RU2673419C1

RU2673419C1 - Spectrometer of ionizing radiation

Info

Publication number: RU2673419C1
Application number: RU2018106018A
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Храпов
Original assignee: Сергей Николаевич Храпов
Priority date: 2018-02-19
Filing date: 2018-02-19
Publication date: 2018-11-26

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to ionizing radiation spectrometers. Ionizing radiation spectrometer contains a germanium semiconductor detector, a detector moving device, cryostat for cooling the detector with liquid nitrogen; electronic modules for processing and storing signals received from the detector; controller; ultrasonic range finder. Cryostat contains a cryogenic vessel with liquid nitrogen, a tank on which the detector is fixed, a tube, the cavity of which is covered with a hydrophilic sorbent, a coaxial tube, and a remotely controlled shut-off valve. Inclined plate is installed in the upper part of the tank, a horizontal plate is installed in the middle part of the tank. Range finder is directed to an inclined plate and allows you to identify the need for topping up liquid nitrogen in the tank.EFFECT: reduction of the static error of measurement of the energy of detected charged particles.9 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к приборам для проведения ядерно-физических экспериментов, а именно к спектрометрам ионизирующих излучений в виде ядерных фрагментов, тяжелых элементарных частиц и гамма-квантов на основе полупроводниковых детекторов из сверхчистого германия, эксплуатируемых при криогенных температурах.The invention relates to devices for conducting nuclear physics experiments, and in particular to ionizing radiation spectrometers in the form of nuclear fragments, heavy elementary particles and gamma rays based on ultra-pure germanium semiconductor detectors operating at cryogenic temperatures.

Известен спектрометр ионизирующих излучений на основе газонаполненного детектора (В.К. Ляпидевский «Методы детектирования излучений». - М.: Энергоатомиздат, 1987, с.237). Преимуществом газонаполненного детектора ионизирующих излучений является отсутствие искажений, связанных с радиационным повреждением рабочего материала детектора, однако из-за малой плотности материала детектора он может применяться только для регистрации заряженных частиц и гамма-квантов небольшой энергии - до нескольких МэВ.Known ionizing radiation spectrometer based on a gas-filled detector (V.K. Lyapidevsky "Methods for the detection of radiation." - M .: Energoatomizdat, 1987, p.237). The advantage of a gas-filled ionizing radiation detector is the absence of distortion associated with radiation damage to the working material of the detector, but due to the low density of the material of the detector, it can only be used to detect charged particles and low-energy gamma-quanta - up to several MeV.

Известен спектрометр ионизирующих излучений на основе жидкого детектора (А.И. Абрамов и др. «Основы экспериментальных методов ядерной физики». - М.: Энергоатомиздат, 1985, с.151-154). В жидком детекторе ионизирующих излучений в качестве рабочего материала детектора используется жидкий аргон или жидкий ксенон. Жидкий детектор обладает большой тормозной способностью и может применяться для регистрации заряженных частиц и гамма-квантов в десятки МэВ, однако спектрометр на основе жидкого детектора обладает эксплуатационным недостатком, связанным с тем, что амплитуда сигнала на выходе детектора сильно зависит от примесей в используемом сжиженном газе, а поскольку сжиженный газ не может постоянно заполнять рабочий объем детектора и должен обновляться перед каждым сеансом работы спектрометра, сопровождающее этот процесс изменение амплитуды сигнала на выходе детектора требует выполнения калибровки детектора непосредственно перед началом сеанса работы, что не всегда возможно.Known ionizing radiation spectrometer based on a liquid detector (A. I. Abramov et al. "Fundamentals of experimental methods of nuclear physics." - M .: Energoatomizdat, 1985, p.151-154). In a liquid ionizing radiation detector, liquid argon or liquid xenon is used as the working material of the detector. A liquid detector has a high inhibitory ability and can be used to detect charged particles and gamma rays of tens of MeV, however, a spectrometer based on a liquid detector has an operational disadvantage due to the fact that the signal amplitude at the detector output is highly dependent on impurities in the liquefied gas used, and since liquefied gas cannot constantly fill the working volume of the detector and must be updated before each session of the spectrometer, the change in the amplitude of the signal accompanying this process The detector output requires calibration of the detector immediately before the start of a work session, which is not always possible.

Известен спектрометр ядерных излучений (патент Канады CA2743051 от 30.09.2014, МПК G01T1/20), содержащий сцинтилляционный детектор, фотоумножитель, электронные модули обработки сигналов. Спектрометр на основе сцинтилляционного детектора обладает высоким энергетическим и временным разрешением, однако применение фотоэлектронных умножителей обусловливает значительные габариты спектрометра, что затрудняет его применение в условиях ограниченного пространства.Known nuclear radiation spectrometer (Canadian patent CA2743051 dated 09/30/2014, IPC G01T1 / 20), containing a scintillation detector, a photomultiplier, electronic signal processing modules. A spectrometer based on a scintillation detector has a high energy and time resolution, however, the use of photoelectronic multipliers determines the significant dimensions of the spectrometer, which makes it difficult to use in confined spaces.

Известен спектрометр альфа-частиц (патент РФ №2159943 от 27.11.2000, МПК G01T1/36), содержащий полупроводниковый детектор альфа-частиц, подключенные к полупроводниковому детектору электронные модули обработки сигналов, поступающих от полупроводникового детектора, включающие последовательно соединенные зарядочувствительный предусилитель, формирующий усилитель, амплитудно-цифровой преобразователь, а также узел дискриминации сигналов по форме, при этом выход зарядочувствительного предусилителя соединен со входом узла дискриминации сигналов по форме, выход которого соединен со входом управления аналого-цифрового преобразователя.A known alpha-particle spectrometer (RF patent No. 2159943 dated 11.27.2000, IPC G01T1 / 36) containing a semiconductor alpha particle detector, electronic signal processing modules connected to a semiconductor detector, processing signals from a semiconductor detector, including a charge-sensitive preamplifier forming a amplifier in series , an amplitude-to-digital converter, as well as a node for discriminating signals by shape, while the output of the charge-sensitive preamplifier is connected to the input of the node for discriminating signals form, the output of which is connected to the control input of the analog-to-digital converter.

Полупроводниковые детекторы обладают большой тормозной способностью и могут применяться для регистрации заряженных частиц и гамма-квантов энергией десятки МэВ, спектрометр на основе полупроводниковых детекторов компактен и может использоваться в условиях ограниченного пространства, однако отсутствие системы криогенного охлаждения полупроводникового детектора исключает применение германиевых детекторов, обладающих более высокой тормозной способностью и большей толщиной чувствительного слоя, чем кремниевые полупроводниковые детекторы, эксплуатируемые при комнатной температуре.Semiconductor detectors have a high stopping power and can be used to detect charged particles and gamma rays with an energy of tens of MeV, a spectrometer based on semiconductor detectors is compact and can be used in confined spaces, however, the absence of a cryogenic cooling system for a semiconductor detector eliminates the use of germanium detectors with a higher stopping power and a greater thickness of the sensitive layer than silicon semiconductor de tectors operated at room temperature.

Прототипом заявленного изобретения является спектрометр ионизирующих излучений, известный из публикации в журнале «Приборы и техника эксперимента», 1999, №4, стр.65-71. Спектрометр по прототипу содержит полупроводниковый детектор ионизирующих излучений, электронные модули, криостат, устройство перемещения детектора, электронные модули содержат модули обработки сигналов, вход которых подключен к полупроводниковому детектору ионизирующих излучений, а также модуль сохранения оцифрованных сигналов, вход которого подключен к выходу модулей обработки сигналов, криостат включает в себя криогенный сосуд.The prototype of the claimed invention is an ionizing radiation spectrometer, known from a publication in the journal "Instruments and Experimental Techniques", 1999, No. 4, pp. 65-71. The prototype spectrometer contains a semiconductor ionizing radiation detector, electronic modules, a cryostat, a detector moving device, electronic modules contain signal processing modules whose input is connected to a semiconductor ionizing radiation detector, and a digitized signal storage module, the input of which is connected to the output of signal processing modules, The cryostat includes a cryogenic vessel.

Спектрометр по прототипу характеризуется тем, что криостат содержит также держатель детекторов, две трубки, электронагреватель, воздушный насос, в держателе детекторов имеется полость и два отверстия, полупроводниковый детектор ионизирующих излучений закреплен на держателе детекторов, трубки соединены с указанными отверстиями в держателе детекторов, электронагреватель выполнен в виде металлической емкости с двумя отверстиями и закрепленной в полости электронагревателя электрической спиралью, первая трубка соединяет держатель детекторов с криогенным сосудом Дьюара, заполненным жидким азотом, вторая трубка соединяет держатель детекторов с одним отверстием электронагревателя, второе отверстие электронагревателя соединено с воздушным насосом, устройство перемещения детектора содержит корпус, каретку, закрепленный в корпусе электродвигатель, червячный вал, соединенный с валом электродвигателя, каретка входит в зацепление с червячным валом и способна перемещаться вдоль корпуса, держатель детекторов соединен с кареткой, электронные модули содержат также модуль управления устройством перемещения детектора, модули обработки сигналов содержат последовательно подключенные предусилитель, усилитель, формирователь, аналого-цифровой преобразователь.The prototype spectrometer is characterized in that the cryostat also contains a detector holder, two tubes, an electric heater, an air pump, a detector cavity has a cavity and two holes, a semiconductor ionizing radiation detector is mounted on the detector holder, the tubes are connected to the indicated holes in the detector holder, the electric heater is made in the form of a metal container with two holes and an electric spiral fixed in the cavity of the electric heater, the first tube connects the holder ctor with a Dewar cryogenic vessel filled with liquid nitrogen, the second tube connects the detector holder with one hole of the electric heater, the second hole of the electric heater is connected to the air pump, the detector moving device contains a housing, a carriage, an electric motor fixed to the housing, a worm shaft connected to the electric motor shaft, a carriage engages with the worm shaft and is able to move along the housing, the detector holder is connected to the carriage, the electronic modules also contain a module board the device for moving the detector, the signal processing modules contain a series-connected preamplifier, amplifier, driver, analog-to-digital Converter.

Спектрометр работает следующим образом: электронагреватель, воздушный насос и электронные модули подключают к внешнему источнику питания, воздушный насос создает разрежение в трубках, соединенных с держателем детекторов, благодаря этому жидкий азот из криогенного сосуда Дьюара начинает поступать по первой трубке в держать детекторов, проходить через полость в держателе детекторов, затем проходить по второй трубке к нагревателю, переходить в нагревателе в газообразное состояние, после этого газообразный азот проходит через воздушный насос и выбрасывается в окружающее пространство. При этом держатель детекторов и установленный на нем полупроводниковый детектор на основе сверхчистого германия охлаждаются до криогенных температур.The spectrometer works as follows: an electric heater, an air pump, and electronic modules are connected to an external power source, the air pump creates a vacuum in the tubes connected to the detector holder, due to this, liquid nitrogen from the Dewar cryogenic vessel begins to flow through the first tube to hold the detectors, pass through the cavity in the detector holder, then pass through the second tube to the heater, switch to the gaseous state in the heater, after which gaseous nitrogen passes through the air pump and discharged into the surrounding area. In this case, the detector holder and the semiconductor detector based on ultrapure germanium mounted on it are cooled to cryogenic temperatures.

На полупроводниковый детектор подают высокое напряжение, при попадании заряженной частицы или гамма-кванта в полупроводниковый детектор происходит ионизация материала полупроводникового детектора, на электродах полупроводникового детектора накапливается заряд, и на выходе зарядочувствительного предварительного усилителя (предусилителя), подключенного к полупроводниковому детектору, формируется сигнал, который усиливается в усилителе и уже усиленный сигнал попадает в формирователь, где формируется нормализованный сигнал, амплитуда которого пропорциональна энергии, потерянной в полупроводниковом детекторе заряженной частицей или гамма-квантом. Нормализованные сигналы преобразуют в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе, полученные цифровые сигналы поступают в модуль сохранения оцифрованных сигналов, который записывает значения амплитуд оцифрованных сигналов в накопитель цифровых данных для последующего анализа. Криогенного сосуда Дьюра с жидким азотом объемом 25 л хватает на 20 часов непрерывной работы спектрометра.A high voltage is applied to the semiconductor detector, when a charged particle or gamma ray enters the semiconductor detector, the material of the semiconductor detector is ionized, a charge is accumulated on the electrodes of the semiconductor detector, and a signal is generated at the output of the charge-sensitive pre-amplifier (preamplifier) connected to the semiconductor detector, which amplified in the amplifier and the already amplified signal enters the former, where a normalized signal is formed, amplitude yes is proportional to the energy lost in the semiconductor detector, a charged particle or gamma quantum. Normalized signals are converted to digital form in an analog-to-digital converter, the received digital signals are sent to the digitized signal storage module, which records the amplitudes of the digitized signals in a digital data storage device for subsequent analysis. A cryogenic Dewer vessel with liquid nitrogen of 25 l is enough for 20 hours of continuous operation of the spectrometer.

Спектрометр по прототипу содержит криогенную систему охлаждения полупроводникового детектора, что позволяет применять полупроводниковые детекторы на основе сверхчистого германия, обладающие более высокой разрешающей способностью, большей толщиной живого слоя и тормозной способностью, чем кремниевые полупроводниковые детекторы, эксплуатируемые при комнатной температуре, однако недостатком спектрометра по прототипу является большой расход жидкого азота в условиях ограниченного запаса жидкого азота в криогенном сосуде и применении электронагревателя для интенсивного перевода жидкого азота в газообразное состояние. Если жидкий азот в криогенном сосуде закончился, а электрофизическая ядерная установка, например, ускоритель заряженных частиц, продолжает работать, то вход в зону размещения спектрометра для замены криогенного сосуда с жидким азотом невозможен и это ограничивает возможность набора длительной непрерывной статистики событий.The prototype spectrometer contains a cryogenic cooling system for the semiconductor detector, which allows the use of ultra-pure germanium semiconductor detectors with a higher resolution, a larger living layer thickness and braking ability than silicon semiconductor detectors operating at room temperature, but the prototype has a disadvantage in the prototype spectrometer high consumption of liquid nitrogen in conditions of a limited supply of liquid nitrogen in a cryogenic vessel and application and an electric heater for intensively transferring liquid nitrogen to a gaseous state. If liquid nitrogen in the cryogenic vessel has ended, and the electrophysical nuclear installation, for example, a charged particle accelerator, continues to operate, then entering the spectrometer placement area to replace the cryogenic vessel with liquid nitrogen is not possible and this limits the possibility of collecting long-term continuous statistics of events.

При разработке заявленного спектрометра решалась задача создания криогенного спектрометра, который мог бы эксплуатироваться непрерывно длительное время без вмешательства оператора в его работу.When developing the claimed spectrometer, the problem of creating a cryogenic spectrometer that could be operated continuously for a long time without operator intervention in its operation was solved.

Заявленный спектрометр ионизирующих излучений также содержит полупроводниковый детектор ионизирующих излучений, электронные модули, криостат, устройство перемещения детектора, электронные модули содержат модули обработки сигналов, вход которых подключен к полупроводниковому детектору ионизирующих излучений, а также модуль сохранения оцифрованных сигналов, вход которого подключен к выходу модулей обработки сигналов, криостат включает в себя криогенный сосуд.The claimed ionizing radiation spectrometer also contains a semiconductor ionizing radiation detector, electronic modules, a cryostat, a detector moving device, electronic modules contain signal processing modules, the input of which is connected to a semiconductor ionizing radiation detector, and a digital signal storage module, the input of which is connected to the output of the processing modules signals, the cryostat includes a cryogenic vessel.

