Ультразвуковий детектор імпульсних радіоактивних випромінювань

Реферат: UA 108481 U UA 108481 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до приладів радіаційного контролю з області прикладної ядерної фізики та може бути використана для реєстрації ядерно-активних часток (протони, електрони, гамма кванти, мюони та ін.) або їх імпульсних потоків, як у наземних енергетичних пристроях (реактори, прискорювачі), так і в атмосфері Землі та й у космічному просторі. Для багатьох існуючих приладів (детекторів), які фіксують та вимірюють радіоактивне випромінювання об'єктом вивчення становлять вторинні фізичні поля (світлові, акустичні, температурні та ін.), які з'являються при дії цього первинного випромінювання на матеріал детектора. По їх показниках та особливостях вже роблять висновки про наявність та параметри цього первинного випромінювання. При цьому важливим фактором є коефіцієнт перетворення енергії радіаційного випромінювання, що опромінює чутливий елемент детектора, в енергію генерованого в ньому вторинного поля, який характеризує чутливість детектора, що використовується. Наприклад, при радіаційно-акустичному детектуванні, цей коефіцієнт перетворення енергії втрат радіаційного випромінювання, згублених в матеріалі чутливого -4 елемента детектора, в енергію ультразвукових хвиль становить близько 10 [1]. З урахуванням вищезазначеного, можна встановити, що для детекторів, які працюють з імпульсними потоками іонізуючих випромінювань, часто властивий серйозний недолік - вони не можуть ефективно працювати в полях супутніх електромагнітних перешкод, які створюють на вході апаратури, що реєструє, електричну заваду, яка за потужністю звичайно є більшою в порівняні з корисним інформативним сигналом. Однак ці обмеження не стосуються приладів, які використовують ультразвукові хвилі від релаксації нестаціонарних механічних напружень, що генеруються загубленими в матеріалі детектора імпульсними частками енергії радіаційного опромінювання, - приладів акустичної дозиметрії. Це здійснюється завдяки тому, що в радіаційно-акустичних детекторах [2], реєстрація інформативного сигналу по ультразвуковій хвилі, що переноситься, здійснюється завдяки реалізації природної акустичної затримки через, практично, будь-який наперед визначений час tз, обумовлений вибраною відстанню L між місцем розташування приймача ультразвукової хвилі та зоною її утворення (область опромінювання): t з=L/s, де s - швидкість ультразвукових хвиль, що приймаються. Конструктивно кожний ультразвуковий детектор радіаційних випромінювань зазвичай складається (фіг. 1) з радіаційно-чутливого елементу 1, який при вимірюваннях розміщують в зоні, яка опромінюється І, ультразвукового хвилеводу 2, поперечний перетин якого показано (фіг. 2), який приєднаний до нього в акустичному контакті * (*Акустичний контакт між двома тілами - це таке їх взаємне розташування, коли бігуча ультразвукова хвиля робочих частот долає їх межу без віддзеркалень), приймача ультразвукових коливань 3, розташованого на іншому кінці хвилепроводу, та електронного реєстраційного пристрою 4, який опрацьовує електричний сигнал з приймача ультразвукових коливань з допомогою зовнішнього синхроімпульсу 5. Як чутливий елемент можна використовувати будь-яке конденсоване середовище [1], а вимоги до приймача ультразвукових коливань [2] у відомій схемі такі, що він не повинен впливати на процеси генерації й поширення ультразвукових хвиль. Також не зайве відмітити, що для надійності вимірів треба мінімізувати віддзеркалення ультразвукових хвиль на межах хвилевід - чутливий елемент, та хвилевід - приймач ультразвукових хвиль. Для цього хвильовий опір хвилеводних структур, який визначається як ρ·s, де ρ - щільність матеріалу елемента, повинен бути близьким (краще однаковим) для усіх його головних елементів (1, 2, 3 див. Фіг. 1). Така структура і компонування детектора дозволяє контролювати та вимірювати імпульсні потоки радіаційного випромінювання, а відбірковий прийом ультразвукових хвиль, завдяки свідомо вибраної часової затримки tз, робить ультразвуковий детектор практично нечутливим до супутніх випромінюванню імпульсних завад. Найбільш близьким аналогом акустичний детектор іонізуючого випромінювання [3], що містить п'єзоелектричний чутливий елемент-мішень, хвилевід, приймач ультразвукових коливань та реєстраційний пристрій. Однак прилад-аналог має природно малу чутливість, яка обмежується як невеликим коефіцієнтом перетворення енергії радіаційних збитків, загублених в матеріалі радіаційночутливого елементу, в енергію ультразвукових хвиль (дивись вище), так і послідуючим багатократним розсіюванням збуджених бігучих хвиль в ультразвуковому хвилепроводі, що приводить до фазової неоднозначності при суперпозиції коливань в об'ємі приймача ультразвукових хвиль, та в подальшому до великих помилок у визначенні параметрів радіаційного випромінювання реєстраційним пристроєм ультразвукового детектора. 