сцинтилляционный детектор и способ его сборки

Формула изобретения

1. Сцинтилляционный детектор, содержащий сцинтиллятор, светоотражающую оболочку, герметичный контейнер, включающий выходное окно и центрирующие кольца со стороны выходного окна и противоположной стороны, отличающийся тем, что, с целью сохранения устойчивости сцинтилляционных характеристик в условиях механических воздействий, противоположная выходному окну часть контейнера, а также обращенный к ней торец сцинтиллятора выполнены 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 сцинтилляционного детектора, включающий установку сцинтиллятора в контейнер, его центровку, формирование светоотражающей оболочки, герметизацию, отличающийся тем, что, с целью сохранения устойчивости сцинтилляционных характеристик детектора в условиях механических воздействий, после установки упругого центрирующего кольца внутрь контейнера, перед началом формирования светоотражающей оболочки со стороны, проивоположной 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, и дальнейшую сборку детектора осуществляют со сцинтиллятором, прижатым к противоположной от выходного окна части контейнера.

Описание изобретения к патенту

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, содержащий светоотражающую оболочку, герметичный контейнер, выходное окно, выполненное специальным образом ("завальцованное"). Способ сборки указанного детектора включает установку, жесткое укрепление выходного окна в узле крепления, установку и центровку сцинтиллятора в корпусе контейнера, формирование светоотражающей оболочки путем послойного уплотнения порошкообразного отражателя.

Известное решение не позволяет изготавливать устойчивые к механическим воздействиям изделия с удовлетворительными сцинтилляционными характеристиками, так как в детекторе отсутствует элемент оптической связи между выходным окном и сцинтиллятором. При воздействии вибраций, ударов, линейных нагрузок может происходить просыпка светоотражающей оболочки в узел выходного окна, т. е. сцинтилляционные характеристики будут ухудшаться необратимым образом.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является конструкция сцинтилляционного детектора. В известном устройстве сцинтиллятор не имеет специальных 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, 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 выполняет функции уплотняет и обеспечивает герметизацию внутреннего объема детектора. Поскольку стекло наклеено на торец сцинтиллятора и не имеет жесткой связи с контейнером, то в процессе механических воздействий на надежность соединения стекломонокристалл масс и габариты последнего влияния практически не оказывают.

Сборка по известному способу включает установку сцинтиллятора в контейнер, его центровку, формирование светоотражающей оболочки, герметизацию.

Недостатком известного способа является недостаточная механическая связь самого сцинтиллятора с контейнером. В случае осевых механических нагрузок, когда вектор ускорения направлен в противоположную от стекла сторону, возможен частичный выход монокристалла из контейнера, сопровождающийся нарушением целостности светоотражающей оболочки по всему ее периметру и, главным образом, по торцевой ее части. После снятия механических нагрузок восстановление конструкции не происходит, т.е. не восстанавливаются сцинтилляционные характеристики.

Цель изобретения - сохранение устойчивости сцинтилляционных характеристик детектора в условиях механических воздействий.

Поставленная цель достигается 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, противоположных выходному окну часть контейнера, а также обращенный к ней торец сцинтиллятора выполняются 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.

Поставленная цель достигается 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 закрывают 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 о 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, ммногократно превышающими ускорения, вызываемые вибрацией а также нагрузками, возникающими в детекторе при крайних значениях температур. В зависимости от характера закрепления сцинтиллятора в контейнере возникают различные условия его нагружения при воздействии ударов с ускорением а длительностью импульса . Кристалл зачастую 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 = a (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:

mv = tR (2) где m - масса кристалла;

R - сила реакции в месте торможения;

t - продолжительность удара.

Возникающие напряжения:

= , (3) где S - площадь взаимодействующей поверхности кристалла.

Таким образом для сцинтиллятора NaI(Tl), плотность которого = 3,6710³ кгм-3, размерами 0,05 х 0,25 м, при длительности импульса 310-3 с и времени соударения t ~ 10-6 с получают:

= a = a 2.7510⁶a , при условии, что удар воспринят всей торцевой поверхностью сцинтиллятора.

Однако известно, что предел прочности монокристаллов NaI(Tl) при комнатной температуре "~ 2.107 нм-2, т.е. воздействие на указанный детектор ударов с ускорениями 10g приводит к возникновению в сцинтилляторе напряжений, соизмеримых с пределом его прочности. Кроме того, в реальных условиях ударная нагрузка распределяется неравномерно по всей торцевой поверхности кристалла, а воспринимается сравнительно небольшой поверхностью кристалла, вплоть до точечного контакта.

Таким образом, в случае незакрепления внутри контейнера крупногабаритного сцинтиллятора, непременно приведет к его разрушению при одиночных ударах > 10g.

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.

