Дослідницький стенд для визначення метрологічних коефіцієнтів ефективності внутрішнього захисту типових гамма-спектрометричних комплексів

Реферат: Дослідницький стенд для визначення метрологічних коефіцієнтів ефективності внутрішнього захисту типових гамма-спектрометричних комплексів складається з детектора, вузлів зовнішнього верхнього та зовнішнього нижнього багатошарових захистів, пилозахисної та теплоізоляційної ширм, елементів фіксованого об'єму та складу повітря. У просторі вузла зовнішнього верхнього захисту виділено фіксований простір циліндричної форми, що оточує по периметру верхню частину детектора, та позицію зразка. UA 79328 U (54) ДОСЛІДНИЦЬКИЙ СТЕНД ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ МЕТРОЛОГІЧНИХ КОЕФІЦІЄНТІВ ЕФЕКТИВНОСТІ ВНУТРІШНЬОГО ЗАХИСТУ ТИПОВИХ ГАММА-СПЕКТРОМЕТРИЧНИХ КОМПЛЕКСІВ UA 79328 U UA 79328 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Галузь техніки. Корисна модель належить до ядерної фізики - ядерної гамма-спектрометрії (ЯГС) з використанням серійних напівпровідникових детекторів, що входять до типових гаммаспектрометричних комплексів (ГСК). В багатьох випадках такі типові ГСК включають пасивні вузли захисту детекторів від зовнішнього гамма-випромінювання, та захисту довкілля детектора, включаючи експериментатора, від випромінювання зразка. Від якості систем захисту залежить рівень фону та якість кінцевих результатів. Тому ці системи захисту розвиваються і тому потребують дослідження та вдосконалення. Такі дослідження можна виконувати на дослідницьких стендах - лабораторному обладнанні для проведення вимірювальних (метрологічних) операцій отримання числових величин, які характеризують досліджувані чинники (фактори), що реалізовне на типових ГСК. Такі ГСК повинні мати метрологію (метрологічне забезпечення), обладнання, та методика вимірювань повинна бути стандартизованими (стандартизація). Перелік Фігур. На Фіг. 1 наведено залежність метрологічного коефіцієнта ефективності захисту (КЕЗ) від номера геометрії вузла захисту ГСК в шкалі порядків. На Фіг. 2 наведено залежність КЕЗ від номера геометрії вузла верхнього захисту в шкалі порядків. На Фіг. 3 наведено схему вузла зовнішнього верхнього захисту та вузла внутрішнього захисту ГСК (деталізація - див. далі). Рівень техніки. Ми виходимо з відомого положення, що функція, яку повинен виконувати пристрій, визначає цей пристрій. Тому розглянемо насамперед деякі функції, які здійснюються з використанням певного типу пристроїв (ГСК) як дослідницьких стендів - аналогів нашого пристрою (стенда). Аналог А. Визначення елементного та нуклідного складу зразків. Методи ЯГС дозволяють визначати вмісти хімічних елементів (ХЕ), або гамма-активних нуклідів (ГАН). Під вмістами розуміють масу К, концентрацію с, питому активність Ап і т. д. Метрологія. Робочим виразом для розрахунків питомої активності Ап ГАН в зразку є вираз [1]: Ап = І / (n*К* ТВ); 1=S/ТСж - інтенсивність лінії ГАН; n- квантовий вихід лінії ГАН; AS площа лінії ГАН в апаратурному гамма-спектрі зразка; ТСж "живий" час вимірів; ТВ метрологічний коефіцієнт - коефіцієнт, що ставить у відповідність величині І величину Ап. Стандартизація. Для вирішення багатьох методичних проблем: виділяється (і фіксується закріплюється як позиція) фіксоване місце для вимірювання зразків (це - позиція 8 Фіг. 2); досліджувані зразки відповідно стандартизують - по розмірах, формі, масі, агрегатному стану і т. п. Видно, що змінною величиною є чинник - маса К зразка; зміна маси означає зміну