ИНДИКАТОР РАДИОАКТИВНОСТИ НА ОСНОВЕ СЧЕТЧИКА ГЕЙГЕРА-МЮЛЛЕРА Российский патент 1995 года по МПК G01T1/18 

Изобретение относится к области измерений радиоактивности излучений, в частности к индикаторам на основе счетчиков Гейгера-Мюллера, и предназначено для использования в основном в индикаторах с автономным питанием, например переносных.

Известны индикаторы радиоактивности на основе счетчика Гейгера-Мюллера, в которых напряжение первичного источника питания (аккумулятор, гальванический элемент) преобразуется в высокое напряжение, приложенное к счетчику Гейгера-Мюллера, в котором происходит кратковременный разряд каждый раз, когда ионизирующая частица попадает между его электродами [1-4] Частота указанных разрядов отражает уровень радиоактивности. Это отражение обычно производится в визуальной, слуховой и тому подобных формах.

Бытовые индикаторы, предназначенные для населения, обычно выполняют максимально малогабаритными переносными и питаются они также от малогабаритных первичных источников питания, имеющих ограниченный запас энергии.

Вопрос экономичности питания таких индикаторов (срок службы без замены источника питания) имеет первостепенное значение.

Применение первичных источников питания большой емкости невозможно из-за увеличения габаритов и стоимости приборов.

Использование солнечных батарей не обеспечивает возможности работы в любое время. Снижение потребления блоков и элементов прибора требует дорогостоящих деталей и также имеет свои технические пределы.

В частности, измеритель [1] имеет средний ток потребления генератора высокого переменного напряжения 0,5-0,8 мА в режиме покоя, а в режиме работы 8-10 мА.

Упомянутые в [1-4] индикаторы имеют близкие структурные схемы.

Наиболее близким к изобретению является индикатор радиоактивности на основе счетчика Гейгера-Мюллера, содержащий последовательно соединенные автогенератор высокого напряжения, питаемый первичным источником питания, выпрямитель с накопительным конденсатором, разрядное сопротивление, счетчик Гейгера-Мюллера, разделительный конденсатор, нагруженный на блок индикации, причем между источником первичного питания и цепью питания автогенератора вставлен выключатель [4] Устройство работает следующим образом. После включения выключателя автогенератор начинает генерировать высокое (а в ряде случаев, когда напряжение первичного источника недостаточно для питания усилителя формирователя и блока индикации, и низкое) переменное напряжение, выпрямляемое выпрямителем, на выходе которого на накопительном конденсаторе образуется высокое напряжение (несколько сотен вольт). Высокое напряжение с накопительного конденсатора через разрядный резистор приложено к электродам счетчика Гейгера-Мюллера, поддерживая его в состоянии готовности к срабатыванию. При попадании ионизирующей частицы между электродами счетчика происходит разряд, на высоковольтном электроде образуется импульс, который через разделительный конденсатор поступает на усилитель-формирователь, где он усиливается по мощности и преобразуется по длительности и форме. С выхода усилителя-формирователя сформированные прямоугольные импульсы возбуждают блок индикации, например звуковой, световой, цифровой, стрелочный, пороговый и т.п.

Описанная структурная схема широко и успешно используется в многочисленных модификациях индикаторов, выпускаемых промышленностью.

Недостатком описанной структурной схемы является невысокая экономичность.

Задачей изобретения является повышение экономичности.

Для этого в индикаторе радиоактивности, содержащем каскадно соединенные автогенератор высокого переменного напряжения, питаемый от первичного источника питания, выпрямитель с накопительной емкостью, разрядное сопротивление, счетчик Гейгера-Мюллера, разделительный конденсатор и усилитель-формирователь, нагруженный на блок индикации, а также выключатель питания, автогенератор выполнен нормально заторможенным, а цепь разрешения генерации (цепь запуска) подключена к выходу усилителя формирователя.

Автогенератор может быть заторможен по цепи питания базы транзистора автогенератора, которая соединена с выходом усилителя-формирователя.

Для первичного заряда накопительного конденсатора (для включения индикатора) включатель питания может быть выполнен в виде нормально разомкнутого замыкателя, включенного между базой транзистора автогенератора и потенциальным зажимом источника постоянного напряжения.

Вариантом решения этой же задачи (включение индикатора) является включение нормально разомкнутого замыкателя между входом усилителя-формирователя и зажимом источника питания. Кроме того, для выключения индикатора в него может быть введен второй нормально разомкнутый замыкатель, включенный параллельно счетчику Гейгера-Мюллера.

