СПОСОБ ПОДБОРА ПИРОЭЛЕКТРИКОВ ДЛЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ДЕТЕКТОРА ИМПУЛЬСНОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРАХ, ДЕТЕКТОР ИМПУЛЬСНОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ТОКОВЫМ ВЫХОДОМ НА ЕГО ОСНОВЕ И РАДИАЦИОННЫЙ ДАТЧИК ИМПУЛЬСНОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01T1/12 

Изобретение относится к области импульсной измерительной техники, в частности к измерению ядерных излучений и предназначено для измерения импульсного ионизирующего излучения с использованием пироэлектрического детектора импульсного ионизирующего излучения.

Известен способ преобразования импульсного ионизирующего излучения, основанный на принципе преобразования энергии поглощенного в поляризованном пироэлектрике ионизирующего излучения в тепловую с последующим преобразованием ее в электрическую энергию.

Этот способ использован при построении пироэлектрического детектора импульсного ионизирующего излучения (см., например, В.К. Новик, Н.Д. Гаврилова, Н.Б. Фельдман "Пироэлектрические преобразователи", М., Советское радио, 1979 г., с. 51), действие которого основано на отмеченном выше принципе преобразования энергии. Детектор содержит однородный чувствительный элемент - пироэлектрик, примыкающие к пироэлектрику металлические электроды, внешние выводы которых (токовыводы) подключены к регистрирующему устройству.

Известны также пироэлектрические детекторы импульсного ионизирующего излучения (см. , например, авт.св. СССР 1579238, кл. G 01 T 1/12, 1988 г. и патент РФ 2136017, кл. G 01 T 1/12, 1996 г.), действие которых также основано на принципе преобразования энергии поглощенного в поляризованном пироэлектрике импульсного ионизирующего излучения в тепловую энергию с последующим преобразованием ее в электрическую за счет пироэффекта.

Прототипом предлагаемого способа является способ, реализованный при построении детектора импульсного ионизирующего излучения (см. вышеуказанную книгу В.К. Новик и др. "Пироэлектрические преобразователи", стр.140), основанный на подборе пироэлектриков по элементному составу с различными характеристическими параметрами.

За прототип предлагаемого детектора импульсного ионизирующего излучения принят пироэлектрический детектор импульсного ионизирующего излучения (см. патент РФ 2136017, кл. G 01 T 1/12, 1996 г.), содержащий чувствительный элемент из плоских идентичных пироэлектрических конденсаторов, обкладки которых кроме крайних сопряжены между собой, а объем между обкладками заполнен однородным поляризованным пироэлектриком, к сопряженным обкладкам присоединены токовыводы, подключенные к нагрузке.

В известных способе подбора пироэлектриков для чувствительного элемента детектора импульсного ионизирующего излучения и детекторе импульсного ионизирующего излучения увеличение выходного электрического сигнала происходит за счет увеличения площади поперечного сечения S чувствительного элемента - пироэлектрического конденсатора, либо за счет введения дополнительного усилительного узла. Чувствительные элементы, построенные с использованием известного способа, не отвечают требованиям работоспособности в широком диапазоне воздействия высокомощных потоков импульсного излучения (ИИ). Кроме того, в них не предусмотрена возможность исключения преждевременного протекания тока в нагрузке, если амплитудные и временные параметры генерируемого тока не отвечают необходимым для работы потребителя требованиям.

Предложенные способ и детектор решают задачу снижения габаритных размеров детектора на единицу мощности выходного электрического сигнала и повышения его радиационной стойкости при обеспечении работоспособности (возможности генерации электрического сигнала с амплитудным значением тока не ниже заданного порогового уровня) в широком диапазоне потоков воздействия ИИ, а также обеспечение возможности управления протеканием тока через потребитель энергии путем введения коммутирующих элементов между потребителем и электрическим выходом детектора.