Заявленный спектрометр отличается от спектрометра по прототипу тем, что криостат содержит также бачок, трубу, коаксиальную трубку, запорный вентиль, криогенную трубку, при этом полупроводниковый детектор ионизирующих излучений закреплен на бачке, внутренняя поверхность трубы имеет покрытие, содержащее гидрофильный сорбент, внутренний диаметр трубы превышает наружный диаметр коаксиальной трубки, запорный вентиль имеет входное и выходное отверстие, один конец коаксиальной трубки соединен с выходным отверстием запорного вентиля, второй конец коаксиальной трубки размещен в полости трубы, ось трубы и ось коаксиальной трубки лежат в одной вертикальной плоскости и параллельны между собой, один конец криогенной трубки соединен с входным отверстием запорного вентиля, второй конец криогенной трубки соединен с криогенным сосудом, в верхней части стенки бачка имеется сквозное отверстие, один конец трубы закреплен на верхней части стенки бачка в месте сквозного отверстия, так что полость трубы через сквозное отверстие соединяется с полостью бачка, второй конец трубы закреплен на устройстве перемещения детектора, в верхней части полости бачка напротив сквозного отверстия установлена наклонная пластина, имеющая плоскую полированную поверхность, перпендикулярную вертикальной плоскости, проходящей через ось трубы, и обращенную к нижней части стенки бачка, находящейся на стороне сквозного отверстия, в нижней части полости бачка имеется горизонтальная поверхность, образованная плоской металлической поверхностью, в средней части полости бачка на стенке бачка под наклонной пластиной установлена горизонтальная металлическая пластина, имеющая плоскую горизонтальную полированную поверхность с верхней стороны горизонтальной металлической пластины, нижняя сторона горизонтальной металлической пластины имеет шероховатую поверхность, на наружной поверхности коаксиальной трубки закреплен ультразвуковой дальномер, направленный на полированную поверхность наклонной пластины, электронные модули содержат также модуль управления вентилем и контроллер, выходы модуля управления вентилем подключены к управляющим входам запорного вентиля, выходы контроллера подключены к управляющему входу устройства перемещения детектора, к управляющему входу модуля управления вентилем, к входу ультразвукового дальномера, к управляющим входам модулей обработки сигналов, к управляющему входу модуля сохранения оцифрованных сигналов, входы контроллера подключены к выходу ультразвукового дальномера, к выходу устройства перемещения детектора.The claimed spectrometer differs from the prototype spectrometer in that the cryostat also contains a tank, a pipe, a coaxial tube, a shut-off valve, a cryogenic tube, while the semiconductor ionizing radiation detector is mounted on the tank, the inner surface of the tube has a coating containing a hydrophilic sorbent, the inner diameter of the pipe exceeds the outer diameter of the coaxial tube, the shut-off valve has an inlet and an outlet, one end of the coaxial tube is connected to the outlet of the shut-off valve, the second the end of the coaxial tube is placed in the cavity of the tube, the axis of the tube and the axis of the coaxial tube are parallel and parallel to each other, one end of the cryogenic tube is connected to the inlet of the shutoff valve, the second end of the cryogenic tube is connected to the cryogenic vessel, in the upper part of the tank wall there is a through hole, one end of the pipe is fixed on the upper part of the tank wall in place of the through hole, so that the pipe cavity through the through hole is connected to the tank cavity, the second end of the pipe is fixed on the detector moving device, an inclined plate is installed in the upper part of the tank cavity opposite the through hole, having a flat polished surface perpendicular to the vertical plane passing through the pipe axis and facing the lower part of the tank wall located on the side of the through hole in the lower part of the tank cavity there is a horizontal surface formed by a flat metal surface, in the middle part of the tank cavity on the wall of the tank under the inclined plate is installed horizontal a metal plate having a flat horizontal polished surface on the upper side of the horizontal metal plate, the lower side of the horizontal metal plate has a rough surface, an ultrasonic range finder is mounted on the outer surface of the coaxial tube, aimed at the polished surface of the inclined plate, the electronic modules also contain a valve control module and a controller, the outputs of the valve control module are connected to the control inputs of the shut-off valve, the outputs to the controller is connected to the control input of the detector moving device, to the control input of the valve control module, to the input of the ultrasonic range finder, to the control inputs of the signal processing modules, to the control input of the digital signal storage module, the controller inputs are connected to the output of the ultrasonic range finder, to the output of the detector moving device.

Основной технический результат, достигаемый в результате реализации заявленного изобретения - уменьшение статистической погрешности измерений энергии регистрируемых спектрометром заряженных частиц и гамма-квантов за один сеанс работы спектрометра без вмешательства человека в его работу. Снижение статистической погрешности измерений обеспечивается существенным повышением продолжительности непрерывной работы спектрометра и связанным с этим увеличением количества событий ядерных реакций, регистрируемых спектрометром за один сеанс непрерывной работы, с учетом того, что статистическая погрешность измерения энергии заряженных частиц или гамма-квантов находится в обратной зависимости от количества зарегистрированных заряженных частиц или гамма-квантов соответственно. Несмотря на то что при работе со спектрометром согласно заявленному изобретению регистрацию событий ядерных реакций периодически приходится приостанавливать для заливки жидкого азота в бачок, что снижает статистику регистрируемых событий, время на долив жидкого азота может занимать около одной минуты, а одна операции залива бачка объемом около одного литра обеспечивает работу спектрометра в течение нескольких часов без необходимости долива жидкого азота, поэтому временные потери, связанные с остановкой регистрации частиц и квантов из-за долива жидкого азота в бачок составляют долю процента от всего времени работы спектрометра. В то же время за счет уменьшенного расхода жидкого азота, обусловленного только пассивным испарением, спектрометр может работать намного большее время без необходимости остановки работы ядерной установки, обеспечивающей ядерные реакции, представляющие интерес в эксперименте, по сравнению со спектрометром по прототипу. При этом применение дальномера для регистрации критически малого уровня жидкого азота в бачке позволяет исключить размещение контактных датчиков, чувствительных к криогенным температурам или жидкости, вблизи бачка, находящегося в зоне интенсивного облучения, что могло бы приводить к ложным срабатываниям таких датчиков из-за воздействия ионизирующих излучений. Кроме того, использование дальномера позволяет избежать воздействия мощных электромагнитных систем ускорительной техники и накопительных колец, используемых для ускорения и фокусировки пучков заряженных частиц, работа которых приводит к большим электрическим наводкам на контактных датчиках, которые могли бы быть размещены вблизи бачка с жидким азотом вместо использования дальномера.The main technical result achieved as a result of the implementation of the claimed invention is to reduce the statistical error of energy measurements of charged particles and gamma-quanta recorded by the spectrometer in one session of the spectrometer without human intervention in its operation. The reduction of the statistical measurement error is provided by a significant increase in the duration of the continuous operation of the spectrometer and the associated increase in the number of nuclear reaction events recorded by the spectrometer in one continuous operation, taking into account the fact that the statistical error in measuring the energy of charged particles or gamma-quanta is inversely related to the number of registered charged particles or gamma rays, respectively. Despite the fact that when working with a spectrometer according to the claimed invention, the registration of events of nuclear reactions has to be periodically suspended for pouring liquid nitrogen into a tank, which reduces the statistics of recorded events, the time for adding liquid nitrogen can take about one minute, and one operation of filling a tank with a volume of about one a liter ensures the operation of the spectrometer for several hours without the need to top up liquid nitrogen, therefore, the temporary losses associated with stopping the registration of particles and quanta s of liquid nitrogen topping up the tank of a percent of the total operating time of the spectrometer. At the same time, due to the reduced consumption of liquid nitrogen, caused only by passive evaporation, the spectrometer can operate for a much longer time without the need to stop the operation of a nuclear installation that provides nuclear reactions of interest in the experiment, compared with the spectrometer of the prototype. At the same time, the use of a range finder for recording a critically low level of liquid nitrogen in a tank makes it possible to exclude the placement of contact sensors sensitive to cryogenic temperatures or liquids in the vicinity of a tank located in the zone of intense radiation, which could lead to false alarms of such sensors due to exposure to ionizing radiation . In addition, the use of the range finder allows you to avoid the effects of powerful electromagnetic systems of accelerator technology and storage rings used to accelerate and focus beams of charged particles, the operation of which leads to large electrical pickups on contact sensors that could be placed near the tank with liquid nitrogen instead of using the range finder .

Применение покрытия коаксиальной трубки и внутренней поверхности трубы, содержащего гидрофильный сорбент, обеспечивает поглощение ультразвуковых волн, падающих на такую поверхность, благодаря этому исключаются многократные отражения ультразвуковых волн от внутренней поверхности трубы и внешней поверхности коаксиальной трубки, отклоняющихся от прямой, направленной от ультразвукового дальномера к наклонной пластине, что позволяет исключить из расчетов дистанции от ультразвукового дальномера до поверхности отражения ультразвуковые волны, прошедшие намного большую дистанцию из-за многократных отражений от внутренней поверхности трубы и внешней поверхности коаксиальной трубки.The use of a coating of a coaxial tube and the inner surface of a tube containing a hydrophilic sorbent ensures the absorption of ultrasonic waves incident on such a surface, thereby eliminating multiple reflections of ultrasonic waves from the inner surface of the tube and the outer surface of the coaxial tube deviating from a straight line directed from the ultrasonic range finder to the inclined plate, which allows us to exclude from the calculation of the distance from the ultrasonic range finder to the reflection surface of the ultrasound e waves that have traveled a much greater distance due to multiple reflections from the inner surface of the tube and the outer surface of the coaxial tube.

При регистрации отраженных ультразвуковых волн ультразвуковая волна, отраженная от горизонтальной металлической пластины в верхней части металлического бачка, играет роль реперного сигнала, поскольку горизонтальная металлическая пластина находится выше уровня жидкого азота в металлическом бачке и факт регистрации ультразвуковой волны, отраженной от полированной поверхности горизонтальной металлической пластины, говорит о работоспособности системы. Если часть ультразвуковой волны, отраженной от поверхности на дне бачка, попадает на шероховатую поверхность горизонтальной металлической пластины, то она отражается расширяющимся рассеивающимся потоком благодаря шероховатости поверхности с нижней стороны горизонтальной металлической пластины, а, попав на поверхность кипящего жидкого азота, предварительно рассеянная, окончательно рассеивается, что исключает генерацию ложных сигналов в ультразвуковом дальномере, связанных с многократными переотражениями ультразвуковых волн в полости бачка.When registering reflected ultrasonic waves, an ultrasonic wave reflected from a horizontal metal plate in the upper part of the metal tank plays the role of a reference signal, since the horizontal metal plate is above the level of liquid nitrogen in the metal tank and the fact of registration of the ultrasonic wave reflected from the polished surface of the horizontal metal plate, talks about the health of the system. If a part of the ultrasonic wave reflected from the surface at the bottom of the tank hits the rough surface of a horizontal metal plate, then it is reflected by an expanding scattering stream due to the surface roughness on the underside of the horizontal metal plate, and once it reaches the surface of boiling liquid nitrogen, it is previously scattered and finally scattered , which eliminates the generation of false signals in the ultrasonic range finder associated with multiple re-reflections of ultrasonic waves to the floor STI tank.

В развитие заявленного изобретения полированная поверхность наклонной пластины образована металлической поверхностью, нижняя граница наклонной пластины находится не выше оси трубы, а нормаль к полированной поверхности наклонной пластины лежит в вертикальной плоскости, проходящей через ось трубы, и образует острый угол с вертикальной осью, направленной вниз,In development of the claimed invention, the polished surface of the inclined plate is formed by a metal surface, the lower boundary of the inclined plate is not higher than the axis of the pipe, and the normal to the polished surface of the inclined plate lies in a vertical plane passing through the axis of the pipe, and forms an acute angle with the vertical axis directed downward,

в предпочтительном исполнении нормаль к полированной поверхности наклонной пластины образует угол с вертикальной осью, направленной вниз, равный 45 градусам;in a preferred embodiment, the normal to the polished surface of the inclined plate forms an angle with a vertical axis directed downward, equal to 45 degrees;

бачок имеет форму цилиндра с двумя торцами, ось которого ориентирована вертикально, указанное сквозное отверстие выполнено в цилиндрической стенке бачка, труба соединена с цилиндрической стенкой бачка, так что труба входит в сквозное отверстие в цилиндрической стенке бачка и герметично закреплена в сквозном отверстии, наклонная пластина выполнена в виде металлической полированной пластины, закрепленной на стенке или верхнем торце бачка,the tank has the shape of a cylinder with two ends, the axis of which is oriented vertically, the specified through hole is made in the cylindrical wall of the tank, the pipe is connected to the cylindrical wall of the tank, so that the pipe enters the through hole in the cylindrical wall of the tank and is tightly fixed in the through hole, the inclined plate is made in the form of a polished metal plate mounted on the wall or upper end of the tank,

нижний торец бачка выполнен из бескислородной меди, в верхней части нижнего торца бачка выполнено углубление цилиндрической формы, при этом верхняя часть нижнего торца образует горизонтальную полированную кольцеобразную поверхность,the lower end of the tank is made of oxygen-free copper, in the upper part of the lower end of the tank there is a recess of cylindrical shape, while the upper part of the lower end forms a horizontal polished annular surface,

полупроводниковый детектор ионизирующих излучений закреплен на нижнем торце бачка,a semiconductor ionizing radiation detector is mounted on the lower end of the tank,

полупроводниковый детектор ионизирующих излучений включает в себя полупроводниковую пластину и металлическую оправу, выполненную из бескислородной меди, в которой закреплена полупроводниковая пластина, металлическая оправа полупроводникового детектора закреплена на нижнем торце бачка,the semiconductor ionizing radiation detector includes a semiconductor wafer and a metal frame made of oxygen-free copper, in which a semiconductor wafer is fixed, a metal frame of the semiconductor detector is mounted on the lower end of the tank,

ось трубы ориентирована горизонтально, часть коаксиальной трубки размещается в полости трубы, коаксиальная трубка нижней частью своей наружной поверхности касается нижней части внутренней поверхности трубы, наружная поверхность коаксиальной трубки имеет покрытие, содержащее гидрофильный сорбент; в предпочтительном исполнении гидрофильный сорбент выполнен в виде пористого стекла.the axis of the pipe is oriented horizontally, part of the coaxial tube is placed in the cavity of the pipe, the coaxial tube with the lower part of its outer surface touches the lower part of the inner surface of the pipe, the outer surface of the coaxial tube has a coating containing a hydrophilic sorbent; in a preferred embodiment, the hydrophilic sorbent is made in the form of porous glass.

