Калориметр

 

1. КАЛОРИМЕТР содержащий приемник излучения и термодатчик, разме щенный на поверхности приемника, отличающийся тем, что, с целью повьваения точности измерений распределения плотности энергии импульс .-ого излучения, приемник выполнен с уменьшающимися площадями поперечных сечений в направлении к тер модатчику , расположенному на поверхности с наиьюньшей площадью, а дли-, на линии, соединякнцей центры описанных окружностей поперечных сече НИИ приемника, больше магсимального поперечного размера приемника. 2. Калориметр по п. 1, отличающийся тем, что приемник выполнен в виде усеченной наклонной кли правильной пирамиды.

(19) (11) СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

3(5)) 01 Т 1/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3326900/18-25 (22) 03.08.81 (46) 30.12.83. Бюл. 9 48 (72) A.È.Ãåðàñèìîâ и E.Ã.Äóáèíîâ (53) 621 .387.424(088.8) (56) 1. актынцев А.Т. и др. Исследование пространственно-энергетиче/ ских параметров пелятивистского элект ронного пучка ускорителя РУЖ-5, ЖТФ, 1974, т.44, Р 6, с. 1228.

2. В.И.Коротаев и др. Комплексный зонд для исследования импульсных сильноточных электронных пучков, ПТЭ 1974, Р 3, с. 35 (прототип). (54)(57) 1.ИЦ)ОРИИЕТР содержащий приемник излучения и термодатчик, разме-. щенный на поверхности приемника, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений распределения плотности энергии импульс..ого излучения, приемник выполнен с уменьшающимися площадями поперечных сечений в направлении к термодатчику, расположенному на поверхности с наименьшей площадью, а дли-, на линии, соединяющей центры описанных окружностей поперечных сече» ний приемника, больше магсимального поперечного размера приемника.

2. Калориметр по и. 1, о т л ич а ю шийся тем, что приемник выполнен в виде усеченной наклонной или правильной пирамиды. 3

1014378

6() Изобретение относится к области калориметрии импульсного излучения, а конкретнее к калориметриче".êèì средствам для измерения распределени я плотности энергии и энергосодержания импульсного излучения (несколько микросекунд и короче), в том числе пучков заряженных частиц, и может быть применено для измерения распределения плотности энергии по поперечном„ сечению сплошных и полых импульсных пучков ускоренных электронов, Известен калориметр для измерения энергосодержания импульсного пучка ускоренных электронов, содер- !5 жащий общий приемник излучения из меди, термодатчик в виде термопары, соединенный с измерителем температуры fl) .

Недостаток этого калориметра — 2() невозможность измерения распределения плотности энергии по поперечному сечению пучка излучения.

Наиболее близким по †.ехнической сущности к изобретению является ка- р5 лориметр для измерения общей энергии и распределения плотности энергии по поперечному сечению импульсного пучка электронов, содержащий в вакуумируемом объеме размещенные в виде мозаики по сечению пучка приемники электронов из меди в виде наклонных параллелепипедов высотой

)каждый 4-8 мм и с квадратным основанием 20х20 мм, обращенным к пучку термодатчик, размещенный на поверхности приемников 12) .

Недостатком этого калориметра является невысокая точность измерений, связанная с неоптимальной массой и геометрической формой каждого приемника. Неоптимальность массы и формы приемника состоит в том, что при неравномерной плотности пучка, что наиболее характерно для сильноточных пучков, после достижения тепловым фронтом местоположения термодатчика температура этого места начнет повышаться одновременно с распределением тепла по всему объему приемника, а затем начнет понижаться и к моменту установления равномер ной температуры по объему приемника, когда производят измерение температуры, ее величина будет значительно ниже максимальной в месте подключе- 55 ния термодатчика. Например, при пуч" ке трубчатой формы с толщиной стенки много меньше стороны 20 мм основания приемника, на которое падает пучок против расположения термодатчика на другом основании, при указанной толщине приемника 4-8 мм в прототипе фронт тепла значительно быстрее дойдет до термодатчика, чем он пройдет по основанию, на которое упал пучок, температура места присоединения термодатчика начнет быстро расти, а затем, по мере перераспределения тепла по массе приемника, падать и к моменту равновесия температуры, соответствующему моменту ее измерения, она будет в несколько раз меньше максимальной. Особенно большая разница между максимальной и равновесной температурой будет при локальном поглощении энергии пучка с точечным фокусом против местоположения термодатчика и при уменьшенной толщине приемника до 4 мм.

