книги из ГПНТБ / Мазин П.Н. Основы ядерной электроники учеб. пособие
.pdf
ВОЕННО-МОРСКАЯ ерденм ЛЕНИНА к УШАКОВА АКАДЕМИЯ
Для служебного пользования |
V f f |
Кандидат технических наук доцент МАЗИН П. Н.
О С Н О В Ы
ЯДЕРНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Утверждено начальником Академии в качестве учебного пособия
для слушателей Академии
ЛЕНИНГРАД |
|||
1 |
9 |
7 |
4 |
4 *
<£?/■&
Учебное пособие составлено в соответ ствии с программой дисциплины "Ядервая и квантовая электроника".
В нем описаны источники излучений, ме тоды анализа процессов измерения юс пара метров, дана методика измерения последних, изложены методы детектирования излучений и анализа электронных схем, а также приве дены типовые схемы ядерной электроники.
Отличием данного пособия от других, по добных ему, является попытка анализа про цессов в детекторах излучений и узлах элек тронно-физической аппаратуры с единых мате матических позиций.
Пособие может быть использовано офице рами ВМФ - специалистами в области контроля излучений.
Ответственный редактор доктор технических наук профессор Й.С.МАМСУРОВ
В В Е Д Е Н И Е
3 директивах ШУ съезда КПСС по пятилетнему пла ну развития народного хозяйства СССР на I97I-I975 гг . отмечается большая роль науки в решительном ускорении научно-технического прогресса и предусматриваются опере жающие темпы развития производств, определяющих этот прогресс. Так, продукция таких отраслей, как электро энергетика, химическая и нефтехимическая промышленность, машиностроение, приборостроение, производство средств автоматизации, вычислительных машин, будет увеличена за пять лет на 67£. Очевидно, что при ускоренном раз витии этих отраслей возникает потребность в увеличении числа фундаментальных и прикладных научных исследова
ний, что, в свою очередь, влечет за собой необходимость развития соответствующих научных и технических дисцип лин. Дисциплиной, обеспечивающей такую отрасль, как ядерное приборостроение, является ядерная электрони ка, содержание которой и излагается в данном учебном пособии.
Электроникой называют область науки и техники, изу чающую:
-физические явления в электронных приборах, прин цип действия которых основан на перемещении электронов
иионов;
-электрические свойства, характеристики и парамет
ры этих приборов, а также режимы работы электронных
3
схем, |
в которые о н входят в качестве активных элемен- |
TOB } |
|
- |
свойства электронных систем. |
Общая задача, решаемая при хэкеренхи ядерных излу чений, захличается в получении количественной информа ции о значениях физических величин, характеризующих ис точники и ноля ядерных излучений, а также аффекты, соз даваемые ЯИ в среде. Реиение ее включает в себя уста новление связи между измеряемой величиной того или ино го параметра ЯИ и величиной соответствующего параметра сигнала на выходе электронно-физической аппаратуры кон троля ЯИ.
Таким образом, изучение предмета ядерной электрони ки должно вестись с общих позиций анализа процессов как в источнике ЯИ, так и в электронной схеме. Результат измерения, как правило, получается приближенным, с точ ностью, определяемой степенью соответствия нрииятой мо дели реальной схеме эксперимента и аппаратурными погром ноетяня. Сигнал на' выходе прибора получается в виде ре ализации случайной функции и требует дополнительной ма тематической обработки. Самой общей характеристикой сиг нала и измеряемой величины является закон распределения. Однако на практике часто довольствуются математическим ожиданием и дисперсией случайной величины.
Общая задача ядерной электроники состоит из больно го количества частных задач. Последние можно разделить на четыре группыг
- измерение параметров и характеристик источников
ЯИ}
- измерение параметров и характеристик ядерных час тиц и квантов;
. - измерение характеристик нолей ЯИ;
а
- измерение физических величин, характеризующих взаимодействие Яй со средой.
На практике решение каждой задачи связано с приме нением контрольно-измерительной аппаратуры.
Радиометрическая аппаратура измеряет величины, ха рактеризующие источники ядерных излучений и количество испускаемых ими в пространство частиц ляп квантов.
Дозиметрическая аппаратура измеряет величины, харак теризующие перенос и передачу энергии ЯИ.
Спектрометрическая аппаратура измеряет распределе ние частиц и квантов по энергиям, зарядам, массам в пространстве и во времени.
