Акустичний детектор ядерно-активних часток

Реферат: UA 78559 U UA 78559 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області прикладної ядерної фізики й може бути використана для реєстрації ядерно-активних часток (протони, нейтрони, мюони й т. д.) як у наземних енергетичних пристроях (реактори, прискорювачі), так і для детектування енергійних часток в атмосфері Землі й у космічному просторі. При рішенні сучасних наукових і технічних завдань, що припускають використання радіоактивних випромінювань, застосовується безліч різних детекторів ядерно-активних часток, робота яких базується на відповідних фізичних принципах. Це, зокрема, детектори, що використають безпосередню іонізацію у власному об'ємі - іонізаційні детектори, що використають світлові імпульси - сцинтиляційні детектори. Засновані на термодинамічному ефекті в конденсованих середовищах, що виникає при генерації температурного поля від втрат енергії швидких проникаючих часток і що реєструють порушувані при цьому ультразвукові хвилі - радіаційно-акустичні детектори, і, крім того: ядерно-чутливі фотографічні емульсії, пузиркові камери - трекові детектори та ін. Більшості детекторів, що працюють з імпульсними потоками іонізуючих випромінювань, властивий серйозний недолік - вони не можуть ефективно працювати в полях супутніх електромагнітних перешкод, що створюють на вході апаратури, що реєструє, електричну заваду, порівнянну з корисним, інформативним сигналом. Що ж стосується радіаційно-акустичних детекторів [1], то в них реєстрація інформативного сигналу, переносимого ультразвуковою хвилею, може здійснюватися завдяки реалізації природної акустичної затримки через, практично, будь-який наперед заданий час tз, -1 обумовлений: tз=sv , де tз - час затримки між моментом дії на детектор імпульсу випромінювання й моментом його реєстрації, s - шлях, проходження ультразвуковою хвилею, що генерується імпульсом випромінювання, від зони порушення до точки реєстрації, v швидкість ультразвукової хвилі в матеріалі детектора. При цьому на практиці звичайно реалізується: tз>>tп (1), де tп - час дії електромагнітної перешкоди, яка супроводжує імпульс випромінювання. Конструктивно радіаційно-акустичний детектор складається із чутливого елемента та закріпленого на ньому приймача ультразвукових хвиль, інформація з якого передається на систему реєстрації. Як чутливий елемент може використовуватись будь-яке конденсоване середовище [1], а вимоги до приймача ультразвукових хвиль [2] такі, що він не повинен впливати на процеси генерації й поширення ультразвукових хвиль. Найбільш близьким аналогом по технічній суті до пропонованої корисної моделі є відомий акустичний детектор іонізуючого випромінювання [3], що містить п'єзоелектричний чутливий елемент-мішень, приймач ультразвукових коливань та реєстраційний пристрій. Уведене високовольтне джерело струму дозволяє організувати режим надвипромінювання у електрично поляризованому п'єзоелектричному середовищі при створенні у ньому додаткового електричного поля, що має величину більшу, ніж величина поля насичення поляризації п'єзоелектрика, що використовується. Недоліком відомого акустичного детектора [3], є те, що зовнішні пристрої, зокрема введене з метою підвищення ефективності реєстрації високовольтне джерело струму, що створює в п'єзоелектричній мішені електричне поле, й комунікації, приєднані з електричної сторони до чутливого елемента детектора, через обернений п'єзоефект створюють відповідний паразитний сигнал і з його механічної сторони, вносячи скривлення в корисний, інформативний ультразвуковий сигнал, що генерується у чутливому елементі-мішені ядерно-активним іонізуючим випромінюванням. Ці перекручування, завдяки паразитній складовій в реєстровному сигналі, знижують як чутливість прийому (співвідношення сигнал - шум), так і перешкодозахисний ефект, властивий радіаційно-акустичному детектуванню, порушуючи достовірність детектування часток. Таке використання ультразвукових хвиль особливо неприпустимо при реєстрації малощільних потоків або окремих часток, коли корисний сигнал малий і доводиться використати додаткові підсилювачі корисного сигналу, наприклад, для широких атмосферних злив (ШАЗ) в атмосфері Землі або окремих ядерно-активних часток. Також у відомому детекторі не використовується ефект збільшення корисного термопружного сигналу, що генерується випромінюванням в охолодженому п'єзоелектричному середовищі завдяки збільшенню параметра Грюнайзена Г матеріалу середовища [1], тобто чутливого елемента детектора. Та, крім того, цей детектор повною мірою не використовує властивого йому ультразвукового захисту (1), тому що приймач ультразвукових хвиль розташований безпосередньо на п’єзокерамічному чутливому елементі, через що не реалізується додаткова акустична затримка корисного сигналу. 