3.5.2. Эталонная установка УЭА-5

Эталонная установка УЭА-5 служит для воспроизведения единицы активности нуклидов в γ-источниках и в α- и β-актив-ных образцах калориметрическим методом в диапазонах от 3·10⁹ до 2·10¹¹ расп./с для у-излучающих нуклидов и от 3·10⁸—1·10¹⁰ до 3·10¹¹—3·10¹² расп./с для α- и β-излучающих нуклидов (в зависимости от вида нуклида), а также для передачи размера единицы вторичным эталонам в тех же пределах. Установку применяют и для сличения эталонов единицы массы радия

Описание установки

Основными элементами эталонной установки УЭА-5 являются дифференциальные статические калориметры: четыре калориметра для γ-излучения и три калориметра для α- и β-излучения.

Все γ-калориметры подобны по конструкции и отличаются друг от друга только размерами и материалом поглотителей, так как предназначены для измерения активности нуклидов с различным по энергиям фотонов γ-излучением. Каждый γ-калориметр состоит из двух одинаковых сферических поглотителей из свинца (калориметры ГК-1, ГК-2 и ГК-3) или вольфрама (калориметр ГК-4). Каждая пара поглотителей связана между собой системой термопар, спай которых расположены в небольших углублениях на поверхности поглотителей и изолированы от последних. В центре каждого поглотителя имеется цилиндрическая полость для измеряемого источника. Поверхности поглотителей позолочены и отполированы для уменьшения потерь на лучеиспускание. Поглотители установлены на термоизолирующих опорах внутри термостатирующих массивных медных блоков, помещенных в деревянных футлярах, выложенных изнутри войлоком. Основные характеристики γ-калориметров приведены в табл. 3.13.

Таблица 3.13

Основные характеристики γ-калориметров

Рис. 3.38. Калориметр для γ-излучения эталонной установки УЭА-5

Рис. 3.38. Принципиальная схема дифференциального калориметрического детектора

Излучение источника поглощается в поглотителе, благодаря чему он нагревается. Возникающую разность температур между поглотителями измеряют (после установления теплового равновесия) с помощью гальванометра, включенного в цепь термопар. Предварительно градуируют калориметр с помощью нагревательной катушки; такие катушки вмонтированы в полость каждого поглотителя. В результате градуировки получают графическую зависимость отклонения гальванометра в цепи термопар от тепловой мощности, выделяющейся в поглотителе. При измерении дифференциальным методом нагревание поглотителя, в котором находится источник, компенсируется равным по величине нагреванием второго поглотителя нагревательной катушкой, через которую пропускается ток соответствующей силы. В этом случае гальванометр в цепи термопар служит нулевым индикатором. Измеренная мощность, выделяемая током, проходящим через нагревательную катушку, определяет мощность излучения, поглощенную в калориметре.

Необходимо отметить, что условия выделения тепла в поглотителе от помещенного в него γ-источника (за счет поглощения излучения) и от нагревательной катушки существенно различны: в первом случае тепло выделяется во всем объеме поглотителя, хотя и не одинаково (с уменьшением по мере удаления от источника), во втором случае тепло выделяется только в месте расположения нагревательной катушки. Однако, как показывает теоретический анализ, это обстоятельства не приводит к ошибкам в измерении активности нуклидов, так как после установления теплового равновесия температура поверхности поглотителя определяется только мощностью находящегося в нем источника, независимо от того, какой это-источник — «точечный» (нагревательная катушка) или «распределенный» (γ-источник). По этой причине спаи термопар следует располагать по возможности ближе к наружной поверхности поглотителей.

Степень поглощения γ-излучения в поглотителях определена расчетом и экспериментально. Для расчета использованспособ численного интегрирования с учетом поглощения первичного, однократно и двукратно рассеянного излучения с поправкой на многократно рассеянное излучение. Этот расчет был выполнен также по методу Фано. Отклонения результатов находились в пределах 0,5%. В табл. 3.14 приведены коэффициенты, определяющие степень поглощения γ-излучения различных энергий в поглотителях.

Экспериментальная проверка определения поглощения γ-излучения в поглотителях выполнена с помощью термолюминесцентных детекторов. Сравнивали эффекты, возникавшие в детекторах под действием излучения, выходящего из поглотителя, в центре которого помещали источник ⁶⁰Со, и излучения того же, но незащищенного (т. е. открытого) источника. Измеренные значения коэффициента поглощения совпали с расчетными с точностью до третьей значащей цифры.

Таблица 3.14

Коэффициенты, определяющие степень поглощения γ-излучения различных энергий в калориметрах

Калориметры для α- и β-излучения, сконструированы в расчете на измерение активности нуклидов в источниках и образцах различных размеров и конфигураций. Каждый калориметр состоит из двух одинаковых медных цилиндров – поглотителей, поверхность которых позолочена и отполирована. Цилиндры установлены внутри массивных медных блоков. Каждый цилиндр снабжен термобатареей; верхние «горячие» спаи термопар входят в углубления в стенках цилиндров, нижние «холодные» спаи погружены в масло, налитое на дно полости в каждом медном блоке. Гальванометр в цепи термобатареи показывает разность температур цилиндров. Внутри каждого цилиндра помещена нагревательная катушка из манганиновой проволоки, используемая при градуировке калориметра (при измерении методом прямого отклонения) и при измерении дифференциальным методом. Блок с калориметрами помещен в герметичную латунную камеру, установленную в масляном термостате, температура которого поддерживается постоянной (отклонение не превышает ±0,01°С).

Основные характеристики α- и β-калориметров приведены в табл. 3.15.

Таблица 3.15

Основные характеристики α- и β-калориметров

Электроизмерительная часть установки содержит две независимые цепи — градуировочную и измерительную. С помощью системы переключателей в эти цепи вводят нагревательные катушки и термобатареи любого из семи калориметров.

Калориметры для γ- и для α- и β-излучений смонтированы на отдельных стендах, установленных в специальном помещении, изолированном от наружных стен здания. Электроизмерительное устройство находится в соседнем помещении.