В дальнейшее развитие изобретения коаксиальная трубка содержит внутреннюю и внешнюю трубки, соединенные между собой по краям, оси которых совпадают между собой, наружный диаметр внутренней трубки меньше внутреннего диаметра внешней трубки, пространство между указанными трубками герметизировано от пространства снаружи коаксиальной трубки и заполнено несколькими чередующимися слоями металлической фольги и минерального волокна, оборачивающими внутреннюю трубку, полость коаксиальной трубки образована полостью внутренней трубки, оси указанных трубок совпадают между собой;In a further development of the invention, the coaxial tube contains an inner and outer tube connected to each other along the edges, the axes of which coincide, the outer diameter of the inner tube is smaller than the inner diameter of the outer tube, the space between these tubes is sealed from the space outside the coaxial tube and filled with several alternating layers of metal foil and mineral fiber wrapping the inner tube, the cavity of the coaxial tube is formed by the cavity of the inner tube, axis these tubes coincide with each other;

запорный вентиль выполнен в виде дистанционно управляемого проходного клапана с электронным управлением, способным находиться в открытом и закрытом состоянии, в открытом состоянии запорного вентиля полость коаксиальной трубки соединяется с полостью криогенной трубки, запорный вентиль содержит задвижку в виде пластины из ферромагнитного материала, электромагнит, способный притягивать к себе задвижку, а также пружину, способную отталкивать задвижку от электромагнита, управляющие входы запорного вентиля образованы входами электромагнита, выходы модуля управления вентилем подключены к входам электромагнита, в закрытом состоянии запорного вентиля полость коаксиальной трубки отделена задвижкой от полости криогенной трубки, электромагнит запорного вентиля выполнен способным переводить запорный вентиль из открытого состояния в закрытое и из закрытого состояния в открытое;the shut-off valve is made in the form of a remotely controlled check valve with electronic control, capable of being in the open and closed state, in the open state of the shut-off valve, the cavity of the coaxial tube is connected to the cavity of the cryogenic tube, the shut-off valve contains a shutter in the form of a plate of ferromagnetic material, an electromagnet capable of attracting to itself the valve, as well as a spring capable of pushing the valve away from the electromagnet, the control inputs of the shut-off valve are formed by the inputs of the electromagnet the thread, the outputs of the valve control module are connected to the inputs of the electromagnet, in the closed state of the shut-off valve, the cavity of the coaxial tube is separated by a valve from the cavity of the cryogenic tube, the electromagnet of the shut-off valve is capable of transferring the shut-off valve from open to closed and from closed to open;

нормаль к полированной поверхности наклонной пластины образует острый угол с вертикальной осью, направленной вниз, отложенный в вертикальной плоскости, проходящей через ось трубы, между вертикальной осью, направленной вниз, и горизонтальной осью, параллельной оси трубы и направленной в сторону трубы;the normal to the polished surface of the inclined plate forms an acute angle with a vertical axis directed downward, laid off in a vertical plane passing through the axis of the pipe, between a vertical axis directed downward and a horizontal axis parallel to the axis of the pipe and directed towards the pipe;

нормаль к полированной поверхности наклонной пластины образует угол с вертикальной осью, направленной вниз., выраженный в градусах, который лежит в диапазоне от (45 - f) до (45 + f), где f = (D - d) / (8 L), где D - внутренний диаметр трубы, d - наружный диаметр коаксиальной трубки, L - расстояние от наклонной пластины до ультразвукового дальномера вдоль оси излучения ультразвуковых волн ультразвуковым дальномером,the normal to the polished surface of the inclined plate forms an angle with the vertical axis pointing down., expressed in degrees, which lies in the range from (45 - f) to (45 + f), where f = (D - d) / (8 L) where D is the inner diameter of the pipe, d is the outer diameter of the coaxial tube, L is the distance from the inclined plate to the ultrasonic range finder along the axis of the emission of ultrasonic waves by the ultrasonic range finder,

плоскость горизонтальной полированной поверхности с верхней стороны горизонтальной металлической пластины проходит через нижнюю часть полости трубы, горизонтальная полированная поверхность покрывает часть проекции полированной поверхности наклонной пластины на плоскость горизонтальной полированной поверхности;the plane of the horizontal polished surface from the upper side of the horizontal metal plate passes through the lower part of the pipe cavity, the horizontal polished surface covers part of the projection of the polished surface of the inclined plate onto the plane of the horizontal polished surface;

между горизонтальной поверхностью, образованной верхней частью нижнего торца бачка, и дном бачка имеется зазор, дно бачка образовано дном углубления цилиндрической формы, выполненном в верхней части нижнего торца бачка, часть горизонтальной поверхности размещена под наклонной пластиной, при этом, по меньшей мере, часть полированной поверхности наклонной пластины в проекции на горизонтальную плоскость, в которой лежит горизонтальная поверхность, проецируется на часть горизонтальной поверхности;there is a gap between the horizontal surface formed by the upper part of the lower end of the tank and the bottom of the tank, the bottom of the tank is formed by the bottom of a cylindrical recess made in the upper part of the lower end of the tank, a part of the horizontal surface is placed under an inclined plate, at least a part of which is polished the surface of the inclined plate in the projection onto the horizontal plane in which the horizontal surface lies is projected onto a part of the horizontal surface;

ультразвуковой дальномер выполнен способным излучать ультразвуковые волны, принимать отраженные ультразвуковые волны и генерировать электрический сигнал, параметры которого однозначно соответствуют длительности промежутка времени между моментом излучения ультразвуковой волны и моментом приема отраженной ультразвуковой волны, ультразвуковой дальномер ориентирован так, что направление излучения ультразвуковой волны ультразвуковым дальномером соответствует оси, параллельной оси трубы и проходящей через полость трубы, сквозное отверстие в стенке бачка и полированную поверхность наклонной пластины;the ultrasonic range finder is capable of emitting ultrasonic waves, receiving reflected ultrasonic waves and generating an electric signal whose parameters uniquely correspond to the length of time between the moment of emission of the ultrasonic wave and the moment of receiving the reflected ultrasonic wave, the ultrasonic range finder is oriented so that the direction of the radiation of the ultrasonic wave by the ultrasonic range finder corresponds to the axis parallel to the axis of the pipe and passing through the cavity of the pipe, through about hole in the wall of the tank and the polished surface of the inclined plate;

полость коаксиальной трубки образована полостью внутренней трубки, имеющей меньший диаметр, входящей в состав коаксиальной трубки, коаксиальная трубка содержит также две круглые шайбы из полимерного материала, установленные по краям коаксиальной трубки, внутренняя и внешняя трубки соединяются между собой с помощью указанных шайб, при этом край внутренней трубки входит в отверстие шайбы с натягом между наружной поверхностью внутренней трубки и отверстием шайбы, а шайба входит в полость внешней трубки, имеющей больший диаметр, с натягом между наружной поверхностью шайбы и внутренней поверхностью полости внешней трубки,the cavity of the coaxial tube is formed by the cavity of the inner tube, which has a smaller diameter, which is part of the coaxial tube, the coaxial tube also contains two round washers of polymeric material, mounted on the edges of the coaxial tube, the inner and outer tubes are interconnected using these washers, while the edge the inner tube enters the hole of the washer with an interference fit between the outer surface of the inner tube and the hole of the washer, and the washer enters the cavity of the outer tube having a larger diameter with an interference fit between the outer surface of the washer and the inner surface of the cavity of the outer tube,

площадь указанной горизонтальной поверхности, расположенной в нижней части полости бачка, составляет не менее разности площади сечения полости трубы в плоскости, перпендикулярной оси трубы, и площади сечения коаксиальной трубки по ее наружному диаметру в плоскости, перпендикулярной оси коаксиальной трубки,the area of the specified horizontal surface located in the lower part of the cavity of the tank is not less than the difference between the cross-sectional area of the pipe cavity in a plane perpendicular to the axis of the pipe and the cross-sectional area of the coaxial tube along its outer diameter in a plane perpendicular to the axis of the coaxial pipe,

площадь полированной поверхности горизонтальной металлической пластины не превышает половины площади горизонтальной проекции полированной поверхности наклонной пластины, благодаря этому поток ультразвуковой волны, отраженной от горизонтальной поверхности, расположенной в нижней части полости бачка, будет не меньше потока ультразвуковой волны, отраженной от полированной поверхности горизонтальной металлической пластины;the polished surface area of the horizontal metal plate does not exceed half the horizontal projection area of the polished surface of the inclined plate, due to this, the ultrasonic wave flux reflected from the horizontal surface located in the lower part of the tank cavity will be no less than the ultrasonic wave flux reflected from the polished surface of the horizontal metal plate;

устройство перемещения детектора содержит корпус, кронштейн, сервопривод, червячный вал, датчик угла поворота червячного вала, при этом сервопривод и датчик угла поворота червячного вала закреплены в корпусе, червячный вал соединен с валом сервопривода, кронштейн образует подвижное соединение с корпусом, входит в зацепление с червячным валом и выполнен способным перемещаться вдоль корпуса, полупроводниковый детектор ионизирующих излучений соединен с кронштейном, управляющий вход устройства перемещения детектора образован управляющим входом сервопривода, выход устройства перемещения детектора образован выходом датчика угла поворота червячного вала;the detector moving device comprises a housing, a bracket, a servo drive, a worm shaft, a worm angle sensor, the servo and the worm angle sensor are fixed in the housing, the worm shaft is connected to the servo shaft, the bracket forms a movable connection with the housing, engages with worm shaft and made capable of moving along the housing, a semiconductor ionizing radiation detector is connected to the bracket, the control input of the detector moving device is formed by controlling th input servo detector output displacement device is formed by the output angle sensor worm shaft;

спектрометр содержит также опорный фланец и сильфон, опорный фланец установлен на устройстве перемещения детектора, в опорном фланце имеется сквозное отверстие, труба герметично закреплена на опорном фланце, так что полость трубы сообщается через сквозное отверстие в опорном фланце с пространством со стороны размещения криогенного сосуда, на краях сильфона герметично закреплены фланцы сильфона, один край сильфона герметично закреплен на опорном фланце с помощью первого фланца сильфона, второй край сильфона герметично закреплен на фланце вакуумированной электрофизической установки с помощью второго фланца сильфона, так что вакуумное пространство электрофизической установки соединяется с пространством полости сильфона, при этом пространство полости трубы и полости бачка герметично изолировано от пространства полости сильфона;the spectrometer also contains a support flange and a bellows, the support flange is mounted on the detector moving device, there is a through hole in the support flange, the pipe is hermetically fixed on the support flange, so that the pipe cavity communicates through the through hole in the support flange with the space from the side of the cryogenic vessel, the bellows flanges are hermetically fixed to the bellows flanges, one bellows edge is sealed to the support flange using the first bellows flange, the second bellows edge is hermetically fixed to the flanges NCU evacuated electrophysical installation via the second flange of the bellows, so that the vacuum space is connected to the electrophysical installation space of the cavity of the bellows, the space of the cavity and the tube cavity is hermetically isolated from the tank space of the cavity of the bellows;

модули обработки сигналов содержат последовательно подключенные предусилитель, усилитель, формирователь нормализованных сигналов, аналого-цифровой преобразователь, предусилитель закреплен на устройстве перемещения детектора, усилитель, формирователь нормализованных сигналов, аналого-цифровой преобразователь и модуль сохранения оцифрованных сигналов установлены в лабораторной стойке, в опорном фланце установлены сквозные вакуумные электрические вводы, полупроводниковый детектор ионизирующих излучений подключен с помощью кабеля к вакуумному вводу со стороны полости сильфона, с противоположной стороны опорного фланца к этому же вакуумному вводу подключен кабель, соединяющий его с входом предусилителя, выход которого подключен к входу усилителя, выход которого подключен к входу формирователя нормализованных сигналов, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу модуля сохранения оцифрованных сигналов, способного сохранять параметры оцифрованных сигналов на накопителе цифровых данных.signal processing modules contain a pre-connected preamplifier, amplifier, normalized signal generator, analog-to-digital converter, the preamplifier is mounted on the detector moving device, amplifier, normalized signal generator, analog-digital converter and digitized signals storage module are installed in the laboratory rack, the support flange is installed end-to-end vacuum electrical inputs, a semiconductor ionizing radiation detector connected via cable I have a cable connected to the vacuum input from the side of the bellows cavity, from the opposite side of the support flange to the same vacuum input, connecting the cable to the input of the preamplifier, the output of which is connected to the input of the amplifier, the output of which is connected to the input of the normalizer, whose output is connected to the analog input -digital converter, the output of which is connected to the input of the module for storing digital signals, capable of storing the parameters of digital signals on a digital data storage device.

Спектрометр предназначен для выполнения длительных измерений энергии заряженных частиц (ядерных фрагментов и тяжелых элементарных частиц) и гамма-квантов в зоне воздействия ионизирующего излучения, где нахождение человека во время выполнения ядерно-физического эксперимента не допустимо, а также вблизи электрофизических установок, генерирующих мощное электромагнитное поле, в частности, вблизи ускорителей заряженных частиц, накопительных колец, систем электрической и магнитной фокусировки пучков заряженных частиц.The spectrometer is designed to carry out long-term measurements of the energy of charged particles (nuclear fragments and heavy elementary particles) and gamma rays in the zone of exposure to ionizing radiation, where a person’s presence during the performance of a nuclear physical experiment is not permissible, and also near electrophysical installations generating a powerful electromagnetic field in particular, near accelerators of charged particles, storage rings, systems of electric and magnetic focusing of beams of charged particles.

На фиг.1 показана схема спектрометра ионизирующих излучений;Figure 1 shows a diagram of a spectrometer of ionizing radiation;

на фиг.2 показана схема бачка для жидкого азота;figure 2 shows a diagram of a tank for liquid nitrogen;

на фиг.3 показана схема запорного вентиля;figure 3 shows a diagram of a shut-off valve;

на фиг.4 показана схема подключения электронных модулей спектрометра.figure 4 shows the connection diagram of the electronic modules of the spectrometer.

На фиг.1 показана схема спектрометра в предпочтительном варианте реализации заявленного изобретения. Спектрометр ионизирующих излучений содержит полупроводниковый детектор ионизирующих излучений 1 (далее - полупроводниковый детектор 1), криостат, устройство перемещения детектора 2, опорный фланец 75, соединенный с устройством перемещения детектора 2, и электронные модули. Полупроводниковый детектор 1 содержит полупроводниковую пластину 11 из сверхчистого германия толщиной от 0,5 см до 2 см и металлическую оправу 12 из бескислородной меди, в которой с помощью лепестков 13, изготовленных из бериллиевой бронзы, закреплена полупроводниковая пластина 11.Figure 1 shows a diagram of a spectrometer in a preferred embodiment of the claimed invention. The ionizing radiation spectrometer comprises a semiconductor ionizing radiation detector 1 (hereinafter referred to as a semiconductor detector 1), a cryostat, a device for moving the detector 2, a support flange 75 connected to the device for moving the detector 2, and electronic modules. The semiconductor detector 1 contains a semiconductor wafer 11 of ultra-pure germanium with a thickness of 0.5 cm to 2 cm and a metal frame 12 of oxygen-free copper, in which a semiconductor wafer 11 is fixed using the petals 13 made of beryllium bronze.

