Сцинтиляційний детектор та спосіб його складання

1. Сцинтилляционный детектор, содержащий сцинтиллятор, светоотражающую оболочку, герметичный контейнер, включающий выходное окно и центрирующие кольца со стороны выходного окна и противоположной стороны, отличающ и й с я тем, что противоположная выходному окну часть контейнера, а также обращенный к ней торец сцинтиллятора выполнен выпуклой формы, противоположное выходному окну центрирующее кольцо выполнено из упругого материала, уложено на внутренней поверхности входного окна, имеет переменный внутренний диаметр, больший со стороны сцинтиллятора, и посажено на торец сцинтиллятора с натягом. 2. Способ сборки сцинтиляционного детектора, включающий установку сцинтиллятора в контейнер, его центровку, формирование светоотражающей оболочки, герметизацию, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что после установки упругого центрирующего кольца внутрь контейнера, перед началом формирования светоотражающей оболочки со стороны, противоположной входному окну, внутрь контейнера устанавливают неподвижную технологическую втулку и закрепляют ее в положении касания к центрирующему кольцу, формируют часть светоотаражающей оболочки со стороны входного окна до достижения материала оболочки уровня посадочного места под сцинтиллятор в центрирующем кольце, удалив технологическую втулку, запрессовывают внутрь посадочного места кольца сцинтиллятор до упора с усилием, не превышающим предел прочности сцинтиллятора на сжатие, и дальнейшую сборку детектора осуществляют со сцинтиллятором, прижатым к противоположной от выходного окна части контейнера. Изобретение относится к устройствам для регистрации и спектрометрии ионизирующего излучения, в частности, к сцинтилляционным детекторам, работающим в относительно стабильных температурных условиях и при значительных динамических нагрузках. Важным условием, обеспечивающим высокую устойчивость сцинтилляционных характеристик при и после воздействия механических факторов, является стабильность оптического контакта сцинтиллятора с выходным окном, а также стабильность светоотражающих характеристик его оболочки, формируемой из вязкосыпучих материалов Известен сцинтилляционный детектор [1], содержащий светоотражащую оболочку, С о о 9940 герметичный контейнер, выходное окно выполненное специальным образом ("завальцованное"). Способ сборки указанного детектора включает установку, жесткое укрепление выходного окна в узле крепления, 5 установку и центровку сцинтиллятора в корпусе контейнер, формирование светоотражающей оболочки путем послойного уплотнения порошкообразного отражателя. Известное решение не позволяет изго- 10 тавливать устойчивые к механическим воздействиям изделия с удовлетворительными сцинтилляционными характеристиками, т.е. в детекторе отсутствует элемент оптической связи между выходным окном и сцинтилля- 15 тором. При воздействии вибраций, ударов, линейных нагрузок, могут происходить просыпка светоотражающей оболочки в узел выходного окна, т.е. сцинтилляционные характеристики будут ухудшаться необрати- 20 мым образом. Нёиболее близким к заявляемому техническому решению является конструкция сцинтилляционного детектора [2]. В известном устройстве сцинтиллятор не имеет спе- 25 циальных устройств для фиксации его положения внутри контейнера и удерживается в нем только лишь за счет сил трения между внешними поверхностями кристалла и материалом светоотражающей оболочки, 30 выполненной из спрессованного порошка. Выходное окно в таком устройстве состоит из стекла и телескопически связанной с контейнером оправы. Телескопическая связь оправы и контейнера главным образом вы- 35 полняет функции уплотнения и обеспечивает герметизацию внутреннего объема детектора. Поскольку стекло наклеено на торец сцинтиллятора и не имеет жесткой связи с контейнером, но в процессе механи- 40 .