РАДИАЦИОННО-СТОЙКАЯ КАМЕРА Российский патент 2015 года по МПК H04N5/225 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к радиационно-стойкой камере, содержащей модуль камеры с электронным датчиком изображения и противорадиационный футляр, который имеет отверстие, обеспечивающее возможность прохождения света в указанный датчик изображения. Камера предназначена, главным образом, для проведения мониторинга в средах с сильным ионизирующим излучением, преимущественно нейтронным излучением и гамма-излучением. В атомной энергетике она может применяться в системе наблюдения за ядерным реактором и колпаком реактора, для проверки бассейна ядерного топлива и инспектирования при выводе из эксплуатации. Кроме того, камера может применяться в области лучевой терапии, например, для контроля пациента во время проведения лучевой терапии. В частности, изобретение направлено на работу в среде, находящейся под воздействием нейтронного излучения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

На сегодняшний день во многих областях применения в вышеупомянутых средах используют видеокамеры с электронно-лучевой трубкой, поскольку они более устойчивы к воздействию радиации по сравнению с камерами, которые содержат датчики изображения на приборах с зарядовой связью или на КМОП-структуре (комплементарной структуре «металл-оксид-полупроводник»). Обычно имеется возможность изолирования любых необходимых электронных блоков управления от радиоактивной среды и исключения или ограничения, таким образом, некоторых опасных воздействий радиации. Однако условия применения камер других типов и, в частности, цифровых камер отличны от указанных.

Ионизирующее излучение влияет на электронное оборудование и, в конечном счете, разрушает указанное оборудование, в частности низковольтные и более компактные цепи, а также цепи с высокой пространственной разрешающей способностью. Ионизирующее излучение вызывает, главным образом, временные повреждения, так называемые исправимые ошибки или единичные неисправности, а также необратимые повреждения, так называемое смещение атомов.

Коммерчески доступные в настоящее время устройства подвержены указанным воздействиям и формируют изображения постоянно ухудшающегося качества. Камеры и связанные с ними логические схемы управления выходят из строя, или уровень качества их работы понижается уже после короткого периода использования в вышеописанных жестких условиях. До сих пор существует необходимость в улучшении качества изображения, которое может быть достигнуто с помощью цифровых датчиков изображения, а также в создании камер, имеющих более продолжительный срок службы в указанных условиях.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно изобретению модуль цифровой камеры, содержащий электронный датчик изображения, окружен противорадиационным футляром. В указанном футляре выполнено отверстие, которое обеспечивает возможность прохождения света в датчик изображения. Футляр выполнен из материала, ядра атомов которого имеют малую массу. В таком материале нейтроны могут передавать большое количество своей энергии легким ядрам вследствие столкновений. В различных вариантах выполнения к материалу футляра добавлен бор для обеспечения захвата тепловых нейтронов, образующихся в результате столкновений.

В одном варианте выполнения готовый футляр может поворачиваться или наклоняться между различными рабочими положениями, в которых указанное отверстие открыто и обращено к наблюдаемому объекту, и нерабочим положением, в котором отверстие обращено к экрану из защищающего от радиации материала. В рабочем положении задняя сторона футляра эффективно защищена указанным экраном.

Отверстие, выполненное в футляре, предпочтительно закрыто прозрачной передней панелью, обеспечивающей возможность пропускания света и считывания изображения датчиком изображения. Размер прозрачной передней панели является достаточным для обеспечения заданного угла обзора. Предпочтительно передняя панель также выполнена из материала, ядра атомов которого имеют малую массу.

Для дополнительного усиления защиты от радиации модуль камеры термически соединен с теплопоглощающим охлаждающим элементом, который облегчает и увеличивает отвод тепла от модуля камеры. Охлаждающий элемент может содержать термоэлектрический охлаждающий модуль, например модуль, работа которого основана на эффекте Пельтье. Охлаждающая способность охлаждающего модуля может быть дополнительно повышена с помощью теплорассеивающих средств, проходящих от охлаждающего элемента за пределы футляра. В одном варианте выполнения теплорассеивающие средства содержат тепловые трубки. При охлаждении модуля камеры до более низких температур, например до нескольких градусов выше нуля или до приблизительно 2°С-5°С, существенно повышается качество изображения, получаемого с помощью модуля камеры.

