УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ СТРОУ ТРУБКИ КООРДИНАТНОГО ДЕТЕКТОРА ЧАСТИЦ
DEVICE FOR INVESTIGATING PROPERTIES OF A TUBE OF A COORDINATE PARTICLE DETECTOR

Область техники
Изобретение относится к области исследования характеристик тонкостенной полиэтиленовой трубки - строу (straw), которые применяются для создания координатных детекторов, работающих в вакууме. Наиболее важными параметрами материала строу являются: область упругой деформации, значение модуля упругости, от которого зависит прочность строу, коэффициент Пуассона, определяющий влияние внутреннего давления на натяжение строу, и скорость релаксации натяжения. Эти параметры в значительной степени влияют на выбор конструкции детектора и срок службы строу в эксперименте. Знание коэффициента Пуассона требуется для выбора предварительного натяжения строу при ее установке в детекторе, поскольку при работе строу в вакууме происходит изменение ее натяжения: [А. Д. Волков и др. Влияние внутреннего давления на натяжение в сварных строу трекового детектора. // Успехи прикладной физики, 2018, том 6, №1, стр. 82-89]. Время релаксации натяжения строу до критической величины будет ограничивать срок службы детектора в эксперименте, что для экспериментаторов является нежелательным. Поэтому оценка срока службы детектора в эксперименте, основанная на знании и поведении характеристик строу, является важной задачей. При этом прочностные характеристики материала строу и ее срок службы максимальны в области упругой деформации, которая определяется экспериментально.
Уровень техники
Упругие и прочностные свойства материала оценивают по зависимости деформации от величины приложенного к образцу напряжения. Эта зависимость позволяет определить области упругой и пластической деформации, модуль упругости материала (модуль Юнга), которые являются важными характеристиками строу. В технике большое внимание уделено созданию устройств для определения свойств материалов с использованием различных методов измерения.
Известен способ измерения модуля упругости, при котором исследуемый образец полимерной системы известной плотности помещают в первичный измерительный преобразователь емкостного типа, производят нагрев образца, измеряют и регистрируют на его зажимах напряжение тепловых электрических флуктуации, определяют ряд параметров эластомера, по которым рассчитывают значение модуля упругости по предложенной формуле: [Патент РФ №2357236] [Ивановский В. А. Способ определения модуля упругости при растяжении эластомеров. Бюллетень №15,27.05.2009].
Известно устройство для измерения модуля упругости по резонансной частоте колебаний образца: [Патент полезной модели РФ №24726], [Еремин С.Г, Михеев А. С, Плотников А. И. Устройство для измерения модуля упругости. Бюллетень №23, 20.08.2002].
Известны ручные и моторизированные испытательные стенды для исследования деформации, прочности и напряжений исследуемого образца фирм: Nidec-Simpo Corp.(Япония) и Mark-10 Corp.(США). Деформация образца в ручных моделях стендов задается с помощью рычажного механизма, а в моторизованных моделях задается с помощью шагового двигателя. Для измерения смещения используются стрелочные либо цифровые датчики положения. Натяжение трубки измеряют с помощью цифрового динамометра или тензодатчика, подключенного к персональному компьютеру.
Перечисленные устройства и стенды имеют существенный недостаток, связанный с влиянием температуры и влажности на материал исследуемого образца. Ввиду существенной ошибки, вносимой этими факторами, результаты проводимого исследования могут быть значительно искажены, а их дальнейшая обработка и интерпретация может быть затруднена или невозможна. Также недостатком является высокая стоимость и сложность конструкции для применения в лабораторных условиях.
Целью изобретения является разработка устройства для исследования свойств строу трубок для координатных детекторов частиц, позволяющее определить область упругой деформации, модуль упругости, коэффициент Пуассона, время релаксации натяжения материала строу, на основании которых оценивается срок службы строу в эксперименте. Особенностью поставленной задачи является сверхтонкая толщина применяемых строу, которая для современных детекторов составляет (15-40) микрон.
В качестве прототипа выбрана конструкция стенда, описанная в статье: [L. Glonti et al. Longitudinal tension and mechanical stability of a pressurized straw tube. // Препринт ОИЯИ, E1 - 2017 - 20,2017]. Стенд содержит основание, на котором помещается исследуемая строу с наконечниками. Один из наконечников соединен с тензодатчиком, жестко закрепленным на основании. Другой наконечник соединен с устройством продольной деформации строу, которая регулируется по величине натяжения материала строу. Стенд позволяет измерять модуль упругости, коэффициент Пуассона, прочность и релаксацию натяжения строу, но результаты измерения также подвержены влиянию температуры и влажности, что ограничивает точность измеряемых характеристик.