Криостат представляет собой систему охлаждения полупроводникового детектора 1 с помощью жидкого азота и включает в себя криогенный сосуд 3 (сосуд Дьюара) объемом 25 л и бачок 4, при этом полупроводниковый детектор 1 закреплен на бачке 4, а криогенный сосуд 3 содержит жидкий азот 33. На фиг.1 криогенный сосуд 3 показан схематично в более мелком масштабе, чем другие элементы конструкции спектрометра. Криостат содержит также трубу 34, один конец которой закреплен на устройстве перемещения детектора 2 с помощью опорного фланца 75, который закреплен на кронштейне 21 устройства перемещения детектора 2, а труба 34 герметично закреплена с помощью сварки в сквозном отверстии в опорном фланце 75. Криостат содержит также последовательно соединенные коаксиальную трубку 5, дистанционно управляемый запорный вентиль 30 с дискретным регулированием и электронным управлением (далее - вентиль 30) и криогенную трубку 35, один конец которой соединен с вентилем 30, а второй конец герметично соединен с криогенным сосудом 3, при этом криогенная трубка 35 соединена с входным отверстием вентиля 30, а коаксиальная трубка 5 соединена с выходным отверстием вентиля 30. Край криогенной трубки 37 образует зазор с дном криогенного сосуда 32, достаточный для прохождения жидкого азота 33 из криогенного сосуда 3 в полость криогенной трубки 35. Вентиль сброса избыточного давления 81 также герметично соединен с криогенным сосудом 3 для автоматического сброса избыточного давления выше заданного порога, возникающего в полости криогенного сосуда 3.The cryostat is a cooling system for the semiconductor detector 1 using liquid nitrogen and includes a cryogenic vessel 3 (Dewar vessel) with a volume of 25 l and a tank 4, while the semiconductor detector 1 is mounted on the tank 4, and the cryogenic vessel 3 contains liquid nitrogen 33. On figure 1 a cryogenic vessel 3 is shown schematically on a smaller scale than other structural elements of the spectrometer. The cryostat also contains a pipe 34, one end of which is fixed to the device for moving the detector 2 using a support flange 75, which is fixed to the bracket 21 of the device for moving the detector 2, and the pipe 34 is hermetically fixed by welding in a through hole in the support flange 75. The cryostat also connected in series with a coaxial tube 5, a remotely controlled shut-off valve 30 with discrete control and electronic control (hereinafter referred to as the valve 30) and a cryogenic tube 35, one end of which is connected to the valve 30, and the second end is hermetically connected to the cryogenic vessel 3, while the cryogenic tube 35 is connected to the inlet of the valve 30, and the coaxial tube 5 is connected to the outlet of the valve 30. The edge of the cryogenic tube 37 forms a gap with the bottom of the cryogenic vessel 32, sufficient for passage liquid nitrogen 33 from the cryogenic vessel 3 into the cavity of the cryogenic tube 35. The overpressure relief valve 81 is also hermetically connected to the cryogenic vessel 3 to automatically relieve excess pressure above a predetermined threshold arising in the polo cryogenic vessel 3.

На фиг.2 подробно показана схема бачка 4. В верхней части стенки бачка 47 со стороны трубы 34 имеется сквозное отверстие 50, бачок 4 закреплен на конце трубы 34, так что полость трубы 38 через сквозное отверстие 50 в стенке бачка 47 соединяется с полостью бачка 39. В верхней части полости бачка 39 напротив отверстия 50 установлена наклонная пластина 42, полированная поверхность которой 90 образует плоскость, обращенную к нижней части стенки бачка 47, находящейся на стороне сквозного отверстия 50, а нормаль к полированной поверхности наклонной пластины 91 лежит в вертикальной плоскости, проходящей через ось трубы 36, и направлена между вертикальной осью 92, направленной вниз, и горизонтальной осью 93, направленной в сторону трубы 34 и параллельной оси трубы 36.Figure 2 shows in detail the diagram of the tank 4. In the upper part of the wall of the tank 47 from the pipe 34 there is a through hole 50, the tank 4 is fixed at the end of the pipe 34, so that the cavity of the pipe 38 through the through hole 50 in the wall of the tank 47 is connected to the cavity of the tank 39. An inclined plate 42 is installed in the upper part of the cavity of the tank 39 opposite the hole 50, the polished surface of which 90 forms a plane facing the lower part of the wall of the tank 47 located on the side of the through hole 50, and the normal to the polished surface of the inclined plate 91 lies um in a vertical plane passing through the axis of the pipe 36 and is directed between the vertical axis 92 directed downward and the horizontal axis 93 directed towards the pipe 34 and parallel to the axis of the pipe 36.

В средней части полости бачка 39 на стенке бачка 47 под наклонной пластиной 42 установлена горизонтальная металлическая пластина 43, имеющая плоскую горизонтальную полированную поверхность с верхней стороны горизонтальной металлической пластины 43, плоскость которой проходит через нижнюю часть полости трубы 38, нижняя сторона горизонтальной металлической пластины 43 имеет шероховатую поверхность. В нижней части полости бачка 39 имеется горизонтальная поверхность 63, образованная плоской металлической поверхностью, между горизонтальной поверхностью 63 и дном бачка 64 имеется зазор 65. Проекция горизонтальной металлической пластины 43 на горизонтальную поверхность 63 покрывает часть проекции полированной поверхности наклонной пластины 90 на горизонтальную поверхность 63.In the middle part of the cavity of the tank 39, on the wall of the tank 47, under the inclined plate 42, a horizontal metal plate 43 is installed having a flat horizontal polished surface on the upper side of the horizontal metal plate 43, the plane of which passes through the lower part of the pipe cavity 38, the lower side of the horizontal metal plate 43 has rough surface. At the bottom of the cavity of the tank 39 there is a horizontal surface 63 formed by a flat metal surface, there is a gap 65 between the horizontal surface 63 and the bottom of the tank 64. The projection of the horizontal metal plate 43 onto the horizontal surface 63 covers part of the projection of the polished surface of the inclined plate 90 onto the horizontal surface 63.

Позицией 62 на фиг.2 показан уровень жидкого азота, когда ультразвуковые волны 94, испущенные ультразвуковым дальномером 31, могут отражаться от полированной поверхности наклонной пластины 90, затем часть ультразвуковых волн 94, отраженных от наклонной пластины 42 как ультразвуковые волны 95, могут отражаться от горизонтальной поверхности 63 как ультразвуковые волны 96, а затем, отразившись от наклонной пластины 42 как ультразвуковые волны 97, регистрироваться ультразвуковым дальномером 31. На фиг.1 показан уровень жидкого азота в рабочем состоянии спектрометра, когда ультразвуковые волны 95 рассеиваются на поверхности кипящего жидкого азота и отраженные ультразвуковые волны 96, 97 отсутствуют.62 shows the level of liquid nitrogen when the ultrasonic waves 94 emitted by the ultrasonic range finder 31 can be reflected from the polished surface of the inclined plate 90, then part of the ultrasonic waves 94 reflected from the inclined plate 42 as ultrasonic waves 95 can be reflected from the horizontal surface 63 as ultrasonic waves 96, and then, reflected from the inclined plate 42 as ultrasonic waves 97, register ultrasonic range finder 31. Figure 1 shows the level of liquid nitrogen in working condition spectrometer when ultrasonic waves 95 are scattered on the surface of boiling liquid nitrogen and reflected ultrasonic waves 96, 97 are absent.

Ось трубы 36 ориентирована горизонтально и параллельна оси коаксиальной трубки 57. Часть коаксиальной трубки 5 размещается в полости трубы 38, ось трубы 36 и ось коаксиальной трубки 57 параллельны между собой и лежат в одной вертикальной плоскости. При этом внутренний диаметр трубы 34 составляет 24 мм и вдвое превышает наружный диаметр коаксиальной трубки 5, который составляет 12 мм. Внутренняя поверхность трубы 36 имеет покрытие, содержащее гидрофильный сорбент в виде пористого стекла, наружная поверхность коаксиальной трубки 5 также имеет покрытие, содержащее гидрофильный сорбент в виде пористого стекла. Гидрофильный сорбент на наружной поверхности коаксиальной трубки препятствует многократному отражению ультразвуковых волн, а также исключает образование водного конденсата и наледи, которые могли бы образовываться на металлических поверхностях криостата, особенно после очередного долива жидкого азота, которая могла бы препятствовать перемещению коаксиальной трубки в полости трубы. На поверхности коаксиальной трубки 5 с ее наружной стороны закреплен ультразвуковой дальномер 31 типа HC-SR04, ось излучения которого направлена на наклонную пластину 42, а также коллиматор 83, размещенный между ультразвуковым дальномером 31 и наклонной пластиной 42 и способный ограничивать направления, с которых ультразвуковой дальномер 31 может принимать ультразвуковые волны. Коллиматор 83 изготовлен в виде трубки, через которую вдоль ее оси могут проходить ультразвуковые волны.The axis of the pipe 36 is oriented horizontally and parallel to the axis of the coaxial tube 57. Part of the coaxial tube 5 is located in the cavity of the pipe 38, the axis of the pipe 36 and the axis of the coaxial tube 57 are parallel to each other and lie in the same vertical plane. Moreover, the inner diameter of the pipe 34 is 24 mm and is twice as large as the outer diameter of the coaxial tube 5, which is 12 mm. The inner surface of the pipe 36 has a coating containing a hydrophilic sorbent in the form of porous glass, the outer surface of the coaxial tube 5 also has a coating containing a hydrophilic sorbent in the form of porous glass. The hydrophilic sorbent on the outer surface of the coaxial tube prevents the repeated reflection of ultrasonic waves, and also eliminates the formation of water condensate and ice that could form on the metal surfaces of the cryostat, especially after the next topping up of liquid nitrogen, which could interfere with the movement of the coaxial tube in the cavity of the tube. An HC-SR04 type ultrasonic range finder 31 is mounted on the surface of the coaxial tube 5 from its outer side, the radiation axis of which is directed to the inclined plate 42, as well as a collimator 83 located between the ultrasonic range finder 31 and the inclined plate 42 and capable of limiting the directions from which the ultrasonic range finder 31 may receive ultrasonic waves. The collimator 83 is made in the form of a tube through which ultrasonic waves can pass along its axis.

Наклонная пластина 42 выполнена в виде металлической пластины из немагнитной нержавеющей стали, нижняя граница наклонной пластины находится на оси трубы 36, коаксиальная трубка 5 нижней частью наружной поверхности касается нижней части внутренней поверхности трубы 34, так что при перемещении полупроводникового детектора 1 с помощью устройства перемещения детектора 2 вместе с трубой 34 относительно коаксиальной трубки 5 коаксиальная трубка 5 скользит по внутренней поверхности трубы 34.The inclined plate 42 is made in the form of a non-magnetic stainless steel metal plate, the lower boundary of the inclined plate is on the axis of the pipe 36, the coaxial tube 5 with the lower part of the outer surface touches the lower part of the inner surface of the pipe 34, so that when moving the semiconductor detector 1 using the detector moving device 2 together with the tube 34 relative to the coaxial tube 5, the coaxial tube 5 slides along the inner surface of the tube 34.

Бачок 4, предназначенный для наполнения его жидким азотом 41, имеет форму цилиндра с двумя торцами — нижним торцом 61 и верхним торцом 48. Ось бачка 40 ориентирована вертикально, сквозное отверстие 50 выполнено в цилиндрической стенке бачка 47, труба 34 соединена с цилиндрической стенкой бачка 47, так что труба 34 входит в сквозное отверстие 50 в цилиндрической стенке бачка 47 и герметично закреплена в сквозном отверстии 50 посредством сварки. Нижний торец бачка 61 выполнен из бескислородной меди, цилиндрическая стенка 47 и верхний торец бачка 48 изготовлены из немагнитной нержавеющей стали.The tank 4, designed to be filled with liquid nitrogen 41, has the shape of a cylinder with two ends - the lower end 61 and the upper end 48. The axis of the tank 40 is oriented vertically, the through hole 50 is made in the cylindrical wall of the tank 47, the pipe 34 is connected to the cylindrical wall of the tank 47 so that the pipe 34 enters the through hole 50 in the cylindrical wall of the tank 47 and is sealed in the through hole 50 by welding. The lower end of the tank 61 is made of oxygen-free copper, the cylindrical wall 47 and the upper end of the tank 48 are made of non-magnetic stainless steel.

В нижнем торце бачка 61 со стороны полости бачка 39 выполнено углубление 66 цилиндрической формы, при этом ось 69 цилиндра, образующего углубление 66, ориентирована вертикально, а верхняя часть нижнего торца бачка 61 образует горизонтальную полированную кольцеобразную поверхность 63 с переменной шириной кольца. Наклонная пластина 42 закреплена с помощью сварки на верхнем торце бачка 48. Часть горизонтальной поверхности 63 размещена под наклонной пластиной 42, при этом часть полированной поверхности наклонной пластины 90 в проекции на горизонтальную плоскость, в которой лежит горизонтальная поверхность 63, пересекается с частью горизонтальной поверхности 63. Внутренний диаметр бачка 4 составляет 60 мм, а внутренний диаметр углубления 66 составляет 25 мм, при этом площадь горизонтальной поверхности 63 составляет 2975 кв. мм. Площадь сечения полости трубы 34 в плоскости, перпендикулярной оси трубы 36, составляет 576 кв. мм, площадь сечения коаксиальной трубки 5 по ее наружному диаметру в плоскости, перпендикулярной оси коаксиальной трубки 57, составляет 196 кв. мм, поэтому разность площади сечения полости трубы 34 и площади сечения коаксиальной трубки 5 по ее наружному диаметру составляет 380 кв.мм. Таким образом, площадь горизонтальной поверхности 63 в несколько раз превышает разность площади сечения полости трубы 34 и площади сечения коаксиальной трубки 5 по ее наружному диаметру, что обеспечивает надежное отражение ультразвуковой волны 95 от горизонтальной поверхности 63, если уровень жидкого азота 62 ниже уровня горизонтальной поверхности 63.A cylindrical recess 66 is formed in the lower end of the tank 61 from the side of the tank 39 cavity, while the axis 69 of the cylinder forming the recess 66 is oriented vertically, and the upper part of the lower end of the tank 61 forms a horizontal polished annular surface 63 with a variable ring width. The inclined plate 42 is fixed by welding on the upper end of the tank 48. Part of the horizontal surface 63 is placed under the inclined plate 42, while part of the polished surface of the inclined plate 90 in the projection on the horizontal plane in which the horizontal surface 63 lies, intersects with part of the horizontal surface 63 The inner diameter of the tank 4 is 60 mm, and the inner diameter of the recess 66 is 25 mm, while the horizontal surface area 63 is 2975 square meters. mm The cross-sectional area of the cavity of the pipe 34 in a plane perpendicular to the axis of the pipe 36 is 576 square meters. mm, the cross-sectional area of the coaxial tube 5 by its outer diameter in the plane perpendicular to the axis of the coaxial tube 57 is 196 square meters. mm, therefore, the difference in the cross-sectional area of the pipe cavity 34 and the cross-sectional area of the coaxial tube 5 along its outer diameter is 380 sq. mm. Thus, the horizontal surface area 63 is several times greater than the difference between the cross-sectional area of the pipe cavity 34 and the cross-sectional area of the coaxial tube 5 in its outer diameter, which ensures reliable reflection of the ultrasonic wave 95 from the horizontal surface 63, if the level of liquid nitrogen 62 is lower than the level of the horizontal surface 63 .

