САМОГАСЯЩИЙСЯ ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ СЧЕТЧИК β -И g -ИЗЛУЧЕНИЙ Российский патент 1996 года по МПК G01T1/18 

Изобретение относится к области ядерной физики, в частности, к измерению активности изотопов, распадающихся с излучением g -квантов и выделением b -частиц. Чаще всего счетчики используются в качестве детекторов в приборах для измерения активности источников, а также в бытовых дозиметрах при измерении загрязненности воздуха, почвы и других объектов радиоактивными нуклидами. Большинство серийно выпускаемых в настоящее время газоразрядных счетчиков, например, счетчики СБТ-7, САТ-8, СБТ-9 содержат два электрода (анод и катод), соединенные механически через высоковольтный изолятор. Пространство между электродами образуют чувствительный объем счетчика и заполняется смесью различных инертных газов с примесью небольшого количества галогенов (счетный газ). Чаще всего применяется цилиндрическая конструкция, в которой катод одновременно служит и герметичным корпусом, а анод в виде нити или стержня располагается соосно, внутри катодной трубки /1/.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является счетчик b- и g-излучения типа СБТ-9. Счетчик СБТ-9 выпускается серийно филиалом ВНИИРТ (г.Саранск). Корпус этого счетчика выполнен из трубки, изготовленной из нержавеющей стали диаметром 10 мм, он же является и катодным электродом. Соосно катоду расположен анод в виде тонкой коваровой трубки, закрепленной в катодном цилиндре с помощью стеклянного изолятора и коварового переходника. Трубчатый анод одновременно является штенгелем для откачки и наполнения счетчика. На противоположном торце счетчика с помощью переходной втулки и термостойкой пасты закреплена тонкая слюдяная пластинка, являющаяся входным окном для b-частиц. Коваровый переходник анодного узла и стальная переходная втулка крепления слюды герметично соединены с цилиндром катода при помощи шовной сварки. Со стороны вывода анодного электрода укреплен пластмассовый цоколь с впрессованным в него контактным колпачком. Колпачок соединен с катодом металлическим проводом, приваренным к аноду, второй конец провода припаян к колпачку легкоплавким припоем.

В рассматриваемых технических решениях так же, как и в прототипе, имеется ряд существенных недостатков. Применение слюды в качестве входного окна для b-частиц вызвало необходимость использования клеющей пасты для ее герметичного соединения с корпусом. Приклеивание слюды пастой проводится вручную и требует длительной термообработки. Кроме того, слой пасты и опорная шайба сужают апертуру входного окна до диаметра 5 мм при наружном диаметре счетчика 10 мм. Слюда также нетехнологична из-за хрупкости и дороговизны. Конструкция цокольной части счетчика чрезмерно усложнена наличием вспомогательных деталей, требует применения специального пластмассового цоколя, а процесс сборки всего счетчика усложняется наличием трех сварных соединений.

Новое техническое решение предлагается с целью значительного прощения конструкции счетчика и технологии его изготовления, уменьшения количества деталей и сварных соединений. Попутно обеспечивается увеличение срока службы счетчика и увеличение чувствительности. Указанные цели обеспечиваются за счет изменения конструкции и технологии, направленной на сокращение количества ручных операций, максимального применения механизированных приемов, необходимых при массовом выпуске счетчиков и замены материала, из которого выполнено входное окно.

Поставленные цели достигаются тем, что в самогасящемся газоразрядном счетчике, содержащим цилиндрический катод, выполненный в виде полого металлического корпуса, металлический анод, расположенный соосно внутри корпуса, стеклянный изолятор между катодом и анодом на одном конце цилиндра, входное окно в виде мембраны, герметично закрепленной на противоположном торце цилиндра корпус выполнен составным из двух соосно расположенных частей разной длины, на торцах которых, обращенных друг к другу, выполнены кольцевые буртики, между которыми закреплено сварным швом входное окно из металлической фольги толщиной 5-10 микрометров, причем внутренний диаметр d и длина короткой части корпуса m выбраны из соотношения d/m 2,5-3,5, а высота буртика h и его ширина l выбраны из соотношения h/l 1,5-3,0.