Для решения указанных задач в способе подбора пироэлектриков для чувствительного элемента детектора импульсного ионизирующего излучения на пироэлектрических конденсаторах, основанном на подборе элементного состава каждого пироэлектрика с различными характеристическими параметрами, для каждого пироэлектрического конденсатора выбирают различный по элементному составу пироэлектрик, имеющий свои температуру Кюри Т_к, предельно допустимую дозу D_к поглощенной энергии ионизирующего излучения, пироэлектрический коэффициент Р и удельную теплоемкость χ, таким образом что характеристические параметры пироэлектриков удовлетворяют условиям:
T_k,i+1>T_k,i или D_k,i+1>D_k,i
и по характеристическим параметрам, выполняющим соотношения:
P_i+1•T_k,i+1≥P_i•T_k,i или
определяют набор оптимальных пироэлектриков, площади поперечного сечения S_i которых выбирают из условия обеспечения амплитудного значения электрического тока не меньше заданной величины

при известном времени τ воздействия на детектор переднего фронта импульса ионизирующего излучения, а в детекторе импульсного ионизирующего излучения с токовым выходом, содержащем чувствительный элемент, состоящий из n пироэлектрических конденсаторов, представляющих собой проводящие электроды, разделенные поляризованными пироэлектриками и соединенные с токовыводами, пироэлектрические конденсаторы выполнены из различных по элементному составу пироэлектрических материалов с различными характеристическими параметрами, расположены в порядке возрастания температуры Кюри Т_к и предельно допустимой дозы D_к поглощенной энергии ионизирующего излучения и отделены друг от друга изолирующей прокладкой, причем одни токовыводы однополярных проводящих электродов пироэлектрических конденсаторов соединены между собой, образуя первую выходную клемму детектора, а токовыводы других однополярных проводящих электродов подключены к переключаемым контактам коммутирующего ключа, выход которого является второй выходной клеммой детектора, причем управляющий вход коммутирующего ключа связан с программным устройством, задающим алгоритм работы ключей к моменту воздействия импульсного ионизирующего излучения с длительностью переднего фронта
τ>ZC,
где ZC - постоянная времени электрического контура датчика,
Z - импеданс цепи электрического контура датчика,
С - электрическая емкость n пироэлектрических конденсаторов.

При этом конструктивно все пироэлектрические конденсаторы детектора импульсного ионизирующего излучения с токовым выходом могут быть расположены в одной плоскости, поляризованные пироэлектрики конденсаторов одинаково ориентированы, а однополярные проводящие электроды соединены между собой шинами, или пироэлектрические конденсаторы могут быть выполнены в виде плоских концентрических поверхностей, равной площади, при этом последний конденсатор может быть расположен в центральной части концентрических поверхностей либо на периферии концентрических поверхностей, а также пироэлектрические конденсаторы могут быть выполнены в виде частей концентрических поверхностей равной площади, например, из круговых секторов.

Радиационный датчик импульсного ионизирующего излучения, построенный на детекторе импульсного ионизирующего излучения с токовым выходом, чувствительный элемент которого состоит из n пироэлектрических конденсаторов, токовыводы однополярных проводящих электродов которых непосредственно и через коммутирующий ключ соединены с выходными клеммами детектора, дополнительно содержит управляемый ключ, включенный последовательно с потребителем электрической энергии между выходными клеммами детектора и соединенный управляющим входом с программным устройством, при этом радиационный датчик может содержать n потребителей электрической энергии, каждый из которых соединен последовательно с дополнительным управляемым ключом и включен между выходными клеммами детектора.

Использование предложенного способа и выполнение детектора и радиационного датчика импульсного ионизирующего излучения в соответствии с предложенным изобретением позволяет снизить габаритные размеры детектора и, соответственно радиационного датчика импульсного ионизирующего излучения на единицу мощности выходного электрического сигнала и повысить их радиационную стойкость при обеспечении работоспособности в широком диапазоне потоков воздействия ионизирующего излучения (ИИ).