розмірів зразка; змінюючи зразок, ми змінюємо вмісти ХЕ чи ГАН. Всі інші вузли, як чинники - незмінні. Таким чином, ГСК використовується як дослідницький стенд, функцією якого є визначення елементного та нуклідного складу зразків. Для визначення вмістів необхідно отримати метрологічні коефіцієнти ТВ. Аналог Б. Визначення метрологічних коефіцієнтів ТВ можна здійснити на ГСК, використовуючи його як стенд для їх отримання. Метрологія. Маючи в наявності стандартне атестоване об'ємне джерело з відомою питомою гамма-активністю, отримують залежності метрологічних коефіцієнтів ТВ = f(Kc) змінюючи маси Кс, і, відповідно, розміри стандартних зразків. Отримавши множину таких залежностей, можна побудувати більш складні залежності, напр. поверхні: ТВ = f (Кс, Eg); Eg - енергія ліній гаммаквантів ГАН в джерелі [2]. Стандартизація. Для вирішення багатьох методичних проблем стандартні зразки, при можливості, приводять у відповідність із досліджуваними зразками (по розмірам, формі, масі, густині, агрегатному стану); фіксоване місце для вимірювання стандартних зразків - це позиція 8 Фіг. 2. Змінною величиною є чинник - маса К стандартного зразка. Всі інші вузли, як чинники незмінні. Таким чином, тут ГСК використовується як дослідницький стенд, функцією якого є визначення метрологічних коефіцієнтів ТВ. Аналог В. Розробка системи стабілізації та пониження фону (ССПФ) типового ГСК і оцінка ефективності її розробки була виконана на ГСК, використовуючи методи ЯГС [3]. На основі аналізу основних факторів, що впливають на роботу ГСК, була розроблена система стабілізації та пониження фону (ССПФ) типового ГСК [3], яка складається зокрема із підсистем (вузлів): фіксованого об'єму та складу повітря ФОСП та ФОМП-К; шлюзів; температурних градієнтів; теплоізоляції; верхнього зовнішнього та внутрішнього захисту (ВЗ). Геометрії. Реалізація вказаних технічних рішень йшла поступово; ці кроки (поступове підключення одного чи декількох елементів нових підсистем в ССПФ) умовно назвали геометріями. Наступна геометрія, як правило, включала попередню. Загалом було досліджено 1 UA 79328 U 5 10 15 21 геометрію, в деяких із яких були використані різні конструкції ВЗ. Вибір геометрій здійснювався з використанням впорядкованого масиву значень коефіцієнтів ефективності захисту КЕЗ. Ефективність розробки ССПФ ілюструють Фіг. 1, 2. Прототип B1. Визначення коефіцієнтів ефективності захисту КЕЗ. В процесі розробки ССПФ була отримана та використана шкала порядків, в якій можна безпосередньо порівнювати дані різних геометрій ГХ між собою, визначивши для цієї мети відносні величини, названі нами коефіцієнтами ефективності захисту (КЕЗ): КЕЗ = І(Гбаз) / І(ГХ); Гбаз - вибрана базова геометрія (геометрія порівняння); тому 1(Гбаз) - одиниця вимірювання, що задає власне шкалу порядків. Приклад 1. На Фіг. 1 наведені значення КЕЗ (лінія 1461КеВ ГАН К40) = 1(Г3баз)/І(ГХ), для різних геометрій ГХ; (ГЗ - геометрія, де відсутній зовнішній захист, і вибрана як Г3баз). Видно, що впорядкована множина значень КЕЗ є експоненціальною залежністю (що є закономірним 2 для ослаблення гамма-випромінювання), і яка на Фіг. 1, 2 позначена суцільною лінією. R коефіцієнти детермінації [3]. Такі залежності отримані і для інших ліній ГАН. Визначаючи КЕЗ, таким чином, ГСК здійснює метрологічні функції і діє як дослідницький стенд для оцінки ефективності розробки ССПФ - супроводу цієї розробки - на основі порівняльного аналізу впорядкованих в шкалі порядків метрологічних коефіцієнтів ефективності