Средняя толщина футляра может составлять несколько сантиметров, например около 5 см. При такой толщине материал обеспечивает достаточное ослабление нейтронного излучения.

В различных вариантах выполнения модуль камеры содержит стандартную камеру с датчиком и соответствующими электронными средствами, которая установлена в изолированном и герметичном кожухе. В различных вариантах выполнения кожух содержит влагонепроницаемый слой, обеспечивающий поддержание содержания влаги в кожухе на низком уровне. Для защиты модуля камеры от другого вида излучения, например гамма-излучения, может иметься дополнительный противорадиационный слой, выполненный из свинца, вольфрама или другого материала, обладающего аналогичными защитными и конструктивными свойствами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для лучшего понимания способа достижения вышеперечисленных и других преимуществ и целей изобретение, сущность которого изложена выше, описано ниже более подробно со ссылкой на конкретные варианты выполнения изобретения, изображенные на прилагаемых чертежах.

Следует понимать, что указанные чертежи изображают только типичные варианты выполнения изобретения и, следовательно, не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения, при этом изобретение описано и объяснено ниже более конкретно и подробно с использованием прилагаемых чертежей, на которых:

фиг.1 изображает схематический вид в аксонометрии и в частичном разрезе варианта выполнения предложенной камеры, содержащей модуль,

фиг.2 изображает схематический вид в аксонометрии варианта выполнения футляра, входящего в состав предложенной камеры,

фиг.3 изображает схематический вид в аксонометрии варианта выполнения кожуха, содержащего теплорассеивающие средства и входящего в состав предложенной камеры,

фиг.4 изображает схематический вид в аксонометрии футляра, показанного на фиг.2, повернутого в положение защиты,

фиг.5 изображает схематический вид в аксонометрии варианта выполнения предложенной камеры в полной комплектации,

фиг.6 изображает схематический вид в аксонометрии варианта выполнения теплопоглощающего охлаждающего элемента, термически соединенного с модулем камеры.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Вариант выполнения, изображенный на фиг.1, содержит модуль 10 камеры, содержащий обычный цифровой датчик 11 изображения и линзовый блок 13. Модуль 10 встроен в изолирующий корпус 12, выполненный из материала с низкой теплопроводностью. Изолирующий корпус 12 заключен в кожух 14. Предпочтительно модуль камеры плотно подогнан к изолирующему корпусу, а изолирующий корпус - к кожуху 14 для уменьшения количества воздуха в кожухе и предотвращения конденсации на каком-либо оптическом компоненте. В некоторых вариантах выполнения любой оставшийся воздух замещается другим подходящим газом, например СO₂ или N. В варианте выполнения, изображенном на фиг.1, между модулем 10 и изолирующим корпусом 12 расположен дополнительный противорадиационный слой 15.

Кожух 14 выполнен из воздухонепроницаемого материала, защищающего от нейтронного излучения, например из пластмассы или другого аналогичного материала, и полностью герметизирован. Противорадиационный слой 15 служит, главным образом, в качестве средства для защиты от гамма-лучей или рентгеновских лучей. Передняя сторона кожуха 14 вместе со слоем 15 образует отверстие, которое закрыто прозрачной передней панелью 16. В изолирующем корпусе 12 выполнен проход 17, обращенный к панели 16. Проход 17 корпуса 12 имеет конический профиль, проходящий от местоположения линзового блока 13 к более широкому открытому пространству, смежному с передней панелью 16.

Кожух 14 заключен в футляр 18, образованный первой коробчатой частью и второй задней частью (см. также фиг.2). Наружный размер кожуха 14 с большой точностью соответствует внутренним размерам футляра 18 для обеспечения сведения к минимуму свободного пространства между ними. Футляр служит в качестве экрана, эффективно защищающего от воздействия нейтронного излучения.