1 UA 78559 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Задачею корисної моделі є усунення паразитної складової в ультразвуковому сигналі, що генерується на механічній стороні п'єзоелектричного чутливого елемента-мішені завдяки оберненому п'єзоефекту від наведення на його електричну сторону зовнішнього сигналу імпульсних електромагнітних полів, одночасно зі збереженням підсилювального ефекту від акустичного надвипромінювання та й збільшення перешкодозахищеності завдяки використанню додаткової акустичної затримки. Поставлена задача вирішується тим, що у пристрої, що містить п'єзоелектричний чутливий елемент-мішень, приймач ультразвукових коливань та реєстраційний пристрій, згідно з корисною моделлю, п'єзокерамічний чутливий елемент-мішень і приймач ультразвукових коливань з'єднані через додатково введений між ними акустичний хвилевід-теплопровід, на якому розташований холодогенератор. Найкраще, коли п'єзокерамічний чутливий елемент-мішень і приймач ультразвукових коливань з'єднані в акустичному контакті з додатково уведеним акустичним хвилеводомтеплопроводом. Крім того, довжина хвилеводу-теплопроводу L визначається зі співвідношення: Ltпv, де: tп час дії електромагнітної перешкоди, що супроводжує імпульс випромінювання, v - швидкість ультразвукових хвиль у матеріалі теплопроводу. У відомому акустичному детекторі високовольтне джерело струму не використовують, а п'єзокерамічний чутливий елемент-мішень і приймач ультразвукових коливань з'єднані в акустичному контакті з додатково уведеним хвилеводом-теплопроводом, на якому розташований холодогенератор. Робота запропонованого акустичного детектора ядерно-активних часток пояснюється блоксхемою, наведеною на кресленні, де І - іонізуюче радіаційне випромінювання, А ультразвуковий сигнал. По хвилеводу-теплопроводу 1, що у нашому випадку є й акустичним хвилеводом, (тобто перебуває в акустичному, а значить і тепловому, контакті 2 із чутливим елементом-мішенню детектора 3 - п'єзокерамікою), від чутливого елемента детектора 3 холодогенератором 4 відбирається тепло, охолоджуючи його п'єзокерамічне середовище. Завдяки піроелектричному ефекту, що властивий поляризованій п'єзокераміці, на її електродах 5 виникають електричні заряди, що створюють електричне поле в п'єзокерамічному середовищі достатнє, щоб домогтися ефекту надвипромінювання без використання зайвих зовнішніх високовольтних джерел струму. Відповідно, при цьому відсутні зовнішні електричні ланцюги, які через обернений п'єзоефект створюють паразитний ультразвуковий сигнал Ар у збудженої іонізуючим випромінюванням ультразвукової хвилі Atot=At+As+Ар. Тому при радіаційному іонізуючому опроміненні і чутливого елемента-мішені акустичного детектора ядерно-активних часток 3, у його об'ємі генерується тільки чистий (без паразитної складової) ультразвуковий сигнал, що являє собою суму термопружного сигналу At й акустичного надвипромінювання As: А=At+As. Величина термопружного сигналу At, обумовлена: At=ГЕу, де Г - параметр Грюнайзена матеріалу чутливого елемента-мішені, Ev - щільність енерговиділення втрат енергії іонізуючого випромінювання в чутливому елементі-мішені та при охолодженні чутливого елемента-мішені зростає. Цей сигнал А реєструється штатним приймачем ультразвукових хвиль 6 й кінцевою системою реєстрації 7. У такій схемі детектування радіоактивних випромінювань, коли А р~0, ефективність і вірогідність реєстрації значно зростає. Наявність хвилеводу-теплопроводу, що перебуває в акустичному контакті із чутливим елементом-мішенню, дозволяє реалізувати умову (1) і домогтися практично повної перешкодозахищеності від синхронних імпульсу випромінювання електромагнітних перешкод. Приклад практичного застосування запропонованого акустичного детектора ядерноактивних часток. Електрично поляризований п'єзокерамічний диск-мішень з п'єзокераміки цирконат-титанату -2 -3 свинцю типу ЦТС-19 діаметром 510 м і товщиною 110 м в акустичному контакті приєднаний -2 -1 до мідного циліндричного хвилеводу-теплопроводу діаметром 210 м і довжиною 210 м. На циліндричному хвилеводі-теплопроводі поблизу п'єзокерамічного диска-мішені розташований холодогенератор з рідким азотом, а на протилежному кінці теплопроводу - типова схема прийому ультразвукових хвиль, що містить приймач ультразвукових хвиль й кінцеву систему реєстрації. Джерелом випромінювання був розсіяний пучок електронів від переробленого під електронне випромінювання стандартного рентгенівського апарата МИРА-2Д. У наведеній схемі корисної моделі величина паразитного сигналу А р, у порівнянні із 2 найближчим аналогом, була знижена більш ніж в 10 разів, а при охолодженні опромінювального п'єзокерамічного диска-мішені ультразвуковий сигнал А зростав в більш ніж у 2 210 разів. Таким чином, підвищення ефективності реєстрації ядерно-активних часток як за 2 UA 78559 U 5 10 рахунок зниження шумового порога реєстрації (відсутність високовольтного джерела струму й зовнішніх комунікацій), так і за рахунок організації режиму акустичного надвипромінювання в чутливому елементі-мішені охолодженням (введення в пристрій хвилеводу-теплопроводу й 4 холодогенератора) сумарно склало не менш чим в 10 разів. 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. АС СРСР № 537551, G01T 1/16, 06.08.1976. - Акустический детектор / Иванов С.И. и др. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 25 1. Акустичний детектор ядерно-активних часток, що містить п'єзоелектричний чутливий елемент-мішень, приймач ультразвукових коливань та реєстраційний пристрій, який відрізняється тим, що п'єзокерамічний чутливий елемент-мішень і приймач ультразвукових коливань з'єднані через додатково введений між ними акустичний хвилевід-теплопровід, на якому розташований холодогенератор. 2. Акустичний детектор ядерно-активних часток за п. 1, який відрізняється тим, що п'єзокерамічний чутливий елемент-мішень і приймач ультразвукових коливань з'єднані в акустичному контакті з додатково введеним акустичним хвилеводом-теплопроводом. 3. Акустичний детектор ядерно-активних часток за п. 2, який відрізняється тим, що довжина хвилеводу-теплопроводу L визначається зі співвідношення: L  tп  v , де: tп - час дії електромагнітної перешкоди, що супроводжує імпульс випромінювання, v - швидкість ультразвукових хвиль у матеріалі теплопроводу. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3