СМОТРОВОЙ ПРИБОР Российский патент 2009 года по МПК G02B23/12 G21F7/02 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а более конкретно, к группе оптических приборов наблюдения статического обзора типа "стеклоблок", и может быть использовано для оснащения инженерных машин, работающих в экстремальных, особо опасных для жизни человека условиях, в частности при проведении работ по ликвидации последствий крупномасштабных аварий и катастроф на предприятиях атомной энергетики и промышленности, поиску источников ионизирующих излучений на местности, а также для установки в специальных камерах в качестве приборов наблюдения при проведении научных исследований с использованием источников высокоинтенсивного гамма-нейтронного излучения.

Известен оптический прибор статического обзора - стеклоблок Б-1К, который используется на объектах специальной техники, обеспечивает бинокулярное наблюдение местности в секторе, ограниченном углами поля обзора в горизонтальной и вертикальной плоскостях (Нормаль Министерства НО5.383-76 "Приборы наблюдения призменные и стеклоблоки. Основные параметры и технические характеристики", 1967 г.). Указанный стеклоблок (фиг.1) содержит корпус 1, установленные в корпусе плоскопараллельные пластины 2 из оптического стекла серии 100 и защитные стекла 3, 4 (входное и выходное окна).

Прибор статического обзора характеризуется рядом основных и необходимых оптических параметров, влияющих на его габаритные размеры (Теория и конструкция танка. Под ред. П.П.Исакова. Т.2. Основы проектирования вооружения танка. М: Машиностроение, 1982 г., с.149-154). К ним относятся:

- углы полей зрения в горизонтальной и вертикальной плоскостях;

- углы полей обзора в горизонтальной и вертикальной плоскостях;

- толщина прибора вдоль оптической оси.

Угол поля зрения в горизонтальной плоскости - угол, ограничивающий по горизонту часть пространства, видимого через оптическую систему при наблюдении двумя глазами при неподвижной голове наблюдателя.

Угол поля зрения в вертикальной плоскости - угол, ограничивающий по вертикали часть пространства, видимого через оптическую систему при наблюдении двумя глазами при неподвижной голове наблюдателя.

Угол поля обзора в вертикальной и горизонтальной плоскостях - угол, ограничивающий по горизонтали и вертикали часть пространства, видимого через оптическую систему при перемещении головы наблюдателя из одного крайнего положения в другое по горизонтали и вертикали соответственно.

Габаритные размеры смотровых приборов статического обзора, разрабатываемых для работы в радиационных полях, зависят от коэффициента ослабления оптическим материалом гамма-нейтронного излучения и заданной степени снижения прибором дозы гамма-нейтронного излучения, характеризуемой величиной коэффициента (кратности) ослабления.

По технической сущности стеклоблок Б-1К является прототипом предложенного изобретения, он же является базовым объектом.

К недостаткам известного стеклоблока Б-1К следует отнести то, что он не обеспечивает защиту наблюдателя от воздействия гамма-нейтронного излучения. Указанное обстоятельство обусловлено тем, что стекло серии 100 является стойким к воздействию гамма-излучения, но не ослабляет его и в конструкции прибора отсутствуют оптические элементы, ослабляющие нейтронное излучение (оптические материалы с большим удельным содержанием атомов водорода).

При создании оптических смотровых приборов, предназначенных для использования в инженерных машинах специального назначения, работающих на местности в условиях интенсивного гамма-нейтронного излучения, разработчик в условиях жестких габаритных ограничений, обусловленных плотной компоновкой обитаемого отделения, должен обеспечить одновременное решение двух противоположных с технической точки зрения задач:

- реализацию заданных, минимально необходимых для управления машиной углов поля обзора;

- защиту экипажа от гамма-нейтронного излучения с заданными коэффициентами ослабления по гамма и по нейтронному излучению, в зависимости от структуры радиационного фона на местности.

