Патент на изобретение №2331086

(54) РАБОЧЕЕ ВЕЩЕСТВО ДЛЯ ТЕРМОЭКЗОЭЛЕКТРОННОЙ ДОЗИМЕТРИИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области термоэкзоэлектронной дозиметрии электронных пучков_; может быть использовано для контроля радиационной обстановки в местах испытания и функционирования импульсных электронных пушек и электронно-лучевой техники. Сущность: рабочее вещество для термоэкзоэлектронной дозиметрии электронного излучения, в котором в качестве оксидной основы использован ортосиликат гадолиния с добавкой оксида церия, при следующем соотношении компонентов, мол.%: Gd₂SiO₅ 97,0-99,9; Се₂О₃ 0,1-3,0. Технический результат: понижение температуры основного рабочего пика ТЭЭ до 48°С при флюенсах электронов 10¹⁰-10¹³ см^-2 и до 75-79°С при флюенсах электронов 10¹³-10¹⁵ см^-2, повышение скорости снятия дозиметрической информации при ее считывании с рабочего вещества для термоэкзоэлектронной дозиметрии и повышение скорости приведения рабочего вещества в состояние рабочей готовности. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области термоэкзоэлектронной дозиметрии электронных пучков, создаваемых импульсными трубками (пушками) с повышенным выходом электронов за импульс (от 10¹² электрон/(имп·см²)) и с повышенным флюенсом до 10¹⁴-10¹⁵ см^-2, а также для контроля радиационной обстановки в местах испытания и функционирования импульсных электронных пушек и электронно-лучевой техники.

При испытаниях импульсных электронных пушек с выходом электронов в импульсе от 10¹² электрон/(имп·см²) при длительности импульса порядка единиц наносекунд оценка дозы излучения, создаваемой этими пушками, может быть проведена только с использованием интегральных дозиметрических методов, поскольку on line методы (в режиме реального времени), применяемые в дозиметрической практике, например, сцинтилляционные методы не обладают необходимой загрузочной способностью, чтобы регистрировать электронные пучки с высокой плотностью потока и таким высоким флюенсом. Загрузочная способность сцинтилляционных детекторов обычно составляет 10⁵-10⁶

₂SiO₅:Ce не имеется.

Известно рабочее вещество для ТЭЭ-дозиметрии электронного излучения на основе оксида иттрия и нитрида алюминия [Патент 2282212 РФ, МПК G01T 1/11, опубл. 20.08.2006. Бюл. №23], имеющее состав, об.%: AlN 97-98; Y₂О₃ 2-3. Известное рабочее вещество рассчитано на накопление дозиметрической информации при комнатной температуре. Для считывания дозиметрической информации известное рабочее вещество нагревают со скоростью нагрева 0,1-1 град/с до температуры, превышающей температуру пиков ТЭЭ, максимумы которых расположены при 78, 107,9, 151,4, 174,0, 282,0°С. Недостатком известного рабочего вещества является то, что его рабочие пики ТЭЭ расположены при сравнительно высоких температурах (78, 107,9, 151,4, 174,0, 282,0°С, причем основной пик ТЭЭ расположен при температуре выше 100°С). Последнее требует достаточно большого времени как для нагрева рабочего вещества (при считывании дозиметрической информации при стандартных режимах термостимуляции – скорость нагрева 0,1-1 град/с), так и для его охлаждения до исходной комнатной температуры (при приведении вещества в состояние рабочей готовности).

Из всех известных рабочих веществ для ТЭЭ-дозиметрии наиболее близким к заявляемому по исполняемым функциям и типу основы (оксидная основа) является рабочее вещество для ТЭЭ-дозиметрии на оксидной основе, содержащее оксиды Al₂О₃ и Cr₂О₃

Задачей настоящего изобретения является разработка рабочего вещества для термоэкзоэлектронной дозиметрии электронного излучения, особо для дозиметрии импульсных электронных пучков с повышенной плотностью потока, имеющего основной рабочий пик ТЭЭ, не намного (не более 30-60 градусов) превышающий комнатную температуру, что обеспечит сокращение времени нагрева такого рабочего вещества при снятии дозиметрической информации и времени его охлаждения до исходной температуры при приведении вещества в состояние рабочей готовности.

