ФОТОМЕТР УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G01J1/44 

Изобретение касается регистрации светового излучения, в частности измерения дозы УФ-излучения, и может быть использовано в медицине, радиологии, альпинизме, при исследованиях в верхних слоях атмосферы и космосе.

Известен прибор для измерения принятой дозы ультрафиолетового облучения /1/, содержащий датчик, интегратор, блок обработки данных и блок представления результатов измерений.

Недостатками известного решения являются потребление энергии в течение всего времени экспонирования и плохая избирательность к УФ-излучению, из-за чего возникает необходимость применения специальных светофильтров.

Известен фотометр /2/, взятый за прототип, который содержит размещенные в корпусе датчик, интегратор, схему "И", АЦП, задающий генератор импульсов, накопитель, блок представления результатов измерений и блок питания.

Недостатком известного решения является потребление энергии в течение всего времени экспонирования. Конструкция прибора не позволяет вынести датчик и проводить набор дозы дистанционно.

Задачей изобретения является создание фотометра УФ-излучения, в котором при экспонировании не требуется работы электронных схем, а следовательно, экспонирование может проводится длительное время, например для обнаружения периодически включаемых источников УФ-излучения. Для удобства измерений в труднодоступных и ограниченных по габаритам местах в фотометре должна быть предусмотрена возможность отделения детектора и работы с ним в автономном режиме.

Такой результат достигается тем, что фотометр ультрафиолетового излучения, содержащий детектор на основе полупроводниковой структуры, задающий генератор импульсов, выход которого соединен с входом схемы И, накопитель, выход которого соединен с входом блока представления результатов измерений, и блок питания, согласно изобретению дополнительно содержит блок считывания, состоящий из схемы опроса ячеек памяти и буферного запоминающего устройства (ЗУ), блок опроса логических состояний разрядов буферного ЗУ и электрический разъем для подключения детектора, выполненного в виде репрограммируемого запоминающего устройства со стиранием информации УФ-излучением (РПЗУ-УФ), в группы запоминающих ячеек которого предварительно записаны программирующие импульсы различной длительности t, причем t_порог≅t≅t_{програм}, где t_порог длительность программирующего импульса, при которой запоминающие ячейки РПЗУ-УФ находятся на пороге изменения своего проводящего состояния, а t_{програм} рекомендуемая длительность программирующего импульса для данного типа РПЗУ-УФ, адресные шины РПЗУ-УФ соединены с выходом схемы опроса ячеек памяти, а шины данных с первым входом буферного ЗУ, второй вход и выход которого соединены соответственно с первым выходом блока опроса логических состояний разрядов буферного ЗУ и вторым входом схемы "И", выход которой соединен с входом накопителя, второй выход и вход блока опроса логических состояний разрядов буферного ЗУ соединены соответственно с входом схемы опроса ячеек памяти и вторым выходом генератора задающих импульсов. Сопоставительный анализ с известными решениями показывает, что предложенное решение обладает существенными отличительными признаками, позволяющими решить поставленную задачу: новые блоки и соединения между ними, особым образом подготовленный детектор, и потому соответствует критерию "новизна" и не следует явным образом из известного уровня техники.

На чертеже изображена блок-схема фотометра УФ-излучения.

Фотометр содержит детектор 1 на основе РПЗУ-УФ, блок 2 считывания, содержащий схему 3 опроса ячеек памяти РПЗУ-УФ и буферное ЗУ 4, электрический разъем 5 для подключения детектора 1 к блоку 2 считывания, схему И 6, блок 7 опроса ячеек памяти буферного ЗУ 4, задающий генератор 8 импульсов, накопитель 9, блок 10 представления результатов измерений и блок 11 питания. Адресные шины РПЗУ-УФ детектора 1 соединены через электрический разъем 5 с выходом схемы 3 опроса ячеек памяти, а шины данных с первым входом буферного ЗУ 4, второй вход и выход которого соединены соответственно с первым выходом блока 7 опроса логических состояний разрядов буферного ЗУ 4 и вторым входом схемы И 6, выход которой соединен с входом накопителя 9, второй выход и вход блока 7 опроса логических состояний разрядов буферного ЗУ 4 соединены соответственно с входом схемы 3 опроса ячеек памяти и вторым выходом задающего генератора 8 импульсов, первый выход которого соединен с первым входом схемы И 6, выход накопителя 9 соединен с входом блока 10 представления результатов измерений.

