СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G01T1/18 G01T1/167 

Изобретение относится к измерению электрофизических параметров окружающей среды и может быть использовано для определения степени ионизации, наличия и величины потока фотонов (и рентгеновского излучения), электронов (β-излучения), a-частиц, концентрации ионов, электронов, а также измерения электронного квантового потенциала (квантовой энергии).

Устройство для осуществления предложенного способа относится к типу разрядных приборов, например, счетчику Гейгера-Мюллера и т.д. и может быть применено для оценки радиоактивной загрязненности окружающей среды, как в лабораторных условиях, так и в условиях работы общедоступной бытовой техники.

Известен способ измерения электрофизических параметров окружающей среды, в частности, определения интенсивности ионизирующего излучения, например, рентгеновского или g-излучения, а также концентрации быстрых заряженных частиц [1] Способ заключается в том, что в среде, содержащей ионизирующие частицы, создают электрическое поле и по изменению количества импульсов тока в единицу времени определяют параметры среды. Чем больше напряжение, тем больше пар разнополярных частиц не подвергается рекомбинации: происходит увеличение тока, однако, при определенном напряжении возможность улавливания частиц для регистрации их резко снижается и происходит насыщение тока, при котором регистрации невозможна.

Снижение чувствительности измерения является недостатком способа.

Устройство для осуществления указанного способа [1] выполнено в виде ионизационной камеры с двумя электродами, помещенными в баллон, наполненный воздухом или другими газами (смесями с аргоном, азотом или водородом) при повышенном (2 20 кгс/см²) давлении.

Если напряжение не приложено к электродам, в камере происходит рекомбинация ионизированных частиц и ток в цепи не протекает. При подаче напряжения на электроды, в цепи появляется ток. Чем больше напряжение, тем больше частиц, не подвергаясь рекомбинации, достигает электродов тем больше ток. Однако при определенном напряжении все заряженные частицы достигают электродов и дальнейшее увеличение напряжения не приводит к росту тока. Наступает насыщение тока, при котором измерение невозможно.

Снижение чувствительности является недостатком устройства.

В прототипе [1] увеличение чувствительности достигается за счет осуществления дополнительной "лавинной" ионизации, которая заключается в том, что после создания электрического поля в среде, содержащей ионизирующие частицы, пропускают через среду ионизированные частицы с большей энергией. В результате обеспечивается увеличение тока до значения, независимого от начальной ионизации; процент импульсов с достаточно большой энергией возрастает с увеличением напряжения так, что в диапазоне пороговых значений напряжений от U_min до U_max (плато) возможна регистрация импульсов тока.

Недостатком способа-прототипа является то обстоятельство, что дополнительная "лавинная" ионизация газа приводит к образованию в электрическом поле ионного облака, приводящего к уменьшению чувствительности измерения.

Устройством-прототипом является конструкция типа счетчика Гейгера-Мюллера [2] Устройство содержит катод, выполненный в виде металлического корпуса, полость которого заполнена газом, и счетный электрод-анод, выполненный в виде натянутой тонкой проводящей нити, закрепленной на внутренних стенках корпуса. Процесс "лавинной" ионизации приводит к образованию вблизи анода ионного облака, которое, изменяя распределение электрического поля делает устройство нечувствительным к следующей ионизирующей частице.

Данное обстоятельство является недостатком прототипа, кроме того, такое выполнение устройства обеспечивает осуществление измерения параметров в локальной области среды (в пределах физического объема устройства) и не позволяет производить измерения вне этой области (на расстояние от устройства, величина которого больше величины пробега, например, a-частиц, в воздухе она равна ≈2 3 см).

В результате невозможность производить дистанционное измерение является также недостатком прототипа.

Задача изобретения повышение чувствительности, а также обеспечение возможности дистанционного измерения.

Это достигается тем, что после создания в среде, содержащей ионизирующие частицы, электрического поля осуществляют дополнительную ионизацию среды при значении напряжения

где е, m заряд, масса электрона;
с скорость света;
h постоянная Планка;
σ величина допустимого интервала для значения напряжения близкого к максимальному значению линейного участка резонансной зависимости частоты повторения импульсов от напряжения.

Указанные значения напряжения, при котором обеспечивается создание резонансного коронного разряда на острие электрода, а также соотношения геометрических параметров измерительного устройства, оптимальные для получения нового технического результата, выявлены экспериментальным путем.

В процессе исследования установлено, что существует узкая область напряжений на электродах детектирующей системы, в пределах которой имеется аномально высокое значение количества импульсов тока (сигналов измерения), сильно зависящих от параметров внешней среды.

