Преобразовательный элемент для приема/передачи ультразвуковых колебаний в среде жидкого натрия, приемная/передающая решетка, антенна, способ ультразвуковой визуализации и устройство ультразвуковой визуализации в оптически непрозрачной среде

 

Изобретение относится к ультразвуковой визуализации, осуществляемой в реальном времени в жидкой непрозрачной среде. Техническим результатом является возможность визуализации в агрессивной и высокотемпературной среде в активной зоне ядерного реактора. Преобразовательный элемент передачи и/или приема ультразвуковых колебаний содержит пьезокомпозитный керамический слой (12), слой термостойкой смолы (14) и слой силикона (16). Предлагаются также решетка, содержащая ультразвуковые преобразовательные элементы, антенна, содержащая решетки, способ ультразвуковой визуализации объектов в оптически непрозрачной среде с использованием упомянутой антенны и устройство ультразвуковой визуализации в оптически непрозрачной среде с использованием антенны. 10 с. и 14 з.п. ф-лы, 7 ил.

Область техники Настоящее изобретение относится к преобразовательному элементу, предназначенному для передачи и/или приема ультразвуковых колебаний, и к антенне, предназначенной для передачи и/или приема ультразвуковых колебаний и содержащей преобразовательный элемент передачи и/или приема ультразвуковых колебаний.

Изобретение относится также к устройству быстрой ультразвуковой визуализации, т.е. визуализации, осуществляемой в реальном времени в жидкой непрозрачной среде. Точнее говоря, настоящее изобретение относится к системе быстрой ультразвуковой визуализации в среде жидкого натрия, имеющей в своем составе антенну передачи и/или приема ультразвуковых колебаний.

Данное изобретение предлагает средства, позволяющие получить трехмерные изображения объектов, погруженных в непрозрачную жидкую среду, при помощи ультразвуковых колебаний, отраженных от поверхностей упомянутых объектов, например, металлических, т.е. не только на основе зеркально отраженного ультразвукового сигнала, но также и на основе рассеянных сигналов, отраженных шероховатостями поверхностей объектов, изготовленных, например, из металла.

Погруженные в жидкую непрозрачную среду объекты, которые могут быть визуализированы таким способом, представляют собой объекты, по меньшей мере, одна поверхность которых имеет коэффициент отражения ультразвуковых колебаний, близкий к 1, например, металлические объекты.

Предлагаемое изобретение может быть использовано, например, для проведения инспекционных осмотров в корпусе находящегося в эксплуатации ядерного реактора на быстрых нейтронах, а также для визуализации погруженных в жидкую непрозрачную среду металлических конструкций, визуального контроля выполнения различных механических манипуляций и поиска объектов, утерянных внутри корпуса данного реактора.

Корпус ядерного реактора на быстрых нейтронах, в котором размещена активная зона этого реактора, заполнен некоторым жидким металлом, в данном случае жидким натрием, выполняющим функцию теплоносителя. Использование натрия в качестве жидкого теплоносителя в ядерных реакторах на быстрых нейтронах позволяет потреблять или производить плутоний, а также обеспечивает наилучший коэффициент полезного действия благодаря высокой теплопроводности жидкого натрия, но осложняет, вследствие его оптической непрозрачности, проведение инспекционных осмотров в процессе эксплуатации таких реакторов.

Жидкий натрий представляет собой химически агрессивную и непрозрачную для света среду. Кроме того, поскольку он является жидким теплоносителем в активной зоне ядерного реактора и несмотря на то, что визуализация будет осуществляться в период остановки реактора, жидкий натрий может иметь температуру, доходящую до 200^oС. Таим образом, эта среда является весьма неблагоприятной для обычных систем визуализации.

Поэтому вследствие хорошего распространения ультразвуковых волн в среде натрия технология формирования изображений при помощи ультразвука уже давно была выбрана в качестве одного из способов осуществления инспекционных проверок действующих ядерных реакторов на быстрых нейтронах.

Предшествующий уровень техники В заявке на патент Франции FR-A-1 588 441 описывается устройство визуализации объектов в корпусе ядерного реактора, позволяющее получить определенную информацию относительно положения топливных сборок, образующих активную зону реактора.

Устройство содержит ультразвуковой приемопередатчик, размещенный за пределами корпуса ядерного реактора. Приемопередатчик излучает ультразвуковые колебания в, по меньшей мере, один волновод, расположенный перед ним и входящий во внутреннюю полость корпуса реактора ниже уровня поверхности заполняющей этот корпус жидкой среды, выполняющей функцию теплоносителя. Волновод имеет расположенное под прямым углом колено, в котором размещено зеркало, отражающее ультразвуковые волны, и орган для перекрытия, смонтированный в торце этого колена и вибрирующий в полуволне для передачи ультразвуковых колебаний из волновода в жидкую среду внутри корпуса реактора.

Такая система ультразвуковой визуализации позволяет обнаружить наличие тех или иных объектов в пространстве между активной зоной и крышкой-заглушкой активной зоны ядерного реактора.

