Технологічні задачі підвищення вібротермостійкості кристалічних сцинтиляційних детекторів

Размещено на http://allbest.ru

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

УДК 539.1.074+621.387.46

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ТЕХНОЛОГІЧНІ ЗАДАЧІ ПІДВИЩЕННЯ ВІБРОТЕРМОСТІЙКОСТІ КРИСТАЛІЧНИХ СЦИНТИЛЯЦІЙНИХ ДЕТЕКТОРІВ

05.27.06 - технологія, устаткування та виробництво електронної техніки

Мельник Віктор Іванович

Харків - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті монокристалів НАН України, м. Харків.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор, член.-кор. НАН України Гриньов Борис Вікторович

Науково-технологічний концерн “Інститут монокристалів” НАН України, генеральний директор

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, Борщов В'ячеслав Миколайович Науково-дослідний технологічний інститут приладобудування, начальник відділення мікроелектроніки

кандидат фізико-математичних наук, Майданюк Володимир Карпович Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, завідуючий лабораторією ядерної спектрометрії

Провідна установа :

Науково-виробниче об'єднання “Карат” Державного комітету промислової політики, м. Львів

Захист відбудеться 27 червня 2000 р. о 13-15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 в Харківському державному технічному університеті радіоелектроніки (61166, м. Харків-166, пр-т. Леніна, 14)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету радіоелектроніки (61166, м. Харків-166, пр-т. Леніна, 14).

Автореферат розісланий 23 травня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої радиЧурюмов Г.І.

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Сцинтиляційні детектори іонізуючого випромінювання мають широке застосування. Вони бувають твердотільними і рідинними. У перших, як правило, є конкретні переваги і часто вони не мають альтернативи, щодо реєстрації та спектрометрії іонізуючого випромінювання. Перш за все, це детектори на неорганічних кристалах, у яких краща енергетична подільна здатність та більша ефективність при реєстрації гама-квантів і особливо на лужно-галоїдних моно- та полікристалах - йодистого натрію, активованого талієм (NaI(Tl)) та цезію, активованого талієм або натрієм (CsI(Tl), CsI(Na)). Саме вони і розглядаються в роботі.

В залежності від призначення кристалічним сцинтиляторам надають різну форму та об'єм. Циліндричні застосовуються частіше і саме вони лежать в основі каротажного інструменту. В основному це вібротермостійкі (ВТС) детектори, але досягнутий рівень їх термо- та механостійкості не завжди задовольняє сучасним вимогам і не досяг межі.

Детектор в своїй конструкції об'єднує різнорідні матеріали, сумісне застосування яких, із-за специфіки фізико-механічних властивостей, приводить до технічних суперечностей. Перш за все, це значна різниця між температурними коефіцієнтами лінійного розширювання (ТКЛР) сцинтиляторів та матеріалів для виготовлення контейнерів. Ця проблема все ще потребує свого вирішення.

Дифузна світло-відбивна оболонка (СО) детекторів - це тонкостінне покриття сцинтилятора із ущільненого білого порошку , наприклад, MgO, Al₂O₃, BaSO₄ чи TiO₂. Порошки мають великий коефіцієнт відбиття світла, який залежить від їх щільності. Але більшість із них ущільнюються важко, бо мають малу зв'язність (коефіцієнт зчеплення). Окрім оптичних якостей детектора, СО із порошку визначає і його віброударостійкість, тому щільність СО повинна бути максимальною і постійною по об'ємові і в часі. Ущільнений до пружного стану порошок СО набуває додаткової здатності компенсувати і неузгоджені теплові зміни розмірів сцинтилятора та контейнера.

Отже, стосовно кристалічних сцинтиляційних вібротермостійких детекторів, проблеми узгодження теплофізичних властивостей матеріалів, що знайшли застосування у їх конструкціях, та формування порошкових СО є актуальними задачами, які мають прикладне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Робота виконувалася у межах Державної наукової програми “Каротаж” (номер держреєстрації № 8/21-99), та госпрозрахункових тем.

Мета і задачі дослідження. Розробка обладнання, конструкції та технологічних прийомів збирання кристалічних сцинтиляційних ВТС детекторів, які здатні витримувати підвищені механічні та теплові впливи, за рахунок впровадження: а) спеціальних засобів по узгодженню теплових змін осьових розмірів їх основних компонентів; б) багатофункціональності СО, яка при належних оптичних показниках по відношенню до сцинтилятора водночас виконує функції радіального компенсатора неузгоджених з контейнером теплових змін його розмірів та механічного демпфера.

Для досягнення цієї мети було поставлено такі завдання: а) обґрунтувати математичну модель пружного стану матеріалу СО; б) на основі матмоделювання вивчити процеси формування СО; в) обґрунтувати ефективні методи формування СО та розробити технологічні прийоми для їх втілення; г) розробити технологічне устаткування для формування СО та збирання детекторів; д) розробити засоби компенсації неузгоджених теплових змін осьових розмірів сцинтилятора та контейнера е) одержати математичні залежності для визначення режимних параметрів процесу формування СО та для обґрунтування конструкції і вибору матеріалів деталей компенсаторів неузгоджених теплових змін розмірів сцинтилятора та контейнера.

