КРИОГЕННЫЙ СПЕКТРОМЕТР
CRYOGENIC SPECTROMETER

Изобретение относится к приборам для проведения ядерно-физических экспериментов, а именно к спектрометрам ионизирующих излучений в виде ядерных фрагментов, тяжелых элементарных частиц и гамма-квантов на основе полупроводниковых детекторов из сверхчистого германия, эксплуатируемых при криогенных температурах.
Известен спектрометр ионизирующих излучений на основе газонаполненного детектора (В.К. Ляпидевский «Методы детектирования излучений». - М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 237). Преимуществом газонаполненного детектора ионизирующих излучений является отсутствие искажений, связанных с радиационным повреждением рабочего материала детектора, однако из-за малой плотности материала детектора он может применяться только для регистрации заряженных частиц и гамма-квантов небольшой энергии - до нескольких МэВ.
Известен спектрометр ионизирующих излучений на основе жидкого детектора (А.И. Абрамов и др. «Основы экспериментальных методов ядерной физики». - М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 151-154). В жидком детекторе ионизирующих излучений в качестве рабочего материала детектора используется жидкий аргон или жидкий ксенон. Жидкий детектор обладает большой тормозной способностью и может применяться для регистрации заряженных частиц и гамма-квантов в десятки МэВ, однако спектрометр на основе жидкого детектора обладает эксплуатационным недостатком, связанным с тем, что амплитуда сигнала на выходе детектора сильно зависит от примесей в используемом сжиженном газе, а поскольку сжиженный газ не может постоянно заполнять рабочий объем детектора и должен обновляться перед каждым сеансом работы спектрометра, сопровождающее этот процесс изменение амплитуды сигнала на выходе детектора требует выполнения калибровки детектора непосредственно перед началом сеанса работы, что не всегда возможно.
Известен спектрометр ядерных излучений (патент Канады CA2743051 от 30.09.2014, МПК G01T 1/20), содержащий сцинтилляционный детектор, фотоумножитель, электронные модули обработки сигналов. Спектрометр на основе сцинтилляционного детектора обладает высоким энергетическим и временным разрешением, однако применение фотоэлектронных умножителей обусловливает значительные габариты спектрометра, что затрудняет его применение в условиях ограниченного пространства.
Известен спектрометр альфа-частиц (патент РФ №2159943 от 27.11.2000, МПК G01T 1/36), содержащий полупроводниковый детектор альфа-частиц, подключенные к полупроводниковому детектору электронные модули обработки сигналов, поступающих от полупроводникового детектора, включающие последовательно соединенные зарядочувствительный предусилитель, формирующий усилитель, амплитудно-цифровой преобразователь, а также узел дискриминации сигналов по форме, при этом выход зарядочувствительного предусилителя соединен со входом узла дискриминации сигналов по форме, выход которого соединен со входом управления аналого-цифрового преобразователя.
Полупроводниковые детекторы обладают большой тормозной способностью и могут применяться для регистрации заряженных частиц и гамма-квантов энергией десятки МэВ, спектрометр на основе полупроводниковых детекторов компактен и может использоваться в условиях ограниченного пространства, однако отсутствие системы криогенного охлаждения полупроводникового детектора исключает применение германиевых детекторов, обладающих более высокой тормозной способностью и большей толщиной чувствительного слоя, чем кремниевые полупроводниковые детекторы, эксплуатируемые при комнатной температуре.
Прототипом заявленного изобретения является криогенный спектрометр ионизирующих излучений, известный из публикации в журнале «Приборы и техника эксперимента», 1999, №4, стр. 65-71. Спектрометр по прототипу содержит полупроводниковый детектор ионизирующих излучений, электронные модули, криостат, устройство перемещения детектора, электронные модули содержат модули обработки сигналов, вход которых подключен к полупроводниковому детектору ионизирующих излучений, а также модуль сохранения оцифрованных сигналов, вход которого подключен к выходу модулей обработки сигналов, криостат включает в себя криогенный сосуд.
Спектрометр по прототипу характеризуется тем, что криостат содержит также держатель детекторов, две трубки, электронагреватель, воздушный насос, в держателе детекторов имеется полость и два отверстия, полупроводниковый детектор ионизирующих излучений закреплен на держателе детекторов, трубки соединены с указанными отверстиями в держателе детекторов, электронагреватель выполнен в виде металлической емкости с двумя отверстиями и закрепленной в полости электронагревателя электрической спиралью, первая трубка соединяет держатель детекторов с криогенным сосудом Дьюара, заполненным жидким азотом, вторая трубка соединяет держатель детекторов с одним отверстием электронагревателя, второе отверстие электронагревателя соединено с воздушным насосом, устройство перемещения детектора содержит корпус, каретку, закрепленный в корпусе электродвигатель, червячный вал, соединенный с валом электродвигателя, каретка входит в зацепление с червячным валом и способна перемещаться вдоль корпуса, держатель детекторов соединен с кареткой, электронные модули содержат также модуль управления устройством перемещения детектора, модули обработки сигналов содержат последовательно подключенные предусилитель, усилитель, формирователь, аналого-цифровой преобразователь.
Криогенный спектрометр по прототипу работает следующим образом: электронагреватель, воздушный насос и электронные модули подключают к внешнему источнику питания, воздушный насос создает разрежение в трубках, соединенных с держателем детекторов, благодаря этому жидкий азот из криогенного сосуда Дьюара начинает поступать по первой трубке в держать детекторов, проходить через полость в держателе детекторов, затем проходить по второй трубке к нагревателю, переходить в нагревателе в газообразное состояние, после этого газообразный азот проходит через воздушный насос и выбрасывается в окружающее пространство. При этом держатель детекторов и установленный на нем полупроводниковый детектор на основе сверхчистого германия охлаждаются до криогенных температур.
На полупроводниковый детектор подают высокое напряжение, при попадании заряженной частицы или гамма-кванта в полупроводниковый детектор происходит ионизация материала полупроводникового детектора, на электродах полупроводникового детектора накапливается заряд, и на выходе зарядочувствительного предварительного усилителя (предусилителя), подключенного к полупроводниковому детектору, формируется сигнал, который усиливается в усилителе и уже усиленный сигнал попадает в формирователь, где формируется нормализованный сигнал, амплитуда которого пропорциональна энергии, потерянной в полупроводниковом детекторе заряженной частицей или гамма-квантом. Нормализованные сигналы преобразуют в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе, полученные цифровые сигналы поступают в модуль сохранения оцифрованных сигналов, который записывает значения амплитуд оцифрованных сигналов в накопитель цифровых данных для последующего анализа. Криогенного сосуда Дьюра с жидким азотом объемом 25 л хватает на 20 часов непрерывной работы спектрометра.