Раскрытие изобретения:
Поставленная техническая задача достигается тем, что в известное устройство, содержащее основание, на котором располагают исследуемую строу, снабженную с двух сторон наконечниками, лежащими на основании, один из которых соединен с блоком натяжения материала строу и имеет вход для подачи внутрь строу газа под давлением, а другой наконечник подключен к входу тензодатчика, который жестко закреплен на основании и регистрирует натяжение материала строу дополнительно введена система осушения воздуха, выполненная на основе силикагеля, и система термостабилизации, содержащая: датчик температуры, расположенный в области исследуемой строу, нагревательный элемент, вентиляторы, диффузор с отверстиями, расположенными в нем ортогонально, при этом строу, тензодатчик, датчик температуры, система осушения воздуха и система термостабилизации заключены в герметичный объем, образуемый основанием и кожухом устройства, причем датчик температуры, нагревательный элемент и вентиляторы подключены к блоку управления, расположенного вне герметичного объема, а выход тензодатчика подключен к анализирующей аппаратуре, которая по программе определяет область упругой деформации, модуль упругости, коэффициент Пуассона, время релаксации натяжения, влияющие на срок службы строу в эксперименте. Блок натяжения строу состоит из винта, который жестко соединен с наконечником, и гайки, установленной на винте с внешней стороны корпуса устройства, вращение которой позволяет с высокой точностью задавать продольную деформацию материала строу.
Отличительными признаками предполагаемого изобретения являются:
Наличие системы осушения воздуха, выполненной на основе порошка силикагеля, расположенного в нижней части объема устройства, и системы термостабилизации, содержащей: датчик температуры, расположенный в области исследуемой строу, нагревательный элемент, вентиляторы, диффузор с отверстиями, расположенными в нем ортогонально, при этом строу, тензодатчик, датчик температуры, система осушения воздуха и система термостабилизации заключены в герметичный объем, образуемый основанием и кожухом устройства, причем датчик температуры, нагревательный элемент и вентиляторы подключены к блоку управления, расположенному вне герметичного объема, а выход тензодатчика соединен с анализирующей аппаратурой, которая по программе определяет: область упругой деформации, модуль упругости, коэффициент Пуассона, время релаксации натяжения до допустимого уровня, влияющие на срок службы строу в эксперименте. Блок натяжения строу состоит из винта, который жестко соединен с наконечником, и гайки, установленной на винте с внешней стороны корпуса устройства, вращение которой позволяет с высокой точностью задавать продольную деформацию материала строу.
Совокупность указанных признаков позволяет создать многофункциональное устройство для измерения с высокой точностью свойств строу: области упругой деформации, модуля упругости, коэффициента Пуассона, времени релаксации натяжения материала строу, благодаря существенному уменьшению влияния разброса температуры, влажности и высокой точности определения величины продольной деформации. Указанные свойства позволяют оптимизировать натяжение материала строу с целью увеличения ее срока службы в эксперименте при работе в вакууме.
Техническое решение на заявляемое устройство и точность измерения характеристик поясняется иллюстрациями.
На фиг. 1 (приложение 1) представлено предлагаемое устройство в вертикальном разрезе. Устройство содержит: 1 - блок управления нагревательным элементом; 2 - вентиляторы для обдува и циркуляции воздуха; 3 - провода связи нагревательного элемента с блоком управления; 4 - нагревательный элемент; 5 - диффузор; 6 - вытяжные вентиляторы; 7 - кожух; 8 - датчик температуры с кабелем связи; 9 - систему осушения воздуха; 10 - гайку; 11 - винт; 12 - наконечники; 13 - тензодатчик; 14 - кабель связи с анализирующей аппаратурой; 15 - системуу газообеспечения; 16 - строу; 17 - основание; 18 - анализирующую аппаратуру. На основание устройства 17 помещаются исследуемая строу 16 с вклеенными с двух сторон наконечниками 12. Один из наконечников соединяется с входом тензодатчика 13, который жестко фиксируется на основании 17 и регистрирует натяжение материала трубки. Выход тензодатчика с помощью кабеля связи 14 соединяется с анализирующей аппаратурой 18, которая по программе обработки вычисляет значения измеряемых характеристик. В другой наконечник устанавливается и жестко фиксируется винт 11. Данный наконечник имеет вход для подачи внутрь строу газа под давлением, который подключен к системе газоообеспечения 15. С внешней стороны корпуса устройства на винте помещается гайка 10. Натяжение трубки и ее деформация в продольном направлении задается путем вращения гайки при неподвижном винте. Блок управления нагревательным элементом 1 соединен с датчиком окружающей температуры 8 и поддерживает заданную внутри корпуса температуру. Блок управления нагревательным элементом сравнивает регистрируемую датчиком температуру с температурой, установленной в блоке управления, и в зависимости от результата сравнения инициирует или выключает работу нагревательного элемента 4. Точность задания температуры программируется и при тестах составляла ±0.2°С. Равномерное распределение температуры в объеме поддерживается с помощью вентиляторов для обдува и циркуляции воздуха 2 и вытяжных вентиляторов 6. Расположение деталей внутри кожуха устройства соответствует фиг. 1.
