ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2007, № 6, с. 47-49
_ ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО _
- ЭКСПЕРИМЕНТА -
УДК 535.376:546212
ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАДИОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ВОДЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ УСКОРЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ
© 2007 г. М. Д. Тарасов, С. Л. Эльяш, В. Ф. Гончарова, О. Н. Петрушин, Ю. А. Савельев,
М. Ю. Тараканов, Ю. С. Шигаев
ФГУП "РФЯЦ-ВНИИ экспериментальной физики" Россия, 607188, Саров Нижегородской обл., просп. Мира, 37 E-mail: tarasov@expd.vniief.ru Поступила в редакцию 20.12.2006 г.
В нормальных условиях получена эффективность радиолюминесценции дистиллированной воды ~1.7 ■ 10-6. Для возбуждения свечения воды использовался пучок ускоренных электронов с энергией до 230 кэВ. Свет передавался на фотокатод ф.э.у. кварцевым волоконным световодом. Калибровка регистрирующей системы осуществлялась с помощью эталонной ленточной лампы. Поглощенная доза в воде регистрировалась пленочными дозиметрами.
PACS: 78.60.Hk
Вода - одно из самых распространенных химических соединений - является люминофором [1, 2]. Ионизирующее излучение вызывает радиолюминесценцию воды (р.л.в.) в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Данные по эффективности р.л.в. весьма противоречивы из-за вклада в свечение излучения Вавилова-Черенкова в большинстве экспериментов, в которых проводились соответствующие исследования [3].
В данной работе коэффициент эффективности р.л.в. измеряется при облучении воды пучком ускоренных электронов от серийного импульсного рентгеновского аппарата МИРА-2Д. Энергия электронов за бериллиевым окном ускорительной трубки не превышает 230 кэВ, что ниже порога образования в воде излучения Вавилова-Черенкова (260 кэВ) [4]. В качестве объекта исследования используется обычная дистиллированная вода при температуре 18 ± 2°С.
Над ускорительной трубкой 1 (рис. 1) ИМА3-150Э, выпускающей электронный пучок 2 в атмосферу, расположен стакан 3 с прозрачным для электронов дном 4 из алюминиевой фольги толщиной 7.5 мкм. Толщина слоя воды 5 над фольгой х = 10 мм. Полный пробег Я электронов с энергией 230 кэВ в воде составляет 0.55 мм [5]. Доза в воде меняется путем изменения расстояния от ускорительной трубки до стакана с водой. Для передачи света до фотоприемника используется волоконный световод 6. Применяется кварц-полимерный ступенчатый волоконный световод длиной 7 м. Диаметр сердцевины волокна 0.6 мм. Торец волоконного световода удален от дна стакана на расстояние 86 мм. На расстоянии 16 мм от дна стакана над поверхностью воды расположена диафрагма 7. Отверстие в диафрагме обеспечива-
ет угловую апертуру оптического канала а = = 0.7°-1.5°, что существенно меньше угловой апертуры самого волоконного световода (~20°). Объем светящейся воды, за которым ведется наблюдение, составляет ~1 мм3.
Для регистрации света используется наносекунд-ный ф.э.у. (8) СНФТ-8М. Напряжение питания ф.э.у. тщательно контролируется для обеспечения стабильной чувствительности. Запись сигналов с ф.э.у. осуществляется цифровым осциллографом (9) TDS3034B с верхней граничной частотой полосы
1
Рис. 1. Схема экспериментальной установки. 1 - ускорительная трубка, 2 - электронный пучок, 3 - стакан, 4 - фольга, 5 - вода, 6 - волоконный световод, 7 - диафрагма, 8 - ф.э.у., 9 - осциллограф.
48
ТАРАСОВ и др.
