Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0192

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0192
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет"
Название доклада
Разработка и изготовление экспериментальных образцов управляемых малогабаритных пироэлектрических источников ионизирующих излучений нового поколения для применения в обычных и нестандартных условиях.
Докладчик
Кубанкин Александр Сергеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработать и изготовить экспериментальные образцы управляемых малогабаритных источников ионизирующих излучений для решения широкого спектра прикладных и научно-исследовательских задач.
ля достижения поставленных целей ПНИ будут решены следующие основные задачи:
- разработка физико-технического подхода к решению поставленной задачи;
- разработка и создание научно-исследовательских стендов для проведения дальнейших исследований в рамках тематики проекта;
- разработка, изготовление, тестирование и оптимизация экспериментальных образцов разрабатываемых источников для решения широкого спектра прикладных задач.
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время существует широкий ряд научно-исследовательских и прикладных задач, для решения которых необходимо применение источников ионизирующего излучения: источники на основе взаимодействия с веществом ускоренных заряженных частиц (рентгеновские и нейтронные трубки чаще всего применяются в лабораторных условиях); радиоактивные источники, излучающие вследствие радиоактивного распада.
Основными проблемами традиционных источников излучения являются необходимость использования высоковольтного источника питания, внушительные габаритные размеры, небезопасность использования в нестандартных условиях (например, в условиях космоса), необходимость обучения персонала и сертификации. В случае использования радиоактивных источников проблемой является отсутствие возможности контроля интенсивности и необходимости соблюдения специальных мер для транспортировки, хранения и утилизации после истечения срока службы.
Все перечисленные проблемы существенны и во многих случаях ограничивают возможности при выборе инструментов для решения той или иной задачи. В связи с этим проблема создания источников ионизирующего излучения нового поколения является актуальной задачей.
Макет-предложение обсуждаемых источников, предложенный участниками проекта, был высоко оценен на российском и международном уровне научными и техническими экспертами, что подчёркивает актуальность и ценность разработки подобного источника.
Описание исследования

Основой настоящего проекта является использование пироэлектричесокго эффекта в материалах с упорядоченной (кристаллы) и частично упорядоченной (поликристаллы) атомной структурой в условиях вакуума. Хорошо известно, что пироэлектрические материалы в условиях вакуума позволяют генерировать потенциал порядка 100 кэВ при изменении температуры материала на величину порядка 10 градусов. Возникший таким образом потенциал будет использоваться для ускорения заряженных частиц (электроны и ионы) внутри разрабатываемых источников между электродом-генератором высокого потенциала, изготовленным из пироэлектрического материала, и заземлённым электродом (мишенью). Рентгеновское излучение и быстрые нейтроны будут генерироваться внутри источника при взаимодействии ускоренных электронов и ионов остаточного газа (рабочее давление внутри корпуса источника порядка 1 мТорр) с мишенью и пироэлектрическим электродом (генерация нейтронов будет возможна на основе ядерной d-d реакции если остаточный газ в объёме источника будет дейтерием, а мишень будет дейтерированной). В таком источнике также возможен вывод потока быстрых электронов для дальнейшего использования. Для  успешного решения поставленной задачи в режиме реального времени будут контролироваться все основные параметры исследуемых процессов - температурные характеристики пироэлектрических материалов (абсолютная температура и градиент), давление в вакуумной системе; интенсивность и пространственные характеристики потока генерирующихся ионизирующих излучений.

Создание стендов потребует подходов, объединяющих технические решения в областях вакуумной техники, автоматизации систем сбора данных и их анализа, спектрометрии потоков ионизирующих излучений (рентгеновское излучение, быстрые электроны и нейтроны). Технические решения при разработке и создании вакуумной системы будут реализованы на основе использования вакуумной арматуры стандартов KF, ISO-K и CF, "сухих" вакуумных насосов для создания двухуровневой откачной системы высокого вакуума, специализированных вакуумных манипуляторов, вводов газа и электричества. Автоматизация систем сбора данных и их анализа будет разработана на основе использования программируемых специализированных многоканальных высокоскоростных плат ввода-вывода данных, сопряжённых с персональным компьютером. Спектрометрия потоков ионизирующих излучений будет осуществлена на основе использования высокоскоростных полупроводниковых дрейфовых и сцинтилляционных детекторов, спектрометрической электроники, создания электромагнитных дефлекторов и высокочувствительных систем сбора заряда и визуализации потоков ионизирующих излучений.

Будет использовано моделирование электрических полей внутри источника с учётом параметров используемых пироэлектрических материалов и геометрии компонентов источника, что позволит разработать источники с оптимальной геометрией расположения всех компонентов внутри корпуса. Для обеспечения требуемых характеристик вакуума в корпусе источника будут использованы специально обработанные материалы с низким уровнем газовыделения. В качестве материала окна источников, через которое ионизирующие излучения будут выходить из источника, будут использоваться бериллий, алюминий, органические плёнки (майлар, лавсан, полипропилен). Экспериментальные образцы источников будут созданы в разборном виде. Испытания источников будут выполнены в лабораторных условиях при использовании сертифицированного оборудования для контроля параметров работы источников и в условиях, при которых использование современных источников ионизирующих излучений невозможно, например, в условиях повышенной влажности или пониженного давления, опасного для применения высоковольтных источников питания рентгеновских трубок.

