УДАРОПРОЧНЫЙ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР Российский патент 1997 года по МПК G01T1/20 G01T1/202 

Изобретение относится к области сцинтилляционной техники и может быть использовано при создании конструкций детекторов ионизирующего излучения, эксплуатирующихся в условиях повышенных механических и термических воздействий и выполненных на основе неорганических сцинтилляторов.

Известно техническое решение [1] учитывающее влияние температуры на изменение характеристик сцинтилляционного детектора. При этом в детекторе установлен датчик температуры, а в запоминающем устройстве хранится информации по корректировке соответствующего напряжения умножителя.

Недостатком известного технического решения является его неустойчивость к внешним и термическим воздействиям, т.к. в устройстве не предусмотрены специальные элементы, компенсирующие изменения в соотношении составляющих детектора при внешних механических и климатических воздействиях.

Наиболее близким к предлагаемому устройству и выбранным в качестве прототипа является техническое решение [2] в котором детектор, имеющий удлиненный контейнер, содержит соосный с ним сцинтилляционный кристалл. Между внутренней поверхностью контейнера и внешней поверхностью кристалла находится амортизирующий элемент, выполненный в виде мягкой эластичной резиновой прокладки, для удержания кристалла и его амортизации при поперечных перемещениях. Между крышкой и торцом кристалла находится сжимаемый упругий элемент. Между боковой поверхностью кристалла и внутренней поверхностью корпуса контейнера расположен отражатель, выполненный в виде гофрированного рукава, гофры которого заполнены двуокисью алюминия.

Недостатком данного технического решения является его неустойчивость к продольным (по оси симметрии, направленной вдоль образующей от выходного окна), ударным и вибрационным воздействиям. Пусть при температуре t на кристалл, согласно [2] со стороны нижнего амортизирующего элемента действует нагрузка σ, обеспечивающая неподвижность последнего относительно выходного окна при действии импульсной нагрузки. Эта нагрузка s является максимально допустимой для кристалла детектора и соответствует пределу его упругости.

Неподвижность кристалла необходима для сохранности оптического контакта в узле выходное окно кристалл. Это выполняется при соблюдении равенства:

где DP изменение импульса кристалла при ударе;
τ время удара;
S площадь торца кристалла;
s предельно допустимая нагрузка со стороны амортизирующего элемента.

Пренебрегая изменением размеров контейнера, можно показать, что s зависит как от длины амортизирующего элемента, так и от длины кристалла, поэтому s=σ(t), где t температура.

где Е_ю модуль Юнга упругого амортизирующего элемента;
t_o нормальная температура;
α_кр, α_ам коэффициент линейного расширения кристалла и амортизирующего элемента соответственно;
l_кр(t_o), l_ам(t_o) длина кристалла и амортизирующего элемента при нормальной температуре.

Из (2) следует, что в зависимости от того t>t_o или t<t_o, происходит увеличение или уменьшение нагрузки на кристалл, что в первом случае приводит к разрушению кристалла, а во втором к нарушению оптической связи при ударе, так как при

может достигать порядка 4•10⁺⁸H/м², что в несколько десятков раз превышает критические значения предельных нагрузок для кристалла , которые в свою очередь на несколько порядков выше предельных нагрузок для оптических контактов.

В основу изобретения поставлена задача создания ударопрочного сцинтилляционного детектора, в котором за счет введения дополнительных блоков и образовавшихся при этом новых связей между ними и известными блоками детекторами обеспечивалась бы минимальная постоянная нагрузка на кристаллах в широком температурном диапазоне и сохранность оптического контакта при предельно допустимых для кристалла динамических нагрузках, что привело бы к повышению устойчивости сцинтилляционных характеристик к механическим воздействиям в широком температурном интервале.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в ударопрочном сцинтилляционном детекторе, содержащем щелочногалоидный кристалл, контейнер с отражающей средой между боковой поверхностью кристалла и внутренней поверхностью контейнера, выходное окно и амортизирующий элемент, согласно изобретению амортизирующий элемент выполнен в виде электромагнита, соединенного с односторонним майларом, а детектор дополнительно содержит пьезопреобразователь, соединенный с кристаллом с одной стороны и с односторонним майларом и подложкой электромагнита с другой, датчик температуры, расположенный в непосредственной близости от пьезопреобразователя, соединенного с полевым транзистором, выход которого подключен к последовательно соединенным высокочастотному трансформатору и фильтру низких частот, выход которого соединен с одним из входов дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, а выход с входом интегратора, выход которого соединен с одним из входов сумматора, второй вход которого соединен с выходом высокочастотного трансформатора, а выход с усилителем мощности, соединенным с электромагнитом, при этом датчик температуры соединен с последовательно включенными аналого-цифровым преобразователем, постоянным запоминающим устройством и цифроаналоговым преобразователем.