Наукова новизна роботи полягає у наступних результатах:

1) Стосовно математичної моделі пружного стану порошкової СО, що перебуває в стані формування, тобто системи рівнянь граничної рівноваги ідеально-зв'язного середовища: а) надано подальшого розвитку методу перетворювання незалежних змінних по розв'язку, в наслідок чого гарантується перехід на сітку характеристик - ліній сковзання; б) одержано співвідношення на осях декартових координат, що зв'язують компоненти тензора напруження та незалежні координати; в) одержано інтеграл зовнішнього навантаження для задачі ущільнення модельного середовища у вузькому вертикальному зазорі; г) проведено уточнення правила знаків дотичних напружень, яке дає можливість однозначно визначитися із орієнтацією їх векторів в довільній точці області граничної рівноваги.

2) Показана можливість перетворення у двох напрямках умов граничної рівноваги для моделі сипучого середовища, яке характеризується власною вагою, зчепленням і внутрішнім тертям та ідеально-зв'язного середовища, яке внутрішнього тертя не має.

3) Розроблено методику узгодження матеріалів різних компонентів детекторів по ТКЛР.

Практичне значення. Доведено, що формування порошкових СО ВТС детекторів може бути ефективним, якщо ущільнення матеріалу СО виконується: а) поетапно, тобто порціями обмеженої товщини; б) одномоментно по всьому об'ємові СО, але в напрямкові товщини її стінок; в) комбінованим способом, коли два попередні методи використовуються по черзі. У відповідності із названими методами формування СО розроблено і захищено патентами технічні засоби для їх застосування: а) для поетапного формування трубчатим інструментом (паралельно вирішено проблеми захисту сцинтиллятора від механічних пошкоджень, та проявів склепоутворення в тілі СО під час її формування); б) для одномоментного ущільнення матеріалу СО, стосовно детектора із конічним сцинтилятором, коли ущільнення порошку СО виконується шляхом запресовки сцинтилятора в контейнер; в) для збирання спеціально розробленої конструкції детектора із циліндричним сцинтилятором шляхом перепресовки, коли спочатку СО формується поетапно трубчатим інструментом і має свідомо завищену товщину стінок, а потім шляхом прогону через складану конічну обойму доущільнюються, а вся конструкція переміщується в контейнер. Для випадку, коли довжина сцинтилятора близька до його діаметру, розроблено технологію збирання, та дві конструкції вхідного вікна детектора, згідно з якими в цій частині СО також досягається стан пружності, що забезпечує біфункціональність СО, тобто підвищену здатність до відбиття світла та компенсування неузгоджених теплових змін розмірів сцинтилятора і контейнера. Для випадку, коли сцинтилятор має значну довжину і СО не змозі компенсувати неузгоджені з контейнером теплові зміни їх осьових розмірів розроблено: а) конструкцію компенсатора, що абсолютно жорсткий по відношенню до механічних впливів і змінює свою довжину тільки під дією тепла і до того ж у зворотному напрямкові; б) конструкцію гофрованого контейнера, що здатний подовжуватися і скорочуватися згідно тепловим змінам довжини сцинтилятора; в) пружинний компенсатор, який не жорсткий відносно осьових ударів, але в порівнянні з аналогами вирізняється підвищеною надійністю. Одержано математичні залежності для виконання розрахунків: по виборові режимних параметрів формування СО із порошків; по оцінці навантаження на сцинтилятор, яке виникає під час формування СО; по узгодженню ТКЛР основних компонентів детекторів.

Особистий внесок автора. Основні положення, які складають сутність дисертації і знайшли відображення в пунктах новизни, наукового та практичного значення, третього розділу в цілому, проміжних та загальних висновках, були отримані та вирішені ним самостійно. В роботах опублікованих у співавторстві автором запропоновано наступне: [1,6] - напрямки удосконалення кристалічних сцинтиляційних ВТП детекторів; [2] - метод одномоментного ущільнення матеріалу СО, та математичну модель; [3] - математичне обґрунтування методу; [8,10,18] - технологію поетапного, комбінованого та одномоментного формування СО; [9,11,12] - конструктивні шляхи компенсації теплового розширення; [13] - технологію формування СО в області вхідного вікна; [14,16] - модифікацію вихідного вікна; [15] - захист сцинтилятора від пошкоджень; [17] - конструкцію вузла вхідного вікна; [19] - метод боротьби із склепоутворенням.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідались на Міждержавній конференції “Сцинтилятори-93” (1993 р., м. Харків); на семінарі кафедри механіки ММФ ХНУ (1998 р., м. Харків), на наукових конференціях ХДТУСГ (1995-1999 рр., м. Харків), на III-ій міській науково-практичній конференції “Актуальні проблеми сучасної науки в дослідженнях молодих вчених Харкова” (2000 р., м. Харків), на Четвертому міжнародному форумі “Радіоелектроніка і молодь в XXI віці” (2000 р. , м. Харків).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи висвітлений у 19 публікаціях, з них: 5 у статях (фахових виданнях); 2 у матеріалах міжнародних конференцій; 11 патентів Російської Федерації; 1 заявка на винахід, на яку одержано позитивне рішення НДЦПЕ Держпатенту України.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків і списку використаних джерел. Робота викладена на 201 сторінці, містить 47 малюнків, 8 таблиць та бібліографію із 188 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми, її наукова новизна і практична цінність, сформульовані мета і основні задачі досліджень, зв'язок із науковими програмами і планами.

У першому розділі, на основі огляду літератури, приведено аналіз відомих конструктивно-технологічних рішень по ВТС детекторах. Запропоновано класифікацію таких детекторів. Інженерні рішення по СО, вузлам вхідних та вихідних вікон аналізувались окремо. Такий підхід пояснюється по-перше, метою спрощення класифікаційних схем, а по-друге, фактичною можливістю такого підходу, зумовленою різним призначенням та значною автономністю названих конструктивів. Проаналізовано також матеріали і технології, що мають відношення до ВТС детекторів.

