РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГАЗОВОГО БАРЬЕРНОГО РАЗРЯДА ДЛЯ КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И ГАЗОВЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В ПОЛИМЕРНОЙ КАБЕЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИИ Российский патент 2015 года по МПК H01J35/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, например, для контроля металлических и газовых дефектных включений в полимерной кабельной изоляции с использованием рентгеновского излучения электрического газового барьерного разряда (ЭГБР).

Заявляемое изобретение относится к приоритетным направлениям развития науки и технологий «Технологии создания и обработки полимеров и эластомеров» и «Технологии механотроники и создания микросистемной техники» (Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий / Ю.Г. Смирнов, Е.В. Скиданова, С.А. Краснов. - М.: ПАТЕНТ, 2008. - с.41, 75).

Использование рентгеновского излучения от традиционных вакуумных рентгеновских трубок для контроля дефектов в полимерной кабельной изоляции не позволяет обеспечить необходимую контрастность изображения металлических и газовых включений. Это обусловлено тем, что излучение вакуумных рентгеновских трубок является достаточно коротковолновым - (1-10A) и плохо поглощается в тонких слоях материалов малой плотности - (полимерные кабельные диэлектрики, толщиной не более 4-8 мм и тонкие алюминиевые, медные и воздушные включения, толщиной несколько мкм). Коротковолновое рентгеновское излучение вакуумных рентгеновских трубок такие дефекты в полимерной изоляции практически не замечает.

Существенные преимущества при рентгеновском контроле металлических и газовых дефектов в полимерной кабельной изоляции перед традиционными вакуумными рентгеновскими трубками обеспечивают источники рентгеновского излучения ЭГБР.

Известно, что электрический газовый барьерный разряд является высокоинтенсивным и протяженным источником длинноволнового рентгеновского излучения (Новиков, Г.К. Плазмофизические электротехнологии модификации и контроля дефектности полиолефиновой кабельной изоляции: монография / Г.К. Новиков; Иркутский гос. техн. ун-т. - Изд-во ИрГТУ, 2008. - 100 с. - 1), которое может быть использовано для просвечивания тонких слоев полимерных кабельных материалов с целью обнаружения в них мелких металлических и газовых включений.

Известно, что традиционные оптические методы контроля дефектности кабельной изоляции [Шувалов М.Ю. Исследование надежности силовых кабелей среднего и высокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена (М.Ю. Шувалов, В.Л. Овсиенко, Д.В. Колосков // Кабели и провода. - 2007. - №5. - С 24-32. - 2) в ряде случаев оказываются непригодными из-за непрозрачности большинства полимерных кабельных диэлектриков в оптическом диапазоне длин волн.

Главный их недостаток - низкая проникающая способность оптического излучения, что не позволяет фотографически регистрировать металлические и газовые включения в полиэтиленовой - ПЭ, поливинилхлоридной - ПВХ и полипропиленовой - ПП кабельной изоляции.

Известны отпаянные и разборные рентгеновские трубки Кулиджа (Блохин М.А., Швейцер И.Г. Рентгеноспектральный справочник. - М.: Наука, 1982. - 375 с. - 3), которые являются источниками тормозного и характеристического рентгеновского излучения с длиной волны менее 10 нм, которое плохо поглощается полимерами.

Главным недостатком рентгеновского излучения этих трубок является его высокая проникающая способность, когда невозможно зарегистрировать металлические и газовые дефекты в тонкой полимерной кабельной изоляции, а также высокая стоимость самих рентгеновских трубок и всего необходимого для них вспомогательного рентгеновского оборудования.

Известны ионные источники рентгеновского излучения с антикатодом (Блохин М.А., Швейцер И.Г. Рентгеноспектральный справочник. - М.: Наука, 1982. - 375 с. - 3), использующие газ низкого давления - (ниже 0, 01 атм), очень чувствительные к давлению остаточного газа.