Р(Х), ДХ), отн. ед.; о, 10-1 м-1 7
0.22
0.32
0.42
0.52
0.62 0.72 Х, мкм
Dcp =
ID
V 1 у
hPE
R P,
(1)
е1 (Х), Дж/мкм = EP (Х),
(3)
где Р(Х), мкм1 - спектр р.л.в. из работы [8] (рис. 2, кривая 2), у которого интеграл по длинам волн приравнен к 1. Спектральное распределение (3) в световоде искажается и может быть записано в виде
е2(Х), Дж/мкм = EP(X)ур(Х),
(4)
где / - потери на отражение света от торцов световода; в(Х) - коэффициент пропускания света в самом волоконном световоде, определяемый ре-леевским рассеянием в коротковолновой области спектра [9]:
р(Х) = 10
-0.1 (ip/X4)Z
(5)
Рис. 2. Спектральные распределения: 1 - спектр Р(Х) р.л.в.; 2 - коэффициент о(Х) поглощения света водой; 3 - чувствительность 1(Х) фотокатода ф.э.у.
пропускания 300 МГц. Спектральная чувствительность фотокатода представлена на рис. 2 (кривая 1).
Для определения доз в воде используются пленочные дозиметры [6] марки СОПД(Ф)Р 5/50. Их градуировка проводится на импульсном ускорителе АРСА [7] с энергией электронов в спектре 501000 кэВ методом замещения с помощью калориметра. Толщина отдельной пленки И = 0.115 мм, ее плотность рпл =1.44 • 103 кг/м3. Средняя доза в воде по толщине, равной пробегу электронов Я, рассчитывается из показаний доз на нескольких, плотно сжатых в стопку пленках, расположенных за алюминиевой фольгой, с помощью выражения:
Здесь коэффициент кр = 1.5 • 10 3 дБ • мкм4/м получен авторами путем измерения потерь света в световодах различной длины в видимом и ближнем ультрафиолетовом диапазонах длин волн. Для коротковолнового края чувствительности фотокатода ф.э.у. (Х = 0.275 мкм) при длине волоконного световода I = 7 м из выражения (5) получаем в = 0.655, т.е. световод достаточно прозрачен во всем спектральном диапазоне чувствительности ф.э.у.
В диапазоне длин волн 0.3-0.67 мкм, практически полностью перекрывающем диапазон чувствительности ф.э.у., коэффициент поглощения света самой водой с(Х) < 0.7 м-1 [10] (рис. 2, кривая 3). Для слоя воды х = 0.01 м пропускание света в~°х > 0.99 и в дальнейшем не учитывается.
Зависимость величины электрического заряда с выхода ф.э.у. за время прохождения светового сигнала от длины волны света запишем в виде:
£3(X), Кл/мкм = II(X)EP(X)ур(Х, l),
(6)
где рв = 103 кг/м3 - плотность воды.
Воспользовавшись понятием угловой апертуры регистрирующей системы (а, градус), для малых ее значений и площади торца волоконного световода 5, м2, запишем выражение для энергии на входе торца от изотропного плоского и прозрачного для собственного света источника:
E, Дж = K5 р,RDср( 1 + y)sin2( а/4), (2)
где K - эффективность преобразования средней поглощенной дозы в свет; у = 0.9 - коэффициент отражения света р.л.в. от алюминиевой фольги на дне емкости.
Энергия (2) распределена по спектру в зависимости от длины волны квантов:
где I, А/Вт - абсолютная чувствительность ф.э.у. в максимуме спектрального распределения; 1(Х) -спектральное распределение чувствительности фотокатода ф.э.у., приведенное в максимуме к единице (рис. 2, кривая 3).
С учетом выражения (5) заряд на аноде ф.э.у. будет равен:
Q, Кл = |е3(Х)ё(Х) =
Х1
= IK5рвHDсp(1+ у) f sin2(a/4) Z,
(7)
где
Z =
JP(Х)Р(Х, l)I(Х)d^).
