ГАММА-СПЕКТРОМЕТР ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ Российский патент 2023 года по МПК G01T1/36 

Изобретение относится к области ядерного приборостроения, а именно к спектрометрической аппаратуре радиационного мониторинга. Представляет собой прибор со сменным блоком детектирования для определения радиометрических, дозиметрических и спектрометрических характеристик гамма-излучения источников в условиях повышенного нейтронного фона в составе мобильных робототехнических комплексов (МРТК).

При проведении радиационного мониторинга объектов и территорий с целью снижения дозовой нагрузки на персонал широко применяются МРТК, несущие на борту дозиметрическую и спектрометрическую аппаратуру.

При измерениях, в ходе радиационного мониторинга, помимо гамма-излучения может быть зафиксирован интенсивный нейтронный фон, что ставит перед разработчиками необходимость решения следующих задач.

Первая задача связана с необходимостью использования спектрометрической аппаратуры с высоким разрешением. Такое оборудование позволит значительно повысить оперативность и точность измерений за счет использования полупроводниковых детекторов. Например, при контроле уровня обогащения урана, за счет получения высокого разрешения и разделения отдельных линий от изотопов урана, продолжительность процедуры измерений, по сравнению с использованием сцинтилляционных блоков детектирования, сокращается в разы - от часов до нескольких десятков минут, что в результате снижает дозовую нагрузку на робота и продлевает срок его службы.

Вторая задача связана с воздействием нейтронного излучения на структуру вещества полупроводникового детектора, которое приводит к радиационному повреждению - деградации кристалла детектора и потере достоверности результатов измерений. Для решения данной задачи требуется обеспечение работ по оперативной замене кристалла детектора.

Цель изобретения - создание гамма-спектрометра со сменным блоком детектирования, размещаемого на борту МРТК, предназначенного для ведения радиационного мониторинга объектов и территорий в условиях повышенного нейтронного фона.

Конструкция предлагаемого гамма-спектрометра обеспечивает техническую возможность оперативной замены блока детектирования при необходимости проведения поверочных работ, в соответствии с установленными сроками поверки без снятия самого гамма-спектрометра с борта МРТК.

Известен полупроводниковый спектрометр ионизирующих излучений, предназначенный для проведения ядерно-физических экспериментов, (описание полезной модели к патенту №178547, МПК G01T 1/36, заявка: 2017137537 от 27.10.2017, опубликовано: 06.04.2018, патентообладатель: Храпов Сергей Николаевич), содержащий полупроводниковый детектор на основе кристалла особо чистого германия (ОЧГ), устройство перемещения детектора, криостат для охлаждения детектора с помощью жидкого азота, электронные модули обработки и сохранения сигналов, принятых от детектора, контроллер.

Основным недостатком этого устройства является использование системы охлаждения на жидком азоте, которая хоть и позволяет оперативно заменять использованные ОЧГ-детекторы, но ее установка и использование в составе МРТК не могут быть технически реализованы. При этом, необходимость замены детектора обусловлена сроком проведения поверочных работ.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является гамма-спектрометр, предназначенный для измерения спектров гамма-излучения из термоядерной плазмы в присутствии интенсивных потоков нейтронного излучения, (описание полезной модели к патенту №209993, МПК G01T 1/36 (2006.01), заявка: 2021128507 от 27.09.2021, опубликовано: 24.03.2022, патентообладатель: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом»).

Устройство содержит корпус радиационной защиты из магнитного металла с входным каналом для гамма-излучения, полупроводниковый детектор, установленный в первой полости составного корпуса по оси входного канала и электрически соединенный с первым входом блока регистрации и обработки данных измерений. Во входном канале установлен нейтронный аттенюатор. Полупроводниковый гамма-детектор выполнен на основе кристалла ОЧГ с электромеханической системой охлаждения на основе двигателя Стирлинга.

Недостатками указанного прототипа является отсутствие технической возможности оперативной замены детектора, при его деградации от воздействия нейтронного излучения, из-за размещения регистрирующей части прибора в закрытом массивном металлическом корпусе, а также отсутствие технически реализуемых решений по использованию устройства в составе МРТК.

Существенными общими признаками прототипа и заявляемого изобретения является назначение, связанное с проведением измерений радиометрических, дозиметрических и спектрометрических характеристик гамма-излучения в условиях повышенного нейтронного фона, использование полупроводникового детектора на основе ОЧГ и электромеханической системой охлаждения на основе двигателя Стирлинга.

Задачей предлагаемого изобретения, решение которой не обеспечивается прототипом, является обеспечение технической возможности размещения гамма-спектрометра на борту МРТК и оперативной замены блока детектирования без полного демонтажа гамма-спектрометра.

Поставленная задача решается за счет реализации модульного принципа построения гамма-спектрометра, в результате которого прибор состоит из двух частей: блока детектирования, регистрирующего излучение, и блока электроники, обеспечивающего питание, охлаждение кристалла и предварительную обработку информации. Связь блока детектирования и блока электроники обеспечивается с помощью быстросъемного герметичного соединения.

Техническим результатом является возможность оперативной замены на борту МРТК использованного блока детектирования на новый: время остановки измерений для замены блока детектирования составляет не более 5 минут.