На фиг. 2 (приложение 2) показан внешний вид предлагаемого устройства, где сохранена нумерация элементов устройства идентичная на фиг. 1. С помощью данного устройства были проверены все режимы и точность измерения характеристик строу. В качестве блока управления нагревательным элементом использовался выпускаемый серийно контроллер RC-316M, фирмы Xuzhou Ringder Electrical Equipment Co., LTD, к которому в комплекте прилагался элемент нагрева в виде изолированного углеродного проводника. В качестве малогабаритных вентиляторов использовались вентиляторы для персональных ЭВМ, типа: XFAX80, фирмы Aerocool Advanced Technologies Со. и KSB0605H, фирмы Delta Electronics Inc. В качестве тензодатчика использовался датчик Strain gauge FGP-2 компании NIDEC-SHIPO Instr. Отличительной особенностью данного тензодатчика является неограниченное время работы, что очень важно для долговременного измерения времени релаксации натяжения. Исследовались характеристики сварных строу из полиэтилентерефталата диаметром 9.8 мм, толщиной стенки 20 микрон и длиной 630 мм.
Подготовка устройства к работе. На основание устанавливают исследуемую строу с вклеенными наконечниками, один из которых соединяют с тензодатчиком, а другой с блоком натяжения строу. В блоке управления нагревательным элементом устанавливают температуру и допустимую величину ее отклонения при измерении свойств строу. Минимальный допуск отклонения температуры был установлен ±0.2°С. Блок управления соединяется с датчиком температуры и вентиляторами, которые периодически включаются в работу. Тензодатчик соединяется с анализирующей аппаратурой, под управлением которой запускается процесс регистрации данных для исследования выбранного свойства и их обработка, которые описаны ниже. Кожух устройства герметизируется с основанием с помощью силиконового герметика.
-3
6
2
p
е
9
2
На фиг. 3 (приложение 3) приведен процесс измерения области упругой и пластической деформации и определения модуля упругости строу. Эти свойства определяются по зависимости относительной деформации строу 8 от величины напряжения а, которая определяется силой натяжения строу на единицу площади ее поперечного сечения. Сила натяжения измеряется с помощью тензодатчика, точность которого составляла 1 г.Для большинства используемых в детекторах строу их натяжение превышает 1 кГ, поэтому ошибка, вносимая измерением натяжения, не превышает 0.1%. Относительное удлинение строу задается вращением гайки на неподвижном винте М5. Шаг резьбы любого винта строго регламентирован и для используемого винта М5 составляет 0.8 мм/оборот.Поскольку любая гайка имеет 6 граней, то определение угла вращения по положению грани гайки относительно фиксированного маркера можно сделать с точностью равной 1/4 длины грани, что в продольном направлении даст ошибку±33 микрона (0.8 мм / 4⋅6). Стенд позволял испытывать строу длиной 630 мм. Поэтому точность определения относительной деформации составляет ±33 микрона / 630 мм=5.5⋅10%, которая практически не уступает точности измерения удлинения строу с помощью лазера и отличается простотой. На фиг. 3 результаты измерения представлены линией 1. До напряжения 30⋅10N/m зависимость носит линейный характер и подчиняется закону Гука, а деформация является упругой. Указанная величина напряжения соответствует натяжению 1.85 кГ и служит границей натяжения, выше которого появляется пластическая составляющая деформации, при которой возрастают скорость релаксации натяжения и ползучесть строу. С увеличением напряжения зависимость становится нелинейной, что связано с вкладом пластической деформации. Пример определения величины пластической деформации в точке А показан на фигуре 3, где ε и ε соответственно относительные составляющие пластической и упругой деформации. Зависимость пластической деформации от напряжения показана кривой 3. Для сравнения приведена зависимость при условии только упругой деформации (прямая 2). Модуль упругости Е определяется по программе анализирующей аппаратуры, использующей данные полученной зависимости напряжения от относительного удлинения в линейной области. Он равен тангенсу угла наклона зависимости и составляет Е=4.44-10 N / m. Точность измерения модуля упругости материала строу превышает табличные данные на порядок и, самое главное, его значение соответствует изготовленной строу. В зависимости от технологии изготовления первоначальные данные материала при изготовлении могут изменяться, что критично для тонких строу.