Спектрометр по прототипу содержит криогенную систему охлаждения полупроводникового детектора, что позволяет применять полупроводниковые детекторы на основе сверхчистого германия, обладающие более высокой разрешающей способностью, большей толщиной живого слоя и тормозной способностью, чем кремниевые полупроводниковые детекторы, эксплуатируемые при комнатной температуре, однако недостатком спектрометра по прототипу является большой расход жидкого азота в условиях ограниченного запаса жидкого азота в криогенном сосуде и применении электронагревателя для интенсивного перевода жидкого азота в газообразное состояние. Если жидкий азот в криогенном сосуде закончился, а электрофизическая ядерная установка, например, ускоритель заряженных частиц, продолжает работать, то вход в зону размещения спектрометра для замены криогенного сосуда с жидким азотом невозможен и это ограничивает возможность набора длительной непрерывной статистики событий.
При разработке заявленного спектрометра решалась задача создания криогенного спектрометра, который мог бы эксплуатироваться непрерывно длительное время без вмешательства оператора в его работу.
Заявленный криогенный спектрометр также содержит полупроводниковый детектор ионизирующих излучений, электронные модули, криостат, устройство перемещения детектора, электронные модули содержат модули обработки сигналов, вход которых подключен к полупроводниковому детектору ионизирующих излучений, а также модуль сохранения оцифрованных сигналов, вход которого подключен к выходу модулей обработки сигналов, криостат включает в себя криогенный сосуд.
Заявленный спектрометр отличается от спектрометра по прототипу тем, что криостат содержит также бачок, трубу, криогенную трубку, проходной клапан, соединительную трубку, при этом полупроводниковый детектор ионизирующих излучений закреплен на бачке, внутренний диаметр трубы превышает наружный диаметр криогенной трубки, проходной клапан имеет входное и выходное отверстие, один конец криогенной трубки соединен с выходным отверстием проходного клапана, второй конец криогенной трубки размещен в полости трубы, ось трубы и ось криогенной трубки лежат в одной вертикальной плоскости и параллельны между собой, наружная поверхность криогенной трубки имеет покрытие в виде пенополистирола, один конец соединительной трубки соединен с входным отверстием проходного клапана, второй конец соединительной трубки соединен с криогенным сосудом, в верхней части стенки бачка имеется сквозное отверстие, один конец трубы закреплен на верхней части стенки бачка в месте сквозного отверстия, так что полость трубы через сквозное отверстие соединяется с полостью бачка, второй конец трубы закреплен на устройстве перемещения детектора, в верхней части полости бачка напротив сквозного отверстия установлено первое зеркало, отражающая поверхность которого обращена к нижней части стенки бачка, находящейся под сквозным отверстием, в нижней части полости бачка под первым зеркалом установлено второе зеркало, отражающая поверхность которого обращена к первому зеркалу, электронные модули содержат также электромагнитный излучатель, модуль управления излучателем, приемник электромагнитного излучения, модуль управления клапаном, контроллер, выходы модуля управления клапаном подключены к управляющим входам проходного клапана, выходы модуля управления излучателем подключены к входам электромагнитного излучателя, электромагнитный излучатель закреплен на трубе и направлен на отражающую поверхность первого зеркала, приемник электромагнитного излучения закреплен на наружной поверхности криогенной трубки и направлен на отражающую поверхность первого зеркала, выходы контроллера подключены к управляющему входу устройства перемещения детектора, к управляющему входу модуля управления клапаном, к управляющему входу модуля управления излучателем, к управляющим входам модулей обработки сигналов, к управляющему входу модуля сохранения оцифрованных сигналов, входы контроллера подключены к выходу приемника электромагнитного излучения, к выходу устройства перемещения детектора.
Основной технический результат, достигаемый в результате реализации заявленного изобретения - уменьшение статистической погрешности измерений энергии регистрируемых спектрометром заряженных частиц и гамма-квантов за один сеанс работы спектрометра без вмешательства человека в его работу. Снижение статистической погрешности измерений обеспечивается существенным повышением продолжительности непрерывной работы спектрометра и связанным с этим увеличением количества событий ядерных реакций, регистрируемых спектрометром за один сеанс непрерывной работы, с учетом того, что статистическая погрешность измерения энергии заряженных частиц или гамма-квантов находится в обратной зависимости от количества зарегистрированных заряженных частиц или гамма-квантов соответственно. Несмотря на то что при работе со спектрометром согласно заявленному изобретению регистрацию событий ядерных реакций периодически приходится приостанавливать для заливки жидкого азота в бачок, что снижает статистику регистрируемых событий, время на долив жидкого азота может занимать около одной минуты, а одна операция залива бачка объемом около одного литра обеспечивает работу спектрометра в течение нескольких часов без необходимости долива жидкого азота, поэтому временные потери, связанные с остановкой регистрации частиц и квантов из-за долива жидкого азота в бачок составляют долю процента от всего времени работы спектрометра. В то же время за счет уменьшенного расхода жидкого азота, обусловленного только пассивным испарением, спектрометр может работать намного большее время без необходимости остановки работы ядерной установки, обеспечивающей ядерные реакции, представляющие интерес в эксперименте, по сравнению со спектрометром по прототипу. При этом применение электромагнитного излучения для регистрации критически малого уровня жидкого азота в бачке позволяет исключить размещение контактных датчиков, чувствительных к криогенным температурам или жидкости, вблизи бачка, находящегося в зоне интенсивного облучения, что могло бы приводить к ложным срабатываниям таких датчиков из-за воздействия ионизирующих излучений, поэтому применение приемника электромагнитного излучения, удаленного от бачка с жидким азотом, позволяет обезопасить приемник электромагнитного излучения, содержащий элементы аналоговой и цифровой электроники и поэтому намного более чувствительный к воздействиям ионизирующего излучения, чем электромагнитный излучатель, а пенополистироловое покрытие криогенной трубки обеспечивает поглощение электромагнитных волн, падающих на поверхность криогенной трубки, благодаря чему исключаются многократные отражения электромагнитных волн от внутренней поверхности трубы и внешней поверхности криогенной трубки, отклоняющихся от прямой, направленной от электромагнитного излучателя к первому зеркалу и обратно, что позволяет исключить получение ложных сигналов от приемника электромагнитного излучения, связанных с приемом электромагнитных волн, отраженных не от второго зеркала, а от других металлических элементов конструкции криостата.
В развитие заявленного изобретения отражающая поверхность первого зеркала образована вогнутой цилиндрической поверхностью, ось цилиндра, образующего вогнутую цилиндрическую поверхность первого зеркала, перпендикулярна вертикальной плоскости, проходящей через ось трубы, нормаль к отражающей поверхности первого зеркала лежит в вертикальной плоскости, параллельной оси трубы, и образует острый угол с вертикальной осью, направленной вниз,
отражающая поверхность второго зеркала образована вогнутой цилиндрической поверхностью, ось цилиндра, образующего вогнутую цилиндрическую поверхность второго зеркала, лежит в вертикальной плоскости, проходящей через ось трубы, и параллельна оси трубы, нормаль к отражающей поверхности второго зеркала лежит в вертикальной плоскости, перпендикулярной оси трубы, и образует острый угол с вертикальной осью, направленной вверх,
отражающие поверхности первого и второго зеркала образованы полированными металлическими поверхностями, ось трубы ориентирована горизонтально, нижняя граница первого зеркала расположена ниже оси трубы, между нижней частью отражающей поверхности второго зеркала и дном бачка имеется зазор.
