Термостатирований сцинтиляційний детектор
Номер патенту: 9803
Опубліковано: 30.09.1996
Автори: Мельник Віктор Іванович, Урманов Енгєль Гантроуповіч, Гриньов Борис Вікторович
Формула / Реферат
(57) Термостатированный сцинтилляционный детектор, содержащий сцинтиллятор со светоотражающей оболочкой, сопряженный со входным окном ФЭУ, компенсатор несогласованных тепловых изменений размеров и гаситель ударных нагрузок, установленные во внутреннюю оболочку сосуда Дьюара и герметизированные, отличающийся тем, что внутренняя оболочка сосуда Дьюара выполнена в виде гофрированного элемента, гофры которого заполнены находящимся в состоянии объемного сжатия эластичным материалом, ФЭУ закреплен со стороны входного окна с помощью посадочного пояска, расположенного между двумя частями гофрированного элемента, снабженного со стороны сцинтиллятора охватывающим его снаружи, по меньшей мере, одним демпферным кольцом.
Текст
Термостатированный сцинтилляционный детектор, содержащий сцинтиллятор со светоотражающей оболочкой, сопряженный со входным окном ФЭУ, компенсатор несогласованных тепловых изменений размеров и гаситель ударных нагрузок, установленные во внутреннюю оболочку сосуда Дьюара и герметизированные, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что внутренняя оболочка сосуда Дьюара выполнена в виде гофрированного элемента, гофры которого заполнены находящимся в состоянии объемного сжатия эластичным материалом, ФЭУ закреплен со стороны входного окна с помощью посадочного пояска, расположенного между двумя частями гофрированного элемента, снабженного со стороны сцинтиллятора охватывающим его снаружи, по меньшей мере, одним демпферным кольцом. 00 о Изобретение относится к блокам детектирования ионизирующего излучения, пос т р о е н н ы м на базе г и г р о с к о п и ч н ы х кристаллических сцинтилляторов и использующимся в каротажных устройствах, работающих в условиях повышенных температур. Известзнр] термостатированный сцинтилляционный блок детектирования, детектор которого включает кристаллический сцинтиллятор, сопряжений со входным окном фотоэлектронного умножителя, снабженный компенсатором несогласованных тепловик изменений размеров кристалла и установленным в герметичную оболочку. Сам детектор в известном устройстве поме щен в сосуд Дьюара. Там же расположен и ФЭУ, который будучи оптически сопряженным с выходным окнсм детектора вместе с последним образуют сцингиблск. Закреплен сцинтиблок внутри сосуда Дьюзра жестко, между двумя бачками с теплопоглотителем. Конструктивной особенностью сосуда Дьюара является наличие слоистого теплового экрана из чередующихся слоев алюминиев'ой фольги и стеклоткани, располагающихся внутри замкнутой его полости и заполняющих последнюю наполовину. Недостатком известной конструкции является ее неприспособленность к работе в условиях вибрации и ударных воздейст з тли Обусловлен такой недостаток жестким закреплением сцинтиблока и отсутствием клких-либо амортизирующих устройств, способность гасить интенсивные ударные и знакопеременные систематические механические нагрузки. Наиболее близким к заявляемому устройству является известный каротажный инструмент для высокотемпературных скважин, представляющий собой сосуд Дьюара, внутренняя часть оболочки которого используется в качестве контейнера для сцинтиллятора и сопрягающегося с ним ФЭУ [2]. Компенсатором несогласованных между собой тепловых расширений кристалла и других деталей инструмента, в частности, металлической внутренней части оболочки сосуда Дьюара, служит амортизирующий элемент из эластичного материала, заполняющий собой пространство между внутренним торцом кристалла и дном оболочки сосуда Дьюара. Этот же амортизирующий элемент используется также и в качестве осевого амортизатора, предотвращающего разрушение кристалла при воздействии осевых ударных нагрузок. Со стороны свободного от сопряжения с кристаллом торца ФЭУ имеется изолирующий элемент, также из эластичного материала и обладающий низкой теплопроводностью. Будучи закрепленным внутри сосуда Дьюара выше уровня других деталей, изолирующий элемент служит фиксатором для ФЭУ и кристалла. Сопряжение кристалла со входным окном ФЭУ выполнено традиционно оптически прозрачным, а свободная от сопряжения с ФЭУ внешняя поверхность кристалла окружена диффузной светоотражающей оболочкой из уплотненного порошка, располагающегося в зазоре между указанными поверхностями кристалла и другими деталями устройства. В качестве демпфера для радиальных ударных нагрузок в известном устройстве используется амортизирующая и стабилизирующая, закрепленная внутри сосуда Дьюара между донными частями (внутренней и внешней) его оболочки. В процессе осевого смещения кристалла и ФЭУ, что происходит вследствие соответствующей направленности ударного воздействия, например, в момент погружения инструмента в скважину, воздействию подвергается диффузная светоотражающая оболочка. Внутренние слои порошковой светоотражающей оболочки а этом случае увлекаются кристаллом, а внешние, наоборот, придерживаются контактирующими с порошком стенками сосуда Дьюара. В конечном итоге такой процесс заканчивается перераспределением порошка по объему 9U03 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 светоотражающей оболочки, сопровождающимся появлением разуплотненных участков и участков с повышенной плотностью. Кроме этого, в процессе смещения самого ФЭУ (разумеется, омлете с кристаллом) возможно защемление порошка между стенками ФЭУ и оболочкой сосуда Дьюара, после чего может произойти резкая остановка ФЭУ и отрыв кристалла от ФЭУ. Последнее происходит за счет сжатия эластичного амортизатора. По окончанию ударных механических воздействий восстановление формы эластичного амортизатора происходит не полностью, также по причине защемления порошка светоотражающей оболочки между стенками амортизатора и внутренними поверхностями соприкасающейся с ним части сосуда Дьюара, С течением времени в ходе эксплуатации известного устройства в условиях переменных температур порошок "расползается" все глубже и глубже в щели между ФЭУ и сосудом Дьюара, а также между амортизатором и сосудом, Все это приводит к снижению оптических качеств светоотражающей оболочки кристалла и снижению способности амортизатора эффективно гасить ударные воздействия Использование уплотняющих колец из различных материалов по краям кристалла не приводит к преодолению упомянутых недостатков, т.