Теплопроводящий калориметр для определения плотности потока ионизирующего излучения и способ изготовления его калориметрической ячейки Советский патент 1983 года по МПК G01T1/12 

1 Изобретение относится к области дозиметрии ионизирующих излучений. Калориметр может найти применен для абсолютных дозиметрических изм рений ионизирующих излучений в радиационной физике, химии. В настоящее время известны весь ма разнообразные калориметрические устройства для измерения тепловых, эффектов, сопровождающих различные физико-химические процессы, в том числе и тепловых эффектов при поглощении ионизирующего излучения. Характерной особенностью большин, ства из них является большая инерционность, обусловленная главным образом требованием тщательной защиты от воздействия изменения параметров окружающей среды. Типичном представителем таких калориметров является калориметр для измерения интенсивности гаммаизлучения 1. Конструкция миниатюрного датчика для калориметрических измерений интенсивности гамма-излучения предназначена для использования в ядерных реакторах. Калориметр состоит из тонкостенной нержавеющей трубки 6 мм (толщина стенки 0,5 мм) с запаянным дно в которой расположен графитовый поглотитель длиной 40 мм и мм. Постоянство зазора обеспечивается двумя кольцами из медной проволоки 00,5 мм. Графитовый поглотитель с помощью держателя жестко связан с припаянной к корпусу верхней пробкой, через отверстия которой внутр калориметра заведены две железокон стантановые термопары. Одна из тер мопар закреплена в отверстии в теле поглотителя, а другая через отверстие в стенке корпуса выведена нару жу и закреплена с внешней стороны на одном уровне т первой. Температура графитового поглотителя пропорциональна интенсивности излучения, а величина теплового потока че рез воздушный зазор и стенки корпус пропорциональна перепаду температур регистрируемого термопарами. Поскольку термочувствительным элементом служит лишь одна дифференциальная термопара, чувствитель ность рассмотренного калориметра не высока. Не отличается калориметр также и быстродействием. Известен теплопроводящий калориметр, содержащий вмонтированную 5 В термостатируемом теплопроводном блоке измерительную ячейку, представляющую собой снабженную теплометрической оболочкой камеру 2. В качестве последней обычно используют равномерно распределенную на поверхности камеры батарею из большого числа последовательно соединенных металлических или полупроводниковых дифференциальных теомопар, холодные и горячие спаи которых соответственно находятся в тепловом контакте с поверхностями камеры и теплопроводного блока. Известный способ изготовления теплометрической оболочки обычно сводится к последовательному соединению в батарею методом сварки или пайки большого количества (несколько сот штук /коротких участков термоэлектродной проволоки или полупроводниковых термоэлементов и их равномерному радиальному размещению в зазоре между камерой ячейки и блоком. {Конструкция такого калориметра отличается большой сложностью, а техника изготовления трудоемка и дорогостояща, особенно изготовление и монтаж теплометрической оболочки, в силу чего стоимость калориметра весьма высока, что ограничивает его широкое применение в исследовательской и производственной практике. Кроме того, наличие массивного термостатируемого блока затрудняет измерение потока ионизирующего излучения от мощного внешнего источник ка. 3 силу чего такие калориметры используются лишь для измерения потоков от радиоактивных источников, помещаемых внутри ячейки калориметра. Наиболее близким по конструкц-ии к предложенному техническому решению является теплопроводящий калориметр для определения плотности потока ионизирующего излучения, содержащий поглощающий излучение образец, помещенный внутрь диаметрической калориметрической ячейки, представляющей собой вспомогательную стенку в виде батареи последовательно соединенных гальванических термопар, находящихся в тепловом контакте с образцом и прозрачной для ионизирующего излучения наружной оболочкой З. Конструктивно калоример выполнен в виде размещенных в теплопровод- ,ном. блоке рабочей и компенсацион1ной ячеек с теплометрическими оболочками, представляющими собой терм градиентный слой, в качестве которого используется ленточная термобатарея, навитая на внешнюю конусную поверхность каждой ячейки. Собственно термочувствительным элементом служит в свою очередь навитая на ленточную основу термоэлектродная проволока с чередующимися гальваническими покрытиями в паре с непокрытыми участками, образующими ветви батареи последовательно соединенных дифференциальных термопар. Известен способ изготовления кал риметрической ячейки теплопроводящего калориметра для определения плотности потока ионизирующего излучения, включающий операцию гальва нического осаждения парного термо- . электрического материала на одну из ветвей каждого элемента термобатареи С . На эластичную пленку прямоугольного сечения по спирали навивают проволоку из термоэлектрического материала, например константана, служащего заготовкой для ветвей будущей термобатареи. Часть спирали покрывается электроизоляционным лаком, а на оставшиеся непокрытыми участки проволоки гальванически оса дают парный первому термоэлектродный материал, например медь или се.ребро. Этот изящный прием изготовления термочувствительного элемента путем гальванического осаждения парного термоэлектрического материала для п лучения дифференциальной термобатареи исключает дорогостоящую операцию пайки или сварки большого количества коротких термоэлектродов и ч стично облегчает монтаж калориметри ческих ячеек. При этом упрощается и сама конструкция калориметра. Наряду с указанным описанному те ническому решению присущи определен ные недостатки. Вследствие того, что значительную часть сечения тепл метрической оболочки занимает основа, на которую навита термобатарея, не весь рассеиваемый ячейками поток энергии проходит по ветвям термобат реи, что заметно снижает чувствител ность калориметра. В то же время на чие основы в теплометрической обо лочке увеличивает теплоемкость и тем самым снижает быстродействие калориметра. Описанный способ изготовления теплометрической оболочки не позволяет получить ее без основы и тем самым устранить указанные недостатки. Кроме того, техника изготовления и монтажа теплометрической оболочки остаются довольно трудоемкими. Целью изобретения является уменьшение инерционности и упрощение техники изготовления калориметра. Поставленная цель достигается тем, что в теплопроводящем калориметре для определения плотности потока ионизирующего излучения, содержащем поглощающий излучение образец, помещенный внутрь диатермической калориметрической ячейки, представляющей собой (вспомогательную стенку в виде батареи последовательно соединенных гальванических термопар, находящихся в тепловом контакте с образцом и прозрачной для ионизирующего излучения наружной оболочкой, его термобатарея выполнена в виде тонкостенной цилиндрической оболочки, спрофилированной в форме трапеции, разрезанной по винтовой линии И состоящей из чередующихся моно- и биметаллических участков фольги с местами перехода по середине оснований трапеций. В способе изготовления калориметрической ячейки теплопроводящего калориметра для определения плотности потока ионизирующего излучения, включающем известную операцио гальванического осаждения парного термоэлектрического материала на одну из ветвей каждого элемента термо(5атареи, вдоль образующей полой цилиндрической заготовки из легкоплавкого металла нарезают шлицы трапецеидального профиля с зубьями и впадинами, на поверхность обработанной таким образом заготовки гальванически осаждают один из термопарных материалов, затем в чередующемся порядке половину каждого зуба и впадины покрывают электроизолирующим слоем, а на оставшуюся неизолированной часть профиля гальваническим способом осаждают слой парного первому покрытию термоэлектрического материала, после этого на поверхности заготовки на глубину фасонного профиля по винтовой линии нарезают