Использование вогнутых зеркал для отражения электромагнитных волн позволяет исключить отражение электромагнитных волн от стенок бачка с жидким азотом из-за расходимости потока электромагнитных волн, излучаемых электромагнитным излучателем в направлении первого зеркала, поскольку кривизна первого зеркала обеспечивает сходимость пучка электромагнитных волн в вертикальной плоскости, а кривизна второго зеркала - сходимость пучка электромагнитных волн в горизонтальной плоскости.
В дальнейшее развитие изобретения криогенная трубка содержит внутреннюю и внешнюю трубки, оси которых совпадают между собой, наружный диаметр внутренней трубки меньше внутреннего диаметра внешней трубки, полость криогенной трубки образована полостью внутренней трубки, внешняя трубка выполнена из пенополистирола;
бачок имеет форму цилиндра с двумя торцами, ось которого ориентирована вертикально, нижний торец бачка выполнен из бескислородной меди, дно бачка образовано верхней поверхностью нижнего торца бачка, полупроводниковый детектор ионизирующих излучений включает в себя полупроводниковую пластину и металлическую оправу, выполненную из бескислородной меди, в которой закреплена полупроводниковая пластина, металлическая оправа полупроводникового детектора закреплена на нижнем торце бачка;
электромагнитный излучатель выполнен способным излучать электромагнитные волны в инфракрасном диапазоне в направлении первого зеркала, приемник электромагнитного излучения выполнен способным принимать электромагнитные волны по направлению от первого зеркала в диапазоне длин электромагнитных волн, который включает в себя, по меньшей мере, часть диапазона длин электромагнитных волн, излучаемых излучателем электромагнитных волн;
электромагнитный излучатель ориентирован так, что направление излучения электромагнитной волны электромагнитным излучателем соответствует оси, параллельной оси трубы и проходящей через полость трубы, сквозное отверстие в стенке бачка и первое зеркало;
приемник электромагнитного излучения ориентирован так, что направление максимума диаграммы направленности приемника электромагнитного излучения соответствует оси, параллельной оси трубы и проходящей через полость трубы, сквозное отверстие в стенке бачка, полость бачка и первое зеркало, приемник электромагнитного излучения имеет цифровой выход и выполнен способным генерировать цифровой электрический сигнал на цифровом выходе при регистрации электромагнитной волны,
В предпочтительном исполнении заявленного изобретения радиус кривизны вогнутой цилиндрической поверхности первого зеркала не меньше максимального расстояния от отражающей поверхности первого зеркала до электромагнитного излучателя и не превышает минимального расстояния от отражающей поверхности первого зеркала до приемника электромагнитного излучения при рабочем положении спектрометра,
радиус кривизны вогнутой цилиндрической поверхности второго зеркала не меньше суммы максимального расстояния от отражающей поверхности первого зеркала до электромагнитного излучателя и максимального расстояния от отражающей поверхности первого зеркала до отражающей поверхности второго зеркала и не превышает минимального расстояния от отражающей поверхности первого зеркала до приемника электромагнитного излучения при рабочем положении спектрометра.
Указанные параметры кривизны зеркал наиболее оптимальны для компенсации расходимости пучка электромагнитных волн, поскольку при этом электромагнитный излучатель и приемник электромагнитного излучения располагаются вблизи фокусов зеркал.
Указанное сквозное отверстие выполнено в цилиндрической стенке бачка, труба соединена с цилиндрической стенкой бачка, так что труба входит в сквозное отверстие в цилиндрической стенке бачка и герметично закреплена в сквозном отверстии с помощью сварки, первое зеркало закреплено на стенке и верхнем торце бачка;
криогенная трубка нижней частью своей наружной поверхности касается нижней части внутренней поверхности трубы, пространство криогенной трубки между внутренней и внешней трубками, имеющими равную длину, герметизировано от пространства снаружи криогенной трубки и заполнено несколькими чередующимися слоями металлической фольги и минерального волокна, оборачивающими внутреннюю трубку;
проходной клапан выполнен в виде дистанционно управляемого запорного вентиля с электронным управлением, способным находиться в открытом и закрытом состоянии, в открытом состоянии проходного клапана полость криогенной трубки соединяется с полостью соединительной трубки, проходной клапан содержит задвижку в виде пластины из ферромагнитного материала, электромагнит, способный притягивать к себе задвижку, а также пружину, способную отталкивать задвижку от электромагнита, управляющие входы проходного клапана образованы входами электромагнита, выходы модуля управления клапаном подключены к входам электромагнита, в закрытом состоянии проходного клапана полость криогенной трубки отделена задвижкой от полости соединительной трубки,  электромагнит проходного клапана выполнен способным переводить проходной клапан из открытого состояния в закрытое и из закрытого состояния в открытое;
криогенная трубка содержит также две круглые шайбы из полимерного материала, установленные по краям криогенной трубки, внутренняя и внешняя трубки соединяются между собой с помощью указанных шайб, при этом край внутренней трубки входит в отверстие шайбы с натягом между наружной поверхностью внутренней трубки и отверстием шайбы, а шайба входит в полость внешней трубки, имеющей больший диаметр, с натягом между наружной поверхностью шайбы и внутренней поверхностью полости внешней трубки;
устройство перемещения детектора содержит корпус, кронштейн, сервопривод, червячный вал, датчик угла поворота червячного вала, при этом сервопривод и датчик угла поворота червячного вала закреплены в корпусе, червячный вал соединен с валом сервопривода, кронштейн образует подвижное соединение с корпусом, входит в зацепление с червячным валом и выполнен способным перемещаться вдоль корпуса, полупроводниковый детектор ионизирующих излучений соединен с кронштейном, управляющий вход устройства перемещения детектора образован управляющим входом сервопривода, выход устройства перемещения детектора образован выходом датчика угла поворота червячного вала;
спектрометр содержит также опорный фланец и сильфон, опорный фланец установлен на устройстве перемещения детектора, в опорном фланце имеется сквозное отверстие, труба герметично закреплена на опорном фланце, так что полость трубы сообщается через сквозное отверстие в опорном фланце с пространством со стороны размещения криогенного сосуда, на краях сильфона герметично закреплены фланцы сильфона, один край сильфона герметично закреплен на опорном фланце с помощью первого фланца сильфона, второй край сильфона герметично закреплен на фланце вакуумированной электрофизической установки с помощью второго фланца сильфона, так что вакуумное пространство электрофизической установки соединяется с пространством полости сильфона, при этом пространство полости трубы и полости бачка герметично изолировано от пространства полости сильфона;
модули обработки сигналов содержат последовательно подключенные предусилитель, усилитель, формирователь нормализованных сигналов, аналого-цифровой преобразователь, предусилитель закреплен на устройстве перемещения детектора, усилитель, формирователь нормализованных сигналов, аналого-цифровой преобразователь, модуль сохранения оцифрованных сигналов, модуль управления клапаном, модуль управления излучателем, контроллер установлены в лабораторной стойке;
в опорном фланце установлены сквозные вакуумные электрические вводы, полупроводниковый детектор ионизирующих излучений подключен с помощью кабеля к вакуумному вводу со стороны полости сильфона, с противоположной стороны опорного фланца к этому же вакуумному вводу подключен кабель, соединяющий его с входом предусилителя, выход которого подключен к входу усилителя, выход которого подключен к входу формирователя нормализованных сигналов, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу модуля сохранения оцифрованных сигналов, способного сохранять параметры оцифрованных сигналов на накопителе цифровых данных.