Характер изменения количества импульсов от величины напряжения имеет форму резонансной характеристики с шириной полосы 2σ по уровню 0,7 и 2σ у основания, симметричной относительно указанного выше фундаментального значения напряжения, определяемого формулой (мировая константа). Установлено, что σ ~ 50В.. Эта резонансная характеристика не левом и правом скатах имеет линейные участки, на которых и производится измерение (см. пунктирные линии на графике диаграммы на фиг. 2) созданный в результате указанного процесса резонансный коронный электрический разряд осуществляется на острие счетного анода, выполненного в виде игольчатого коронирующего стержня, закрепленного внутри металлической разрядной камеры-катода, окружающей анод, торцевое сечение которого расположено от входного поперечного сечения разрядной камеры на расстоянии (2/3^oC3/4)l, где l длина разрядной камеры, причем площадь поперечного сечения проводника меньше в 10^2 oC10³ раз площади поперечного сечения камеры. Влияние параметров среды на число импульсов тока при данном напряжении осуществляется не только в области детектирующей системы, но и за ее пределами (нелокальные измерения). Обеспечение дистанционного измерения за счет свойства нелокальности коронного разряда является также новым техническим результатом.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства, предназначенного для осуществления предложенного способа; на фиг. 2 график зависимости частоты числа импульсов тока в единицу времени от напряжения.

Измерение электрофизических параметров окружающей среды предложенным способом осуществления за счет того, что создают электрическое поле в газоразрядном детекторе между острием стержневого анода и коаксиально расположенным цилиндрическим катодом и производят воздействие ионизирующими частицами исследуемой среды, причем в газовой среде детектора создают резонансный коронный электрический разряд при напряжении на аноде, выбранном в интервале значений 3,73±0,2 кВ. Регистрация электрофизических параметров исследуемой среды выполняется путем определения зависимости частоты повторения импульсов тока в анодной цепи от напряжения и воздействующего фактора среды.

Устройство для осуществления способа выполнено в виде металлической разрядной камеры 1 катода, полость которой заполнена газовой средой и помещенного в ней тонкого проводника анода 2. Последний представляет собой игольчатый коронирующий стержень с удлиненным острием 3 на свободном конце, закрепленный через изолятор 4 на стенке камеры 1 и соединенный через нагрузочный резистор 5 с источником регулируемого постоянного напряжения (значение напряжения 3,73 + 10 кВ). Тонкий проводник анод 2 подключен к схеме регистрации импульсов тока (не показана). Геометрические параметры конструктивных элементов, удовлетворяющие наилучшим показателям работы устройства в условиях повышенной чувствительности и обеспечения дистанционного измерения установлены экспериментальным путем: торцовое сечение стержня анода 2 расположено от входного поперечного сечения (окно 6) разрядной камеры 1 на расстоянии, равном (2/3^oC3/4)l, где l длина разрядной камеры, а площадь поперечного сечения игольчатого стержня уменьшена в 10^2 oC10³ раз по отношению к площади поперечного сечения камеры.

Окно 6 предназначено для связи камеры с окружающей средой причем объекты измерения располагаются таким образом, что возможно воздействие их на объем среды перед окном 6 (вблизи окна), либо на внутреннюю область камеры, прилегающую к окну, либо на дополнительную преграду, например, крышку 7, закрывающую окно.

При подаче на токопроводящее острие 3 положительного потенциала вблизи значения 23,73 кВ происходит возникновение между удлиненным острием и окружающим его проводящим электродом резонансного коронного электрического разряда.

Для измерения электрофизических параметров окружающей среды производят регистрацию количества импульсов тока в единицу времени коронного разряда с острия причем в зависимости от того, какие параметры регистрируются, выбирается рабочая точка на том или ином участке указанной ранее резонансной зависимости (фиг. 2). Так, например, при наличии в воздухе помещения 10³ пар ионов/см (условия ионизации бытового ионизатора "Рязань") средняя частота повторения импульсов Fn (количество импульсов тока в единицу времени) уменьшается от 30 Гц до 0, если начальная установка напряжения соответствовала "левой" (фиг. 2) ветви резонансной кривой.

Аналогичное изменение Fn происходит при воздействии на область воздуха вблизи окна 5 датчика разрядной камеры 2γ-излуения. Окно может быть закрыто тем или иным экраном, например крышкой 6, обеспечивающим селекцию различных факторов воздействия окружающей среды. В то же время возможность работы без какого-либо защитного окна 5 и возможность дистанционного измерения позволяет регистрировать воздействие на процесс разряда излучений малой энергии (α,β) и с коротким пробегом (α-излучения).

При испытаниях использовался датчик с диаметром цилиндрического (внешнего) электрода 60 мм, длиной 100 мм. Центральный электрод (с острием) выполнен с диаметром 0,43 мм при длине 65 мм, причем расстояние от окна (торца цилиндра) до острия составляет 35 мм.

Источник g-излучения располагался вблизи от датчика на регулируемом расстоянии 10 100 см от входного окна.

Интенсивность излучения на данном расстоянии от источника фиксировалась штатным дозиметром ДРГ 3 0,1.

При регистрации излучения с помощью УИЭПОС напряжение на острие устанавливалось вблизи значения U₀=3,73 кВ 100 В, при этом фоновый поток импульсов в цепи острия составлял 100 имп) сек. При облучении γ-источником воздуха перед окном УИЭПОС поток импульсом уменьшался пропорционально интенсивности g-радиации и обратно пропорционально расстоянию от источника до окна УИЭПОС.