ческих воздействий на надежность соединения стекломонокристалл вес и габариты последнего влияния практически не оказывают. Сборка по известному способу включа- 45 ет установку сцинтиллятора в контейнер, его центровку, формирование светоотражающей оболочки, герметизацию. Недостатком известного изобретения является недостаточная механическая связь 50 самого сцинтиллятора с контейнером. В случае осевых механических нагрузок, когда вектор ускорения направлен в противоположную от стекла сторону, возможен частичный выход монокристалла из 55 контейнера, сопровождающийся нарушением целостности светоотражающей оболочки по всему ее периметру и, главным образом, по торцовой ее части. После снятия механических нагрузок восстановление конструк 4 ции не происходит, т.е. не восстанавливаются сцинтилляционные характеристики. В основу изобретения поставлена задача создания сцинтилляционного детектора и разработка способа его сборки, в которых новое выполнение элементов конфигурации детектора и новой последовательности проведения сборки обеспечили бы устойчивость сцинтилляционных характеристик в условиях механических воздействий. Решение задачи обеспечивается тем, что в сцинтилляционном детекторе, содержащем сцинтиллятор, светоотражающую оболочку, герметичный контейнер, включающий выходное окно и центрирующие кольца со стороны выходного окна и противоположной стороны, согласно изобретению, противоположная выходному окну часть контейнера, а также обращенный к ней торец сцинтиллятора выполняется выпуклой формы. Противоположное выходному окну центрирующее кольцо выполнено из упругого материала и уложено на внутренней поверхности входного окна. Кольцо имеет переменный внутренний диаметр, больший со стороны сцинтиллятора, и посажено на торец сцинтиллятора с натягом. Решение задачи обеспечивается также тем, что в способе сборки сцинтилляционного детектора, включающем установку сцинтиллятора в контейнер, его центровку, формирование светоотражающей оболочки, герметизацию, согласно изобретению, после установки упругого центрирующего кольца внутрь контейнера, перед началом формирования светоотражающей оболочки со стороны, противоположной входному окну, внутрь контейнера устанавливают неподвижную технологическую втулку и закрепляют ее в положении касания к центрирующему кольцу. Формируют часть светоотражающей оболочки со стороны входного окна до достижения материала оболочки уровня посадочного места под сцинтиллятор в центрирующем кольце, удалив технологическую втулку, запрессовывают внутрь посадочного места кольца сцинтиллятор до упора с усилием, не превышающим предел прочности сцинтиллятора на сжатие. Дальнейшую сборку детектора осуществляют со сцинтиллятором, прижатым к противоположной от выходного окна части контейнера. Наиболее опасным для детекторов воздействиями являются одиночные удары, характеризующиеся ускорениями, многократно превышающими ускорения, вызываемые вибрацией, а также нагрузками, возникающими в детекторе при крайних значениях температур. В зависимости отха 9940 рактера закрепления сцинтиллятора в контейнере возникают различные условия его нагружения при воздействии ударов с ускорением а длительностью импульса г. Зачастую кристалл имеет возможность перемещаться внутри контейнера. При этом наиболее опасные подвижки возникают при ударах, направленных вдоль оси детектора: для кристалла - от входного окна к выходному; для элемента оптической связи, как в указанном направлении (будет происходить его раздавливание, появление трещин), так и в противоположном (будет происходить его разрыв). В случае осевых воздействий сцинтиллятор с контейнером приобретает скорость: v - аг (1) При остановке контейнера кристалл будет продолжать движение с указанной скоростью (1) до момента торможения либо с узлом выходного окна, либо с узлом входного окна: m v = tR (2) где