Теплопроводящий калориметр для определения плотности потока ионизирующего излучения и способ изготовления его калориметрической ячейки

 

1. Теплопроводящий калориметр для определения плотности потока ионизирующего излучения, содержащий поглощающий излучение образец, помещенный внутрь диатермической калориметрической ячейки, представляющей собой вспомогательную стенку в виде батареи последовательно-соединенных гальванических термопар, находящихся в тепловом контакте с образцом и прозрачной для ионизирующего излучения наружной оболочкой, отличающийся тем, что, с целью уменьшения инерционности калориметра , его термобатарея выполнена в виде тонкостенной цилиндрической оболочки, спрофилированной в форме трапеции, разрезанной по винтовой линии и состоящей из чередующихся монои биметаллических участков фольги с местами перехода по середине оснований трапеций. 2. Способ изготовления калориметрической ячейки теплопроводящего калориметра для определения плотности потока ионизирующего излучения, включающий операцию гальванического осаждения парного термоэлейтрического материала на одну из ветвей каждого элемента термобатареи, отличающийся тем, что, с це (Л лью уменьшения инерционности и упрощения процесса изготовления, вдоль с образующей полой цилиндрической заготовки из легкоплавкого металла нарезают шлицы трапецеидального профиля с зубьями и впадинами, на по -Верхность полученной заготовки гальванически осаждают один из термопарных материалов, путем в чередуел ел ющемся порядке половину каждого зуба и впадины покрывают электроизоCJ5 лирующим слоем, а на оставшуюся неел изолированную часть профиля гальваническим способом осаждаЪт слой парного первому покрытию термоэлектрического материала, после этого на ; поверхности -заготовки на глубину фасонного профиля по винтовой линии нарезают однозаходную канавку, отрезают торцы, нагревают до температуры плавления легкоплавкой составляющей заготовки и удаляют ее.

555 А

СОЮЗ СОВЕТСИИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИИ (19) (И) g g G 01 Т 1/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

«««

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3357 226/18- 25 .. (22) 23. I1.81 (46) 07. I0.83. Бюл. 1 37 (723 8 .Г .Карпенко, Ж.Л.Погурская, 8,Н.Аваев и Е.П.Ефимов (7 1) Институт технической теплофиэики АН УССР (53) 539. 1. 074. 9(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство ЧССР

И 175708, кл. G 01 Т 1/00, 1978.

2. Кальве и др. Микрокалориметрия. 4l Ин.лит., 1963, с. 477.

3. Авторское свидетельство СССР

11 501303, кл. G 01 К 17/00, 1973 ,. (прототи и) .

4. Геращенко О.А. Основы тепло" метрии. К., "Наукова думка", 1973, с. 191 (прототип). (5") ТЕПЛОПРОВОДЯЦИЙ КАЛОРИМЕТР

ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА

ИОНИЗИРУЮЦЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЕГО КАЛОРИМЕТРИЧЕСКОЙ

ЯЧЕЙКИ (57) 1. Теплопроводящий калориметр для определения плотности потока ионизирующего излучения, содержащий поглощающий излучение образец, помещенный внутрь диатермической калориметрической ячейки, представляющей собой вспомогательную стенку в виде батареи последовательно-соединенных гальванических термопар, находящихся в тепловом контакте с образцом и прозрачной для ионизирующего излучения наружной оболочкой, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью уменьшения инерционности калориметра, его термобатарея выполнена в виде тонкостенной цилиндрической оболочки, спрофилированной в форме трапеции, разрезанной по винтовой линии и состоящей из чередующихся моно- и биметаллических участков фольги с местами перехода по середине оснований трапеций.

2. Способ изготовления калориметрической ячейки теплопроводящего калориметра для определения плотности потока ионизирующего излучения, включающий операцию гальванического осаждения парного термоэлектрического материала на одну иэ ветвей каждого элемента термрбатареи, о т " л и ч а ю шийся тем, что, с целью уменьшения инерционности H упрощения процесса изготовления, вдоль образующей полой цилиндрической заготовки из легкоплавкого металла нарезают шлицы трапецеидального профиля с зубьями и впадинами, на по= .верхность полученной заготовки гальванически осаждают один из термопарных материалов, путем в чередующемся порядке половину каждого зу" ба и впадины покрывает электроизолирующим слоем, а на оставшуюся неизолированную часть профиля гальваническим способом осажда1от слой парного первому покрытие термоэлектрического материала, после этого на

) поверхности заготовки на глубину фасонного профиля по винтовой линии нарезают однозаходную канавку, отрезают торцы, нагревает до температуры плавления легкоплавкой составляющей заготовки и удаляют ее.

