СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКАЯ ИМПУЛЬСНАЯ ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА
SPECTROMETRIC PULSED IONISATION CHAMBER

Заявляемое техническое решение относится к области регистрации альфа-излучения и может найти применение для измерения энергий альфа-частиц и использовано в атомной, ядерной отраслях промышленности, а также на предприятиях, производящих работы с радиоактивными изотопами, испускающими в процессе радиоактивного распада альфа-излучение.
Известна спектрометрическая импульсная ионизационная камера (IN 114 & IN 614 Alpha Spectroscopy System with Frisch Grid Chamber Detector. ) [1], состоящая из катода, анода и электрода, называемого сеткой, помещенных в корпус, системы электромагнитных пневматических клапанов, датчика давления, вакуумного насоса, устройства для смены измеряемых образцов и электронного управляющего блока. Измеряемый образец размещается внутри камеры на катоде, являющемся держателем образцов и размещенном на катодном держателе. Для введения образца в спектрометрическую импульсную ионизационную камеру используется пневматический цилиндр, поступательно перемещающий катодный держатель таким образом, чтобы измеряемый образец был помещен в чувствительный объем спектрометрической импульсной ионизационной камеры, при этом катодный держатель обеспечивает в таком положении герметичность спектрометрической импульсной ионизационной камеры. Сменщик образцов выполнен в виде диска с отверстиями специальной формы, с размещенными на нем шестью катодными держателями и катодами, который приводится в движение при помощи специального поворотного устройства, выполненного таким образом, чтобы в совокупности осуществлять последовательное помещение в чувствительный объем камеры и извлечение из него измеряемых образцов. Электронный управляющий блок считывает показания датчика давления и управляет пневматическими клапанами, вакуумным насосом и сменщиком измеряемых образцов таким образом, чтобы обеспечить измерения в автоматическом режиме образцов, установленных на катодных держателях.
Недостатком данной спектрометрической импульсной ионизационной камеры является ее невысокая производительность и точность производимых измерений, так как для замены измеряемого образца необходимо нарушить герметичность спектрометрической импульсной ионизационной камеры, после чего требуется повторная откачка газа из ее объема и последующее заполнение газовой смесью требуемого состава. Таким образом, при операциях по замене источника нарушаются условия измерений образцов и, как следствие, ухудшается точность градуировки спектрометрической импульсной ионизационной камеры по энергиям альфа-частиц. Помимо этого, образцы, находящиеся в сменщике образцов, не защищены от внешних воздействий, что может привести к их загрязнению. Пневматический цилиндр, используемый для подачи образца в камеру, требует дополнительно подведения линии сжатого воздуха либо дополнительного расхода газовой смеси.
Наиболее близкой к предлагаемой конструкции заявляемой спектрометрической импульсной ионизационной камеры является спектрометрическая импульсная ионизационная камера, описанная в статье «Разработка конструкции импульсной ионизационной камеры с сеткой», автора Сапрыгин А.В. (журнал «Вопросы атомной науки и техники», серия: Техническая физика и автоматизация. Выпуск 60, 2006, с. 55-63) [2], состоящая из модуля газонаполнения, выполненного в виде системы газовых вентилей, соединенного со стрелочным мановакуумметром и вакуумным насосом, а также герметичным корпусом, заполненным специальной газовой смесью. С размещенными внутри корпуса анодом, окруженным охранным кольцом, электродом, называемым сеткой, неподвижно закрепленным катодом сложной формы, имеющим паз для установки тарелки, являющейся держателем измеряемого образца. Поворотным диском с установленными на нем тарелками, поворотным и подъемным устройствами, приводимыми в действие валами с насаженными на них рукоятками, выведенными за пределы герметичного корпуса камеры посредством вакуумно-плотных сальников. Поворотное и подъемное устройства выполнены таким образом, чтобы в совокупности осуществлять размещение в чувствительном объеме спектрометрической импульсной ионизационной камеры и последующее извлечение измеряемых образцов, размещенных на тарелках, без нарушения герметичности ионизационной камеры. Подготовку данной спектрометрической импульсной ионизационной камеры к выполнению измерений осуществляет оператор вручную, включая и выключая подачу высокого напряжения на анод, катод и сетку, включая и выключая вакуумный насос, манипулируя вакуумными вентилями и контролируя значение давления газовой смеси при помощи стрелочного мановакууметра. Так же вручную, манипулируя рукоятками подъемного и поворотного устройств, оператор осуществляет замену образцов в чувствительном объеме спектрометрической импульсной ионизационной камеры.