Для этого входное окно детектора выполнено выпирающим наружу ступенчатой криволинейной формы. По его внутреннему периметру уложено центрирующее кольцо со ступенчатым внутренним диаметром и соответствующим периферии данной части контейнера наружным профилем. Особенностью центрирующего кольца является геометрическая форма неконтактирующих 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 лине 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 являются следующие:

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 усилиям;

формирование донной части светоотражающей оболочки детектора продолжают до тех пор, пока материал оболочки не достигнет уровня посадочного места под сцинтиллятор в центрирующем кольце;

в качестве критерия для оценки требуемой степени уплотнения сыпучего материала светоотражающей оболочки используют факт появления упругих свойств ее;

по завершению формирования донной части светотражающей оболочки удаляют технологическую втулку;

устанавливают внутрь контейнера сцинтиллятор и запрессовывают его внутрь посадочного места центрирующей втулки до полного выбора всех зазоров и частичного сжатия уже сформированной донной части светоотражающей оболочки;

осевое усилие, воздействующее на сцинтиллятор при сжатии донной части светоотражающей оболочки, выбирают из условия:

F ~ KS", где " - предел прочности сцинтиллятора на сжатие;

S - площадь поперечного сечения сцинтиллятора;

К - коэффициент запаса прочности; в процессе формирования цилиндрической части светоотражающей оболочки донную ее часть удерживают в сжатом посредством сцинтиллятора состоянии;

по завершению формирования цилиндрической части светоотражающей оболочки сцинтиллятор продолжает удерживать в прижатом к дну контейнера состоянии и верхнее центрирующее кольцо запрессовывают в зазор между сцинтиллятором и контейнером до уровня верхнего торца сцинтиллятора;

снимают осевое усилие, воздействующее на сцинтиллятор с целью сжатия донной части светоотражающей оболочки (если плотность прессовки вязкосыпучего материала светоотражающей оболочки в цилиндрической ее части достаточна, то в этой ситуации сцинтиллятор остается неподвижным, поскольку осевое усилие, воздействующее на него со стороны сжатой донной части светоотражающей оболочки, уравновешивается силами трения воздействующими на боковые поверхности сцинтиллятора со стороны остальной части светоотражающей оболочки);

формируют элемент оптической связи стекла выходного окна со сцинтиллятором;

устанавливают стекло выходного окна, предварительно прижав его к торцу сцинтиллятора, неподвижно закрепляют и герметизируют стык с контейнером.

На фиг. 1 изображено конструктивное решение донной части сцинтилляционного детектора в состоянии, предшествующем запрессовке сцинтиллятора в посадочное место нижнего центрирующего кольца, местный осевой разрез; на фиг. 2 - то же, в полностью собранном состоянии, местный осевой разрез; на фиг.3 - выходная оконная часть детектора (местный осевой разрез= в полностью собранном состоянии; на фиг.4 - донная часть детектора (местный осевой разрез) в состоянии формирования соответствующей части светоотражающей оболочки.

Детектор имеет цилиндрическую симметричную конструкцию, состоящую из контейнера 1, нижнего центрирующего кольца 2, сцинтиллятора 3, донной 4 и боковой цилиндрической 5 частей светоотражающей оболочки, верхнего центрирующего кольца 6 и стекла 7 выходного окна. Контейнер 1 детектора представляет собой традиционно цилиндрический стакан из прочного жесткого материала, например нержавеющей стали или сплава алюминия. Дно контейнера 1 выполнено монолитным заодно с боковыми стенками 8. По форме дно контейнера 1 выпуклое и состоит из сферической центральной части 9 и конической 10 периферии, соединяющей сферическую часть 9 с боковыми цилиндрическими стенками 8. Внутри контейнера 1 по периметру его донной части, т.е. на внутренней поверхности конусного участка 10 и примыкающим к нему поверхностям, уложено центрирующее кольцо 2 с посадочным местом 11 под сцинтиллятор 3. Посадочное место 11 под сцинтиллятор 3 образовано местным расширением проходного отверстия кольца 2 и представляет собой цилиндрическую кольцевую выборку с плоской 12 и цилиндрической 13 поверхностями. Плоская поверхность 12 посадочного места 11 под сцинтиллятор 3 ориентирована по нормали к оси симметрии контейнера 1 и всего изделия в целом. Цилиндрическая поверхность 13 соосна общей оси симметрии детектора. Закреплено кольцо 2 внутри контейнера 1 клеем. Материал кольца 2 податлив для упругих деформаций. Донная часть 4 светоотражающей оболочки располагается на внутренней поверхности выпуклой части 9 дна контейнера 1 внутри кольца 2 и выполнена из традиционных материалов, например из прессованного порошка окиси магния или алюминия. По толщине донная часть 4 светоотражающей оболочки достигает плоской поверхности 12 посадочного места 11 в кольце 2 под сцинтиллятор 3. Предлагаемая конструкция дна контейнера 1 обосновывается ее стойкостью против выпирания наружу при внутреннем осевом нагружении. Конусный переход 10 к боковым стенкам 8 контейнера 1 наряду с большей технологичностью позволяет снять возможные при прямоугольном сопряжении концентрации напряжений. Степень выпуклости дна и глубина посадочного места 11 внутри кольца 2 выбираются из соображений обеспечения оптимальной толщины донной части 4 светоотражающей оболочки, лежащей в пределах 2-3 мм.