Спектрометр предназначен для выполнения длительных измерений энергии заряженных частиц (ядерных фрагментов и тяжелых элементарных частиц) и гамма-квантов в зоне воздействия ионизирующего излучения, где нахождение человека во время выполнения ядерно-физического эксперимента не допустимо, а также вблизи электрофизических установок, генерирующих мощное электромагнитное поле, в частности, вблизи ускорителей заряженных частиц, накопительных колец, систем электрической и магнитной фокусировки пучков заряженных частиц.
На фиг. 1 показана схема криогенного спектрометра;
на фиг. 2 показана схема бачка для жидкого азота;
на фиг. 3 показана схема проходного клапана;
на фиг. 4 показана схема подключения электронных модулей спектрометра.
На фиг. 1 показана схема криогенного спектрометра в предпочтительном варианте реализации заявленного изобретения. Криогенный спектрометр ионизирующих излучений содержит полупроводниковый детектор ионизирующих излучений 1 (далее - полупроводниковый детектор 1), криостат, устройство перемещения детектора 2, опорный фланец 75, соединенный с устройством перемещения детектора 2, и электронные модули. Полупроводниковый детектор 1 содержит полупроводниковую пластину 11 из сверхчистого германия толщиной от 0,5 см до 2 см и металлическую оправу 12 из бескислородной меди, в которой с помощью лепестков 13, изготовленных из бериллиевой бронзы, закреплена полупроводниковая пластина 11.
Криостат представляет собой систему охлаждения полупроводникового детектора 1 с помощью жидкого азота и включает в себя криогенный сосуд 3 (сосуд Дьюара) объемом 25 л и бачок 4, при этом полупроводниковый детектор 1 закреплен на бачке 4, а криогенный сосуд 3 содержит жидкий азот 33. На фиг. 1 криогенный сосуд 3 показан схематично в более мелком масштабе, чем другие элементы конструкции спектрометра. Криостат содержит также трубу 34, один конец которой закреплен на устройстве перемещения детектора 2 с помощью опорного фланца 75, который закреплен на кронштейне 21 устройства перемещения детектора 2, а труба 34 герметично закреплена с помощью сварки в сквозном отверстии в опорном фланце 75. Криостат содержит также последовательно соединенные криогенную трубку 5, дистанционно управляемый проходной клапан 30 с дискретным регулированием и электронным управлением (далее - клапан 30) и соединительную трубку 35, один конец которой соединен с клапаном 30, а второй конец герметично соединен с криогенным сосудом 3, при этом соединительная трубка 35 соединена с входным отверстием клапана 30, а криогенная трубка 5 соединена с выходным отверстием клапана 30. Край соединительной трубки 37 образует зазор с дном криогенного сосуда 32, достаточный для прохождения жидкого азота 33 из криогенного сосуда 3 в полость соединительной трубки 35. Клапан сброса избыточного давления 81 также герметично соединен с криогенным сосудом 3 для автоматического сброса избыточного давления выше заданного порога, возникающего в полости криогенного сосуда 3. На краю трубы 34 закреплен электромагнитный излучатель 28, направленный на отражающую поверхность первого зеркала 90 (фиг. 2), на наружной поверхности криогенной трубки 5 закреплен приемник электромагнитного излучения 31, направленный на отражающую поверхность первого зеркала 90.
На фиг. 2 подробно показана схема бачка 4. В верхней части стенки бачка 47 со стороны трубы 34 имеется сквозное отверстие 50, бачок 4 закреплен на конце трубы 34, так что полость трубы 38 через сквозное отверстие 50 в стенке бачка 47 соединяется с полостью бачка 39. В верхней части полости бачка 39 напротив отверстия 50 установлено первое зеркало 42, полированная поверхность которого 90 обращена к нижней части стенки бачка 47, находящейся на стороне под сквозным отверстием 50, а нормаль к отражающей поверхности первого зеркала 91 в каждой точке поверхности лежит в вертикальной плоскости, проходящей через ось трубы 36, и направлена между вертикальной осью 92, направленной вниз, и горизонтальной осью 93, направленной в сторону трубы 34 и параллельной оси трубы 36. Отражающая поверхность первого зеркала 42 образована вогнутой цилиндрической поверхностью 90, ось цилиндра, образующего вогнутую цилиндрическую поверхность 90, перпендикулярна вертикальной плоскости, проходящей через ось трубы 36.
В нижней части полости бачка 39 на стенке бачка 47 под первым зеркалом 42 установлено второе зеркало 43, имеющее полированную поверхность 63 с верхней стороны второго зеркала 43, образующую отражающую поверхность второго зеркала 43. Отражающая поверхность второго зеркала 43 образована вогнутой цилиндрической поверхностью 63, ось цилиндра, образующего вогнутую цилиндрическую поверхность второго зеркала 63, лежит в вертикальной плоскости, проходящей через ось трубы 36, и параллельна оси трубы 36, нормаль к отражающей поверхности второго зеркала 63 в каждой точке поверхности лежит в вертикальной плоскости, перпендикулярной оси трубы 36, и образует острый угол с вертикальной плоскостью, проходящей через ось трубы 36, между нижней частью отражающей поверхности второго зеркала 63 и дном бачка 64 имеется зазор.
Радиус кривизны вогнутой цилиндрической поверхности первого зеркала 90 равен максимальному расстоянию от отражающей поверхности первого зеркала 90 до приемника электромагнитного излучения 31 при положении спектрометра, когда выполняется заливка жидкого азота в бачок 4, что больше максимального расстояния от отражающей поверхности первого зеркала 90 до электромагнитного излучателя 28 и меньше минимального расстояния от отражающей поверхности первого зеркала 90 до приемника электромагнитного излучения 31 при рабочем положении спектрометра, когда выполняются спектрометрические измерения.
