ДОЗИМЕТР Российский патент 1998 года по МПК G01T1/11 

Изобретение относится к физическим измерениям, а именно к способам и измерительным средствам для определения доз ионизирующих излучений. Оно может быть использовано в технике дозиметрического контроля.

Известны устройства определения дозы ионизирующего излучения, включающие последовательно соединенные источник напряжения, ионизационную камеру, усилитель и счетчик-нумератор (см. К.К.Агминцев. Экспериментальные основы дозиметрии и дозиметрическая аппаратура. Л., 1957, с. 61).

Основными достоинствами решений-аналогов являются наглядность результатов измерений, представляемых в цифровом виде, большая чувствительность при регистрации дозы, создаваемой отдельными ионизирующими частицами, а также возможность селектирования различных видов излучений (см. патенты: EP N 0409408, кл. G 01 T 1/00, 1/24; DE N 3921377, кл. G 01 T 1/18, 1/17; US N 4954709, кл. G 01 T 1/29, 7/00; DE N 3927107, кл. G 01 T 1/06, 3/00). Однако решения-аналоги обладают следующими недостатками.

Наличие в составе решений-аналогов усилителя с его электронными приборами, а также необходимость в стабилизированном источнике напряжения обуславливают их сложность и неудобство эксплуатации. Работа при больших мощностях излучения требует соответственно большого напряжения на электродах ионизационной камеры согласно соотношению.:

где
U-напряжение, прикладываемое к электродам ионизационной камеры,
P - мощность дозы ионизирующего излучения.

Наличие высокого напряжения на электродах ионизационной камеры обуславливает необходимость либо в высоковольтных источниках напряжения, либо приводит к усложнению электрической схемы и увеличению габаритов дозиметра. Кроме того, при увеличении мощности дозы уменьшается точность измерения дозы вследствие наступления насыщения ионизационной камеры, а также ограниченного быстродействия счетчика-нумератора, "пропускающего" сливающиеся импульсы от ионизационной камеры. Еще одним недостатком решений-аналогов является необходимость переградуировки дозиметра при изменении характера излучения "непрерывное/импульсное". Следствием указанных недостатков является невозможность обеспечения длительной необслуживаемой квалифицированным персоналом эксплуатации решений - аналогов, требующейся в радиационно опасных производствах.

Отмеченные недостатки частично устранены в решении-прототипе, отличающемся тем, что вместо ионизационной камеры в дозиметре используется термолюминесцентный люминофор, при помощи которого регистрируется факт облучения ионизирующим излучением (Патент GB N 2227633, кл. G 01 T 1/11, 1989).

Замена ионизационной камеры на люминофор в решении-прототипе обеспечивает работу дозиметра при меньших значениях напряжения источника, так как источник напряжения теперь необходим только для обеспечения считывания результатов изменения интенсивности термолюминесцентного излучения. Меньшая средняя энергия возбуждения атомов в люминофоре ионизирующим излучением по сравнению со средней энергией образования пар ионов в воздухе ионизационной камеры определяют соответственно меньшие габариты устройства-прототипа. В последнем частично устранен и недостаток, связанный с необходимостью переградуировки дозиметра при изменении характера излучения "непрерывное/импульсное". Ограничением является лишь скорость чередования импульсов, которая не должна быть выше скорости исчезновения свечения люминофора.

Однако недостатки решений-аналогов, связанные с необходимостью иметь в составе дозиметра стабилизированный источник напряжения и усилитель, в решении-прототипе не устранены. По сложности решение-прототип даже превосходит аналоги, так как в его составе появились дополнительные элементы: преобразователь световой энергии люминофора в электрические импульсы и пересчетная схема - сложный электронный блок, обеспечивающий снижение количества импульсов, управляющих счетчиком-нумератором. Не устранен полностью и недостаток, связанный с узким диапазоном работы дозиметра. Внутренние шумы усилителя ограничивают нижнюю границу рабочего диапазона, а явление насыщения фотоэлектронного умножителя, использующегося в качестве преобразователя световой энергии люминофора в электрические импульсы, ограничивает верхнюю границу рабочего диапазона дозиметра. Не устранен и недостаток, связанный с невозможностью обеспечения длительной необслуживаемой эксплуатации дозиметра.