Сущность предлагаемого рабочего вещества для термоэкзоэлектронной дозиметрии электронного излучения на оксидной основе заключается в том, что в качестве рабочего вещества выбирают активированный церием ортосиликат гадолиния, так что рабочее вещество имеет состав, мол.%: Gd₂SiO₅ 97,0-99,9; Се₂O₃ 0,1-3,0.

Рабочее вещество при регистрации электронных пучков с флюенсом до 10¹³ см^-2 обладает основным рабочим пиком ТЭЭ при температуре 48°С и дополнительными (в два и более раз менее интенсивными) пиками ТЭЭ при 75-79 и 120°С. Наличие низкотемпературного пика ТЭЭ при 48°С при стандартных режимах термостимуляции 0,1-1 град/с в 2-3 раза снижает время, требуемое на нагрев рабочего вещества (при снятии дозиметрической информации) и охлаждение до исходной температуры (при приведении вещества в состояние рабочей готовности) и делает возможным проведение оперативного съема дозиметрической информации.

Предлагаемое рабочее вещество для термоэкзоэлектронной дозиметрии электронного излучений – силикат гадолиния, активированный церием – имеет состав, мол.%: Gd₂SiO₅ 97,0-99,9; Се₂О₃ 0,1-3,0. Основные параметры термостимулированной экзоэлектронной эмиссии рабочего вещества для ТЭЭ дозиметрии на основе ортосиликата гадолиния для различных флюенсов электронов приведены в табл. 1 (температура Т_m пиков ТЭЭ и значения интенсивности экзоэмиссионного тока I_ТЭЭ) и на фиг.1 и 2. Основной рабочий пик ТЭЭ при регистрации электронных пучков с флюенсом от 10¹⁰ до 10¹³ см^-2 находится при температуре 48°С, его интенсивность в 2-3,5 раза превышает интенсивность остальных пиков ТЭЭ. При флюенсах более 10¹³ см^-2 вплоть до 10¹⁴ см^-2 пик ТЭЭ при 48°С смещается в сторону более высоких температур до 55°С, доминирующим пиком ТЭЭ становится пик при 75-79°С, фиг.2, табл.1. Это позволяет расширить диапазон регистрируемых флюенсов до 10¹⁴-10¹⁵ см^-2. Появляющийся дополнительный пик ТЭЭ при 155-160°С не влияет на скорость снятия дозиметрической информации, поскольку и в случае флюенса 10¹⁴ см^-2 (фиг.2) и флюенса 10 см^-2 кривые ТЭЭ аналогичны и нагрев образца достаточно проводить лишь до 100-110°С.

Пример 1. Рабочее вещество для ТЭЭ дозиметрии имеет состав, мол.%: Gd₂SiO₅ 99,5; Се₂О₃ 0,5. Плотность 6,71 г/см³. Коэффициент преломления 1,85. Температура плавления 1900°С. Твердость (по Моосу) 5,7. Использовали рабочее вещество в виде бесцветных прозрачных кристаллов, выращенных по методу Чохральского, имеющих размер 4×3×3 мм³. Измерения ТЭЭ выполнены на автоматизированном экзоэмиссионном спектрометре в вакууме ˜10^-5 Па. Измерительный тракт экзоэмиссионного спектрометра включает в себя систему термостимуляции, обеспечивающую линейный нагрев образцов в диапазоне 10-500°С со скоростью 0,1-1,0 град/с и термостатирование. Спектрометр имеет систему возбуждения, состоящую из электронной пушки (энергия – 150 кэВ; плотность тока -150 А/см²; длительность импульса 10 нс; флюенс электронов за один импульс – 10¹² см^-2). Измерения экзоэмиссии были проведены для образцов, облученных электронами с флюенсами от 10¹³ и 10¹⁴ см^-2, т.е. для образцов, облученных десятью и сотней импульсов электронов. Результаты измерений приведены на фиг. 1 и 2. Для рабочего вещества для ТЭЭ дозиметрии вышеуказанного состава термоэкзоэмиссионные характеристики приведены в табл. 1 для флюенса 10¹³ и 10¹⁴ см^-2. В табл.1 указаны позиции максимумов пиков ТЭЭ (Т_m) при 48, 79 и 120°С и соответствующие им интенсивности экзоэмиссионного тока I_ТЭЭ. Основным достоинством предлагаемого рабочего вещества для ТЭЭ на основе ортосиликата гадолиния является пониженная температура его основного рабочего пика, равная 48°С при измерении флюенсов до 10 см^-2. Возможно измерение флюенсов электронов 10¹⁴-10¹⁵ см^-2, однако при этом пик при 48°С (смещается до 55°С) насыщается при флюенсе 10¹³ см^-2, перестает быть доминирующим. Доминирует пик ТЭЭ при 75-79°С, фиг.2, табл. 1, который становится основным рабочим пиком. Предлагаемое рабочее вещество чувствительно также к гамма- и рентгеновскому излучению.