Предложен гамма-спектрометр со сменным блоком детектирования, предназначенный для определения радиометрических, дозиметрических и спектрометрических характеристик гамма-излучения источников в условиях повышенного нейтронного фона в составе МРТК.

На фиг.1 представлена блок-схема гамма-спектрометра.

Гамма-спектрометр состоит из двух разделяемых модулей (Фиг. 1): блока детектирования 1 и блока электроники 2. В состав блока детектирования, имеющего цилиндрическую форму, входит полупроводниковый детектор 3, выполненный из ОЧГ, предусилитель 4 и выход электромеханической системы охлаждения 5, представляющий собой трубку криостата с медной пластиной на конце. Блок электроники включает в себя усилитель 6, формирователь нормализованных сигналов 7, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, блок питания 9 и электромеханическую систему охлаждения на основе двигателя Стирлинга 10, а также устройство вывода информации 11.

На фиг.2 представлена схема быстросъемного и герметичного соединения блоков детектирования и электроники.

Связь блока детектирования и блока электроники обеспечивается за счет легкосъемного герметичного соединения, представляющего собой не менее трех штырей 12, симметрично расположенных по окружности блока детектирования, и ответного отверстия удлинителя криостата электромеханической системы охлаждения 13, а также расположенных на блоке электроники удлинителя криостата электромеханической системы охлаждения 14 и ответных отверстий под штыри 15.

Герметичность соединения обеспечивается за счет использования холодостойкого резинового покрытия, или аналогичного, нанесенного на внутренние поверхности отверстий под штыри и обеспечивающего их плотное прилегание. Обмен данными и питание блока детектирования обеспечивается за счет соединителя, состоящего из вилки приборной и розетки кабельной или аналогичного соединения. Кроме того, на блоке электроники предусмотрены болтовые отверстия для крепления прибора к корпусу МРТК.

В реализованном гамма-спектрометре быстросъемное герметичное соединение содержало 12 штырей толщиной 8 мм и длиной 130 мм и ответные отверстия под них, резиновое покрытие типа СП-222, а соединитель представлял собой приборную вилку и кабельную розетку типа ОНЦ-БС-1(2). При необходимости проведения работ МРТК в экстремальных условиях и/или на пересеченной местности, а также при прочих условиях, создающих интенсивную вибрацию и тряску, в одном из вариантов исполнения предусмотрена возможность использования дополнительных магнитных держателей, типа А20 или аналогичных, внутри блока электроники, обеспечивающих дополнительную жесткость крепления между корпусом блока электроники и соответствующими штырями.

Замена использованного блока детектирования на новый осуществляется следующим образом:

- Выключают электромеханическую систему охлаждения.

- Отсоединяют приборную вилку от кабельной розетки.

- Отсоединяют блок детектирования от блока электроники: штыри и удлинитель криостата электромеханической системы охлаждения извлекают из ответных отверстий.

- Присоединяют новый блок детектирования, совместив штыри и удлинитель криостата с соответствующими отверстиями на блоке электроники.

- Подключают приборную вилку к кабельной розетке.

- Включают электромеханическую систему охлаждения.

Изобретение относится к области ядерного приборостроения. Гамма-спектрометр состоит из блока детектирования и блока электроники, механически связанных с помощью быстросъемного герметичного соединения, представляющего собой не менее трех штырей, симметрично расположенных по окружности блока детектирования и ответного отверстия под удлинитель криостата электромеханической системы охладителя, а также расположенных на блоке электроники удлинителя криостата электромеханической системы охладителя и ответных отверстий под штыри, обеспечивающих герметичный контакт блока детектирования и блока электроники, а электрическое соединение блоков и обмен данными осуществляется с помощью герметичного соединения, состоящего из вилки приборной и розетки кабельной, кроме того, на блоке электроники предусмотрены болтовые отверстия для крепления к мобильному робототехническому комплексу (МРТК). Технический результат – возможность оперативной замены на борту МРТК использованного блока детектирования на новый. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гамма-спектрометр, предназначенный для определения радиометрических, дозиметрических и спектрометрических характеристик гамма-излучения источников в условиях повышенного нейтронного фона, состоящий из блока детектирования, включающего в себя детектор, выполненный из кристалла особо чистого германия (ОЧГ), предусилителя, соединенного с блоком электроники, включающим в себя электромеханическую систему охлаждения на основе двигателя Стирлинга, блок питания, усилитель, формирователь нормализованных сигналов, АЦП и устройство вывода информации, отличающийся тем, что конструктивно состоит из блока детектирования и блока электроники, механически связанных с помощью быстросъемного герметичного соединения, представляющего собой не менее трех штырей, симметрично расположенных по окружности блока детектирования и ответного отверстия под удлинитель криостата электромеханической системы охладителя, а также расположенных на блоке электроники удлинителя криостата электромеханической системы охладителя и ответных отверстий под штыри, обеспечивающих герметичный контакт блока детектирования и блока электроники, а электрическое соединение блоков и обмен данными осуществляется с помощью герметичного соединения, состоящего из вилки приборной и розетки кабельной, кроме того, на блоке электроники предусмотрены болтовые отверстия для крепления к мобильному робототехническому комплексу (МРТК).

2. Гамма-спектрометр по п.1, отличающийся тем, что между корпусом блока электроники и штырями блока детектирования дополнительно введены магнитные соединения.