Для нормального режима работы индикатора зависимость между величинами высокого напряжения U_c, разрядного сопротивления R_н, длительностью импульса счетчика Гейгера-Мюллера τ_с, длительностью импульса усилителя-формирователя τ_з и максимальным током выпрямителя i_з выбирают из соотношения
τ₃·i₃≥ .

На фиг. 1 представлен вариант структурной схемы индикатора с замыкателем включения по цепи питания; на фиг. 2 то же, с замыкателем включения по цепи выхода усилителя-формирователя; на фиг. 3 то же, с замыкателем выключения и включения; на фиг. 4 пример принципиальной схемы индикатора.

На фиг. 1-4 показаны первичный источник 1 питания, нормально заторможенный автогенератор 2, выпрямитель 3 с накопительной емкостью, разрядное сопротивление (нагрузочный резистор) 4, счетчик Гейгера-Мюллера 5, усилитель-формирователь 6, нормально разомкнутые замыкатели 7 и 10, разделительный конденсатор 8 и вход 9 разрешения генерации автогенератора.

Схема, изображенная на фиг. 1, состоит из каскадно соединенных нормально заторможенного автогенератора 2 высокого напряжения, питаемого от первичного источника 1 напряжения, выпрямитель 3 с накопительным конденсатором, разрядного сопротивления 4, счетчика Гейгера-Мюллера 5, разделительного конденсатора 8, усилителя-формирователя 6, выход которого предназначен для подключения блока индикации.

Вход 9 разрешения генерации автогенератора через нормально разомкнутый замыкатель 7 соединен с потенциальным зажимом источника напряжения и непосредственно с выходом усилителя-формирователя 6.

Индикатор работает следующим образом.

В исходном состоянии автогенератор 2 заторможен, на его выходе нет переменного напряжения, следовательно, нет высокого напряжения на выходе выпрямителя 3, нагрузочном резисторе 4 и счетчике Гейгера-Мюллера 5. Индикатор не реагирует на ионизирующее излучение. При этом энергия первичного источника 1 напряжения практически не затрачивается, так как токи потребления заторможенного генератора и усилителя-формирователя в ждущем режиме (обычно выполняемом на элементах с КМОП-структурой), как правило, не превосходят тока саморазряда электрохимического источника тока. При кратковременном нажатии замыкателя 7 на вход 9 разрешения генерации автогенератора 2 поступает напряжение от источника постоянного напряжения. Происходит возбуждение автогенератора 2, на его выходе образуется переменное напряжение, которое после выпрямителя 3 с накопительным конденсатором поступает через нагрузочное сопротивление 4 на счетчик Гейгера-Мюллера 5.

После этого процесса счетчик 5 готов к регистрации ионизирующего излучения, а усилитель-формирователь 6 к его обработке.

При отпускании замыкателя 7 автогенерация прекращается, так как пропадает постоянное напряжение на входе 9 разрешения генерации автогенератора 2. Потребление энергии от первичного источника 1 питания практически прекращается, однако высокое постоянное напряжение на счетчике Гейгера-Мюллера 5 остается. Его поддерживает накопительный конденсатор выпрямителя 3. При попадании ионизирующей частицы между электродами счетчика Гейгера-Мюллера 5 в последнем происходит разряд, образуется разрядный импульс тока, который через разделительный конденсатор 8 усиливается и преобразуется в усилителе-формирователе 6 в прямоугольный импульс, возбуждающий блок индикации (звук, свет, цифра и т.п.). Одновременно прямоугольный импульс напряжения с выхода усилителя-формирователя 6 поступает на вход 9 разрешения генерации автогенератора 2. Генератор 2 возбуждается, на его выходе вновь появляется высокое переменное напряжение, которое после выпрямления и накопления в блоке 3 через разрядный резистор 4 вновь прикладывается к счетчику Гейгера-Мюллера 5 и усилителю-формирователю 6, подготавливая их к регистрации следующей ионизирующей частицы. Процесс генерации и соответственно заряда накопительного конденсатора продолжается в течение длительности импульса на выходе усилителя-формирователя 6, т.е. от единиц до десятков миллисекунд.

При попадании между электродами счетчика Гейгера-Мюллера 5 следующей ионизирующей частицы в нем снова происходит разряд и процесс повторяется.

Максимальная скорость счета в счетчике Гейгера-Мюллера составляет величину порядка тысяч герц (например, для СБМ-20 это 4000 Гц).