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема детектора импульсного ионизирующего излучения с токовым выходом, на фиг. 2 дана конструкция детектора, выполненного на плоских пироэлектрических конденсаторах (ПЭК), на фиг.3 - конструкция детектора, выполненного в виде плоских концентрических поверхностей равной площади, в котором последний ПЭК расположен на внешней части детектора, на фиг.4 - детектор, выполненный в виде плоских концентрических поверхностей равной площади, в котором последний пироэлектрический конденсатор расположен в центральной части детектора, на фиг.5 показан детектор импульсного ионизирующего излучения, содержащий три модуля, набранных из ПЭК, выполненных в виде частей концентрических поверхностей равной площади, в котором последний ПЭК расположен на внешней части детектора, на фиг.6 - детектор импульсного ионизирующего излучения, содержащий три модуля, набранных из ПЭК, выполненных в виде частей концентрических поверхностей равной площади, в котором последний ПЭК расположен в центральной части детектора, на фиг.7 представлена функциональная схема радиационного датчика импульсного ионизирующего излучения, где пунктиром показано подключение нескольких потребителей электрической энергии к выходу радиационного датчика, а в таблице приведены сравнительные характеристические параметры ПЭ материалов.

Детектор импульсного ионизирующего излучения (см. фиг.1) содержит n пироэлектрических конденсаторов (ПЭК) 1, первые одноименные проводящие электроды которых объединены и подключены к первой выходной клемме 2 детектора. Вторые проводящие электроды ПЭК 1 подключены к переключаемым контактам 3 коммутирующего ключа 4, переключающие контакты 5 которого объединены и являются выходной клеммой 6 детектора. Контакты 3 и 5, образующие управляющий вход коммутирующего ключа 4, связаны с выходом программного устройства 7.

Пироэлектрические конденсаторы (см. фиг. 1, разрез по А-А и фиг.2-6) представляют собой проводящие электроды 8, разделенные поляризованными пироэлектриками 9 и соединенные с токовыводами 10.

В детекторе, представляющем собой набор ПЭК, см. фиг.2-6 конденсаторы разделены между собой изолирующей прокладкой 11.

Радиационный датчик импульсного ионизирующего излучения (см. фиг.7) содержит детектор 12 импульсного ионизирующего излучения, к выходным клеммам 2, 6 которого подключены последовательно соединенные потребитель электрической энергии 13 и управляемый ключ 14, управляющий вход которого соединен с программным устройством 7.

Сущность предложенного способа состоит в том, что известные пироэлектрические материалы (ПЭ материалы) различаются между собой численным значением характеристических параметров. Проведенный анализ параметров показал, что различные по элементному составу ПЭ материалы, имеющие соответствующие характеристические параметры, такие как температура Кюри Т_к, предельно допустимая доза D_к поглощенной энергии ионизирующего излучения, пироэлектрический коэффициент Р и удельная теплоемкость χ, можно систематизировать по следующему принципу:
T_k,i+1>T_k,i или D_k,i+1>D_k,i
P_i+1 • T_k,i+1 ≥ P_i • T_k,i или
где i=1,2, ..., n.

Так, керамическим ПЭ материалам, например, системы ЦТС, имеющим низкие значения температуры Кюри Т_к и высокие значения пироэлектрического коэффициента Р, можно противопоставить ПЭ материалы с высокими значениями температуры Кюри Т_к и низкими значениями пироэлектрического коэффициента Р. В этом случае характеристические параметры Т_k,i (D_k,i) и Р_i ПЭ материалов будут обеспечивать выполнение соотношений численных значений параметров (1).

В таблице приведены сравнительные характеристические параметры ПЭ материалов. Как видно из таблицы, характеристические параметры ПЭ материалов могут отличаться во много раз, но величины произведения Р_i•Т_k,i или близки по значению, несмотря на существенное различие составляющих компонентов.

Некоторые ПЭ материалы (см. табл., поз. 5-9) имеют близкие численные значения параметров и в детекторе может использоваться любой из этих ПЭ материалов, при этом при выборе материала учитывают значение его диэлектрической проницаемости ξ. Для построения радиационного датчика необходимо выбирать материал с меньшим значением диэлектрической проницаемости ξ, чтобы выполнялось необходимое условие τ>>ZC, где величина емкости С пироэлектрических конденсаторов (ПЭК) зависит от ξ.

Работа детектора импульсного ионизирующего излучения (ИИ) (см. фиг.1-2) происходит следующим образом.