Радиус кривизны вогнутой цилиндрической поверхности второго зеркала 63 равен сумме максимального расстояния от отражающей поверхности второго зеркала 63 до отражающей поверхности первого зеркала 90 и максимального расстояния от отражающей поверхности первого зеркала 90 до приемника электромагнитного излучения 31 при положении спектрометра, когда выполняется заливка жидкого азота в бачок 4, что больше суммы максимального расстояния от отражающей поверхности первого зеркала 90 до электромагнитного излучателя 28 и максимального расстояния от отражающей поверхности первого зеркала 90 до отражающей поверхности второго зеркала 63 и меньше минимального расстояния от отражающей поверхности первого зеркала 90 до приемника электромагнитного излучения при рабочем положении спектрометра, когда выполняются спектрометрические измерения, отражающие поверхности первого и второго зеркала образованы полированными металлическими поверхностями. При указанных параметрах кривизны зеркал 42, 43 электромагнитный излучатель 28 и приемник электромагнитного излучения 31 располагаются вблизи фокусов зеркал 42, 43, что позволяет компенсировать расходимость пучка электромагнитных волн, излучаемых электромагнитным излучателем 28.
Позицией 62 на фиг. 2 показан уровень жидкого азота, когда электромагнитные волны 94, испущенные электромагнитным излучателем 28, могут отражаться от отражающей поверхности первого зеркала 90, затем электромагнитные волны 94, отраженные от первого зеркала 42 как электромагнитные волны 95, могут отражаться от отражающей поверхности второго зеркала 63 как электромагнитные волны 96, а затем, отразившись от первого зеркала 42 как электромагнитные волны 97, регистрироваться приемником электромагнитного излучения 31. На фиг. 1 показан уровень жидкого азота в рабочем состоянии спектрометра, когда электромагнитные волны 95 рассеиваются на поверхности кипящего жидкого азота и отраженные электромагнитные волны 96, 97 отсутствуют.
Ось трубы 36 ориентирована горизонтально и параллельна оси криогенной трубки 57. Часть криогенной трубки 5 размещается в полости трубы 38, ось трубы 36 и ось криогенной трубки 57 параллельны между собой и лежат в одной вертикальной плоскости. При этом внутренний диаметр трубы 34 составляет 28 мм и превышает наружный диаметр криогенной трубки 5, который составляет 14 мм. На поверхности криогенной трубки 5 с ее наружной стороны закреплен приемник электромагнитного излучения 31, ориентированный на прием электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне вдоль оси, проходящей от первого зеркала 42 через полость бачка 39, полость трубы 38 и приемник электромагнитного излучения 31, а также коллиматор 83, размещенный между приемником электромагнитного излучения 31 и первым зеркалом 42 и способный ограничивать направления, с которых приемник электромагнитного излучения 31 может принимать электромагнитные волны. Коллиматор 83 изготовлен в виде трубки, через которую вдоль ее оси могут проходить электромагнитные волны.
Первое зеркало 42 выполнено в виде металлической пластины из немагнитной нержавеющей стали, нижняя граница первого зеркала 42 находится ниже оси трубы 36, криогенная трубка 5 нижней частью наружной поверхности касается нижней части внутренней поверхности трубы 34, так что при перемещении полупроводникового детектора 1 с помощью устройства перемещения детектора 2 вместе с трубой 34 относительно криогенной трубки 5 криогенная трубка 5 скользит по внутренней поверхности трубы 34.
Бачок 4, предназначенный для наполнения его жидким азотом 41, имеет форму цилиндра с двумя торцами - нижним торцом 61 и верхним торцом 48. Ось бачка 40 ориентирована вертикально, сквозное отверстие 50 выполнено в цилиндрической стенке бачка 47, труба 34 соединена с цилиндрической стенкой бачка 47, так что труба 34 входит в сквозное отверстие 50 в цилиндрической стенке бачка 47 и герметично закреплена в сквозном отверстии 50 посредством сварки. Нижний торец бачка 61 выполнен из бескислородной меди, цилиндрическая стенка 47 и верхний торец бачка 48 изготовлены из немагнитной нержавеющей стали, верхняя поверхность 64 нижнего торца бачка 61 образует дно бачка 4.
Первое зеркало 42 закреплено с помощью сварки на верхнем торце бачка 48 и стенке бачка 47. Нормаль к отражающей поверхности первого зеркала 91 в каждой точке поверхности лежит в вертикальной плоскости, проходящей через ось трубы 36, в угловом секторе между вертикальной осью 92, направленной вниз, и горизонтальной осью 93, направленной к трубе 34, и образует острый угол с вертикальной осью 92, так что нормаль к отражающей поверхности первого зеркала 91 также образует острый угол с горизонтальной осью 93.
Полупроводниковый детектор 1 закреплен на нижнем торце бачка 61, для этого в нижнем торце бачка 61 с нижней стороны выполнены два вертикальных цилиндрических отверстия 67, 68 с метрической резьбой М10 и М6 соответственно, металлическая оправа полупроводникового детектора 12 закреплена на нижнем торце бачка 61 с помощью двух винтов 14, 15 с метрической резьбой М10 и М6 соответственно, которые завернуты в отверстия 67 и 68 соответственно.
Криогенная трубка 5 выполнена в виде коаксиальной трубки и содержит две соосные трубки - внутреннюю трубку 51 и внешнюю трубку 52, соединенные между собой по краям. Внутренняя трубка 51 изготовлена из немагнитной нержавеющей стали и имеет внутренний диаметр 4 мм и толщину стенки 0,5 мм. Внешняя трубка 52 изготовлена из пенополистирола и имеет наружный диаметр 14 мм и толщину стенки 3 мм. Пространство 56 между соосными трубками 51, 52 заполнено несколькими чередующимися слоями металлической фольги и минерального волокна, оборачивающими внутреннюю трубку 51, имеющую меньший внутренний и наружный диаметр. Полость криогенной трубки 55 образована полостью внутренней трубки 51, криогенная трубка 5 содержит также две круглые шайбы из полимерного материала в виде капролона, установленные по краям соосных трубок 51, 52, которые соединяются между собой с помощью указанных шайб, при этом используется посадка шайб с натягом.
На фиг. 2 показана круглая шайба 53, при этом край внутренней трубки 51 входит в круглое отверстие шайбы 53 с натягом между наружной поверхностью внутренней трубки 51 и отверстием шайбы 53, а шайба 53 входит в полость внешней трубки 52, имеющей больший внутренний и наружный диаметр, с натягом между наружной поверхностью шайбы 53 и внутренней поверхностью полости внешней трубки 52 большего диаметра. Аналогично другой край внутренней трубки 51 входит в круглое отверстие второй шайбы с натягом между наружной поверхностью внутренней трубки 51 и отверстием второй шайбы, а вторая шайба входит в полость внешней трубки 52 большего диаметра с натягом между наружной поверхностью второй шайбы и внутренней поверхностью полости внешней трубки 52.
