Радиационные исследования и испытания

Основные цели ЦКП «РИИ-ВНИИЭФ»
- оптимизация структуры экспериментально-испытательной, производственно-технологической, вычислительной и моделирующей базы ЯОК с достижением ее качественно нового уровня, обеспечивающего разработку специальной техники, проведение исследований их стойкости к воздействию различных видов ионизирующих излучений;
- совместное использование испытательного оборудования, составляющего материальную базу ЦКП и позволяющего решать весь комплекс задач с максимальной загрузкой уникальных облучательных комплексов и моделирующих установок, минимизацией затрат на выполнение работ и сокращение сроков их проведения.
Основные задачи ЦКП «РИИ-ВНИИЭФ»
- совместное проведение, в рамках ЯОК, а также с другими заинтересованными организациями работ с использованием приборов и уникального научного оборудования ЦКП «РИИ-ВНИИЭФ», участие в развитии новых методов исследований  и интерпретации их результатов;
- повышение эффективности использования уникального испытательного и измерительного оборудования ЦКП «РИИ-ВНИИЭФ»;
- проведение государственных, периодических, серийных и контрольно-серийных испытаний изделий;
- выявление необходимости и востребованности заказчиками различных видов испытаний для определения направлений модернизации и развития находящейся в составе ЦКП «РИИ-ВНИИЭФ» экспериментально-испытательной базы моделирующих установок, методик выполнения измерений;
- разработка, сопровождение и совершенствование методологии проведения испытаний (исследований), формирование предложений по совершенствованию методической и экспериментально-испытательной базы, в том числе методического, аппаратного и программного обеспечения, применяемого при обработке экспериментальной информации;
- метрологическое сопровождение испытаний, включая аттестацию измерительного и испытательного оборудования;
- развитие связей ЦКП «РИИ-ВНИИЭФ» с центрами коллективного пользования предприятий ядерного оружейного комплекса и сторонних организаций.
Организационная структура и состав ЦКП «РИИ-ВНИИЭФ»
ЦКП «РИИ-ВНИИЭФ» функционирует на базе Института ядерной и радиационной физики (ИЯРФ) ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ».
Основные виды предоставляемых услуг ЦКП «РИИ-ВНИИЭФ»
-    проведение исследований и испытаний стойкости специзделий, их элементов, электронно-компонентной базы, радиоэлектронной аппаратуры, включая ракетно-космическую технику, на моделирующих установках и облучательных комплексах при пофакторном и комплексном воздействии ионизирующих излучений;
-    разработка методов исследований и испытаний радиационной стойкости узлов изделий, электронной компонентной базы и аппаратуры космических аппаратов к действию ионизирующих излучений искусственного и естественного происхождения;
-    проведение работ по разработке, применению и совершенствованию методов измерений радиометрических и дозиметрических характеристик высокоинтенсивных импульсных полей тормозного, гамма, нейтронного и электронного излучений для диагностики работы моделирующих установок и облучательных комплексов и определения параметров радиационного нагружения испытываемых объектов;
-    проведение научно-исследовательских работ по безопасности ядерной энергетики, изучению поведения реакторных материалов, узлов, элементов и устройств в экстремальных аварийных режимах работы ядерных энергетических установок;
-    проведение научно-исследовательских работ по определению и обоснованию требований к составу и характеристикам лабораторных моделирующих установок и облучательных комплексов;
-    обеспечение типовыми и специализированными средствами измерений характеристик ионизирующих излучений, диагностических и контрольно-измерительных аппаратурных комплексов;
-    разработка и внедрение автоматизированных рабочих мест для испытаний ЭКБ на основе малогабаритных ускорителей электронов.
Порядок взаимодействия между ЦКП РИИ-ВНИИЭФ и заказчиком работ
Работа ЦКП РИИ-ВНИИЭФ строится по единой организационной схеме, предусматривающей:
- разработку исходных данных по редакции исследований и испытаний, реализуемым режимам нагружения, номенклатуре и количеству подвергаемых испытаниям изделий, а также по иным организационным и техническим условиям проведения работ;
- разработку, согласование и утверждение технического задания, программ – (и) методик исследований, испытаний и измерений, программ технического обучения (стажировка, проведение практики) персонала;
- разработку конструкторской и  нормативно-методической документации на постановку исследований, испытаний, измерений;
- изготовление и комплектацию средств исследований и испытаний, измерений и регистрации;
- подготовку средств исследований и испытаний, регистрации и измерений;
- адаптацию средств исследований и испытаний, измерений и регистрации с проведением методической отработки конкретного режима испытаний или поверочных опытов;
- подготовку моделирующих установок (МУ) в необходимых режимах функционирования;
- подготовку и проведение исследований и испытаний, выполнение измерений и регистрации;
- проведение анализа и первичной обработки результатов измерений и регистрации;
- проведение дефектации изделия после опытов, хранение и учет облученных образцов (при необходимости);
- выпуск отчетного документа.
Экспериментально-испытательная база ЦКП «РИИ-ВНИИЭФ»
Центры коллективного пользования используются в интересах всех предприятий ЯОК и оборонно-промышленного комплекса (ОПК) в целом и создаются на основе уникальных дорогостоящих комплексов и установок мирового уровня. Для моделирования комплексного воздействия гамма-нейтронного излучений по заданной функционально-временной программе в состав испытательного оборудования ЦКП «РИИ-ВНИИЭФ» входят уникальные облучательные комплексы ПУЛЬСАР и ЛИУ-10М-ГИР2.
Облучательный комплекс ПУЛЬСАР