1 10

Изобретение относится к области дозиметрии ионизирующих излучений.

Калориметр может найти применение для абсолютных доэиметрических измерений ионизирующих излучений в радиационной физике, химии, В настоящее время известны весьма разнообразные калориметрические устройства для измерения тепловых эффектов, сопровождающих различные физико-химические процессы, в том числе и тепловых эффектов при поглощении ионизирующего излучения.

Характерной особенностью большин», ства из них является большая инерционность, обусловленная главным образом требованием тщательной защиты от воздействия изменения параметров окружающей среды.

Типичным представителем таких калориметров является калориметр для измерения интенсивности гаммаизлучения (1 ). К онструкция миниатюрного датчика для калориметри— ческих измерений интенсивности гамма-излучения предназначена для использования в ядерных реакторах.

Калориметр состоит из тонкостенной нержавеющей трубкиф б мм (толщина стенки 0,5 мм) с запаянным дном, в которой расположен графитовый поглотитель длиной 40 мм и ф 4 мм.

Постоянство зазора обеспечивается двумя кольцами из медной проволоки ф 0,5 мм. Графитовый поглотитель с помощью держателя жестко связан с припаянной к корпусу верхней пробкой, через отверстия которой внутрь калориметра заведены две желеэоконстантановые термопары. Одна из тер" мопар закреплена в отверстии в теле поглотителя, а другая через отверстие в стенке корпуса выведена наружу и закреплена с внешней стороны на одном уровне"с первой. Температура графитового поглотителя пропорциональна интенсивности излучения, а величина теплового потока через воздушный зазор и стенки корпуса пропорциональна перепаду температур, регистрируемого термопарами.

Поскольку термочувствительным элементом служит лишь одна дифференциальная термопара, чувствительность рассмотренного калориметра невысока. Не отличается калориметр также и быстродействием.

Известен теплопроводящий калориметр, содержащий вмонтированную

0556 „" в термостатируемом теплопроводном блоке измерительную ячеику пред ставляющую собой снабженную теплометрической оболочкой камеру Г2 .

В качестве последней обычно используют равномерно распреде" ленную на поверхности камеры батарею из большого числа последовательно соединенных металлических

10 или полупроводниковых дифференциальных термопар, холодные и горячие спаи которых соответственно находятся в тепловом контакте с поверхностями камеры и теплолроводного блока, Известный способ изготовления теплометрической оболочки обычно сводится к последовательному сое" динению в батарею методом сварки или пайки большого количества (не" сколько сот штук )коротких участ ков термоэлектродной проволоки или полупроводниковых термоэлементов и их равномерному радиальному раз" мещению в зазоре между камерой ячейки и блоком.

Конструкция такого калориметра отличается большой сложностью, а техника изготовления трудоемка и дорогостояща, особенно изготовление и монтаж теплометрической оболочки, в силу чего стоимость калориметра весьма высока, что ограничивает его широкое применение в исследо35 вательской и производственной практике. Кроме того, наличие массивного термостатируемого блока затрудняет измерение потока ионизирующего излучения от мощного внешнего источни-. ка. 3 силу чего такие калориметры используются лишь для измерения потоков от радиоактивных источников, помещаемых внутри ячейки калориметра.

Наиболее близким по конструкции к предложенному техническому решению является теплопроводящий калориметр для onределения плотности потока ионизирующего излучения, со50 держащий поглощающий излучение образец, помещенный внутрь диаметрической калориметрической ячейки, представляющей собой вспомогательную стенку в виде батареи последовательно соединенных гальванических термопар, находящихся s тепловом контакте с образцом и прозрачной ! для ионизирующего излучения наружной оболочкой (3 ).

