ПЕРЕДВИЖНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЛУЧЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ РАДИАЦИИ
ADJUSTABLE DEVICE FOR IRRADIATION AND DETECTING RADIATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к подвижным устройствам для облучения и регистрации радиации, используемым при разрушающем и неразрушающем комплексном контроле.
Уровень техники
Устройства для облучения и регистрации радиации снабжены источником и детектором. Источники излучения способны испускать частицы (или волны), имеющие различную природу (рентгеновские лучи, нейтроны, ультразвук и т.д.). Обычно в подобном оборудовании используется одновременно или поочередно не более одного источника. Кроме того, при применении таких устройств возникают трудности при их передвижении с одного места на другое, связанные, главным образом, с размерами самого оборудования, а также его вспомогательных устройств (например, высоковольтные генераторы, контейнеры с охлаждающими жидкостями, контейнеры для герметизации). Например, при использовании источника нейтронов с целью дифракционных измерений оборудование обычно помещается в лабораториях, где присутствуют ядерные реакторы с потоком нейтронов большой интенсивности или где образование нейтронов происходит за счет процесса столкновения в ускорителях, с целью получения соответствующего потока нейтронов, требующегося для дифракционных измерений. Таким образом, оборудование такого рода является очень громоздким и тяжелым, и для его установки требуются лабораторные помещения большой площади. Подобные проблемы существуют при применении источников электронов, поскольку и в этом случае их размеры ограничивают свободное перемещение устройства.
Поскольку любой вид радиации имеет специфическое воздействие на материал исследуемого компонента, исследования, ведущиеся при применении источников различного типа, дают, в основном, сведения, являющиеся взаимодополняющими.
Раскрытие изобретения
Исходя из вышесказанного, следует вывод о том, что важность создания устройства, которое обеспечивало бы подвижность и давало бы возможность проведения исследований везде, где это необходимо, и с любым необходимым источником излучения, является очевидной.
Поскольку большинство исследований имеет относительный характер, т.е. они осуществляются относительно других опорных величин и эталонных образцов, необходимо представить предпочтительную схему, которой соответствует настоящее изобретение.
Таким образом, в соответствии с предпочтительным вариантом применения изобретения, связанным с дифракцией нейтронов, геометрическим критериям для получения дифракции в настоящем описании уделяется особое внимание независимо от вида используемой радиации (нейтроны, электроны, рентгеновские лучи и т.п.).
До настоящего времени размер радиационных термализаторов и систем ограничения не допускал применения нейтронных дифрактометров с устройствами управления, пригодными для передвижения и транспортировки оборудования полностью.
Одним из новационных аспектов изобретения является сочетание эффекта рефракции (применяемого для термализации нейтронов) и эффекта полного отражения.
Другие свойства, вытекающие из использования комбинированных источников излучения различной природы и возможности управления перемещением устройств на каком-либо участке, позволяют получить эффективные средства, полезные для диагностирования и устранения неисправностей.
Краткое описание чертежей
Фиг.1(A) - схема функционирования роботизированного устройства в соответствии с изобретением;
Фиг.1(B) - отдельная часть схемы, изображенной на Фиг.1(А);
Фиг.2 - взаимное расположение указанных компонентов системы;
Фиг.3 - отдельные элементы излучающих и термализационных собирающих линз;
Фиг.4 - схема устройства в соответствии с изобретением.
Осуществление изобретения
Предложено передвижное или транспортабельное устройство с нейтронным источником в сочетании с источниками другого вида радиации. Это устройство содержит роботизированную систему, которая позволяет проводить научные наблюдения за излучением, испускаемым образцом, под разными углами благодаря тому факту, что роботы совершают перемещение по управляемой траектории.
Поскольку дифракция пучка нейтронов, исходящего из образца, является предпочтительным вариантом применения изобретения, как указывалось выше, то этот случай описывается подробно.
На самом деле, дифракция нейтронов требует выполнения более жестких условий по сравнению с другими способами и заключает в себе использование собирающих и термализующих систем, которые не являются обязательными при проведении исследований другого вида.