Базовой установкой комплекса ПУЛЬСАР является мощный импульсный линейный индукционный ускоритель электронов ЛИУ-30. В состав комплекса входит бустер-реактор БР-1М, который предназначен для генерации гамма-нейтронного излучения как автономно, так и совместно с ускорителем ЛИУ-30. Кроме того, в состав комплекса входит ряд других электрофизических установок: импульсный ускоритель электронов СТРАУС-2, два генератора импульсов рентгеновского излучения ИЛТИ-1, резонансный ускоритель электронов ЛУ-7-2  и малогабаритный импульсный ускоритель электронов АРСА, размещенные в облучательном зале комплекса. Схема одного из возможных вариантов размещения установок комплекса ПУЛЬСАР представлена на рис.1, а основные характеристики установок приведены в таблице1. Габариты экспериментального зала с размерами (24x12,8x10)м³ позволяют облучать крупногабаритные узлы и изделия.

Установка	Характеристики излучений
ЛИУ-30*	Ртиmax = 1,5•1013 Р/с в Ø11 см, Pти1М = 5∙1011 Р/с в Ø 60 см, Егр = 4, 15, 25, 40 МэВ, τти = (5-25) нс
БР-1М*	Фнmax = 1•1015 н/см2 в Ø 10 см, Фн1М = 5∙1012 н/см2, Dγmax = 160 кР, Dγ1М = 1,1 кР,W0 = 11 МДж,  τ ≥ 65 мкс
СТРАУС-2*	Ртиmax = 1•1012 Р/с в Ø 5 см, Pти1М = 1•109 Р/с в Ø 80 см, Егр =3 МэВ, τти = (18-25) нс
ИЛТИ-1*	Рсжрmax = 3•1010 Р/с в Ø 5 см, Pсжр1М = 5∙107 Р/с, Егр ≤ 700 кэВ, τти = 40 нс
АРСА*	Рти=3∙1010 Р/с в Ø10 мм, Егр≤ 1 МэВ, τ=10 нс
ЛУ-7-2	Егр =6.5 МэВ, Pти1М =25 Р/с на площади 800см2, τти =4,5мкс

Ускоритель ЛИУ-30, введенный в эксплуатацию в 1988 г., позволяет получать рекордную для установок своего класса энергию ускоренных электронов до 40 МэВ при токе пучка ~ 100 кА в импульсе длительностью ~ 20 нс и является одним из наиболее мощных в мире источников коротких импульсов тормозного излучения (ТИ). Общий вид ускорителя ЛИУ-30 представлен на рис.2.
Примечание - Р_γ^1М(P_ти^1М), D_γ^1М(D_ти^1М), Ф_н^1М – мощность дозы, доза гамма-излучения, тормозного излучения и флюенс нейтронов на расстоянии 1 м от установки на площади диаметром Ø.
*) – импульсы установок можно синхронизировать по заданной временной программе для обеспечения комплексного воздействия ионизирующих излучений на исследуемые объекты.