В цілому по першому розділові зроблено висновок, що в конструкції ВТС детекторів одну із важливих ролей, в тому числі і по вібротермостійкості, відіграє СО. Будучи виконаною із ущільненого порошку (наприклад, MgO, Al₂O₃) вона в значній мірі визначає не тільки оптичні властивості детектора. Ущільнений порошок СО відіграє роль механічного демпфера, а також радіального компенсатора неузгоджених теплових змін розмірів сцинтилятора і контейнера. Остання функція значно залежить від ступеня ущільнення порошку СО. Найкращий результат дає ущільнення до пружного стану. Щодо компенсації теплових змін осьових розмірів, то, як правило, для цього компенсаторної здатності порошкової СО в зоні вхідного вікна замало. Цю проблему можна вирішити головним чином за двома напрямками: а) підбором матеріалу для контейнера (з ТКЛР по можливості більш рівним тому, що у сцинтилятора); б) шляхом створення нових конструкцій осьових компенсаторів. Отже в подальшому вирішувалися два питання: перше - теоретичні та технологічні аспекти формування СО із порошку; друге - узгодження ТКЛР матеріалів конструкції ВТС детекторів.

Другий розділ присвячений виборові математичної моделі середовища, властивості і стан якого найбільш повно відповідають порошковому матеріалові СО в процесі її формування та в готовому виробі.

Для обґрунтування такого вибору використано узагальнену умову пластичності для суцільних нестискних середовищ, що мають зчеплення, в'язкість та внутрішнє тертя (Генієв, 1990).

Ця модель охоплює шістнадцять варіантів середовищ. З неї витікає, що в'язкість може проявлятися тільки в разі динамічних умов. З точки зору технології формування порошкової СО найбільше цікавить фінальна стадія ущільнення середовища, та його стан і властивості в готовому виробі, тобто, знову ж таки статика.

Отже в'язкістю реального матеріалу СО можна знехтувати. Так одержуємо спрощену граничну умову для моделі сипучого середовища

, (1)

де, - інтенсивність дотичних напружень; - межа текучості при чистому зсуві (зчеплення), із умови Мізеса; - коефіцієнт внутрішнього тертя, що входить в умову пластичності Мізеса - Шлейхера; - середній гідростатичний тиск.

При цьому і визначаються через , , , , , - компоненти тензора напруження. Із загального випадку (1) витікають дві більш прості граничні умови - для моделі ідеально-зв'язного середовища, коли немає внутрішнього тертя , та для моделі ідеально-сипучого середовища, коли, навпаки, мається прояв внутрішнього тертя , а наявністю зв'язності нехтується .

В процесі формування порошкової СО її матеріал ущільнюючись проходить декілька стадій, змінюючи при цьому свої властивості. Спочатку порошок зв'язності не проявляє, легко засипається в об'єм для ущільнення і тому класифікується як ідеально-сипуче середовище. Далі під впливом зовнішнього навантаження він ущільнюється, набуваючи здатності частково зберігати форму власного об'єму. Це стадія відповідності моделі сипучого середовища.

У фінальній стадії порошок СО ущільнюється майже до стану твердого тіла. Так він лишається і в готовому виробі.

Це стадія підпорядкування моделі ідеально-зв'язного середовища і саме вона цікавить перш за все, оскільки диктує і режими зовнішнього навантаження, і дозування, і процеси, що відбуваються в тілі СО протягом періоду експлуатації.

Отже в подальшому математичному моделюванні процесів формування СО основна увага зосереджується на статиці ідеально-зв'язного середовища і в меншій мірі - сипучого.

Для ідеально-зв'язного середовища в разі статичної задачі найбільш вживаним є критерій граничної рівноваги Треска - Сен-Венана

, (2)

де - дотичне напруження на площадках ковзання (положення їх задається нормаллю ); - коефіцієнт зчеплення. А для сипучого середовища - критерій Соколовського (Соколовский, 1990)

, (3)

де - нормальна компонента напруження на площадках ковзання; - кут внутрішнього тертя. В подальшому обмежимося використанням граничних умов (2) і (3) в рамках двохмірної задачі.

Третій розділ. В теорії граничної рівноваги умови (2) і (3) звичайно доповнюють диференціальними рівняннями рівноваги Сен-Венана. Разом з останніми умова (3) дає систему

(4)

де - кут між напрямком максимального головного напруження ( - середнє, а - найменше головне напруження) і віссю абсцис ; - кут між віссю ординат та лінією дії вагових сил (питома вага середовища - ); і - напруження і кут, що визначаються так

, . (5)

Якщо внутрішнє тертя відсутнє , то система (4) спрощується

(6)

де - півсума головних напружень. Системи (4) і (6) є системами рівнянь граничної рівноваги, відповідно, сипучого та ідеально-зв'язного середовищ.

Обидві системи (4) і (6) відносять до квазілінійних та гіперболічних, але приведені в роботі дослідження показують, що гіперболічність зберігається не по всій області визначення. Відомі також характеристичні розв'язки цих систем. Для системи (6) вони дають рівняння характеристик

, (7)

та співвідношень, що на них виконуються

. (8)

Після інтегрування співвідношень (8) вони дають

(9)

де та - постійні інтегрування. Із (9) маємо

(10)

Аналогічно розв'язкові (7) - (8) системи (6) для системи (4) диференціальні рівняння характеристик та співвідношень на них, також відомі, але інтегрувати їх не вдається.