Результаты исследования

В ходе выполнения проекта будут разработаны и изготовлены управляемые малогабаритные источники ионизирующих излучений нового поколения на основе пироэлектрических материалов, которые смогут быть использованы для решения широкого спектра задач. Разрабатываемые источники позволят генерировать:

- электромагнитное излучение в области от мягкого рентгена (энергия фотонов порядка 1 кэВ) до жёсткого рентгена (максимальная энергия фотонов около 200 кэВ);

- быстрые электроны с энергией до 200 кэВ;

- быстрые нейтроны с энергией 2.4 МэВ.

Достаточно широкий спектр ожидаемых возможностей источника позволит найти многочисленные применения для решения научно-исследовательских и прикладных задач, в различных областях промышленности. Кроме указанных характеристик разрабатываемые в проекте источники будут иметь размеры порядка 1 см, вес порядка 100 г, а питание будет осуществляться от стандартных источников питания с напряжением порядка 10 В и мощностью порядка 10 Вт. Также стоит добавить, что разрабатываемые источники будут управляемыми и не будут иметь радиоактивных и токсичных компонентов, внешнего источника высокого напряжения (как в рентгеновских трубках) или повышающих напряжение устройств.

Все перечисленные особенности позволят не только составить конкуренцию существующим традиционным источникам ионизирующих излучений (рентгеновские и нейтронные трубки, радиоактивные источники) для решения стандартных задач, но и решать новые задачи. Спектр возможной применимости разрабатываемых источников достаточно широк, можно выделить следующие основные области применения разрабатываемых источников в сопоставлении с возможностями современных источников.

1.         Определение элементного состава вещества и создание рентгеновских снимков в лабораторных и полевых условиях (например, экспедициях без доступа к сети электропитания). Преимущество в сравнении со стандартными источниками состоит в существенно меньших габаритах и весе, возможности проводить исследования в критических условиях, например, на космических станциях или в условиях с повышенной влажностью.

2.         Разработка на основе созданных источников лабораторных практикумов для высших и специальных учебных заведений. Преимущество в сравнении со стандартными источниками состоит в существенно меньшей стоимости, меньших требованиях к сертификации помещений, в которых будут проходить занятия, и рабочему персоналу (использование радиоактивных, токсичных и высоковольтных устройств требует выполнения определённых норм безопасности), поскольку разрабатываемые источники не имеют высоковольтных источников питания, токсичных элементов, а поток генерируемого излучения может быть создан на уровне меньшем, чем существующие границы норм радиационной безопасности для работы с ионизирующими источниками излучений. Дополнительной особенностью, является устойчивость к возникновению внештатных ситуаций, например, разгерметизации корпуса, попаданию влаги на источник или пожара, в результате чего источник остаётся безопасным.

3.         Разработка источников для калибровки рентгеновского, нейтронно-чувствительного и дозиметрического оборудования. Преимущества состоят в меньшей стоимости, малых размерах и возможности работы в полевых и критических условиях.

Практическая значимость исследования
1. Образование.
Источник будет иметь существенно меньшую стоимость в сравнении с традиционными аналогичными источниками, в нём будут отсутствовать радиоактивные и токсичные компоненты, интенсивность генерируемого излучения может быть сколь угодно малой. Данные особенности позволят создать стенды для проведения курсов лабораторных работ по радиационным разделам Ядерной физики, Физики конденсированного состояния, Биофизики в учебных заведениях, у которых сейчас нет возможностей создания подобных курсов (существующее необходимое оборудование для разработки подобных курсов весьма дорогостоящее и требует обязательной сертификации в виду опасности используемых компонентов, таких как источники высокого напряжения, токсичные и радиоактивные компоненты).
2. Прикладные и научные исследования в специальных условиях.
Проведение элементного анализа состава вещества или облучение образцов ионизирующими излучениями в ручном или автоматизированном режимах при необходимости низкого энергопотребления (в автономных условиях при питании источника от солнечной батареи, при необходимости низкого энергопотребления) или в условиях, требующих отсутствия источника высокого напряжения (взрывоопасных средах, средах с повышенной влажностью, на космических станциях).
3. Замена разрабатываемым источником ряда существующих более дорогих и опасных радиоактивных источников, производимых атомной промышленностью, для решения аналогичных задач – калибровка детекторов ионизирующих излучений, облучение образцов ионизирующим излучением. Замена традиционных радиоактивных источников, позволит уменьшить нагрузку на атомную промышленность, при этом, разрабатываемый источник является экологически безопасным и не представляет угрозы окружающей среде при утилизации, что являлось актуальной проблемой в любое время.
Таким образом, главные особенности разрабатываемого источника (низкая стоимость, малые габаритные размеры, безопасность комплектующих, низкое энергопотребление, возможность генерировать электромагнитное излучение в области от вакуумного ультрафиолета до жёсткого рентгена, потоки быстрых электронов и нейтронов) позволят его выгодно использовать в различных областях науки, техники, социальной сфере в сравнении со стандартными аналогичными источниками.