РПЗУ-УФ, которое является детектором 1 в фотометре, перед экспонированием проходит предварительную "зарядку" путем программирования ячеек памяти, базовым элементом которых является лавинно-инжекционный МОП-транзистор с плавающим затвором (ЛИПЗ/МОП-транзистор). Плавающий затвор электрически изолирован от остальных электродов и служит запоминающим элементом транзистора, который сохраняет электрический заряд, занесенный на него, длительное время (≈25000 ч). Вызвать перенос заряда на плавающий затвор можно, сообщив электронам подложки достаточную энергию, при которой они могут преодолеть энергетический барьер на границе кремний (плавающий затвор) - двуокись кремния (подложка). Программирующие импульсы высокого уровня (25 В) создают нужный режим лавинного пробоя, и электроны из подложки переходят на плавающий затвор. Накапливаясь на нем, они увеличивают потенциал плавающего затвора точно так же, как и при подаче затворного напряжения, и изменяют проводящее состояние транзистора. Транзисторы, применяемые в промышленно выпускаемых РПЗУ-УФ, рассчитаны на повышение потенциала плавающего затвора, которое сдвигает пороговое напряжение по управляющему затвору на 10 12 В. Такой сдвиг возможен при длительности программирующих импульсов t_{програм} 50 100 мс. Следовательно, имеется большой запас заряда на плавающем затворе при котором проводящее состояние, в котором находится транзистор, сохраняется. Если на транзистор подавать программирующие импульсы меньшей длительности, то заряд на плавающем затворе, а соответственно, и сдвиг порогового напряжения по управляющему затвору будет меньше. Таким образом, регулируя длительность программирующего импульса t_{програм}, можно создать то или иное распределение зарядов, а следовательно, и пороговых потенциалов по управляющим затворам в массиве запоминающих ячеек РПЗУ-УФ. Очевидно, что из совокупности всех транзисторов, находящихся в закрытом состоянии, наименьшим зарядом на плавающем электроде будут обладать транзисторы, на которые подавались программирующие импульсы такой длительности t_порог, что они находятся на грани переключения. Рекомендуется программирующий импульс формировать из пачки коротких импульсов. При таком режиме программирования удобно задавать режим записи всего массива, меняя количество импульсов, по адресам ячеек или групп ячеек.

При экспонировании подобным образом запрограммированного РПЗУ-УФ в зоне воздействия УФ-излучения происходит одновременное рассасывание зарядов на плавающих затворах всех ячеек, вследствие того что кванты, попадая на плавающий затвор, сообщают электронам достаточную энергию для преодоления энергетического барьера между слоем поликремния и окислом кремния. В результате у транзисторов с малым зарядов на плавающем затворе пороговый потенциал по управляющему затвору снизится до значения, при котором при опросе ячейки будет зафиксировано изменение проводящего состояния. Таким образом, в результате облучения РПЗУ-УФ изменит состояние определенное количество ячеек памяти, количество которых будет зависеть от дозы излучения. При этом благодаря четкому энергетическому барьеру перехода электронов исключается влияние видимого света на результаты измерений. Процесс экспонирования не требует подключения питания к детектору и может проводиться автономно.