Однако система требует механического сканирования, которое исключает возможность получения ультразвуковых изображений в реальном времени.

Кроме того, ультразвуковые изображения, которые способна выдать данная система визуализации, содержат только точки зеркального отражения, т.е. точки, для которых направление распространения сигнала от его излучения до приема удовлетворяют отношению равенства между углом падения и углом отражения относительно нормали к поверхности объекта, подлежащей визуализации.

Таким образом, данная система не позволяет обеспечить визуализацию шероховатых металлических поверхностей.

Система ультразвуковой визуализации в соответствии с предлагаемым изобретением основана на концепции ортогонального формирования изображений, которая позволяет получить доступ к формированию трехмерных или пространственных изображений в реальном времени, не прибегая при этом к использованию некоторой двухмерной ультразвуковой антенны или к применению механического сканирования или обзора пространства.

В соответствии с упомянутой выше концепцией первая сеть ультразвуковых преобразователей, расположенная вертикально и предназначенная для излучения пучка ультразвуковых колебаний в виде веера, отклоненного в соответствии с заданным углом места, фокусируется на заданном расстоянии, тогда как вторая сеть ультразвуковых преобразователей, расположенная горизонтально, принимает идентичный пучок ультразвуковых колебаний, отклоненный в соответствии с заданным азимутом и сфокусированный на нескольких расстояниях или в нескольких фокальных зонах. Взаимное пересечение двух упомянутых выше пучков определяет ячейку или элемент разрешения данной системы формирования изображения.

Сканирование по углу места и по азимуту излучения и приема ультразвуковых колебаний позволяет получить трехмерную информацию о данной среде.

Этот принцип формирования изображений был положен в основу многих разработок акустической аппаратуры, используемой на подводных лодках и других подводных аппаратах.

В статье P.ALAIS, N.CESBPON "Система формирования трехмерных изображений". Физический Журнал IV, семинар С5, дополнение к Физическому Журналу III, том 4, 1994 г., описана акустическая камера.

Камера построена на основе двух ортогональных сетей из шестидесяти четырех преобразователей. Акустическая камера формирует секторное изображение шестидесяти четырех лучей для каждого облученного места. Передающая и приемная антенны акустической камеры идентичны. Они выполнены на основе фрагментированной керамики, встроенной в некоторую полимерную матрицу. Используемая в акустической камере антенна содержит две перпендикулярные друг другу сети, состоящие из 64 преобразователей, располагающихся с шагом 4 мм и имеющих на частоте 500 КГц селективную апертуру или раскрыв 30 х 30^o, что позволяет уменьшить уровень ложных сигналов или атефактов изображения. Секторное изображение воссоздается цифровым способом на основе 64 принятых сигналов.

Тем не менее известные системы подводной ультразвуковой визуализации не могут быть использованы для осуществления инспекционных проверок ядерных реакторов на быстрых нейтронах, поскольку они не приспособлены для противостояния характерным для данного варианта использования жестким условиям по температуре, имеющей достаточно высокое значение, а также не выдерживают высокоагрессивной химической среды жидкого натрия, в которой эти системы должны работать, и не соответствуют условиям габаритов, накладываемых собственными размерами корпуса или камеры ядерного реактора В то же время диапазон частот, в котором обычно работают акустические камеры, их динамические характеристики, а также их разрешающая способность в продольном и боковом направлениях не позволяют оптимальным образец использовать отраженные сигналы, рассеянные шероховатостями металлических конструкций, погруженных в жидкий натрий.

Кроме того, известные ортогональные системы формирования ультразвуковых изображений в данной области содержат ультразвуковые преобразователи, выполненные на основе фрагментированной керамики, встроенной в некоторую полимерную матрицу. Такие конструкции не подходят для работы при высоких температурах, а также в таких коррозионных химических средах, как жидкий натрий.

В заявке на патент Франции FR-A-2 152 348 описан ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь, пригодный для использования в условиях высоких температур окружающей среды.

Высокотемпературные ультразвуковые преобразователи реализованы на основе монокристаллических пьезоэлектрических капсул или датчиков небольших размеров. В упомянутой ссылке описаны пьезоэлектрические кристаллы или пластинки, изготовленные на основе метаниобатов щелочных металлов с общей химической формулой М. NbО₃, где М представляет металл, например литий. Монокристаллические пьезоэлектрические пластинки закреплены своими активными сторонами на некотором общем основании. При этом упомянутые пластинки равномерно распределены на по меньшей мере одной окружности, центрированной на оси ультразвукового датчика, и расположены в некоторой плоскости, перпендикулярной упомянутой оси. Эти пластинки электрически параллельно соединены между собой таким образом, чтобы излучаемые ими ультразвуковые сигналы имели одну и ту же фазу.

Такие ультразвуковые преобразователи не позволяют получить формирования трехмерных изображений в реальном времени при их использовании в оптически непрозрачной среде. Действительно, высокое полное электрическое сопротивление или импеданс передней металлической кромки этих ультразвуковых преобразователей не позволяет реализовать антенны с достаточно высокими акустическими характеристиками.