Целью настоящего изобретения является устранение отмеченных недостатков, а именно, обеспечение определения дозы ионизирующего излучения без использования в схеме дозиметра дорогостоящих и дефицитных источников напряжения, усилителя, преобразователя световой энергии, пересчетной схемы, а также расширение рабочего диапазона дозиметра и обеспечение длительной необслуживаемой эксплуатации дозиметра, не связанной с необходимостью периодической смены автономных источников напряжения или непрерывной подачи напряжения от сетевого источника.

Данная цель достигается включением в состав дозиметра новых элементов, а также отличной от прототипа связью этих элементов между собой и блоками решения-прототипа:
- введением в схему дозиметра дополнительных физического источника тока, накопителя электрической энергии, порогового устройства и логического блока И с двумя входами, а также блока связи;
- включением блока связи в разрыв цепи между пересчетной схемой и счетчиком-нумератором;
- выполнением блока связи из последовательно соединенных логических блоков НЕ, второго блока И и блока ИЛИ;
- подсоединением выхода физического источника тока ко второму входу второго логического блока И блока связи через последовательно соединенные накопитель электрической энергии, пороговое устройство, первый логический элемент И, второй вход которого подсоединен к выходу накопителя электрической энергии;
- подсоединением входа блока НЕ к выходу источника напряжения, а второго входа блока ИЛИ к выходу пересчетной схемы.

В основе предложенного решения лежит идея преобразования энергии поля ионизирующего излучения в электрическую при помощи физического источника тока, накопления последней в накопителе, в качестве которого применяется молекулярный накопитель (иначе ионистор), и периодической передачи накопленной электрической энергии к счетчику-нумератору, регистрирующему число таких передач, соответствующее дозе ионизирующего излучения.

Так как в предлагаемом решении интегрирование энергии квантов, создаваемой отдельными ионизирующими частицами, происходит как в накопителе, так и счетчиком-нумератором, то обеспечивается расширение рабочего диапазона дозиметра. Большая электрическая емкость ионистора (при объеме 0,2 дм³ она достигает величины 1 Ф при напряжении 30 В) позволяет накапливать энергию, достаточную для срабатывания даже такого простого и отработанного счетчика-нумератора, как счетчик телефонных разговоров. Действительно, указанная величина накопленной электрической энергии соответствует значению 15 амперсекунд. Для срабатывания же счетчика телефонных разговоров достаточно подать на него в течение нескольких миллисекунд ток в несколько миллиампер (См. Санин А. А. Электронные приборы ядерной физики. М., Наука, 1964, с. 377). Это позволяет в условиях длительной и необслуживаемой квалифицированным персоналом работы предлагаемого дозиметра обеспечивать измерение дозы ионизирующего излучения без используемых в решении-прототипе источника напряжения, преобразователя световой энергии в электрическую, усилителя и пересчетной схемы. Большая емкость ионистора позволяет при его периодической зарядке от физического источника тока пропускать в него импульсные сигналы без искажения, что в итоге позволяет в предлагаемом решении без переградуировки измерять дозу как от непрерывного, так и от импульсного излучения. Это же обстоятельство позволяет избежать явления насыщения токов зарядки ионистора, что в свою очередь, позволяет расширить рабочий диапазон дозиметра, а также обеспечивает возможность его использования в режиме длительной необслуживаемой эксплуатации.

Покажем существенность отличительных признаков. Физический источник тока нашел широкое применение в космической технике в качестве преобразователя в изотопных источниках электрической энергии. Такой источник тока применяется, в частности, в техническом решении авторов по а. с. N 287336 от 02.01.89 для компенсации токов утечки в приборах, работающих в поле ионизирующего излучения. Однако в дозиметрической технике применение подобных физических источников тока неизвестно. Вместе с тем, схема подключения такого источника тока простая. Действительно, на каждом p-n переходе в полупроводнике физического источника тока при помещении его в поле ионизирующего излучения создается ЭДС величиной 0,5 В. Требуемая величина напряжения в этом случае легко обеспечивается последовательным соединением соответствующего числа таких p-n переходов. Величина тока обеспечивается площадью p-n (при постоянном сопротивлении цепи). Использование указанного источника тока в предлагаемом решении позволяет исключить применение неудобного и дорогого в эксплуатации стабилизированного источника напряжения, а также исключить из схемы дозиметра люминофор и необходимый в этом случае преобразователь световой энергии в электрическую.