3 )005

Конструктивно калоример выполнен в виде размещенных в теплопровод- . ,ном блоке рабочей и компенсацион,ной ячеек с теплометрическими оболочками, представляющими собой термо=

5 градиентный слой, в качестве которого используется ленточная термобатарея, навитая на внешнюю конусную поверхность каждой ячейки. Собственно термочувствительным элементом служит в свою очередь навитая на ленточную основу термозлектродная проволока с чередующимися гальваническими покрытиями в паре с непокрытыми участками, образующими ветви батареи последовательно соединенных дифференциальных термопар.

Известен способ изготовления калориметрической ячейки теплопроводящего калориметра для определения плотности потока ионизирующего излучения, включающий операцию гальванического осаждения парного термо- . электрического материала на одну из ветвей каждого элемента термобатареи (47.

На эластичную пленку прямоугольного сечения по спирали навивают проволоку из термоэлектрического материала, например константана, зо служащего заготовкой для ветвей будущей термобатареи. Часть спирали покрывается злектроизоляционным лаком, а на оставшиеся непокрытыми участки проволоки гальванически осаждают парный первому термозлектродный материал, например медь или ce, pe0po.

Этот изящный прием изготовления термочувствительного элемента путем гальванического осаждения парного термоэлектрического материала для по-, лучения дифференциальной термобатареи исключает дорогостоящую операцию пайки или сварки большого количества коротких термоэлектродов .и ча- 45 стично облегчает монтаж калориметрических ячеек. При этом упрощается и сама конструкция калориметра.

Наряду с указанным описанному техническому решению присущи определенные недостатки. Вследствие того, что значительную часть сечения теплометрической оболочки занимает основа, на которую навита термобатарея, не весь рассеиваемый ячейками поток энергии проходит по ветвям термобатареи, что заметно снижает чувствительность калориметра. В то же время нали565 чие основы в теплометрической обо. лочке увеличивает теплоемкость и тем самым снижает быстродействие калориметра.

Описанный способ изготовления теплометрической оболочки не позволяет получить ее без основы и тем самым устранить указанные недостатки. К роме того, техника изготовления-и монтажа теплометрической 060 лочки остаются довольно трудоемкими.

Целью изобретения является уменьшение инерционности и упрощение техники изготовления калориметра.

Поставленная цель достигается тем, что в теплопроводящем калориметре для определения плотности потока ионизирующего излучения, содержащем поглощающий излучение образец, помещенный внутрь диатермической калориметрической ячейки, представляющей собой вспомогательную стенку в виде батареи последовательно соединенных гальванических термопар, находящихся в тепловом контакте с образцом и прозрачной для ионизирующего излучения наружной оболочкой, его термобатарея выполнена в виде тонкостенной цилиндрической оболочки, спрофи" лированной в форме трапеции, разрезанной по винтовой линии и состоящей из чередующихся моно- и биметаллических участков фольги с местами перехода по середине оснований трапеций. В способе изготовления калориметрической ячейки теплопроводящего калориметра для определения плотности потока ионизирующего излучения, включающем известную операцию гальванического осаждения парного термоэлектрического материала на одну из ветвей каждого элемента термобатареи, вдоль образующей полой цилиндрической заготовки из легкоплавко" го металла нарезают шпицы трапецеидального профиля с зубьями и впадинами, на поверхность обработанной таким образом заготовки гальванически осаждают один из термопарных материалов, затем в чередующемся порядке половину каждого зуба .и впадины покрывают электроизолирующим слоем, а на оставшуюся неизолированной часть профиля гальваническим способом осаждают слой парного первому покрытию термоэлектрического материала, после этого на поверхности заготовки на глубину фасонного профиля по винтовой линии нарезают

10055б5 однозаходную канавку, отрезают тор- 1 цы, нагревают до температуры плавле- ния легкоплавкой составляющей заготовки и удаляют ее.

5

На фиг. 1 изображена конструкцйя калориметра, предназначенного для определения плотности потока ионизирующего излучения; на фиг.2разрез А-А на фиг. t0

Калориметр: состоит из измерительной ячейки, заключенной в диатермическую к контролируемому спектру излучения тонкостенную теплопроводящую оболочку-кожух 1. Ячейка содержит калориметрическую камеру 2, находящуюся в тепловом контакте с внеш° ней оболочкой 1 посредством батареи гальванических термопар 3. Последняя выполнена в виде разрезанной по винтовой линии 4 тонкостенной спрофилированной в форме трапеций оболочки, состоящей из чередующихся монометаллических 5 и биметаллических 6 участков фольги с местами перехода, служащими спаями дифференциальных термопар, по середине оснований трапеций. В калориметрическую камеру 2 помещен поглощающий излучение цилиндрический образец 7. Торцы камеры закрыты теплоизолирующими пробками 8.

