instituto nacional de investigaciones nucleares

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1 MX institut nacinal de investigacines nucleares > c n n w r 1 t- 1 n f > w ir 1 en?d M M S M m H r 1?s w H m?c z a t- 1 m > en w 3 > > CENTR DE INFRMACIÓN Y DCUMENTACIÓN NUCLEAR

2 US DEL CAUKp^ EN JA PSJMETFJA PAPA ACELERADRES DE ELECTRNES Armand Chávez Bautista Gerencia de Investigación Aplicada Dirección de Investigación y Desarrll Institut Nacinal de Investigacines Nucleares INFRME TÉCNIC IA FEBRER DE 1991

3 US DEL CALRÍMETR EN LA DSIMETRÍA PARA ACELERADRES DE ELECTRNES. Eís, Armand Chávez Bautista Gerencia de Investigación Aplicada.

4 La medida de diferentes tips de radiación, cn dsímetrs específics, requiere que la dsis absrbida debe ser medida cn exactitud pr algún estándar cmún. El prblema existente alrededr de la dsimetría de electrnes acelerads ha bligad al desarrll de diverss tips - de detectres, que después de haber analizad las características; cnfiabilidad y reprducibilidad sn utilizads cm dsímetrs. Recientemente se han desarrllad ls calrímetrs, cn el fin de realizar dsimetría para aceleradres de electrnes. El labratri de Risrá en Dinamarca, en su aceleradr de - 10 Mev, utiliz para la dsimetría calrímetrs de agua, figura 1, psterirmente, utilizand el principi del calrímetr de - agua, fue diseñand un similar, para el aceleradr de 400 Kev - CRadak etal, 1973). Recientemente se han utilizad calrímetrs más simples fabricads de grafit, figura 2, el cual puede ser utilizad en ambs aceleradres de 10 Mev y 400 Kev CMiller, 1982). Experiments cn electrnes de 10 Mev. En el labratri de Ris.< se disuen un calrímetr de agua, que si hien n ha sid pensad cm un instrument de referencia, es raznablemente exact y precis, de tal manera que es psible aplicar el calrímetr de agua en medidas estándar. El calrímetr de agua, figura lj cnsiste en una caja de Petri fabricada de pliestiren, esta se llena de agua. La caja de Petri es aislada del medi ambiente pr espuma de pliuretan. La temperatura se midió pr medi de un calibradr Termistr, encapsulad en vidri. La medida de la temperatura se restringue - Cnferencia presentada en el Seminari del Departament de Física Nuclear, ININ, Centr Nuclear, Febrer ce 1991.

5 a tiemps Cl a 2 min.) antes y después, de la irradiación, y la - diferencia de temperaturas bservadas es una medida de la dsis absrbida. Previamente, antes del experiment se investig sí - el calrímetr estaba en equilibri cn sus vecins. Después de la irradiación, pasads 2 minuts, se ntó un increment en la - temperatura del calrímetr, la explicación a este fenómen, es que la temperatura del plástic se incrementa más que. la del agua durante la irradiación pr su baj calr específic, pr tal razón las medidas de temperaturas se realizarán en ls intervals ya indicads. Para este cas, el cálcul de la dsis bsrbida se basa - únicamente en las prpiedades del material La dsis absrbida D se calcula de acuerd cn D _ A_E CcCAT) _ me CAT) mm m dnde C es el calr específic, m la masa invlucrada y A.T el in_ crement de temperatura. En este experiment, se invlucran varis tips de material, la dsis absrbida se calcula de acuerd a Cc.m.) x x D = CAT) teriales En el diseñ del calrímetr se tuviern ls siguientes ma material calr específic masa Caja de Petri 335 cal 6 0 g CPliestiren) ' p Agua *±- 24

6 La capacidad calrífica del Termistr y alambres asciads se calcul cm 0.12 cal/ C y la masa asciada a este 1 g. La dsis calculada se puede btener cm sigue 240 * * *4.18xl 3 *AT D = 3610 AT 6y De acuerd cn estas características se prepararn 3 0 cal rímetrs, encntrándse una desviación en las lecturas de _+ 2%, un punt imprtante para la bservación; una elevación muy lenta de la temperatura indica que la caja de Petri está en equili_ bri, un increment más acelerad de la temperatura es indicativ que ls materiales termaislantes cntribuyan al increment de ésta. El us de calrímetrs de grafit, figura 2, bligó a realizar una cmparación entre éste y el calrímetr de agua. El grsr de ambs calrímetrs se estableció en 1.7 g/cm 2 y ambs n sn capaces de absrber cmpletamente el haz de electrnes - de 10 Mev. Pr l que se realizaran crreccines debid a la - diferencia del parámetr cncid cm "Stpping-Pwer" para ambs calrímetrs, se utilizarn dats btenids pr Seltzer y Berger en 1982, bteniéndse: - $Z\ - -^rj-y- = P dx/ en tres series de experiments realizads en ls Labratris - de Ristf en el aceleradr lineal, se btuviern las siguientes - relacines para la razón de dsis

7 Dw + 7DT~ ~ a l cual permitió cmparar la dsis en ambs tips de calrímetrs. Ls calrímetrs de grafit, se diseñarn de acuerd a ls siguientes parámetrs Diámetr 14 cm grues 1.7 g/cm densidad 1.78 g/cm' las dsis calculadas para el dsímetr de agua fuern crregidas pr el us de medis aislantes que cubrían el detectr, es te n es el cas para el grafit, puest que éste presenta físi camente un estad slid, l cual facilita el manej e interpre tación de la infrmación del calrímetr de grafit. La medida de dsis cn el grafit se reduce a calcular D p b = C r AT b En el experiment se btuv el calr específic del grafi t cm función de la temperatura, figura 3, de acuerd a la - supsición de que las diferencias de temperatura n excederían de C el valr prmedi de C^ que tmó fue Cal/ b Cg C) = 730 J/CKg C). Las medidas de temperatura se realizarán respectivamente 1 min. antes y después de la irradiación. Las relacines de dsis btenidas en ls experiments de - ls calrímetrs, agua y grafit de acuerd a la razón D G Dw