Высокий перепад температур в месте подключения термодатчика приводит к постепенному ухудшению теплового контакта между приемником и термодатчиком в связи с образованием здесь мелких трещин из-за переменных тепловых деформаций и возникающих механических напряжений, что снижает точность измерений и их стабильность от импульса к импульсу. Кроме того, уменьшение теплопроводности в месте контакта термодатчика и приемника увеличивает время выравнивания температуры в приемнике и в массе термодатчика. Неоптимальность массы и формы приемника приводит к росту времени установления равновесной температуры, что в совокупности с постепенным ухудШением теплового контакта увеличивает время измерения. Наличие в приемнике мест с высокой температурой и большое время установления равновесной температуры приводит к потере тепла за счет излучения, теплоотвода и конвекции, что снижает точность измерений.

Потребностью является повышение точности калориметрических измерений при увеличении числа их циклов, особенно в связи с созданием термодатчиков, имеющих высокую чувствительность и передаточную временную характеристику менее 10 нс. Целесообразными явились бы такие масса и форма каждого приемника, чтобы при любой форме поперечного сечения пучка (трубчатая, цилиндрическая, в виде серии дискретных пучков и др,) и любом законе распределения плотности энергии максимальная температура в месте присоединения термодатчика к приемнику соответствовала бы равновесной температуре по массе приемника.

Целью изобретения является повышение точности измерений распределения плотности энергии по поперечному сечению импульсного пучка излучения при увеличении числа циклов взаимодействия его с приемником путем создания максимальной температуры на термодатчике по достижении теплового равновесия по объему приемника

10143:8 при любом законе распределения плотности энергии по поперечному сечению излучения.

Данная цель достигается тем, что в калориметре, содержащем приемник излучения и термодатчик, размещенный на поверхности приемника, приемник выполнен с уь(еньшающимися площадями поперечных сечений в направлении к термодатчику, расположенному на поверхности с наименьшей площадью, а длина линии, соединяющей центры описанных окружностей поперечных сечений приемника, больше максимального поперечного размера приемника, а также тем, что приемник выполнен в 15 виде усеченной наклонной или правильной пирамиды.

При таком техническом решении калориметра выделившийся от поглощения энергии излучения поток тепла распространяется от обращенной к пучку поверхности приемника в направлении к термодатчику со снижением температуры массы поглотителя за тепловым фронтом, поэтому по достижении термодатчика фронтом потока тепла температура места присоединения термодатчика будет постоянно повышаться, и в момент достижения максимальной температуры вся масса приемника будет нагрета равномерно, а сигнал с термодатчика будет макси-.. мальный по амплитуде » Изложенный процесс распределения тепла будет таковым как при выделении энергии излу- 35 чения равномерно по всей обращенной к нему поверхности, так и при локальном нагреве излучением любого участка этой поверхности, что позволяет калориметрировать импульсные пучки 4р излучения с любым профилем плотности энергии по поперечному сечению пучка, Выбирая массу приемника, например, путем замены приемников из материалов с разной теплоемкостью (и удельной плотностью, можно в соответствии с чувствительностью примененного термодатчика получать при максимальной его температуре, соответствующей равномерному нагреву приемника по всему его объему, уровень сигнала, достаточный для точных абсолютных измерений температуры. Измерение сигнала с термодатчика в момент максимальной температуры в месте ега расположения без последующего выжидания установления равновесной температуры по объему приемника, а также отсутствие высоких перепадов температур в этом месте и потому повышение долговечности тепло-6р ваго контакта между приемником и термодатчиком позволяет уменьшить потери тепла приемником и повысить стабильность теплопередачи от приемйика к термодатчику с числом включений источника излучения, чта в совокупности увеличивает точность калориметриравания плотности энергии и по сечению пучка. Дополнительно сокраща. ется время измерений из-за улучшения и стабилизации теплового контакта.

Приемник может быть выполнен в виде усеченной наклонной или правильной пирамиды, что упрощает его изготовление.

На чертеже показан калориметр в двух проекциях, причем вмесro одного приемника, перемещаемого по сечению пучка излучения, ан включает в себя серию одинаковых приемни <ов, установленных в виде мозаики по всему сечению пучка.