Настоящее изобретение представляет устройство, в конечном счете, многофункциональное устройство, которое позволяет использовать излучение любого типа для осуществления основных и дополнительных задач (диагностирование, лечение, ремонт, маркировка и т.п.). Благодаря предлагаемому устройству возможно выполнение требуемых операций при любых условиях, где бы это ни потребовалось, даже при проведении эксперимента на отдельных участках предприятия. Оно лучше работает как дифрактометр, поскольку наличие роботов, которые передвигаются по контролируемой траектории, заменяет традиционный механический гониометр, используемый в лабораторных дифрактометрах. Такая роботизированная система и связанное с ней перемещение позволяют осуществить конструкцию прибора, который можно определить как «виртуальный гониометр».
Виртуальный гониометр
На Фиг.1 показан передвижной прибор в соответствии с изобретением, который содержит подвижную поверхность 10, на которой укреплены вспомогательные системы 10' (например, контейнер с охлаждающей жидкостью или генератор, высоковольтные генераторы, батареи и т.п.). Указанная поверхность соединена посредством центрального вала 11 с платформой 12, на которой находится вторая платформа 13. Эта платформа 13 может перемещаться относительно платформы 12, скользя по направлению осей Х и Y декартовой системы координат, как показано на фиг.1А, посредством механических редукторов и ручным или электрическим способом управляемых направляющих механизмов. Вал 11 приводится в движение механическим, электрическим способом или вручную и способен поднимать и опускать платформу 12.
Три робота 14, 15 и 16 устанавливаются на платформе 13. Они могут двигаться вдоль контролируемых траекторий, тем самым реализуя виртуальный гониометр и заменяя механический гониометр, обычно применяющийся в устройствах такого типа.
Каждый из этих роботов 14, 15 и 16 содержит основание 17 и две руки 18 и 18', соединенные между собой посредством соединения 19, способного вращать руку 18' относительно руки 18.
Основания 17 роботов 14, 15 и 16 могут быть снабжены тележкой, которая может свободно передвигаться по платформе 13 и управляется электрическим способом или может катиться самостоятельно по соответствующим направляющим на поверхности платформы 13.
Основание 17 каждого робота снабжено двигателями, служащими для вращения руки 18 вокруг осей х и у, кроме того, соединение 19 снабжено двигателями, что позволяет осуществлять вращение вокруг осей у и z.
На конце руки 18', противоположной той, что соединена с соединением 19, двух внешних роботов 14, 16 укреплены соответственно источник излучения 20 и детектор 21, в то время как на аналогичном конце центрального робота 15 устанавливается система наведения с центрирующим окном 22.
Центрирующее окно может быть снабжено или нет телескопической рукой для подвода к исследуемой поверхности, не касаясь ее, и может быть снабжено геометрическими ориентирами (т.е. линиями, метками, рамками и т.д.) с целью точного позиционирования прибора относительно указанной поверхности. Это окно может иметь соответствующий материал покрытия для выявления излучения (например, флуоресцирующий материал), а также может быть оборудовано средствами для прогнозирования и определения на расстоянии линий, меток, рамок, а также средствами для распыления материала покрытия.
Центрирующее окно 22 устанавливается в центре по отношению к источнику 20 и детектору 21. Внутри центрирующего окна может быть идентифицирован центр 26 круга, который определяет «виртуальный гониометр», и на окружности 25 которого находятся источник 20 и детектор 21.
В предпочтительном случае указанный источник 20, детектор 21, центрирующее окно 22 могут быть соединены с рукой 18' через соединение 23, способное вращать эти устройства вокруг одной или более осей x, у, z так, что радиус виртуального гониометра может изменяться в ходе измерений.
Безусловно, устройство также оборудовано блоком управления, возможно, компьютеризированным, с целью управления направлением всех необходимых перемещений различных частей, формирующих вышеописанное устройство.
Использование параллельных лучей, полученных посредством поликапилляров или градуированных изогнутых отражателей или подобных устройств, может позволить значительно усовершенствовать измерения, причем указанные устройства могут, но не обязательно, способствовать увеличению плотности излучения, падающего на образец.