одноэаходную канавку, отрезают торцы, нагревают до температуры плавления легкоплавкой составляющей заго товки и удаляют ее.

На фиг. 1 изображена конструкция калориметра, предназначенного для определения плотности потока ионизирующего излучения; на фиг.2разрез А-А на фиг. 1.

Калориметр/состоит из измерительной ячейки, заключенной в диатермическую к контролируемому спектру излучения тонкостенную теплопро1зодяцую оболо1жу-кожух 1. Ячейка содержит калориметрическую камеру 2, находящуюся в тепловом контакте с внешней оболочкой 1 посредством батареи гальванических термопар 3. Последняя выполнена в виде разрезанной по винтовой линии тонкостенной спрофилированной в форме трапеций оболочки, состоящей из чередующихся монометаллических 5 и биметаллических 6 участков фольги с местами перехода, служащими спаями дифференциальных термопар, по середине оснований трапеций. В калориметрическую камеру 2 помещен поглощающий излучение цилиндрический образец 7. Торцы камеры закрыты теплоизолирующими пробками 8.

Работа калориметра и техника измерения с его помощью сводится к следующему Предварительно снимают градуировочную характеристику калориметра. С этой целью в калориметрическую камеру 2 помещают нагревательный элемент, к.которому подводят ка/1иброванную электрическую мощность и в установившемся тепловом режиме определяют вольт-ваттную чувствительность калориметра. Для измерения плотности потока ионизирующего излучения в калориметрической камере 2 вместо нагревателя располагают поглощающий излучение образец 7, а сам теплопроводящий калориметр устанавливают в канал исследуемого объекта. Излучение, пронизывая внешнюю оболочку I калориметра, батарею терм пар 3, калориметрическую камеру 2 поглощается образцом 7 и в виде тепловой энергии рассеивается им через теплометрическую оболочку в окружающую среДу. Генерируемый термобатареей электрический сигнал измеряют и по его величине, зная вольтваттную чувствительность калориметра

судят о плотности измеряемого излучения.

