Свойства перегретых дисперсных систем, применяемых для регистрации ионизирующих излучений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

- л г. 4 '5 %

Ордена Левина и ордена Октябрьской Революции Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова

На правах рукописи УДК 533.9.79

МАРТЫНЮК Юрий Николаевич

СВОЙСТВА ПЕРЕГРЕТЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Специальность "Техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований" (01.04.01)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва — 1992

Работа выполнена в Институте атомной энергии т. И.В.Курчато

Научный руководитель: кандидат технических наук,

.старший научный сотрудник Н.С.Смирнова

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических"наук,

профессор А.Д.Сенченков

(ИА<э им. И.В.Курчатова)

кандидат физико-математических наук,

статашй научный сотрудник В.В.Бенгин

(ШШ)

Ведущая организация - Объединенный институт ядерных исследований г. Дубна.

Защита состоится "_"_ 1992 г. в "_"часов

на заседании специализированного совета Д 034.04.04 при Институт атомной анергии им. И.£.Курчатова по адресу: 123182, Ыосква, пл. И.В.Курчатова, ИАЭ ем. И.В.Курчатова, т. 196-97-41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИАЗ им. И.В.Курча това.

Автореферат разослан "03>я 1992 г.

Ученый секретарь

специализированного совета кот А.В.Мерзляков

Актуальность работы.

Развитие средств и методов детектирования излучений направлено i создание высокочувствительных, точных, простых и надежных в уп-вдении приборов и детекторов. Наряду с традиционными средствами гиетрации - газовыми счетчиками, сцинтилляторами, ПОД. ТДД, фотоэ-льсиями и трековыми детекторами в ядерной физике давно и успешно пользуются перегретые жидкости и пересыщенные пары. Изначально лекторы излучений с перегретыми жидкостями и пересыщенными парами пользовались как трековые детекторы для определения параметров за-женных частиц и были достаточно громоздки и неоперативны. Первую пытку нетрадиционного применения перегретых жидкостей предпринял Apfel в 1974 году. В его экспериментах перегретая жидкость была зделена на большое количество малых объемов, образовав, таким об-зом, множество маленьких пузырьковых камер, независимых друг от уга. Новое средство детектирования обнаружило целый ряд преиму-ств перед традиционными детекторами, особенно в области детектиро-ния нейтронов. Позже такие детекторы получили дальнейшее развитие работах других авторов, а подобные структуры - название Перегретых сперсных Систем (НДС).

Несмотря на интенсивные исследования новых детекторов и большой спериментальний материал, механизм работы перегретых дисперсных стем практически не анализировался, что не позволяло однозначно терпретировать результаты экспериментов и целенаправленно еовер-нствовать детекторы. Между тем, уже сейчас возникают разногласия, язанные с несовпадением результатов измерений различными детекто-ми.

Цель работы.

Для дальнейшей работы с детекторами на основе О необходимо создание модели НДС и определение параметров, влияю-, х на важнейшие их характеристики с целью получения ЦЦС с заданными ойствами. Целью настоящей диссертационной работы является попытка шения этой задачи.

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию свойств регретых дисперсных систем, анализу их термодинамических особен-стей, классификации, а также вопросам использования НДС для регис-ации различных излучений.

В работе поставлены и решены следующие задачи.

Проведен анализ термодинамических свойств ПДС и

особенностей процесса фазового перехода, вызванного заряженными

х

частицами, по сравнению с монофазными перегретыми жидкостями используемыми в пузырьковых камерах. Выделены параметры, прису иие только НДС и определяющие характер процесса регистрации иа лучений. Был проведен теоретический и экспериментальный аналу явлений, происходящих при прохождении заряженных частиц в ВДС исследовано влияние характеристик частиц на параметры акусп ческого импульса, разработана система акустического считывал! информации с детекторов на основе ПДС.

Проведены исследования различных типов детекторов на осно; НДС. Сформулированы основные принципы построения детекторов д. нейтронов, альфа-частиц, осколков деления. Эксперименталы проверены основные выводи для различных типов детекторов. Пр< веден сравнительный экспериментальный анализ ПДС-детекторов hi тронов с другими типами нейтронных детекторов на нейтронных m лях ИФВЭ. Разработана технология изготовления ВДС с заданны свойствами. Проведен анализ устойчивости ПДС и механизмов ра рушения. Предложены способы повышения устойчивости ПДС.