m - масса кристалла, R - сила реакции в месте торможения, t - продолжительность удара. Возникающие напряжения: 5 10 15 20 25 ff = | (3) где S - площадь взаимодействующей повер- 30 хности кристалла. Таким образом, для сцинтиллятора NaJ(TI) плотность которого р ~ 3,67 103 кг м"3, размерами 0 0,05 х 0,25 м, при длительности импульса т ~ 3 10"3 сек и времени 35 соударения t ~ 106 сек получим: 3,67 • 103 * 0,25 • 3 • 10~ 3 • V 40 10 6 х а«2,75-10 6 а, при условии, что удар воспринят всей торцовой поверхностью сцинтиллятора. Однако известно, что предел прочности 45 монокристаллов NalfTI) пои комнатной температуре а' ~ 2 * Ю н мЛ т.е. воздействие на указанный детектор ударов с ускорениями ^ 10 g приводит к возникновению в сцинтилляторе напряжений соизмеримых с 50 пределом его прочности. Кроме того в реальных условиях ударная нагрузка распределяется неравномерно по всей торцовой поверхности кристалла, а воспринимается сравнительно небольшой поверхностью 55 кристалла, вплоть до точечного контакта. Таким образом, в случае незакрепления внутри контейнера крупногабаритного сцинтиллятора, непременно приведет к его разрушению при одиночных ударах > 10 д. зг Сущность предлагаемого изобретения - жестко зафиксировать сцинтиллятор внутри детектора При этом у узла входного окна детектора кроме герметизации появляются новые свойства - упругая, напряженная, центрирующая посадка кристалла. До этого входное окно детектора выполнено выпирающим наружу ступенчатой криволинейной формы. По его внутреннему периметру уложено центрирующее кольцо со ступенчатым внутренним диаметром и соответствующим периферии донной части контейнера наружным профилем. Особенностью центрирующего кольца является геометрическая форма не контактирующих с контейнером его поверхностей. Со стороны сцинтиллятора кольцо имеет больший внутренний диаметр, чем в средней и противоположной своей части. Эта часть кольца представляет собой посадочное место для торца сцинтиллятора, а поэтому охватывает его со стороны дна контейнера и соответствующего края боковой цилиндрической поверхности. Посадка центрирующего кольца на торец сцинтиллятора напряженная с постоянным или переменным по длине сопряжения, увеличивающимся в направлении дальнего торца сцинтиллятора, натягом. Материал кольца податлив для упругих деформаций, например фторопласт Со стороны выходного окна детектор также имеет центрирующее кольцо, установленное между сцинтиллятором и контейнером. Сам блок выходного окна представляет собой неподвижное соединение оптического стекла с контейнером детектора Особенностью конструкции самого сцинтиллятора является выпуклая или ступенчатая форма противоположного от выходного окна торца, сочетающая в себе плоские, конусные или криволинейные элементы для безотказного сочленения со входным окном и центрирующим кольцом. Принципиальными отличиями способа сборки предложенной конструкции сцинтилляционного детектора является следующее: первым внутри контейнера монтируют донное центрирующее кольцо и закрепляют его клеем; перед началом формирования донной части светоотражающей оболочки внутрь контейнера устанавливают неподвижную технологическую втулку и закрепляют ее в положении касания к донной центрирующей втулке не прибегая к осевым усилиями; формирование донной части светоотражающей оболочки детектора продолжают до тех пор, пока материал оболочки не до 9940 8 стигнет уровня посадочного места под сцинщими заявляемое техническое решение от тиллятор в центрирующем кольце; прототипа не обнаружено, следовательно в качестве критерия для оценки требуезаявляемое решение соответствует критемой степени уплотнения сыпучего материарию "существенные отличия". ла светоотражающей оболочки используют 5 На фиг.1 изображено конструктивное факт появления упругих свойств ее; решение донной части сцинтилляционного детектора, в состоянии предшествующем по завершению формирования донной запрессовке сцинтиллятора в посадочное части светоотражающей оболочки удаляют место нижнего центрирующего кольца (метехнологическую втулку; устанавливают внутрь контейнера 10 стный осевой разрез). На фиг.2 - то же, в полностью собрансцинтиллятор и запрессовывают его внутрь ном состоянии (местный осевой разрез). посадочного места центрирующей втулки до На фиг.