Нормаль к полированной поверхности наклонной пластины 91 лежит в вертикальной плоскости, проходящей через ось трубы 36, в угловом секторе между вертикальной осью 92 и горизонтальной осью 93 и образует острый угол с вертикальной осью 92, так что нормаль к полированной поверхности наклонной пластины 91 также образует острый угол с горизонтальной осью 93. В предпочтительном исполнении нормаль к полированной поверхности наклонной пластины 91 образует угол с вертикальной осью 92, равный 45 градусам. В общем случае нормаль к полированной поверхности наклонной пластины 91 может образовывать угол с вертикальной осью 92, отложенный в направлении оси 93, выраженный в градусах, который лежит в диапазоне от (45 - f) до (45 + f), где f = (D - d) / (8 L), где D - внутренний диаметр трубы 34, d - наружный диаметр коаксиальной трубки 5, L - расстояние от ультразвукового дальномера 31 до ближайшей точки наклонной пластины 42 вдоль оси излучения ультразвуковых волн ультразвуковым дальномером.The normal to the polished surface of the inclined plate 91 lies in a vertical plane passing through the axis of the pipe 36, in the angular sector between the vertical axis 92 and the horizontal axis 93 and forms an acute angle with the vertical axis 92, so that the normal to the polished surface of the inclined plate 91 also forms a sharp an angle with a horizontal axis 93. In a preferred embodiment, the normal to the polished surface of the inclined plate 91 forms an angle with a vertical axis 92 of 45 degrees. In the general case, the normal to the polished surface of the inclined plate 91 can form an angle with the vertical axis 92, plotted in the direction of the axis 93, expressed in degrees, which lies in the range from (45 - f) to (45 + f), where f = (D - d) / (8 L), where D is the inner diameter of the tube 34, d is the outer diameter of the coaxial tube 5, L is the distance from the ultrasonic range finder 31 to the nearest point of the inclined plate 42 along the axis of the emission of ultrasonic waves by the ultrasonic range finder.

Полупроводниковый детектор 1 закреплен на нижнем торце бачка 61, для этого в нижнем торце бачка 61 с нижней стороны выполнены два вертикальных цилиндрических отверстия 67, 68 с метрической резьбой М10 и М6 соответственно, металлическая оправа полупроводникового детектора 12 закреплена на нижнем торце бачка 61 с помощью двух винтов 14, 15 с метрической резьбой М10 и М6 соответственно, которые завернуты в отверстия 67 и 68 соответственно.The semiconductor detector 1 is mounted on the lower end of the tank 61, for this, two vertical cylindrical holes 67, 68 with metric threads M10 and M6, respectively, are made in the lower end of the tank 61, respectively, the metal frame of the semiconductor detector 12 is mounted on the lower end of the tank 61 with two screws 14, 15 with metric threads M10 and M6, respectively, which are wrapped in holes 67 and 68, respectively.

Коаксиальная трубка 5 содержит две соосные трубки - внутреннюю трубку 51 и внешнюю трубку 52, соединенные между собой по краям. Внутренняя трубка 51 изготовлена из немагнитной нержавеющей стали и имеет внутренний диаметр 5 мм и толщину стенки 0,5 мм. Внешняя трубка 52 изготовлена из полистирола и имеет наружный диаметр 12 мм и толщину стенки 1 мм. Пространство 56 между соосными трубками 51, 52 заполнено несколькими чередующимися слоями металлической фольги и минерального волокна, оборачивающими внутреннюю трубку 51, имеющую меньший внутренний и наружный диаметр. Полость коаксиальной трубки 55 образована полостью внутренней трубки 51, коаксиальная трубка 5 содержит также две круглые шайбы, установленные по краям соосных трубок 51, 52, которые соединяются между собой с помощью указанных шайб, при этом используется посадка шайб с натягом.Coaxial tube 5 contains two coaxial tubes - the inner tube 51 and the outer tube 52, interconnected at the edges. The inner tube 51 is made of non-magnetic stainless steel and has an inner diameter of 5 mm and a wall thickness of 0.5 mm. The outer tube 52 is made of polystyrene and has an outer diameter of 12 mm and a wall thickness of 1 mm. The space 56 between the coaxial tubes 51, 52 is filled with several alternating layers of metal foil and mineral fiber wrapping the inner tube 51 having a smaller inner and outer diameter. The cavity of the coaxial tube 55 is formed by the cavity of the inner tube 51, the coaxial tube 5 also contains two round washers mounted on the edges of the coaxial tubes 51, 52, which are interconnected using these washers, using tight fit washers.

На фиг.2 показана круглая шайба 53 из полимерного материала в виде капролона. При этом край внутренней трубки 51 входит в круглое отверстие шайбы 53 с натягом между наружной поверхностью внутренней трубки 51 и отверстием шайбы 53, а шайба 53 входит в полость внешней трубки 52, имеющей больший внутренний и наружный диаметр, с натягом между наружной поверхностью шайбы 53 и внутренней поверхностью полости внешней трубки 52 большего диаметра. Аналогично другой край внутренней трубки 51 входит в круглое отверстие второй шайбы с натягом между наружной поверхностью внутренней трубки 51 и отверстием второй шайбы, а вторая шайба входит в полость внешней трубки 52 большего диаметра с натягом между наружной поверхностью второй шайбы и внутренней поверхностью полости внешней трубки 52.Figure 2 shows a round washer 53 of a polymer material in the form of caprolon. The edge of the inner tube 51 enters the circular hole of the washer 53 with an interference fit between the outer surface of the inner tube 51 and the hole of the washer 53, and the washer 53 enters the cavity of the outer tube 52 having a larger inner and outer diameter, with an interference fit between the outer surface of the washer 53 and the inner surface of the cavity of the outer tube 52 of a larger diameter. Similarly, the other edge of the inner tube 51 fits into the round hole of the second washer with an interference fit between the outer surface of the inner tube 51 and the hole of the second washer, and the second washer enters the cavity of the outer tube 52 of a larger diameter with an interference fit between the outer surface of the second washer and the inner surface of the cavity of the outer tube 52 .

Запорный вентиль 30 представляет собой дистанционно управляемый проходной клапан с электронным управлением и дискретным регулированием и содержит элементы составного корпуса 621, 622, 623 (см. фиг.3), электромагнит 601 с подключенным к нему электрическим проводом (кабелем) 606, задвижку 602, изготовленную в виде пластины из ферромагнитного материала, а также пружину 603 и имеет входное отверстие 604 и выходное отверстие 605, входное отверстие 604 с помощью герметичного трубного резьбового соединения 611 соединено с криогенной трубкой 35, а выходное отверстие 605 с помощью резиновой муфты 610 соединено с внутренней трубкой 51 коаксиальной трубки 5.The shut-off valve 30 is a remotely controlled check valve with electronic control and discrete control and contains elements of a composite housing 621, 622, 623 (see figure 3), an electromagnet 601 with an electric wire (cable) 606 connected to it, a valve 602 made in the form of a plate of ferromagnetic material, as well as a spring 603 and has an inlet 604 and an outlet 605, an inlet 604 is connected to a cryogenic tube 35 using a sealed pipe threaded connection 611, and the outlet e 605 using a rubber sleeve 610 connected to the inner tube 51 of the coaxial tube 5.

Вентиль 30 выполнен способным находиться в открытом и закрытом состоянии. Электромагнит 601 выполнен способным переводить вентиль 30 из открытого состояния в закрытое и из закрытого состояния в открытое путем перемещения задвижки 602, поскольку электромагнит 601 способен притягивать задвижку 602, если по кабелю 606, подключенному к электромагниту 601, поступает электропитание. При этом задвижка 602 открывает проход между полостью 608 и выходным отверстием 605. В открытом состоянии вентиля 30 через электромагнит 602 течет электрический ток, задвижка 602 притягивается к электромагниту 601, и жидкий азот течет из полости криогенной трубки 35 через входное отверстие 604, полость 608, отверстия в задвижке 607, выходное отверстие 605 в полость внутренней трубки 51. Таким образом, в открытом состоянии вентиля 30 область пространства полости коаксиальной трубки 55 через области пространства полостей в вентиле 30 соединяется с областью пространства полости криогенной трубки 35, соединенной с криогенным сосудом 3, и с пространством внутри криогенного сосуда 3, заполненным жидким азотом 33.Valve 30 is configured to be open and closed. Electromagnet 601 is capable of translating valve 30 from an open state to a closed state and from a closed state to an open state by moving the valve 602, since the electromagnet 601 is capable of attracting the valve 602 if power is supplied through the cable 606 connected to the electromagnet 601. In this case, the valve 602 opens the passage between the cavity 608 and the outlet 605. In the open state of the valve 30, an electric current flows through the electromagnet 602, the valve 602 is attracted to the electromagnet 601, and liquid nitrogen flows from the cavity of the cryogenic tube 35 through the inlet 604, cavity 608, holes in the valve 607, the outlet 605 into the cavity of the inner tube 51. Thus, in the open state of the valve 30, the space region of the cavity of the coaxial tube 55 through the space region of the cavities in the valve 30 is connected to the the cavity of the cryogenic tube 35 connected to the cryogenic vessel 3, and with the space inside the cryogenic vessel 3 filled with liquid nitrogen 33.

Если электрический ток не течет через электромагнит 601, то пружина 603 прижимает задвижку 602 к кольцевому выступу 612, так что задвижка 602 перекрывает проход между полостью 608 и выходным отверстием 605 и, соответственно, препятствуют соединению области пространства полости коаксиальной трубки 55 с областью пространства полости криогенной трубки 35, поэтому при закрытом состоянии вентиля 30 жидкий азот не может попасть через криогенную трубку 35 из криогенного сосуда 3 в полость коаксиальной трубки 55. В предпочтительном исполнении задвижка 602 изготовлена из магнитомягкой стали, шестигранник 609 позволяет использовать гаечный ключ для закрепления вентиля 30 на криогенной трубке 35.If the electric current does not flow through the electromagnet 601, then the spring 603 presses the valve 602 against the annular protrusion 612, so that the valve 602 blocks the passage between the cavity 608 and the outlet 605 and, accordingly, prevents the space region of the cavity of the coaxial tube 55 from connecting to the space region of the cryogenic cavity tube 35, therefore, when the valve 30 is closed, liquid nitrogen cannot enter through the cryogenic tube 35 from the cryogenic vessel 3 into the cavity of the coaxial tube 55. In a preferred embodiment, the valve made of soft steel, hex 609 allows you to use a wrench to secure the valve 30 on the cryogenic tube 35.

Область пространства полости трубы 38 (см. фиг.2) через сквозное отверстие 50 в стенке бачка 47 соединяется с областью пространства полости бачка 39, размер сквозного отверстия 50 достаточен для того, чтобы при горизонтальном перемещении бачка 4 относительно коаксиальной трубки 5 коаксиальная трубка 5 могла через сквозное отверстие 50 углубиться в полость бачка 39.The space region of the pipe cavity 38 (see FIG. 2) is connected through the through hole 50 in the wall of the tank 47 to the space region of the cavity of the tank 39, the size of the through hole 50 is sufficient so that when the tank 4 is horizontally moved relative to the coaxial tube 5, the coaxial tube 5 can go through the through hole 50 into the cavity of the tank 39.

Ультразвуковой дальномер 31 выполнен способным излучать ультразвуковые волны 94, принимать отраженные ультразвуковые волны 97 и генерировать электрический цифровой ШИМ-сигнал, параметры которого (скважность) однозначно соответствуют длительности промежутка времени между моментом излучения ультразвуковой волны 94 и моментом приема отраженной ультразвуковой волны 97.The ultrasonic range finder 31 is made capable of emitting ultrasonic waves 94, receiving reflected ultrasonic waves 97 and generating an electric digital PWM signal whose parameters (duty cycle) uniquely correspond to the length of time between the moment of emission of the ultrasonic wave 94 and the moment of receiving the reflected ultrasonic wave 97.

В одном сквозном отверстии, выполненном в опорном фланце 75, проходит труба 34, которая герметично заварена в указанном отверстии. Во втором сквозном отверстии в опорном фланце 75 установлен электрический вакуумный ввод 17, который герметично заварен в опорном фланце 75. Полупроводниковый детектор 1 размещается в вакуумированной области полости сильфона 76, соединяющейся с вакуумированной областью электрофизической установки 77. На концах цилиндрического вакуумного сильфона 72 герметично закреплены фланцы сильфона 73, 74. На опорном фланце 75 закреплен фланец сильфона 74, фланец сильфона 73 закреплен на фланце электрофизической установки 71. Полость электрофизической установки 77 вакуумирована и соединяется с полостью накопительного кольца, в котором аккумулируются пучки заряженных частиц. При этом пространство полости трубы 38 герметично изолировано от пространства полости сильфона 76. Ось фланца электрофизической установки 70, ось сильфона 72 и оси фланцев сильфона 73, 74 совпадают между собой.In one through hole made in the support flange 75, there passes a pipe 34, which is hermetically sealed in the specified hole. An electric vacuum inlet 17 is installed in the second through hole in the support flange 75, which is hermetically sealed in the support flange 75. The semiconductor detector 1 is placed in the evacuated region of the bellows cavity 76, which is connected to the vacuum region of the electrophysical installation 77. The flanges are sealed to the ends of the cylindrical vacuum bellows 72 bellows 73, 74. A flange of a bellows 74 is fixed to a support flange 75, a flange of a bellows 73 is fixed to a flange of an electrophysical installation 71. A cavity of an electrophysical set Application 77 is evacuated and is connected with the cavity of the storage ring, wherein the beams of charged particles are accumulated. The space of the pipe cavity 38 is hermetically isolated from the space of the cavity of the bellows 76. The axis of the flange of the electrophysical installation 70, the axis of the bellows 72 and the axis of the flanges of the bellows 73, 74 coincide.

Цилиндрический вакуумный сильфон 72 изготовлен из множества сваренных между собой колец из тонколистовой немагнитной нержавеющей стали. Кольца сварены с соседними кольцами попеременно по внутреннему и по внешнему круглому краю - каждое кольцо, сваренное с одним из соседних колец по внутреннему круглому краю, сварено со вторым соседним кольцом по внешнему круглому краю, так что множество колец образует «гармошку», поэтому сильфон 72 может сжиматься и растягиваться вдоль своей оси, сохраняя герметичность полости сильфона 76 при перемещении бачка 4 с установленным на нем полупроводниковым детектором 1 в область полости электрофизической установки 77 благодаря сжатию сильфона 72 и при обратном движении благодаря растяжению сильфона 72. В межфланцевых соединениях фланцев сильфона 73, 74 используются прокладки из бескислородной меди.The cylindrical vacuum bellows 72 is made of a plurality of rings welded together from thin-sheet non-magnetic stainless steel. The rings are welded with adjacent rings alternately along the inner and outer round edges - each ring welded with one of the neighboring rings along the inner round edge is welded with the second adjacent ring along the outer round edge, so that many rings form an "accordion", so the bellows 72 can compress and stretch along its axis, maintaining the tightness of the bellows cavity 76 when moving the tank 4 with a semiconductor detector 1 mounted on it into the cavity region of the electrophysical installation 77 due to the compression of the bellows 72 and in the reverse movement due to the extension of the bellows 72. In the interflange joints of the flanges of the bellows 73, 74, oxygen-free copper gaskets are used.

Устройство перемещения детектора 2 способно линейно перемещать полупроводниковый детектор 1 с бачком 4 в горизонтальной плоскости вдоль оси, параллельной оси сильфона 72. Устройство перемещения детектора 2 содержит сервопривод 23, на валу которого закреплен червячный вал 24, который входит в зацепление с резьбовым отверстием в кронштейне 21, так что вращение червячного вала 24 приводит к линейному перемещению кронштейна 21 вдоль оси, параллельной оси сильфона 72, в направлениях, указанных стрелками 26, в зависимости от направления вращения червячного вала 24. Второй конец червячного вала 24 соединен с датчиком угла поворота червячного вала 25, который позволяет измерять угол поворота червячного вала 24 и соответствующее этому углу значение линейного перемещения кронштейна 21 и, соответственно, бачка 4 с установленным на нем полупроводниковым детектором 1.The device for moving the detector 2 is capable of linearly moving the semiconductor detector 1 with the tank 4 in a horizontal plane along an axis parallel to the axis of the bellows 72. The device for moving the detector 2 contains a servo drive 23, on the shaft of which a worm shaft 24 is fixed, which engages with a threaded hole in the bracket 21 so that the rotation of the worm shaft 24 results in a linear movement of the bracket 21 along an axis parallel to the axis of the bellows 72 in the directions indicated by arrows 26, depending on the direction of rotation of the worm Nogo shaft 24. The second end of the worm shaft 24 is connected with a sensor rotation angle of the worm shaft 25, which measures the angle of rotation of the worm shaft 24 and corresponding to this angle value of the linear displacement arm 21 and, respectively, the tank 4 to the semiconductor mounted thereon detector 1.