Стосовно задач про ущільнення сипучого або ідеально-зв'язного середовищ, звичайно використовуються рівняння характеристик, співвідношення на них та різницеві методи.

Тобто умова зводиться до задачі Коші. Проблему складають тільки формулювання граничних умов. Оскільки до виконання цієї роботи не були відомі закономірності, що виконуються подовж меж області граничної рівноваги, то кінцевий результат в значній мірі залежав від результатів пошукових експериментів.

Ця проблема зберігалася і в разі прямолінійних меж. Для її вирішення було поставлено проміжну мету - знайти співвідношення, що виконуються на декартових осях.

В роботі показано, що обидва рівняння (4) і (6) зводяться до вигляду

кристалічний сцинтиляційний детектор

, (11)

де , ,

, або - відповідно для системи (4) або (6), ,

. (12)

Для матриці знайдено власні значення - і відповідні ліві власні вектори, - . Тут мається на увазі, що . Власні значення матриці системи (11) задають характеристичні напрямки , які відповідають характеристикам і . З метою гарантованого переходу на сітку характеристик і було запропоновано модифікувати відомий із газової динаміки (Рождественский, 1978) метод перетворення незалежних змінних по розв'язкові.

Відомий метод передбачає, що нові координати і , а рівняння для заміни змінних записуються у вигляді повних диференціалів і . При цьому вводяться чотири невідомі функції, які знайти вдається не завжди і до того ж не гарантується перехід на сітку характеристик, тобто умова та не розглядається.

Приведений в роботі модифікований алгоритм названо перетворенням незалежних змінних по характеристичному рішенню. Увага акцентується на гарантіях переходу на сітку характеристик і . Прийнято , ,

Для системи рівнянь граничної рівноваги ідеально-зв'язного середовища (6) невідомі масштабні функції і вдалося визначити. Для цього використано вирази (10) для півсуми напружень і кута та похідні , , і . Вони дають змогу одержати систему

(22)

яку вдається інтегрувати і таким чином, одержати масштабні функції і . Фізичний сенс мають лише два розв'язки системи (22). Це твердження узгоджується із відомим фактом (Соколовский, 1990) про те, що одним граничним умовам відповідає два стани граничної рівноваги.

Останнє полягає у поступовому вирівнюванні напруження по всій граничній області, яке завжди підпорядковується згаданим співвідношенням і ніколи не може стати рівномірним. Рівномірне навантаження відповідає стійкій рівновазі і тому не розглядається.

З точки зору формування умов на межах області граничної рівноваги, співвідношення (23) - (32) та інтеграл (33) вносять однозначну ясність. Для вирішення задачі ущільнення ідеально-зв'язного середовища (в разі прямолінійних меж, коли лінія дії зовнішнього навантаження співпадає з віссю координат) достатньо знати лише інтеграл зовнішнього навантаження, характеристики самого середовища та умови тертя на межах області. Всі ці показники об'єктивно можна мати не вдаючись до експериментів. В результаті - можливість розрахувати всі компоненти тензора напруження в довільній точці граничної області. В роботі приводиться блок-схема алгоритму для вирішення таких задач. Реалізовано цей алгоритм для операційних систем Windows 95/98/NT в програмному середовищі Visual C++ 5.0 із застосуванням бібліотек Microsoft Win 32 API.

Відносно дотичних напружень до останнього часу єдиного правила визначення їх знаків та орієнтації не було. При використанні співвідношень (23) - (32) знаки всіх компонентів тензора напруження визначаються аналітично і тому вдається сформулювати загальне правило. Якщо пара взаємно перпендикулярних векторів дотичної компоненти тензора напруження, що стосуються точки рогу прямокутної області середовища, яка цікавить і з якою шляхом плоско паралельного переносу суміщено декартову систему координат, припадають на межі першого квадранту, то у випадку від'ємного знака дотичної компоненти тензора напруження її вектори орієнтуються в напрямку осей системи координат, а при позитивному знакові, навпаки, - проти напрямку координатних осей.

Вище в основному розглядалася модель ідеально-зв'язного середовища. Одержані для нього теоретичні результати безпосередньо перенести на модель сипучого середовища не вдається. Справа ускладнюється тим, що співвідношення на характеристиках для системи рівнянь (4) не інтегруються, а, відповідно, не вдається і одержати співвідношення для декартових координат. Частково ця проблема вирішується, якщо застосувати взаємне перетворення граничних умов (3) в (2) (рис. 3). Тобто перейти від моделі сипучого середовища до умовно ідеально-зв'язного. На рис. 3 зірочками (*) позначено умовні параметри, тобто ті, що мають відношення до моделі умовного ідеально-зв'язного середовища, а без знака “*” реальні, які стосуються моделі сипучого середовища. Із цієї схеми витікає, що кожній точці реального сипучого середовища, що знаходиться в стані граничної рівноваги, можна привести у відповідність точку умовного середовища (ідеально-зв'язного), яке також перебуває у граничному рівноважному стані.