Проходной клапан 30 представляет собой дистанционно управляемый запорный вентиль с электронным управлением и дискретным регулированием и содержит элементы составного корпуса 621, 622, 623 (см. фиг. 3), электромагнит 601 с подключенным к нему электрическим проводом (кабелем) 606, задвижку 602, изготовленную в виде пластины из ферромагнитного материала, а также пружину 603 и имеет входное отверстие 604 и выходное отверстие 605, входное отверстие 604 с помощью герметичного трубного резьбового соединения 611 соединено с соединительной трубкой 35, а выходное отверстие 605 с помощью резиновой муфты 610 соединено с внутренней трубкой 51 криогенной трубки 5.
Проходной клапан 30 выполнен способным находиться в открытом и закрытом состоянии. Электромагнит 601 выполнен способным переводить клапан 30 из открытого состояния в закрытое и из закрытого состояния в открытое путем перемещения задвижки 602, поскольку электромагнит 601 способен притягивать задвижку 602, если по кабелю 606, подключенному к электромагниту 601, поступает электропитание. При этом задвижка 602 открывает проход между полостью 608 и выходным отверстием 605. В открытом состоянии клапана 30 через электромагнит 602 течет электрический ток, задвижка 602 притягивается к электромагниту 601, и жидкий азот течет из полости соединительной трубки 35 через входное отверстие 604, полость 608, отверстия в задвижке 607, выходное отверстие 605 в полость внутренней трубки 51. Таким образом, в открытом состоянии клапана 30 область пространства полости криогенной трубки 55 через области пространства полостей в клапане 30 соединяется с областью пространства полости соединительной трубки 35, соединенной с криогенным сосудом 3, и с пространством внутри криогенного сосуда 3, заполненным жидким азотом 33.
Если электрический ток не течет через электромагнит 601, то пружина 603 прижимает задвижку 602 к кольцевому выступу 612, так что задвижка 602 перекрывает проход между полостью 608 и выходным отверстием 605 и, соответственно, препятствуют соединению области пространства полости криогенной трубки 55 с областью пространства полости соединительной трубки 35, поэтому при закрытом состоянии клапана 30 жидкий азот не может попасть через соединительная трубка 35 из криогенного сосуда 3 в полость криогенной трубки 55. В предпочтительном исполнении задвижка 602 изготовлена из магнитомягкой стали, шестигранник 609 позволяет использовать гаечный ключ для закрепления клапана 30 на соединительной трубке 35.
Область пространства полости трубы 38 (см. фиг. 2) через сквозное отверстие 50 в стенке бачка 47 соединяется с областью пространства полости бачка 39, размер сквозного отверстия 50 достаточен для того, чтобы при горизонтальном перемещении бачка 4 относительно криогенной трубки 5 криогенная трубка 5 могла через сквозное отверстие 50 углубиться в полость бачка 39.
В первом сквозном отверстии, выполненном в опорном фланце 75, проходит труба 34, которая герметично заварена в указанном отверстии. Во втором сквозном отверстии в опорном фланце 75 установлен электрический вакуумный ввод 17, который герметично заварен в опорном фланце 75. Полупроводниковый детектор 1 размещается в вакуумированной области полости сильфона 76, соединяющейся с вакуумированной областью электрофизической установки 77. На концах цилиндрического вакуумного сильфона 72 герметично закреплены фланцы сильфона 73, 74. На опорном фланце 75 закреплен фланец сильфона 74, фланец сильфона 73 закреплен на фланце электрофизической установки 71. Полость электрофизической установки 77 вакуумирована и соединяется с полостью накопительного кольца, в котором аккумулируются пучки заряженных частиц. При этом пространство полости трубы 38 герметично изолировано от пространства полости сильфона 76. Ось фланца электрофизической установки 70, ось сильфона 72 и оси фланцев сильфона 73, 74 совпадают между собой.
Цилиндрический вакуумный сильфон 72 изготовлен из множества сваренных между собой колец из тонколистовой немагнитной нержавеющей стали. Кольца сварены с соседними кольцами попеременно по внутреннему и по внешнему круглому краю - каждое кольцо, сваренное с одним из соседних колец по внутреннему круглому краю, сварено со вторым соседним кольцом по внешнему круглому краю, так что множество колец образует «гармошку», поэтому сильфон 72 может сжиматься и растягиваться вдоль своей оси, сохраняя герметичность полости сильфона 76 при перемещении бачка 4 с установленным на нем полупроводниковым детектором 1 в область полости электрофизической установки 77 благодаря сжатию сильфона 72 и при обратном движении благодаря растяжению сильфона 72. В межфланцевых соединениях фланцев сильфона 73, 74 используются прокладки из бескислородной меди.
Устройство перемещения детектора 2 способно линейно перемещать полупроводниковый детектор 1 с бачком 4 в горизонтальной плоскости вдоль оси, параллельной оси сильфона 72. Устройство перемещения детектора 2 содержит сервопривод 23, на валу которого закреплен червячный вал 24, который входит в зацепление с резьбовым отверстием в кронштейне 21, так что вращение червячного вала 24 приводит к линейному перемещению кронштейна 21 вдоль оси, параллельной оси сильфона 72, в направлениях, указанных стрелками 26, в зависимости от направления вращения червячного вала 24. Второй конец червячного вала 24 соединен с датчиком угла поворота червячного вала 25, который позволяет измерять угол поворота червячного вала 24 и соответствующее этому углу значение линейного перемещения кронштейна 21 и, соответственно, бачка 4 с установленным на нем полупроводниковым детектором 1.
Электронные модули (см. фиг. 4) содержат модули обработки сигналов, поступающих от полупроводникового детектора 1, модуль сохранения оцифрованных сигналов 180, способный сохранять оцифрованные сигналы на носителе цифровых данных 181, входящем в состав модуля сохранения оцифрованных сигналов 180, а также контроллер 120, модуль управления излучателем 27 и модуль управления клапаном 130, при этом вход модулей обработки сигналов подключен к полупроводниковому детектору 1, выходы модуля управления клапаном 130 подключены к входам проходного клапана 30.
Модуль управления излучателем 27 выполнен в виде электростатического реле, управляющий вход которого подключен к одному из выходов контроллера 120, входы питания подключены к источнику питания, а выходы модуля управления излучателем 27 подключены к входу электромагнитного излучателя 28. Электромагнитный излучатель 28 выполнен в виде узконаправленного инфракрасного излучающего диода Honeywell SEP8736, способного излучать электромагнитные волны 94 в инфракрасном диапазоне.
Приемник электромагнитного излучения 31 выполнен в виде инфракрасного фотодетектора Siemens SFH-506, способного принимать отраженные электромагнитные волны 97 в инфракрасном диапазоне и генерировать на выходе цифровой электрический сигнал. Выход приемника электромагнитного излучения 31 подключен к одному из входов контроллера 120.