Накопители электрической энергии широко используются в электронных приборах и схемах. В их качестве применяются конденсаторы, катушки индуктивности, а в последнее время и ионисторы. Ионистор применяется в частности в техническом решении авторов а.с. N 327662 от 09.07.91 для накопления энергии, необходимой для переключения коммутирующего устройства в боевых цепях оружия. Однако в дозиметрической технике для накопления преобразованной энергии ионизирующего излучения ионисторы не применялись. Включение ионистора в состав дозиметра и связь его с другими элементами дозиметра в предлагаемом решении обеспечивает функционирование схемы при недостаточной мощности физического источника тока, обусловленной малым значением энергии единицы объема поля ионизирующего излучения. Ионистор, кроме того, обеспечивает интегрирование дозы излучения при изменении мощности дозы.

Пороговое устройство в совокупности с первым логическим элементом И и схемой их связей с другими блоками дозиметра играет роль электронного ключа, формирующего импульс тока при достижении в процессе накопления энергии в ионисторе определенного наперед заданного напряжения. Подобные электронные ключи общеизвестны и широко применяются в электронных схемах. В предложенном решении в качестве данного блока может быть использован, в частности, триодный тиристор (тринистор). При достижении напряжения на его управляющем электроде заданного значения в процессе накопления электрической энергии в ионисторе тиристор открывается, пропуская ток на счетчик-нумератор. В процессе разряда ионистора через тиристор напряжение на аноде последнего снижается и тиристор закрывается, подготавливая схему для очередного ее срабатывания.

В дозиметрической технике для формирования импульсов тока непосредственно от чувствительного элемента без усиления импульсов тиристоры ранее не применялись по причине слабого сигнала, не обеспечивающего переключение тиристора. В предлагаемом решении включение порогового устройства обеспечивает периодичность процессов накопления электрической энергии в ионисторе и разряда последнего.

Включение блока связи в разрыве цепи между пересчетной схемой и счетчиком-нумератором решения-прототипа, подсоединение выхода первого логического блока И к второму входу второго логического блока И блока связи и подсоединение источника напряжения к счетчику-нумератору через последовательно соединенные логические блоки НЕ, второй блок И и блок ИЛИ, второй вход которого подсоединен к выходу пересчетной схемы, обеспечивают в предложенном решении надежное отключение электрической цепи до счетчика-нумератора решения-прототипа от последнего и подсоединение его к схеме предложенного решения при использовании дозиметра в режиме длительной необслуживаемой эксплуатации.

На фиг. 1 и фиг. 2 соответственно представлены принципиальная блок-схема и электрическая схема варианта решения.

Предложенная принципиальная блок-схема, представленная на фиг. 1, содержит следующие последовательно соединенные блоки, характеризующие прототип.

Блок 1 - источник напряжения. В качестве него могут служить различные внутренние батарейные или аккумуляторные источники напряжения, а также внешние сетевые генераторы.

Блок 2 - термолюминесцентный люминофор.

Блок 3 - преобразователь световой энергии. Как правило, используются фотоэлектронные умножители, преобразующие очень слабые с точки зрения количества энергии световые вспышки, иницированные излучением в люминофоре, в электрические импульсы.

Блок 4 - усилитель, в качестве которого может быть использован один из множества типов усилителей, применяющихся в дозиметрической технике (См. Санин А.А. Электронные приборы ядерной физики, М., Наука, 1964, с. 51 - 236).

Блок 5 - пересчетная схема. Имеется большое множество типов пересчетных схем: бинарных, декадных и т.п. (См. вышеуказанный источник, с. 375).

