ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 100-103
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 533.9.082
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ДЕТЕКТОРОВ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЕННЫХ ОБЪЕКТОВ © 2015 г. А. В. Баловнев, И. Г. Григорьева, Г. Х. Салахутдинов
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31 E-mail: saip07@mail.ru Поступила в редакцию 24.03.2014 г. После доработки 09.06.2014 г.
Проведен анализ возможности использования термолюминесцентных детекторов для диагностики плазмы. Исследованы основные характеристики термолюминесцентных детекторов, на основе которых был создан малогабаритный спектрометр импульсного рентгеновского излучения. Представлены основные эксперименальные результаты исследования спектра рентгеновского излучения плазменных объектов.
DOI: 10.7868/S0032816215010279
Рентгеновская диагностика плазменных объектов является одним из основных методов получения информации о параметрах излучающей плазмы и протекающих в ней процессах [1—5].
Рентгеновское излучение плазмы сильноточных электроразрядных устройств ^-пинчей) характеризуется высокой интенсивностью (более 1016 квантов за вспышку) и малой длительностью (~10-8 с), имеет довольно сложный спектр с максимумом в области 1 кэВ. Мощные электромагнитные помехи, возникающие в момент образования плазмы, могут исказить рабочий сигнал на стадии его формирования и передачи, и это требует разработки специальных мер защиты.
При таких условиях эксперимента раздельная регистрация частиц, а следовательно, и их раздельная спектрометрия становятся невозможными и, как правило, для получения информации о спектре излучения приходится применять различные ядерно-физические методы измерения спектра импульсного рентгеновского излучения
[4].
Одним из наиболее распространенных методов измерения спектра импульсного рентгеновского излучения является метод "серых" фильтров поглощения [6]. Метод основан на спектральной селекции первичного рентгеновского излучения с помощью фильтров поглощения различной толщины. В данном методе измеряется кривая ослабления, представляющая собой зависимость полностью поглощенной в детекторе энергии J рентгеновского излучения, прошедшего сквозь фильтр, от толщины данного фильтра х:
J (х) = |ад(р(£) ехр(-|а(Е»/£, (1)
где Б(Е) — спектральная характеристика детектора; ф(Е) — искомый спектр; ц(£) — коэффициент ослабления излучения в фильтре. Выражение (1) является уравнением Фредгольма 1-го рода относительно функции ф(Е). Оно относится к классу некорректно поставленных задач.
Для измерения кривой ослабления J(х), как правило, применяют различные многоканальные спектрометрические системы с предварительным разделением квантов по энергиям с помощью рентгеновских фильтров поглощения. По результатам измеренной в эксперименте кривой ослабления проводят восстановление спектров рентгеновского излучения математическими методами
[4, 6].
Одними из наиболее привлекательных для использования в диагностике плазмы являются термолюминесцентные детекторы (т.л.д.) [7, 8]. Их принцип действия заключается в том, что образуемые в них под действием ионизирующего излучения носители заряда локализуются в центрах захвата и удерживаются в них длительное время.
При нагреве облученного т.л.д. до температуры 240—300°С (в зависимости от материала) происходит испускание квантов света (термолюминесценция), количество которых пропорционально поглощенной дозе ионизирующего излучения.
В качестве материала для т.л.д. используют фториды лития, кальция, активированные различными элементами, и алюмофосфатные стекла. Конструктивно т.л.д. выполняют в форме диска диаметром ~5 мм и высотой 0.9 мм. В настоящее время наиболее часто используются т.л.д. на основе алюмофосфатного стекла и ЫБ (X = 8.2) [4, 6—8]. Выбор именно этих детекторов обуслов-
лен стабильностью их состава и характеристик, так как они изготавливаются промышленными партиями для целей дозиметрии.
Важно отметить, что т.л.д. не подвержены воздействию электромагнитных наводок и характеризуются линейностью отклика в широком диапазоне поглощенных доз (от 20 мЗв до 10 Зв). Одной из основных характеристик т.л.д. является зависимость световыхода термолюминесценции от энергии рентгеновских квантов в области от 1 до 30 кэВ. Проведенные исследования по методике, описанной в работе [9], показали, что отклонения отклика детектора от линейной зависимости не превышают 8%, что вполне позволяет провести измерения спектра импульсного рентгеновского излучения.
При больших значениях поглощенной дозы (>10 Зв) наблюдается нарушение линейной зависимости. Объяснить это явление можно, используя механизм образования термолюминесценции с учетом эффекта перекрытия треков заряженных частиц и степени их ионизационной способности в детекторе [6].
При регистрации мягкого рентгеновского излучения (<2 кэВ) плазменного объекта необходимо знать, как детектор реагирует на ультрафиолетовое излучение плазмы. Проведя экспериментальные исследования кривой термовысвечивания для т.л.д. из алюмофосфатного стекла и фторида лития, облученных рентгеновским и ультрафиолетовым излучением, можно определить влияние ультрафиолетового излучения на интенсивность термолюминесценции.