Рис.2

Ускоряющая система ЛИУ-30 выполнена в виде 36 последовательно соединенных модулей с автономным питанием и управлением каждого модуля. Помимо 36 модулей в конструкцию ускорителя входят транспортировочный тракт и выводное устройство с мишенью, обеспечивающие устойчивую транспортировку пучка и формирование поля ТИ в облучательном зале комплекса ПУЛЬСАР. Для вывода ускоренного электронного пучка в атмосферу вместо мишени устанавливается герметичная тонкая металлическая диафрагма. К выходу транспортировочного тракта вместо выводного устройства может быть пристыкована фокусирующая система с комбинацией магнитных катушек для радиального сжатия пучка нарастающим вдоль оси магнитным полем. Длина ускоряющей системы ~ 23 м, вместе с трактом транспортировки и выводным устройством ~ 30 м, ширина ~ 9,5 м, высота ~ 4 м.

Реактор БР-1М - импульсный реактор с металлической активной зоной (АЗ) (бустер-реактор). Общая масса топливного сплава в АЗ – 172.9 кг. Материал АЗ - сплав высокообогащенного (90% по ²³⁵U) урана с молибденом (10 масс. %) В зале совместной работы с другими установками комплекса ПУЛЬСАР центр АЗ БР 1М может располагаться на базе 3 м от центральной оси зала, совпадающей с осью ЛИУ-30, в сторону одной из боковых стен и на расстоянии 2.2 м от одной из торцевых стен (рис.3). Реактор также может работать в автономном режиме в изолированном каземате. При автономной работе реактор БР 1М размещается в зале с размерами (14x10x8)м³ в фиксированной позиции.

Рис.3

Перемещаемый ускоритель электронов СТРАУС-2 (рис.4) предназначен для моделирования последовательного во времени воздействия двух или трех импульсов ТИ при его совместной работе с ускорителем ЛИУ-30 в одноимпульсном или двухимпульсном режимах работы. В автономном режиме функционирования ускоритель обеспечивает нагружение отдельных приборов и узлов излучением с более мягким, чем у ЛИУ-30, спектром, а также проведение облучательных опытов, в редакции которых не требуются высокие значения дозы и мощности дозы ТИ ЛИУ-30.

Рис.4

Перемещаемый генератор импульсов рентгеновского излучения – ускоритель ИЛТИ-1 (рис. 5) предназначен для моделирования последовательного во времени воздействия двух или трех импульсов ТИ при его совместной работе с ускорителями ЛИУ-30 и СТРАУС-2.

Рис.5

Малогабаритный ускоритель АРСА (рис.6) предназначен для моделирования воздействия импульсного гамма-излучения на изделия электронной техники. Габариты ускорителя: Ø0.2 м, длина – 0.9 м. Точность синхронизации с другими электрофизическими установками комплекса ±0.1 мкс.

Рис.6

Линейный резонансный ускоритель ЛУ-7-2 (рис.7) предназначен для генерации ТИ в течение длительного времени и испытаний на дозовую стойкость. Характеристики ускорителя ЛУ-7-2: энергия электронов - 6,5 МэВ; длительность импульсов - 4,5 мкс; средняя мощность пучка электронов – 2 кВт; средняя мощность экспозиционной дозы ТИ - до 25 Р/с на площади 800 см² с неоднородностью не хуже 30%; частота повторения импульсов - 600 Гц.

Рис.7

Установки комплекса позволяют также формировать требуемые локальные поля нагружений на отдельных приборах крупногабаритных объектов.