Пример 2. Рабочее вещество для ТЭЭ дозиметрии имеет состав, мол.%: Gd₂SiO₅ 97,0; Се₂О₃ 3,0. Основные физико-химические свойства рабочего вещества такие же, как в примере 1. Однако кристаллы имели слегка желтоватую окраску. Измерения характеристик рабочего вещества данного состава проводились так же как в примере 1 в вакууме ˜10^-5 Па первоначально для диапазона флюенсов 10¹⁰-10¹³ см^-2. Пониженный флюенс получали с помощью диафрагмы. Позиции пиков ТЭЭ расположены при температурах, близких к температурам пиков ТЭЭ рабочего вещества в примере 1, а именно при 48-50, 80 и 125°С. Основным рабочим пиком остается пик ТЭЭ при 48-50°С. Линейный диапазон измеряемых флюенсов электронов по пику ТЭЭ при 48°С составляет 10¹⁰-10¹³ см^-2. Этот диапазон может быть расширен до 10¹⁴-10¹⁵ см^-2 при использовании в качестве рабочего пика ТЭЭ пик при 75-79°С, который при флюенсах, превышающих 10¹³ см^-2, становится доминирующим (фиг.2).

Пример 3. Рабочее вещество для ТЭЭ дозиметрии имеет состав, мол.%: Gd₂SiO₅ 99,9; Се₂О₃ 0,1. Измерения характеристик кристаллического рабочего вещества данного состава проводились так же, как в предыдущем примере. Кристаллы имели те же размеры, что и в примере 1, и были бесцветны. Позиции пиков ТЭЭ для флюенсов электронов 10¹⁰-10¹³ см^-2 расположены при температурах, близких к температурам пиков ТЭЭ рабочего вещества, описанного в примере 1, а именно пики ТЭЭ расположены при температурах 48-52, 80 и 120-130°С. Основным рабочим пиком остается пик ТЭЭ при 48-52°С. Линейный диапазон измеряемых флюенсов электронов по пику ТЭЭ 48°С составляет 10¹⁰-10¹³ см^-2. Этот диапазон может быть расширен до 10¹⁴-10¹⁵ см^-2 при использовании в качестве рабочего пика ТЭЭ пик при 75-79°С.

Пример 4. Рабочее вещество для ТЭЭ дозиметрии имеет состав, мол.%: Gd₂SiO₅ 99,95; Се₂О₃ 0,05. Измерения экзоэмиссионных характристик рабочего вещества данного состава для ТЭЭ дозиметрии в виде кристаллов размерами 4×3×3 мм³ проводились так же, как в примере 1. Однако чувствительность данного рабочего вещества к флюенсу электронов оказалась на 25-30 % ниже, чем в примере 1, из-за низкого содержания церия.

Пример 5. Рабочее вещество для ТЭЭ дозиметрии имеет состав, мол.%: Gd₂SiO₅ 96; Се₂О₃ 4. Измерения характеристик кристаллического рабочего вещества данного состава проводились так же, как в примере 1. Однако чувствительность данного рабочего вещества к флюенсу электронов оказалась на 15-20 % ниже, чем в примере 1, а пики ТЭЭ смещались в сторону более высоких температур, что увеличило время считывания дозиметрической информации.

Дополнительным преимуществом предлагаемого рабочего вещества является возможность его применения в качестве рабочего вещества для термоэкзоэлектронного эмиттера.

Формула изобретения

Рабочее вещество для термоэкзоэлектронной дозиметрии электронного излучения на оксидной основе, отличающееся тем, что в качестве оксидной основы использован ортосиликат гадолиния с добавкой оксида церия при следующем соотношении компонентов, мол.%:

РИСУНКИ