Датчик 11 изображения и модуль 10 камеры в целом термически соединены с теплопоглощающим охлаждающим элементом 20. В варианте выполнения, изображенном на фиг.1, охлаждающий элемент 20 на одном конце отходит от задней стороны указанного модуля, противоположной линзовому блоку. Противоположный конец охлаждающего элемента взаимодействует при помощи электроизоляционного переходника (не показан) с датчиком изображения или монтажной платой, на которой установлен датчик изображения. Теплопоглощающий охлаждающий элемент 20 частично выходит наружу из кожуха 14, где он термически соединен с охлаждающим устройством (см. фиг.3) и тепловыми трубками 22. Тепловые трубки выходят из футляра и обеспечивают высокоэффективную передачу тепла к теплоприемнику, установленному снаружи футляра (см. фиг.3). Охлаждающий элемент 20 предназначен для поддержания температуры модуля камеры и любых связанных с ним электронных устройств на уровне ниже 5°С, предпочтительно в диапазоне от 2°С до 5°С.

Как показано на фиг.2, футляр 18 разделен на две отдельные части. Первая коробчатая часть 24 окружает по существу весь кожух 14 с модулем 10 камеры. В передней части выполнено отверстие 26 с вырезанными краевыми поверхностями, размеры которого обеспечивают возможность размещения в нем прозрачной передней панели 16. Передняя часть выполнена дугообразной для обеспечения возможности поворота в положение защиты с получением экрана (см. фиг.4).

Вторая часть футляра образует заднюю сторону 28, взаимодействующую в плотной посадке с коробчатой частью 24. Для дополнительного уплотнения соединения между коробчатой частью 24 и задней стороной 28 обе указанные части могут быть выполнены с ребрами 30 и соответствующими канавками (не показаны). Кроме того, задняя сторона содержит опорный блок 32, предназначенный для поддержания тепловых трубок. Одна боковая секция коробчатой части 24 выполнена с зубчатыми углублениями 34 для размещения тепловых трубок.

На фиг.3 изображены задняя секция кожуха 14 и охлаждающее устройство 36, которое термически соединено с охлаждающим элементом 20. Охлаждающее устройство 36 в одном варианте выполнения содержит термоэлектрический охлаждающий модуль (ТОМ) 38. Возможно выполнение нескольких взаимосвязанных охлаждающих модулей в случае, если это необходимо для получения заданной разности температур. В альтернативных вариантах выполнения модуль камеры охлаждается с помощью обычной системы воздушного и/или жидкостного охлаждения.

Кроме того, охлаждающее устройство 36 обеспечивает опору для тепловых трубок 22, проходящих через футляр в теплоприемник 40, установленный снаружи футляра. Теплоприемник 40 может содержать оребренный элемент и, при необходимости, вентилятор. Тепловые трубки 22 также термически соединены с охлаждающим устройством 36. В процессе эксплуатации и нерабочем состоянии трубки 22 проходят в горизонтальном направлении. Горизонтальная ориентация тепловых трубок обеспечивает постоянную теплопроводность в процессе эксплуатации и в различных наклонных положениях.

Футляр 18 может поворачиваться вокруг оси 42, проходящей в горизонтальном направлении. На фиг.4 камера изображена в нерабочем состоянии и в защищенном положении, в котором дугообразная секция передней части футляра взаимодействует с экраном 44, изготовленным из того же материала, что и футляр, или аналогичного материала, защищающего от радиации.

Как показано на фиг.4, экран 44 выполнен с одной вогнутой дугообразной стороной, соответствующей дугообразной передней части футляра 18. В результате вся камера может быть повернута между регулируемыми рабочими положениями и нерабочим положением, в котором отверстие футляра 18 надежно защищено от радиации экраном 44. Поворот между рабочим и нерабочим положениями может регулироваться вручную обслуживающим персоналом или регулироваться автоматически при помощи системы управления, например, с учетом плана работ.