Одновременное решение данных задач является технически сложным, т.к. увеличение уровня защиты при ограниченных конструкцией машины ширине и высоте прибора приводит к неизбежному увеличению длины прибора, приводящему к уменьшению углов поля обзора прибора. Решение обратной задачи, а именно реализация заданных углов поля обзора при ограниченных ширине и высоте прибора, ведет к уменьшению его длины, что отрицательно сказывается на его защитных свойствах.

Поэтому при разработке оптических приборов наблюдения и, в частности, приборов статического обзора, работающих в радиационных полях, стоит задача оптимизации габаритных размеров прибора, при условии реализации заданных оптических характеристик прибора и при обеспечении заданного коэффициента ослабления (кратности ослабления) прибором воздействия гамма-нейтронного излучения.

Целью изобретения является обеспечение заданных защитных свойств смотрового прибора по отношению к воздействию гамма-нейтронного излучения при одновременном обеспечении заданных необходимых оптических параметров, определяющих обзорность с рабочего места оператора при наблюдении через указанный смотровой прибор.

Указанная цель достигается тем, что смотровой оптический прибор статического обзора - стеклоблок, содержащий корпус с установленной в нем первой плоскопараллельной пластиной, снабжен комбинацией оптических плоскопараллельных пластин, расположенных по ходу светового луча, и включающей в свой состав пластины из свинцовосодержащего оптического стекла с большой (порядка 4 г/см³) плотностью и, соответственно, большим коэффициентом ослабления гамма-излучения, и пластины из оптического органического полимерного материала с концентрацией ядер водорода порядка (5…7)·10²² яд./см³ и, соответственно, большим коэффициентом ослабления нейтронного излучения, при этом длина смотрового прибора, ширина и высота его входного (выходного) окна определяются совокупностью соотношений

где L, B, H - длина, ширина и высота прибора;

К_γ, К_n - заданные коэффициенты ослабления гамма и нейтронного излучения;

α_γ, α_n - коэффициенты ослабления гамма-излучения оптическим стеклом и нейтронного излучения оптическим полимерным материалом соответственно;

n_c, n_n - показатели преломления оптического стекла и органического полимерного материала соответственно;

2φ_В, 2φ_Г - заданные углы полей обзора в вертикальной и горизонтальной плоскостях;

Δ - толщина воздушного промежутка между пластинами.

При выборе параметров прибора в соответствии с приведенными выше формулами обеспечивается реализация заданных характеристик обзорности и защиты от гамма-нейтронного излучения при минимальных массогабаритных характеристиках прибора. Отклонение параметров прибора от приведенных соотношений приводит либо к невыполнению требований по обзорности и защите, либо к неоправданному возрастанию массогабаритных характеристик прибора.

Применение в смотровом приборе оптических элементов из оптического тяжелого фосфатного свинцовосодержащего стекла большой плотности, обеспечивающих эффективное ослабление гамма-излучения, пластин из водородосодержащего оптического полимерного органического материала, обеспечивающих замедление быстрых нейтронов, а также связь линейных размеров пластин с защитными и оптическими характеристиками, определяемая по формулам (1-3), является существенным отличием от прототипа, придающим прибору принципиально новое качество.

В известных технических решениях нет отличительных признаков, сходных с признаками, отличающими заявленное решение от прототипа, а именно неизвестны смотровые приборы и стеклоблоки, содержащие пластины из тяжелого свинцовосодержащего стекла и водородосодержащего оптического полимерного органического материала, размеры которых взаимоувязаны с оптическими и защитными характеристикам приведенными выше соотношениями (1-3), и поэтому предложенное решение "Смотровой прибор" обладает существенной новизной.

На фиг.2 приведена оптическая схема прохождения светового луча в смотровом приборе, состоящем из

пластин из оптического стекла с большой плотностью с большим показателем преломления n_с;

пластин из органического полимерного материала с показателем преломления n_п;

Между пластинами может быть предусмотрен воздушный промежуток Δ.

Приведенные выше соотношения (1-3), определяющие характеристики смотрового прибора, могут быть получены на основе следующих рассуждений.

Заданный коэффициент К_γ ослабления гамма-излучения стеклом определяется выражением (Бегунов Б.Н., Заказнов Н.П. Теория оптических систем. - М.: Машиностроение, 1973, с.224)

где L_c - толщина стекла (длина пластины).