Основным недостатком данной спектрометрической импульсной ионизационной камеры является необходимость выполнения большого количества ручных манипуляций для ее подготовки к проведению измерений и для замены источника в чувствительном объеме. Также наличие вакуумноплотных сальников в конструкции спектрометрической ионизационной камеры приводит к снижению ее надежности в связи с их износом и потерей герметичности.
Задачей заявляемого технического решения является повышение производительности, точности и надежности измерений спектрометрической импульсной ионизационной камеры.
2
2
6
5
3
4
Поставленная задача достигается за счет того, что в спектрометрической импульсной ионизационной камере, состоящей из корпуса, заполненного газовой смесью, например Ar+СН, или Ar+CH-CH, или Не+Ar, или Хе+СН, анода, окруженного охранным кольцом, электрода в виде сетки, неподвижно закрепленного катода, имеющего паз, через который подаются в чувствительный объем спектрометрической импульсной ионизационной камеры тарелки, являющиеся держателями измеряемых образцов, поворотного диска с установленными на нем тарелками, поворотного и подъемного устройств, выполненных таким образом, чтобы в совокупности осуществлять размещение в чувствительном объеме спектрометрической импульсной ионизационной камеры и последующее извлечение исследуемых образцов, размещенных на тарелках, без нарушения герметичности спектрометрической импульсной ионизационной камеры, согласно заявляемому техническому решению модуль газонаполнения выполнен в виде системы электромагнитных пневматических клапанов, соединенных таким образом, чтобы обеспечить подключение внутреннего газового объема импульсной ионизационной камеры попеременно к источнику газовой смеси, вакуумному насосу, линии сброса избыточного давления, либо полной отсечки газового объема, а поворотное и подъемное устройства приводятся в действие мотор-редукторами, размещенными внутри герметичного корпуса, управление которыми производится при помощи программируемого управляющего электронного устройства. Кроме того, программируемое управляющее электронное устройство осуществляет контроль давления внутри герметичного корпуса спектрометрической импульсной ионизационной камеры посредством вакуумметра и датчика давления, контроль положения поворотного устройства при помощи датчиков основного положения, а также подает в соответствии с заложенной программой управляющие сигналы на пневматические клапана и мотор-редукторы.
Заявляемое техническое решение пояснено на следующих фигурах.
Фиг. 1 - заявляемая спектрометрическая импульсная ионизационная камера в разрезе.
Фиг. 2 - схема соединения узлов модуля газонаполнения заявляемой спектрометрической импульсной ионизационной камеры.
Фиг. 3 - конструкция поворотного и подъемного устройства для смены образцов.
Фиг. 4 - взаимное расположение меток и датчиков положения поворотного диска.
Заявляемая спектрометрическая импульсная ионизационная камера в разрезе приведена на фиг. 1. Внутри герметичного корпуса (1) спектрометрической импульсной ионизационной камеры размещены: анод (2), окруженный охранным кольцом (3); электрод (4), называемый сеткой; неподвижно закрепленный катод (5), имеющий паз для установки тарелки (6) с исследуемым образцом в чувствительном объеме спектрометрической импульсной ионизационной камеры, поворотный диск (7), на котором установлены тарелки (6), поворотное (8) и подъемное (9) устройства. Образцы для исследования находятся на тарелках (6). Определение положения поворотного диска (7) осуществляется посредством закрепленных на поворотном диске (7) меток (10) и основного датчика положения (11).
Схема соединения узлов модуля газонаполнения заявляемой спектрометрической ионизационной камеры представлена на фиг. 2. К спектрометрической импульсной ионизационной камере (12) подключен пневматический электромагнитный клапан (13), выполняющий функцию отсечения спектрометрической импульсной ионизационной камеры (12) от газового коллектора (14), к которому, в свою очередь, посредством пневматических электромагнитных клапанов (15 и 16) подключены соответственно вакуумный насос (17) и источник газовой смеси (18), находящийся при повышенном давлении, а электромагнитный клапан (19) предназначен для сброса газовой смеси избыточного давления в атмосферу. Разрежение, создаваемое вакуумным насосом, контролируется посредством вакуумметра (20). Давление в спектрометрической импульсной ионизационной камере (12) контролируется при помощи датчика давления (21).