Статическое давление на кристалл выбирается минимальным и равным , что соответствует предельной нагрузке на растяжение, которую выдерживает оптический контакт. Заряд D, возникающий на пьезопреобразователе при действии на него нагрузки σ′, имеет вид:
D=dσ′ (3),
где d пьезоэлектрическая постоянная.

Предлагаемое устройство действует таким образом, чтобы выполнялось условие ΔD=0 (4), т.е. чтобы заряд пьезоэлектропреобразователя не изменялся с течением времени и при изменении температуры.

Пусть в исходном состоянии при температуре t_o заряд пьезопреобразователя был:
D(t_o)=dσ(t_o) (5).
При изменении температуры из-за линейного расширения кристалла нагрузка изменится и заряд станет равным:
D′(t)=d(t_o)σ′(t_o)+d(t_o)α_крΔtEкрю

(6).
Изменение нагрузки σ_н, создаваемой электромагнитом, представлено соотношением:
Δσ_н=μΔH (7),
где μ намагниченность насыщения сердечника электромагнита;
H величина магнитного поля в катушке.

При общем воздействии на пьезопреобразователь, изменении давления из-за линейного расширения кристалла и изменении давления со стороны электромагнита заряд пьезопреобразователя окажется равным:
D″=D′+dμΔH (8).
Совместно решая уравнения 3, 4, 5, 6 и 8 получим:

или
α_крEкрю

Δt= -μΔH(t) (10).
Таким образом, из (10) следует, что температурное увеличение нагрузки на кристалл из-за теплового расширения будет компенсироваться уменьшением нагрузки со стороны электромагнита (амортизирующий элемент). При этом результирующее давление на кристалл будет оставаться постоянным и равным σ′(t)=σ′(t_o).
При ударе на кристалл будет действовать только ударная нагрузка, поскольку тепловая будет уже предварительно компенсирована магнитным полем. Естественно, что ударная нагрузка будет превышать σ(t_o), поскольку ее предельно допустимая величина обусловлена пределом прочности кристалла, а не оптического контакта (по изначально заданным условиям) и равна σ(t_o)=100•σ′(t_o)..

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлено данное устройство.

Ударопрочный сцинтилляционный детектор содержит металлический контейнер 1, выходное окно 2, оптически прозрачный контакт 3, щелочногалоидный кристалл 4, пьезопреобразователь 5, место склейки эпоксидной смолой 6, односторонний майлар 7, амортизирующий элемент 8, датчик 9 температуры, аналого-цифровой преобразователь 10 (АЦП), постоянное запоминающее устройство 11 (ПЗУ), цифроаналоговый преобразователь 12 (ЦАП), полевой транзистор 13, высокочастотный трансформатор 14, фильтр 15 низких частот, дифференциальный усилитель 16, интегратор 17, сумматор 18, усилитель 19 мощности, отражающая среда 20 (отражатель) между боковой поверхностью кристалла и внутренней поверхностью контейнера.

Пьезопреобразователь 5 соединен с щелочногалоидным кристаллом 4 с одной стороны и с односторонним майларом 7 и подложкой электромагнита 8 (амортизирующий элемент) с другой. Датчик 9 температуры расположен в непосредственной близости от пьезопреобразователя 5, соединенного с полевым транзистором 13, выход которого подключен к последовательно соединенным высокочастотному трансформатору 14 и фильтру 15 низких частот, выход которого соединен с одним из входов дифференциального усилителя 16, второй вход которого соединен с выходом ЦАП 12, а выход с входом интегратора 17, выход которого соединен с одним из входов сумматора 18, второй вход которого соединен с выходом высокочастотного импульсного трансформатора 14, а выход с усилителем мощности 19, соединенным с электромагнитом 8. При этом датчик температуры 9 соединен с последовательно включенными АЦП 10, ПЗУ 11, ЦАП 12. Причем пьезопреобразователь 5 выполнен из BaTiO₃. Датчик 9 температуры выполнен в виде термопары медь-константан (или хромель-копель). ПЗУ 11 представляет собой матрицу, выполненную на микросхеме 556РТ1. ЦАП 12 выполнен на микросхеме К594ПА1. Фильтр 15 низких частот выбран емкостью приблизительно 1 мкФ. Дифференциальный усилитель 16 выполнен на микросхеме К140УД7, включенной по дифференциальной схеме. Интегратор 17 выполнен на микросхеме К140УД8. Сумматор 18 выполнен на микросхеме К157УД1. Усилитель мощности 19 выполнен из 2-х транзисторов КТ604А. Отражатель 20 выполнен в виде металлизированного майлара.

