB.40/6030,M„ 1989.

26.А.К.Салоиатов, Н.ССмирнова. Расчетное исследование ЛПЭ и пробегов тхжеш ионов в тхаиеэквивалентных материалах, подвергнутых нейтронному облучению. ИА отчет ИНВ.40/6335.М., 1992.

27.М.М.Бслюков,Н.С.Смирнова,Ю.Н.Мартынюх.С.В.Малнновский,А.К.Саломатов. Cr соб получения полимерного состава для детектора нейтронов. A.C. N 1599384,1990.

28.М.М.Белюков.Раднациониыс факторы на термоядерной установке Т-15. Днссертаи на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук (руководит« Н.С.Смирнова),ИАЭ им.И.В.Курчатова, М., 1991.

29.М.Ю.Мартынюк. Свойства перегретых дисперсных систем, используемых для ре страниц ионизирующих излучений. Диссертация на соискание ученой степени канднд; физико-математических наук (руководитель Н.С.Смирнова).ИАЭ им.И.В.Курчато 1992.