Электронные модули (см. фиг.4) содержат модули обработки сигналов, поступающих от полупроводникового детектора 1, модуль сохранения оцифрованных сигналов 180, способный сохранять оцифрованные сигналы на носителе цифровых данных 181, входящем в состав модуля сохранения оцифрованных сигналов 180, а также контроллер 120 и модуль управления вентилем 130. При этом вход модулей обработки сигналов подключен к полупроводниковому детектору 1. Модули обработки сигналов содержат последовательно подключенные зарядочувствительный предварительный усилитель 140 (далее - предусилитель 140), усилитель 150, формирователь нормализованных сигналов 160, аналого-цифровой преобразователь 170. Вход модулей обработки сигналов образован входом предусилителя 140, а выход модулей обработки сигналов образован выходом аналого-цифрового преобразователя 170. Примеры реализации электронных модулей обработки сигналов, поступающих от полупроводникового детектора, и модуля сохранения оцифрованных сигналов 180 хорошо известны из уровня техники, в том числе из источника, в котором описан прототип заявленного изобретения.The electronic modules (see Fig. 4) comprise modules for processing signals received from the semiconductor detector 1, a module for storing digital signals 180, capable of storing the digital signals on a digital storage medium 181, which is part of the module for storing digital signals 180, as well as a controller 120 and valve control module 130. In this case, the input of the signal processing modules is connected to the semiconductor detector 1. The signal processing modules contain series-connected charge-sensitive preliminary amplifiers 140 (hereinafter referred to as preamplifier 140), amplifier 150, normalized signal generator 160, analog-to-digital converter 170. The input of signal processing modules is formed by the input of preamplifier 140, and the output of signal processing modules is formed by the output of analog-digital converter 170. Examples of implementation of electronic processing modules the signals from the semiconductor detector, and the module for storing the digitized signals 180 are well known in the art, including from the source that describes the prototype of the claimed invention i.

Предусилитель 140 закреплен на опорном фланце 75 с помощью кронштейна 84, усилитель 150, формирователь нормализованных сигналов 160, аналого-цифровой преобразователь 170, модуль сохранения оцифрованных сигналов 180, контроллер 120, модуль управления вентилем 130 выполнены в виде функциональных модулей в стандарте КАМАК и установлены в крейте лабораторной стойки 190, обеспечивающей сопряжение с магистрально-модульной шиной в конструктиве «Евромеханика». Стойка 190 расположена на расстоянии от 5 до 20 м от предусилителя 140.The preamplifier 140 is mounted on the support flange 75 using the bracket 84, an amplifier 150, a normalized signal conditioner 160, an analog-to-digital converter 170, a digital signal storage module 180, a controller 120, a valve control module 130 are made as functional modules in the CAMAC standard and are installed in Dump the laboratory rack 190, which provides interfacing with the main-modular bus in the Euromechanics construct. The rack 190 is located at a distance of 5 to 20 m from the preamplifier 140.

Полупроводниковый детектор 1 с помощью вакуумного кабеля 16 подключен к электрическому вакуумному вводу 17 со стороны полости сильфона 76, с другой стороны к электрическому вакуумному вводу 17 подключен кабель 82, второй конец которого подключен к входу предусилителя 140, выход которого с помощью кабеля 141 подключен к сигнальному входу усилителя 150, выход которого подключен к сигнальному входу формирователя нормализованных сигналов 160, выход которого подключен к аналоговому сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя 170, выход которого подключен к интерфейсному входу компьютерного модуля сохранения оцифрованных сигналов 180, способного сохранять оцифрованные данные на накопителе цифровых данных 181 в виде жесткого магнитного диска или флеш-накопителя.The semiconductor detector 1 is connected via a vacuum cable 16 to an electric vacuum inlet 17 from the side of the bellows cavity 76, on the other hand, a cable 82 is connected to the electric vacuum inlet 17, the second end of which is connected to the input of the preamplifier 140, the output of which is connected via a cable 141 to the signal the input of the amplifier 150, the output of which is connected to the signal input of the normalized signal generator 160, the output of which is connected to the analog signal input of the analog-to-digital converter 170, the output of which о is connected to the interface input of the computer module for storing digital signals 180, capable of storing the digitized data on the digital data storage device 181 in the form of a hard magnetic disk or flash drive.

Контроллер 120 выполнен на основе контроллера Arduino UNO с микроконтроллером типа ATmega328p, флеш-памятью объемом 32 кбайт и SRAM-памятью объемом 2 кбайт. Модули флеш-памяти контроллера 120 используются для хранения алгоритмической программы, которую выполняет микроконтроллер ATmega328p, а модули SRAM-памяти используются для хранения переменных величин, используемых алгоритмической программой при ее выполнении. Алгоритмическую программу записывают во флеш-память при подключении к контроллеру 120 программатора или компьютера, на котором предварительно создается исходный, а затем объектный код программы.The controller 120 is based on an Arduino UNO controller with an ATmega328p type microcontroller, 32 KB flash memory and 2 KB SRAM memory. The flash memory modules of controller 120 are used to store the algorithm program that the ATmega328p microcontroller executes, and the SRAM memory modules are used to store the variables used by the algorithm program to execute it. The algorithm program is written to flash memory when a programmer or computer is connected to the controller 120, on which the source and then the object code of the program are previously created.

Контроллер 120 подключен к входу и выходу ультразвукового дальномера 31, входу модуля управления вентилем 130, управляющему входу сервопривода 23, выходу датчика угла поворота червячного вала 25, управляющему входу формирователя нормализованных сигналов 160, управляющему входу модуля сохранения оцифрованных сигналов 180. Сервопривод 23 выполнен в виде синхронного электромеханического сервопривода вращательного движения.The controller 120 is connected to the input and output of the ultrasonic rangefinder 31, the input of the valve control module 130, the control input of the servo drive 23, the output of the angle sensor of the worm shaft 25, the control input of the normalized signal generator 160, the control input of the digital signal storage module 180. The servo drive 23 is made in the form synchronous electromechanical servo rotational motion.

Ультразвуковой дальномер 31 периодически по сигналу от контроллера 120 излучает направленную ультразвуковую волну 94 в сторону наклонной пластины 42 и принимает отраженную ультразвуковую волну 97. Контроллер 120 получает от ультразвукового дальномера 31 закодированное значение промежутка времени между моментом излучения ультразвуковой волны 94 и моментом приема отраженной ультразвуковой волны 97, и на основании этого значения рассчитывает расстояние между дальномером 31 и поверхностью, которая отразила ультразвуковую волну в противоположном направлении. Контроллер 120 подает управляющие сигналы на сервопривод 23 для поворота червячного вала 24 на угол, который контроллер 120 рассчитывает в зависимости от дистанции, на которую нужно переместить кронштейн 21 вместе с полупроводниковым детектором 1. В процессе вращения червячного вала 24 контроллер 120 анализирует сигналы от датчика угла поворота червячного вала 25.The ultrasonic range finder 31 periodically, upon a signal from the controller 120, emits a directed ultrasonic wave 94 towards the inclined plate 42 and receives the reflected ultrasonic wave 97. The controller 120 receives from the ultrasonic range finder 31 the encoded time interval between the moment of emission of the ultrasonic wave 94 and the moment of reception of the reflected ultrasonic wave 97 , and based on this value calculates the distance between the range finder 31 and the surface that reflected the ultrasonic wave in the opposite direction. The controller 120 supplies control signals to the servo drive 23 to rotate the worm shaft 24 through an angle that the controller 120 calculates depending on the distance by which the bracket 21 must be moved together with the semiconductor detector 1. During the rotation of the worm shaft 24, the controller 120 analyzes the signals from the angle sensor turning the worm shaft 25.

Модуль управления вентилем 130 выполнен в виде электрического силового реле, имеющего силовые входы, силовые выходы и цифровой вход управления (управляющий вход). Цифровой вход управления электрического силового реле подключен к одному из выходов контроллера 120, силовые выходы электрического силового реле подключены к входам электромагнита 601 с помощью кабеля 606 (фиг.3). Силовые входы электрического силового реле подключены к источнику питания, обеспечивающему напряжение и ток, необходимые электромагниту 601 для переключения вентиля 30 из закрытого в открытое состояние.The valve control module 130 is made in the form of an electric power relay having power inputs, power outputs and a digital control input (control input). The digital control input of the electric power relay is connected to one of the outputs of the controller 120, the power outputs of the electric power relay are connected to the inputs of the electromagnet 601 using cable 606 (figure 3). The power inputs of the electric power relay are connected to a power source that provides the voltage and current required by the electromagnet 601 to switch the valve 30 from closed to open.

Спектрометр ядерных ионизирующих излучений предназначен для выполнения длительных измерений энергии ядерных фрагментов, тяжелых элементарных частиц и гамма-квантов с энергией от нескольких МэВ до нескольких десятков МэВ в зоне воздействия ионизирующего излучения, где нахождение человека во время выполнения ядерно-физического эксперимента не допустимо, а также вблизи электрофизических установок, генерирующих мощное электромагнитное поле, в частности, вблизи ускорителей заряженных частиц, накопительных колец, систем электрической и магнитной фокусировки пучков заряженных частиц.The nuclear ionizing radiation spectrometer is designed to carry out long-term measurements of the energy of nuclear fragments, heavy elementary particles and gamma rays with energies from several MeV to several tens of MeV in the zone of exposure to ionizing radiation, where a person is not allowed to be in a nuclear experiment, and near electrophysical installations generating a powerful electromagnetic field, in particular, near charged particle accelerators, storage rings, electrical and magnetic focusing of charged particle beams.

Заявленный спектрометр работает следующим образом.The claimed spectrometer operates as follows.

Кронштейн 21 устройства перемещения детектора 2 устанавливают в положение, максимально близкое к сервоприводу 23. Устройство перемещения детектора 2 устанавливают на горизонтальной поверхности так, чтобы ось, вдоль которой может перемещаться кронштейн 21 в направлениях 26, была параллельна оси фланца электрофизической установки 70, а ось сильфона 72 совпадала с осью фланца электрофизической установки 70. На опорном фланце 75 герметично закрепляют фланец сильфона 74, а второй фланец сильфона 73 герметично закрепляют на фланце электрофизической установки 71. После этого кронштейн 21 переводят в положение, при котором должна осуществляться заливка жидкого азота в бачок 4. Криогенный сосуд 3, заполненный жидким азотом, устанавливают рядом с опорным фланцем 75, коаксиальную трубку 5 погружают в полость трубы 38 так, чтобы край коаксиальной трубки вошел в полость бачка 39, на коаксиальной трубке 5 закрепляют вентиль 30 и криогенную трубку 35, второй конец которой закрепляют в криогенном сосуде 3. Электронные модули и сервопривод 23 подключают к внешнему источнику питания, на полупроводниковый детектор 1 подают высокое напряжение. Во FLASH-память контроллера 120 записывают программу управления контроллером 120, при этом в SRAM-память контроллера 120 записывают значения L и dT, где L - дистанция, на которую устройство перемещения детектора перемещает бачок 4 с полупроводниковым детектором 1 из рабочего положения, в котором выполняются спектрометрические измерения, в положение, в котором выполняется заливка жидкого азота в бачок 4, dT - полуширина диапазона допустимых значений времени хода ультразвуковой волны от дальномера 31 до поверхности, отражающей ультразвуковую волну в противоположном направлении, и обратно до дальномера 31.The bracket 21 of the detector 2 moving device is installed in a position as close as possible to the servo drive 23. The detector 2 moving device is mounted on a horizontal surface so that the axis along which the bracket 21 can move in directions 26 is parallel to the axis of the flange of the electrophysical installation 70 and the axis of the bellows 72 coincided with the axis of the flange of the electrophysical installation 70. On the supporting flange 75, the bellows flange 74 is sealed tightly, and the second bellows flange 73 is hermetically fixed on the electrophysical flange at tanovki 71. After that, the bracket 21 is transferred to the position at which liquid nitrogen should be filled into the tank 4. A cryogenic vessel 3 filled with liquid nitrogen is installed near the supporting flange 75, the coaxial tube 5 is immersed in the cavity of the pipe 38 so that the edge of the coaxial the tube entered the cavity of the tank 39, on the coaxial tube 5, a valve 30 and a cryogenic tube 35 are fixed, the second end of which is fixed in a cryogenic vessel 3. The electronic modules and the servo drive 23 are connected to an external power source, on a semiconductor 1 Héctor supplied high voltage. In the FLASH-memory of controller 120, the control program for controller 120 is recorded, while in the SRAM-memory of controller 120, values L and dT are written, where L is the distance over which the detector moving device moves tank 4 with semiconductor detector 1 from the operating position in which spectrometric measurements, in the position in which liquid nitrogen is poured into the tank 4, dT is the half-width of the range of acceptable values of the ultrasonic wave travel time from the range finder 31 to the surface reflecting the ultrasonic wave in ivopolozhnom direction and back to the rangefinder 31.

Контроллер 120 периодически подает управляющий цифровой сигнал на ультразвуковой дальномер 31 на излучение ультразвуковую волны 94 в направлении наклонной пластины 42. При этом контроллер 120 устанавливает временное (с ударением на «о») окно (диапазон промежутка времени после момента излучения ультразвуковой волны 94), в течение которого ожидается прием отраженной ультразвуковой волны 97. Часть ультразвуковой волны 94 отражается от поверхности наклонной пластины 90 в направлении горизонтальной поверхности 63 в виде ультразвуковой волны 95, затем отражается от горизонтальной поверхности 63 в виде ультразвуковой волны 96, отражается от поверхности наклонной пластины 90 и в виде ультразвуковой волны 97 приходит в ультразвуковой дальномер 31. Другая часть ультразвуковой волны 94 отражается от поверхности наклонной пластины 90 в направлении горизонтальной металлической пластины 43 в виде ультразвуковой волны 98, затем отражается от полированной поверхности горизонтальной металлической пластины 43 в виде ультразвуковой волны 99, отражается от поверхности наклонной пластины 90 и в виде ультразвуковой волны 97 приходит в ультразвуковой дальномер 31.The controller 120 periodically provides a control digital signal to the ultrasonic range finder 31 to emit the ultrasonic wave 94 in the direction of the inclined plate 42. In this case, the controller 120 sets a temporary (with an emphasis on “o”) window (the time interval after the moment of emitting the ultrasonic wave 94), during which it is expected to receive the reflected ultrasonic wave 97. Part of the ultrasonic wave 94 is reflected from the surface of the inclined plate 90 in the direction of the horizontal surface 63 in the form of an ultrasonic wave 95, then reflected from the horizontal surface 63 in the form of an ultrasonic wave 96, reflected from the surface of the inclined plate 90 and in the form of ultrasonic wave 97 comes into the ultrasonic range finder 31. Another part of the ultrasonic wave 94 is reflected from the surface of the inclined plate 90 in the direction of the horizontal metal plate 43 in the form of an ultrasonic wave 98, then reflected from the polished surface of the horizontal metal plate 43 in the form of an ultrasonic wave 99, reflected from the surface of the inclined plate 90 and in the form of an ultrasound sound wave 97 comes in an ultrasonic range finder 31.