Виртуальный гониометр - дифрактометр
В соответствии с предпочтительной схемой изобретения описаны рабочие операции дифрактометра - виртуального гониометра, который требует более жестких ограничений по сравнению с другим оборудованием.
В традиционных лабораторных дифрактометрах или даже в передвижных, которые располагаются на одной или более опорных рамах Эйлера, элементы, образующие гониометр, механически определены. В случае отсутствия механического гониометра требуется определение геометрических параметров, которые обеспечивают выполнение условий дифракции Брегга (2d sin θ=λ, где d - размер решетки, θ - угол наблюдения дифракционной линии, λ - длина волны излучения), и соответствующих дифрактометрических размеров для определения состава материалов (минералогических фаз, органических или неорганических химических соединений) и/или их физических или механических свойств (остаточное напряжение, структура, микродеформация и т.д.).
Указанными геометрическими параметрами являются центр, радиус и длина окружности виртуального гониометра, которые в отличие от параметров традиционных (лабораторных или передвижных) систем, не являются фиксированными, а изменяются по величине.
Другие геометрические параметры, такие как радиус, центр, длина фокусирующей окружности, плоскости и оси дифракции и другие, с ними связанные параметры, соответствуют параметрам хорошо известных дифракционных систем.
Система наведения и наблюдения
Как показано на Фиг.2, система наведения содержит в предпочтительном варианте два оптических лазера LA и LB, камеру ПЗС (ТС) и центрирующее окно 22, находящееся в пределах угла α охвата камеры с центром 26, находящимся в окне, и виртуально помещенным на исследуемой поверхности.
Система наведения и наблюдения позволяет оператору наблюдать за обстановкой, когда работу прибора осуществляют рабочие органы роботов. Это действительно помогает оператору на этапе подведения прибора к исследуемому участку.
Путем исследования изображения поверхности, помещенной перед рабочим органом, имеется возможность выделять исследуемые оси, центр виртуального гониометра и осевую плоскость. Кроме того, имеется возможность определить расстояние до источника от указанного центра и направление излучения по отношению к исследуемой оси. Также возможно идентифицировать экваториальную плоскость, на которой определяются виртуальный гониометр и фокусирующая окружность; следовательно, возможно идентифицировать траектории отдельных частей прибора, которые нужно охватить.
На Фиг.2 схематически изображено расположение камеры ТС и лазеров LA, LB, их угол падения β в точке, где должен быть исследован образец; в общем случае поверхность образца будет наклонена под углом γ относительно оси камеры. Наклон лазера устанавливается на значении Z=0, когда два лазера совмещаются с центром 26.
1
2
3
1
2
Используя тригонометрические расчеты, можно вычислить расстояния Z, Z и Z от центра гониометра 26 в плоскости, перпендикулярной оси камеры, проходящей через точку падения лазерного луча на исследуемую поверхность, а также возможно вычислить расстояния L и L на самой поверхности. В соответствии с этими вычислениями имеется возможность изменить положение измерительных приборов относительно других элементов вышеописанного виртуального гониометра.
Использование виртуального гониометра - дифрактомера
Основание 17 центрального робота 15 является началом системы координат, которая принята для использования виртуального гониометра - дифрактометра.
Перемещение основания робота 15 и связанных с ним рычагов-рук позволяет обнаруживать местоположение участка, которое необходимо исследовать, а его координаты вычисляются по отношению к началу системы координат, определенной выше.
Участок, выделенный центрирующим окном, рассматривается как часть плоскости, касательной к фокусирующей окружности, и принадлежит к исследуемой поверхности. Центр 26 является также точкой на оси, перпендикулярной экваториальной плоскости.
Передвигая основание робота 14, который переносит источник и принадлежащие ему «руки», можно настраивать робот на соответствующий объект как на «точку расположения источника» с соответствующим углом выхода; этот объект обеспечивает направление на точку 26 экваториальной плоскости (т.е. центр гониометра) под углом падения луча к указанной касательной плоскости. Линия, на которой находятся источник и точка 26, лежит в экваториальной плоскости.