На фиг. 3 показана конструкция поворотного и подъемного устройств, используемых для смены измеряемых образцов в чувствительном объеме заявляемой спектрометрической импульсной ионизационной камеры, состоящие из следующих основных узлов. Поворотный диск (7), на котором в углублениях (22), имеющих отверстия (23), при измерении размещаются тарелки (6) с исследуемыми образцами, сопряжен с червячным колесом (24). Установленный на креплении (25) вал червяка (26), сопряженный с червячным колесом (24), приводится в движение первым мотор-редуктором (27). На валу второго мотор-редуктора (28), закрепленного на фланце (29), установлена резьбовая втулка (30), на которой находится подъемник (31) с насаженной на него пятой (32), с помощью которой тарелки (6) (фиг. 1) с измеряемыми образцами подаются в чувствительный объем заявляемой спектрометрической импульсной ионизационной камеры через паз в неподвижно закрепленном катоде (5) (фиг. 1).
На фиг. 4 показан пример взаимного расположения меток и датчиков на поворотном диске (7), например, на шесть образцов. Метки (10) в количестве шести штук расположены по наружной окружности поворотного диска (7) таким образом, чтобы при совпадении оси углубления (22) поворотного диска (7) с осью паза на катоде (5) соответствующая метка попадала в щель основного датчика положения (11). Дополнительная метка (33) и дополнительный датчик положения (34) используются для определения положения первого гнезда, а основной датчик положения (11) служит для позиционирования поворотного диска.
Управление работой модуля газонаполнения, поворотного и подъемного устройств осуществляется при помощи программируемого управляющего электронного устройства, например персонального компьютера, оснащенного соответствующим программным обеспечением и подключенного к датчикам, электромагнитным клапанам и мотор-редукторам.
Работа заявляемой спектрометрической импульсной ионизационной камеры осуществляется следующим образом.
Перед началом измерений оператор размещает исследуемые образцы, находящиеся на тарелках (6), в газовом объеме спектрометрической импульсной ионизационной камеры, последовательно поворачивая поворотный диск (7) и устанавливая тарелки (6) в углублениях (22), для чего подает команды поворота управляющему программируемому электронному устройству. После того как все исследуемые образцы размещены, оператор герметично закрывает газовый объем спектрометрической импульсной ионизационной камеры и дает управляющему электронному устройству команду на выполнение измерений. Получив команду на выполнение измерений, управляющее электронное устройство, подавая в соответствии с заложенной программой управляющие сигналы на электромагнитные клапаны (13, 15 и 16) и мотор-редукторы (27, 28), выполняет последовательно следующие операции:
2
2
- удаление атмосферного воздуха из закрытого газового объема камеры, заполнение его газовой смесью Ar+СН до определенного давления, контролируя его при помощи датчика давления (21) и вакуумметра (20);
- в соответствии с заданной оператором последовательностью размещение в чувствительном объеме спектрометрической импульсной ионизационной камеры измеряемых образцов для измерения, посредством помещения тарелок (6) с образцами через паз неподвижно закрепленного катода (5) в чувствительный объем спектрометрической импульсной ионизационной камеры, и их удаление после окончания измерений, контролируя положение поворотного диска (7) при помощи расположенных на нем меток (10 и 33) и датчиков положения (11 и 34).
После окончания измерений оператор дает управляющему электронному устройству команду на вскрытие спектрометрической импульсной ионизационной камеры, после чего управляющее электронное устройство, управляя электромагнитными клапанами (13, 15 и 16), осуществляет снижение давления газовой смеси в закрытом газовом объеме спектрометрической импульсной ионизационной камеры.
В результате использования заявляемого устройства без вмешательства оператора выполняется подготовка спектрометрической импульсной ионизационной камеры к измерениям и последовательное измерение всех размещенных на поворотном диске исследуемых образцов, при этом в процессе измерения они физически защищены от внешнего влияния герметичным корпусом спектрометрической импульсной ионизационной камеры. Конструкция поворотного устройства (8) и подъемного устройства (9) с размещением приводящих их в действие мотор-редукторов (27, 28) внутри герметичного корпуса спектрометрической импульсной ионизационной камеры не требует применения вакуумно-плотных сальников, что повышает надежность конструкции и снижает требуемую мощность и габариты мотор-редукторов.
Таким образом, применение заявляемого технического решения позволяет повысить производительность, точность и надежность процесса измерений исследуемых образцов.
Источники информации
1. IN 114 & IN 614 Alpha Spectroscopy System with Frisch Grid Chamber Detector, http://www.canberra.com/.
2. «Разработка конструкции импульсной ионизационной камеры с сеткой», автора Сапрыгин А.В. (журнал «Вопросы атомной науки и техники», серия: Техническая физика и автоматизация. Выпуск 60, 2006, с. 55-63).