к, закрепить их клеем на стенках сосуда Дьюара не представляется возможным по причине несогласованности теллооых линейных расширений отдельных составляющих устройства и, следовательно, обязаталеьных взаимных смещений деталей устройства друг относительно друга, в том числе и колец. А в таком случае их смещения сопровождаются такими же процессами, как и без них, с той лишь разницей, что защемление порошка происходит главным образом и в первую очередь между наружными поверхностями этих уплотняющих колец и внутренними поверхностями сосуда Дьюара, контактирующими с кольцами. Таким образом, известный каротажный и н с т р у м е н т эффективно может работать только при использовании непорошковых светоотражающих устройств, что неизбежно сопровождается снижением их оптических качеств, а следовательно, ухудшением сцинтилляционных характеристик, в том числе и при повышенной температуре. Задачей изобретения является создание термостатированного сцинтилляционного д е т е к т о р а , обеспечивающего повышение устойчивости к механическим и термическим воздействиям. Решение задачи обеспечивается тем, что в термостатированном сцинтилляцион 9803 пределения в процессе вибраций и ударных ном детекторе, содержащем сцинтиллятор нагрузок. Участок контейнера, расположенсо светоотражающей оболочкой, сопряженный выше уровня посадочного пояска под ный со входным окном ФЭУ, компенсатор ФЭУ (имеется ввиду гофрированная его несогласованных тепловых измерений размеров и гаситель ударных нагрузок, уста- 5 часть) функционально принадлежит к механизму гасителя осевых ударных силовых новленное во внутреннюю оболочку сосуда воздействия и перемещений сцинтмблока Дьюара ит герметизированные, согласно (ФЭУ + собственно детектор). К этому же изобретению, внутренняя оболочка сосуда механизму относятся и внешняя цилиндиДьюара выполнена в виде гофрированного элемента, гофры которого заполнены нахо- 10 рическая поверхность ФЭУ, а также заполняющие зазор между упомянутой выше дящимся в состоянии объемного сжатия поверхностью ФЭУ и внутренней поверхноэластичным материалом, ФЭУ закреплен со стью контейнера упругие термостойкие стороны входного окна с помощью посадочкольца из антифрикционного материала) в ного пояска, расположенного между двумя частями гофрированного элемента, снаб- 15 дальнейшем просто фрикционные кольца). женного со стороны сцинтиллятора охватыВысота каждого из этих колец превышает вающим его снаружи по меньшей мере шаг между гофрами находящегося вне сбородним демпферным кольцом. ки в статическом состоянии контейнера. В собранном состоянии фрикционные кольца В собранном состоянии ФЭУ, равно как и кристалл, находится внутри сосуда Дьюа- 20 находятся в состоянии объемного сжатия. ра, именуемого в дальнейшем контейнер, Конструктивно фрикционные кольца могут традиционно с зазором. Исключение событь по группам или все полностью объедиставляет участок ФЭУ в области посадочнонены в трубчатый (один или несколько) элего пояска контейнера, где имеется полный ментов с гофрированной периферией по всей площади последнего контакт. Креп- 25 (именуемой в дальнейшем фрикционный ление ФЭУ внутри контейнера жесткое. Поэлемент). С точки зрения достижения посадочное место ФЭУ расположено возле его ставленной задачи совершенно несуществходного окна. Оптически прозрачное совенно сколько фрикционных колец (одно пряжение кристалла с ФЭУ, равно как и в или более) входит в состав одного фрикцицелого ряда известных устройств, выполне- 30 онного элемента, а поэтому в дальнейшем но клеевым. Со стороны противоположной будем оперировать последним понятием, сопряжению с ФЭУ кристалл снабжен ценпо своему определению допускающим потрирующим кольцом, охватывающим его в нимание того, что фрикционное кольцоокрестности торцевого ребра. С этой же стопредставляет собой подмножестоо понятия роны кристалла расположено отъемное дно 35 фрикционный элемент. Каждый фрикционконтейнера. Гофры контейнера с внутренный элемент, присутствующий в конструкней его стороны по всей высоте кристалла ции, выполнен не обязательно с заполнены кольцевыми элементами, в радивозможностью демонтажа из контейнера. альном нормальном сечении соответствуюПары трения механизма гасителя осевых щими форме аналогичного сечения 40 ударных нагрузок и перемещений сцинтибупомянутых гофр и выполненными из упрупока (МГОУНПС) образуются соприкасаюгого термостойкого материала, не обязащимися поверхностями (внешней тельно с возможностью демонтажа. цилиндрической) ФЭУ и (внутренней) кажОставшийся зазор между свободными внутдого из фрикционных элементов, находяренними поверхностями контейнера и коль- 45 щихся в состоянии нормального сжатия. цевых элементов с одной стороны и Роль упругого подвеса сцинтиблока выполвнешней цилиндрической поверхностью няет гофрированная часть контейнера, раскристалла с другой стороны используется положенная на участке МГОУНПС, или, что традиционным образом для размещения то же самое, а пределах между посадочным светоотражающей оболочки последнего, 50 пояском под ФЭУ и противоположным от выполненной из уплотненного порошка. Занего торцом последнего фрикционного элезор между отъемным дном контейнера и мента. Выше уровня ФЭУ, т.