На рис. 1 представлены полученные в ходе исследований кривые термовысвечивания алюмофосфатного стекла при облучении рентгеновским и ультрафиолетовым излучением. Кривые термовысвечивания для т.л.д. из алюмофосфатного стекла имеют два ярко выраженных пика — низко- и высокотемпературный. Причем при облучении ультрафиолетовым излучением (кривая 2) вклад низкотемпературного пика в 5 раз больше, чем при облучении рентгеновским излучением (кривая 1). В качестве источника ультрафиолетового излучения была использована ртутная лампа. В тех же экспериментах показано, что чувствительность ЫБ к ультрафиолетовой части спектра составляет 10-2 от чувствительности детекторов к рентгеновскому излучению.
Полученные результаты показали возможность:
• использования т.л.д. для диагностики ультрафиолетового излучения плазмы;
• использования детекторов ЫБ без защитных фильтров для диагностики очень мягкого рентгеновского излучения.
Интенсивность термолюминесценции, отн. ед.
1.0
0.5
0
Температура, °С
Рис. 1. Кривые термовысвечивания алюмофосфатного стекла при возбуждении рентгеновским (1) и ультрафиолетовым (2) излучением.
Следует отметить, что к промышленно изготовленным т.л.д. предъявляются определенные требования при использовании их в экспериментах по диагностике плазмы: отбираются детекторы с одинаковыми показаниями (в пределах погрешности измерений) после экспонирования партии т.л.д. в одинаковых условиях облучения рентгеновским излучением.
Термолюминесцентные детекторы ЫБ не чувствительны к электромагнитным наводкам, не требуют оперативной системы считывания сигнала, слабо реагируют на ультрафиолетовое излучение по сравнению с рентгеновским и имеют высокий диагностический диапазон поглощенной дозы излучения. Все эти свойства позволяют создать на их основе малогабаритный семика-нальный спектрометр (020 мм, длина 20 мм) для диагностики рентгеновского излучения в диапазоне 1—25 кэВ (с учетом возможности использования детекторов без защитных фильтров).
Спектрометр собран на фланце (рис. 2), устанавливаемом в разрядной камере, генерирующей плазму. Фланец имеет семь углублений, в каждом из которых устанавливались сборки из десяти детекторов, расположенных друг за другом. Сборки в углублениях фланца размещались за фильтрами ослабления из различных материалов (лавсан, Ве, А1, Си) разной толщины.
В ходе измерений спектра рентгеновского излучения использовались следующие методы регистрации: метод "серых" фильтров (строилась кривая ослабления по показаниям каналов спектрометра за фильтрами различной толщины), метод поглощенной энергии (анализ сигналов т.л.д. одной сборки), метод фильтров Росса (анализ сигналов со сборок, расположенных за фильтрами из различных материалов).
102
БАЛОВНЕВ и др.
Рис. 2. Схема эксперимента. 1 — плазма; 2 — катод разрядной камеры; 3 — анод разрядной камеры со вставкой из вольфрама; 4 — изолятор; 5 — пояс Рогов-ского.
Показания с т.л.д. считывались с помощью прибора ДВГ-02ТМ (он осуществлял нагрев детектора и регистрировал термолюминесцентный сигнал).
Калибровка спектрометра проводилась на стенде, содержащем импульсную рентгеновскую трубку с набором флуоресцентных эмиттеров и комплект радиоизотопных источников рентгеновского излучения [5].
Восстановление спектров рентгеновского излучения по результатам измеренной в эксперименте кривой ослабления проводилось методом эффективных энергий [10, 11].
Преимущество использования спектрометра рентгеновского излучения на основе т.л.д. было показано в экспериментах по исследованию рентгеновского излучения плазмы на установке "плазменный фокус". В эксперименте использовались спектрометры как на основе т.л.д., так и на основе кремниевых полупроводниковых детекторов (п.п.д.).
Установка "плазменный фокус" с эллиптическими электродами мейзеровского типа рассчитана на работу с разрядным током до 360 кА [12]. В ходе эксперимента камера наполнялась аргоном (давление »2 Торр). Габаритные размеры разрядной камеры: диаметр 100 мм, высота 200 мм. Общая схема эксперимента и разрядной камеры плазменного фокуса представлены на рис. 2.
Установка работала в режиме однократных разрядов. После каждого разряда спектрометр извлекали из установки и в течение часа после проведения эксперимента с помощью прибора ДВГ-02ТМ считывали сигналы с т.л.д. (информация о
J, отн. ед.
Рис. 3. Спектры рентгеновского излучения, измеренные с помощью спектрометра на основе т.л.д. (1) и п.п.д. (2). Разрядная камера заполнена аргоном, ток разряда 250 кА.
зарегистрированном излучении в т.л.д. может храниться более десяти суток). В зависимости от проводимых исследований спектрометр обеспечивал измерение серии разрядов на установке "плазменный фокус" с последующим усреднением полученной дозы облучения.
На рис. 3 приведены спектры рентгеновского излучения, измеренные с помощью спектрометров на основе т.л.д. и п.п.д. (р—
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.