Предложенный способ изготовления калориметрической ячейки теплопроводящего калориметра для определения плотности потока ионизирующего излучения.был опробован в ИТТФ АН УССР. В качестве легкоплавкой составляющей заготовки был применен сплав Зуда. На .поверхность полой цилиндрической заготовки диаметром-20 мм вдоль образующей на строгальном станке нарезались шлицы трапецеидального профиля на глубину 2-3 мм. На поверхность обработанной таким образом заготовки гальванически наносился слой железа толщиной 30 мкм. 5 качестве парноготермоэлектродного материала был использован никель наносимый на половину поверхности каждого трапецеидального профиля слоем 10 мкм. На внешней поверхности заготовки на глубину шлицев по винтовой линии с шагом 3 мм нарезалась однозаходная канавка. Для удаления легкоплавкой составляющей заготовка нагревалась до температуры 70°С и выплавлением удалялся сплав Зуда.

Эффективность предлагаемого теплопроводящего калориметра и способа изготовления его калориметрической ячейки обусловлена универсальностью устройства и простотой техники изготовления любых типоразмеров калори метра, возможностью в едином технологическом цикле гальванического осаждения получить тер(ючувствительный элемент калориметра, а также упрощением техники изготовления и монтажа калориметра.

Предложенная конструкция и техника ее изготовления принципиально позволяют получить калориметр миниатюрных размеров, благодаря чему исключаются искажения, вносимые в результаты измерений неизотермичностью температурного поля исследуемого объекта , например неизотермичностью по толщине защитного слоя реактора. При этом отпадает необходимость в использовании массивного -термостатируемого блока калориметра, исключающего возможность получения внешней диатермической оболочки калориметра.

В процессе доработки технологии изготовления теплометрической оболочки теплопроводящего калориметра 7 были получены образцы ячеек диаметром 20-5 мм и длиной 80-10 мм, что обеспечивает уменьшение объема реакционной камеры в несколько раз по сравнению с калориметром Кальве. Предложенный технический прием не только упрощает процесс изготовлени но и позволяет сущест-венным образом уменьшить габаритные размеры собственно калориметра и его теплометрической оболочки, и тем самым повысить его быстродействие до 20 с, .что в 20 раз лучше, чем для калориметра Кальве, и в 15 раз лучше, чем для прототипа. Наряду с указанным 65 уменьшением толщины теплометрической оболочки повышается точность измерения, поскольку подавляющая часть потока тепла рассеивается через термочувствительный элемент калориметра. Одновременно снижается экранирующий эффект диатермической оболочки и термочувствительного элемента калориметра, что повыша ет точность измерения. I. Отмеченные особенности калоримет ра повышают технико-экономическую эффективность его использования в различных областях техники.

1. Теплопроводящий калориметр для определения плотности потока ионизирующего излучения, содержащий поглощающий излучение образец, помещенный внутрь диатермической калориметрической ячейки, представляющей собой вспомогательную стенку в виде батареи последовательно-соединенных гальванических термопар, находящихся в тепловом контакте с образцом и прозрачной для ионизирующего излучения наружной оболочкой, отличающийся тем, что, с целью уменьшения инерционности калориметра, его термобатарея выполнена в виде тонкостенной цилиндрической оболочки, спрофилированной в форме трапеции, разрезанной по винтовой линии и состоящей из чередующихся моно- и биметаллических участков фольги с местами перехода по середине оснований трапеций. 2. Способ изготовления калориметрической ячейки теплопроводящего калориметра для определения плотности потока ионизирующего излучения, включающий операцию гальванического осаждения парного термоэлейтрического материала на одну из ветвей каждого элемента термобатареи, отличающийся тем, что, с це(Л лью уменьшения инерционности и упрощения процесса изготовления, вдоль с образующей полой цилиндрической заготовки из легкоплавкого металла нарезают шлицы трапецеидального профиля с зубьями и впадинами, на по -Верхность полученной заготовки гальванически осаждают один из термопарных материалов, путем в чередуел ел ющемся порядке половину каждого зуба и впадины покрывают электроизоCJ5 лирующим слоем, а на оставшуюся неел изолированную часть профиля гальваническим способом осаждаЪт слой парного первому покрытию термоэлектрического материала, после этого на ; поверхности -заготовки на глубину фасонного профиля по винтовой линии нарезают однозаходную канавку, отрезают торцы, нагревают до температуры плавления легкоплавкой составляющей заготовки и удаляют ее.