З изображена выходная оконполного выбора всех зазоров и частичного ная часть детектора (местный осевой разсжатия уже сформированной донной части 15 рез), в полностью собранном состоянии. светоотражающей оболочки; На фиг.4 изображена донная часть деосевое усилие воздействующее на сцинтектора (местный осевой разрез) в состоятиллятор при сжатии донной части светоотнии формирования соответствующей части ражающей оболочки выбирают из условия: светоотражающей оболочки. F ~ KS а", 20 Примеры конкретного выполнения Ниже приводим конструкторские реагде о" - предел прочности сцинтиллятора на лизации заявляемого технического решесжатие; ния (фиг. 1-4). S - площадь поперечного сечения сцинДетектор имеет цилиндрическую симтиллятора; 25 метричную конструкцию состоящую из конК- коэффициент запаса прочности; тейнера 1, нижнего центрирующего кольца в процессе формирования цилиндрической 2, сцинтиллятора 3. донной 4 и боковой цичасти светоотражающей оболочки донную линдрической 5 частей светоотражающей ее часть удерживают в сжатом, посредством оболочки, верхнего центрирующего кольца сцинтиллятора состоянии; по завершению формирования цилинд- 30 6 и стекла 7 выходного окна. Контейнер 1 детектора представляет собой традиционрической части светоотражающей оболочки но цилиндрический стакан из прочного жесцинтиллятор продолжают удерживать в сткого материала, например нержавеющей прижатом ко дну контейнера состоянии и стали или сплавов алюминия. Дно контейверхнее центрирующее кольцо запрессовывают в зазор между сцинтиллятором и кон- 35 нера 1 выполнено монолитным заодно с тейнером до уровня верхнего торца боковыми стенками 8. По форме дно консцинтиллятора; тейнера 1 выпуклое и состоит из сферичеснимают осевое усилие воздействуюской центральной части 9 и конической 10 щее на сцинтиллятор с целью сжатия донпериферии, соединяющей сферическую ной части светоотражающей оболочки (если 40 часть 9 с боковыми цилиндрическими стенплотность прессовки вязкосыпучего матеками 8. Внутри контейнера 1 по периметру риала светоотражающей оболочки в цилинего донной части, т.е. на внутренней повердрической ее части достаточна, то в этой хности конусного участка 10 и примыкаюситуации сцинтиллятор остается неподвижщим к нему поверхностям уложено ным, поскольку осевое усилие воздействую- 45 центрирующее кольцо 2 с посадочным месщее на него со стороны сжатой донной части том 11 под сцингиллятор 3. Посадочное месветоотражающей оболочки уравновешивасто 11 под сцинтиллятор 8 образовано ется силами трения, воздействующими на' местным расширением проходного отвербоковые поверхности сцинтиллятора со стостия кольца 2 и представляет собой цилинроны остальной части светоотражающей 50 дрическую кольцевую выборку с плоской 12 оболочки); и цилиндрической 13 поверхностями. Плоформируют элемент оптической связи ская поверхность 12 посадочного места 11 стекла выходного окна со сцинтиллятором; под сцинтиллятор 3 ориентирована норустанавливают стекло выходного окна, мально оси симметрии контейнера и всего предварительно прижав его к торцу сцин- 55 изделия в целом. Цилиндрическая поверхтиллятора неподвижно закрепляют и герменость 13 - соосна общей оси симметрии тизируют стык с контейнером. детектора. Закреплено кольцо 2 внутри конДругих технических решений, имеющий тейнера 1 клеем. Материал кольца 2 податпризнаки, сходные с признаками, отличаюлив для упругих деформаций. Донная часть 4 светоотражающей