Модули обработки сигналов содержат последовательно подключенные зарядочувствительный предварительный усилитель 140 (далее - предусилитель 140), усилитель 150, формирователь нормализованных сигналов 160, аналого-цифровой преобразователь 170. Вход модулей обработки сигналов образован входом предусилителя 140, а выход модулей обработки сигналов образован выходом аналого-цифрового преобразователя 170. Управляющий выход формирователя нормализованных сигналов 160 подключен к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя 170. Примеры реализации электронных модулей обработки сигналов, поступающих от полупроводникового детектора, и модуля сохранения оцифрованных сигналов 180 хорошо известны из уровня техники, в том числе из источника, в котором описан прототип заявленного изобретения.
Предусилитель 140 закреплен на опорном фланце 75 с помощью кронштейна 84, усилитель 150, формирователь нормализованных сигналов 160, аналого-цифровой преобразователь 170, модуль сохранения оцифрованных сигналов 180, контроллер 120, модуль управления излучателем 27, модуль управления клапаном 130 выполнены в виде функциональных модулей в стандарте КАМАК и установлены в крейте лабораторной стойки 190, обеспечивающей сопряжение с магистрально-модульной шиной в конструктиве «Евромеханика». Стойка 190 расположена на расстоянии от 5 до 20 м от предусилителя 140.
Полупроводниковый детектор 1 с помощью вакуумного кабеля 16 подключен к электрическому вакуумному вводу 17 со стороны полости сильфона 76, с другой стороны к электрическому вакуумному вводу 17 подключен кабель 82, второй конец которого подключен к входу предусилителя 140, выход которого с помощью кабеля 141 подключен к сигнальному входу усилителя 150, выход которого подключен к сигнальному входу формирователя нормализованных сигналов 160, выход которого подключен к аналоговому сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя 170, выход которого подключен к интерфейсному входу компьютерного модуля сохранения оцифрованных сигналов 180, способного сохранять оцифрованные данные на накопителе цифровых данных 181 в виде жесткого магнитного диска или флеш-накопителя.
Контроллер 120 выполнен на основе контроллера Arduino UNO с микроконтроллером типа ATmega328p, флеш-памятью объемом 32 кбайт и SRAM-памятью объемом 2 кбайт. Модули флеш-памяти контроллера 120 используются для хранения алгоритмической программы, которую выполняет микроконтроллер ATmega328p, а модули SRAM-памяти используются для хранения переменных величин, используемых алгоритмической программой при ее выполнении. Алгоритмическую программу записывают во флеш-память при подключении к контроллеру 120 программатора или компьютера, на котором предварительно создается исходный, а затем объектный код программы.
Выходы контроллера 120 подключены к входу модуля управления излучателем 27, входу модуля управления клапаном 130, управляющему входу сервопривода 23, управляющему входу формирователя нормализованных сигналов 160, управляющему входу модуля сохранения оцифрованных сигналов 180. Входы контроллера 120 подключены к выходу датчика угла поворота червячного вала 25, к выходу приемника электромагнитного излучения 31. Сервопривод 23 выполнен в виде синхронного электромеханического сервопривода вращательного движения.
Контроллер 120 периодически посылает цифровой сигнал на модуль управления излучателем 27, который подает электрический импульс на электромагнитный излучатель 28 на излучение направленной электромагнитной волны 94 в сторону первого зеркала 42, а приемник электромагнитного излучения 31 принимает отраженную электромагнитную волну 97 и посылает цифровой сигнал контроллеру 120. Контроллер 120 подает управляющие сигналы на сервопривод 23 для поворота червячного вала 24 на угол, который контроллер 120 рассчитывает в зависимости от дистанции, на которую нужно переместить кронштейн 21 вместе с полупроводниковым детектором 1. В процессе вращения червячного вала 24 контроллер 120 анализирует сигналы от датчика угла поворота червячного вала 25.
Модуль управления клапаном 130 выполнен в виде электрического силового реле, имеющего силовые входы, силовые выходы и цифровой вход управления (управляющий вход). Цифровой вход управления электрического силового реле подключен к одному из выходов контроллера 120, силовые выходы электрического силового реле подключены к входам электромагнита 601 с помощью кабеля 606 (фиг. 3). Силовые входы электрического силового реле подключены к источнику питания, обеспечивающему напряжение и ток, необходимые электромагниту 601 для переключения клапана 30 из закрытого в открытое состояние.
Криогенный спектрометр ядерных ионизирующих излучений предназначен для выполнения длительных измерений энергии ядерных фрагментов, тяжелых элементарных частиц и гамма-квантов с энергией от нескольких МэВ до нескольких десятков МэВ в зоне воздействия ионизирующего излучения, где нахождение человека во время выполнения ядерно-физического эксперимента не допустимо, а также вблизи электрофизических установок, генерирующих мощное электромагнитное поле, в частности, вблизи ускорителей заряженных частиц, накопительных колец, систем электрической и магнитной фокусировки пучков заряженных частиц.
Заявленный криогенный спектрометр работает следующим образом.
Кронштейн 21 устройства перемещения детектора 2 устанавливают в положение, максимально близкое к сервоприводу 23. Устройство перемещения детектора 2 устанавливают на горизонтальной поверхности так, чтобы ось, вдоль которой может перемещаться кронштейн 21 в направлениях 26, была параллельна оси фланца электрофизической установки 70, а ось сильфона 72 совпадала с осью фланца электрофизической установки 70. На опорном фланце 75 герметично закрепляют фланец сильфона 74, а второй фланец сильфона 73 герметично закрепляют на фланце электрофизической установки 71. После этого кронштейн 21 переводят в положение, при котором должна осуществляться заливка жидкого азота в бачок 4. Криогенный сосуд 3, заполненный жидким азотом, устанавливают рядом с опорным фланцем 75, криогенную трубку 5 погружают в полость трубы 38 так, чтобы край криогенной трубки вошел в полость бачка 39, на криогенной трубке 5 закрепляют клапан 30 с соединительной трубкой 35, второй конец которой закрепляют в криогенном сосуде 3. Электронные модули и сервопривод 23 подключают к внешнему источнику питания, на полупроводниковый детектор 1 подают высокое напряжение. Во FLASH-память контроллера 120 записывают программу управления контроллером 120, при этом в SRAM-память контроллера 120 записывают значение дистанции L, на которую устройство перемещения детектора перемещает бачок 4 с полупроводниковым детектором 1 из рабочего положения, в котором выполняются спектрометрические измерения, в положение, в котором выполняется заливка жидкого азота в бачок 4, а также значение промежутка времени заливки жидкого азота в бачок 4.