Заданный коэффициент К_n ослабления нейтронного излучения пластиной из органического полимерного материала определяется выражением

где L_n - толщина пластины из органического полимерного материала.

Из (4) и (5) вытекают выражения, непосредственно определяющие толщину стеклянной пластины, необходимую для обеспечения заданного коэффициента K_γ ослабления гамма-излучения, и толщину пластины из органического полимерного материала, необходимую для обеспечения заданного коэффициента К_n ослабления нейтронного излучения

Из выражений (6) и (7) с очевидностью вытекает выражение (1), определяющее длину прибора исходя из заданных коэффициентов ослабления гамма- и нейтронного излучения.

Выражения (2) и (3) могут быть получены с учетом (1) с использованием известных из геометрической оптики зависимостей. Известно, что при распространении светового луча в средах с различными показателями преломления соблюдается следующая закономерность:

где Ψ - угол падения луча;

φ - угол преломления луча;

n_в - показатель преломления воздуха (равен 1);

n_с - показатель преломления стекла.

Из выражения (8) угол преломления Ψ в стекле определяется выражением

откуда следует

Аналогично для угла преломления Q в органическом полимерном материале имеем

Поскольку показатели преломления оптических стекол и полимерных материалов превышают 1,0, то при прохождении светового пучка через пластины прибора ширина и высота пучка уменьшаются. Это обстоятельство позволяет соответственно уменьшать ширину и высоту последующих пластин из стекла, пластин из углеводородосодержаего (полимерного) материала и свинцовых пластин по сравнению с теми же размерами предыдущих пластин. Корпус прибора приобретает ступенчатую конструкцию (фиг.3), что создает дополнительную защиту от ионизирующего излучения. При установке в машине (спецкамере) смотрового прибора с плоским корпусом появляется зазор между прилегающими поверхностями ниши машины и прибора по всей длине поверхностей. Возникает опасность прямого попадания неослабленной радиации внутрь машины. В случае ступенчатой конструкции прибора освободившееся пространство в нише машины заполняется броней. Излучение, напрямую прошедшее в зазор между поверхностями первой ступени прибора и корпусом машины, поглощается слоем брони и существенно ослабляется.

Техническая сущность заявляемого смотрового прибора поясняется чертежом (фиг.4), на котором изображен общий вид заявляемого смотрового прибора.

Заявляемый смотровой прибор состоит из корпуса 1, первого электрообогревного защитного стекла 2, пластин из оптического стекла с большой плотностью 3, 4, 5, 6, пластин из органического полимерного материала 7, 8, 9, 10, второго электрообогревного защитного стекла 11.

При реализации прибора могут быть использованы следующие технические решения. Корпус 1 выполняется из стали. Электрообогревные стекла 2, 10 могут быть изготовлены из стекла серии 200 с нанесенным на него металлизированным электропроводящим покрытием. В качестве стекла с большим коэффициентом ослабления гамма-излучения может быть использовано стекло марки ТФ 18112, из которого изготавливаются плоскопараллельные пластины. В заявляемом смотровом приборе для ослабления нейтронного излучения используются плоскопараллельные пластины из органического полимерного материала с большой объемной концентрацией ядер водорода.

При реализации заявляемого смотрового прибора плоскопараллельные пластины из оптического стекла и органического полимерного материала могут быть установлены без воздушного промежутка между ними при наличии технологии их склеивания, обеспечивающей оптическое качество.

Получения больших однородных массивов органического полимерного материала оптического качества может быть технологически затруднено. В этом случае плоскопараллельная пластина из углеводородного материала выполняется составной из плоскопараллельных пластин с воздушными промежутками между ними. Очевидно, что в этом случае длина прибора L', ширина Н' и высота Н' его окна определяются соответственно следующими выражениями:

где Δ_i - ширина "i" - воздушного промежутка между пластинами из углеводородсодержащего материала;

k - количество воздушных промежутков.