е. со стороны, расположении против него торцом кристалпротивоположной месту установки отъемла используется также традиционно для ного дна, контейнер детектора имеет расразмещения в нем торцевой части светоот- 55 ширение в диаметре и сопряжение с ражающей оболочки детектора. Материал внешним стаканом сосуда Дьюара. Выполсветоотражающей оболочки детектора по нено это сопряжение традиционно гермеасему объему последней находится в состотичным, а внутри замкнутой полости сосуда янии упругого сжатия, исключающем возДьюара находится вакуум. Посадочный поможность локального его перерасясок пород ФЭУ в средней части контейне 9803 pa no форме свои/, внутренних поверхностей повторяет сопрягающиеся с ними поверхности Ф З У . В качестве гасителя радиальные ударных нагрузок в конструкции устройства предусмотрено по меньшей мере одно эластичное термостойкое кольцо, установленное снаружи контейнера в одном из его гофров, на уровне кристалла. Физические процессы, протекающие внутри заявляемого устройства, связанные с выполнением регистрирующей ионизирующие излучения функции, подчинены известным для данного класса устройств законам и новизны а себе не содержат. Отличие состоит в механизме вибро-термопрочнос.и устройства. С повышением температуры все детали детектора претерпевают увеличение в линейных размерах. Известно, что материал сцинтилляторэ, как правило, отличается повышенной способностью к изменению размеров под действием тепла, нежели материал деталей детектора. Но а заявляемом устройстве при нагреве детектора и, следовательно, кристалла, а отсюда, при прогрессирующем удлинении последнего, никаких перемещений поверхностей кристалла относительно контактирующего с ними порошка светоотражающей оболочки не происходит, поскольку гофрированный контейнер под воздействием кристалла растягивается пропорционально величине этого воздействия, полностью сохраняя их взаимное расположение в конструкции. Следует особо подчеркнуть, что пропорциональность растяжения гофрированного контейнера тепловому удлинению заключенного в нем кристалла сохраняется для каждого элементарного участка их длины, а поэтому ситуация остается неизменной по всему обьему порошковой светоотражающей оболочки. Последнее справедливо и для торцевой части светоотражающей оболочки. Достигается это за счет того, что при сборке детектора его контейнер предварительно подвергают растяжению. Это обстоятельство и обеспечивает постоянное прижатие дна контейнера к торцу кристалла при изменении температуры окружающей среды в пределах полного рабочего диапазона, включая и температуру хранения детектора. С понижением температуры уае/ычение зазора между цилиндрической поверхностью кристалла и охватывающей ее внутренней поверхностью контейнера (с учетом заполняющих гофры кольцевых элементов), а, следовательно, разуплотнение материала светоотражающей оболочки не происходит, поскольку а этом случае проходит осевое сжатие гофрированного контейнера, что не 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 8 избежно сопровождается уменьшением в диаметре внутренних его (упомянутых выше) поверхностей. Происходит это и за счет того, что материал кольцевых элементов, заполняющих собой гофры, сжимающимися стенками контейнера частично вытесняется внутрь его (в радиальном направлении), дожимая светоотражающую оболочку по всему обьему ее цилиндрической части. Нелинейности а изменениях геометрии кристалла и к о н т е й н е р а компенсируются за счет того, что порошок светоотражающей оболочки изначально, т.е. уже в ходе сборки детектора, находится в состоянии обьемного упругого сжатия. Этому же способствует и аналогичное состояние кольцевых элементов контейнера, заполняющих собой его гофры. Разумеется, что поскольку скользящих движений одних элементов относительно упругих в заявляемом устройстве нет (имеются в виду контактирующие со светоотражающей оболочкой детали), то нет и не может быть защемления порошка между подвижными относительно друг друга поверхностями. Это полиостью исключено, как исключено и "расползание" порошка за пределы обьема светоотражающей оболочки. Дно контейнера постоянно находится под воздействием выталкивающего осевого усилия. Обусловлено это тем, что в собранном состоянии контейнер, даже при температуре хранения, остается растянутым в осевом направлении, и поэтому, как любая упруго деформированная пружина, всегда готов восстановить свою исходную форму, если освободится от удерживающего его в растянутом положении дна. Надежность крепления дна контейнера гарантируется использованием любого из известных технических решений, например, сварного, клеевого или болтового соединения. Стык дна с контейнером выполнен традиционно герметичным. При осевом ударном воздействии, возможном при погружении устройства внутрь скважины, в работу включается МГОУНПС. В зависимости от направления ударз происходит сокращение или удлинение упругого подвеса сцинтиблока. роль которого выполняет гофрированная часть контейнера, расположенная выше уровня ФЭУ на участке МГОУНПС. Такое изменение длины упругого подоеса сопровождается взаимным проскальзыванием образующих пару т р е н и я элементов МГОУНПС, к которым откосится внешняя цилиндрическая поверхность ФЭУ и соприкасающаяся с ней поверхность каждого фрикционного элемента. Возникающее при этом трение гасит ударное воз 9803 действие, плавно выравнивая скорости движения сцинтиблока и внешнего стакана сосуда Дьюарэ. Особо следует подчеркнуть, что силы трения в парах трения пропорциональны величине ударных нагрузок. Происходит з^о за счет того, что при любом изменении длины упругого подвеса фрикционные элементы вытесняются из гофр в на* правлении оси