захисту КЕЗ. Узагальнимо дані в таблиці використання ГСК як дослідницьких стендів. Функція ГСК А визначення вмістів Б залежності ТВ В розробка ССПФ В1 залежності КЕЗ Г вибір ВЗ змінні чинники постійні чинники досліджувані зразки розміри зразків підсистеми ССПФ підсистеми ССПФ конструкції ВЗ метрологічне забезпечення вузли ГСК ТВ вузли ГСК стандартні зразки нема шкала КЕЗ нема шкала порядків інші вузли ГСК шкала КЕЗ [1] [2] [3] [3] [3] 20 25 30 35 40 45 50 Видно, і це важливо вказати ще раз, що один і той же ГСК стає, після невеликих, але необхідних змін в своїй конструкції, дослідницьким стендом для реалізації вибраної нами функції. Суть корисної моделі. На Фіг. 3 [3] наведено схему (в перерізі) вузла зовнішнього верхнього багатошарового захисту, який складається з 10 см - шару свинцю Рb (поз.1), 1 мм - шару кадмію Cd (поз. 2), 1 см - шару заліза Fe (поз. 3), 1 см - шару міді Сu (поз. 4), 3 мм - шару алюмінію Аl (поз. 5). У ньому розташовані елементи фіксованого об'єму та складу повітря ФОСІІ-К (поз. 6), теплоізоляційна (поз. 10) та пилозахисна (поз. 11) ширми; розташовані двері верхнього захисту (поз. 12), що складаються з шарів, аналогічних вказаним вище. В робочому просторі цього вузла зовнішнього верхнього захисту розміщений об'єкт нашого дослідження - вузол внутрішнього захисту (ВЗ) (поз. 7), що знаходиться безпосередньо навколо (по периметру) верхньої частини вакуумованого та охолоджуваного скрапленим азотом кріостата (поз. 9), в якій знаходиться кристал детектора. Позиція 8 Фіг. 3 це, відповідно, позиція для зразків. Важливість та актуальність корисної моделі. Аналіз значень КЕЗ, отриманих при виконанні пункту В, В1 показав, що використання вузла ВЗ у вузлі зовнішнього верхнього захисту збільшує значення КЕЗ (див. Фіг. 1, 2: геометрії, де є вузол ВЗ, позначені на осі геометрій префіксом ВЗ). Приклад 2. На Фіг. 2, яка ілюструє важливість та актуальність використання вузлів ВЗ, приведені отримані на ньому залежності КЕЗ = І(Г++6баз) / І(ГХ), де Г++6баз - геометрія, в якій відсутній вузол ВЗ, але є інші вузли зовнішнього верхнього захисту. Видно, що коли можливості інших вузлів, зокрема зовнішнього верхнього захисту, вичерпані (геометрія ГЗ виключена з порівняння), вузол ВЗ "працює" - покращує КЕЗ. Тому актуальним стає вибір оптимальної його конструкції. Вкажемо, що ЯГ С різних, в тому числі і об'ємних зразків, потребує відповідно "власної", індивідуальної конструкції вузла ВЗ. Відмінності. Використавши як найближчого аналога функцію В1, а функції А, Б, В [1-3] - як аналогів, вкажемо на відмінності між В1 і нашою заявкою Г (в таблиці виділено жирним шрифтом). У випадку В1, КЕЗ отримувались та досліджувались, як метрологічний спосіб оцінки правильності напрямку розробки ССПФ ГСК (в бік збільшення значень КЕЗ), як єдиної системи, і де вузол ВЗ був одним з її можливих вузлів. У нашому випадку Г основна увага зосереджується саме на ньому - вузлові ВЗ, який завдяки встановленій експериментально його важливості та актуальності, стає обов'язковим вузлом 2 UA 79328 U 5 10 15 20 25 30 всієї конструкції вузла зовнішнього верхнього захисту ГСК, і тому має в ній певне фіксоване місце (простір). Виявивши важливість вузла ВЗ та актуальність його дослідження, ми повинні розглядати його, як новий відповідальний чинник, що може бути змінним. Позаяк вузол ВЗ виділяється як обов'язковий вузол в ГСК, тому він повинен бути об'єктом нового самостійного дослідження (для вибору його оптимальної конструкції), і цим визначає необхідність