На фиг.5 изображена полностью укомплектованная камера. В данном варианте выполнения камера также содержит лампы 45. Лампы предпочтительно установлены на той же стороне футляра 18, что тепловые трубки и теплоприемник, для исключения ограничения наклонных перемещений камеры. На боковой стороне футляра или предпочтительно внутри него может быть установлен пирометр (не показан). Пирометр может быть выполнен с одним или несколькими лазерными индикаторами, указывающими оператору камеры направление и область измерения.

Готовая камера может быть установлена в фиксированном положении на стенном кронштейне или коммерчески доступном панорамном узле. В варианте выполнения, изображенном на фиг.5, камера установлена на моторизированной опоре 46, которая обеспечивает возможность независимых наклонных и поворотных перемещений камеры. Базовый узел 47 содержит преобразователь, необходимые электронные средства и соединительные средства, предназначенные для подключения камеры и моторизованной опоры к дистанционно расположенному посту управления.

Прецизионные электронные устройства, применяемые для контроля и наведения камеры, могут быть расположены на удалении или в надставке 49 экрана 44. В данном варианте выполнения электронные радиационно-чувствительные устройства вместе с устройствами регулирования мощности термически соединены с системой охлаждения, образованной тепловыми трубками и теплопоглощающими средствами. Для получения информации о звуке и шуме, возникающих в окружающей области, выполнен микрофон 48. Предпочтительно микрофон имеет специальную конструкцию и устойчив к радиации.

Вариант выполнения теплопоглощающего охлаждающего элемента 20, изображенный на фиг.6, содержит корпус 21, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью, например металла. Корпус 21 имеет прямоугольные боковые грани, а также нижнюю и верхнюю поверхности. Высота и ширина прямоугольных боковых граней соответствуют размерам модуля 10 камеры. От нижней поверхности корпуса 21 отходит опорная пластина 23, которая взаимодействует по меньшей мере с основной частью нижней стороны модуля 10. Опорная пластина способствует передаче тепла от модуля камеры.

На двух противоположных сторонах корпуса 21 выполнены выступы. Первый выступ 25 упирается в модуль 10 камеры, а более конкретно, в секцию указанного модуля, в которой расположена монтажная плата 27, поддерживающая цифровой датчик 11 изображения. Размеры второго выступа 29 обеспечивают его выступание из отверстия кожуха 14 для обеспечения эффективного переноса тепла из кожуха 14. Кроме того, второй выступ 29 взаимодействует с охлаждающим устройством 36, расположенным снаружи кожуха 14 и внутри футляра 18.

Материал, применяемый для противорадиационного футляра и экрана, может содержать углеводородные пластмассы (такие как полиэтилен, полипропилен и полистирол), натуральный или синтетический каучук (например силиконовую резину) и другие пластмассы или смолы, содержащие другие атомы в дополнение к атомам водорода и углерода (например акриловые, полиэфирные, полиуретановые и виниловые смолы), или может быть выполнен на их основе. Указанные органические полимеры обладают высокой эффективностью с точки зрения защиты от нейтронов вследствие высокой концентрации атомов водорода в указанных материалах. Сочетание противорадиационного футляра, в состав которого входят углеводородные пластмассы, и эффективного охлаждения модуля камеры приводит к более высокому качеству изображения как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе.

Быстрые нейтроны, замедляемые вследствие многократных столкновений с легкими ядрами, образуют тепловые нейтроны, которые могут поглощаться в процессе ядерных реакций. Общая способность полиэтилена к защите от нейтронного воздействия может быть усилена при добавлении к полиэтилену вещества, обладающего хорошими свойствами поглощения тепловых нейтронов. Подходящим веществом, обладающим свойством поглощения тепловых нейтронов, является бор.