, Научная новизна Научная новизна данной работы заключается в определении ново типа систем, используемых для регистрации излучений, их (систе классификации; в исследовании особенностей термодинамики 1ЩС,отлич юших их от пузырьковых камер; анализе таких характеристик ПДС к устойчивость, стабильность параметров; формулировке принципов п строения детекторов на основе ПДС; анализе преимуществ ПДС при практическом применении в детектировании нейтронов и заряженных чг тиц. _ 1

Практическая значимость работы заключается в том, что разра( таны пороговые детекторы быстрых нейтронов на основе ЦДС, использ} мые для измерений на термоядерных установках Т-10, Т-15, "Фокус атомных станциях ЧАЭС и "Козлодуй", на ускорителях в ОИЯИ, ОТ! СФГИ им. И. Е Векуа, ИФВЭ. Показана возможность использования НДС ; измерения альфа-активностей водных растворов" и аэрозолей. Выработ. рекомендации по созданию устойчивых детекторов с заданными харак' ристиками.

Автор выносит на защиту.

1. Термодинамические особенности НДС.

2. Акустические явления, сопровождающие акты регистрации заряж пых частиц ВДС.

3. Принципы детектирования излучений с помощью ПДС. I. Изготовление ПДС и проблема устойчивости. Апробация работы.

Материалы диссертации доложены и обсуждены на следующих конференциях и семинарах: Всесоюзная конференция "Пути развития до-зиметрии"(ЛенилградЛ987), конференция ОСШ ИАЭ (Москва, 1988), конференция молодых специалистов ОФП (Протвино,1988), Всесоюзной конференции "Радиационные аспекты чернобыльской аварии (Обнинск, 1988), 3-м совещании по изучению радиологического состояния южной Балтики (Вильнюс,1991), 6-я конференция по прикладным аспектам ядерной физики (Каиев,1989), 1-я Всесоюзная конференция по трекопим детекторам (Одесса,1989), 7-й симпозиум по нейтронной дозиметрии (Берлин, октябрь 1991). Объем работа

Диссертация состоит из Введения, четырех глав и заключения, включая 66 страниц текста, 2 таблицы, 24 рисунка, список литературы из 32 названий. Содержание диссертации.

Во введении анализируется актуальность' и новизна работы. Приво-тся краткий обзор исследований, посвяцешшх расширению области вменения перегретых жидкостей. Определяется цели и задачи работы.

В первой главе дано определение ЦЦС, их иассифшсация. Приведе-: результаты теоретического анализа термодинамических особенностей ,С. Показано, что, в отличие от монофазных перегретых жидкостей, ,0 для полного описания процесса фазового перехода треоукгг учета ких параметров, 1сак размер микрообъемов метаетабилыюй фазы и компонент поверхностного натяжения границы стабильная фиа - метас-.бильная фаза. Получено выражение для минимального размера микрооб-ма, при котором мегастабильная фаза еще остается метаетабилыюй.' .счеташ путем получены зависимости энергии критического зародыша и 'о радиуса от размера микрообъема метастабильной фазы (Рис. 1,2).

В первой главе тагасе приведены результаты исследований устойчи->сти НДС и механизмов их разрушения. Обнаружено два главных меха-|&ма разрушения: диффузионный и коалесцентный. Показано, что иаибо-^о устойчивы НДС с вязкой или вязкоупругой стабильной фазой и мини-иьным перегревом метастабильной фазы. Третий механизм разрушения -1арно-акуетичеекий - имеет место при кратковременных механических «действиях на ПДС и приводит к ее полному разрушению.

Йце одна особенность ПДС, исследованная с первой главе - акусти-

з

чесие импульсы, возникающие в 1ЩС при прохождении через нее эаряж ных частиц. Показано, что источниками звука являются растущие ва; дышевые пузырьки, приведены параметры импульсов, зафиксированных < спериментально. Экспериментально и теоретически обоснован вывод том, 'что зафиксированные акустические импульсы не несут информацш . частице.