Сам сцинтиллятор 3 выполнен традиционно цилиндрическим с нормальным оси симметрии плоским торцом 14. Особенностью сцинтиллятора 3 является то, что периферия его торца 14 выполнена скошенной в виде конусной поверхности 15.

Со стороны выходного окна детектор (см.фиг..3) также имеет центрирующее кольцо 5, запрессованное в зазор между сцинтиллятором 3 и контейнером 1. Это кольцо 6 предупреждает отклонение сцинтиллятора 3 от общей оси симметрии изделия в процессе формирования оптической связи сцинтиллятора 3 со стеклом 7 выходного окна и последующего закрепления последнего внутри контейнера 1 детектора.

Сборка детектора (см.фиг.4) начинается с закрепления на монтажном столе 19 контейнера 1 и установки внутрь него первого центрирующего кольца 2. Последнее на дне контейнера закрепляют клеем. После этого внутрь контейнера 1 соосно с ним устанавливают технологическую втулку 20. Внутренний диаметр технологической втулки 20 в точности соответствует минимальному диаметру посадочного места 11 под сцинтиллятор 3 в теле центрирующего кольца 2. Поскольку материал кольца 2 подталив к упругим деформациям, то втулку 20 закрепляют, не прибегая к осевым усилиям. Назначением втулки 20 является предохранение посадочного места 11 под сцинтиллятор 3 от попадания на него материала светоотражающей оболочки 3 в процессе формирования последней. Дозирование материала светоотражающей оболочки выполняют традиционным весовым методом. Уплотнение - с помощью плунжера 21, нижний торец 22 которого полностью соответствует форме торца сцинтиллятора 3, который позже будет установлен в данный контейнер 1. По высоте сформированная донная часть светоотражающей оболочки 4 в точности достигает края посадочного места 11 под сцинтиллятор 3 в теле кольца 4 или, что то же самое, внутреннего ребра 21 технологической втулки 20. Толщина светоотражающей обол очки 3 в свободном состоянии больше необходимой с точки зрения собранного детектора. Степень уплотнения оболочки 4 контролируется по появлению упругих ее свойств, т.е. по появлению способности к восстановлению прежней, на момент времени до начала воздействия плунжера 21, толщины. После того, как донная часть светоотражающей оболочки 4 сформирована, технологическую втулку 20 удаляют, а на ее место устанавливают сцинтиллятор 3 путем приложения осевого усилия, достаточного для преодоления сил трения и упругости, возникающих при проникновении торца сцинтиллятора 3 внутрь посадочного места 11 в теле кольца 2, а также сил упругости, воздействующих на сцинтиллятор 3 со стороны сжимаемой им светоотражающей оболочки 4. Степень сжатия светоотражающей оболочки 4 (донной ее части) определяется отношением Н/h (где H > h, см.фиг.1) и в дальнейшем будет задавать осевое напряженное состояние всего детектора в целом. В процессе запрессовки сцинтиллятора 3 в сопряжении сцинтиллятор - кольцо выбираются все зазоры. Происходит это за счет взаимного их смещения друг относительно друга и за счет упругих деформаций контактирующих со сцинтиллятором 3 частей центрирующего кольца 2. После запрессовки сцинтиллятора 3 и сжатия им донной части оболочки 4 сцинтиллятор закрепляют и удерживают неподвижно на протяжении целого ряда последующих операций. Осевое усилие при запрессовке сцинтиллятора не превышает предела прочности с учетом его запаса. После этого формируют цилиндрическую часть светоотражающей оболочки 4 и по завершению в зазор между сцинтиллятором 3 и контейнером 1 запрессовывают верхнее центрирующее кольцо 6. После этого осевую нагрузку со сцинтиллятора 3 снимают. Сжатая донная часть 4 светоотражающей оболочки на этом этапе сборки детектора уже не в состоянии вытолкнуть сцинтиллятор 3 из контейнера 1 по причине уравновешивающего воздействия сил трения между боковыми стенками 18 сцинтиллятора 3 и внутренней поверхностью его контейнера 1. После этого одним из известных методов формируют оптическую 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 позволяют получить ряд качественных улучшений изделия:

выпуклое наружу дно контейнера 1 в достаточной мере реактивно по отношению к воздействию внутренних осевых нагрузок, что немаловажно при использовании предварительно напряженной конструкции;

сопряжение донной части контейнера 1 с его цилиндрическими стенками 8 посредством конусного перехода 10 позволяет значительно уменьшить в этом месте концентрации напряжений, а следовательно с успехом применить более тонкостенный контейнер 1;

жесткости донной части контейнера 1 способствует ее гофрированная периферия, 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 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 светоотражающую оболочку 4 фиксированной толщины, а следовательно минимизировать потери ионизирующего облучения, поступающего на сцинтиллятор 3 со стороны его торца 14;

поскольку центрирующее кольцо 2 устанавливается в контейнер 1 первым, а также поскольку оно закрепляется так 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 стекло - сцинтиллятор;

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 торцем сцинтилятора 3;

напряженное состояние донной части 4 светоотражающей оболочки исключает разуплотнение ее в процессе вибрации, тряски и других механических нагрузок.