8 fuern : Experiments cn electrnes de 400 v Kev. El calrímetr de agua presenta a bajas energías prblemas de absrción de electrnes en su estructura adiabática, ésta fue una de las principales raznes para utilizar calrímetrs- - de grafit. Cn la finalidad de cncerls más detalladamente se reali zarán estudis cn varias gemetrías adiabática, figuras 2. En ells usualmente se utiliz un disc de grafit de aprximadamen te 136 mm de diámetr y un grsr de 10 min,figura 4, en la parte media del grsr se perfró un canal para intrducir en termistr radialmente. El arregl es clcad en un cilindr huec de pliu retan de tal frma que entre "el disc de grafit y la estructura de pliuretan siempre exista 3 mm de aire, cn el fin de mantener cndicines estables, para aislar térmicamente al grafit - se cubre la parte frntal de una película delgada de plietilen. Finalmente para definir cmpletamente el área de irradiación sbre el arregl anterir, se clca un anill de material absrve dr, el diámetr intern del anill es ligeramente menr que el diámetr del disc de grafit. El calrímetr absrbe cmpletamente ls electrnes de 0.4 Mev, la energía se distribuye unifrmemente en el disc, de tal frma que después de 20 segunds de la irradiación la temperatu ra es la misma en td el vlumen del grafit., Se acnseja rea lizar la medición de temperatura después de 1 minut y antes de ls 2 minuts. fisura 5.

9 La dsis absrbida se realiza de acuerd cn la relación D G - T C G dnde C CJ/Kg C) es el calr específic del grafit. El calr específic del grafit es dependiente de la temperatura y psiblemente del tip de grafit, para el experimen t de Miller y Janvsky se encntró una dependencia del calr específic en función de la temperatura. C = T CJ/Kg C) El calrímetr fue irradiad a 10 Kev cn crrientes - de 2, 5, 10 ma y ls tiemps de irradiación variarn de 20 a - 60 segunds, figura 6, las cnclusines en esta parte del experiment sn : 1) Cuand el tiemp de irradiación es incrementad y la crrien te se mantiene cnstante, la dsis recibida se incrementa pr_ prcinalmente. 2) Cuand el tiemp es mantenid cnstante y la crriente es in crementada, n se cnserva la prprcinalidad, n se cnce la razón de este cmprtamient. Miller y Janvsky definen una cantidad más cnveniente que la dsis absrbida, esta es la energía absrbida pr unidad de área F F = TxCsXiT^ S CJ/cm2) dnde m es la masa (en Kg) del grafit y S es el área irradiada (en cm 2 ) definida pr la apertura del anill. F es independiera te del material, la masa y el área del cuerp irradiad, ls

10 autres indican que efects de retrdisperción y Bremsstrahlung pueden ser despreciads, es además más adecuada la función para la calibración de aceleradres de electrnes e intercmparacines entre diferentes tips de dsímetrs relacinads cn el - tema. Se realizarn varias series de irradiacines durante 6 semanas baj cndicines idénticas, (crriente del haz 10 ma vel_ cidad de barrid 11.6 m/min), AT fue aprximadamente 1.2 C y el factr F prmedi fue 1.52 J/cra 2 cn una desviación de 2.2%

11 00 M w M S Pi a, w w v'.'.' tsi w W W :=) Pi ^ Pi CD W W w < W I W Pi 00 M J 00 < CJ G G

12 T a 1 32 cm FIG. 2. CALRÍMETR DE GRAFIT CN DIFERENTES CNFIGURACINES DE AISLANTES TÉRMICS.

13 T~T 1 r J L 1 i 1 1 s \ 1 CJ r <P ÜJ CÚ ~\ 1 CÚ LJÜ _ ÜJ h- i CJ 1 1 U-, 1 1 w a, I ^ 1 s [ i! w 1 00 CJ J C p i i <íl cí Til C 1 1 J w 1 1 WVJ í PC CU s s c < 'en. " I 1 1 l rsi T I c <x> <r Í.V3H 3ld!03dS

14 a c ID u CD ) -M H (U rh Pí E-i W I-H Pí i-j <J w * w - c w c 13 -( ' 0) _( 3 H r (. (U T3, J^I J 3 ^^ r ^^ ^( C H E ) E-i ^^ C\l ^^ rr-j en H ^^ L. d),_l H -H 0) H d) - <D 0- ^_^ s

15 Calrimctry at lw-cncrgy acceleratrs (a) ^23.9 at 23.8 <D (c) 0, (d) 224 T, Time after irradiatin(min) FIG. 5. EJEMPLS TÍPICS DE LA VARIACIÓN DE LA - TEMPERATURA DEL CALRÍMETR CM FUNCIÓN DEL TIEMP. LAS GRÁFICAS MUESTRAN EL - CMPRTAMIENT DE LA TEMPERATURA DESPUÉS DE LA IRRADIACIÓN. (a) (b) (c) (d) T = C, Ti = C T = C, Ti = C T = C, Ti = C T = C, T x = C T y Ti SN LAS TEMPERATURAS ANTES Y - DESPUÉS DE LA IRRADIACIÓN RESPECTIVAMENTE

16 i i 1 i / / - n i i i i i Input energy [Jule] Electrical calibratin f the calrímeter i r 20 L Irradiatin time [sec] / l i l i I!! i 1. Beam current jmaj Electrn beam measurements with the calrimeter FIGURA 6