Четвертий розділ присвячений застосуванню теоретичних досліджень при розробці технологічних прийомів і технічних засобів для збирання ВТС детекторів, зокрема, формування порошкових СО сцинтиляторів. Основним результатом математичного моделювання ущільнення матеріалу СО є теза про те, що зовнішнє навантаження поширюється в глибину з затуханням (рис. 1, 2), а тому ущільнювати матеріал СО потрібно: 1) або поетапно, коли за один раз формується лише частина СО невеликої висоти (рис. 4); 2) або всю СО за один раз, але за умови, що ущільнююче навантаження прикладається в напрямкові товщини її стінок (рис. 5); 3) або комбінованим способом, тобто спочатку застосовується поетапний метод (попереднє ущільнення), а вже потім фінальна стадія - додаткове ущільнення, яке виконується згідно із другим методом (рис. 6, 7)

У відповідності із (рис. 4) формування циліндричної частини 8 СО виконується трубчатим інструментом 7, що може обертатися та виконувати зворотно-поступальні рухи, а також дозувати подачу порошку із бункера 5 в зазор між сцинтилятором 1 та контейнером 2. Щоб максимально ущільнити порошок СО, формування циліндричної частини 8 СО виконується поетапно по 20 мм (по висоті) за цикл. В дисертаційній роботі приведено три способи реалізації метода поетапного формування СО. Два інші різняться тим, що в них вирішуються проблеми: а) захисту поверхонь сцинтилятора від механічних пошкоджень; б) боротьби із склепоутворенням.

Метод формування СО шляхом ущільнення за один прийом по всій висоті СО реалізовано для детектора із конічним сцинтилятором (рис. 5). Згідно цієї технології порошок СО 10 розподіляється по внутрішнім поверхням контейнера 5 шнековим інструментом 16. І контейнер 5, і інструмент 16 під час розподілу порошку СО 10 обертаються. Режим обертання обґрунтовано за умови запобігання обсипання порошку 10 вниз по стінках 6 контейнера 5. Ущільнюється порошок СО шляхом запресовки в контейнер 5 сцинтилятора 1. При цьому ущільнюючі зусилля спрямовуються поперек стінок 10 СО і тому вдається досягти значної ізотропності її властивостей.

Детектор на рис. 6 має спеціальну конструкцію. ЇЇ особливості обумовлені необхідністю реалізації комбінованого методу формування СО (рис. 7), коли спочатку СО формують поетапно і до того ж з товщиною стінок 8, що перевищують нормальну, а потім, шляхом препресовки одномоментно доущільнюють всю циліндричну частину 8 СО, доводячи її товщину стінок до норми і переміщаючи сцинтилятор 7 заодно із СО 8, центруючими кільцями 5 і 6, еластичним стаканом 3, диском 4 вхідного вікна та дном 2 із складної обойми 21, 22a, 22b і 22c в стакан 1 контейнера. Такий метод формування СО найскладніший, але водночас дає найбільшу ступінь ущільнення порошку СО, аж до стану пружності, якщо це необхідно.

Окрім приведеного вище, в роботі розглядається два конструктивно-технологічних рішення по вузлам вхідного вікна. Вони також, спрямовані на досягнення високого ступеня ущільнення порошку СО саме в цій області.

П'ятий розділ присвячено вирішенню проблеми компенсації неузгоджених теплових змін розмірів елементів конструкції детекторів. Це одна із вже згаданих проблем побудови ВТС детекторів. Якщо матеріал СО ущільнено до стану пружності, то діаметри сцинтилятора і контейнера легко узгоджуються за рахунок пружної деформації стінок СО і по цій причині у спеціальних конструкціях радіальних компенсаторів неузгодженої теплової зміни розмірів сцинтилятора і контейнера немає потреби. Що до компенсації осьових розмірів, то товщини СО з боку вхідного вікна для такої мети не завжди достатньо, оскільки довжина сцинтилятора може бути значною. Застосування в якості осьового компенсатора різноманітних пружних елементів призводить до втрати ударостійкості детекторів, а це не завжди допустимо. Тому в роботі запропонована спеціальна конструкція компенсатора (рис. 8), яка змінює свою висоту лише під дією температури і абсолютно жорстка до механічних впливів. Такий компенсатор складається із пакета зовнішніх 7 і внутрішніх 8 конічних кілець. У перших із них ТКЛР більший і дорівнює ТКЛР матеріалу контейнера 2, а інші мають значно менший ТКЛР. При нагріві зовнішні кільця 7 розширюються більш інтенсивно, тому внутрішні 8 провалюються вниз, а загальна висота компенсатора при цьому зменшується. При охолодженні процес протікає навпаки. В роботі наведено теоретичні основи розрахунку та підбору матеріалів для таких компенсаторів.

Окрім цього в роботі приведено ряд інших конструкцій компенсаторів, в томі числі із застосуванням пружних елементів, і термостатований сцинтиблок, у якого контейнер водночас є внутрішньою оболонку посудини Дь'юара, має гофровану конструкцію і тому здатний змінювати свою довжину під впливом випереджаючого теплового розширення сцинтилятора.

Всі конструктивно-технологічні рішення, що наведені в роботі були реалізовані в матеріалі, випробувані і показали підвищену вибротермостійкість та спектрометричні характеристики.