симметрии, прижимаясь к контактирующим с ними поверхностям ФЭУ. Степень этого вытеснения не зависит от знака относительного изменения длины упругого подвеса и определяется величиной этого изменения длины. Чем больше изменение длины упругого подвеса, тем больше вытеснение фрикционных элементов из гофр в направлении к ФЭУ, а следовательно, тем больше возникающие при этом силы трения, воздействующие на поверхности трения упомянутых выше пар трения. Но поскольку упругий подвес это попросту пружина, то это значит, что величина возможного изменения длины подвеса пропорциональна величине ударного воздействия. Таким образом, чем интенсивнее ударное воздействие, тем больше трение в парах трения и тем интенсивнее гашение удара. Обратим внимание и на то, что в замкнутой полости сосуда Дьюара, частью оболочки которой является контейнер и его верхняя гофрированная часть-упругий подвес, находится вакуум, а поэтому в состоянии покоя подвес сцинтиблока находится в частично растянутом состоянии не только и не столько под воздействием веса сцинтиблока, сколько под воздействием давления окружающей среды, т.е. внешнего давления. Независимо от того, есть внешнее давление или его нет, рабочий процесс гашения ударных воздействий протекает идентично. Учитывается этот фактор на этапе проектирования устройства и его сборки. Если предполагается использование изделия в условиях присутствия внешнего давления, то это значит, что нормальным исходным состоянием упругого подвеса будет его частично растянутое состояние и именно эту форму гофр следует закладывать при проектировании формы фрикционных элементов МГОУНПС. Роль демпфера при радиальных удар.ных нагрузках для сцинтиблока выполняют податливые к упругим деформациям кольца, как было сказано, выше, установленные по наруже контейнера детектора. Эти кольца фактически установлены между наружной и внутренней оболочкой сосуда Дьюара. В процессе радиальных механических воздействий внутренняя оболочка сосуда Дьюара (контейнер детектора) отклоняется от оси 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 10 симметрии изделия и прижимает демпферные кольца к внутренней посеркности внешней оболочки сосуда Дьюэрз Чем сильнее механическое воздействие, тем сильнее деформируются контейнер и кольца, тем сильнее реакция на это механическое воздействие. Нарастает эта реакция плавно (вследствие эластичных свойств колец), а поэтому пиковые значения ускорен и й , передаваемых на кристалл, значительно уменьшаются. Формирование фрикционных элементов МГОУНПС и кольцевых элементов, заполняющих собой гофры контейнера, расположенные на уровне кристалла, выполяют непосредствено в контейнере после предварительного его растяжения в осевом направлении. Возможно формирование кольцевых и фрикционных элементов вне контейнера, но их форма соответствует форме гофр контейнера, находящихся в растянутом в осевом направлении состоянии. Монтаж кольцевых и фрикционных элементов в этом случае выполняют также после предварительного растяжения контейнера. Монтаж ФЭУ, предварительно сопряженного со сцинтиллятором* выполняют не снимая растяжения с контейнера или после повторного его растяжения до прежнего уровня. Формирование насыпной диффузной с в е т о о т р а ж а ю щ е й оболочки выполняют, сохраняя осевое растяжение контейнера детектора, но уже возможно только на уровне сцинтиллятора. После установки дна контейнера и полного его закрепления осевое растяжение контейнера, а вернее, той его части, которая расположена на уровне кристалла, путем приложения осевого усилия (сжимающего) частично уменьшают. При этом доная часть светоотражающей оболочки переходит в состояние упругого сжатия, равно, как и вся остальная его часть. Контролируется требуемое сжатие по линейным размерам детектора. Поеле установки детектора внутрь внешнего стакана сосуда Дьюара, герметизации сопряжения "внешний стакан - контейнер" и создания вакуума а образовавшейся замкнутой полости сосуда Дьюара, по неизмеиности величины п о г р у ж е н и я деталей сцинтиблока внутрь контейнера контролируется надежность герметизации замкнутой полости сосуда Дьюара. Понятно, что в случае, если указанная полость не герметична и со временем давление внутри нее возрастает, то тогда сцинтиблок под воздействием сил упругости растянутой части контейнера (расположенной в области МГОУНПС) частично выглубляется. Именно этот факт и используется для контроля кзче 11 ства сопряжения "внешний стакан сосуда Дьюзра - контейнер" и других. Следует обратить внимание на то, как создается состояние упругого объемного сжатия в теле цилиндрической части светоотражающей оболочки, формируемой на первом этапе известными методами. Такое состояние оболочки достигается после установки, полного закрепления дна контейнера и главное - после частичного снижения величины осевого растяжения соответствующей оболочке части контейнера. После приложения к сцинтиОлоку осевого сжимающего усилия дно контейнера приближается к кристаллу, сжимая порошок и выбирая возможные зазоры между ним и центрирующим кольцом. В этом случае донная часть светоотражающей оболочки непосредственно переходит в состояние упругого объемного сжатия. Для остальной части оболочки это происходит несколько опоередственным способом. Сначала сжимаются (частично) гофры контейнера, вытесняя из себя а осевом направлении заполняющие их, выполненные из упругого материала кольцевые элементы, а уже последние сжимают в том же направлении материал светоотражающей оболочки. В ходе повышения температуры, т.