Использование признаков, перечисленных в отличительной части формулы изобретения, позволяет получать новый технический результат, заключающийся в упрощении конструкции и технологии изготовления детекторов. Эксплуатационные характеристики при этом не снижаются, а по ряду параметров и значительно превосходят достигнутые в выпускаемых в настоящее время счетчиках.

Входное окно, изготовленное из тонкой металлической фольги (5÷10μ) отличается возможностью получения качественных герметичных спаев и увеличенным (по сравнению со слюдой) эффективным диаметром. Выполненный из двух частей корпус позволяет герметично закрепить мембрану путем плазменной или лазерной сварки и предохранить ее от механических повреждений при изготовлении, монтаже и эксплуатации счетчиков. Отношение внутреннего диаметра предохранительной части корпуса к длине, указанное в формуле, позволяет надежно предохранить мембрану от механических повреждений и в то же время заметно не сократить эффективный диаметр входного окна.

При соотношении d/m < 2,5 произойдет существенное уменьшение величины телесного угла входа, образованного совокупностью прямых, проходящих через точки, расположенные на выходном торце короткой части корпуса и диаметрально противоположные им точки, находящиеся на внутреннем торце короткой части корпуса. Этот телесный угол определяет число β-частиц, попадающих в счетчик через входное окно. При соотношении d/m > 3,5 существенно снижается надежность предохранения мембраны от механических повреждений.

Соотношение ширины и высоты буртиков на торцах обеих частей корпуса выбрано из условий получения качественной надежной сварки. При более широких буртиках (h/l < 1,5) условия теплоотвода не обеспечивают нужной глубины провара и тем самым ухудшают качество сварки, узкие буртики (h/l > 3,0) при сварке "ведет", они коробятся, вызывая тем самым неравномерный натяг мембраны и как следствие нарушение герметичности.

На фиг. 1 показана предлагаемая конструкция; на фиг.2 увеличенное изображение конструкции входного окна счетчика.

На фиг.1, 2 показаны: основная часть 1 корпуса, анод 2 (штенгель), стеклянный изолятор 3, входное окно 4, контактный колпачок 5, легкоплавкий припой 6, вторая часть 7 корпуса. Стрелками обозначены места сварных соединений.

В заявляемой конструкции счетчика корпус может быть выполнен из ковара. Этот материал по свойствам и стоимости существенно не отличается от нержавеющей стали, однако его можно непосредственно сварить со стеклом. Стеклянный спай анода с катодом упрощает конструкцию и одновременно выполняет функции высоковольтного изолятора и цоколя. Применение тонкой металлической фольги для входного окна позволяет значительно (более чем в 2,5 раза) увеличить его эффективную площадь по сравнению со слюдяной пластинкой, приклеенной к опорной шайбе в конструкции счетчика СБТ-9. Конструкция цельнометаллического сварного узла в районе входного окна позволяет улучшить герметичность всего прибора. Предложенная конструкция счетчика вместо 11 деталей (в прототипе) состоит всего из семи (исключены пластмассовый цоколь, паста для приклейки слюды, коваровый переходник и металлический провод, соединяющий анод с контактным колпачком). Внешние габариты предлагаемого счетчика выбраны одинаковыми с прототипом, это обеспечивает решение вопроса о взаимозаменяемости.

Процесс сборки счетчика практически не отличается от принятой стандартной технологии для всех электровакуумных и газоразрядных приборов. Отрезанные на токарном станке коваровые заготовки анода и катода предварительно обезжириваются и проходят первичную химическую обработку в травильных и полировальных ваннах. Очищенные электроды вместе с отрезком стеклянной трубки собираются в графитно-стальной оправке и помещаются в высокотемпературную муфельную печь. Здесь при температуре ≈900^oС в атмосфере аргона с примесью небольшого количества кислорода происходит размягчение стекла и его герметичная сварка со стенками электродов. Оправка позволяет одновременно сваривать до 100 заготовок.