Контроллер 120 запускает таймер, отсчитывающий промежуток времени заливки жидкого азота в бачок 4. Как правило, этот промежуток времени составляет от 10 до 30 секунд. Одновременно контроллер 120 подает цифровой сигнал на модуль управления клапаном 130 на перевод клапана 30 в открытое состояние. Поскольку криогенный сосуд 3 герметично закрыт, то испарение жидкого азота приводит к появлению в полости криогенного сосуда 3 избыточного давления, под действием которого жидкий азот 33 выталкивается из криогенного сосуда 3 (сосуда Дюара) по соединительной трубке 35 через клапан 30 и полость криогенной трубки 5 в полость бачка 39. Когда таймер контроллера 120 сигнализирует о том, что промежуток времени, необходимый для заливки жидкого азота в бачок 4, закончился, контроллер 120 подает цифровой сигнал на модуль управления клапаном 130 на перевод клапана 30 в закрытое состояние. Сразу после этого контроллер 120 подает цифровой сигнал на сервопривод 23 на перемещение кронштейна 21 в направлении электрофизической установки на дистанцию L, значение которой доступно в виде переменной в SRAM-памяти контроллера 120.
Во время перемещения кронштейна 21 контроллер 120 принимает цифровые сигналы от датчика угла поворота червячного вала 25, преобразует значения угла поворота червячного вала 24 в дистанцию, на которую переместился кронштейн 21, и сравнивает со значением L. Если кронштейн 21 остановился, а значение пройденной дистанции, рассчитанное по показаниям датчика угла поворота червячного вала 25, меньше L, и разность этих значений больше заданного допустимого отклонения, равного 0,5 мм, то контроллер 120 подает цифровой сигнал на сервопривод 23 на перемещение кронштейна 21 в направлении электрофизической установки на дистанцию, равную разности значения L и значения пройденной дистанции, рассчитанного по показаниям датчика угла поворота червячного вала 25. Если же кронштейн 21 движется, а значение пройденной дистанции, рассчитанное по показаниям датчика угла поворота червячного вала 25, больше L, то контроллер 120 подает на сервопривод 23 цифровой сигнал на перемещение кронштейна 21 в обратном направлении - от электрофизической установки на дистанцию, равную разности значения пройденной дистанции, рассчитанного по показаниям датчика угла поворота червячного вала 25, и значения L.
Если кронштейн 21 остановился, и разность значения пройденной дистанции, рассчитанного по показаниям датчика угла поворота червячного вала 25, и значения L меньше заданного допустимого отклонения, равного 0,5 мм, контроллер 120 подает цифровой сигнал на управляющий вход формирователя нормализованных сигналов 160, разрешающий формирование нормализованных сигналов и синхронизирующих цифровых сигналов. Кроме этого, контроллер 120 подает цифровой сигнал на управляющий вход модуля сохранения оцифрованных сигналов 180 для начала записи цифровых данных в накопитель цифровых данных 181.
При попадании заряженной частицы или гамма-кванта в полупроводниковый детектор 1 происходит ионизация материала полупроводникового детектора 1, на электродах полупроводникового детектора 1 накапливается заряд, и на выходе зарядочувствительного предусилителя 140 формируется сигнал, который усиливается в усилителе 150, а усиленный сигнал попадает в формирователь нормализованных сигналов 160, где формируется нормализованный сигнал, амплитуда которого пропорциональна энергии, потерянной в полупроводниковом детекторе 1 заряженной частицей или гамма-квантом, а также цифровой синхронизирующий сигнал, который подается на управляющий вход аналого-цифрового преобразователя 170 для запуска аналого-цифрового преобразования нормализованного сигнала, поступающего от формирователя нормализованных сигналов 160 на аналоговый сигнальный вход аналого-цифрового преобразователя 170. Нормализованные сигналы преобразуют в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе 170, полученные оцифрованные сигналы, соответствующие амплитудам нормализованных сигналов, поступают в компьютерный модуль сохранения оцифрованных сигналов 180, который накапливает в оперативной памяти принятые цифровые данные, формирует блоки данных и записывает полученные блоки данных в накопитель цифровых данных 181 в виде жесткого магнитного диска или флеш-накопителя для последующего анализа.
Во время спектрометрических измерений с помощью полупроводникового детектора 1 контроллер 120 периодически подает управляющий цифровой сигнал на модуль управления излучателем 27 на излучение электромагнитной волны 94 в направлении первого зеркала 42. При этом контроллер 120 устанавливает временное (с ударением на «о») окно (диапазон промежутка времени после момента излучения электромагнитной волны 94), в течение которого ожидается прием отраженной электромагнитной волны 97. Электромагнитная волна 94 отражается от отражающей поверхности первого зеркала 90 в направлении второго зеркала 43 в виде электромагнитной волны 95, затем отражается от отражающей поверхности второго зеркала 63 в виде электромагнитной волны 96, отражается от отражающей поверхности первого зеркала 90 и в виде электромагнитной волны 97 приходит в приемник электромагнитного излучения 31. При регистрации электромагнитной волны 97 приемник электромагнитного излучения 31 посылает в контроллер 120 цифровой сигнал. Если во временном окне, соответствующем приему электромагнитной волны 97, отраженной от отражающей поверхности 63, контроллер 120 не получает сигнал от приемника электромагнитного излучения 31, это означает, что электромагнитная волна 95 рассеивается на поверхности кипящего жидкого азота.
Если же контроллер 120 принимает сигнал от приемника электромагнитного излучения 31, это означает, что уровень жидкого азота в бачке 4 ниже положения второго зеркала 43 и требуется заливка жидкого азота в бачок 4. В этом случае сразу после получения сигнала от приемника электромагнитного излучения 31 контроллер 120 подает цифровой сигнал на управляющий вход модуля сохранения оцифрованных сигналов 180 для приостановки записи данных оцифрованных сигналов в накопитель цифровых данных 181, затем контроллер 120 подает цифровой сигнал на управляющий вход формирователя нормализованных сигналов 160, запрещающий формирование нормализованных сигналов и синхронизирующих цифровых сигналов, затем контроллер 120 подает цифровой сигнал на сервопривод 23 на перемещение кронштейна 21 в направлении от электрофизической установки на дистанцию L.
Если кронштейн 21 остановился, и разность значения пройденной дистанции, рассчитанного по показаниям датчика угла поворота червячного вала 25, и значения L меньше заданного допустимого отклонения, равного 0,5 мм, контроллер 120 запускает таймер, отсчитывающий промежуток времени заливки жидкого азота в бачок 4. Одновременно контроллер 120 подает цифровой сигнал на модуль управления клапаном 130 на перевод клапана 30 в открытое состояние для заливки жидкого азота в бачок 4, далее повторяют описанные выше операции по заливке жидкого азота, позиционированию кронштейна 21 в рабочее положение и выполнению измерений с помощью полупроводникового детектора 1 и приемника электромагнитного излучения 31.
Благодаря регулярному доливу жидкого азота бачок 4 и установленный на нем полупроводниковый детектор 1 на основе сверхчистого германия эксплуатируется при криогенных температурах. При использовании криогенного сосуда 3 объемом 25 л заявленный спектрометр позволяет производить измерения в течение нескольких суток без вмешательства оператора в работу спектрометра.