е. после введения детектора в работу, состояние цилиндрической части светоотражающей оболочки остается практически неизменным и не сопровождается доуплотнением ее, что было бы чревато последующим разуплотнением, после выведения детектора из рабочего режима. Несмотря на то, что в случае нагрева детектора диаметр кристалла увеличивается большими темпами, чем диаметр контейнера, доуплотнение светоотражающей оболочки не происходит. Обусловлено это тем, что при этом кристалл естественно удлиняется и опять с более высокими темпами, чем контейнер, растягивая последнего. В этом случае контейнер по своему состоянию приближается к тому, которое он имел в ходе сборки детектора перед частичным осевым его сжатием. К этому же состоянию возвращаются и кольцевые элементы, заполняющие собой гофры контейнера. Усилие выдавливания кольцевых элементов из гофр уменьшается и они "прячутся" назад в гофры. Данная часть светоотражающей оболочки в любом случае остается сжатой, поскольку со стороны растянутого контейнера осевое сжимающее усилие существует всегда. Таким образом, для всего объема светоотражающей оболочки поддерживается постоянное состояние упругого сжатия, практически не зависящее 9803 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 12 от температуры окружающей среды (в пределах рабочего диапазона) и ее колебаний. ° На фиг.1 изображен общий вид термостатированного сцинтилляционного детектора с наложенным осевым сечением. На фиг.2 - локальный осевой разрез о области сопряжения контейнера с внешним стаканом сосуда Дьюара. На фиг.З - то же о области механизма гасителя осевых ударных нагрузок и перемещений сцинтиблока. На фиг.4 - то же в области клеевого сопряжения ФЭУ с контейнером. На фиг.5 - то же в области сопряжения дна с контейнером, в плоскости винта. На фиг.6 и 7 - то же в области эластичных колец гасителя радиальных ударных нагрузок. Пример конкретной реализацииустройства. Заявляемый термостатированный сцинтилляционный детектор (фиг. 1-7) представляет собой сосуд Дьюара, состоящий из внешнего стакана 1 и внутреннего 2 (далее именуемого "контейнер"), а также содержимого контейнера 2 в виде сцинтиблока и ряда других вспомогательных деталей и узлов. Сцинтиблок состоит из кристалла сцинтилляюра 3. сопряженного посредством клеевого соединения с ФЭУ 4. Сам котейнер 2 имеет сложную форму. В целом представляя собой трубчатую конструкцию с присоединяемым в процессе сборки устройства дном 5, контейнер (гофрированный элемент) 2 имеет два гофрированных участка, разного функционального назначения, разделенных друг от друга посадочным пояском 6 под ФЭУ. Материал контейнера 2 пружинная сталь. Верхний гофрированный участок 7 контейнера 2, именуемый далее упругим подвесом и расположенный с противоположной от отъемного дна 5 стороны, ближе к торцу сопрягается с цилиндрическим участком 8, далее переходящим в конический 9, увеличивающийся о диаметре и заканчивающийся снова цилиндрическим венцом 10 (фиг.2) с тесненным кольцевым буртиком 11. Диаметр цилиндрического участка 8 контейнера 2 совпадает по велмчине с диаметром впадин гофрированного упругого подвеса 7, з диаметр венца 10 с внутренним диаметром стакана 1 сосуда Дыоэрэ. В ответ на тесненный буртик 11 на внутренней поверхности стакана имеется 1 аналогичная канавка Используется буртик И и упомянутая канавка в теле стакана 2 для точного позиционирования контейнера 2 и стакана 1 в ходе их соарки. Сварочный шов 12 в этом случае выполняет роль креп 13 ления и герметизирующую роль. Ведь в замкнутой полости 13 сосуда Дьюара находится вакуум. Посадочный поясок 6 под ФЭУ 4 (фиг.4) имеет сложную внутреннюю поверхность, представляющую собой посадочное место пож ФЭУ 4. Состоит это посадочное место из цилиндрической внутренней поверхности 14 и несколько меньшей по диаметру также цилиндрической поверхности 15. Последняя, т.е. поверхность 15, по диаметру меньше наименьшего диаметра упругого подвеса 7, но обе они в точности соответствуют (с учетом допуска и толщины клеевого слоя) размеры посадочных поверхностей 16 и 17 самого ФЭУ 4. Сопрягаются поверхности 14 и 15, а также 16 и 17 посредством конусных переходов соответственно 18 и 19. Фиксируется ФЭУ 4 внутри контейнера 2 путем проклейки по указанным выше поверхностям 14, 15 и 18 посадочного пояска 6 и 16. 17 и 19 ФЭУ 4. Заключенная между посадочным пояском 6 и дном 5 гофрированная часть 20 контейнера 2, по своей конструкции ничем не отличается от такой же гофрированной части 7 (упругого подвеса) и со стороны свободного своего торца имеет цилиндрический поясок 21 - посадочное место под дно 5 (фиг.5).' Особенность конструкции посадочного пояска 21 состоит в наличии серии сквозных отверстий под винты 22, использующиеся для закрепления дна 5 внутри посад о ч н о г о пояска 2 1 . Т а к и м о б р а з о м контейнер 2 - это монолитная деталь, состоящая из ряда элементов 6, 7, 8, 9, 10, 20, 21 и выполненная из пружинного материала, например, стали 651 ГОСТ 1050-74. Дно 5 контейнера 2 представляет собой деталь в виде диска с цилиндрической периферией, Диаметр дна 5 в точности соответствует (с учетом допуска) внутреннему диаметру посадочного пояска 21. Обращенная к кристаллу 3 поверхность 23 дна 5 выполнена совершенно плоской, нормальной оси симметрии изделия в целом. Противоположная поверхности 23 внешняя поверхность 24 дна 5 выполнена в виде обращенного выпуклостью внутрь контейнера 2 участка сферы. Такая конструкция дна 5 обусловлена стремлением облегчить его без значительного снижения жесткости. Кроме этого, дно -5 со стороны кристалла 3 имеет скошенную поверхность а виде фаски и серию глухих радиальных сверлений с нарезанной резьбой под винты 22. Кроме уже указанного, на внешней поверхности контейнера 2 имеется два кольцевых ребра 25 и 26, первое из которых закреплено путем сварки в области посадочного пояска 6 под ФЭУ 4, а второе в области посадочного пояска 21 под дно 5. 