Главным недостатком этих источников является необходимость специальной системы регулировки давления. Ионные трубки являются источниками тормозного и характеристического рентгеновского излучения с длиной волны менее 1 нм, которое плохо поглощается полимерами. Главным недостатком рентгеновского излучения этих трубок является его высокая проникающая способность, когда невозможно зарегистрировать металлические и газовые дефекты в тонкой полимерной кабельной изоляции, а также высокая стоимость самих рентгеновских трубок и рентгеновского оборудования.

За прототип принята газоразрядная рентгеновская трубка электрического газового барьерного разряда (Г.К. Новиков, А.И. Смирнов, Г.В. Маркова, Л.Н. Новикова // Патент РФ на полезную модель №100849, БИ №36, опубликовано 27.12.2010 - 8).

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:

- корпус в виде цилиндрической стеклянной колбы, заполненной рабочим газом;

- высоковольтный электрод, на поверхности которого расположен диэлектрический барьер из кварцевого стекла;

- установленный напротив высоковольтного электрода металлический электрод, снабженный устройством для его охлаждения.

Недостатком прототипа является недостаточная интенсивность для обнаружения в полимерной кабельной изоляции металлических и газовых включений, так как он работает «на прострел».

Изобретение направлено на создание устройства, излучающего мягкое рентгеновское излучение - в диапазоне от 1 до 10 нм, позволяющего фотографически регистрировать металлические и газовые включения в полиэтиленовой - ПЭ, поливинилхлоридной - ПВХ и полипропиленовой - ПП кабельной изоляции.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение контрастности изображения металлических и газовых включений за счет мягкого рентгеновского излучения в диапазоне от 1 до 10 нм, что повышает точность их фотографической регистрации.

Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что в рентгеновской трубке электрического газового барьерного разряда для контроля металлических и газовых включений в полимерной кабельной изоляции, содержащей корпус в виде цилиндрической стеклянной колбы, заполненной рабочим газом, высоковольтный электрод, на поверхности которого расположен диэлектрический барьер из кварцевого стекла, и установленный напротив высоковольтного электрода металлический электрод, снабженный устройством для его охлаждения, согласно изобретению металлический электрод выполнен отражающим конической формы с углом конусности, равным 90°, и толщиной, удовлетворяющей условию:

h_a≥100 мкм,

где h_a - толщина отражающего металлического конического электрода, мкм. При этом выходное окно для рентгеновского ЭГБР излучения выполнено в цилиндрической стеклянной колбе на одном конце, а на другом конце в стенке цилиндрической стеклянной колбы выполнено сквозное отверстие для напуска в рентгеновскую трубку рабочего газа.

Технический результат заявляемого изобретения достигается также тем, что цилиндрическая стеклянная колба выполнена толщиной в пределах от 3 до 10 мм с соотношением ее диаметра и длины, удовлетворяющим следующему условию:

L=10d,

где L - длина стеклянной цилиндрической колбы, мм;

d - диаметр стеклянной цилиндрической колбы, мм.

Выходное окно для рентгеновского ЭГБР излучения в заявляемом устройстве выполнено из алюминиевой или бериллиевой фольги толщиной 10 мкм или из пленки полиэтилентерефталата толщиной 1-10 мкм. В качестве рабочего газа использован аргон с активирующей добавкой летучего в ЭГБР 0,1 мг/см³ мелкодисперсного порошка PbO₂.

Отличительной особенностью предлагаемого газоразрядного устройства-источника рентгеновского излучения для контроля металлических и газовых включений в полимерной кабельной изоляции является простота исполнения, использование в качестве газа ЭГБР аргона с добавкой мелкодисперсного, летучего в ЭГБР, порошка PbO₂ и сравнительно длинноволновый диапазон рентгеновского излучения - 1-10 нм. Рентгеновское излучение этого волнового диапазона хорошо поглощается в тонких слоях полимерной кабельной изоляции и по этой причине его выгодно использовать для контроля металлических и газовых дефектов в полимерной кабельной изоляции.