1 UA 108481 U 5 10 15 20 25 30 35 40 В основу корисної моделі поставлена задача створення ультразвукового детектора з підвищеною чутливістю, яка має досягатись за рахунок збору в приймачі ультразвукових коливань усієї радіаційно-генерованої енергії ультразвукових хвиль, виключаючи супутнє розсіювання та зміну фаз ультразвукових хвиль при віддзеркаленні їх від поверхонь хвилепроводу, на шляху від зони генерації (опромінювання) до приймача ультразвукових коливань. Поставлена задача вирішується тим, що у пристрої, прийнятому як найближчий аналог, що містить п'єзоелектричний чутливий елемент-мішень, який у процесі роботи опромінюється радіаційним опромінюванням, що вивчається, хвилевід, приймач ультразвукових коливань та реєстраційний пристрій, згідно з корисною моделлю, акустичний хвилевід детектора виконаний у вигляді диска, в центр якого врізаний по своїй твірній п'єзокерамічний чутливий елементмішень, який теж виконаний у формі диска, та розташований в акустичному контакті з хвилеводом. П'єзокерамічний чутливий елемент-мішень електрично підключений до входу реєстраційного пристрою, та працює мінливо то як звичайний п'єзоелектричний чутливий елемент-мішень детектора імпульсного радіоактивного випромінювання, то як приймач ультразвукових коливань. Працює детектор наступним чином. При появі радіоактивного випромінювання, п'єзокерамічний чутливий елемент-мішень розташовують в потоки випромінювання, яке генерує в ньому ультразвукові хвилі. Виконання його в формі диска який врізаний по центру дискового хвилепроводу дозволяє фронту генерованої біжучої ультразвукової хвилі симетрично розширюватись в хвилепровід, та віддзеркалюватись від його твірної в однаковій фазі. Після віддзеркалення хвиля також симетрично повертається в п'єзокерамічний чутливий елементмішень, та привносить до нього майже всю генеровану випромінюванням ультразвукову енергію. Так як чутливий елемент-мішень зроблений з п'єзокерамічного матеріалу, то в цьому випадку він працює вже як приймач ультразвукових коливань, та видає відповідний електричний сигнал на реєстраційний пристрій, до якого він електрично підключений. Тобто п'єзокерамічний чутливий елемент-мішень електрично підключений до входу реєстраційного пристрою та працює мінливо то як звичайний п'єзоелектричний чутливий елемент-мішень детектора імпульсного радіоактивного випромінювання, то як приймач ультразвукових коливань. Максимальна ж чутливість ультразвукового детектора в цьому випадку визначається, по-перше, майже відсутністю загублень енергії ультразвукових хвиль (малі розсіювання хвиль при переході через акустичний контакт при близьких ρ·s хвилеводних структур), та, по-друге, в зборі ультразвукових хвиль, збуджених дією радіаційного випромінювання, в кут 4π. Реєстраційний пристрій працює з прийнятим від п'єзокерамічного чутливого елемента-мішені корисним сигналом за звичайним наперед заданим алгоритмом. Джерела інформації: 1. Залюбовский И.И., Калиниченко А.И., Лазурик В.Т. Введение в радиационную акустику. "Вища школа". Изд-во при Харьковском университете. 1986. - 168 с. 2. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Под ред. И.П. Голямина, М: Советская Энциклопедия, 1979. - С. 269. 3. Іванов С.І. Акустичний детектор ядерно-активних часток. Патент України № 78559, опубл. 25.03.2013, бюл. № 6. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 55 1. Ультразвуковий детектор імпульсних радіоактивних випромінювань, що містить п'єзоелектричний чутливий елемент-мішень, приймач ультразвукових коливань, акустичний хвилевід та реєстраційний пристрій, який працює синхронно з імпульсом випромінювання, який відрізняється тим, що акустичний хвилевід детектора виконаний у вигляді диска, до центра якого врізаний по твірній п'єзокерамічний чутливий елемент-мішень, який теж виконаний у формі диска та розташований в акустичному контакті з хвилеводом, причому п'єзокерамічний чутливий елемент-мішень електрично підключений до входу реєстраційного пристрою та працює мінливо: то як звичайний п'єзоелектричний чутливий елемент-мішень детектора імпульсного радіоактивного випромінювання, то як приймач ультразвукових коливань. 2. Ультразвуковий детектор імпульсних радіоактивних випромінювань за п. 1, який відрізняється тим, що п'єзокерамічний чутливий елемент-мішень починає працювати як приймач ультразвукових коливань після дії випромінювання (синхроімпульсу) через проміжок часу, рівний часу пробігу ультразвукової хвилі від зони опромінювання п'єзокерамічного чутливого елемента-мішені до зовнішньої твірної хвилеводу детектора та назад. 2 UA 108481 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3