Ударная нагрузка отрабатывается в предлагаемом устройстве посредством блока 14, который отфильтровывает фронт нарастания удара, меняет его фазу и уменьшает передаваемое напряжение так, чтобы на ударную нагрузку электромагнита реакция была меньше ударной нагрузки на величину предельно допустимого растяжения оптического контакта. При этом вся энергия удара уйдет на преодоление магнитных сил. Условие деления напряжения в блоке 14 будет выглядеть следующим образом: , где k 0,99.

Последнее означает, что нагрузка на кристалл при ударе со стороны амортизирующего элемента (электромагнита) будет независимо от значения температуры t.

С другой стороны из (2) следует, что в прототипе при повышенных температурах нагрузка при ударе будет превышать по крайней мере на порядок, т. е. будет равна . Отношение нагрузок, которые возникают при повышенных температурах в прототипе и предлагаемом устройстве, равно . Это соответствует повышению устойчивости к внешним ударным нагрузкам предлагаемого устройства в 10 раз по сравнению с прототипом в широком температурном интервале (±120^oC.

Основной принцип, который положен в работу данного устройства, - поддержание минимальной и постоянной статической нагрузки на кристалл в широком температурном интервале. Это достигается за счет осуществления отрицательной обратной связи между пьезопреобразователем 5 и собственно управляемым амортизирующим электромагнитом 8 через блоки 10, 11, 12, 13, 15, 16, 17, 18, 19. Реакция на быструю динамическую нагрузку происходит через блоки 13, 14, 18, 19.

Таким образом, обратная связь между пьезопреобразователем 5 и электромагнитом 8 происходит по двум каналам и с разной фазой.

В исходном состоянии, когда нагрузки на кристалл нет, заряд пьезопреобразователя 5 отсутствует. Полевой транзистор 13 находится в почти полностью закрытом состоянии и вырабатывает сигнал, который поступает на дифференциальный усилитель 16, где образуется разница между текущим сигналом с блока 15 и тем, который должен быть при нагрузке σ′ при данной температуре. Код последнего сигнала находится в постоянном запоминающем устройстве 11 и попадает в дифференциальный усилитель через цифроаналоговый преобразователь 12. Поскольку разница сигналов с блока 15 и блока 12 не равна 0, то в интеграторе 17 начинает накапливаться напряжение, величина которого таким образом воздействует на усилитель мощности 19, что усилие на кристалл начинает увеличиваться. После того, как оно превышает заданную в ПЗУ величину, разница в блоке 16 меняет знак и напряжение в интеграторе 17 начинает понижаться, а значит понижается усилие на кристалл.

Таким образом находится точка устойчивого равновесия, возле которого колеблется напряжение в интеграторе 17 и осуществляется постоянная статическая нагрузка на кристалл 4 через электромагнит 8. Аналогично система приходит в равновесие при превышении нагрузки на кристалл той величины, которая задана в ПЗУ, потому что в этой ситуации транзистор 13 слишком сильно открытым и в интеграторе 17 начинает накапливаться отрицательная разница сигналов блока 12 и блока 15, которая приводит к понижению нагрузки на кристалл 4. Указанные процессы происходят при определенной температуре t кристалла, а значит при определенном коде ПЗУ. Когда температура изменится, то изменится код ПЗУ 11, попадающий в вычитающее устройство 15, поскольку адресом выдачи информации с ПЗУ управляет код АЦП 10, который отслеживает температуру кристалла через термокамеру 9. Сигнал ПЗУ учитывает только изменение пьезопостоянной преобразователя 5 с температурой при постоянной минимальной нагрузке σ′. Поэтому изменения линейных размеров кристалла 4 будут производить к накоплению соответствующей разности в интеграторе 17 и, таким образом, к компенсирующему изменению нагрузки со стороны электромагнита 8.

