Испытания ЭС на влияние невесомости. Радиационные воздействия (стр. 3 из 4)
Синхротрон — циклический резонансный ускоритель электронов, ускорение частиц в котором осуществляется высокочастотным электрическим полем постоянной частоты, а управление траекторией их движения в вакуумной камере — переменным магнитным полем. Поскольку в процессе повышения энергии частиц магнитное поле на орбите ускорителя также нарастает, радиус орбиты электронов остается постоянным. Магнитное поле в синхротроне обеспечивает устойчивое движение электронов по орбите постоянного радиуса. Синхротроны позволяют повышать энергию электронов до 5.. 10ГэВ.
Максимальная энергия частиц достигается в синхрофазотронах. Синхрофазотрон — циклический резонансный ускоритель протонов (или ионов), в котором частота ускоряющего электрического поля меняется во времени так, чтобы частицы под действием переменного магнитного поля двигались по орбите с постоянным радиусом, т. е. по равновесной орбите. Конструктивно синхрофазотрон аналогичен синхротрону.
В синхрофазотронах применяют ускоряющие устройства двух типов: объемные резонаторы и дрейфовые трубки. Резонаторы используют для перестройки частоты ускоряющего напряжения в сравнительно небольших пределах. Для регулирования частоты в полости резонатора устанавливают ферритовые кольца, играющие роль дополнительной индуктивности. Регулировку частоты осуществляют изменением намагничивающего тока.
Дрейфовая трубка (рисунок 7,6) состоит из трех цилиндров круглого и эллиптического сечения: длинного (среднего) и двух коротких (крайних). При подаче на трубку высокочастотного напряжения в зазорах между цилиндрами образуются переменные электрические поля, направленные встречно. При указанной на рисунке 7,6 полярности приложенного к электродам напряжения ластица, попавшая в левый зазор, ускоряется и попадает в средний цилиндр. За время ее движения через него полярность электродов меняетсях на противоположную, поэтому в правом зазоре частица также ускоряется. Дрейфовая трубка входит в резонансный контур входного усилительного каскада высокочастотного генератора. Частота ускоряющего напряжения на зазорах дрейфовой трубки регулируется с помощью индуктивности, включенной в резонансный контур. Значение индуктивности, выполненной в виде катушки с ферритовым сердечником, зависит от силы намагничивающего тока.
В настоящее время в эксплуатации находятся синхрофазотроны с энергией частиц до 500 ГэВ (США). Предельная энергия частиц в синхрофазотроне лимитируется себестоимостью ускорителя.
Рисунок 7 - Сечение ускоряющего синхрофазотрона: а — объемный резонатор (1 — изолятор; 2 — корпус резонатора;3 — ферритовые кольца; 4 — вакуумная камера; 5, 6 — коаксиальные кабели); б — дрейфовая трубка.
Рисунок 8 - Гетерогенный ядерный реактор на тепловых нейтронах:
а — схематический разрез(1 — регулирующие стержни; 2 — блок с топливом; 3 — активная зона; 4 — замедлитель нейтронов; 5 — отражатель нейтронов; 6 — защитноеустройство); б — конструкция(1 —нижняя опорная плита; 2 — каналы охлаждения биологической защиты; 3 — тепловыделяющий элемент; 4 — корзина реактора; 5 — автоматически регулирующий стержень; 6 — верхняя опорная плита; 7 — компенсирующий стержень; 8 — стержень аварийной защиты; 9 — тяги системы управления и защиты; 10 — крышка реактора; 11 — трубопровод для выхода теплоносителя; 12 — корпус реактора; 13 — трубопровод для входа теплоносителя; 14 — биологическая защита)
Ядерные реакторы применяют наряду с ускорителями заряженных частиц для испытания ЭС на воздействие радиоактивных излучений. В реакторах происходит управляемая цепная ядерная реакция деления, приводящая к излучению интенсивного потока нейтронов и гамма-излучению. По принципу работы все реакторы делятся на импульсные (развивающие большую мощность при очень малом времени функционирования — 10-5 ...10-2 с) и статические (длительного действия).