Краткое изложение существа изобретения Целью предлагаемого изобретения является создание системы ультразвуковой визуализации различных объектов в жидкой оптически непрозрачной среде, например, в среде жидкого натрия, способной сформировать трехмерные ультразвуковые изображения на основе информации, получаемой не только при помощи зеркально отраженных сигналов, но также и при помощи отраженных сигналов, рассеянных шероховатостями подлежащих визуализации конструкций. Предлагаемая система ультразвуковой визуализации основана на концепции ортогонального формирования изображений.

Конструкции или объекты, которые могут быть визуализированы при помощи предлагаемой системы ультразвуковой визуализации, представляют собой конструкции или объекты, по меньшей мере одна поверхность которых имеет коэффициент отражения ультразвуковых колебаний порядка 1, например, металлические поверхности.

Для достижения поставленной цели данное изобретение предлагает некоторый преобразовательный элемент передачи или приема ультразвуковых колебаний, содержащий пьезокомпозитный керамический элемент, слой высокотемпературной смолы и слой силикона или кремнийорганического соединения.

В соответствии со способом реализации преобразовательного элемента передачи или приема ультразвуковых колебаний в соответствии с предлагаемым изобретением этот преобразовательный элемент содержит пьезокомпозитную керамическую конструкцию, слой, выдерживающей достаточно высокую температуру смолы, покрывающей по меньшей мере одну сторону упомянутого пьезокомпозитного керамического элемента, и некоторый слой силикона или кремнийорганического соединения, покрывающий слой высокотемпературной смолы.

Слой термостойкой смолы позволяет обеспечить защиту преобразовательного элемента от химически агрессивной окружающей среды, а также от возможных температурных напряжений, связанных с конкретными условиями применения данного преобразовательного элемента.

Функция силикона или кремнийорганического соединения состоит в том, чтобы осуществить смачивание той жидкой окружающей средой, в которую может быть погружен данный преобразовательный элемент, предназначенный для ультразвуковой визуализации. В случае применения предлагаемого устройства для ультразвуковой визуализации в среде жидкого натрия в корпусе ядерного реактора на быстрых нейтронах силикон или некоторое кремнийорганическое соединение выполняют функцию смачивания жидким натрием.

Используемая в соответствии с предлагаемым изобретением пьезокомпозитная керамика может представлять собой известную из уровня техники в данной области пьезокомпозитную керамику, выполненную, например, на основе метаниобатов щелочных металлов типа метаниобата лития или фрагментированной керамики, встроенной в некоторую полимерную матрицу.

Поверхность пьезокомпозитного керамического элемента, покрытая термостойкой смолой, образует фронтальную поверхность преобразовательного элемента передачи или приема ультразвуковых колебаний в соответствии с предлагаемым изобретением.

В соответствии с предпочтительным способом реализации изобретения пьезокомпозитный керамический элемент и слой термостойкой смолы или система, образованная этим пьезокомпозитным элементом и этой смолой, имеют форму части цилиндра.

В этом случае слой термостойкой смолы позволяет придать упомянутой системе форму части цилиндра, определяющую фронтальную поверхность ультразвукового преобразовательного элемента.

Форма фронтальной поверхности преобразовательного элемента передачи или приема ультразвуковых колебаний в виде части цилиндрической поверхности позволяет увеличить акустическую мощность системы ультразвуковой визуализации. Эта форма в виде части цилиндра определяет поле зрения ультразвукового преобразовательного элемента.

В предпочтительном варианте реализации часть цилиндрической поверхности имеет радиус кривизны порядка 20λ, где λ представляет собой длину волны ультразвукового излучения, а угол раскрытия равен 45^o, чтобы пучок приема или передачи ультразвуковых колебаний имел апертуру 30^o на уровне минус 3 дБ.

Смола, способная выдерживать воздействие высоких температур, может быть выбрана среди термостойких термоотверждаемых эпоксидных смол.

Согласно изобретению предлагается также сеть передачи ультразвуковых колебаний, содержащая множество преобразовательных ультразвуковых элементов. В предпочтительном варианте реализации этого изобретения данные элементы располагаются линейно.

Предлагается также сеть приема ультразвуковых колебаний, содержащая множество ультразвуковых преобразовательных элементов. В предпочтительном варианте реализации преобразовательные элементы располагаются линейно.

Предлагается также антенна передачи и/или приема ультразвуковых колебаний, содержащая сеть передачи, имеющую множество ультразвуковых преобразовательных элементов, в предпочтительном варианте реализации расположенных линейно, и/или сеть приема, содержащую множество ультразвуковых преобразовательных элементов, в предпочтительном варианте реализации располагающихся также линейно.

В предпочтительном варианте воплощения изобретения сеть передачи ультразвуковых колебаний располагается перпендикулярно сети приема этих колебаний.