На фиг. 4 (приложение 3) приведены результаты исследования температурной зависимости модуля упругости. Модуль упругости определялся для заданной температуры и диапазона отклонения в линейном диапазоне деформации аналогичным образом, описанным выше для фигуры 3. Из полученной зависимости следует, что максимальное значение модуля лежит в интервале температур (12-21)°С, в котором прочность строу максимальна, а ее ползучесть минимальна. Поэтому строу детектор в эксперименте следует помещать в указанном диапазоне температур. Поведение температурной зависимости строу для различных материалов будет сохраняться, но температурный диапазон, в котором модуль упругости имеет максимальное значение, будет меняться, поэтому для создания строу детекторов требуется проверка данной зависимости.
Другим фактором, влияющим на натяжение строу, является перепад внутреннего и внешнего давления при работе строу в вакууме. Перепад давления вызывает касательное напряжение строу, которое, согласно теории оболочек, дает продольную составляющую, зависящую от значения коэффициента Пуассона материала строу. Результатом действия перепада давления является увеличение натяжения строу.
На фиг. 5 (приложение 4) приведены результаты измерения коэффициента Пуассона. Метод измерения основывается на изменении натяжения строу под действием внутреннего давления, выраженного в атмосферах. При этих измерениях по специальному шлангу от системы газообеспечения через отверстие в наконечнике внутрь строу под давлением подается газ и измеряется натяжение, которое линейно уменьшается с ростом давления и зависит от характеристик материала строу, ее размеров, давления и коэффициента Пуассона. Измеряя изменение натяжения от давления при известных параметрах строу вычисляется значение коэффициента Пуассона. Способ измерения коэффициента Пуассона запатентован [Патент РФ №2653186], [А.Д. Волков, 3. Цамалаидзе. Способ определения коэффициента Пуассона материала герметичной тонкостенной полимерной трубки. Опубликовано: 07. 05.2018 Бюл. №13]. Метод вычисления коэффициента Пуассона описан в статье [А.Д. Волков и др. Влияние внутреннего давления на натяжение в сварных строу трекового детектора. // Успехи прикладной физики, 2018, том 6, №1, стр. 83-90]. Вычисление коэффициента Пуассона осуществляется по формуле:
где:
μ - коэффициент Пуассона материала трубки;
m
m
0
|ΔT|=|Т - Т| - модуль величины изменения натяжения под действием внутреннего давления;
m
Т - натяжение трубки при избыточном давлении газа внутри трубки;
Р - избыточное давление газа внутри трубки;
0
T - натяжение трубки при атмосферном давлении;
R - радиус строу трубки;
h - толщина материала трубки;
π - число пи.
Значение коэффициента Пуассона для тестовой строу составило μ=0.337, что подтверждает высокую точность измеряемых характеристик. Табличные значения коэффициента Пуассона имеют точность ±0.01. В приведенной работе показано, что перепад давления увеличивает натяжение строу. Для тестируемой строу увеличение натяжения составило 480 г. Этот факт необходимо учитывать при выборе предварительного натяжения строу для их работы в вакууме.
Предлагаемое устройство позволяет измерить изменение натяжения во времени. Этот эффект называется релаксацией натяжения, который измеряется при фиксированных концах строу. Уменьшение натяжения приводит к изменению цилиндрической формы строу, что ухудшает точность регистрации частиц. Поэтому существует минимальное натяжение строу для работы в эксперименте. Время релаксации натяжения до предельной величины служит критерием определения срока службы строу.
0
На фиг. 6 (приложение 4) приведены результаты измерения релаксации натяжения строу в течение 90 дней. Результаты измерения на фиг. 6 представлены линией 1, которые обработаны анализирующей аппаратурой (в данном случае программой обработки на компьютере). Результат обработки показан линией 2. По вертикальной оси отложено натяжение строу, выраженное в ньютонах Н, а по горизонтальной оси - время релаксации t в днях. Релаксация натяжения описывается экспоненциальной зависимостью и включает три члена. Постоянные затухания и амплитуды зависимости приведены на вставке фиг. 6. Важным результатом испытаний релаксации является наличие остаточного натяжения, который продлевает срок работы строу и может регулироваться величиной предварительного натяжения и условиями работы строу. Если работа и точность регистрации частиц при остаточном натяжении строу удовлетворяет условиям эксперимента, то ее срок службы практически не ограничен. В противном случае натяжение строу выбирается в области упругой деформации и с учетом изменения натяжения при работе в вакууме, а срок службы строу можно определить по времени релаксации натяжения до критической величины используя зависимость на фиг. 6. Представленные результаты проверки релаксации натяжения при первоначальном натяжении Т=1.1 кГ и учете перепада давления в 1 атм. обеспечивают работу строу в течение 10 лет, что практически достаточно для любого эксперимента.