Результат интеллектуальной деятельности: РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГАЗОВОГО БАРЬЕРНОГО РАЗРЯДА ДЛЯ КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И ГАЗОВЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В ПОЛИМЕРНОЙ КАБЕЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, например, для контроля металлических и газовых дефектных включений в полимерной кабельной изоляции с использованием рентгеновского излучения электрического газового барьерного разряда (ЭГБР).

Заявляемое изобретение относится к приоритетным направлениям развития науки и технологий «Технологии создания и обработки полимеров и эластомеров» и «Технологии механотроники и создания микросистемной техники» (Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий / Ю.Г. Смирнов, Е.В. Скиданова, С.А. Краснов. - М.: ПАТЕНТ, 2008. - с.41, 75).

Использование рентгеновского излучения от традиционных вакуумных рентгеновских трубок для контроля дефектов в полимерной кабельной изоляции не позволяет обеспечить необходимую контрастность изображения металлических и газовых включений. Это обусловлено тем, что излучение вакуумных рентгеновских трубок является достаточно коротковолновым - (1-10A) и плохо поглощается в тонких слоях материалов малой плотности - (полимерные кабельные диэлектрики, толщиной не более 4-8 мм и тонкие алюминиевые, медные и воздушные включения, толщиной несколько мкм). Коротковолновое рентгеновское излучение вакуумных рентгеновских трубок такие дефекты в полимерной изоляции практически не замечает.

Существенные преимущества при рентгеновском контроле металлических и газовых дефектов в полимерной кабельной изоляции перед традиционными вакуумными рентгеновскими трубками обеспечивают источники рентгеновского излучения ЭГБР.

Известно, что электрический газовый барьерный разряд является высокоинтенсивным и протяженным источником длинноволнового рентгеновского излучения (Новиков, Г.К. Плазмофизические электротехнологии модификации и контроля дефектности полиолефиновой кабельной изоляции: монография / Г.К. Новиков; Иркутский гос. техн. ун-т. - Изд-во ИрГТУ, 2008. - 100 с. - 1), которое может быть использовано для просвечивания тонких слоев полимерных кабельных материалов с целью обнаружения в них мелких металлических и газовых включений.

Известно, что традиционные оптические методы контроля дефектности кабельной изоляции [Шувалов М.Ю. Исследование надежности силовых кабелей среднего и высокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена (М.Ю. Шувалов, В.Л. Овсиенко, Д.В. Колосков // Кабели и провода. - 2007. - №5. - С 24-32. - 2) в ряде случаев оказываются непригодными из-за непрозрачности большинства полимерных кабельных диэлектриков в оптическом диапазоне длин волн.

Главный их недостаток - низкая проникающая способность оптического излучения, что не позволяет фотографически регистрировать металлические и газовые включения в полиэтиленовой - ПЭ, поливинилхлоридной - ПВХ и полипропиленовой - ПП кабельной изоляции.

Известны отпаянные и разборные рентгеновские трубки Кулиджа (Блохин М.А., Швейцер И.Г. Рентгеноспектральный справочник. - М.: Наука, 1982. - 375 с. - 3), которые являются источниками тормозного и характеристического рентгеновского излучения с длиной волны менее 10 нм, которое плохо поглощается полимерами.

Главным недостатком рентгеновского излучения этих трубок является его высокая проникающая способность, когда невозможно зарегистрировать металлические и газовые дефекты в тонкой полимерной кабельной изоляции, а также высокая стоимость самих рентгеновских трубок и всего необходимого для них вспомогательного рентгеновского оборудования.

Известны ионные источники рентгеновского излучения с антикатодом (Блохин М.А., Швейцер И.Г. Рентгеноспектральный справочник. - М.: Наука, 1982. - 375 с. - 3), использующие газ низкого давления - (ниже 0, 01 атм), очень чувствительные к давлению остаточного газа.

Главным недостатком этих источников является необходимость специальной системы регулировки давления. Ионные трубки являются источниками тормозного и характеристического рентгеновского излучения с длиной волны менее 1 нм, которое плохо поглощается полимерами. Главным недостатком рентгеновского излучения этих трубок является его высокая проникающая способность, когда невозможно зарегистрировать металлические и газовые дефекты в тонкой полимерной кабельной изоляции, а также высокая стоимость самих рентгеновских трубок и рентгеновского оборудования.