Облучательный комплекс ЛИУ-10М-ГИР-2.
Облучательный комплекс ЛИУ-10М-ГИР-2 введен в эксплуатацию в 1994 г. Он заменил первый облучательный комплекс ЛИУ-10-ГИР. Схема размещения установок комплекса приведена на рис.8, а основные характеристики установок представлены в таблице 2. ОК создан на базе линейного индукционного ускорителя ЛИУ-10М (рис.9)  и импульсного ядерного реактора ГИР-2. Предусмотрена возможность совместной работы с включением по заданной временной программе ускорителей ЛИУ-10М и СТРАУС-2 при размещении последнего в облучательном зале комплекса. В состав комплекса входит также малогабаритный импульсный ускоритель электронов АРСА.


*) – импульсы установок можно синхронизировать по заданной временной программе  для обеспечения комплексного воздействия ионизирующих излучений на исследуемые объекты.
Ускоритель ЛИУ-10М выполнен на основе разработанных во ВНИИЭФ ступенчатых формирующих линий, обеспечивающих в результате волновых процессов повышение в несколько раз выходного ускоряющего напряжения по сравнению с зарядным напряжением линии. Размеры ускоряющей системы без тракта транспортировки – (12×3,5×2,4) м³.
Реактор ГИР-2 (гамма-источник реакторный) - импульсный реактор с металлической АЗ и отражателем нейтронов, который одновременно является (n, γ) конвертором (рис.10). Материал АЗ - сплав обогащенного (от 36% до 90% по ²³⁵U) урана с молибденом (9 масс. %). Общая масса топлива в АЗ – 178 кг. Реактор ГИР-1 был введен в эксплуатацию в 1984 г., а нынешняя модификация (ГИР-2) – в 1993 г.
Облучение на реакторе ГИР-2 может проводиться только снаружи АЗ в зале с размерами (10×10×8) м³.

Автономные ускорители электронов.

Для проведения исследований радиационной стойкости во ВНИИЭФ используются импульсный ускоритель электронов прямого действия РИУС-5, а также линейный резонансный ускоритель ЛУ-10-20.
Общий вид ускорителя РИУС-5 показан на рис.11. Наиболее часто используются два режима генерации ТИ. В них получены: ток электронов 5 и 7 кА; ускоряющее напряжение 3 и 2 МВ; длительности импульсов ТИ 15 и 35 нс; мощность дозы до 1•10¹¹Р/с.
Для моделирования  эффектов дозового воздействия гамма-излучения используется линейный резонансный ускоритель электронов ЛУ-10-20, общий вид которого показан на рис.12.
Характеристики ускорителя ЛУ-10-20: энергия ускоренных электронов (регулируемая) - 5÷9 МэВ; средний ток – 1,3 мА; длительность импульсов – 3,5 мкс; частота повторения импульсов - 10÷1000 Гц; мощность поглощенной дозы электронного излучения вблизи выходного окна - до 5 Мрад/с; мощность экспозиционной дозы ТИ на расстоянии 1м от мишени на площади Ø 0.2 м с неоднородностью не хуже 30% - до 160 Р/с. Средняя мощность пучка электронов - 10 кВт. Система развёртки электронного пучка и транспортировочная линия позволяют облучать объекты шириной до 700 мм, длиной до 2000 мм и высотой до 750 мм.
В целях развития испытательного парка в РФЯЦ-ВНИИЭФ ведутся работы по созданию многомодульной мультитераваттной установки «Гамма», предназначенной для получения на площади до 1 м² мощных импульсов тормозного излучения с максимальной энергией квантов до 2 МэВ. Предполагается, что установка будет состоять из нескольких одинаковых модулей. Общий вид ускорителя «Гамма-1» показан на рис13.
Выходные характеристики ускорителя: электрическая мощность – 1,5 ТВт, энергия электронного пучка – 80 кДж, Р_ти^max=6∙1011 Р/с в Ø7 см на расстоянии 5 см от мишени,  длительность импульса ТИ на половине высоты  (45-50) нс.
Импульсные ядерные реакторы.
В настоящее время в ЦКП, кроме БР-1М и  ГИР-2, имеется 3 импульсных ядерных реактора: БР-К1, ВИР-2М, БИГР.  Данные установки различны по конструкции, составу топлива и своим основным параметрам. Основные характеристики импульсов перечисленных ИЯР приведены в таблице 3. Установки оснащены различными экспериментальными устройствами, позволяющими изменять соотношение нейтронной и гамма-составляющих ИИ для целей расширения экспериментальных возможностей.