Шостий розділ присвячено стабілізації радіометрів. Сцинтиблок - це основній компонент сучасного радіометра. Він включає власне сцинтиляційний детектор, фотоелектронний помножувач, високовольтний перетворювач та підсилювач. Всі ці компоненти мають власну нестабільність. Шляхи стабілізації радіометрів відомі: перший - параметрична стабілізація і другий - автоматичне регулювання. Конструктивні та технологічні рішення, що були запропоновані в попередніх розділах і спрямовані на підвищення стабільності світловідбивних властивостей СО та компенсацію неузгоджених теплових змін розмірів основних компонентів детектора, це є не що інше, як параметрична стабілізація. Успіх на цьому етапі полегшує подальшу стабілізацію шляхом авторегулювання. Якщо порошок СО детектора ущільнено в недостатній мірі (не до стану пружності), то в процесі циклової зміни температури, по причині випереджаючого по відношенню до контейнера теплового розширення сцинтилятора, матеріал СО доущільнюється і поміж поверхнею СО та сцинтилятором породжуються раковини. Такі раковини призводять до втрат сцинтиляцій і, відповідно, до пониження світлового виходу та подільної здатності детектора. Ця компонента втрат сцинтиляцій має стохастичний характер і здатна самоліквідуватися при повторному нагріві або механічних впливах. Якщо СО ущільнено до стану пружності, то згадана проблема не проявляється, а зв'язок світлового виходу детектора від температури звільняється від стохастичної компоненти. З точки зору автостабілізації це дещо спрощує її схему, оскільки дає змогу відмовитися від радіоактивного реперного джерела на користь світлового діоду. Оскільки зв'язок світлового виходу детектора від температури стає відомим, то вплив температури вдається моделювати шляхом вимірювання її та відповідного корегування висоти імпульсів живлення світлового діоду. Така схема не нова, але завдячуючи високій стабільності СО детекторів, що по конструкції та технології збирання відповідають запропонованим рішенням, вдалося одержати допоміжні аргументи на користь її використання навіть для пристроїв, що призначені для жорстких умов експлуатації.

ВИСНОВКИ

1. Одержані шляхом математичного моделювання (в межах моделі ідеально-зв'язного середовища) співвідношення на декартових координатах (25 - 34), вирази для компонентів тензору напруження, що також виконуються подовж координат, математичне подання умов тертя на межах, та інтеграл зовнішнього навантаження (35) описують об'ємний стан порошкового матеріалу СО і тому можуть бути використаними при проектуванні технологічних процесів та устаткування для формування порошкових СО сцинтиляторів в процесі їх збирання.

2. Показано, що в процесі ущільнення порошку СО, напруження поширюється із затуханням, а тому ефективними можуть бути наступні варіанти формування СО: а) метод поетапного формування, коли за один прийом ущільнюється лише обмежена частина матеріалу СО; б) метод одномоментного ущільнення, коли навантаження середовища виконується в напрямкові товщини стінок СО; в) комбінований спосіб, що базується на послідовному використанні перших двох.

3. З бігом часу напруження в об'ємі середовища (матеріалу СО) вирівнюються, але ніколи не можуть стати постійними в межах усього об'єму. В зв'язку з цим, навантаження, які витримує сцинтилятор, з часом також змінюються.

4. Уточнення правила знаків дотичних напружень дозволяє одержати однозначну ясність в уявленнях про орієнтацію всіх компонентів тензора напружень, що діють в об'ємі ідеально-зв'язного модельного середовища (матеріалу СО), яке перебуває в стані граничної рівноваги.

5. Теоретично проілюстровано відомий факт про існування двох граничних рівноважних стани модельного середовища, які відповідають одним і тим самим умовам на межах.

6. Узгодження ТКЛР матеріалів основних компонентів кристалічних сцинтиляційних ВТС детекторів виконано з прив'язкою до конкретних конструктивно-технологічних рішень. Одержано вирази, що дають залежність ТКЛР від температури для “ідеального” матеріалу, який повністю усуває проблему сумісного застосування вже вибраних раніше інших матеріалів компонентів детектора. Ця залежність може бути безпосередньо використана при підборі матеріалів із числа відомих в процесі проектування детекторів, а також при розробці новітніх матеріалів.

7. За результатами роботи було розроблено перелік технологічних та конструктивних рішень по кристалічним сцинтиляційним ВТС детекторам. Їх техніко-економічні показники перевищують рівень відомих аналогів.

8. Відносно схем автостабілізації радіометрів, що базуються на застосуванні ВТС детекторів, які виконано у відповідності з запропонованими в роботі інженерно-технологічними рішеннями і які вирізняються підвищеною стабільністю СО, одержано допоміжні аргументи на користь застосування світлодіодних реперних джерел. В цілому зменшення стохастичної складової в температурних характеристиках детекторів та застосування періодичного світлодіодного репера дозволило спростити схему автостабілізації та одночасово підвищити її якісні показники.

ПубликацІЇ за темою дисертації

1. Grinev B.V. Mel'nik V.I. Improving the thermal resistance of scintillation detectors // Instruments and Experimental Techniques. -1994. -Vol. 37. -No. 5. -Part 1. -P. 572-577.

2. Мельник В.И., Гринев Б.В. Формирование порошковых светоотражающих оболочек для сцинтилляционных кристаллов сложной формы // Инженерно физический журнал. -1995. -Т. 68. -№ 2. -C. 263-270.

3. Мельник В.И., Гринев Б.В. Термопрочный сцинтилляционный детектор // Инженерно-физический журнал. -1996. -Т. 69. -№ 4. -С. 577-581.

4. Melnik V.I. On connection between the plane limiting equilibrium problem for a non-ideally coherent medium and the plasticity theory // Functional materials. -1996. -Vol. 3. -No. 4. -P. 566-570.

5. Melnik V.I. Classification of heavy-duty ionizing radiation detectors by technologic and design features // Functional materials. -1998. -Vol. 5. -No. 4. -P. 613-617.

6. Гринев Б.В., Мельник В.И. Перспективные направления совершенствования сцинтилляционных детекторов // Тезисы докладов Межгосударственной конф. “Сцинтиллятор-93”. -Часть 2. -Харьков: Институт монокристаллов АН Украины. -1993. -С. 5-6.