Из уровня техники известны отражающие металлические электроды, например, в рентгеновской трубке по патенту RU №2303828, МПК H01J 35/02, использование которой в рентгенофлуоресцентных измерительных установках позволяет проводить многоэлементный анализ металлов и сплавов, а также идентификации в исследуемых веществах обширного ряда химических элементов. Однако известный аналог не позволяет обнаруживать металлические и газовые включения в полимерной кабельной изоляции из-за недостаточной контрастности. В то время как в заявляемой совокупности признаков - выполнение металлического электрода конической формы с заданным углом конусности и толщиной, выполнение выходного окна для рентгеновского ЭГБР излучения в цилиндрической стеклянной колбе на одном конце и на другом конце сквозного отверстия, в котором установлен патрубок для напуска в рентгеновскую трубку рабочего газа, а также использование в качестве рабочего газа аргона или азота с активирующей добавкой летучего в ЭГБР 0,1 мг/см³ мелкодисперсного порошка PbO₂ - достигается новый технический результат, заключающийся в возможности фотографической регистрации металлических и газовых включений в полимерной кабельной изоляции за счет повышения контрастности изображения.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена рентгеновская трубка электрического газового барьерного разряда для контроля металлических и газовых включений в полимерной кабельной изоляции - рентгеновская газоразрядная трубка ЭГБР (Ar+PbO₂) с Pb анодом на отражение.

Элементам заявляемого устройства присвоены следующие цифровые позиции:

1 - цилиндрическая стеклянная колба трубки;

2 - отражающий заземленный металлический электрод;

3 - медная трубка водяного охлаждения;

4 - высоковольтный электрод;

5 - кварцевый диэлектрический барьер;

6 - выходное окно для рентгеновского ЭГБР излучения;

7 - патрубок для напуска в рентгеновскую трубку рабочего газа Ar+PbO₂.

На фиг.2 представлено фото рентгеновского изображения четырех алюминиевых стружек в ПВХ изоляции силового кабеля АВВГ, полученное с помощью заявляемой рентгеновской газоразрядной трубки ЭГБР (Ar, U=40 кВ, Р=1 атм, PbO₂ - 0,1 мг/см³).

1 - время экспозиции - 1 мин, 2 - время экспозиции - 2 мин, 3 - время экспозиции - 3 мин.

На фиг.3 представлено фото рентгеновского изображения воздушных включений (газовые пузыри) в ПВХ изоляции силового кабеля АВВГ, полученное с помощью заявляемой рентгеновской газоразрядной трубки ЭГБР (Ar, U=40 кВ, Р=1 атм, PbO₂ - 0,1 мг/см³).

Газоразрядный источник рентгеновского излучения ЭГБР представляет собой устройство (фиг.1), состоящее из цилиндрической стеклянной колбы 1 (трубка из обычного или кварцевого стекла диаметром d) с двумя электродами: одним - высоковольтным 4, на поверхности которого располагается кварцевый диэлектрический барьер 5, толщиной 3-5 мм, и другим - отражающим заземленным металлическим электродом 2. Толщина стенки цилиндрической стеклянной колбы 1 - от 3 до 10 мм в зависимости от напряжения ЭГБР высоковольтного электрода 4. Длина L цилиндрической стеклянной колбы 1 (диэлектрической трубы) равна 10d.

На низковольтном конце цилиндрической стеклянной колбы 1 расположен отражающий заземленный металлический конический электрод 2 - (угол конусности φ=90°, толщина h_a≥100 мкм). Выходное окно для рентгеновского ЭГБР излучения 6 выполняется из бериллиевой или алюминиевой (Be, Al) фольги толщиной 10 мкм или пленки полиэтилентерефталата (ПЭТФ) толщиной 1-10 мкм. В стенке диэлектрической трубы (цилиндрической стеклянной колбы 1) имеется отверстие, в котором установлен патрубок для напуска в рентгеновскую трубку рабочего газа Ar+PbO₂, через который производится откачка источника рентгеновского излучения с помощью вакуумного насоса (на чертеже не показан) и напуск в рентгеновскую трубку рабочего газа - аргона с активирующей добавкой летучего в ЭГБР мелкодисперсного порошка PbO₂ 0,1 мг/см³.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Высоковольтное переменное напряжение промышленной частоты 40-100 кВ подается на высоковольтный электрод 4, защищенный слоем стекла и кварцевым диэлектрическим барьером 5. В рабочем газе, находящемся внутри трубки при определенном давлении, возникает электрический газовый барьерный разряд - ЭГБР, который является источником многочисленных искровых частичных разрядов - ИЧР.