Каждая из сетей приема и передачи ультразвуковых колебаний содержит, по меньшей мере, 128 ультразвуковых преобразовательных элементов и предпочтительно именно 128 таких элементов.

Шаг распределения между двумя соседними преобразовательными элементами, т. е. расстояние, которое разделяет два смежных преобразовательных элемента, может иметь величину от 1 до 3 мм и предпочтительно 2 мм. Частота ультразвуковых колебаний в антенне приема и передачи согласно изобретению может иметь величину от 0,6 до 1,8 МГц и в предпочтительном варианте составляет 1,6 МГц.

Определение размерных параметров сетей осуществляют с учетом существующих технологических ограничений таким образом, чтобы получить возможно более высокую пространственную разрешающую способность системы ультразвуковой визуализации.

В данном изобретении для визуализации металлических объектов при помощи ультразвуковых колебаний используется ортогональная концепция формирования изображений.

В соответствии с изобретением антенна передачи и приема ультразвуковых колебаний содержит передающую сеть, установленную вертикально и излучающую пучок ультразвуковых колебаний в форме веера, отклоненного в соответствии с заданным углом места и сфокусированного на заданном расстоянии, и приемную сеть, установленную горизонтально, принимающую идентичный пучок ультразвуковых колебаний, отклоненный в соответствии с заданным азимутом и сфокусированный на нескольких расстояниях или в нескольких фокальных зонах. Взаимное пересечение двух этих пучков ультразвуковых волн определяет разрешающую способность данной системы формирования изображений.

Антенна передачи и приема ультразвуковых волн может, таким образом, передать в пространство 128 ультразвуковых сигналов и принять 128 отраженных в этом пространстве ультразвуковых сигналов.

Антенна согласно изобретению позволяет получить ультразвуковые изображения на дальности или глубине от 0,5 до 7 м, перекрывая таким образом весь корпус ядерного реактора на быстрых нейтронах в поле зрения шириной примерно 30.

Более конкретно, система быстрой ультразвуковой визуализации согласно изобретению отличается тем, что в ней используются две сети, каждая из которых содержит 128 ультразвуковых преобразовательных элементов, располагающихся с шагом 2 мм, работающих на центральной частоте 1,6 МГц и способных противостоять высоким температурам окружающей химически агрессивной среды, например, жидкого натрия в ядерном реакторе на быстрых нейтронах.

Обеспечиваемая таким образом пространственная разрешающая способность позволяет отделить некоторую "когерентную" составляющую, относящуюся к зеркальному отражению ультразвуковых волн от металлических поверхностей объектов, от "некогерентной" составляющей, относящейся к рассеянию сигналов, отраженных шероховатостями металлических поверхностей.

Таким образом, система ультразвуковой визуализации в соответствии с данным изобретением способна обеспечить формирование изображений не только на основе зеркально отраженных ультразвуковых сигналов, но также и на основе рассеянных сигналов, отраженных шероховатостями поверхностей. Кроме того, предлагаемое изобретение касается способа ультразвуковой визуализации, использующего описанную выше антенну передачи и приема ультразвуковых волн.

Способ в соответствии с данным изобретением содержит электронную систему обработки, подключенную к каждому элементу сетей и располагающуюся в холодной окружающей среде за пределами корпуса в случае использования системы ультразвуковой визуализации в ядерном реакторе на быстрых нейтронах.

Электронная система параллельной обработки сигналов обеспечивает фокусирование и динамическое отклонение пучков ультразвуковых волн в соответствии с некоторой широкополосной технологией, называемой "сумма и задержка".

Использование такой системы позволяет обеспечить реализацию трехмерного ультразвукового изображения за время, не превышающее одной минуты.

Таким образом, согласно изобретению предлагается средство, позволяющее обеспечить инспекционный осмотр в процессе эксплуатации всей совокупности внутренних конструкций корпуса ядерного реактора на быстрых нейтронах, заполненного теплоносителем в виде жидкого натрия, выполнить визуальный контроль проведения различных механических манипуляций внутри корпуса этого реактора и обеспечить поиск объектов, утерянных во внутренней полости данного реактора при различных манипуляциях.

Предлагаемая система формирования ультразвуковых изображений в среде жидкого натрия специально разработана для функционирования на протяжении периодов остановки данного ядерного реактора. В течение этих периодов уровни радиации существенно снижаются, температура охлаждающей жидкости, т.е. жидкого натрия, поддерживается на уровне примерно 200^oС, мощность реактора снижается практически до нуля. В этих условиях градиенты температуры, а значит, и градиенты скорости распространения ультразвуковых колебаний невелики. Таким образом, можно сделать предположение о прямолинейном распространении ультразвуковых волн в описанных выше условиях.