Калориметр содержит одинаковые термоизолированные размещенные в вакуумируемом объеме по окружностям в два ряда приемники 1, например, из графита, расположенные по попереч.ному сечению трубчатого лучка 2 излучения,например, заряженных частиц, в частности ускоренных до 500 кэВ электронов. Каждый приемник 1 выполнен с уменьшающимися площадями поперечных сечений в направлении к термо1 датчику 3, расположенному на поверхности с наименьшей площадью, и имеет вид наклонной усеченной пирамиды, обращенной большим основанием к пус«у, причем полость по оси Z-Z выполнена в значительной мере свободной от приемников для размещения здесь дополнительной диагностической аппаратуры, например фотоумножителя (.на чертеже не показан), Линия А-А, соединяющая центры описанных окружностей погеречных сечений пирамиды, имеет длину больше максимального линейного размера приемника в поперечном сечении, в данном случае обращенной к пучку поверхности приемника, т.е. диагонали В-В большего основания пирамиды. Целесообразно длину A-А выбирать больше указанного размера на длину половины или более максимального линейно о размера поверхности приемника с наименьшим поперечным сечением, на которой расположен термодатчик, т.е. в данном случае меньшего основания пирамиды. Термодатчик 3, например, в виде TDH кой пленки из никеля с чувствительностью около 100 мВ/оC при использовании в качестве измерителя импульсной мостовой схемы (на чертеже не показана) размещен наповерхности меньшего основания пирамиды, будучи изолированным от него тонким слоем 4 керамической пасты, обладающей высокой теплопроводностью. Паста обладает адгезией к графиту и имеет сцепление с пленкой термодатчика при создании ее электрическим осаждением или иным способом: к выводам 5, 6 от пленки

1014378 присоединяется измеритель. (На чертеже не показаны тонкостенные проводники, отводящие заряд с каждого приемника, и элементы, фиксирующие положение приемников).

Работает калориметр следующим образом. При падении на большее основание приемника 1 ускоренных электронов пучка 2, например, длительностью 100 нс и энергией 500 кэВ нагревается поверхностный слой обращенной к пучку поверхности приемника за счет преобразования большей части кинематической энергии электронов в тепловую (часть энергии преобразуется в рентгеновское излучение, часть 15 передается вторичным частицам и обратно рассеянным электронам). В случае равномерной плотности энергии ло сечению пучка тепловой поток начинает перемещаться от большего осно- 2О вания приемника 1 к меньшему основанию, проходит изолирующий слой 4 и по достижении термодатчика 3 начинает нагревать его. Так как линия A-А имеет длину больше максимального по- у5 перечного размера приемника, т.е. больше диагонали В-В обращенной к пучку поверхности, и за термодатчиком нет поглощающей тепло массы, то температура термодатчика начнет постепенно повышаться и по достижении здесь максимальной температуры она по всей массе приемника будет.одинаковой. В этот момент и проводят измерение сигнала с термодатчика.

Аналогичная ситуация с распределени- З5 ем тепла будет и в другом крайнем случае - локальном выделении тепла пучком, например, в вершине угла на обращенной к пучку поверхности приемника 1. Так как измерение температу- 49 ры производят в момент ее максимального значения без надобности выжидания последующего равновесного ее установления по массе приемника, как это имеет место в прототипе, то это сокращает потери тепла и повышает по этой причине точность измерений, а также по причине стабилизации теплового контакта между термодатчиком и приемником пучка по мере роста числа циклов калориметрических измерений. Таким образом, если в прототипе температура термодатчика сначала повышается до максимальной, а затем по мере перераспределения тепла температура уменьшается до равновесной по всему объему каждого приемника и эта температура измеряется термодатчиком, то в предложенном калориметре максимальная температура термодатчика соответствует равновесной при любом распределении плотности энергии по поперечному =ечению излучения. Производя аналогичное измерение температуры каждого приемника, определяют за одно включение импульсного источника излучения распределение плотности энергии. излучения по его поперечному сечению.

В других вариантах выполнения ка- лориметра могут быть любое число одинаковых приемников и их размещение по поперечному сечению излучения.

Проведенные испытания калориметра, каждый приемник которого был выполнен.из алюминия в виде правильной усеченной четырехгранной пирамиды, обращенной большим основанием к пучку электронов, причем приемники были размещены в виде мозаики по поперечному сечению цилиндрического сплошного или трубчатого пучка электронов с энергией 500 — 800 кэВ и длительностью импульса тока 30-50 нс, а термодатчики присоединены к поверхности меньшего основания каждой из пирамид, показали перечисленные выше преимущества предложенного калориметра перед прототипом.

Таким образом, предложенный калориметр позволяет по сравнению с прототипом повысить точность измерений при увеличении числа циклов. Дополнительно уменьшается время измерений.

1014378

111111

Составитель С.Кондратенко

Техред Т.Маточка Корректор И. Зрдейи

Редактор Н.Коляда

Филиал ППП Патент, r .Óæãîðîä, ул.Проектная, 4

Заказ 10609/8 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открнтий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5