За прототип принята газоразрядная рентгеновская трубка электрического газового барьерного разряда (Г.К. Новиков, А.И. Смирнов, Г.В. Маркова, Л.Н. Новикова // Патент РФ на полезную модель №100849, БИ №36, опубликовано 27.12.2010 - 8).

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:

- корпус в виде цилиндрической стеклянной колбы, заполненной рабочим газом;

- высоковольтный электрод, на поверхности которого расположен диэлектрический барьер из кварцевого стекла;

- установленный напротив высоковольтного электрода металлический электрод, снабженный устройством для его охлаждения.

Недостатком прототипа является недостаточная интенсивность для обнаружения в полимерной кабельной изоляции металлических и газовых включений, так как он работает «на прострел».

Изобретение направлено на создание устройства, излучающего мягкое рентгеновское излучение - в диапазоне от 1 до 10 нм, позволяющего фотографически регистрировать металлические и газовые включения в полиэтиленовой - ПЭ, поливинилхлоридной - ПВХ и полипропиленовой - ПП кабельной изоляции.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение контрастности изображения металлических и газовых включений за счет мягкого рентгеновского излучения в диапазоне от 1 до 10 нм, что повышает точность их фотографической регистрации.

Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что в рентгеновской трубке электрического газового барьерного разряда для контроля металлических и газовых включений в полимерной кабельной изоляции, содержащей корпус в виде цилиндрической стеклянной колбы, заполненной рабочим газом, высоковольтный электрод, на поверхности которого расположен диэлектрический барьер из кварцевого стекла, и установленный напротив высоковольтного электрода металлический электрод, снабженный устройством для его охлаждения, согласно изобретению металлический электрод выполнен отражающим конической формы с углом конусности, равным 90°, и толщиной, удовлетворяющей условию:

h_a≥100 мкм,

где h_a - толщина отражающего металлического конического электрода, мкм. При этом выходное окно для рентгеновского ЭГБР излучения выполнено в цилиндрической стеклянной колбе на одном конце, а на другом конце в стенке цилиндрической стеклянной колбы выполнено сквозное отверстие для напуска в рентгеновскую трубку рабочего газа.

Технический результат заявляемого изобретения достигается также тем, что цилиндрическая стеклянная колба выполнена толщиной в пределах от 3 до 10 мм с соотношением ее диаметра и длины, удовлетворяющим следующему условию:

L=10d,

где L - длина стеклянной цилиндрической колбы, мм;

d - диаметр стеклянной цилиндрической колбы, мм.

Выходное окно для рентгеновского ЭГБР излучения в заявляемом устройстве выполнено из алюминиевой или бериллиевой фольги толщиной 10 мкм или из пленки полиэтилентерефталата толщиной 1-10 мкм. В качестве рабочего газа использован аргон с активирующей добавкой летучего в ЭГБР 0,1 мг/см³ мелкодисперсного порошка PbO₂.

Отличительной особенностью предлагаемого газоразрядного устройства-источника рентгеновского излучения для контроля металлических и газовых включений в полимерной кабельной изоляции является простота исполнения, использование в качестве газа ЭГБР аргона с добавкой мелкодисперсного, летучего в ЭГБР, порошка PbO₂ и сравнительно длинноволновый диапазон рентгеновского излучения - 1-10 нм. Рентгеновское излучение этого волнового диапазона хорошо поглощается в тонких слоях полимерной кабельной изоляции и по этой причине его выгодно использовать для контроля металлических и газовых дефектов в полимерной кабельной изоляции.

Из уровня техники известны отражающие металлические электроды, например, в рентгеновской трубке по патенту RU №2303828, МПК H01J 35/02, использование которой в рентгенофлуоресцентных измерительных установках позволяет проводить многоэлементный анализ металлов и сплавов, а также идентификации в исследуемых веществах обширного ряда химических элементов. Однако известный аналог не позволяет обнаруживать металлические и газовые включения в полимерной кабельной изоляции из-за недостаточной контрастности. В то время как в заявляемой совокупности признаков - выполнение металлического электрода конической формы с заданным углом конусности и толщиной, выполнение выходного окна для рентгеновского ЭГБР излучения в цилиндрической стеклянной колбе на одном конце и на другом конце сквозного отверстия, в котором установлен патрубок для напуска в рентгеновскую трубку рабочего газа, а также использование в качестве рабочего газа аргона или азота с активирующей добавкой летучего в ЭГБР 0,1 мг/см³ мелкодисперсного порошка PbO₂ - достигается новый технический результат, заключающийся в возможности фотографической регистрации металлических и газовых включений в полимерной кабельной изоляции за счет повышения контрастности изображения.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена рентгеновская трубка электрического газового барьерного разряда для контроля металлических и газовых включений в полимерной кабельной изоляции - рентгеновская газоразрядная трубка ЭГБР (Ar+PbO₂) с Pb анодом на отражение.