Поэтому для нормальной работы в известном индикаторе подразряд накопительного конденсатора должен производится настолько часто, чтобы обеспечить поддержание высокого напряжения на требуемом уровне при указанной частоте срабатывания счетчика.

В отличие от этого в предлагаемом индикаторе частота подзаряда и частота запуска генератора высокого напряжения минимально возможная и равна частоте срабатывания счетчика Гейгера (при нормальном фоне для счетчика СБМ-20 это равно 20-25 раз в 1 мин). Расход энергии источника питания в предлагаемом индикаторе, будучи пропорциональным частоте срабатывания счетчика, таким образом, будет существенно меньше, чем в известном, что и было задачей изобретения.

Схема, изображенная на фиг. 2, отличается от схемы, изображенной на фиг. 1, только тем, что является вариантом индикатора, в котором первичный запуск автогенератора 2 производится посредством срабатывания усилителя-формирователя 6, для чего включатель выполнен в виде нормально разомкнутого замыкателя, включенного между входом усилителя-формирователя 6 и потенциальным зажимом источника питания.

В основном схема, изображенная на фиг. 2, работает аналогично схема на фиг. 1. Разница состоит в процессе включения индикатора. Включение происходит следующим образом. При кратковременном нажатии на замыкатель 7 усилитель-формирователь 6 срабатывает (переворачивается), на его выходе образуется потенциал, который поступает на вход 9 разрешения генерации генератора 2. Генератор начинает генерировать, высокое переменное напряжение с его выхода поступает на выпрямитель 3 с накопительным конденсатором, а с его выхода высокое постоянное напряжение через разрядное сопротивление 4 прикладывается к зажимам счетчика Гейгера-Мюллера 5, делая его чувствительным к воздействию ионизирующих частиц. При отпускании замыкателя 7 потенциал на счетчике Гейгера-Мюллера 5 сохраняется за счет накопительного конденсатора выпрямителя 3. Дальнейший процесс работы индикатора (фиг. 2) ничем не отличается от работы индикатора, изображенного на фиг. 1.

Структурные схемы, изображенные на фиг. 3 и фиг. 1, отличаются только наличием выключателя индикатора. Он выполнен в виде нормально разомкнутого замыкателя 10, включенного параллельно счетчику Гейгера-Мюллера. Процесс работы схемы (фиг. 3) аналогичен процессу работы схемы (фиг. 1). Для выключения питания кратковременно нажимают на замыкатель 10. При этом накопительный конденсатор выпрямителя 3 полностью разряжается через разрядное сопротивление 4, на счетчике Гейгера-Мюллера 5 нулевой потенциал, вход 9 разрешения генерации генератора 2 закрыт, генератор 2 заторможен, счетчик Гейгера-Мюллера 5 не реагирует на воздействия ионизирующих излучений.

Осуществимость предлагаемых решений очевидна. Все блоки структурных схем давно и широко реализуются.

Вариант конкретного выполнения изобретения приведен на фиг. 2. Он представляет собой индикатор радиоактивности, реализованный по структурной схеме, изображенной на фиг. 3. Соответствующие функциональные блоки на схеме (фиг. 4) обведены штриховыми линиями и помечены теми же номерами, что и на фиг. 3.

Схема работает следующим образом. Напряжение первичного источника 1 питания (электрохимического источника тока) подано на транзистор генератора 2 и КМОП вентили 2И-НЕ одновибратора, выполняющего функцию усилителя-формирователя 6. Выпрямитель с накапливающим конденсатором (блок 3) подключен к повышающей обмотке генератора. Накапливающий конденсатор через разрядный резистор 4 подает высокое питающее напряжение на счетчик Гейгера 5. Импульсы со счетчика Гейгера через разделительный конденсатор 8 подаются на вход одновибратора 6, выполняющего роль усилителя-формирователя.