Краткое описание чертежей Другие характеристики и преимущества системы ультразвуковой визуализации поясняются приведенным ниже описанием со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых: фиг. 1 изображает преобразовательный элемент приема или передачи ультразвуковых волн (продольный разрез), согласно изобретению; фиг. 2 изображает антенну передачи и приема ультразвуковых волн и ортогональную концепцию построения ультразвуковых изображений согласно изобретению; фиг. 3 изображает схему динамического фокусирования ультразвуковой волны на приеме при помощи некоторого приемного устройства согласно изобретению; фиг. 4 изображает эхографическую зону в томографической плоскости сети приемных ультразвуковых преобразовательных элементов согласно изобретению;
фиг.5 изображает схематично ядерный реактор на быстрых нейтронах в вертикальном разрезе согласно изобретению;
фиг.6 изображает схематично способ ультразвуковой визуализации для формирования изображения на экране монитора согласно изобретению;
фиг.7 изображает блок-схему контура приема ультразвуковых волн в непрозрачной среде согласно изобретению.

Подробное изложение предпочтительных вариантов реализации изобретения
Преобразовательный элемент передачи или приема ультразвуковых волн согласно изобретению схематически представлен на фиг.1.

Преобразовательный элемент 2 (фиг.1) содержит, считая от его задней поверхности 4 по направлению к его передней или фронтальной поверхности 6, корпус 8, выполненный, например, из нержавеющей стали и ограничивающий данный преобразовательный элемент, задний амортизирующий слой 10 или упругий амортизатор преобразовательного элемента, керамический слой 12, выполненный из специального пьезокомпозитного материала, слой устойчивой к воздействию высоких температур смолы 14, покрывающий слой пьезокомпозитной керамики 12, и слой силикона 16, покрывающий слой термостойкой смолы 14.

Керамический слой 12 покрыт композицией из двух полимерных материалов - смолой, реализующей заданную форму преобразовательного элемента, и силикона, обеспечивающего смачивание поверхности преобразовательного элемента той жидкой средой, в которую может быть погружен преобразовательный элемент, например, жидким натрием, для обеспечения ультразвуковой визуализации в непрозрачной среде.

Смола, способная противостоять достаточно высоким температурам окружающей среды, может представлять собой эпоксидную термостойкую и термоотверждаемую смолу.

Слой керамики 12 и слой термостойкой смолы 14 образуют систему смола/керамика. В рассматриваемом варианте реализации предлагаемого изобретения система смола/керамика имеет форму части цилиндрической поверхности с радиусом кривизны 20λ, где λ представляет собой длину волны пучка ультразвукового излучения таким образом, чтобы пучок приема или пучок излучения или передачи ультразвукового излучения имел раскрытие порядка 30 на уровне минус 3 дБ. Это раскрытие определяет размер поля зрения системы ультразвуковой визуализации, использующей ультразвуковой преобразовательный элемент передачи или приема ультразвуковых волн.

Преобразовательный элемент может быть установлен в некоторой сети, содержащей множество преобразовательных элементов 2, для формирования сети передачи и/или приема ультразвуковых волн. Эти сети 22, 24 (фиг.2) могут быть линейными. Могут быть реализованы и другие варианты расположения сетей.

На фиг. 2 схематически представлен пример реализации антенны передачи и приема ультразвуковых волн.

Сеть 22 расположенных линейно ультразвуковых преобразовательных элементов обеспечивает излучение ультразвуковых волн, а сеть 24 расположенных линейно ультразвуковых преобразовательных элементов обеспечивает прием ультразвуковых волн, отраженных поверхностью подлежащих визуализации объектов.

Сеть 24 располагается перпендикулярно по отношению к сети 22, формируя, таким образом, ортогональную антенну.

В этом примере реализации две линейных сети ультразвуковых преобразовательных элементов идентичны друг другу и состоят из 128 элементов каждая с межэлементным шагом 2 мм. Частота излучаемых этой антенной ультразвуковых колебаний составляет 1,6 МГц.

Эти две сети или решетки линейной структуры генерируют пучок излучения в форме веера, каждый из которых состоит из 128 сигналов. Ширина пучка на уровне -3 дБ в томографической плоскости соответствует угловой разрешающей способности, а его ширина в ортогональной плоскости соответствует величине поля зрения системы, которая была зафиксирована на уровне, по меньшей мере, 30^o.

На фиг.2 показана также концепция ортогонального формирования изображений, использованная в данном изобретении. В соответствии с этой концепцией первая сеть или решетка 22 ультразвуковых преобразовательных элементов 2, установленная вертикально, используется для излучения пучка 26 ультразвуковых колебаний в форме веера, отклоненного в соответствии с заданным углом места и сфокусированного на заданном расстоянии 28. Вторая сеть или решетка 24 ультразвуковых преобразовательных элементов, установленная горизонтально, принимает пучок 30 ультразвуковых колебаний, отклоненный в соответствии с заданным азимутом и сфокусированный на нескольких расстояниях или фокальных зонах 32. Взаимное пересечение этих двух пучков 34 определяет ячейку или элемент разрешения данной ультразвуковой системы формирования изображений, использующей антенну передачи и приема ультразвуковых волн.