Элементам заявляемого устройства присвоены следующие цифровые позиции:

1 - цилиндрическая стеклянная колба трубки;

2 - отражающий заземленный металлический электрод;

3 - медная трубка водяного охлаждения;

4 - высоковольтный электрод;

5 - кварцевый диэлектрический барьер;

6 - выходное окно для рентгеновского ЭГБР излучения;

7 - патрубок для напуска в рентгеновскую трубку рабочего газа Ar+PbO₂.

На фиг.2 представлено фото рентгеновского изображения четырех алюминиевых стружек в ПВХ изоляции силового кабеля АВВГ, полученное с помощью заявляемой рентгеновской газоразрядной трубки ЭГБР (Ar, U=40 кВ, Р=1 атм, PbO₂ - 0,1 мг/см³).

1 - время экспозиции - 1 мин, 2 - время экспозиции - 2 мин, 3 - время экспозиции - 3 мин.

На фиг.3 представлено фото рентгеновского изображения воздушных включений (газовые пузыри) в ПВХ изоляции силового кабеля АВВГ, полученное с помощью заявляемой рентгеновской газоразрядной трубки ЭГБР (Ar, U=40 кВ, Р=1 атм, PbO₂ - 0,1 мг/см³).

Газоразрядный источник рентгеновского излучения ЭГБР представляет собой устройство (фиг.1), состоящее из цилиндрической стеклянной колбы 1 (трубка из обычного или кварцевого стекла диаметром d) с двумя электродами: одним - высоковольтным 4, на поверхности которого располагается кварцевый диэлектрический барьер 5, толщиной 3-5 мм, и другим - отражающим заземленным металлическим электродом 2. Толщина стенки цилиндрической стеклянной колбы 1 - от 3 до 10 мм в зависимости от напряжения ЭГБР высоковольтного электрода 4. Длина L цилиндрической стеклянной колбы 1 (диэлектрической трубы) равна 10d.

На низковольтном конце цилиндрической стеклянной колбы 1 расположен отражающий заземленный металлический конический электрод 2 - (угол конусности φ=90°, толщина h_a≥100 мкм). Выходное окно для рентгеновского ЭГБР излучения 6 выполняется из бериллиевой или алюминиевой (Be, Al) фольги толщиной 10 мкм или пленки полиэтилентерефталата (ПЭТФ) толщиной 1-10 мкм. В стенке диэлектрической трубы (цилиндрической стеклянной колбы 1) имеется отверстие, в котором установлен патрубок для напуска в рентгеновскую трубку рабочего газа Ar+PbO₂, через который производится откачка источника рентгеновского излучения с помощью вакуумного насоса (на чертеже не показан) и напуск в рентгеновскую трубку рабочего газа - аргона с активирующей добавкой летучего в ЭГБР мелкодисперсного порошка PbO₂ 0,1 мг/см³.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Высоковольтное переменное напряжение промышленной частоты 40-100 кВ подается на высоковольтный электрод 4, защищенный слоем стекла и кварцевым диэлектрическим барьером 5. В рабочем газе, находящемся внутри трубки при определенном давлении, возникает электрический газовый барьерный разряд - ЭГБР, который является источником многочисленных искровых частичных разрядов - ИЧР.

Многочисленные электронные лавины ИЧР проникают на определенную глубину в металл отражающего заземленного металлического электрода (анода) 2 и служат источниками длинноволнового тормозного рентгеновского излучения. Длинноволновое тормозное рентгеновское излучение электронных лавин ИЧР выходит через выходное окно для рентгеновского ЭГБР излучения 6 рентгеновской трубки ЭГБР наружу и поступает на облучаемый объект (на чертеже не показан). Мягкое рентгеновское излучение газоразрядной трубки ЭГБР в диапазоне от 1 до 10 нм хорошо поглощается в сравнительно тонких слоях полимерных кабельных материалов и может быть использовано для выявления металлических, диэлектрических и газовых дефектов в полимерной кабельной изоляции.