Если часть ультразвуковой волны, отраженной от горизонтальной поверхности 63, попадает на шероховатую поверхность горизонтальной металлической пластины 43 с ее нижней стороны, то она отражается расширяющимся рассеивающимся потоком благодаря шероховатости поверхности с нижней стороны горизонтальной металлической пластины 43, а, попав на поверхность кипящего жидкого азота 62 в углублении нижнего торца бачка, предварительно рассеянная, окончательно рассеивается, что исключает генерацию ложных сигналов в ультразвуковом дальномере 31, связанных с многократными переотражениями ультразвуковых волн в полости бачка 4.If a part of the ultrasonic wave reflected from the horizontal surface 63 hits the rough surface of the horizontal metal plate 43 from its lower side, then it is reflected by an expanding scattering stream due to the roughness of the surface from the lower side of the horizontal metal plate 43, but when it hits the surface of boiling liquid nitrogen 62 in the recess of the lower end of the tank, previously scattered, it is finally scattered, which eliminates the generation of false signals in the ultrasonic range finder 31, data with multiple reflections of ultrasonic waves in the cavity of the tank 4.

Ультразвуковым волнам, отраженным от полированной поверхности горизонтальной металлической пластины 43, и ультразвуковым волнам, отраженным от горизонтальной поверхности 63, соответствуют разные промежутки времени между моментом излучения ультразвуковой волны 94 и моментом приема отраженной ультразвуковой волны 97. Поэтому контроллер 120 для приема ультразвуковой волны, отраженной от горизонтальной поверхности 63, выставляет временное окно ожидания отраженной ультразвуковой волны 97 со значениями от T11 до T12, соответствующими времени хода ультразвуковой волны от ультразвукового дальномера 31 до горизонтальной поверхности 63 и обратно, расширенному в меньшую и большую сторону на значение dT с учетом погрешности измерений времени хода ультразвукового луча, а для приема ультразвуковой волны, отраженной от полированной поверхности горизонтальной металлической пластины 43, выставляет временное окно ожидания отраженной ультразвуковой волны 97 со значениями от T21 до T22, соответствующими времени хода ультразвуковой волны от ультразвукового дальномера 31 до полированной поверхности горизонтальной металлической пластины 43 и обратно, также расширенному в меньшую и большую сторону на значение dT с учетом погрешности измерений времени хода ультразвукового луча. При этом ультразвуковой дальномер 31 периодически чередует пары значений временного окна, которое он выставляет при излучении ультразвуковой волны, между значениями T11, T12, соответствующими отражению ультразвуковой волны от горизонтальной поверхности 63, и значениями T21, T22, соответствующими отражению ультразвуковой волны от полированной поверхности горизонтальной металлической пластины 43.The ultrasonic waves reflected from the polished surface of the horizontal metal plate 43 and the ultrasonic waves reflected from the horizontal surface 63 correspond to different time intervals between the moment of emission of the ultrasonic wave 94 and the moment of reception of the reflected ultrasonic wave 97. Therefore, the controller 120 for receiving the ultrasonic wave reflected from horizontal surface 63, sets the time window for waiting for the reflected ultrasonic wave 97 with values from T11 to T12 corresponding to the travel time ultrasonic wave from the ultrasonic range finder 31 to the horizontal surface 63 and vice versa, expanded to a smaller and larger side by the value of dT, taking into account the measurement error of the ultrasonic beam travel time, and for receiving the ultrasonic wave reflected from the polished surface of the horizontal metal plate 43, sets a temporary waiting window reflected ultrasonic wave 97 with values from T21 to T22 corresponding to the travel time of the ultrasonic wave from the ultrasonic range finder 31 to the polished surface and a horizontal metal plate 43 and back are also enhanced in the smaller and larger side in dT value based on the measurement error of the ultrasonic beam travel time. In this case, the ultrasonic range finder 31 periodically alternates the pairs of values of the time window that it sets when the ultrasonic wave is emitted, between the values T11, T12 corresponding to the reflection of the ultrasonic wave from the horizontal surface 63, and the values T21, T22 corresponding to the reflection of the ultrasonic wave from the polished surface of the horizontal metal plates 43.

При регистрации ультразвуковой волны 97 дальномер 31 посылает в контроллер 120 ШИМ-сигнал, соответствующий промежутку времени между моментом излучения ультразвуковой волны 94 и моментом приема отраженной ультразвуковой волны 97. Контроллер 120 на основании полученного значения промежутка времени между моментом излучения ультразвуковой волны 94 и моментом приема отраженной ультразвуковой волны 97 рассчитывает расстояние от дальномера 31 до поверхности, от которой ультразвуковой луч отразился в противоположном направлении.When registering an ultrasonic wave 97, the range finder 31 sends a PWM signal to the controller 120 corresponding to the time interval between the moment of emission of the ultrasonic wave 94 and the moment of receiving the reflected ultrasonic wave 97. The controller 120, based on the obtained value of the time interval between the moment of emission of the ultrasonic wave 94 and the moment of receiving the reflected ultrasonic wave 97 calculates the distance from the range finder 31 to the surface from which the ultrasound beam is reflected in the opposite direction.

Если ультразвуковая волна 97 принята во временном окне, соответствующем приему ультразвуковой волны 97, отраженной от горизонтальной поверхности 63, контроллер 120 принимает от дальномера 31 значение T1, соответствующее времени хода ультразвуковой волны от дальномера 31 до горизонтальной поверхности 63 и обратно до дальномера 31. На основании полученного значения промежутка времени T1 контроллер 120 рассчитывает значение времени хода ультразвуковой волны от дальномера 31 до горизонтальной поверхности 63 и обратно до дальномера 31, которое ожидается, когда устройство перемещения детектора 2 сместит бачок 4 с установленным на нем полупроводниковым детектором 1 в сторону электрофизической установки на дистанцию L в рабочее положение полупроводникового детектора 1, когда должны производиться спектрометрические измерения энергии ионизирующих излучений.If the ultrasonic wave 97 is received in a time window corresponding to the reception of the ultrasonic wave 97 reflected from the horizontal surface 63, the controller 120 receives from the range finder 31 a T1 value corresponding to the travel time of the ultrasonic wave from the range finder 31 to the horizontal surface 63 and back to the range finder 31. Based on of the obtained value of the time interval T1, the controller 120 calculates the value of the travel time of the ultrasonic wave from the range finder 31 to the horizontal surface 63 and back to the range finder 31, which is expected When said moving detecting circuit 2 shifts the tank 4 mounted with a semiconductor detector 1 in the direction of electrophysical setting the distance L to the working position of the semiconductor detector 1, must be carried out when the spectrometric measurement of ionizing radiation energy.

Далее контроллер 120 рассчитывает диапазон временного окна от T11 до T12, где T11 = T1 + 2 * L / v - dT, T12 = T1 + 2 * L / v + dT, где dT - полуширина диапазона допустимых значений времени хода ультразвуковой волны от дальномера 31 до горизонтальной поверхности 63 и обратно до дальномера 31, v -скорость ультразвуковой волны в воздухе.Then, the controller 120 calculates the time window range from T11 to T12, where T11 = T1 + 2 * L / v - dT, T12 = T1 + 2 * L / v + dT, where dT is the half-width of the range of acceptable values of the ultrasonic wave travel time from the range finder 31 to the horizontal surface 63 and back to the range finder 31, v is the velocity of the ultrasonic wave in the air.

Если ультразвуковая волна 97 принята во временном окне, соответствующем приему ультразвуковой волны 97, отраженной от полированной поверхности горизонтальной металлической пластины 43, контроллер 120 принимает от дальномера 31 значение T2, соответствующее времени хода ультразвуковой волны от дальномера 31 до полированной поверхности горизонтальной металлической пластины 43 и обратно до дальномера 31. На основании полученного значения промежутка времени T2 контроллер 120 рассчитывает значение времени хода ультразвуковой волны от дальномера 31 до до полированной поверхности горизонтальной металлической пластины 43 и обратно до дальномера 31, которое ожидается, когда устройство перемещения детектора 2 сместит бачок 4 с установленным на нем полупроводниковым детектором 1 в сторону электрофизической установки на дистанцию L в рабочее положение полупроводникового детектора 1, когда должны производиться спектрометрические измерения.If the ultrasonic wave 97 is received in a time window corresponding to the reception of the ultrasonic wave 97 reflected from the polished surface of the horizontal metal plate 43, the controller 120 receives from the range finder 31 a T2 value corresponding to the travel time of the ultrasonic wave from the range finder 31 to the polished surface of the horizontal metal plate 43 and vice versa to the range finder 31. Based on the obtained value of the time interval T2, the controller 120 calculates the value of the travel time of the ultrasonic wave from the range finder 31 d about to the polished surface of the horizontal metal plate 43 and back to the range finder 31, which is expected when the device for moving the detector 2 moves the tank 4 with the semiconductor detector 1 mounted on it towards the electrophysical installation at a distance L to the working position of the semiconductor detector 1, when spectrometric measurements.

Далее контроллер 120 рассчитывает диапазон временного окна от T21 до T22, где T21 = T2 + 2 * L / v - dT, T22 = T2 + 2 * L / v + dT, где dT - полуширина диапазона допустимых значений времени хода ультразвуковой волны от дальномера 31 до полированной поверхности горизонтальной металлической пластины 43 и обратно до дальномера 31, v -скорость ультразвуковой волны в воздухе. На момент расчета значений T11, T12, T21, T22 значения L, dT доступны как переменные в SRAM-памяти контроллера 120. Рассчитанные значения T11, T12, T21, T22 контроллер 120 записывает в свою SRAM-память.Then, the controller 120 calculates the time window range from T21 to T22, where T21 = T2 + 2 * L / v - dT, T22 = T2 + 2 * L / v + dT, where dT is the half-width of the range of acceptable values of the ultrasonic wave travel time from the range finder 31 to the polished surface of the horizontal metal plate 43 and back to the range finder 31, v is the velocity of the ultrasonic wave in the air. At the time of calculating the values of T11, T12, T21, T22, the values of L, dT are available as variables in the SRAM memory of the controller 120. The calculated values of T11, T12, T21, T22, the controller 120 writes to its SRAM memory.

Сразу после этого контроллер 120 запускает таймер, отсчитывающий промежуток времени заливки жидкого азота в бачок 4. Как правило, этот промежуток времени составляет от 10 до 30 секунд. Одновременно контроллер 120 подает цифровой сигнал на модуль управления вентилем 130 на перевод вентиля 30 в открытое состояние. Поскольку криогенный сосуд 3 герметично закрыт, то испарение жидкого азота приводит к появлению в полости криогенного сосуда избыточного давления, под действием которого жидкий азот 33 выталкивается из криогенного сосуда 3 (сосуда Дюара) по криогенной трубке 35 через вентиль 30 и полость внутренней трубки 51 в полость бачка 39. Когда таймер контроллера 120 сигнализирует о том, что промежуток времени, необходимый для заливки жидкого азота в бачок 4, закончился, контроллер 120 подает цифровой сигнал на модуль управления вентилем 130 на перевод вентиля 30 в закрытое состояние. Сразу после этого контроллер 120 подает цифровой сигнал на сервопривод 23 на перемещение кронштейна 21 в направлении электрофизической установки на дистанцию L, значение которой доступно в виде переменной в SRAM-памяти контроллера 120.Immediately after this, the controller 120 starts a timer that counts the time period for filling liquid nitrogen into the tank 4. Typically, this time period is from 10 to 30 seconds. At the same time, the controller 120 provides a digital signal to the valve control module 130 to bring the valve 30 to the open state. Since the cryogenic vessel 3 is hermetically closed, the evaporation of liquid nitrogen leads to the appearance of excessive pressure in the cavity of the cryogenic vessel, under which liquid nitrogen 33 is expelled from the cryogenic vessel 3 (Duar vessel) through the cryogenic tube 35 through the valve 30 and the cavity of the inner tube 51 into the cavity tank 39. When the timer of controller 120 indicates that the period of time necessary for filling liquid nitrogen into tank 4 has expired, controller 120 provides a digital signal to valve control module 130 to transfer the valve 30 to the closed state. Immediately after this, the controller 120 supplies a digital signal to the servo drive 23 to move the bracket 21 in the direction of the electrophysical installation to a distance L, the value of which is available as a variable in the SRAM memory of the controller 120.

Во время перемещения кронштейна 21 контроллер 120 принимает цифровые сигналы от датчика угла поворота червячного вала 25, преобразует значения угла поворота червячного вала 24 в дистанцию, на которую переместился кронштейн 21, и сравнивает со значением L. Если кронштейн 21 остановился, а значение пройденной дистанции, рассчитанное по показаниям датчика угла поворота червячного вала 25, меньше L, и разность этих значений больше заданного допустимого отклонения, равного 0,5 мм, то контроллер 120 подает цифровой сигнал на сервопривод 23 на перемещение кронштейна 21 в направлении электрофизической установки на дистанцию, равную разности значения L и значения пройденной дистанции, рассчитанного по показаниям датчика угла поворота червячного вала 25. Если же кронштейн 21 движется, а значение пройденной дистанции, рассчитанное по показаниям датчика угла поворота червячного вала 25, больше L, то контроллер 120 подает на сервопривод 23 цифровой сигнал на перемещение кронштейна 21 в обратном направлении - от электрофизической установки на дистанцию, равную разности значения пройденной дистанции, рассчитанного по показаниям датчика угла поворота червячного вала 25, и значения L.While moving the bracket 21, the controller 120 receives digital signals from the angle sensor of the worm shaft 25, converts the angle of rotation of the worm shaft 24 to the distance that the bracket 21 has moved, and compares it with the value L. If the bracket 21 has stopped and the value of the distance traveled, calculated according to the readings of the sensor of the angle of rotation of the worm shaft 25, is less than L, and the difference between these values is greater than the specified permissible deviation equal to 0.5 mm, the controller 120 supplies a digital signal to the servo 23 to move to the bracket 21 in the direction of the electrophysical installation at a distance equal to the difference between the value of L and the distance traveled, calculated according to the readings of the sensor of the angle of rotation of the worm shaft 25. If the bracket 21 is moving, and the distance traveled, calculated according to the readings of the sensor of the rotation angle of the worm shaft 25, is greater L, then the controller 120 supplies a digital signal to the servo drive 23 to move the bracket 21 in the opposite direction - from the electrophysical installation to a distance equal to the difference in the distance traveled, ra readings sensed by the rotation angle sensor of the worm shaft 25, and the values of L.

Если кронштейн 21 остановился, и разность значения пройденной дистанции, рассчитанного по показаниям датчика угла поворота червячного вала 25, и значения L меньше заданного допустимого отклонения, равного 0,5 мм, контроллер 120 подает цифровой сигнал на управляющий вход формирователя нормализованных сигналов 160, разрешающий формирование нормализованных сигналов и синхронизирующих цифровых сигналов. Кроме этого, контроллер 120 подает цифровой сигнал на управляющий вход модуля сохранения оцифрованных сигналов 180 для начала записи цифровых данных в накопитель цифровых данных 181.If the bracket 21 has stopped, and the difference in the distance traveled calculated by the sensor of the angle of rotation of the worm shaft 25 and the value of L is less than the specified permissible deviation equal to 0.5 mm, the controller 120 supplies a digital signal to the control input of the normalized signal conditioner 160, allowing formation normalized signals and synchronizing digital signals. In addition, the controller 120 supplies a digital signal to the control input of the digitized signal storage module 180 to start recording digital data to the digital data storage device 181.