оболочки располагает 9940 10 ца сцинтиллятора 3. который позже будет ся на внутренней поверхности выпуклой чаустановлен в данный контейнер 1. По высости 9 дна контейнера 1 внутри кольца 2 и те сформированная донна часть светоотравыполнена из традиционных материалов, жающей оболочки 4 в точности достигает например из прессованного порошка окиси магния или алюминия. По толщине донная 5 края посадочного места 11 под сцинтиллятор 3 в теле кольца 4, или, что то же самое, часть 4 светоотражающей оболочки достивнутреннего ребра 23 технологической гает плоской поверхности 12 посадочного втулки 20. Толщина светоотражающей обоместа 11 в кольце 2 под сцинтиллятор 3. лочки 4 в свободном состоянии больше неПредлагаемая конструкция дна контейнера 1 обосновывается ее стойкостью против вы- 10 обходимой, с точки зрения собранного пирания наружу при внутреннем осевом надетектора. Степень уплотнения оболочки 4 гружении. Конусный переход 10 к боковым контролируется по появлению упругих стенкам 8 контейнера 1 наряду с большой свойств, т.е. по появлению способности к технологичностью, позволяет снять возвосстановлению прежней, на момент времожные при прямоугольном сопряжении 15 мени до начала воздействия плунжера 21, концентрации напряжений. Степень выпуктолщины. После того, как донная часть свелости дна и глубина посадочного места 11 тоотражающей оболочки 4 сформирована, внутри кольца 2 выбираются из соображетехнологическую втулку 20 удаляют, а на ний обеспечения оптимальной толщины место нее устанавливают сцинтиллятор 3. донной части 4 светоотражающей оболочки, 20 Устанавливают сцинтиллятор 3 путем прилежащей в пределах 2-3 мм. ложения осевого усилия, достаточного для преодоления сил трения и упругости возниСам сцинтиллятор 3 выполнен традицикающих при проникновении торца сцинтилонно цилиндрическим с нормальным оси лятора 3 внутрь посадочного места 11 в теле симметрии плоским торцом 14. Особенностью сцинтиллятора 3 является то, что пери- 25 кольца 2, а также сил упругости, воздейстферия его торца 14 выполнена скошенной в вующих на сцинтиллятор 3 со стороны сживиде конусной поверхности 15. маемой им светоотражающей оболочки 4. Со стороны выходного окна детектор Степень сжатия светоотражающей оболоч(фиг.З) также имеет центрирующее кольцо б, ки 4 (донной ее части) определяется отношезапрессованное в зазор между сцинтилля- 30 нием Н/п, где Н > h см. фиг.1 и в тором 3 и контейнером 1. Это кольцо 6 предальнейшем будет задавать осевое напрядупреждает отклонение сцинтиллятора 3 от женное состояние всего детектора в целом. общей оси симметрии изделия в процессе В процессе запрессовки сцинтиллятора 3 в формирования оптической связи сцинтилсопряжении сцинтиллятор-кольцо выбиралятора 3 со стеклом 7 выходного окна и 35 ются все зазоры. Происходит это за счет последующего закрепления последнего взаимного их смещения друг относительно внутри контейнера 1 детектора. друга и за счет упругих деформаций контактирующих со сцинтиллятором 3 частей ценСборка детектора (см. фиг.4) начинается трирующего кольца 2. После запрессовки с закрепления на монтажном столе 19 контейнера 1 и установки внутрь него первого 40 сцинтиллятора 3 и сжатия им донной части центрирующего кольца 2. Последнее на дне оболочки 4 сцинтиллятор закрепляют и контейнера закрепляют клеем. После этого удерживают неподвижно на протяжении внутрь контейнера 1 соосно с ним устанавцелого ряда последующих операций. Оселивают технологическую втулку 20. Внутвой усилие при запрессовке сцинтиллятора ренний диаметр технологической втулки 20 45 не превышает предела прочности с учетом в точности соответствует минимальному диего запаса. После этого формируют цилинаметру посадочного места 11 под сцинтилдрическую часть светоотражающей оболочлятор 3 в теле центрирующего кольца 2. ки 4 и по завершению в зазор между Поскольку материал кольца 