Передвигая основание робота, который переносит детектор и принадлежащие ему «руки», можно настраивать робот таким образом, что:
- точка обнаружения (соответствующая детектору 21) лежит в одной плоскости с источником и центром 26;
- центр 26 (определяемый центрирующим окном 22) является равноудаленным по отношению к двум другим точкам; это условие является обязательным только в случае расходящихся лучей (падающих или дифрагированных). В случае параллельных лучей это ограничительное условие равноудаленности имеет несущественное значение;
- расположение на одной прямой точки обнаружения и центра (как описано выше) формирует угол 2θ относительно прямой, на которой расположены источник и центр 26.
Робот 16, который переносит детектор, и робот 14, который переносит источник радиации, будут передвигаться, как указано выше. При реализации дифрактометра относительное расположение роботов 14, 15 и 16 будет удовлетворять условию Брегга (2d sin θ=nλ), как определено выше.
Это расположение получают путем перемещения двух роботов 14 и 16 в противоположных направлениях по отношению к исследуемой оси и контролируя, чтобы ось падающего луча (ось коллимации) и ось дифрагированного луча (принимающая ось) лежали в одной и той же экваториальной плоскости и образовывали противоположные углы в их общей точке с осью, лежащей в экваториальной плоскости и ортогональной к оси гониометра (конфигурация θ:θ). Если возможно, то источник может быть зафиксирован, а центр 26 перемещается вокруг оси гониометра с углом θ/2. В этом случае получают конфигурацию θ:2θ.
Для целей проверки правильного расположения и калибровки угол θ выбирается так, чтобы регистрировать отражение, совместимое с характеристиками используемого материала и вида излучения.
После того как получена гониометрическая установка, должна быть выполнена точная настройка, чтобы получить максимальный поток излучения, улавливаемый детектором. На этом этапе начинается операция измерения с фиксирования положения робота, который несет источник, и центрального робота, который несет центрирующее окно, и перемещения робота, который несет детектор, по периметру гониометра и по окружности конуса (дебаевское кольцо).
Источник
Источником излучения 20 может быть источник корпускулярного излучения, возможно, в комбинации с электромагнитными источниками излучения (например, рентгеновские лучи для дифракции или спектроскопии, флуоресценции и т.д.) и другими.
В соответствии с изобретением предпочтительным является нейтронный источник, возможно, термализованный или частично термализованный, снабженный электронным фильтром, который отсекает нейтроны с экстремальными энергиями, и собирающими излучательными линзами, увеличивающими плотность пучка на единицу облучаемого участка.
3
Предпочтительно согласно изобретению нейтроны генерируют с помощью генератора легких частиц, которые бомбардируя дейтериевую мишень, инициируют реакцию D+D→He+n, вызывая нейтронный поток с соответствующей энергией и длительностью импульса.
В качестве примера могут быть приведены следующие характеристики:
- энергия нейтронов - 2 МэВ;
8
9
- нейтронный поток - 10-10 н/с;
- верхний предел длительности импульса составляет 10 мкс и может регулироваться в соответствии с типом источника.
Предпочтительным вариантом изобретения является импульсный источник в комбинации с собирающими линзами для нейтронов.
При использовании импульсного источника длительность импульса электронного фильтра должна быть согласована с параметрами частоты пульсаций. Уменьшение энергии (например, термализация до значения 0,025 эВ) позволяет применять нейтронный пучок при диагностировании и устранении неисправностей.
Нейтронные собирающие линзы
В соответствии с предпочтительной схемой изобретения термализация может быть осуществлена путем каналирования нейтронов, излучаемых источником в направлении выходного канала, посредством комбинированного процесса полного отражения и рефракции. Сочетание этих двух явлений позволяет получить параллельные и термализованные нейтроны с параметрами, удовлетворяющими требованиям потока, достаточными для функционирования оборудования.
Явление рефракции нейтронов известно со времени исследований, проводимых C.S.Schnider (Нобелевская премия 1994 года), и в последнее время измеренное посредством метода, называемого «спиновое эхо при рассеянии нейтронов на малые углы». В однонаправленном луче поток представляет собой число нейтронов, которые пересекают единицу поверхности, перпендикулярной направлению их движения.