7. Мельник В.И. Матмоделирование напряженного состояния порошковой светоотражающей оболочки кристаллических сцинтилляционных детекторов // 4-ый Международный молодежный форум “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”: Сб. научн. тр. Часть 1. -Харьков: ХГТУРЭ, -2000. -С. 146-147.

8. Пат. 1725648 РФ, МКИ G01T 1/202. Способ формирования светоотражающей оболочки в сцинтилляционном детекторе / В.И.Мельник, Б.В.Гринев, А.М.Литичевский (Украина); Институт монокристаллов АН Украины -№ 4853528; Заявл. 23.07.90; Опубл. 15.03.93. -6 c.

9. Пат. 1789946 РФ, МКИ G01T 1/20. Термостатированный сцинтилляционный детектор / Б.В.Гринев, В.И.Мельник, Е.Г.Урманов (Украина); Институт монокристаллов АН Украины. -№ 4943368; Заявл. 23.04.91; Опубл. 23.01.93, Бюл. № 3. -С. 132.

10. Пат.1805410 РФ, МКИ G01T 1/202. Сцинтилляционный детектор, способ его сборки и устройство для сборки сцинтилляционного детектора /Б.В.Гринев, В.И.Мельник (Украина); Институт монокристаллов АН Украины -№4903210; Заявл. 21.01.91; Опубл. 30.03.93, Бюл. №12. -C. 98.

11. Пат. 1807431 РФ, МКИ G01T 1/202. Термопрочный сцинтилляционный детектор / Б.В.Гринев, В.И.Мельник (Украина); Институт монокристаллов АН Украины. -№ 4938152; Заявл. 22.05.91; Опубл. 07.04.93, Бюл. № 13. -С. 143.

12. Пат. 1829646 РФ, МКИ G01T 1/20. Cцинтилляционный детектор / Б.В.Гринев, В.И.Мельник (Украина); Институт монокристаллов АН Украины -№ 4906024; Заявл. 10.12.90; Опубл. 30.06.93; -6 с.

13. Пат. 2014634 РФ, МКИ G01T 1/20. Сцинтилляционный детектор и способ его сборки / Б.В.Гринев, В.И.Мельник (Украина); Институт монокристаллов АН Украины -№ 4905845; Заявл. 10.12.90; Опубл. 15.06.94, Бюл. № 11. -C. 139.

14. Пат. 2014635 РФ, МКИ G01T 1/202. Сцинтилляционный детектор / Б.В.Гринев, В.И.Мельник (Украина); Институт монокристаллов АН Украины -№ 4938164; Заявл. 22.05.91; Опубл. 15.06.94, Бюл. № 11. -С. 139.

15. Пат. 2018877 РФ, МКИ G01T 1/202. Способ сборки сцинтилляционного детектора / Б.В.Гринев, В.И.Мельник (Украина); Институт монокристаллов АН Украины -№ 4926510; Заявл. 08.04.91; Опубл. 30.08.94, Бюл. № 16. -C. 131.

16. Пат. 2018878 РФ, МКИ G01T 1/202. Сцинтилляционный детектор / Б.В.Гринев, В.И.Мельник (Украина) -№ 5006496; Заявл. 02.07.91; Опубл. 30.08.94, Бюл. № 16. -С. 131.

17. Пат. 2019857 РФ, МКИ G01T 1/202. Способ сборки сцинтилляционного детектора / Б.В.Гринев, В.И.Мельник (Украина); Институт монокристаллов АН Украины -№ 5013275; Заявл. 12.07.91; Опубл. 15.09.94, Бюл. № 17. -C. 146.

18. Пат. 2069871 РФ, МКИ G01T 1/202. Способ сборки сцинтилляционного детектора и устройство для его осуществления / Б.В.Гринев, В.И.Мельник (Украина); Институт монокристаллов АН Украины -№ 5013166; Заявл. 22.07.91; Опубл. 27.11.96, Бюл. № 33. -C. 209.

19. Заявка 93101268 Украина, МКИ G01T 1/202. Устройство для формирования светоотражающей оболочки в сцинтилляционном детекторе / Б.В.Гринев, В.И.Мельник (Украина). Заявл. 26.04.93; Пол. реш. 16.10.96.

Анотація

Мельник В.І. Технологічні задачі підвищення вібротермостійкості кристалічних сцинтиляційних детекторів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06 - Технологія, обладнання і виробництво електронної техніки. - Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, Харків, 2000.

Виконано систематизацію відомої множини конструкторсько-технологічних напрацювань по вібротермостійким кристалічним сцинтиляційним детекторам. Доведено, що вібротермостійкість детекторів в значній мірі визначається якістю порошкових світло-відбивних оболонок (СО) та ступенем узгодження теплових змін розмірів їх конструктивних елементів. На основі теорії граничної рівноваги сипучого та зв'язного середовищ виконано математичне моделювання процесів формування СО. Для систем рівнянь граничної рівноваги удосконалено метод переходу на сітку характеристик та одержано співвідношення на декартових координатах. Уточнено правило знаків для дотичних напружень. Одержано інтеграл зовнішнього навантаження. На основі моделювання розроблено перелік технологічних прийомів і засобів для формування СО та конкретних конструкцій детекторів. Вирішена проблема компенсації неузгоджених теплових змін розмірів основних компонентів конструкції детекторів. Шляхом експериментів доведено переваги запропонованих інженерно-технологічних рішень. Щодо автостабілізації радіометрів одержано допоміжні аргументи на користь застосування світлодіодного реперного джерела.