Сканирование по углу места и по азимуту соответственно при передаче и при приеме ультразвуковых волн позволяет получить трехмерную информацию о среде, в которой располагается данная антенна.

На фиг.3 схематически показан пример динамического отклонения и фокусирования для четырех ультразвуковых преобразовательных элементов 2. Осуществляется временная коррекция при помощи средств 42, которые представляют собой линии задержки каждого элементарного сигнала 44, принимаемого каждым преобразовательным элементом 2 сети или решетки, причем сумматор 46 позволяет просуммировать эти откорректированные сигналы. Позицией 48 обозначен период суммарного сигнала.

Операции фокусирования и отклонения на основе одного считывания осуществляются электронными схемами по каждому элементарному сигналу 44 порции сигнала, соответствующей выбранной фокальной зоны. Для некоторой точки фокусирования секторного изображения электронные схемы рассчитывают время прохождения сигнала между передатчиком, фокальной точкой и приемным элементом для того, чтобы определить временной показатель, соответствующий данному элементарному сигналу.

На фиг. 4 представлена схема осуществления операции динамического отклонения и фокусирования. Эта операция состоит в осуществлении временной коррекции каждого элементарного сигнала, то есть сигнала, связанного с каждым ультразвуковым преобразовательным элементом данной антенны.

Для точки фокусирования 100 (фиг.4), находящейся на расстоянии 106, обозначенном r, от передающего преобразовательного элемента, определенного азимутом 102, и фокального расстояния 108 по отношению к приемному преобразовательному элементу, обозначенного r_i, задержка, связанная с i-тым элементом антенны, соответствует разности хода (r_i-r).

Затем откорректированные сигналы суммируют в сумматоре. При этом каждая точка фокусирования определяет центр фокальной зоны или элемента изображения 104, продольный разрез которой задается расстоянием, разделяющим две линии фокусирования 112 или две смежные точки фокусирования, боковой размер которой задается расстоянием, разделяющим две линии сканирования 114.

Для одного элементарного сигнала продольный размер элемента изображения соответствует некоторому числу N временных выборок /квантованные сигналы/. При этом каждую фокальную зону или элемент изображения обозначают двумя временными индексами, рассчитываемыми на основе временного индекса точки фокусирования и числа N выборок.

Временную коррекцию осуществляют при помощи считывания с элементарного сигнала точек, связанных с каждой фокальной зоной. Затем эти точки запоминают в запоминающем устройстве, организованном в виде некоторой трехмерной таблицы, где два первых измерения представляют собой пространственные размеры и характеризуют желаемые величины фокальных расстояний и азимутов, а третье измерение представляет собой временную ось или направление.

Операцию суммирования откорректированных соответствующим образом элементарных сигналов выполняют путем обновления трехмерной таблицы для каждого элементарного сигнала. При этом осуществляют выявление огибающей путем взятия максимальной величины из временного измерения данной таблицы.

Полученная матрица содержит ультразвуковые данные изображения, выраженные в полярной системе координат. После получения таблицы изображение при помощи электронной схемы переводят в прямоугольную или декартову систему координат и отображают на экране.

Что касается формирования изображений шероховатых конструкций, различные математические модели показывают, что интенсивность поля, рассеянного шероховатыми поверхностями, может быть разделена на две составляющих.

Одна составляющая относится к так называемому "когерентному" рассеянию или, точнее говоря, к зеркальному отражению, а другая составляющая относится к так называемому "некогерентному" рассеянию, вызываемому шероховатостями данной поверхности. "Некогерентная" составляющая имеет тем больше, чем меньше длина падающей ультразвуковой волны по сравнению со средней высотой шероховатостей металлических конструкций.

В предпочтительном варианте разрешающая способность системы является возможно более высокой. Это позволяет пространственно разделить "когерентную" составляющую и "некогерентную" составляющую.

Однако технологические ограничения, накладываемые на используемые многоэлементные решетки, обусловливают максимальную частоту на уровне 1,6 МГц. Антенна характеризуется соотношением Δα = λ/L, где Δα представляет угловую разрешающую способность данной антенны, λ представляет длину волны ультразвукового излучения и L представляет длину многоэлементной решетки из элементарных ультразвуковых преобразовательных элементов, которое показывает, что угловая разрешающая способность антенны зависит от длины волны ультразвукового излучения и длины антенны.

Из-за технологических ограничений и сложности электрических цепей, связывающих различные элементарные ультразвуковые преобразовательные элементы, количество элементов данной антенны N= L/p=128, где р представляет собой межэлементный шаг. Следовательно, угловая разрешающая способность антенны будет тем выше, чем большее значение будет иметь соотношение p/λ.
Чтобы уменьшить уровни ложных сигналов или антрефактов изображения, поддерживают лепестки диаграммы направленности решеток за пределами поля зрения 30^o при любом отклонении центрального лепестка диаграммы направленности.

Для максимального угла отклонения центрального пучка направление первого лепестка диаграммы направленности решетки превышает 30^o в том случае, когда соотношение p/λ меньше или равно 4/3.