Благодаря моделированию методом Монте-Карло, имеется возможность получить оценку нейтронов, испускаемых из канала, заполненного преломляющим веществом, таким как дейтерий, вода, плексиглас, политен и т.д., возможно, с добавлением металлизированной фольги, чтобы отклонять и/или поглощать остаточные быстрые и/или эпитермальные нейтроны.
Можно получить сочетание преломляющих и отражающих элементов, которые надлежащим образом подобранные, дают возможность получить поток, подходящий для функционирования оборудования.
На Фиг.3 представлена схема изобретения, где явление рефракции (используемое для термализации нейтронов) объединяется с известным явлением полного отражения и позволяет создать прибор с собирающей линзой (называемой линзой ToReRe).
2
2
Указанная линза содержит каналы 27, представляющие собой капиллярное или многокапиллярное волокно или определенным образом связанные многослойные плоскости, а также основной канал 28, который может быть стеклянной трубкой, обычно сформированной в продольном сечении в виде забоя с соответствующими размерами (например, в среднем шириной 2 см и с модулированной шириной на продольном участке длиной 20 см). Такая трубка может быть заполнена преломляющим веществом для нейтронов (например, DO, HO). Указанные каналы 27 могут быть изогнуты в соответствии с дифференцированным радиусом кривизны. Указанный радиус кривизны постепенно возрастает в зависимости от расстояния канала 27 от оси линзы (или центрального канала) 28. Каждый из этих каналов может быть заполнен веществом, имеющим возрастающий коэффициент преломления для того, чтобы улучшить эффект отклонения. Когда указанная линза соединяется с эквивалентным устройством, может быть получен канал 29 вывода и образованы два сектора 30 линзы.
Если необходимо, то каналы указанной линзы, содержащиеся в двух различных секторах 30, могут иметь различные радиусы кривизны и заполняться материалами с различными коэффициентами преломления с целью увеличения комбинированного эффекта от отражения и рефракции.
На Фиг.3(b) показано «не совпадающее по фазе» соединение линз ToReRe, оно формирует мозаику из линз с «дифференцированной сходимостью». В зависимости от практического применения объединение секторов 30 может быть распространено для реализации замедлителей в форме куба, конуса, призмы и др., как показано на Фиг.3(с).
Такое соединение должно увеличить многократное отклонение как следствие рефракции на каждой граничной поверхности, когда при направленном движении нейтронов происходит их переход из одного канала в следующий. Такая рефракция на границе раздела благоприятствует переменному движению нейтронов, повышая их каналирование к выходному каналу.
На практике при построении линзы следует учитывать два особых обстоятельства, которые могут возникнуть:
a) нейтрон имеет направление движения в пределах угла захвата центрального канала, но его энергия должна быть уменьшена (термализация);
b) нейтрон имеет направление движения, которое не может быть ограничено центральным каналом. Указанный нейтрон должен быть термализован в другом направлении, отличном от первоначального. Указанный нейтрон выходит из центрального канала и входит в каналы, содержащие материалы с увеличенным коэффициентом преломления. Элементы, составляющие указанные материалы, должны иметь соответствующую плотность, для того чтобы постепенно отклонять направление движения вследствие эффекта рефракции (см. направление стрелок на Фиг.3(b)). Колебания коэффициентов преломления веществ на пути движения нейтрона по каналам вызывают небольшую девиацию, которая способствует выбору соответствующего направления в условиях полного отражения. Вызванные изменения движения нейтрона и мозаичная конфигурация различных каналов в разных секторах способствуют каналированию нейтронов в направлении выходного канала посредством комбинации эффектов многократной рефракции и полного отражения.
2
4
Указанный мозаичный канал с дифференцированной сходимостью может быть заключен в многослойную оболочку во избежание рассеивания не коллимированного нейтронного излучения и/или паразитного гамма-излучения или др. Эта оболочка, обозначенная позицией 32 на Фиг.3(с), должна быть изготовлена из фольги с промежуточным пространством (например, Pb, Cr, HO, BC и др. могут применяться в качестве материала фольги и наполнителя промежуточного пространства), обозначенным позицией 32 на Фиг.3(с).