(8)
Х1
Здесь коэффициент Z отражает потери света из-за несогласованности спектральных распределений; пределы интегрирования - границы чувствительности фотокатода ф.э.у. Подставив в (8) спектральную чувствительность фотокатода
Х
Х
2
ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА < 6 2007
ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАДИОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ВОДЫ
49
dQ / dt, A
0.12 г
0.08 -
0.04 -
K, 10-6 3 г
I, А/Вт =
3. 9 1 - 10 /о
-3
(9)
к = Q-
0.234
RD ср sin2(a/4)
(10)
F
100
200
300
400 500 DCp, Гр
8 12 16 20
t, HC
Рис. 3. Световой сигнал р.л.в.
ф.э.у. и спектр р.л.в., с учетом зависимости (5) получим 2 = 0.577.
В выражении (7) величина I получена путем калибровки с помощью эталона яркости, в качестве которого используется эталонная ленточная лампа с известной яркостной температурой. Свет от центральной части ленты лампы поступает на входной торец световода через определяющую угловую апертуру диафрагму. Для обеспечения прерывистого сигнала на ф.э.у. перед лампой размещен вращающийся диск с щелью. Перед входным торцом световода расположен интерференционный светофильтр с известной полосой пропускания света. Воспользовавшись законом излучения Планка и записав для плоского ламбертовского источника света, каковым является ленточная лампа, уравнения, подобные (2)-(8), в результате калибровки получаем:
Подставив (9) в (7), получим выражение для эффективности р.л.в.:
Каждое значение заряда, прошедшего через входное сопротивление осциллографа, при данных условиях облучения воды получается усреднением данных по тридцати импульсам (рис. 3). В результате среднеквадратичная ошибка определения К с учетом ошибки калибровки пленочных дозиметров составляет около ±16%. В пределах такой ошибки измерений в диапазоне доз £>ср = 40-440 Гр К - 1.7 • 10-6 (рис. 4).
Таким образом, эффективность р.л.в. примерно в 60 раз меньше эффективности такого стойкого к радиационным повреждениям сцинтилля-тора, как воздух, у которого Квозд -10-4 [11]. Однако у воды за счет большей, чем у воздуха, почти
Рис. 4. Эффективность р.л.в. в зависимости от средней дозы электронного пучка по толщине воды.
на три порядка плотности поглощенная энергия и выход света в том же объеме могут быть существенно выше. С учетом продолжительности послесвечения люминесценции воды т = 1.8 нс [12] это позволит эффективно измерять мощность поглощенной в ней дозы от наносекундных источников ионизирующего излучения. На установках, где в воде присутствует излучение Вавилова-Черенкова, от него можно избавиться, направляя поток ионизирующего излучения на поверхность воды сверху и проводя регистрацию р.л.в. со стороны облучения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Паркер С. Фотолюминесценция растворов. М.: Мир, 1972.
2. Лобышев В.И., Рыжков Б.Д., Шахлинская Р.Э. // Вестник Московского университета. 1995. Т. 36. Сер. 3. < 2. С. 48.
3. Казаков В.П., Шарипов ГЛ. Радиолюминесценция водных растворов. М.: Наука, 1986.
4. Зрелое В.П. Излучение Вавилова-Черенкова и его применение в физике высоких энергий. М.: Атом-издат, 1968. Т. 1.
5. Баранов В.Ф. Дозиметрия электронного излучения. М.: Атомиздат, 1974.
6. Пикае, Ä.K. Дозиметрия в радиационной химии. М.: Наука, 1975.
7. Элъяш С.Л., Калиновская НИ., Донской E.H., Гончарова В.Ф. // Атом. энергия. 1995. Т. 79. Вып. 6. С. 462.
8. Sitharamarao D.N., Duncan J.F. // J. Phys. Chem. 1963. V. 67. < 10. P. 2126.
9. Гроднев ИИ. Волоконно-оптические линии связи: Учебное пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1990.
10. Hulburt E.O. // J. Opt. Soc. Am. 1945. V. 35. < 11. P. 698.
11. Жемерев А.В., Степанов Б.М. Физика импульсного радиационного возбуждения свечения воздуха. М.: Энергоатомизд
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.