2 податлив к сцинтиллятором 3 и контейнером 1 запресупругим деформациям, то втулку 20 закреп- 50 совывают верхнее центрирующее кольцо 6. ляют не прибегая к осевым усилиям. НазнаПосле этого осевую нагрузку со сцинтиллячением втулки 20 является предохранение тора 3 снимают. Сжатая донная часть 4 свепосадочного места 11 под сцинтиллятор 3 от тоотражающей оболочки на этом этапе попадания на него материала светоотражасборки детектора уже не в состоянии вытолющей оболочки 4, в процессе формирования 55 кнуть сцинтиллятора 3 из контейнера 1 по последней. Дозирование материала светопричине уравновешивающего воздействия отражающей оболочки выполняют традицисил трения между боковыми стенками 18 онным весовым методом. Уплотнение с сцинтиллятора 3 и внутренней поверхнопомощью плунжера 21 нижний торец 22 костью его контейнера 1. После этого одним торого полностью соответствует форме ториз известных методов формируют оптиче 11 9940 скую связь между стеклом 7 выходного окна и торцом сцинтиллятора 3 и вклеивают в контейнер стекло 7 герметизируя стык 24. Предложенная конструкция детектора и способ его сборки позволяет получить ряд 5 качественных улучшений изделия: - выпуклое наружу дно контейнера 1 в достаточной мере реактивно по отношению к воздействию внутренних осевых нагрузок, что немаловажно при использовании пред- 10 варительно напряженной конструкции; - сопряжение донной части контейнера 1 с его цилиндрическими стенками 8 посредством конусного перехода 10 позволяет значительно уменьшить в этом месте 15 концентрации напряжений, а следовательно с успехом применить более тонкостенный контейнер 1; - жесткости донной части контейнера 1 способствует ее гофрированная периферия, 20 образованная переходами от выпуклости 9 к кольцевому плоскому 16 участку, а затем снова к конусному 10, сопрягающему донную часть в целом со стенками 8 контейнера 1; - кроме того плоская 16 периферийная 25 часть дна контейнера 1 используется для удобства крепления центрирующего кольца 2; - выпуклая форма торца 14 сцинтиллятора 3 совместно с такой же формой донной части контейнера 1 позволяет получить све- 30 тоотражающую оболочку 4 фиксированной толщины, а следовательно минимизировать потери ионизирующего облучения поступающего на сцинтиллятор 3 со стороны его торца 14, 35 и 12 - поскольку центрирующее кольцо 2 устанавливается в контейнер 1 первым, а также поскольку оно закрепляется там с помощью клея, то оно позволяет более надежно фиксировать сцинтиллятор 3 внутри контейнера 1 как на этапе сборки с контейнером 1, так и на этапе его эксплуатации и особенно при воздействии внешних механических нагрузок; - надежной центровке сцинтиллятора 3 способствует и напряженная его посадка внутри центрирующего кольца 2; - поскольку приторцевая часть сцинтиллятора 3 и кольцевое посадочное место 11 под него в теле кольца 2 спроектированы таким образом, что величина натяга переменна по глубине посадочного места и убывает по мере приближения к торцу 14 сцинтиллятора 3, то это позволило повысить гарантии точной сборки сопряжения, а следовательно обеспечить и более высокую точность сборки сопряжения стеклосцинтиллятора; - напряженное осевое состояние сцинтиллятора 3 внутри контейнера 1 и особенно напряженное состояние самой донной части светоотражающей оболочки 4 гарантирует их надежный оптический контакт равно как и надежный оптический контакт между стеклом 7 выходного окна и другим торцом сцинтиллятора 3; - напряженное состояние донной части 4 светоотражающей оболочки исключает разуплотнение ее в процессе вибрации, тряски и других механических нагрузок ,/, '/'/А '/' '/' //> £ 'ащ т гт ОРбЬ 9940 Оиг. Упорядник Замовлення 4559 Техред М.Моргентал Коректор Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, Київ-53, Львівська пл , 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул.Гагаріна, 101