Вторая глава посвящена основным принципам построения детекто! излучений на основе ПДС, анализу влияния среды и рабочей жидкости характеристики детекторов, а также способам управления параметр; детекторов.

■ Проведенный расчет показал, что при размерах капель около микрометров среда начинает играть заметную роль как поставщик за) жеиных частиц в перегретые капли, а при размерах микрообъемов -мкм чувствительность полностью определяется характеристиками ер< ■ (Рис.3).

Во второй главе также проводится подробный анализ целесообр; носги использования детекторов на основе ВДС в различных задачах 1 гистрации излучений. На основе анализа сделан вывод, что наибо. удобно использовать ПДС-детекторы для регистрации нейтронного из. чения (в том числе и для индивидуальной дозиметрии), короткопроб« ного излучения (альфа и осколков деления) радиоактивных изотоп« введенных в среду, а также для измерения спектров ЛПЭ некоторых ; дов излучений. Проведенные исследования динамических характерно' 1ЩС-детекторов показали, что для детекторов с вязкой стабильной I зой динамический диапазон перекрывает пять порядков, тогда- как , детекторов с вяэкоупругой стабильной фазой не превышает трех пор: ков. По времени диапазон линейности детекторов зависит от скоро роста образовавшихся пузырьков и достигает нескольких часов (Рис. Изучение статистических процессов, происходящих в ЦЦС при регист ции излучений, позволило сделать вывод, что ' образование пузырь при прохождении частиц является пуаесошвоким процессом, поэтому грешность измерений с помощью 1ЩС-детекторов обусловлена статис ческой погрешностью в совокупностью с погрешностью определения к центрации метастабильной фазы и разбросом размеров микрообъем

В третьей главе приведены экспериментальные результаты, по чениие при использовании ВДС детекторов для регистрации различ типов излучений на ускорителях, ядерных реакторах, термоядерных тановках и в лабораторных условиях.

Представлены экспериментально полученные характеристики ни

ч

их ЩО-детекторов, детекторов высокоэнергетических частиц и ко-опробелных тяжелых частиц.

Приводятся данные об экспериментальном доказательстве беэынер-ности НДС-детекторов на импульсных термоядерных установках с енем эмиссии нейтронов -10 с, а такле результаты сравнения детекторов как индивидуалы»« дозиметров нейтронов с другими ти-i детекторов, проведенного в калибровочных нейтронных полях ИФВЭ.

В четвертой главе приводятся методики и принципы изготовления различных типов. Предлагаются способы создания вязкой стабильной i с помощью полимеризации мономеров в растворе» сформулированы >мендации по технологии получения дисперсной метастабильной фазы.

Выводы по работе.

1. Выполненный анализ свойств ГЩС показал, что НДС являются 5ым классом систем, отличающихся liait от монофазных перегретых костей. Tait и от обычных дисперсных систем и являются перспектив-

средством регистрации ионизирующих излучений.

2. Разбиение на микрообъемы, а таюке наличие поверхности разде-метастабильная фаза - стабильная фага приводят к значительному

личеиию времени жизни метастабильной фазы. Наличие этой поверх-ти сказывается при размерах микрообгемов метастабильной фазы 100 мкм.

3. Исследования устойчивости различных видов ПДС показали, .что чествует три механизма разрушения НДС: коалесцентный, диффузионный шустический. Теоретически и экспериментально показано, что макси-шное время жизни относительно этих механизмов разрушения имеют ; со стабильной фазой большой вязкости. В этом случае определяющей 1ь играет диффузионный механизм разрушения.

4. Теоретический и экспериментальный анализ радиацмошю-акусти-;ких эффектов в ПДС под действием ионизирующих излучений показал, э излучение звука происходит по пузырьковому механизму; одна за--ссированная частица производит один импульс; параметры импульса гавы, что максимально возможная скорость счета при акустическом

з

эсобе регистрации составляет 10 событий в секунду. Информации об ергии, массе или заряде частикцы акустический импульс не несет.