Проверенную на герметичность и дополнительно очищенную заготовку отправляют на участок электросварки. С помощью плазменной или лазерной установки в специальном приспособлении за один проход происходит сварка обеих частей корпуса с фольгой. После проверки герметичности сварного шва с помощью гелиевого течеискателя счетчик передается на участок откачки и наполнения. Вакуумная обработка и заполнение счетчика газовой смесью производится по стандартной технологии, принятой при производстве газонаполненных электровакуумных приборов.

В 1991 г. ВНИИЭФ закончил научно-исследовательскую работу по созданию счетчиков на основе предлагаемого технического решения. Выпущено несколько пробных партий образцов. Все экземпляры проверены на соответствие заданным параметрам в соответствии с ГОСТ 26995-86. В результате проверки выявлено:
чувствительность к g -излучению 50 мкР_-1;
чувствительность к b -излучению 0,10 см₂;
предварительно (методом ускоренного старения) долговечность установлена 5 лет, в дальнейшем по результатам длительного хранения этот срок будет доведен до 10 и более лет, как и у других металлостеклянных электровакуумных приборов;
гарантированная долговечность 4•10₁₀ имп.

остальные характеристики соответствуют существующему ГОСТу.

В настоящее время проводится опытно-конструкторская отработка и подготовка к серийному производству указанных счетчиков.

Экономический анализ показывает, что изготовление счетчиков по предлагаемому техническому решению будет обходиться значительно дешевле, чем изготовление прототипа. Основные статьи экономии состоят из:
полной ликвидации участка приготовления пластмассы и прессовки цоколя;
ликвидация участка приготовления клеющей пасты, ручной операции приклейки слюды к корпусу счетчика и последующей термообработки в специальной туннельной печи;
замены слюды на металлическую фольгу во входном окне для b -излучения;
упрощение узла высоковольтного ввода;
устранение двух сварных соединений
уменьшение на ≈35% количества деталей счетчика.

Перечисленные упрощения конструкции счетчика, механизация и автоматизация технологических процессов позволит примерно на 30-40% снизить себестоимость производства продукции.

Использование: при измерении радиактивных изотопов, распадающихся с излучением гамма-квантов и выделением бета-частиц. Сущность: самогасящийся газоразрядный счетчик содержит цилиндрический катод, выполненный в виде полого металлического корпуса, металлический анод, расположенный соосно внутри корпуса, стеклянный изолятор между катодом и анодом на одном торце цилиндра и входное окно, герметично закрепленное на противоположном торце цилиндра. Корпус выполнен составным из двух соосно расположенных частей разной длины, одинакового наружного и внутреннего диаметров, на торцах которых, обращенных друг к другу, выполнены кольцевые буртики с наружным диаметром, равным наружному диаметру катода, между которыми герметично закреплено входное окно, выполненное из металлической фольги толщиной 5-10 микрометров. Внутренний диаметр d и длина m короткой части катода выбраны из соотношения d/m 2,5-3,5, а высота h буртика и его ширина l выбраны из соотношения h/l 1,5-3,0. 2 ил.

Самогасящийся газоразрядный счетчик бета- и гамма-излучений, содержащий цилиндрический катод, выполненный в виде полого металлического корпуса, металлический анод, расположенный соосно внутри корпуса, стеклянный изолятор между катодом и анодом на одном торце цилиндра и входное окно, герметично закрепленное на противоположном торце цилиндра, отличающийся тем, что цилиндрический полый катод выполнен составным из двух соосно расположенных частей разной длины, одинакового наружного и внутреннего диаметров, на торцах которых, обращенных друг к другу, выполнены кольцевые буртики с наружным диаметром, равным наружному диаметру катода, между которыми герметично закреплено входное окно для бета-излучения, выполненное из металлической фольги толщиной 5-10 мкм, причем внутренний диаметр d и длина m короткой части катода выбраны из соотношения d/m 2,5-3,5, а высота h буртика и его ширина l выбраны из соотношения h/l 1,5-3,0.