нової функції (Г) для ГСК, і, відповідно новий дослідницький стенд. Таким чином, важливість вузла ВЗ та актуальність його дослідження визначає відповідно важливість та актуальність нового дослідницького стенда. Новизна корисної моделі. Зараз ми в змозі виділити основні ознаки новизни дослідницького стенда для реалізації цієї нової функції вибору оптимальної конструкції вузла ВЗ: в стандартизації - заповнюючи місце (поз. 7 Фіг. 3) тільки вузлом ВЗ певної конструкції, і замінюючи його на вузли інших конструкцій ВЗ, та не змінюючи інші вузли (підсистеми) ГСК у загальній конструкції захисту ГСК, ми в змозі зосередитись на виявленні впливу тільки одного чинника - конструкції вузла ВЗ; в метрології - в результаті вимірювань з різними конструкціями вузла ВЗ, ми в змозі отримати кількісні залежності: І = f (конструкція вузла ВЗ); КЕЗ = f (конструкція вузла ВЗ). Відомості, що підтверджують можливість здійснення корисної моделі. Реалізовність нового дослідницького стенда певною мірою ілюструють приклади 1, 2 та Фіг. 1, 2, де наведено дані нашого ГСК як дослідницького стенда (див. Фіг. 3) для реалізації нової функції - визначення метрологічних коефіцієнтів ефективності внутрішнього захисту. Джерела інформації: 1. Стець М.В., Поп О.М., Маслюк В.Т., Чундак С.Ю., Феделеш В.І., Чечур С.І., Березовський І.Л., Мацків Б.В., Хомутник Р.В. Створення науково-дослідної бази гамма-спектрометричних даних зразків гірських порід і будівельних матеріалів Закарпаття. // Науковий Вісник Ужгородського університету. Сер. Хімія. - Вип. 25-2011. - с.120-125. 2. Поп О.М., Стець М.В. Експериментальне визначення метрологічних коефіцієнтів ядерної гамма-спектрометрії об'ємних зразків. // Науковий Вісник Ужгородського університету. Сер. Фізика. - Вип. 28.-2010. - с. 93-98. 3. Юркуц Ю.Ю, Поп О.М., Стець М.В., Маслюк В.Т. Система стабілізації та пониження фону в гамма-спектрометричному комплексі. // Науковий вісник Ужгородського університету. Серія Фізика. Випуск 30.-2011 - с. 188-196. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 50 1. Дослідницький стенд для визначення метрологічних коефіцієнтів ефективності внутрішнього захисту типових гамма-спектрометричних комплексів, який складається з детектора, вузлів зовнішнього верхнього та зовнішнього нижнього багатошарових захистів, пилозахисної та теплоізоляційної ширм, елементів фіксованого об'єму та складу повітря, який відрізняється тим, що у просторі вузла зовнішнього верхнього захисту виділено фіксований простір циліндричної форми, що оточує по периметру верхню частину детектора, та позицію зразка. 2. Дослідницький стенд за п. 1, який відрізняється тим, що цей простір займає тільки вузол внутрішнього захисту. 3. Дослідницький стенд за п. 1, який відрізняється тим, що вузол внутрішнього захисту є змінним вузлом. 4. Дослідницький стенд за п. 1, який відрізняється тим, що всі інші вузли гаммаспектрометричних комплексів незмінні. 5. Дослідницький стенд за п. 1, який відрізняється тим, що вузол внутрішнього захисту є чинником впливу на ефективність захисту. 6. Дослідницький стенд за п. 1, який відрізняється тим, що вузол внутрішнього захисту є визначуваним чинником впливу на ефективність захисту. 7. Дослідницький стенд за п. 1, який відрізняється тим, що цей визначуваний чинник виражається кількісно значеннями метрологічних коефіцієнтів ефективності внутрішнього захисту. 3 UA 79328 U 4 UA 79328 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 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 5