Блок 6 - счетчик-нумератор. В дозиметрической технике применяется множество типов счетчиков-нумераторов, обеспечивающих цифровую индикацию измеряемой дозиметром физической величины. В более новых счетных электронных схемах счетных устройств счетчики-нумераторы выполнены в виде отдельного блока совместно с пересчетной схемой (См. вышеуказанный источник, с. 376).

Дополнительно к указанным блокам схема предложенного устройства содержит следующие блоки:
Блок 7 - физический источник тока в виде набора последовательно соединенных p-n переходов (См. а.с. N 287336 от 02.01.89).

Блок 8 - накопитель электрической энергии. В качестве него может быть использован молекулярный накопитель электрической энергии, иначе ионистор.

Блок 9 - пороговое устройство, в качестве которого может применяться триодный тиристор (тринистор), обеспечивающий возможность регулирования напряжения срабатывания (См. Справочник радиолюбителя-конструктора, М.: Радио и связь, 1984, с. 466-468).

Блок 10 - блок связи, установленный в разрыве цепи между пересчетной схемой 5 и счетчиком-нумератором 6.

Блок 11 - первый логический блок И с двумя входами.

Блок связи 10 выполнен в виде последовательно соединенных логического блока НЕ (блок 12), второго логического блока И (блок 13) и логического блока ИЛИ (блок 14). При этом последние два блока из состава блока связи 10 своими вторыми входами подсоединены соответственно к выходу первого логического блока И (блока 11) и к выходу пересчетной схемы 5. Вход логического блока НЕ 12 подсоединен к выходу источника напряжения. Выход физического источника тока 7 подсоединен к первому входу первого логического блока И (блока 11) через последовательно соединенные накопитель электрической энергии 8 и пороговое устройство 9, причем второй вход первого логического блока И подсоединен к выходу накопителя электрической энергии 8.

Схема работает следующим образом. В режиме обслуживаемой эксплуатации, когда в дозиметре задействован источник напряжения 1, ионизирующее излучение, воздействуя на термолюминисцентный люминофор 2, вызывает свечение последнего. Энергия свечения преобразуется в преобразователе световой энергии 3 в импульсы электрического тока, которые после усиления в усилителе 4 поступают в пересчетную схему 5. В пересчетной схеме 5 число импульсов уменьшается и при накоплении импульсов в числе, кратном коэффициенту пересчета схемы, сигнал с выхода пересчетной схемы 5 через второй вход логического блока ИЛИ 14 поступает на вход счетчика-нумератора 6, взывая его срабатывание. В режиме же длительной необслуживаемой эксплуатации на выходе источника напряжения 1 отсутствует сигнал (источник напряжения отключен), что вызывает отсутствие сигналов как на втором входе логического блока ИЛИ 14, так и на входе логического блока НЕ 12. Соответственно на первом входе второго логического блока И 13 сигнал присутствует. Ионизирующее излучение создает ЭДС физического источника тока 7, вследствие чего на выходе последнего формируется сигнал в виде напряжения. В накопитель электрической энергии 8 начинает поступать ток, повышая напряжение на выходе последнего. При достижении напряжением определенной величины появляется сигнал на выходе порогового устройства 9 и на первом входе соединенного с ним первого логического блока И 11. В этом случае сигнал в виде импульса тока с выхода накопителя 8 через второй вход первого логического блока И 11 поступает через второй вход логического элемента И 13 на первый вход логического блока ИЛИ в блоке связи 10, а с выхода последнего на вход счетчика-нумератора 6, вызывая его срабатывание. По мере разряда накопителя 8 напряжение на его выходе уменьшается и исчезает сигнал на выходе порогового устройства 9 и, следовательно, исчезает сигнал на первом входе первого логического блока И 11. Это приводит к прекращению разряда накопителя 8 и готовности схемы предложенного решения к новому циклу работы. Мощность физического источника тока 7 существенно меньше мощности, "развиваемой" накопителем 8 в режиме его разряда. Это позволяет сделать срабатывания порогового устройства 9 достаточно редкими, исключающими необходимость применения пересчетных схем для уменьшения емкости счетчика-нумератора 6 и согласования скорости счета с быстродействием последнего. Счетчик-нумератор 6 может быть проградуирован в достаточно крупных единицах, использующихся в практической дозиметрии и значительно превышающих значения доз, создаваемых отдельными ионизирующими частицами, как это имеет место в случае использования в дозиметре ионизационной камеры или люминофора в качестве чувствительных элементов.