Для считывания информации детектор 1 подключают через электрический разъем 5 к блоку 2 считывания. Схема 3 опроса ячеек памяти задает по адресным шинам адрес ячейки памяти РПЗУ-УФ и информация из нее по шинам данных в виде n-разрядного слова (n определяется организацией РПЗУ-УФ) переписывается в буферное ЗУ 4. Блок 7 опрос логических состояний разрядов буферного ЗУ опрашивает все n разрядов буферного ЗУ 4 в режиме, определяемом задающим генератором 8 импульсов. Информация о логическом состоянии ячеек буферного ЗУ 4 с его выхода поступает на второй вход схемы И 6, на первый вход которой поступают формирующие импульсы с первого выхода задающего генератора 8 импульсов. На выход схема И 6 пропускает импульсы, соответствующие одному логическому состоянию, например логическую "1". После опроса всех n ячеек буферного ЗУ 4 блок 7 опроса логических состояний разрядов буферного ЗУ со второго выхода выдает команду на вход схемы 3 опроса ячеек памяти о смене адреса опрашиваемой ячейки РПЗУ-УФ (детектора 1) и процесс считывания информации повторяется. Импульсы с выхода схемы И 6 поступают на вход накопителя, где в результате опроса всех ячеек памяти РПЗУ-УФ получают информацию о количестве ЛИПЗ/МОП-транзисторов, находящихся в данном логическом состоянии. Эти данные поступают в блок 10 представления результатов, где обрабатываются с помощью градуировочных таблиц.

Фотометр УФ-излучения был выполнен в виде переносного прибора. В качестве детектора использовали БИС РПЗУ-УФ типа К573РФ2, которое имеет информационную емкость 16К бит с организацией 2048 8-разрядных слов и выполнено в корпусе с кварцевым окном. Первоначально, а также после каждого цикла стирания информации, по всем адресам и разрядам РПЗУ-УФ записана логическая "1", поэтому пpограммирование заключается в записи логического "0" в выбранную ячейку матрицы. Детектор "заряжали" следующим образом. Программирующий импульс формировали из пачки импульсов длительностью 10 мкс (рекомендуемая длительность программирующего импульса t_{програм} 50 мс). Все поле адресов РПЗУ-УФ разбивали на 32 группы по 64 адреса в группе (512 элементов памяти). Каждую группу программировали разным числом коротких импульсов, увеличивая их количество для каждой последующей группы, причем для первой группы подбирали такое количество импульсов, чтобы запоминающие ячейки находились на грани перехода в переключенное состояние (около половины элементов памяти переключались), для последней группы суммарная длительность импульсов задавали 50 мс. Таким образом, каждая группа отличалась от другой величиной заряда на плавающих затворах транзисторов памяти. Детектор экспонировали отдельно от прибора с перемкнутыми у БИС выводами. После экспонирования БИС подключали к блоку 2 считывания через стандартную соединительную розетку, установленную на корпусе прибора. Схема 3 опроса ячеек памяти состоит из задатчика адреса ячейки, собранного на трех счетчиках КР155ИЕ7, и старт-стоповой схемы. В качестве буферного ЗУ был использован селектор-мультиплексор КР155КП7. На него подавалась информация по шинам данных из РПЗУ-УФ. Блок 7 опроса логических состояний разрядов буферного ЗУ выполнен на счетчике КР155ИЕ7, который, переключаясь под воздействием импульсов, поступающих с задающего генератора 8 импульсов, опрашивал буферное ЗУ 4, а после опроса всех восьми разрядов выдавал на схему 3 опроса ячеек памяти сигнал смены адреса ячейки памяти, после чего на вход буферного ЗУ 4 поступало следующее 8-разрядное слово и процесс считывания повторялся. Накопитель 9 выполнен на пяти счетчиках КР155ИЕ2. Он суммирует число элементов памяти, находящихся в заданном логическом состоянии в процессе опроса РПЗУ-УФ. Блок 10 представления информации выполнен на пяти дешифраторах К514ИД1 и цифровых индикаторах АЛ304А. Задающий генератор 8 импульсов работает с частотой 0,5 МГц.