Многочисленные электронные лавины ИЧР проникают на определенную глубину в металл отражающего заземленного металлического электрода (анода) 2 и служат источниками длинноволнового тормозного рентгеновского излучения. Длинноволновое тормозное рентгеновское излучение электронных лавин ИЧР выходит через выходное окно для рентгеновского ЭГБР излучения 6 рентгеновской трубки ЭГБР наружу и поступает на облучаемый объект (на чертеже не показан). Мягкое рентгеновское излучение газоразрядной трубки ЭГБР в диапазоне от 1 до 10 нм хорошо поглощается в сравнительно тонких слоях полимерных кабельных материалов и может быть использовано для выявления металлических, диэлектрических и газовых дефектов в полимерной кабельной изоляции.

Пример практической реализации устройства

Для регистрации металлических и воздушных включений в полимерной поливинилхлоридной изоляции силового кабеля АВВГ используется трубчатый источник рентгеновского излучения ЭГБР. Газоразрядное устройство-источник рентгеновского излучения - (см. фиг.1) состоит из кварцевой трубы, длиной 200 мм, диаметром 20 мм с толщиной стенки 5 мм с центральным высоковольтным медным электродом и медным коническим отражающим электродом диаметром 20 мм. Внутри кварцевой трубки содержится газ (аргон + PbO₂ - 0,1 мг/см³) под давлением 1 атм. Выходное окно для рентгеновского ЭГБР излучения изготовлено из алюминиевой фольги, толщиной 10 мкм, которое с помощью эпоксидного клея приклеено к одному из концов кварцевой трубки. Отражающий заземляемый электрод из медной фольги, толщиной 0,5 мм имеет водяное охлаждение. На расстоянии 10 мм от выходного окна газоразрядного устройства - источника рентгеновского излучения располагается специально подобранный образец поливинилхлоридной изоляции силового кабеля АВВГ, содержащий металлическое включение в виде алюминиевой стружки и воздушные пузыри. С противоположной стороны на расстоянии 1 мм от поверхности кабельной изоляции располагается фотокамера для регистрации рентгеновского изображения кабельной изоляции. На высоковольтный электрод подается переменное высоковольтное напряжение - (40 кВ, время экспозиции - 1, 2 и 3 мин). После экспозиции рентгеновская пленка проявляется.

На фиг.2, 3 представлены полученные с помощью предлагаемого устройства рентгеновские фотографии полимерной кабельной изоляции силового кабеля АВВГ, содержащей алюминиевые и газовые (воздушные) включения. Видно, что кусочки алюминиевой стружки, находящиеся в толще ПВХ изоляции кабеля, четко различаются на рентгеновской фотографии в виде светлого изображения, а воздушные включения дают характерные области потемнения рентгеновской фотопленки.

Рентгеновское излучение электрического барьерного газового разряда является длинноволновым, хорошо поглощается в сравнительно тонких слоях полимерной кабельной изоляции и может быть использовано для контроля металлических и газовых дефектов - (включений) в полимерной изоляции кабелей.

Источники информации

1. Новиков Г.К. Плазмофизические электротехнологии модификации и контроля дефектности полиолефиновой кабельной изоляции: монография / Г.К.Новиков; Иркутский гос. техн. ун-т.- Изд-во ИрГТУ, 2008. - 100 с.

2. Шувалов М.Ю. Исследование надежности силовых кабелей среднего и высокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена / М.Ю. Шувалов, В.Л. Овсиенко, Д.В. Колосков // Кабели и провода. - 2007. - №5. - С24-32.