Материал, применяемый для изготовления прозрачной передней панели 16, предпочтительно является полностью прозрачным для обеспечения получения точного изображения любого объекта, находящегося перед модулем камеры. В предпочтительном варианте выполнения применяются материалы с высоким содержанием водорода, например полиметилметакрилат (ПММА), известный под названием плексиглас.

Несмотря на то что приведено подробное описание лишь некоторых иллюстративных вариантов выполнения изобретения, следует понимать, что специалистам в данной области техники будут очевидны различные другие модификации, не выходящие за рамки объема и сущности изобретения. Следовательно, подразумевается, что объем прилагаемой формулы изобретения не ограничен приведенным в данном документе описанием, а напротив, формула изобретения должна рассматриваться как охватывающая все эквиваленты данного изобретения, очевидные специалистам в области техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к области телевизионных систем, в частности к студийному оборудованию, и касается устройства радиационно-стойкой камеры. Камера предназначена для мониторинга в средах с сильным ионизирующим излучением, преимущественно нейтронным излучением и гамма-излучением. Представленная радиационно-стойкая камера, содержит модуль (10) с электронным датчиком (11) изображения и линзовым блоком (13). Модуль (10) камеры расположен в противорадиационном футляре (18), который имеет отверстие (26), обеспечивающее возможность прохождения света в датчик (11) изображения. Кроме того, модуль (10) камеры соединен с теплопоглощающим охлаждающим элементом (20), отводящим тепло от указанного модуля (10). При этом камера установлена на моторизованной опоре (46) для обеспечения возможности ее независимых наклонных и поворотных перемещений. Технический результат заключается в использовании изобретения для повышения надежности эксплуатации камер при проведении наблюдений и мониторинга окружающей среды в условиях нейтронного излучения. 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Камера, защищающая от ионизирующего излучения и содержащая
модуль (10), содержащий электронный датчик (11) изображения и линзовый блок (13),
футляр (18), который защищает от нейтронного излучения и в котором расположен модуль (10) камеры, причем указанный футляр (18) имеет отверстие (26), обеспечивающее возможность прохождения света в датчик (11) изображения,
экран (44), защищающий от нейтронного излучения, и
теплопоглощающий охлаждающий элемент (20), соединенный с модулем (10) камеры и отводящий от него тепло,
при этом камера установлена на моторизированной опоре (46), которая обеспечивает возможность независимых наклонных и поворотных перемещений, так что футляр (18) с расположенным в нем модулем (10) камеры имеет возможность наклона между нерабочим положением, в котором отверстие (26) футляра обращено к указанному экрану (44), и регулируемым рабочим положением, в котором отверстие (26) футляра открыто.

2. Камера по п. 1, в которой теплопоглощающий охлаждающий элемент (20) термически соединен с охлаждающим устройством (36).

3. Камера по п. 2, в которой охлаждающее устройство (36) содержит термоэлектрический охлаждающий модуль (38).

4. Камера по п. 1, содержащая тепловые трубки (22) для отведения тепла от теплопоглощающего охлаждающего элемента (20) к местоположению снаружи футляра (18).

5. Камера по п. 4, в которой тепловые трубки (22) проходят по существу горизонтально.

6. Камера по п. 4, в которой тепловые трубки (22) соединены с теплоприемником (40), установленным на наружной стенке футляра (18).

7. Камера по п. 1, в которой футляр (18) выполнен из материала, содержащего углеводородные пластмассы.

8. Камера по п. 7, в которой футляр (18) выполнен из материала, содержащего бор.

9. Камера по п. 1, в которой средняя толщина футляра (18) составляет 3-10 см.

10. Камера по п. 9, в которой средняя толщина футляра (18) составляет приблизительно 5 см.

11. Камера по п. 1, в которой отверстие (26) закрыто прозрачной передней панелью (16).

12. Камера по п. 1, в которой модуль (10) камеры расположен в изолирующем и влагонепроницаемом корпусе (12).

13. Радиационно-стойкая камера по п. 1, в которой модуль (10) камеры окружен слоем (15), защищающим от гамма-излучения.