Предложенный фотометр обладает существенными преимуществами перед известными: во время набора дозы все схемы, потребляющие энергию, могут быть отключены от электропитания, а само время опроса не велико. Съемность детектора и его полная автономность при экспонировании позволяют обслуживать одним прибором несколько детекторов, что существенно расширяет возможности фотометрии. Данные с детектора поступают в цифровой форме, что облегчает их дальнейшую обработку и хранение. Использование в фотометре статистической обработки результатов воздействия облучения сглаживает разброс характеристик отдельных ячеек и обеспечивает хорошую повторимость результатов измерений. Благодаря массовому применению РПЗУ-УФ их технология постоянно совершенствуется, емкость матриц увеличивается, а стоимость падает. Для детектора могут быть использованы схемы с частично поврежденной матрицей, что еще больше удешевляет прибор. Значительным преимуществом детектора, примененного в фотометре, является его практически полное невосприятие помех от видимого света и длительность сохранения данных, которые при выбранной в данной конструкции системе съема информации, могут быть многократно считаны.

Использование: в медицине, радиологии, альпинизме, при исследованиях в верхних слоях атмосферы и космосе, а именно в технике регистрации светового излучения, в частности измерение дозы ультрафиолетового (УФ) излучения. Сущность изобретения: фотометр УФ-излучения содержит детектор 1 на основе полупроводниковой структуры, задающий генератор 8 импульсов, схему И 6, накопитель 9, блок 10 представления результатов измерений, блок питания 11, блок 2 считывания, состоящий из схемы 3 опроса ячеек памяти и буферного запоминающего устройства (ЗУ) 4, блок 7 опроса логических состояний разрядов буферного ЗУ и электрический разъем 5 для подключения детектора 1, выполненного в виде репрограммируемого запоминающего устройства со стиранием информации УФ-излучением (РПЗУ-УФ), в группу запоминающих ячеек которого предварительно записаны программирующие импульсы различной длительности t, причем t_порог меньше или равно t меньше или равно t_{програм}, где t_порог - длительность программирующего импульса, при котором запоминающие ячейки РПЗУ-УФ находятся на пороге изменения своего проводящего состояния, а t_{програм} - рекомендуемая длительность программирующего импульса для данного типа РПЗУ-УФ, адресные шины РПЗУ-УФ соединены с выходом схемы 3 опроса ячеек памяти, а шины данных соединены с первым входом буферного ЗУ 4. 8 - 6, 9 - 10, 4 - 7, 6 - 4, 6 - 9, 4 - 3, 8 - 3. 1 ил.

Фотометр ультрафиолетового излучения, содержащий корпус, детектор на основе полупроводниковой структуры, задающий генератор импульсов, выход которого соединен с входом схемы И, накопитель, выход которого соединен с входом блока представления результатов измерения, блок питания, отличающийся тем, что дополнительно содержит блок считывания, состоящий из схемы опроса ячеек памяти и буферного запоминающего устройства, блок опроса логических состояний разрядов буферного запоминающего устройства, и электрический разъем для подключения детектора, выполненного в виде репрограммируемого запоминающего устройства со стиранием информации ультрафиолетовым излучением, в группы запоминающих ячеек которого предварительно записаны программирующие импульсы длительности t, причем t_порог≅ t ≅t_{программ}, где t_порог длительность программирующего импульса, при которой запоминающие ячейки репрограммируемого запоминающего устройства находятся на пороге изменения своего проводящего состояния, а t_{программ} рекомендуемая длительность программирующего импульса для данного типа репрограммируемого запоминающего устройства, адресные шины детектора репрограммируемого запоминающего устройства соединены с выходом схемы опроса ячеек памяти, а шины данных с первым входом буферного запоминающего устройства, второй вход и выход которого соединены соответственно с первым выходом блока опроса логических состояний разрядов буферного запоминающего устройства вторым входом схемы И, выход которой соединен с входом накопителя, второй выход и вход опроса логических состояний разрядов буферного запоминающего устройства соединены соответственно с входом схемы опроса ячеек памяти и вторым выходом задающего генератора импульсов.