Пример практической реализации устройства

Для регистрации металлических и воздушных включений в полимерной поливинилхлоридной изоляции силового кабеля АВВГ используется трубчатый источник рентгеновского излучения ЭГБР. Газоразрядное устройство-источник рентгеновского излучения - (см. фиг.1) состоит из кварцевой трубы, длиной 200 мм, диаметром 20 мм с толщиной стенки 5 мм с центральным высоковольтным медным электродом и медным коническим отражающим электродом диаметром 20 мм. Внутри кварцевой трубки содержится газ (аргон + PbO₂ - 0,1 мг/см³) под давлением 1 атм. Выходное окно для рентгеновского ЭГБР излучения изготовлено из алюминиевой фольги, толщиной 10 мкм, которое с помощью эпоксидного клея приклеено к одному из концов кварцевой трубки. Отражающий заземляемый электрод из медной фольги, толщиной 0,5 мм имеет водяное охлаждение. На расстоянии 10 мм от выходного окна газоразрядного устройства - источника рентгеновского излучения располагается специально подобранный образец поливинилхлоридной изоляции силового кабеля АВВГ, содержащий металлическое включение в виде алюминиевой стружки и воздушные пузыри. С противоположной стороны на расстоянии 1 мм от поверхности кабельной изоляции располагается фотокамера для регистрации рентгеновского изображения кабельной изоляции. На высоковольтный электрод подается переменное высоковольтное напряжение - (40 кВ, время экспозиции - 1, 2 и 3 мин). После экспозиции рентгеновская пленка проявляется.

На фиг.2, 3 представлены полученные с помощью предлагаемого устройства рентгеновские фотографии полимерной кабельной изоляции силового кабеля АВВГ, содержащей алюминиевые и газовые (воздушные) включения. Видно, что кусочки алюминиевой стружки, находящиеся в толще ПВХ изоляции кабеля, четко различаются на рентгеновской фотографии в виде светлого изображения, а воздушные включения дают характерные области потемнения рентгеновской фотопленки.

Рентгеновское излучение электрического барьерного газового разряда является длинноволновым, хорошо поглощается в сравнительно тонких слоях полимерной кабельной изоляции и может быть использовано для контроля металлических и газовых дефектов - (включений) в полимерной изоляции кабелей.

Источники информации

1. Новиков Г.К. Плазмофизические электротехнологии модификации и контроля дефектности полиолефиновой кабельной изоляции: монография / Г.К.Новиков; Иркутский гос. техн. ун-т.- Изд-во ИрГТУ, 2008. - 100 с.

2. Шувалов М.Ю. Исследование надежности силовых кабелей среднего и высокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена / М.Ю. Шувалов, В.Л. Овсиенко, Д.В. Колосков // Кабели и провода. - 2007. - №5. - С24-32.

3. Блохин М.А., Швейцер И.Г. Рентгеноспектральный справочник. - М.: Наука, 1982. - 375 с.

4. Гинье А. Рентгенография кристаллов. Изд-во физ.-мат. литературы, М., 1961, 604 с.

5. Новиков Г.К. Электретный эффект и подвижность носителей заряда в полимерных и слюдяных диэлектриках / Г.К. Новиков, В.В. Федчишин // Электротехника, 2014. - №3. - С.53-56.

6. Новиков Г.К. Рентгеновское излучение частичных разрядов в полимерной кабельной изоляции / Г.К. Новиков, А.И. Смирнов // Электричество. - 2010. - №12. - С.47-49.

7. Новиков Г.К. Газоразрядное устройство-источник рентгеновского излучения / Г.К. Новиков, А.И. Смирнов, Г.В. Маркова, В.Г. Новиков // Патент РФ №2393581, БИ №24, 27.06.10 (аналог).

8. Новиков Г.К. Газоразрядная рентгеновская трубка электрического газового барьерного разряда / Г.К. Новиков, А.И. Смирнов, Г.В. Маркова, Л.Н. Новикова // Патент РФ (на полезную модель) №100849, БИ №36, 27.12.2010 (прототип).

9. Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий / Ю.Г. Смирнов, Е.В. Скиданова, С.А. Краснов. - М.: ПАТЕНТ, 2008. - c.41.