980J 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 14 Как уже было сказано выше, внутреннее содержимое контейнера 2 состоит, главным образом, из кристалла 3 и ФЭУ 4. ФЭУ имеет традиционную, широко известную в технике конструкцию и его особенности касаются лишь внешней формы колбы, основная часть из которых уже освещены ранее. Обратим внимание только на то, что цилиндрическая внешняя боковая поверхность ФЭУ 17 самая большая по площади и высоте из числа боковых поверхностей и по высоте она далеко превышает поверхность 15 посадочного места под ФЭУ 4 пояска 6 контейнера 2. В основном поверхность 15 располагается внутри.упругого подвеса 7 и по высоте не меньше последнего. Входное окно ФЭУ 4 используется для непосредственного сопряжения его с кристаллом 3. Для этого применения оптически прозрачный клеящий состав. Поскольку сопряжение ФЭУ 4 и кристалла 3 непосредственное и жесткое, то в устройстве не предусмотрено наличие промежуточного световода (стекла) и каких-либо центрирующих расположение кристалла 3 внутри контейнера 2 у с т р о й с т в . С о п р я ж е н и е "ФЭУ-кристалл" выполняется вне контейнера 2 и вопросы строгой центровки кристалла 3 внутри контейнера 2 решаются на этапе выполнения этого сопряжения, путем применения в ходе склеиванич центрирующей технологической оснастки. В конечном счете точность центровки кристалла 3 внутри контейнера 2 опосредствованно определяется и точностью центровки самого ФЭУ 4. Со стороны дна 5 точность центровки кристалла 3 гарантируется путем применения центрирующего кольца 27 (фиг.5). Это кольцо выполнено Г-образным в радиальном сечении и охватывает кристалл 3 по двум смыкающимся его поверхностям: цилиндрической 28 и плоской торцевой поверхности 29. Зазор между кристаллом 3 и контейнером 2, а также между дном 5 и кристаллом 3 в заявляемой конструкции, равно как и в известных, имеет светоотражающее наполнение. Рассмотрим его особенности. Как уже было сказано выше, внутренняя поверхность контейнера 2, равно как и его внешняя поверхность, на участке 20 имеет кольцевые гофры. В заявляемом устройстве с внутренней стороны на участке 20 контейнера 2 гофры заполнены телом кольцевых элементов 30 (фиг.6.7), выполненных из податливого для упругих деформаций материала, например, из силиконового каучука. Важным свойством материала кольцевых элементов 30 является его термопрочность, сохраняющаяся на 15 всем рабочем диапазоне температур Непосредственно контакта элементов 30 с поверхностями кристалла 3 нет и пространство 31 (тело цилиндрической части светоотражающей оболочки) между ними, открытыми внутренними поверхностями участка 20 контейнера 2 и боковой поверхностью кристалла 3 заполнено светоотражающим порошком, уплотненным до состояния объемного упругого сжатия. Выполнены кольцевые элементы 30 путем формования по месту, а поэтому могут быть рассмотрены вместе с контейнером 2, как нечто целое, безразборно соединенное. Возможно формование кольцевых элементов 30 вне контейнера. В этом случае их сопряжение с контейнером 2 должно быть выполнено клеевым. В случае разъемного сопряжения элементов 30 с контейнером 2 несколько затрудняется сборка детектора и применять такое сопряжение нежелательно. Технология получения цилиндрической светоотражающей оболочки 31, порошок которой уплотнен до состояния объемной упругости, будет раскрыта ниже при описании процесса сборки устройства. Торцевая часть 32 светоотражающей оболочки выполнена также из светоотражающего порошка, находящегося в состоянии объемной упругости, о чем детальнее также будет сказано ниже. Выше уровня кристалла 3 в заявляемом устройстве имеется механизм МГОУНПС, компонентами которого являются цилиндрическая поверхность 17 ФЭУ 4, упругий подвес 7 и фрикционные элементы 33 (фиг.З). Фрикционные элементы 33 могут быть выполнены таким же способом, как и кольцевые - 30. К их материалу предъявляются такие же требования плюс дополнительные - антифрикционные свойства. В отличие от элементов 30 фрикционные элементы 33 могут быть объединены по несколько штук в единую трубчатую конструкцию и, кроме того, они собой заполняют полностью весь зазор между поверхностью 17 и внутренней гофрированной поверхностью упругого подвеса 7. В нормальном рабочем состоянии фрикционные элементы 33 находятся в состоянии объемного сжатия, а их свободные от сопряжения с контейнером 2 поверхности прижаты к поверхности 17 ФЭУ 4 и совместно представляют собой пару трения. Следует обратить внимание, что исходное рабочее состояние МГОУНПС зависит от того, в условиях какого рабочего внешнего давления планируется использовать детектор. Если внешнее давление атмосферное, то в исходном состоянии упругий подвес 7 будет нахо 9803 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 16 диться частично растянутым, что обусловлено наличием вакуума внутри замкнутой полости 13 сосуда Дьюара. Именно такое частично растянутое состояние упругого подвеса 7 и считается исходным и именно в таком состоянии, или с учетом такого состояния должно выполняться формирование фрикционных элементов 33. Гаситель радиальных ударных нагрузок в данном устройстве (фиг.6,7) представлен двумя, способными к упругим деформациям, кольцами 34 и 35. Первое из них установлено в выемке внешней поверхности контейнера 2 на уровне центра тяжести есего изделия в целом, за вычетом внешнего стакана 1 сосуда Дьюара. На внешней поверхности это кольцо 34 имеет равномерно рассредоточенные по периметру шипы, и в исходном состоянии касается стакана 1 только шипами в нескольких точках. Второе кольцо 35 выполнено гладким, меньшего диаметра и поверхности стакана 1 в исходном (спокойном ОТ вибраций) состоянии не касается. Установлено оно в последнем, близлежащем к дну 5 гофре контейнера 2. Сборка термостатированного сцинтилляционного детектора. Сборку детектора начинают с выполнения кольцевых элементов 