При действии импульсного ИИ на пироэлектрик происходит его однородное по объему адиабатическое нагревание и термодинамически равновесная (ТР) температура изменяется на величину ΔТ. Однородное по объему пироэлектрика нагревание достигается, если толщина пироэлектрика в направлении распространения ИИ выбирается из условия, что h<<λ, где h - толщина пироэлектрика, λ - длина свободного пробега частиц ИИ в ПЭ материале. Адиабатическое нагревание пироэлектрика выполняется при временном соотношении
τ≪τ_т,
где l - толщина проводящих электродов, k_T - коэффициент их температуропроводности. τ_т для алюминиевых электродов с l=0,05 см лежит в миллисекундной области, тогда как τ - в микросекундном диапазоне. Установление ТР температуры происходит за время τ_TР≪τ, причем τ_TР может составить величину не более, чем 10^-9 с, тогда как τ может изменяться в диапазоне 3•10^-8 -3•10^-7.

Увеличение температуры пироэлектриков приводит к уменьшению на их поверхностях связанных электрических зарядов, тогда как такая же часть зарядов, ранее наведенных электростатической индукцией в проводящих электродах, становится свободной на поверхностях электродов в силу пироэффекта, инерционность которого составляет ~10^-10 с.

Появление свободных зарядов на проводящих электродах вызывает появление разности потенциалов U на выходных клеммах 2, 6 детектора, величина которой зависит от величины емкости ПЭК-ов и генерируемого заряда.

Для анализа работы и оценки выходных характеристик предложенного детектора импульсного ионизирующего излучения рассмотрим работу ПЭК (см. фиг. 2).

ПЭК с емкостью представляющий собой проводящие электроды 8, между которыми размещен пироэлектрик 9 в виде пластины толщиной h с площадью поверхности S, совпадающей с площадью поверхности проводящих электродов 8. К электродам 8 присоединены токовыводы 10.

Исходя из размерностей физических величин и природы пироэффекта, определим амплитудные значения электрического заряда q_i и тока j_i, генерируемых на каждом квадратном сантиметре поверхности i-гo пироэлектрика и проводящего электрода, перпендикулярной вектору поляризации Р при изменении температуры пироэлектрика на величину ΔT_ki:


Тогда амплитудное значение электрического тока и соответствующую энергию в потребителе с омическим сопротивлением R_n, подключенном к ПЭК, представим как:


при τ≫C_iR_n.

Из сопоставления соотношений (2) и (3) для i-го ПЭК, построенного на основе i-го ПЭ материала видно, что эти соотношения содержат характерную величину для пироэлектрических материалов (см. таблицу).

Распространяя соотношения (2) и (3) на параллельное соединение нескольких ПЭК, построенных с использованием различных по элементному составу ПЭ материалов, характеристические параметры которых подобраны предлагаемым образом, можно определить гарантированный электрический сигнал с амплитудным значением тока не меньше, чем заданное значение, и длительностью нарастания τ не больше длительности нарастания переднего фронта воздействующего импульса ИИ, при этом площадь поверхности поперечного сечения используемых пироэлектриков определяется минимальным значением генерируемой энергии в потребителе, необходимой для его работы.