3. Блохин М.А., Швейцер И.Г. Рентгеноспектральный справочник. - М.: Наука, 1982. - 375 с.

4. Гинье А. Рентгенография кристаллов. Изд-во физ.-мат. литературы, М., 1961, 604 с.

5. Новиков Г.К. Электретный эффект и подвижность носителей заряда в полимерных и слюдяных диэлектриках / Г.К. Новиков, В.В. Федчишин // Электротехника, 2014. - №3. - С.53-56.

6. Новиков Г.К. Рентгеновское излучение частичных разрядов в полимерной кабельной изоляции / Г.К. Новиков, А.И. Смирнов // Электричество. - 2010. - №12. - С.47-49.

7. Новиков Г.К. Газоразрядное устройство-источник рентгеновского излучения / Г.К. Новиков, А.И. Смирнов, Г.В. Маркова, В.Г. Новиков // Патент РФ №2393581, БИ №24, 27.06.10 (аналог).

8. Новиков Г.К. Газоразрядная рентгеновская трубка электрического газового барьерного разряда / Г.К. Новиков, А.И. Смирнов, Г.В. Маркова, Л.Н. Новикова // Патент РФ (на полезную модель) №100849, БИ №36, 27.12.2010 (прототип).

9. Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий / Ю.Г. Смирнов, Е.В. Скиданова, С.А. Краснов. - М.: ПАТЕНТ, 2008. - c.41.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, например, для контроля металлических и газовых дефектных включений в полимерной кабельной изоляции с использованием рентгеновского излучения электрического газового барьерного разряда (ЭГБР). Металлический электрод выполнен отражающим, конической формы, с заданными углом конусности и толщиной. Выходное окно для рентгеновского ЭГБР излучения выполнено в цилиндрической стеклянной колбе на одном конце, а на другом конце - сквозное отверстие, в котором установлен патрубок для напуска в рентгеновскую трубку рабочего газа. В качестве рабочего газа использован аргон или азот с активирующей добавкой летучего в ЭГБР 0,1 мг/см³ мелкодисперсного порошка РbO₂. Технический результат - повышение контрастности изображения металлических и газовых включений за счет мягкого рентгеновского излучения в диапазоне от 1 до 10 нм, что повышает точность их фотографической регистрации. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Рентгеновская трубка электрического газового барьерного разряда для контроля металлических и газовых включений в полимерной кабельной изоляции, содержащая корпус в виде цилиндрической стеклянной колбы, заполненной рабочим газом, высоковольтный электрод, на поверхности которого расположен кварцевый диэлектрический барьер, и установленный напротив высоковольтного электрода металлический электрод, снабженный устройством для его охлаждения, отличающаяся тем, что металлический электрод выполнен отражающим конической формы с углом конусности, равным 90°, и толщиной, удовлетворяющей условию:
h_a≥100 мкм,
где h_a - толщина отражающего металлического конического электрода, мкм;
при этом выходное окно для рентгеновского ЭГБР излучения выполнено в цилиндрической стеклянной колбе на одном конце, а на другом конце в стенке цилиндрической стеклянной колбы выполнено сквозное отверстие, в котором установлен патрубок для напуска в рентгеновскую трубку рабочего газа.

2. Рентгеновская трубка по п.1, отличающаяся тем, что цилиндрическая стеклянная колба выполнена толщиной в пределах от 3 до 10 мм с соотношением ее диаметра и длины, удовлетворяющим следующему условию:
L=10d,
где L - длина стеклянной цилиндрической колбы, мм;
d - диаметр стеклянной цилиндрической колбы, мм.

3. Рентгеновская трубка по п.1, отличающаяся тем, что выходное окно для рентгеновского ЭГБР излучения выполнено из алюминиевой или бериллиевой фольги толщиной 10 мкм или из пленки полиэтилентерефталата толщиной 1-10 мкм.

4. Рентгеновская трубка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве рабочего газа использован аргон или азот с активирующей добавкой летучего в ЭГБР 0,1 мг/см³ мелкодисперсного порошка PbO₂.