Ключові слова: детектор, сцинтилятор, світловідбивна оболонка, порошок, ущільнення, гранична рівновага, теплове розширення, компенсація, стабілізація.

АнНотацИя

Мельник В.И. Технологические задачи повышения вибротермопрочности кристаллических сцинтилляционных детекторов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук по специальности 05.27.06 - Технология, оборудование и производство электронной техники. - Харьковский государственный технический университет радиоэлектроники, Харьков, 2000.

Выполнена систематизация известного множества конструктивно-технологических решений по вибротермопрочным кристаллическим сцинтилляционным детекторам. Предложены классификационные схемы. Доказано, что основными проблемами повышения вибротермопрочности детекторов есть несовершенство порошковых светоотражающих оболочек (СО) и компенсаторов несогласованных тепловых изменений размеров основных компонентов конструкции детекторов. В качестве основного метода для поиска и обоснования путей совершенствования технологических приемов формирования СО из порошка выбрано математическое моделирование. В этой связи рассматривается плоское предельное равновесное состояние сыпучей и идеально-связной сред. Базируются выбранные модели на предельных условиях Сен-Венана (идеально-связная среда) и Соколовского (сыпучая среда). На базе теории плоского предельного равновесия идеально-связной среды выполнено математическое моделирование процессов уплотнения порошка СО. Эта теория получила дальнейшее развитие. Совершенствован метод перехода на сетку характеристик в процессе характеристического решения системы уравнений предельного равновесия. Для системы уравнений предельного равновесия (модель идеально-связной среды) получены интегралы соотношений, выполняющихся на декартовых координатах. Получены также соотношения для всех компонентов тензора напряжений, тоже выполняющиеся на декартовых осях. Применительно к рассматриваемой задаче сформулированы граничные условия (трения). Уточнено правило знаков касательных напряжений. Показана качественная сторона временного развития напряженного состояния. Для случая, когда уплотняющее воздействие прикладывается вдоль линейного отрезка внешней границы, совпадающей с осью абсцисс, получен интеграл внешней нагрузки. Разработан алгоритм и его программная реализация для решения задач об уплотнении порошка СО. Результаты моделирования применены на примере перечня технологических приемов и механизмов для формирования СО. Разработано три метода формирования СО из порошка: а) путем поэтапного уплотнения, когда за один прием формируется лишь незначительная часть оболочки; б) путем одномоментного уплотнения при формировании СО за один прием, когда прессующее воздействие ориентируется максимально близко к направлению толщины стенок оболочки (показано на примере детектора с коническим сцинтиллятором); в) путем перепрессовки, когда сначала поэтапно формируется оболочка с заведомо большей толщиной стенок, а затем, посредством перепрессовки через конический переходник, одномоментно доуплотняется, а вся сборка (сцинтиллятор, оболочка и другие компоненты изделия) перемещается в контейнер до своего конечного положения. Для решения проблемы компенсации несогласованных тепловых изменений размеров основных компонентов детекторов предложено три конструктивных решения. Один из предложенных компенсаторов представляет собой пакет охватываемых и охватывающих колец, сопрягающихся между собой по коническим поверхностям и изготовленных из материалов, существенно различающихся по тепловому коэффициенту линейного расширения. Такой компенсатор абсолютно жесткий по отношению к осевым ударам и изменяет свою высоту только под воздействием тепла, причем обратно пропорционально температуре. Для такого компенсатора предложена методика расчета геометрических параметров и выбора материала колец. Предложена также конструкция пружинного компенсатора и детектор, контейнер которого выполнен из пружинной стали, гофрированный и, по этому, способный изменять свою длину в согласовании с тепловыми изменениями длины сцинтиллятора. Экспериментально доказано повышение показателей вибротермопрочности и спектрометрических характеристик детекторов, которые изготовлялись в соответствии с предложенными инженерно-технологическими решениями. Относительно автостабилизации радиометров получены дополнительные аргументы в пользу применения светодиодного реперного источника.

Ключевые слова: детектор, сцинтиллятор, светоотражающая оболочка, порошок, уплотнение, предельное равновесие, тепловое расширение, компенсация, стабилизация.

Summary

Melnik V.I. Technological problems of increase of vibration- and heat-resistance of crystalline scintillation detectors. - Manuscript.

Dissertation for degree of the Candidate of sciences on speciality 05.27.06 - Technology, the equipment and production of an electron technology. - Kharkov state technical university of radio electronics, Kharkov, 2000.

The systematization of known set of the structurally-technological solutions on the vibration- and heat-resistant crystalline scintillation detectors carried out. Vibration- and heat-resistance of detectors are proved to be largely an imperfection of dust resilient light shells (RLS) and compensators of discordant thermal changes of the basic components of a design of detectors. On the basis theories of limiting equilibrium of free-flowing and downlink media the mathematical modeling of processes of seal of dusts of RLS is carried out. For a system of equations of limiting equilibrium the method of transition on a grid of the characteristics is improved and the relations on Cartesian coordinates are obtained. The convention of signs of shearing stresses is specified. The integral of an external load is obtained. The findings of modeling are applied on examples of a list of technological methods, means for formation of RLS and concrete designs of detectors. The problem of compensation of discordant thermal changes of the basic components of a design of detectors is solved. By experiments the advantages of the offered structurally-technological solutions are proved. A problem of auto-stabilization of radiometers the adding arguments for the benefit of application of the light emitting diode reference source are obtained.

Keywords: detector, scintillator resilient light shell, dust, seal, limiting equilibrium, thermal expansion, compensation, stabilization.

Размещено на Allbest.ru

...