30 и фрикционных элементов 33. Для этого контейнер 2, использовав для захвата цилиндрический венец 10 и два кольцевых ребра 25 и 26, частично (в пределах упругости) растягивают в осевом направлении. Кольцевые элементы 30 и фрикционные элементы 33 выполняют путем формования непосредственно в контейнере 2 и последующего их отверждения, или вулканизации, если речь идет о применении силиконового каучука. Возможно изготовление кольцевых элементов 30 и фрикционных элементов 33 вне контейнера 2 с последующим их монтажом внутрь контейнера 2 и закреплением их там с помощью клеящих составов. Не снимая осевого растяжения контейнера 2 и предварительно выполнив оптически прозрачное сопряжение ФЭУ 4 с кристаллом 3, помещают ФЭУ 4 с кристаллом 3 внутрь контейнера 2. Монтаж пары "ФЭУ- кристалл" осуществляют со стороны посадочного пояска 21 под дно 5, после предварительного нанесения клеящего состава на поверхности 16 и 19 ФЭУ 4, соприкасающиеся в дальнейшем с соответствующими им поверхностями 14 и 18 посадочного пояска 6 контейнера 2. После полимеризации клея сопряжение ФЭУ 4 с контейнером 2 считают выполненным. После этого приступают к продолжению с б о р к и устройства. Естественно обратить внимание на то, что в ходе монта 17 жа ФЭУ 4 внутрь контейнера 2 происходит объемное сжатие фрикционных элементов 33. Происходит это под воздействием проникающего им внутрь ФЭУ 4, диаметр внешней поверхности 17 которого больше внутреннего диаметра фрикционных элементов J3 (находящихся в свободном предшествующем сборке состоянии). Далее сохраняя осевое растяжение контейнера на участке 20, через открытый торец в области дна 5 традиционными методами формируют цилиндрическую часть 31 светоотражающей оболочки. Для этого используют известные порошковые материалы. Несколько не достигнув торца кристалла 3. формирование цилиндрической части 31 светоотражающей оболочки прекращают и в оставшееся место между кристаллом 3 и посадочным пояском 21 контейнера 2 запрессовывают центрирующее кольцо 27 из фторопласта. После запрессовки кольцо 27 частично находится в зазоре между кристаллом 3 и контейнером 2, а частично возвышается над поверхностью 29 кристалла 3 (имеется в виду, что изделие закреплено вертикально). После этого известными методами формируют донную часть 32 светоотражающей оболочки весовым методом, отмерив нужное количество порошка и уплотнив его в осевом направлении. В этот момент времени толщина донной части 32 светоотражающей оболочки должна строго соответствовать высоте центрирующего кольца 27. Далее запрессовывают дно 5 внутрь посадочного пояска 21 и заворачивают винты 22, зафиксировав тем самым дно 5 внутри контейнера 2. С целью герметизации сопряжения "дно - контейнер", перед запрессовкой дна 5 свободные поверхности центрирующего кольца 27, а также внутренние поверхности посадочного пояска 21 покрывают клеящим составом. В ходе запрессовки клей частично вытесняется в область скошенной поверхности фаски дна 5, надежно герметизируя стык. Далее усилие осевого растяжения контейнера 2 сменяют на обратное, выбрав в качестве места приложения сжимающего усилия внешнюю поверхность 24 дна 5. В результате сжатия контейнер 2 на участке 20 по всей его длине частично восстанавливает свою предшествующую растяжению форму. При этом все гофры его сжимаются, вытесняя из ~ебя кольцевые элементы 30. Последние, вытесняясь в объем цилиндрической части 31 светоотражающей оболочки, дожимают ее материал до состояния упругости, В области дна 5 контейнера 2 такое обжатие изделия сопровождается упругой деформацией (сжатием) донной части 32 светоотражаю эзо; 18 щей оболочки и центрирующего кольца 27. Далее осевые усшшя снимают. После этого монтируют кольца 3-1 и 35 и весь сцинтиблок помещают внутрь стакана 1 до совмещения 5 тесненого пояскз 11 контейнера с ответной канаакой на внутренней поверхности стакана 1. Далее стык контейнера 2 со стаканом 1 обваривают электродуговой сваркой или герметизируют и закрепляют другим спосо10 бом. Удаляют из замкнутой полости 13 сосуда Дьюара воздуха. В процессе откачки воздуха под воздействием внешнего давления, растягивая упрушй подвес 7, сцинтиблок погружается внутрь стакана 1. По 15 величине этого погружения и его неизменности во времени судят о величине и стабильности вакуума в замкнутой полости 13 сосуда Дьюара. Виброударопрочность детектора. 20 В случае осевого ударного воздействия, непосредственно воспринимаемого внешним стаканом 1 сосуда Дыоара, последний приобретает ускорение по модулю и направлению, соответствующие интенсивности и 25 направленности удара. Поскольку стакан 1 и сцинтиблок в целом соединены между собой упругим подвесом 7, то ускорение начнет приобретать и сам с ц и н т и б л о к . Величина этого ускорения, з силу упругости 30 связи 7, всегда будет ниже пикового значения возмущающего ускорения. Понятно, что после деформации (растяжения или сжатия) упругого подвеса 7 неизменно следует восстановление его формы. Происходит это за 35 счет его собственных упругих свойств и представляет собой затухающий колебательный процесс. Наличие пары трения "наружная цилиндрическая поверхность 17 ФЭУ 4-фрикционныеэлементы33" сущест40 венно ускоряет затухание, быстро нормализуя состояние детектора. Происходит это следующим образом. В случае упругого растяжения подвеса 7 глубина гофр его уменьшается и ф р и к ц и о н н ы е элементы 33 45 вытесняются из них в направлении оси симметрии изделия, интенсивно прижимаюсь к поверхности 17 ФЭУ 4. Понятно, что чем больше растяжение подвеса 7, тем ниже глубина его гофр, и тем существеннее фрик50 ционные элементы 33 вытесняются из них, все сильнее прижимаясь к поверхности 17 ФЭУ 4, а значит тем сильнее препятствующее первопричине всего этого процесса растяжение упругого подвеса 