Таблица 3 – Характеристики импульсных ядерных реакторов РФЯЦ-ВНИИЭФ

Реактор	БР-К1	ВИР-2М	БИГР
Материал АЗ	U+9%Mo сплав	UO2SO4+H2O	UO2+C керамика
Масса топлива, кг	1511	7,1 (104 л)	833
Размеры АЗ, см	Ø62x75	Ø55x63	Ø76x67
Полость для облучения, мм	Ø308x360	Ø142, Ø300	Ø100
Энерговыделение, МДж	30	56	280
Полуширина, мкс	1200	3000	2000
Фн, 1014 н/см2  (>0,1 МэВ) в полости на поверхности АЗ	5.1	7 1	70 8
Dγ, 103 Гр в полости на поверхности АЗ	0,65	5 0,5	30 2,4

Реактор БР-К1 (бустер-реактор “Каскад”, вариант 1) - импульсный реактор с металлической АЗ. Реактор введен в эксплуатацию в 1995 г. и представляет собой многоцелевую ядерно-физическую установку, предназначенную как для апробации элементов концептуального проекта двухсекционного бустер-реактора “Каскад” (БР-К), так и для проведения различных облучательных экспериментов.
Реактор ВИР-2М (водный импульсный реактор) - импульсный реактор с растворной АЗ эксплуатируется с 1980 г. С новым корпусом – с 2001 г. Максимальное энерговыделение в импульсе - 56 МДж полуширина импульса Т_1/2=3 мс. Возможна также работа в статическом режиме на мощности до десятков киловатт. Облучение испытуемых объектов может производиться в двух экспериментальных каналах – центральном и полусферическом, а также в любой точке нижнего зала размером (10x10x2,5)м³.
Реактор БИГР (быстрый импульсный графитовый реактор), введенный в эксплуатацию в 1977 г., является самым мощным в мире импульсным реактором с жестким нейтронным спектром. Облучение возможно в  центральном канале (ЦК) в контейнере (диаметр – 10 см, высота – 550 см) и снаружи АЗ в зале размером (11,5x10x8)м³. Ввиду высокого уровня остаточного гамма-излучения облучаемые объекты доставляются к АЗ (с противоположных сторон) дистанционно на двух специальных тележках. Реактор оснащен пневматическим ударно-испытательным стендом УИС-5, что позволяет моделировать комплексные воздействия ионизирующих излучений и ударных нагрузок.
Установки ЛИУ-30, ЛИУ-10М, СТРАУС-2, ИЛТИ-1, ЛУ-10-20, РИУС-5, АРСА, БР-1М, БИГР, ГИР-2, ВИР-2М, БР-К1, ЛУ-7-2, Гамма-1 аттестованы в качестве испытательного оборудования (моделирующих установок) для проведения испытаний изделий на воздействие ИИ. Аттестация проведена в соответствии с ГОСТ Р 8.568-97 аттестационной комиссией с участием 32 ГНИИИ Минобороны РФ. Подтверждена пригодность МУ для использования при испытаниях на радиационную стойкость аппаратуры, приборов, устройств, оборудования, изделий электронной техники, квантовой электроники и электротехнических военного назначения и иных технических устройств и материалов.

В ЦКП широко используются малогабаритные рентгеновские аппараты серии Аргумент для целей:

• отработки методов и систем измерений полей нагружения, систем регистрации параметров изделий;

• предварительного определения пороговых уровней воздействия, приводящих к изменению параметров и нарушениям функционирования ЭКБ, перед испытаниями на крупногабаритных МУ;

• определения критериальных параметров наиболее критичных функциональных, электрических и температурных режимов изделий ЭКБ.    
  