При разных структурных схемах отдельных групп при боров общая блок-схема процесса измерения ЯИ одинакова для всех случаев(рисунок ) . Всегда существует источник
ядерного излучения (ШИ), поля ядерных излучений разных видов вокруг этого источника и контрольно-измеритель ная аппаратура, регистрирующая это ЯИ. Получение ин формации об измеряемом объекте производится через вза имодействие ядерных частиц или квантов с веществом де тектора, являющегося основной частью датчика КМ. Де тектор выбирается таким образом, чтобы эффективность взаимодействия ЯИ с веществом детектора была возможно
5
большей. Он, в сущности, является преобразователем энергии Я И в энергию электрических импульсов. Статисти ческий дискретный характер образования Я И и воздействия его на вещество чувствительного объема детектора опреде ляет характер процессов, протекающих в цепях измеритель ной аппаратуры. Как правило, на выходе детектора наблю дается последовательность электрических импульсов, ха рактеризующаяся частотой следования, числом импульсов за определенный отрезок времени, степенью наложения друг на друга, суммарным зарядом, средним током и т .д . Каждый отдельный импульс характеризуется моментом появ ления, максимальным своим значением. Все перечисленные величины являются случайными и характеризуются законами распределения своих значений. Затем, после восприятия информации о ЯИ и ее преооразоважия в какой-нибудь па раметр сигнала детектором, в KIA осуществляется изме рение параметров сигнала, их сортировка, отбор по нуж ному признаку, накопление и хранение, а также представ ление информации в виде, удобном для наблюдения, запи си или управления исполнительными устройствами. КИА при этом может быть разделена на блоки детектирования ЯИ (датчики), анализа, отбора и регистрации. Конкретная структурная схема ее определяется целим рядом причин,
в том числе и принадлежностью к одной из трех основных групп.
Характерной особенностью ЯИ ядерной электроники является статистический характер процессов, происходя щих в кточнике ЯИ, так и в электронной схеме, воспри нимающей информацию о том или ином параметре ЯИ. Это вносит определенную специфику в построение контрольноизмерительной аппаратуры (КИА), а также в методику про ведения измерений. Математический аппарат, являющийся общим для анализа процессов получен», обработки и хз-
6
мереник параметров сигнала о ядерном излучении, на теорию вероятностей и математическую статис
тику. Действительно, статистическая природа объектов измерений - микрочастиц и фотонов, их взаимодействия с окружающей средой требует применения аппарата квантовой механики. Статистический характер взаимодействия ЯИ со средой приводит к такой же природе сигнала, несущего информацию о том или ином параметре объекта измерения, что и приводит к неоднородности использования ста тистических методов обработки результатов измерений.
7
Г л а в а |
I |
|
ОСНОВНЫЕ ФИЗШЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ, |
ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ |
|
ЯДЕРНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ |
||
§ I . Характеристики источников |
ядерных излучений |
|
Источник излучения - вещество или установка, созда вшие поле излучения. Классифицируются источники ЯИ но разнни признаках. Основными из ник является:
- ядерво-физическнй процесс, происходящий в источ нике. В соответствии с этим можно различать изотопные источники, ядерные взрывы, ядерные энергетические уста
новки, |
ускорители ядерных частиц и д р .; |
- |
выход ядерных частиц или квантов источника s , |
т .е . число частиц (квантов), испускаемых источником в единицу времени;
-вид ядерных частиц или квантов, испускаемых ис точником ;
-геометрические параметры источников ЯИ. Различа ют точечный, плоскостной, дисковый, сферический и дру гие источники. Основным является точечный источник, так как источник любой формы можно представить как суперпо зицию точечных источников;
-спектрально-угловое распределение испускаемых ядерных излучений. Различают моноэнергетический мононаправленный, моноэнергетический изотропный и другие источники.
8
Реальные источники могут быть самой различной фор мы, размеров и спектрально-угловых распределений.
I . Изотопные источники
Изотопный источник ЯЕ представляет собой источник,
действие которого основано на использовании естествен ных и искусственных радиоактивных изотопов.
Описывать изотопные источники можно с качественной и количественной стороны. Качественно удобно характери зовать источники по виду вненнего излучения. Внешним называется излучение, выходящее за пределы источника ЯЕ. Основной количественной характеристикой изотопного источника служит активность изотопа в радиоактивном ис-
точвике а , под которой понимают число ядерных прев ращений в изотопе источника в единицу времени, т .е .
скорость ядерных превращений. Активность изотопа в ра диоактивном источнике отличается от так называемого вы хода источника, так как число ядерных превращений не всегда соответствует числу испущенных частиц и еще реже числу испущенных гамма-квантов. Последнее, естественно,
равно или меньше активности. Кроме того, часть ЯЕ погло щается в оболочке источника и в радиоактивном веществе,
его составляющем.
9