Работа калориметра и техника измерения с его помощью сводится к следующему. Предварительно снимают градуировочную характеристику калори35 метра. С этой целью в калориметрическую камеру 2 помещают нагревательный элемент, к.которому подводят калиброванную электрическую мощность

40 и в установившемся тепловом режиме определяют вольт-ваттную чувствительность калориметра. Для измерения плотности потока ионизирующего из" лучения в калориметрической камере

2 вместо нагревателя располагают по45 глощающий излучение образец 7, в сам теплопроводящий калориметр устанавливают в канал исследуемого объекта. Излучение, пронизывая внешнюю оболочку 1 калориметра, батарею термо 50 пар 3, калориметрическую камеру 2 поглощается образцом 7 и в виде тепловой энергии рассеивается им через теплометрическую оболочку в окружающую среДу. Генерируемый термобатареей электрический сигнал измеряют и по его величине, зная вольтваттную чувствительность калориметра, судят о плотности измеряемого излучения °

П редложенный способ изготовления калориметрической ячейки теплояроводящего калориметра для определения плотности потока ионизирующего излучения.был опробован в ИТТф АН УССР.

В качестве легкоплавкой составляющей заготовки был применен сплав Вуда. На поверхность полой цилиндрической заготовки диаметром 20 мм вдоль образующей на строгальном станке нарезались шлицы трапецеидального профиля на глубину 2-3 мм. Ha поверхность обработанной таким образом заготовки гальванически наносился слой железа толщиной 30 мкм.

8 качестве парноготермоэлектродного материала был использован никель, наносимый на половину поверхности каждого трапецеидального профиля слоем 10 мкм. На внешней поверхности заготовки на глубину шлицев по винтовой линии с шагом 3 мм нарезалась однозаходная канавка. Для удаления легкоплавкой составляющей заготовка нагревалась до температуры

70 С и выплавлением удалялся сплав

Вуда.

Эффективность предлагаемого теплопроводящего калориметра и способа изготовления его калориметрической ячейки обусловлена универсальностью устройства и простотой техники изго" товления любых типоразмеров калориметра, возможностью в едином технологическом цикле гальванического осаждения получить термочувствительный элемент калориметра, а также упрощением техники изготовления и монтажа калориметра.

i1 редложенная конструкция и техника ее изготовления принципиально позволяют получить калориметр миниатюрных размеров, благодаря чему исключаются искажения, вносимые в ре-. зультаты измерений неизотермичностью температурного поля исследуемого объекта, например неизотермичностью по толщине защитного слоя реактора. При этом отпадает необходимость в использовании массивного термостатируемого блока калориметра, исключающего возможность получения внешней диатермической оболочки калориметра.

В процессе доработки технологии изготовления теплометрической оболочки теплопроводящего калориметра

05565

7 l0 были получены образцы ячеек диаметром 20 -5 мм и длиной 80-10 мм, что обеспечивает уменьшение обьема реакционной камеры в несколько раэ по сравнению с калориметром Кальве.

Предложенный технический прием не только упрощает процесс изготовления, но и позволяет существенным образом уменьшить габаритные размеры собственно калориметра и его теплометрической оболочки, и тем самым повысить его быстродействие до 20 с, .что в 20 раз лучше, чем для калориметра Кальве, и в 15 раз лучше, чем для прототипа. Наряду с укаэанным уменьшением толщины теплометричес" кой оболочки повышается точность измерения, поскольку подавляющая часть потока тепла рассеивается через термочувствительный элемент калориметра. Одновременно снижается экранирующий эффект диатер" мической оболочки и термочувствительного элемента калориметра, что повыша10 ет точность измерения. !

Отмеченные особенности калоримет ра повышают технико-экономическую эффективность его использования в

15 различных областях техники.

1005565

Составитель С.Кондратенко

Техред III.Êàcòåëåâè÷ Корректор О.Тигор

Редактор П.Горькова

НодписноеЮ

Филиал Illln "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, Заказ 8012/1 Тираж 710

ЗНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5