В составе оборудования ЦКП находится уникальная установка для калибровки детекторов и трактов регистрации в исследованиях быстропротекающих процессов.  СПИН-2 -  ускоритель электронов прямого действия  предназначен для генерации импульсов электронного и тормозного излучений  субнаносекундной длительности, стационарное устройство для работы в лабораторных условиях.
Ускоритель используется
Характеристики ускорителя:

- амплитуда импульса ускоряющего напряжения - до 1МВ;

- амплитуда тока электронов - до 2 кА;

- доза электронного излучения   на  окне трубки 7,50 кГр;
- доза тормозного излучения (мишень 50мкм Та) на  окне трубки  0,25 Гр;  
- максимальный диаметр пятна излучения на окне трубки 12 мм;
- длительность электронного и тормозного импульсов (на полувысоте) - 0,15 нс.
Общий вид ускорителя приведен на рис.14. Габаритные размеры: ширина 0,6 м, длина 2,2 м
В целях обеспечения стойкости техники к специальным факторам проводятся расчеты ионизационного и термического действия проникающей радиации на приборы РЭА, ЭКБ и силовые оболочки в сложных технических системах по методикам:

• «ЭЛИЗА» - методика и программа решения методом Монте-Карло линейных задач совместного переноса гамма-излучения, электронов и позитронов в сложной трехмерной геометрии (от 1 кэВ до 100 МэВ);

• «C-95» - методика и программа решения методом Монте-Карло линейных задач совместного переноса нейтронов и гамма-излучения в сложной трехмерной геометрии (от 1 кэВ до 100 МэВ);

• «Триада» - методика и программа решения методом Монте-Карло линейных задач совместного переноса гамма-излучения и электронов в цилиндрической геометрии (от 0,1 кэВ до 1 ГэВ);

• «С-007» - методика и программа решения методом Монте-Карло линейных задач совместного переноса нейтронов, гамма-излучения, электронов и позитронов в сложной трехмерной геометрии (от 1 кэВ до 100 МэВ).
  

В соответствии с действующими нормативными документами в области обеспечения единства измерений, ЦКП "РИИ-ВНИИЭФ" оснащен методическим обеспечением, гарантирующим проведение измерений характеристик полей ионизирующих излучений моделирующих установок во всём диапазоне их возможных значений. Методическое обеспечение моделирующих установок и комплексов ЦКП "РИИ-ВНИИЭФ" включает в себя комплекты детекторов, измерительных кабельных линий, современной регистрирующей аппаратуры и программного обеспечения для проведения измерений амплитудно-временных характеристик однократных импульсных излучений в широком диапазоне значений (временной разрешение - от 1 нс, динамический диапазон - до 10⁴). При
необходимости, имеющееся аппаратурное оснащение может быть использовано для измерений радиационной реакции испытуемых объектов.

Заключение:

В настоящее время РФЯЦ-ВНИИЭФ располагает уникальным парком ускорителей электронов и импульсных ядерных реакторов, а также двумя специализированными облучательными комплексами. Это позволяет обеспечить облучение различных изделий  РЭА, ЭКБ и материалов тормозным и гамма-нейтронным излучением, параметры которого могут изменяться в широких пределах. На установках постоянно ведутся работы по поддержанию заявленного ранее уровня выходных параметров и по освоению новых режимов их функционирования.

Деятельность ЦКП «РИИ-ВНИИЭФ» осуществляется в соответствии с положением о ЦКП, «Регламентом взаимодействия при предоставлении услуг годовым координационным планом работы.
Проведение исследований и испытаний, НИР и ОКР, обучение (стажировка, проведение практики) персонала в ЦКП "РИИ-ВНИИЭФ" осуществляется на основании заключенного договора (заключается от имени ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ"), технического задания к договору, календарного плана и протокола соглашения о договорной цене.

ЦКП «РИИ-ВНИИЭФ» обеспечивает объективность, достоверность, точность и воспроизводимость результатов испытаний. Испытательный центр (ИЦ) ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» соответствует требованиям ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2009 и РД В 319.006-97,  аккредитован Центральным органом Системы «Военэлектронсерт» в качестве ИЦ на право проведения сертификационных испытаний электронной компонентной базы отечественного и иностранного производства в аккредитованной области.
Для проведения радиационных исследований и испытаний в ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ имеются:
лицензия № 77.99.15.002.Л.000056.03.10 от 05.03.12 на осуществление деятельности в области использования источников ионизирующего излучения (генерирующих),
лицензия № 1320 от 05.03.12 на осуществление работ с использованием сведений, составляющих государственную тайну.