Любой ядерный реактор состоит из активной зоны, отражателя, систем регулирования, контроля, охлаждения и биологической защиты. В активной зоне, где находится ядерное топливо, протекает цепная ядерная реакция с выделением энергии, главным образом тепловой. В качестве делящегося вещества в ядерном реакторе применяют природное ядерное топливо — уран, который содержит делящиеся ядра 23 5U, обеспечивающие поддержание цепной реакций; и «сырьевые» ядра 238U, способные захватывать нейтроны и превращаться в новые делящиеся ядра 239Рu, не существующие в природе (вторичное горючее). К вторичному горючему относятся также ядра 233U. Если активная зона кроме ядерного топлива включает замедлитель нейтронов (графит, воду и другие вещества, содержащие легкие ядра), то основная часть делений происходит под действием тепловых нейтронов — ядерный реактор на тепловых нейтронах. Замедлитель позволяет получить нейтроны с низкими энергиями, равными тепловым (около 25-10-4 эВ). Если же замедлителя в активной зоне нет, то основная часть делений вызывается быстрыми нейтронами с энергией, превышающей 10 кэВ, — быстрый реактор.
По конструкции ядерные реакторы делятся на гомогенные и гетерогенные. В гомогенных реакторах ядерное топливо и замедлитель представляют однородную смесь (раствор или суспензию). В гетерогенных ядерное топливо распределено в активной зоне дискретно по блокам, между которыми находится замедлитель нейтронов (рисунок 9,а). В наиболее распространенных ядерных реакторах блоки с ядерным топливом в виде стержней, называемых тепловыделяющими элементами, образуют правильную решетку. Конструкция гетерогенного ядерного реактора на тепловых нейтронах представлена на рисунке 9, б.
Мощность ядерного реактора в основном зависит от возможности быстрого отвода тепла, выделяющегося в активной зоне. Управление реактором, поддержание реакции и мощности на заданном уровне, пуск и остановку производят специальными подвижными управляющими стержнями, изготовленными из материалов, интенсивно поглощающих тепловые нейтроны. Перемещением стержней управляют дистанционно с пульта управления. При небольшом перемещении стержней от положения, соответствующего критическому состоянию реактора, цепной процесс либо развивается, либо затухает, т. е. мощность потока нейтронов в активной зоне можно регулировать. Если стержни ввести глубоко в активную зону, поглощение в них нейтронов будет настолько велико, что цепной процесс станет невозможен.
Испытываемые изделия при помощи манипулятора вводят в активную зону либо через вертикальный канал, разрез которого показан на рисунке 10,б, либо через специально сделанный для этих целей боковой горизонтальный канал.
Основными характеристиками излучения тепловых ядерных реакторов, которыми необходимо располагать при испытании изделий, являются следующие: поток нейтронов в месте расположения испытываемого изделия; энергетическое распределение нейтронов; экспозиционная доза гамма-излучения и ее максимальная мощность; энергетическое распределение гамма-квантов. Для реакторов быстрых частиц, которые могут работать также и в импульсном режиме, к указанным характеристикам добавляются форма и длительность нейтронного импульса и импульса гамма-излучения.
Рисунок 10 - Структурная схема испытательного комплекса:
1 — испытываемые изделия; 1а — дозиметры и датчики температуры; 2 — блок датчиков; 3 — блок коммутации и согласования; 4 — регистрирующая аппаратура; 5 — командный блок; 6 — вспомогательная аппаратура; 7 — блок измерений; 8 — блок питания.
Радиационное испытание ЭС. Испытание проводят с целью проверки работоспособности и сохранения внешнего вида ЭС в соответствии с НТД (требования ТЗ и ТУ) во время и после воздействия радиации. Испытание проводят в электрических режимах, оговоренных в стандартах и программах испытаний, по специально разработанной методике, которая составляется на каждый вид радиоактивного излучения. При выборе контролируемых параметров необходимо исходить из требования получения максимального объема информации и из технологических возможностей методов измерения параметров ЭС в условиях облучения.
Испытательный комплекс, схема одного из возможных вариантов которого приведена на рисунке 10, должен обеспечивать одновременное испытание выбранного числа образцов, дистанционное измерение и регистрацию контролируемых параметров. Состав блоков комплекса и их функции определяются видом испытаний, типом моделирующего источника радиоактивного излучения и характеристиками контролируемого параметра.
Блок датчиков содержит датчик формы импульса гамма-излучения и датчик импульса запуска регистрирующей аппаратуры (электронных осциллографов). Этот блок необходим только при импульсных источниках излучения. В качестве датчика формы импульса служит фотоэлектронный умножитель с фотолюминесцентным кристаллом. Датчик импульса запуска электронных осциллографов вместе с блоком согласования обеспечивают запуск разверток с опережением сигнала реакции ЭС на излучение, что необходимо для качественной записи импульса реакции и его фронта. Опережение определяется временем срабатывания схемы развертки осциллографа и длительностью фронта импульса воздействующего излучения.