5. Построенная модель отклика ПДС к ионизирующим излучениям и д проведенных экспериментов определили область применения детегсго-в на основе ГЩС. Это нейтронная дозиметрия и спектрометрия, регис-ация тяжелых короткопробежных частиц, рождавшихся в ПДС, измерение ггивности водных растворов и аэрозолей.

6. Детектор« на основе ПДС при визуальном (оптическом) спо! считывания информации являются безынерционными. Это било экспери! талыю показано при регистрации нейтронов на импульсных ТЯУ с вр< нем нейтронной эмиссии - 10 с.

7. Все параметры ПДС полностью определяются химическим сост. метастабильной и стабильной <1)03, температурой, давлением и разм* микрообъемов.

8. При участии автора разработаны детекторы нейтронов на ос1 ПДС, собран макет установки для акустического считывания инфорыш проведены измерения нейтронных потоков на ТЯУ, АЭС, меадунаро; сличение индивидуальных дозиметров нейтронов и их метрологичес аттестация.

100 •?« (икм)

,0® 1?к («км)

,1 Зависимость энергии критического Рис.2 Зависимость критического эародииа от радиуса капли. радиуса от радиуса капли.

И«1)

ис.З Зависимость относительных вкладов Рис.4 Динамика роста пузырька чувствительность детектора-среды и в ПДС по отношению к временам идкости. нейтронной эмиссии термоядерных

установок. У-объем ПДС, и -'объем пузырька.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................................................4

Глава 1. 5м;>ические свойства НДС.

1.1 Определение и виды НДС........................................................7

1.2 Исследование термодинамических особенностей ИДО... 9 1. 2.1 Механизм щюдишеобразования в мелкораздроб-

ленних перегретых жидкостях..............................................9

1.2.2 Зародышеобраоование под действием ионизирующих излучений..................................................................................14

1.3 Анализ устойчивости НДС............................................24

1.3.1 Коалесценгная неустойчивость....................................24

1. о. 2 Диффузионная неустойчивость......................................27

1.3.3 Акустическая неустойчивость НДС..............................33

1. 4 Радиационно-акустические явления в 11Д0........................34

Выводи к Главе 1................................................................................42

Глава 2. Общие принципы использовании НДС для регистрации излучений..........................................................................45

Выводи к 1'лаве 2..."..........................!....................Ь9

Глава 3. Практическое применение НДС........................................60

3.1 Детектирование ааряжгнных частиц..-................................60

3.2 Детектирование нейтронов....................................................64

3. 3 Дитектирошше фотонов.:......................................................68

3. 4 Дс-текгиронанио тяжелых ьиеокознергетических частиц

....................................................................................................70

Шводи к Главе 3................................................................................73

Глава 4. Изготовление НДС..................................74

- Вшоди к Главе 4........................;..............................81

Заключение........................................................................В2

Литература................................................................й4

Основные обозначения и сокращения..............................................68

в

сок работ по теме диссертации.

Беляков М. М., Смирнова Н.С., Мартынюк Ей и др. Использование перегретых жидкостей в дозиметрии нейтронов. Препринт ИАЭ 4546/14, М.,1987.

Беликов М. М., Смирнова Е С., Мартынкк ЯК и др. Способ получения полимерного состава для детекторов нейтронов. Авторское свидетельство на изобретение N 1599384 1990. Смирнова Е С., Мартынюк Ю. Н. Свойства перегретых дисперсных систем, используемых для регистрации ионизирующих излучений. Препринт ИАЭ 5180/2 1990.

Смирнова Н С., Мартынюк Ю. Е О генерации звука в перегретых жидкостях тямэлши заряженными частицами. Акустический журнал, Т. 37, вып. 4, 1991, с. 723-727.

Смирнова Е С., !&ртынкк Ю. Е , Велкков М. М. и др. Применение перегретых эмульсий для регистрации нейтронного излучения. ВАНТ, сер. Ядерно-физические исследования, вьш. 2, с. 65, 1989.

Технический редактор С.К. Сведлова Подписано в печать 17.03.92. Формат 60x84/16 Уч.-изд. л. 0,6. Тираж 92. Заказ 57 Отпечатано в ИАЭ