Соотношение p/λ, равное 4/3, обеспечивает оптимальную угловую разрешающую способность на уровне 0,33^o.

Чтобы поддержать акустическую мощность, достаточную для обеспечения поля зрения на уровне примерно 30^o, ультразвуковой антенне придают форму части цилиндра, что позволяет увеличить активную поверхность.

Чтобы обеспечить такую ширину пучка ультразвукового излучения в ортогональной плоскости, принимают раскрыв данной антенны на уровне 45^o с радиусом кривизны 20λ.
При этом излучаемая акустическая мощность оказывается достаточной для того, чтобы перекрыть дальность или глубину от 0,5 до 7 м. Эта дальность или глубина соответствуют размерным параметрам корпуса ядерного реактора на быстрых нейтронах.

Антенна ультразвуковой визуализации может быть введена во внутреннюю полость корпуса ядерного реактора на быстрых нейтронах.

Ядерный реактор на быстрых нейтронах 200 (фиг.5) представляет собой конструкцию с толстыми стенками из бетона 201, ограничивающую внутреннюю полость достаточно больших размеров, в которой установлен основной корпус реактора, содержащий и поддерживающий активную зону 206 ядерного реактора, а также определенный объем жидкого натрия 208, обеспечивающего охлаждение активной зоны.

Корпус ядерного реактора закрыт толстой крышкой 202, которая запирает активную зону реактора. В толстой крышке 202 предусмотрены специальные технологические отверстия 204 для загрузки и разгрузки ядерного реактора. Диаметр технологических отверстий 204 ограничивает максимально возможные габаритные размеры антенн системы ультразвуковой визуализации. Для диаметра 0,5 м выбирается антенна системы ультразвуковой визуализации, диаметр которой меньше или вписывается в цилиндр диаметром 0,5 м.

Максимальная длина антенны, составляющая 0,5 м, фиксирует минимальную частоту ультразвукового излучения на уровне примерно 0,8 МГц.

Установка для реализации способа ультразвуковой визуализации различных объектов в ядерных реакторах на быстрых нейтронах содержит антенну 20 описанного выше типа, предназначенную для передачи и приема ультразвуковых колебаний, и электронную систему 152 обработки ультразвуковых сигналов.

Электронная система обработки ультразвуковых сигналов 152 располагается в так называемой холодной зоне за пределами корпуса ядерного реактора на быстрых нейтронах. Электронная система обработки 152 ультразвуковых сигналов системы ультразвуковой визуализации в соответствии с предлагаемым изобретением содержит систему сбора 80 всех 128 входящих сигналов, принятых решеткой приема 24. Система сбора 80 (фиг.7) ультразвуковых сигналов содержит линейный усилитель 82 сигналов на уровне 50 дБ, полосовой фильтр 84 в диапазоне от 500 КГц до 2 МГц, логарифмический усилитель 86, проводящий динамику цифрового преобразователя от 48 до 77 дБ и аналого-цифровой преобразователь 88 с разрешающей способностью 8 бит. Электронная система может также содержать запоминающее устройство 90 и/или цифровую линию задержки 92. Упомянутые сигналы переводятся в цифровую форму с частотой квантования, десятикратно превышающей максимальную частоту излученного ультразвукового импульса, или с частотой порядка 20 МГц.

Система обработки 152 содержит также систему 156 обработки 128 входных ультразвуковых сигналов, принятых приемной решеткой ультразвуковых преобразовательных элементов антенны. Эта система может осуществлять для каждого элемента изображения операцию динамического отклонения и фокусирования на основе 128 входных сигналов. Операция реализует сканирование по азимуту входного пучка ультразвуковых колебаний в поле зрения данной системы визуализации.

Система 152 содержит также систему передачи 158, способную подать в передающую решетку антенны 20 некоторую последовательность ультразвуковых импульсов. В предпочтительном варианте реализации изобретения эта последовательность задерживается таким образом, чтобы сформировать пучок ультразвукового излучения в форме веера и обеспечить сканирование по углу места поля зрения системы ультразвуковой визуализации, и экран визуализации 154 ультразвукового изображения, сформированного системой обработки 156.

Ортогональная антенна 20 располагается во внутренней полости корпуса ядерного реактора на быстрых нейтронах и погружена в жидкий натрий, а электронная система располагается за пределами корпуса ядерного реактора.

Могут быть предусмотрены специальные средства удерживания и перемещения антенны в среде жидкого натрия во внутренней полости корпуса реактора на быстрых нейтронах. Эти средства позволяют обеспечить перемещение антенны с двумя степенями свободы, а именно: антенна может быть повернута вокруг оси ее поступательного перемещения и может быть перемещена поступательно вдоль оси соответствующего средства перемещения. В описанном примере средство перемещения представляет собой некоторую полую штангу 150.

Соединение антенны 20 с электронными системами обработки сигналов 152 осуществляется при помощи кабелей. Эти кабели проходят внутри полой штанги 150.