При попадании заряженной частицы или гамма-кванта в полупроводниковый детектор 1 происходит ионизация материала полупроводникового детектора 1, на электродах полупроводникового детектора 1 накапливается заряд, и на выходе зарядочувствительного предусилителя 140 формируется сигнал, который усиливается в усилителе 150, а усиленный сигнал попадает в формирователь нормализованных сигналов 160, где формируется нормализованный сигнал, амплитуда которого пропорциональна энергии, потерянной в полупроводниковом детекторе 1 заряженной частицей или гамма-квантом, а также цифровой синхронизирующий сигнал, который подается на управляющий вход аналого-цифрового преобразователя 170 для запуска аналого-цифрового преобразования нормализованного сигнала, поступающего от формирователя нормализованных сигналов 160 на аналоговый сигнальный вход аналого-цифрового преобразователя 170. Нормализованные сигналы преобразуют в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе 170, полученные оцифрованные сигналы, соответствующие амплитудам нормализованных сигналов, поступают в компьютерный модуль сохранения оцифрованных сигналов 180, который накапливает в оперативной памяти принятые цифровые данные, формирует блоки данных и записывает полученные блоки данных в накопитель цифровых данных 181 в виде жесткого магнитного диска или флеш-накопителя для последующего анализа.When a charged particle or gamma quantum enters the semiconductor detector 1, the material of the semiconductor detector 1 is ionized, a charge is accumulated on the electrodes of the semiconductor detector 1, and a signal is generated at the output of the charge-sensitive preamplifier 140, which is amplified in the amplifier 150, and the amplified signal enters the normalizer 160, where a normalized signal is formed, the amplitude of which is proportional to the energy lost by a charged particle in the semiconductor detector 1 whether gamma-ray, as well as a digital clock signal, which is fed to the control input of the analog-to-digital converter 170 to start the analog-to-digital conversion of the normalized signal from the normalized signal generator 160 to the analog signal input of the analog-to-digital converter 170. The normalized signals are converted to digital form in the analog-to-digital Converter 170, the received digitized signals corresponding to the amplitudes of the normalized signals are received in a computer odule conservation digitized signals 180 that stores in memory the received digital data, forms data blocks and writes the received data blocks in a data storage module 181 as a magnetic hard drive or flash drive for later analysis.

Во время спектрометрических измерений с помощью полупроводникового детектора 1 контроллер 120 с помощью дальномера 31 периодически измеряет расстояние от дальномера 31 до полированной поверхности горизонтальной металлической пластины 43 и до горизонтальной поверхности 63, периодически сменяя пары значений временного окна ожидания отраженной ультразвуковой волны. Если отраженный сигнал, соответствующий отражению от горизонтальной поверхности 63, не приходит, это означает, что бачок 4 заполнен жидким азотом и спектрометрические измерения продолжаются.During spectrometric measurements using the semiconductor detector 1, the controller 120 using the range finder 31 periodically measures the distance from the range finder 31 to the polished surface of the horizontal metal plate 43 and to the horizontal surface 63, periodically changing pairs of values of the waiting window of the reflected ultrasonic wave. If the reflected signal corresponding to the reflection from the horizontal surface 63 does not arrive, this means that the tank 4 is filled with liquid nitrogen and the spectrometric measurements continue.

Если отраженная ультразвуковая волна 97, соответствующая отражению от полированной поверхности горизонтальной металлической пластины 43, не приходит, это означает наличие неисправности. В этом случае ультразвуковая волна 97, отраженная от горизонтальной поверхности 63, может не приходить из-за той же неисправности, и бачок 4 может быть пустым, тогда температура полупроводникового детектора не будет криогенной, а спектрометрические измерения с помощью полупроводникового детектора на основе сверхчистого германия при комнатной температуре лишены смысла. Поэтому при отсутствии прихода ультразвуковой волны, отраженной от полированной поверхности горизонтальной металлической пластины 43, контроллер 120 подает цифровой сигнал на управляющий вход формирователя нормализованных сигналов 160, запрещающий формирование нормализованных сигналов и синхронизирующих цифровых сигналов. Кроме этого, контроллер 120 подает цифровой сигнал на управляющий вход модуля сохранения оцифрованных сигналов 180 для приостановки записи данных оцифрованных сигналов в накопитель цифровых данных 181. После этого контроллер 120 подает цифровой сигнал на сервопривод 23 на перемещение кронштейна 21 в направлении от электрофизической установки на дистанцию L для заливки жидкого азота в бачок 4. При этом последующие операции заливки жидкого азота в бачок 4 выполняются по временному таймеру, который контроллер 120 выставляет сразу после окончания заливки жидкого азота в бачок 4 на промежуток времени, равный нескольким часам, и переводит бачок 4 с установленным на нем полупроводниковым детектором 1 в рабочее положение с помощью устройства перемещения детектора 2 для спектрометрических измерений в течение указанного промежутка времени. По прошествии указанного промежутка времени таймер подает сигнал контроллеру о завершении выставленного промежутка времени, и контроллер 120 повторяет операции по приостановке спектрометрических измерений, заливке жидкого азота в бачок 4, новому запуску таймера на несколько часов, переводу полупроводникового детектора 1 в рабочее положение и выполнению спектрометрических измерений.If the reflected ultrasonic wave 97 corresponding to the reflection from the polished surface of the horizontal metal plate 43 does not arrive, this indicates a malfunction. In this case, the ultrasonic wave 97 reflected from the horizontal surface 63 may not come due to the same malfunction, and the tank 4 may be empty, then the temperature of the semiconductor detector will not be cryogenic, and spectrometric measurements using a semiconductor detector based on ultra-pure germanium at room temperature are meaningless. Therefore, in the absence of the arrival of an ultrasonic wave reflected from the polished surface of the horizontal metal plate 43, the controller 120 supplies a digital signal to the control input of the normalized signal generator 160, which prohibits the formation of normalized signals and synchronizing digital signals. In addition, the controller 120 supplies a digital signal to the control input of the digitized signal storage module 180 to pause recording of the digitized signal data to the digital data storage device 181. After that, the controller 120 supplies a digital signal to the servo drive 23 to move the bracket 21 in the direction from the electrophysical installation to a distance L for pouring liquid nitrogen into the tank 4. In this case, the subsequent operations of pouring liquid nitrogen into the tank 4 are performed according to the time timer, which the controller 120 sets immediately after pouring liquid nitrogen into the tank 4 for a period of time equal to several hours, and puts the tank 4 with the semiconductor detector 1 mounted on it into the working position using the device for moving the detector 2 for spectrometric measurements during the specified period of time. After a specified period of time, the timer sends a signal to the controller about the completion of the set time period, and controller 120 repeats the operations to suspend spectrometric measurements, pour liquid nitrogen into tank 4, restart the timer for several hours, put the semiconductor detector 1 in working position, and perform spectrometric measurements .

Если зарегистрирована ультразвуковая волна 97 во временном окне между значениями Т11 и Т12, соответствующем отражению ультразвуковой волны от горизонтальной поверхности 63, то это означает, что уровень жидкого азота ниже уровня горизонтальной поверхности 63 и требуется долив жидкого азота в бачок 4. В этом случае контроллер 120 подает цифровой сигнал на управляющий вход модуля сохранения оцифрованных сигналов 180 для приостановки записи данных оцифрованных сигналов в накопитель цифровых данных 181, затем контроллер 120 подает цифровой сигнал на управляющий вход формирователя нормализованных сигналов 160, запрещающий формирование нормализованных сигналов и синхронизирующих цифровых сигналов, затем контроллер 120 подает цифровой сигнал на сервопривод 23 на перемещение кронштейна 21 в направлении от электрофизической установки на дистанцию L.If an ultrasonic wave 97 is registered in the time window between the values of T11 and T12 corresponding to the reflection of the ultrasonic wave from the horizontal surface 63, this means that the level of liquid nitrogen is lower than the level of the horizontal surface 63 and adding liquid nitrogen to the tank 4. In this case, the controller 120 supplies a digital signal to the control input of the digitized signal storage module 180 to pause recording of the digitized signal data to the digital data storage device 181, then the controller 120 supplies a digital signal to directs input of the normalized signal 160, which prohibits the formation of normalized signals and synchronizing digital signals, then the controller 120 supplies the digital signal to the actuator 23 for moving bracket 21 in the direction of electrophysical setting the distance L.

Если кронштейн 21 остановился, и разность значения пройденной дистанции, рассчитанного по показаниям датчика угла поворота червячного вала 25, и значения L меньше заданного допустимого отклонения, равного 0,5 мм, контроллер 120 запускает таймер, отсчитывающий промежуток времени заливки жидкого азота в бачок 4. Одновременно контроллер 120 подает цифровой сигнал на модуль управления вентилем 130 на перевод вентиля 30 в открытое состояние для заливки жидкого азота в бачок 4, далее повторяют описанные выше операции по заливке жидкого азота, позиционированию кронштейна 21 в рабочее положение и выполнению измерений с помощью полупроводникового детектора 1 и ультразвукового дальномера 31. Благодаря регулярному доливу жидкого азота бачок 4 и установленный на нем полупроводниковый детектор 1 на основе сверхчистого германия эксплуатируется при криогенных температурах. При использовании криогенного сосуда объемом 25 л спектрометр позволяет производить измерения в течение нескольких суток без вмешательства оператора в работу спектрометра.If the bracket 21 has stopped, and the difference between the distance traveled calculated by the sensor of the angle of rotation of the worm shaft 25 and the value of L is less than the specified permissible deviation of 0.5 mm, the controller 120 starts a timer that counts the time interval for filling liquid nitrogen into the tank 4. At the same time, the controller 120 supplies a digital signal to the valve control module 130 to put the valve 30 in the open state for pouring liquid nitrogen into the tank 4, then the above operations for pouring liquid nitrogen are repeated, positioning Hovhan bracket 21 to the working position and performing measurement using a semiconductor detector 1 and an ultrasonic rangefinder 31. By regularly topping liquid nitrogen tank 4 mounted thereon and the semiconductor detector 1 based on purity germanium are operated at cryogenic temperatures. When using a cryogenic vessel with a volume of 25 l, the spectrometer allows measurements to be taken for several days without operator intervention in the operation of the spectrometer.

Claims

1. An ionizing radiation spectrometer comprising a semiconductor ionizing radiation detector, electronic modules, a cryostat, a detector moving device, electronic modules include signal processing modules whose input is connected to a semiconductor ionizing radiation detector, and a digital signal storage module, the input of which is connected to the output of the modules signal processing, the cryostat includes a cryogenic vessel, characterized in that the cryostat also contains a tank, pipe, coaxial tube, constipation valve, cryogenic tube, while the semiconductor ionizing radiation detector is mounted on the tank, the inner surface of the tube has a coating containing a hydrophilic sorbent, the inner diameter of the tube exceeds the outer diameter of the coaxial tube, the shut-off valve has an inlet and an outlet, one end of the coaxial tube is connected to the outlet the hole of the shutoff valve, the second end of the coaxial tube is placed in the cavity of the pipe, the axis of the pipe and the axis of the coaxial tube are in the same vertical plane and parallel They are interconnected, one end of the cryogenic tube is connected to the inlet of the shut-off valve, the second end of the cryogenic tube is connected to the cryogenic vessel, there is a through hole in the upper part of the tank wall, one end of the pipe is fixed to the upper part of the tank wall in the place of the through hole, so that the cavity the pipe through the through hole is connected to the cavity of the tank, the second end of the pipe is mounted on the device for moving the detector, in the upper part of the cavity of the tank opposite the through hole there is an inclined plate having I have a flat polished surface perpendicular to the vertical plane passing through the axis of the pipe and facing the lower part of the tank wall, located on the side of the through hole, in the lower part of the tank cavity there is a horizontal surface formed by a flat metal surface, in the middle of the tank cavity on the tank wall a horizontal metal plate is installed under the inclined plate having a flat horizontal polished surface on the upper side of the horizontal metal plate otherwise, the lower side of the horizontal metal plate has a rough surface, an ultrasonic range finder is mounted on the outer surface of the coaxial tube, aimed at the polished surface of the inclined plate, the electronic modules also contain a valve control module and a controller, the outputs of the valve control module are connected to the control inputs of the shutoff valve, and the controller outputs connected to the control input of the detector moving device, to the control input of the valve control module, to the input trazvukovogo rangefinder to the control inputs of the signal processing modules to the control input of the storage unit the digitized signal, the controller inputs are connected to the output of the ultrasonic rangefinder, to the output device displacement detector.

2. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the polished surface of the inclined plate is formed by a metal surface, the lower boundary of the inclined plate is not higher than the axis of the pipe, and the normal to the polished surface of the inclined plate lies in a vertical plane passing through the axis of the pipe, and forms a sharp angle with the vertical axis pointing down.

3. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the tank has the shape of a cylinder with two ends, the axis of which is oriented vertically, the specified through hole is made in the cylindrical wall of the tank, the pipe is connected to the cylindrical wall of the tank, so that the pipe enters the through hole in the cylindrical the wall of the tank and hermetically fixed in the through hole, the inclined plate is made in the form of a polished metal plate mounted on the wall or upper end of the tank.

4. The spectrometer according to claim 3, characterized in that the lower end of the tank is made of oxygen-free copper, a cylindrical recess is made in the upper part of the lower end of the tank, while the upper part of the lower end forms a horizontal polished annular surface, a semiconductor ionizing radiation detector is mounted on the lower end of the tank.

5. The spectrometer according to claim 3, characterized in that the semiconductor ionizing radiation detector includes a semiconductor wafer and a metal frame made of oxygen-free copper, in which a semiconductor wafer is fixed, a metal frame of the semiconductor detector is mounted on the lower end of the tank.

6. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the axis of the pipe is oriented horizontally, part of the coaxial tube is placed in the cavity of the pipe, the coaxial tube with the lower part of its outer surface touches the lower part of the inner surface of the pipe, the outer surface of the coaxial tube has a coating containing a hydrophilic sorbent.

7. The spectrometer according to claim 1 or 6, characterized in that the hydrophilic sorbent is made in the form of porous glass.

8. The spectrometer according to claim 6, characterized in that the coaxial tube contains an inner and an outer tube connected together at the edges whose axes coincide, the outer diameter of the inner tube is smaller than the inner diameter of the outer tube, the space between the tubes is sealed from the outside coaxial tube and is filled with several alternating layers of metal foil and mineral fiber wrapping the inner tube, the cavity of the coaxial tube is formed by the cavity of the inner tube ki, the axis of these tubes coincide.

9. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the shut-off valve is made in the form of a remotely controlled check valve with electronic control, capable of being in the open and closed state, in the open state of the shut-off valve, the cavity of the coaxial tube is connected to the cavity of the cryogenic tube, the shut-off valve contains a valve in the form of a plate of ferromagnetic material, an electromagnet capable of attracting the valve to itself, as well as a spring capable of pushing the valve away from the electromagnet, the control inputs are th gate formed inputs electromagnet, outputs a valve control unit connected to inputs of an electromagnet in a closed state stop valve cavity coaxial tubes separated bolt from the cavity cryogenic tubes, solenoid shut-off valve is configured capable to translate shutoff valve from open to closed and from closed state to open.