В исходном состоянии транзистор генератора заперт низким потенциалом, поступающим на его базу через резистор с выхода одновибратора. Замыкание пускового ключа 7 создает высокий уровень на выходе одновибратора, благодаря чему отпирается транзистор и генератор начинает работать. Накопительный конденсатор заряжается до напряжения порядка 400 В, достаточного для срабатывания счетчика Гейгера. Поскольку процесс заряда накопительной емкости продолжается в течение десятков миллисекунд, для включения схемы в рабочее состояние достаточно кратковременного нажатия замыкателя 7. При попадании ионизирующей частицы в разрядный промежуток счетчика Гейгера возникает импульс, запускающий одновибратор, выход которого приобретает высокий уровень. Это приводит к запуску генератора на время, определяемое длительностью импульса одновибратора. За это время происходит подзарядка накопительного конденсатора. При этом длительность импульса одновибратора и ток с повышающей обмотки генератора должны быть достаточны для того, чтобы компенсировать заряд, затраченный накопительным конденсатором на срабатывание счетчика Гейгера. Следовательно, после каждого срабатывания счетчика Гейгера напряжение накопительного конденсатора будет восстановлено до номинального уровня и схема будет готова к регистрации следующей радиоактивной частицы. Выход одновибратора подключается к входу блока, осуществляющего подсчет, обработку и индикацию информации об интенсивности ионизирующего излучения. При отсутствии ионизирующих частиц потребление энергии от источника 1 питания определяется обратным током коллектора транзистора и током утечки КМОП вентилей. Эти токи весьма малы и практически значительно меньше тока саморазряда электрохимического источника. Среднее значение потребляемого тока в режиме регистрации ионизирующего излучения строго пропорционально интенсивности этого излучения и достигает минимально возможного уровня. Иными словами, предложенная схема построения индикатора радиоактивности является наиболее экономичной из известных в настоящее время.

Выключение индикатора достигается кратковременным замыканием ключа 10. При этом накопительный конденсатор разряжается, что исключает дальнейшее срабатывание счетчика Гейгера и, следовательно, дальнейшее срабатывание одновибратора и генератора. Индикатор может оставаться выключенным сколько угодно долго.

Индикатор, реализованный по приведенной схеме и снабженный визуальным и акустическим индикаторами на светоизлучающем диоде и пьезоэлектрическом излучателе соответственно, имел при напряжении питания 2,5 В примерно 50 мкА при 25 импульсах в 1 мин (что соответствует нормальному радиационному фону для счетчика типа СБМ-20).

Использование: для измерения радиоактивности излучений в индикаторах с автономным питанием. Сущность изобретения: для уменьшения потребления энергии от источника питания, т.е. для повышения экономичности, в индикаторе радиоактивности, содержащем каскадно соединенные автогенератор высокого переменного напряжения, питаемый от первичного источника питания, выпрямитель с накопительной емкостью, разрядный резистор, счетчик Гейгера-Мюллера, разделительный конденсатор и усилитель-формирователь, нагруженный на блок индикации, автогенератор выполнен нормально заторможенным, а цепь разрешения генерации подключена к выходу усилителя-формирователя. Автогенератор может быть заторможен по цепи питания базы транзистора автогенератора, которая соединена с выходом усилителя-формирователя. Для первичного заряда накопительного конденсатора (для включения индикатора) включатель питания может быть выполнен в виде нормально разомкнутого замыкателя, включенного между базой транзистора автогенератора и потенциальным зажимом источника постоянного напряжения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ИНДИКАТОР РАДИОАКТИВНОСТИ НА ОСНОВЕ СЧЕТЧИКА ГЕЙГЕРА-МЮЛЛЕРА, содержащий источник питания, ключ, автогенератор высокого напряжения, выполненный на транзисторе, выход которого через последовательно соединенные выпрямитель с накопительным конденсатором, разрядный резистор, счетчик Гейгера-Мюллера и разделительный конденсатор подключен к первому входу усилителя-формирователя, выполненного в виде одновибратора, выходом подключенного к индикатору, отличающийся тем, что цепь смещения базы транзистора автогенератора высокого напряжения, являясь его первым входом, подключена к выходу усилителя-формирователя и через ключ к источнику питания, цепь коллектора транзистора автогенератора высокого напряжения, являясь его вторым входом, как и второй вход усилителя-формирователя, непосредственно подключены к источнику питания. 2. Индикатор радиоактивности, содержащий источник питания, ключ, автогенератор высокого напряжения, выполненный на транзисторе, выход которого через последовательно соединенные выпрямитель с накопительным конденсатором, разрядный резистор, счетчик Гейгера-Мюллера и разделительный конденсатор подключен к первому входу усилителя-формирователя, выполненного в виде одновибратора, выходом подключенного к индикатору, отличающийся тем, что цепь смещения базы транзистора автогенератора высокого напряжения, являясь его первым входом, подключена к выходу усилителя-формирователя, первый вход которого через ключ соединен с общей шиной, а второй его вход, так же как и цепь коллектора транзистора автогенератора высокого напряжения, являющаяся его вторым входом, подключены к источнику питания. 3. Индикатор радиоактивности по п. 2, отличающийся тем, что в него введен второй ключ, включенный между входом счетчика Гейгера-Мюллера и общей шиной.