Приведенные выше данные позволяют произвести оценку габаритных размеров предложенного детектора и амплитудных значений тока, генерируемого в заданном потребителе в процессе быстрого нарастания температуры за время τ до произвольного уровня из диапазона температуры Кюри 50≤Т_к[^oС]≤500. Быстрый нагрев ПЭ материалов до произвольной температуры Кюри может быть обусловлен поглощением произвольной предельно допустимой дозы энергии ИИ в пределах соответствующего диапазона дозы
Рассмотрим выполнение по предлагаемому способу детектора импульсного ионизирующего излучения (см. фиг.1)
Детектор, предназначенный для регистрации широкого диапазона уровней воздействующего ИИ и откалиброванный на диапазон доз поглощенной энергии ИИ, состоит из нескольких ПЭК 1, выполненных из приведенных в таблице пироэлектриков, высотой h и площадью поперечного сечения S, различных по элементному составу, но близких по значению величины и расположенных в порядке нарастания предельно допустимой дозы поглощенной энергии D_k,i. Количество входящих в детектор ПЭК выбирается в зависимости от диапазона уровней воздействующего на них ИИ и устанавливается программным устройством 7, путем коммутации переключаемых контактов 3, которые через переключающие контакты 5 коммутирующего ключа 4 подключают к выходной клемме 6 набор ПЭК, соответствующий уровню воздействующего ИИ. При воздействии на детектор переднего фронта импульса ИИ формируется токовый сигнал с амплитудным значением I≥I_зад, величина которого зависит от площади поперечного сечения ПЭК и длительности переднего фронта импульса ИИ, на величину которых не накладывается строгих требований. При увеличении воздействующего уровня ИИ программное устройство 7 через коммутирующий ключ 4 подключает к электрической цепи детектора другую группу ПЭКов, выполненных из пироэлектриков с большими значениями предельно допустимой дозы поглощенной энергии D_k,i. На выходе детектора по-прежнему будет формироваться токовый сигнал с амплитудным значением, близким I_зад.

В радиационном датчике ИИ (см. фиг.6) обеспечивается выделение необходимой мощности на потребителе электрической энергии 13, подключенном к выходным клеммам 2, 6 детектора.

Датчик должен обеспечивать работу потребителя электрической энергии 13, а задействующий его токовый сигнал I_зад должен быть гарантированным в широком диапазоне уровней воздействия ИИ, для чего S должна выбираться из соотношений (3).

Так, например, датчик, работающий на потребитель с потребляемой электрической энергией W=0,1 Дж на омическом сопротивлении R_n=0,2 Ом, подвергнутый воздействию импульса ИИ с длительностью переднего фронта τ = 3•10^-8c, характерного для нейтронного воздействия с энергетическим спектром 8≤Е[МэВ]≤14, исходящим от источника, расположенного на расстоянии 5 метров от датчика, должен набираться из ПЭКов с габаритными размерами S≤10 см² и h=0,5 см.

Для приведенного примера легко показать, что необходимое для работы датчика условие τ>>ZC выполняется.

Т.о., реализация предложенного способа при построении детектора и радиационного датчика ИИ позволяет снизить их габаритные размеры на единицу мощности выходного электрического сигнала и повысить радиационную стойкость при обеспечении работоспособности в широком диапазоне уровней воздействия ИИ.

Кроме того, предложенные детектор и радиационный датчик обеспечивают возможность управления протеканием тока через потребитель электрической энергии коммутирующим и управляющим ключами.

Использование: в области импульсной измерительной техники, в частности для измерения ядерных излучений. Сущность: способ подбора пироэлектриков основан на подборе элементного состава каждого пироэлектрика с различными характеристическими параметрами. Для каждого пироэлектрического конденсатора выбирают различный по элементному составу пироэлектрик, имеющий свои температуру Кюри Т_к, предельно допустимую дозу D_к поглощенной энергии ионизирующего излучения, пироэлектрический коэффициент Р и удельную теплоемкость χ. Детектор содержит чувствительный элемент, состоящий из n пироэлектрических конденсаторов, представляющих собой проводящие электроды, разделенные поляризованными пироэлектриками и соединенные с токовыводами. Пироэлектрические конденсаторы выполнены из различных по элементному составу пироэлектрических материалов с различными характеристическими параметрами, расположены в порядке возрастания температуры Кюри Т_к и предельно допустимой дозы D_к поглощенной энергии ионизирующего излучения и отделены друг от друга изолирующей прокладкой. Радиационный датчик содержит детектор, чувствительный элемент которого состоит из пироэлектрических конденсаторов, токовыводы однополярных проводящих электродов которых непосредственно и через коммутирующий ключ соединены с выходными клеммами детектора, управляемый ключ, включенный последовательно с потребителем электрической энергии между выходными клеммами детектора и соединенный управляющим входом с программным устройством. Технический результат: снижение габаритных размеров детектора на единицу мощности выходного электрического сигнала и повышение его радиационной стойкости, а также обеспечение возможности управления протеканием тока через потребитель энергии. 3 с. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