Фиксирование начала отсчета может осуществляться либо установкой на "ноль" счетчика-нумератора 6, либо замыканием предварительно разомкнутой цепи между физическим источником тока 7 и накопителем электрической энергии 8.

В случае появления сигнала на первом входе блока НЕ 12 блока связи 10 на первом входе второго логического элемента И 13 сигнал будет отсутствовать, что в режиме обслуживаемой эксплуатации дозиметра с подключенным источником напряжения 1 надежно блокирует счетчик-нумератор 6 от всех сигналов, поступающих на его вход, кроме как через второй вход логического блока ИЛИ 14 блока связи 10.

На фиг. 2 представлен вариант технической реализации предлагаемого изобретения в виде его принципиальной электрической схемы применительно к режиму необслуживаемой эксплуатации. Схема работает следующим образом. При включении включателя Вк ионистор начинает заряжаться по цепи: "+" физического источника тока, включатель Вк, "+" ионистора, "-" ионистора, "-" источника тока. По мере заряда ионистора повышается напряжение на аноде и управляющем электроде тиристора Ти и при достижении напряжения, соответствующего установленному при помощи переменного резистора R току отпирания тиристора, последний открывается. При этом ионистор разряжается по цепи: "+" ионистора, анод тиристора, катод тиристора, счетчик-нумератор, "-" ионистора. Разряд продолжается до падения напряжения на аноде тиристора, соответствующего значению запирания тиристора. После этого процесс заряда ионистора повторяется.

Таким образом, на основе анализа структуры и функционирования схемы предложенного решения можно заключить, что дозиметр, в котором реализовано данное решение, обладает преимуществами, отвечающими цели изобретения. Реализация предложения отвечает целям ресурсосберегающих технологий, так как дефицитные и невосполняющиеся материалы - свинец, кадмий, никель, цинк, серебро и подобные редкие металлы, идущие на изготовление источников напряжения, не используются. Снижаются и дозы облучения персонала радиационно опасных производств вследствие возможности использования установленных в радиационно опасных помещениях дозиметров в режиме длительной необслуживаемой эксплуатации. Предложение реализовано в виде опытного образца, подтвердившего при его испытаниях возможность измерения дозы ионизирующего излучения, создаваемого эталонными радиоактивными источниками, используемыми для градуировки дозиметрических приборов.

Сущность изобретения: дозиметр содержит источник напряжения 1, термолюминесцентный люминофор 2, преобразователь световой энергии 3, усилитель 4, пересчетную схему 5, блок связи 10, счетчик-нумератор 6, физический источник тока 7, накопитель электрической энергии 8, пороговое устройство 9 и первый блок И 11. Блок связи 10 содержит последовательно соединенные блок НЕ 12, второй блок И 13 и блок ИЛИ 14. Первый блок И 11 на входе соединен с пороговым устройством 9 и накопителем электрической энергии 8, а на выходе с вторым блоком И 13. 2 ил.

Дозиметр, включающий счетчик-нумератор и последовательно соединенные источник напряжения, термолюминесцентный люминофор, преобразователь световой энергии, усилитель и пересчетную схему, отличающийся тем, что в него дополнительно введены первый блок И, блок связи и последовательно соединенные физический источник тока, накопитель электрической энергии и пороговое устройство, при этом блок связи содержит последовательно соединенные блок НЕ, второй блок И и блок ИЛИ, причем первый вход первого блока И соединен с выходом порогового устройства, второй вход первого блока И соединен с выходом накопителя энергии, выход первого блока И подсоединен к второму входу второго блока И, вход блока НЕ подсоединен к источнику напряжения, второй вход блока ИЛИ подсоединен к выходу пересчетной схемы, а выход блока ИЛИ подсоединен к счетчику-нумератору.