Изобретение представляет интерес для любых способов визуализации тех или иных объектов в некоторой оптически непрозрачной среде, даже в среде с высокой химической агрессивностью, и обеспечивает возможность визуализации гладких и шероховатых поверхностей в этой непрозрачной среде.

Формула изобретения

1. Преобразовательный элемент для передачи или приема ультразвуковых колебаний в среде жидкого натрия, содержащий в указанном порядке пьезокомпозитную керамику, слой смолы, способной противостоять воздействию высоких температур, и слой силикона.

2. Преобразовательный элемент по п. 1, отличающийся тем, что пьезокомпозитная керамика и слой смолы, способной противостоять воздействию высоких температур, имеют форму части цилиндрической поверхности.

3. Преобразовательный элемент по п. 2, отличающийся тем, что часть цилиндрической поверхности имеет радиус кривизны 20λ, где λ - длина волны ультразвукового излучения.

4. Преобразовательный элемент по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что смола, способная противостоять воздействию высоких температур, выбрана из группы, состоящей из термостойких эпоксидных смол.

5. Преобразовательный элемент для передачи или приема ультразвуковых колебаний в среде жидкого натрия, содержащий пьезокомпозитную керамику, слой смолы, способной противостоять воздействию высоких температур и покрывающей, по меньшей мере, одну сторону пьезокомпозитной керамики, а также слой силикона, покрывающий слой смолы, способной противостоять воздействию высоких температур.

6. Преобразовательный элемент по п. 5, отличающийся тем, что пьезокомпозитная керамика и слой смолы, способной противостоять воздействию высоких температур, имеют форму части цилиндрической поверхности.

7. Преобразовательный элемент по п. 6, отличающийся тем, что часть цилиндрической поверхности имеет радиус кривизны 20λ, где λ - длина волны ультразвукового излучения.

8. Преобразовательный элемент по любому из пп. 5-7, отличающийся тем, что смола, способная противостоять воздействию высоких температур, выбрана из группы, состоящей из термостойких эпоксидных смол.

9. Передающая решетка ультразвуковых преобразовательных элементов, содержащая множество передающих преобразовательных элементов, выполненных в соответствии с любым из пп. 1-8.

10. Передающая решетка по п. 9, отличающаяся тем, что передающие преобразовательные элементы расположены линейно.

11. Приемная решетка ультразвуковых преобразовательных элементов, содержащая множество принимающих преобразовательных элементов, выполненных в соответствии с любым из пп. 1-8.

12. Приемная решетка по п. 11, отличающаяся тем, что принимающие преобразовательные элементы расположены линейно.

13. Антенна передачи и приема ультразвуковых колебаний, содержащая передающую решетку ультразвуковых преобразовательных элементов по п. 9 и приемную решетку ультразвуковых преобразовательных элементов по п. 11.

14. Антенна передачи и приема ультразвуковых колебаний, содержащая передающую решетку по п. 10 и приемную решетку по п. 11.

15. Антенна по п. 14, отличающаяся тем, что передающая решетка размещена перпендикулярно приемной решетке.

16. Антенна по п. 15, отличающаяся тем, что передающая решетка содержит 128 преобразовательных элементов и приемная решетка содержит 128 преобразовательных элементов.

17. Антенна по п. 15, отличающаяся тем, что каждый преобразовательный элемент отдален от соседнего с ним преобразовательного элемента на 2 мм.

18. Антенна по любому из пп. 13-17, отличающаяся тем, что работает в диапазоне часто 0,6-1,8 МГц.

19. Антенна по любому из пп. 13-17, отличающаяся тем, что работает на частоте 1,6 МГц.

20. Способ ультразвуковой визуализации в оптически непрозрачной среде, отличающийся тем, что используют решетки ультразвуковых преобразовательных элементов по любому из пп. 9-12.

21. Способ ультразвуковой визуализации в оптически непрозрачной среде, отличающийся тем, что используют антенну передачи и приема ультразвуковых колебаний по любому из пп. 13-19.

22. Способ ультразвуковой визуализации объектов в ядерном реакторе на быстрых нейтронах, содержащем в качестве теплоносителя жидкий натрий, отличающийся тем, что используют антенну передачи и приема ультразвуковых колебаний по пп. 13-19.

23. Устройство ультразвуковой визуализации в непрозрачной среде, содержащее передающую решетку ультразвуковых преобразовательных элементов, выполненную в соответствии с любым из пп. 9-10, приемную решетку ультразвуковых преобразовательных элементов, выполненных в соответствии с любым из пп. 11 и 12, средство передачи, предназначенное для подачи на передающую решетку частоты ультразвуковых импульсов, средство сбора сигналов, принятых приемной решеткой ультразвуковых преобразовательных элементов, средство визуализации полученного ультразвукового изображения.

24. Устройство по п. 23, отличающееся тем, что содержит дополнительное средство, предназначенное для временной коррекции каждого элементарного сигнала, принятого каждым ультразвуковым преобразовательным элементом приемной решетки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7