Быстропротекающие ударные нагрузки не попадают в интегратор 17 поскольку отсекаются низкочастотным фильтром 15. Сигнал таких нагрузок снимается с транзистора 13 высокочастотным трансформатором 14. В блоке 14 происходит изменение фазы сигнала на противоположную и деление выходного сигнала. Далее этот сигнал складывается с сигналом статической нагрузки в сумматоре 18.

Таким образом, в отличие от реакции на статическую нагрузку за счет изменения фазы в блоке 14 при увеличении динамической нагрузки на пьезопреобразователь 5 нагрузка со стороны электромагнита 8 также пропорционально возрастает, что предотвращает возможность перемещения кристалла 4 относительно выходного окна 2 и таким образом нарушения оптического контакта 3. Для того, чтобы энергия удара ушла на преодоление магнитных сил в электромагните 8, учитывается отличие реакции электромагнита 8 от инерционной динамической нагрузки со стороны кристалла 4 в меру предела упругости оптического контакта 3. Это означает перемещение кристалла 4 по достижению предела упругости в оптическом контакте 3. Последнее достигается путем установления коэффициента деления в блоке 14 приблизительно 0,99.

Таким образом предлагаемое изобретение обеспечивает: 1. Минимальную постоянную нагрузку на кристалл в широком температурном диапазоне (±120^oC. 2. Сохранность оптического контакта при предельно допустимых для кристалла динамических нагрузках в диапазоне температур (±120^oC).

Использование: в сцинтилляционной технике и может быть использовано при создании конструкций детекторов ионизирующего излучения, используемых в условиях повышенных механических и термических воздействий и выполненных на основе неорганических сцинтилляторов. Сущность изобретения: для повышения устойчивости сцинтилляционных характеристик к механическим воздействиям в широком температурном интервале сцинтиллятор содержит контейнер, щелочногалоидный кристалл, амортизирующий элемент, выходное окно и отражатель между боковой поверхностью кристалла и внутренней поверхностью контейнера. Детектор дополнительно содержит пьезопреобразователь, соединенный с кристаллом с одной стороны и с односторонним майларом и подошвой электромагнита с другой, датчик температуры, расположенный в непосредственной близости от пьезопреобразователя, выход которого через полевой транзистор соединен с низкочастотным фильтром и высокочастотным трансформатором, который через делитель напряжения соединен с одним из входов сумматора, а выход фильтра подсоединен к одному из входов дифференциального усилителя, к второму входу которого через цифроаналоговый преобразователь подключено постоянное запоминающее устройство, соединенное через аналого-цифровой преобразователь с датчиком температуры, а выход дифференциального усилителя через интегратор подключен к второму входу сумматора, выход которого через усилитель мощности соединен с электромагнитом. Благодаря такой конструкции детектора обеспечивается повышение устойчивости сцинтилляционных характеристик к механическим воздействиям в широком температурном интервале. 1 ил.

Ударопрочный сцинтилляционный детектор, содержащий щелочногалоидный кристалл, контейнер с отражающей средой между боковой поверхностью кристалла и внутренней поверхностью контейнера, выходное окно и амортизирующий элемент, отличающийся тем, что амортизирующий элемент выполнен в виде электромагнита, соединенного с односторонним майларом, а детектор дополнительно содержит пьезопреобразователь, соединенный с кристаллом с одной стороны и с односторонним майларом и подложкой электромагнита с другой, датчик температуры, расположенный в непосредственной близости от пьезопреобразователя, соединенного с полевым транзистором, выход которого подключен к последовательно соединенным высокочастотному трансформатору и фильтру низких частот, выход которого соединен с одним из входов дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, а выход с входом интегратора, выход которого соединен с одним из входов сумматора, второй вход которого соединен с выходом высокочастотного трансформатора, а выход с усилителем мощности, соединенным с электромагнитом, при этом датчик температуры соединен с последовательно включенными аналого-цифровым преобразователем, постоянным запоминающим устройством и цифроаналоговым преобразователем.