При эксплуатации прибора ионизирующее излучение может проникать внутрь защищаемого объема через зазоры между оптическими элементами и корпусом. Указанное обстоятельство может быть устранено следующими способами:

- Зазор между оптическими элементами и корпусом заполняют герметизирующим материалом, состоящим из смеси герметика и дисперсного свинца (в виде свинцовых стружек, опилок или дроби соответствующего диаметра). При этом концентрация свинца в единице объема герметизирующего материала должна соответствовать или превышать его концентрацию в единице объема радиационностойкого стекла, например ТФ 18112. В этом случае защитные свойства заполнителя будут не хуже, чем стекла ТФ 18112.

- В зазор между оптическими элементами и корпусом устанавливают свинцовое уплотнение. При этом свинцовое уплотнение может быть выполнено в виде пластин, толщина которых меньше толщины зазора между оптическими элементами и корпусом, чем обеспечивается возможность размещения указанных пластин в зазоре. Для обеспечения герметичности зазора между свинцовыми пластинами, оптическими элементами и корпусом используется герметик. При этом для обеспечения надежной защиты от ионизирующего излучения содержание свинца в единице объема зазора между оптическими элементами и корпусом должно соответствовать или превышать его концентрацию в единице объема используемого радиационностойкого стекла.

Заявляемый смотровой прибор обеспечивает бинокулярное наблюдение предметов на местности с заданными углами поля обзора и с заданной кратностью ослабления гамма-нейтронного излучения, что позволяет оператору выполнять управление машиной на местности с высоким уровнем фона гамма-нейтронного излучения.

Промышленная применимость заявляемого смотрового прибора доказана изготовлением прибора и его использованием в составе специальной инженерной машины.

Смотровой прибор содержит корпус с установленной в нем первой плоскопараллельной пластиной, при этом первая пластина выполнена из радиационностойкого оптического стекла, и дополнительно установленой последовательно с первой второй плоскопараллельной пластиной, выполненной составной из плоскопараллельных пластин из углеводородсодержащего материала с воздушными промежутками между ними. Технический результат: обеспечение заданных защитных свойств смотрового прибора по отношению к воздействию гамма-нейтронного излучения при одновременном обеспечении заданных необходимых оптических параметров, определяющих обзорность с рабочего места оператора при наблюдении через смотровой прибор. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Смотровой прибор, содержащий корпус с установленной в нем первой плоскопараллельной пластиной, отличающийся тем, что первая пластина выполнена из радиационно-стойкого оптического стекла и дополнительно установлена последовательно с первой вторая плоскопараллельная пластина, выполненная составной из плоскопараллельных пластин из углеводородсодержащего материала с воздушными промежутками между ними, причем длина прибора L`, ширина В` его входного окна и высота Н` окна определяются совокупностью соотношений



где K_γ, K_n - заданные коэффициенты ослабления ионизирующего и нейтронного излучений соответственно;
α_γ, α_n - коэффициенты ослабления ионизирующего и нейтронного излучений стеклом и углеводородсодержащим материалом соответственно;
n_c, n_n - показатели преломления оптического стекла и углеводородсодержащего материала;
2φ_В, 2φ_г - углы полей обзора в вертикальной и горизонтальной плоскостях;
Δ - толщина воздушного промежутка между первой и второй пластинами;
Δi - ширина i-го воздушного промежутка между пластинами из углеводородсодержащего материала;
k - количество воздушных промежутков.

2. Смотровой прибор по п.1, отличающийся тем, что пластины в корпусе установлены без воздушного промежутка между ними.

3. Смотровой прибор по п.1, отличающийся тем, что первая пластина выполнена составной из плоскопараллельных пластин.

4. Смотровой прибор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что пластины установлены в корпус с зазором, заполненным слоем герметизирующего материала из смеси герметика и дисперсного свинца, причем концентрация свинца в единице объема герметизирующего материала соответствует или превышает его концентрацию в единице объема радиационно-стойкого стекла.

5. Смотровой прибор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что пластины установлены в корпус с зазором, в котором имеется свинцовое уплотнение.