2
2
2
5
7
Например, принимая во внимание комбинацию HO, DO и др., имеется возможность получить на выходе выходного канала 25% нейтронов, захваченных центральным каналом. Второстепенные отклонения от осевого направления движения нейтрона могут быть скомпенсированы путем дифференцированного радиуса кривизны центрального канала и выходного канала. Техническое решение, достигнутое при помощи моделирования по методу Монте Карло, приводит к применению комбинации DO, воды, плексигласа и других веществ для получения соответствующей сходимости и замедления, по меньшей мере, 0,1% нейтронов, испускаемых источником. Это является минимальной эффективностью линзы ToReRe. При использовании характеристик источника, выбранного в качестве примера, упомянутая эффективность обеспечивает поток нейтронов в диапазоне 10-10 нейтронов в секунду на квадратный сантиметр. Размер ограничивается квадратным кубометром.
Детектор
3
Нейтронный детектор предпочтительно изготавливается на основе газового He счетчика; он имеет хорошую конкурентоспособность, при этом дополнительным преимуществом является использование низковольтного генератора. Совокупность детекторов и связанных с ними блоков управления детектором могут применяться в комбинации с электронными фильтрами и монохроматорами.
На Фиг.4 представлена схема возможной реализации, на которой изображены генератор (источник) 20 нейтронов, излучательная линза 31, детектор 21, круг 25 виртуального гониометра, фокусирующая окружность 24, центрирующее окно 22 и их проекции в центре виртуального гониометра 26.
На Фиг.4 представлена плоскость, на которой установлены роботы, передвигающие источник 20, центрирующее окно 22 и детектор 21, которая может быть подвижной, и представляет собой платформу 13 (см. Фиг.1). Стенки «е» и «f» служат для ограничения измеряемого участка и могут быть, в конечном счете, заполнены водой с соответствующей концентрацией бора (для захвата нейтронов) и углерода (для захвата гамма-лучей). Стенка «е» может быть подвижной или наклонной, чтобы способствовать расположению платформы, которая поддерживает все оборудование по отношению к анализируемому объекту; также стенка «f» может быть подвижной, чтобы способствовать работе по регулированию устройства и позиционированию для захвата возможно рассеянного излучения.
Ради полноты на чертеже также изображен анализируемый объект, который обозначен (d).
Применение роботизированного устройства в соответствии с настоящим изобретением предлагает возможность соединения методов наблюдения для измерения и ремонта повреждений (диагностирование и «терапия») «комбинированным и многократным образом». Например, используя совместно систему «излучения - детектирования» с системой наведения «лазер - камера - центрирующее окно», указанная комбинация позволяет создать уникальное устройство для реализации различных неразрушающих способов диагностирования и «терапии». Такое «комбинированное и многократное» использование позволяет применять такое устройство для диагностических целей, внезапной остановки и/или аварийного ремонта («лечения») и даже для проверки качества ремонта. Например, в случае использования высокомощных рентгеновских лучей имеется возможность сократить повреждения на комбинированных материалах, вызванные механическим усилием. Конфигурация виртуального гониометра позволяет индивидуализировать наилучшие кристаллографические направления для ремонта и затем (или даже в то же самое время) вести наблюдения за результатами ремонта, используя различные источники излучения. Также можно использовать оптические лазерные источники и даже источники, которые охватывают разные диапазоны электромагнитного спектра, а также использовать комбинацию акустического излучения (акустического, ультразвукового, субзвукового) и излучений либо заряженных, либо нейтральных частиц. Также возможно применение дифрактометрических, спектроскопических, литографических и других методов. Используя тот же самый принцип, также можно осуществлять регулируемое изменение структуры материала и использовать их для целей маркировки и присваивания обозначения.
Кроме того, устройство можно перемещать с помощью обычных средств передвижения общего назначения (очевидное преимущество и возможность многократного использования). Когда используются нейтронные источники, высокомощные рентгеновские лучи, электроны или другое вредное излучение, то при этом необходимы защитные экраны. В случае рентгеновских лучей, электронов и нейтронов использование линз позволяет уменьшить угол разлета частиц и благоприятно влияет на выбор ограничивающих стенок на основе доступных материалов.