Сопоставление чувствительности УИЭПОС с прибором ДРГ-3,01 показало, что при расстоянии до источника g-излучения ≃ 35см предлагаемая конструкция ЭИПОС обеспечивает чувствительность, превосходящую чувствительность ДРГ-3-0,1 примерно в 30 раз. Установлено, что наибольшей чувствительностью обладает прибор с указанной оптимальной геометрией, при которой обеспечиваются соотношения площади поперечного сечения острия анода, уменьшенной в 10² + 10³ раз по отношению к площади поперечного сечения камеры, а также с расположением торцевого сечения острия от входного поперечного сечения камеры на расстоянии, равном ≈(2/3 3/4)L, где L длина разрядной камеры.

Примеры измерений предлагаемым способом следующие:
а) Для измерения рентгеновского излучения (γ-излучения) входное окно закрывается тонкой (толщина 0,1 мм) крышкой из алюминия или другого металла. Производится подсчет числа импульсов тока в датчике, откалиброванном с данным окном по интенсивности g-излучения.

б) Для измерения наличия нейтронов в воздухе датчик с открытым окном размещают в заданной области так, чтобы пространство (воздух) перед окном на расстоянии 2 3 диаметра окна было заполнено искомыми нейтронами.

Производится отсчет числа импульсов тока, датчик предварительно калибруется и аттестуется по эталонному источнику нейтронов.

в) Для измерения a-излучений датчик может быть оснащен окном из металлической сетки (например, латунный провод 0,3 мм, ячейка 5 мм). При локальных измерениях a-радиоактивных предметов окно датчика располагается вблизи обмеряемого предмета на расстоянии не более 2 3 см.

Отсчет аналогично пп. а и б.

При дистанционных измерениях a используется датчик с открытым окном аналогично п. б.

Приведенные экспериментальные данные говорят о том, что каждому определенному числу импульсов тока (сигналов измерения) в секунду прибора УИЭПОС можно поставить в соответствие определенную величину интенсивности g-излучения, которая мерилась дозиметром ДРГ-3-0,1. Иначе говоря, мерилась квантовая энергия излучения, которая всегда равна энергии целевого числа квантов
E_изл= к•h•ν,
где Е_изл. квантовая энергия или электронный квантовый потенциал; к число квантов; h постоянная Планка, а ν частота излучения.

Если известны номера орбит n и m в атоме источника g радиации, между которыми происходил переход электрона, то можно определить частоту излучения n
,
где R постоянная Ридберга. Теперь можно найти и число γ-квантов-квантов:

Эксперимент проводился на расстоянии 35 см от источника g-излучения, что является преимуществом предлагаемого способа.

Предлагаемое изобретение является актуальным, так как проблемы экологии и радиоактивной загрязненности окружающей среды, предметов быта, продуктов питания, делают особенно важным поиск путем регистрации электрофизических характеристик, пригодных для использования не только в специализированных лабораторных условиях, но и в простой и доступной бытовой технике.

Использование: определение степени ионизации, наличия потоков фотонов и электронов, концентрации ионов и других электрофизических параметров окружающей среды. Сущность изобретения: для повышения чувствительности измерений в газоразрядном детекторе между острием стержневого анода и коаксиально расположенным цилиндрическим катодом создают электрическое поле. В газовой среде детектора создают резонансный коронный разряд при напряжении на аноде, выбранном в интервале значений 3,73±0,2 кВ. Электрофизические параметры исследуемой среды регистрируют путем определения зависимости частоты повторения импульсов тока в анодной цепи от напряжения. Острие анода размещается от торцевого окна камеры на расстоянии, равном (2/3^oC3/4)l, где l - длина разрядной камеры детектора. Площадь поперечного сечения острия анода в 10^2 oC10³ раз меньше площади поперечного сечения камеры. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения электрофизических параметров окружающей среды, включающий создание электрического поля в газоразрядном детекторе между острием стержневого анода и коаксиально расположенным цилиндрическим катодом, воздействие ионизирующими частицами исследуемой среды и регистрацию ее электрофизических параметров путем определения зависимости частоты повторения импульсов тока в анодной цепи от напряжения, отличающийся тем, что в газовой среде детектора создают резонаторный коронный электрический разряд при напряжении на аноде, выбранном в интервале значений 3,73±0,2 КВ. 2. Устройство для измерения электрофизических параметров окружающей среды, содержащее катод в виде металлической разрядной камеры, заполненной газовой средой, стержневой анод с острием, установленный коаксиально внутри камеры, торцевое окно камеры для ввода ионизирующих частиц и систему регистрации импульсов тока, подключенную к аноду, отличающееся тем, что острие анода размещено от торцевого окна камеры на расстоянии, равном (2/3 3/4)l, где l длина разрядной камеры, причем площадь поперечного сечения острия анода в 10² 10³ раз меньше площади поперечного сечения камеры.