1. Способ подбора пироэлектриков для чувствительного элемента детектора импульсного ионизирующего излучения, образованного n пироэлектрическими конденсаторами, основанный на подборе элементного состава пироэлектрика с различными характеристическими параметрами, отличающийся тем, что для каждого конденсатора выбирают различный по элементному составу пироэлектрик, имеющий свои температуру Кюри Т_k, предельно допустимую дозу D_k поглощенной энергии ионизирующего излучения, пироэлектрический коэффициент Р и удельную теплоемкость χ, которые удовлетворяют условиям:
Т_k,i+1>T_k.i или D_k,i+1>D_k,i,
по характеристическим параметрам, выполняющим соотношения
P_i+1•T_k,i+1≥P_i•T_k,i
или

определяют набор оптимальных пироэлектриков, площади поперечного сечения S_i каждого из которых находят из условия обеспечения амплитудного значения электрического тока в цепи детектора не меньше заданной величины I_зад:

при известном времени τ воздействия на детектор переднего фронта импульса ионизирующего излучения, где i=1,2,...,n. 2. Детектор импульсного ионизирующего излучения с токовым выходом, содержащий чувствительный элемент, состоящий из n пироэлектрических конденсаторов, представляющих собой проводящие электроды, разделенные поляризованными пироэлектриками и соединенные с токовыводами, отличающийся тем, что пироэлектрические конденсаторы, выполненные из различных по элементному составу пироэлектрических материалов с различными характеристическими параметрами, расположены в порядке возрастания температуры Кюри Т_k и предельно допустимой дозы D_k поглощенной энергии ионизирующего излучения, отделены друг от друга изолирующей прокладкой, причем одни токовыводы однополярных проводящих электродов пироэлектрических конденсаторов соединены между собой, образуя первую выходную клемму детектора, а токовыводы других однополярных проводящих электродов подключены к переключаемым контактам коммутирующего ключа, выход которого является второй выходной клеммой детектора, причем переключаемые контакты коммутирующего ключа связаны с программным устройством. 3. Детектор импульсного ионизирующего излучения с токовым выходом по п. 2, отличающийся тем, что все пироэлектрические конденсаторы расположены в одной плоскости, поляризованные пироэлектрики конденсаторов одинаково ориентированы, а однополярные проводящие электроды соединены между собой шинами. 4. Детектор импульсного ионизирующего излучения с токовым выходом по п. 3, отличающийся тем, что пироэлектрические конденсаторы выполнены в виде плоских концентрических поверхностей равной площади. 5. Детектор импульсного ионизирующего излучения с токовым выходом по п. 4, отличающийся тем, что последний пироэлектрический конденсатор расположен в центральной части концентрических поверхностей. 6. Детектор импульсного ионизирующего излучения с токовым выходом по п. 4, отличающийся тем, что последний пироэлектрический конденсатор расположен на периферии концентрических поверхностей. 7. Детектор импульсного ионизирующего излучения с токовым выходом по п. 2, отличающийся тем, что пироэлектрические конденсаторы выполнены в виде частей концентрических поверхностей равной площади, например круговых секторов. 8. Радиационный датчик импульсного ионизирующего излучения, содержащий детектор импульсного ионизирующего излучения с токовым выходом, чувствительный элемент которого состоит из n пироэлектрических конденсаторов, токовыводы однополярных проводящих электродов которых непосредственно и через коммутирующий ключ соединены с выходными клеммами детектора, отличающийся тем, что дополнительно содержит управляемый ключ, включенный последовательно с потребителем электрической энергии между выходными клеммами детектора и соединенный управляющим входом с программным устройством, задающим алгоритм работы ключей к моменту начала воздействия импульсного ионизирующего излучения с длительностью переднего фронта
τ ≫ ZC,
где ZC - постоянная времени электрического контура датчика;
Z - импеданс цепи электрического контура датчика;
С - электрическая емкость n пироэлектрических конденсаторов. 9. Радиационный датчик импульсного ионизирующего излучения по п.8, отличающийся тем, что он содержит n потребителей электрической энергии, каждый из которых соединен последовательно с дополнительным управляемым ключом и включен между выходными клеммами детектора.