7 трение, воз55 никающее между соприкасающимися поверхностями фрикционных элементов 33 и ФЭУ 4. Аналогичная ситуация возникает и на этапе сжатия упругого подвеса 7, стой лишь разницей, что в этом случае фрикционные 9803 элементы 33 вытесняется из гофр подвеса 7 по причине уменьшения их объема. Важно заметить, что трение в паре "фрикционный элемент ФЭУ 4" лишь тормозит развитие ситуации, э восстановление первоначального состояния изделия происходит за счет сил упругости самого подвеса 7 и частично фрикционных элементов 33. Радиально направленные удары в заявляемом устройстве воспринимаются в первую очередь шипованным кольцом 34. Будучи расположенным на уровне центра тяжести всего изделия в целом (за исключением стакана 1) кольцо 34 воспринимает на себя удар, не порождая крутильных колебаний. В случае значительного удара, а следовательно, значительного сжатия кольца 34, в работу включается кольцо 35. То обстоятельство, что в разновесном состоянии изделия со стаканом 1 кольцо 34 имеет только несколько точечных контактов, а кольцо 35 вовсе стакана 1 не касается, способствует минимизации теплоподвода к кристаллу 3. Термопрочность детектора. При повышении температуры деталей изделия, что при использовании его в горячих скважинах совершенно неизбежно (если считать в качестве температуры отсчета температуру хранения изделия), никаких существенно влияющих на работоспособность детектора изменений, если только температура не превышеет температуру плавления деталей устройства, в нем не происходит. Дело в том, что при нагреве кристалла 3, удлиняясь, он просто растягивает контейнер 2, материал которого при нагреве расширяется менее интенсивно. Таким образом, смещения поверхностей кристалла 3 относительно поверхностей контейнера 2 не происходит, а следовательно, нет "перетирания" материала светоотражающей оболочки, особенно цилиндрической ее части. Взаимно подвижных, к тому же контактирующих с порошком светоотражающей оболочки деталей а заявляемом устройстве просто нет, и поэтому не может быть и речи о защемлении порошка в парах скольжения. Важно заметить, что в случае нагрева и увеличения диаметра кристалла 3, несмотря на менее значительное увеличение диаметра контейнера 2 на участке 20, обьем порошковой цилиндрической чэсти 31 светоотражающей оболочки практически не уменьшается, поскольку при раст я ж е н и и к о н т е й н е р а 2 изначально несколько сжатые кольцевые элементы 30 частично "прячутся" внутрь гофр контейне 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 20 ра 2. При снижении температуры процесс проходит в Обратном порядке, все время сохраняя для материала светоотражающей оболочки состояние упругого объемного сжатия. В таком состоянии перераспределение порошка по объему светоотражающей оболочки весьма затруднено, что и гарантирует ее фиксированные светоотражающие качества. Устройство работает следующим образом. При облучении кристалла 3 ионизирующим излучением часть гамма-квантов или быстрых частиц (альфа и бета) взаимодействуют с веществом кристалла, порождая световую микровспышку - сцинтилляцию. Порожденный таким образом свет, в силу прозрачности материала распространяется во все стороны внутри кристалла практически изотропно, т.е. без явного приоритетного н а п р а в л е н и я . Д о с т и г н у в г р а н и ц ы кристалла 3, окруженного уплотненным белым порошком светоотражающей оболочки 31, порожденные сцинтилляциями фотоны претерпевают диффузное отражение. В силу того, что порожденные сцинтилляциями фотоны распространяются внутри детектора без явно выраженных приоритетных направлений, то прежде чем попасть на фотокатод ФЭУ 4, фотоны претерпевают многочисленные диффузные отражения от материала светоотражающей оболочки 31,за счет чего равномерно распределяется по объему кристалла 3. Последнее обстоятельство способствует тому, что по площади фотокатода ФЭУ 4, имеющего оптическую связь с кристаллом 3 со стороны одного из его торцов, свет может распространяться равномерно, а отсюда - использование рабочей поверхности фотокатода ФЭУ 4 получается эффективным. Попадающие на фотокатод ФЭУ 4 фотоны порождают на нем свободные электроны, количество которых пропорционально интенсивности световой вспышки внутри кристалла 3. Количество фотоэлектронов с помощью специальных электродов ФЭУ 4 преобразовывается в электрический сигнал, таким образом происходит регистрация первичного ионизирующего излучения, попадающего на кристалл 3. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет стабилизировать диффузно-отражэющую оболочку сцинтилляторз в условиях повышенных механических и термических воздействий. 9803 9803 Фаг. 5 9803 Фиг. 6 Упорядник Замовлення 4552 Техред М.Моргентал Коректор М. Куль Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655. ГСП, КиТв-53, Львівська пл.. 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул.ГагарІна, 101
ДивитисяДодаткова інформація
Назва патенту англійськоюTemperature-controlled scintillation detector
Автори англійськоюHriniov Borys Viktorovych, Melnyk Viktor Ivanovych, Urmanov Engel Hantroupovych
Назва патенту російськоюТермостатированный сцинтилляционный детектор
Автори російськоюГринев Борис Викторович, Мельник Виктор Иванович, Урманов Энгєль Гантроупович
МПК / Мітки
МПК: G01R 23/00, G01T 1/15
Мітки: сцинтиляційний, термостатирований, детектор
Код посилання
<a href="https://ua.patents.su/14-9803-termostatirovanijj-scintilyacijjnijj-detektor.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Термостатирований сцинтиляційний детектор</a>
Попередній патент: Спосіб контролю віддалених датчиків та пристрій для його здійснення
Наступний патент: Пристрій для різання вафельних пластів
Випадковий патент: Спосіб ведення пологів при клінічно вузькому тазі по і.амро