ДОЗИМЕТР-РАДИОМЕТР НА ОСНОВЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУР Российский патент 2013 года по МПК G01T1/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в схемах и устройствах измерения интенсивности электромагнитных и ионизирующих излучений и/или индикации опасного уровня радиационного фона окружающей среды, а также накопленных уровней радиации, включая нейтроны, альфа, бета, гамма и рентген диапазоны.

Уровень техники

Известные дозиметры и радиометры, как правило, имеют приемные устройства, не биологического происхождения, основанные на физических принципах преобразования падающих на конвертор электромагнитных и ионизирующих излучений различного происхождения в сигнал для их идентификации и изменения.

Одними из наиболее известных являются устройства, такие как счетчик Гейгера, устройства на базе ионизационных камер, например, US Patent 5061216, H01J 047/04, 29.10.1991 или SU 1839950 A1, G01T 1/17 (2006.01), 13.07.1987. Их недостатками являются сложность миниатюризации при сохранении точности измерений и требуемые значительные источники энергии.

Известны также многочисленные варианты дозиметров на базе пленок чувствительных к гамма- и рентгеновскому излучению, например, US Patent 3859527, G01T 1/29, 07.01.1975. Их очевидными недостатками являются значительные размеры и необходимость проявки, а также в большинстве случаев одноразовость использования.

Известны радиометры и дозиметры на базе полупроводниковых кремниевых диодов и MOSFET транзисторов, например US Patent 6,614,025, G01T 1/24, 02.09.2003. Их проблемами являются сильная температурная зависимость (диоды), значительное и быстрое ухудшение характеристик (MOSFET транзисторы), а также требования значительных источников энергии и источников для сохранения накопленных данных.

Известны также термолюминесцентные дозиметры, например, RU 2237910 C1, G01T 1/11, 07.10.2003 или US Patent 7592609, G01T 1/10, 22.09.2009. Их недостаток состоит в том, что большинство из них не могут показывать данные в текущем режиме, а также имеют ограниченный срок хранения информации о полученной дозе радиации.

Известен также дозиметр-радиометр индивидуального пользования на базе алмазного детектора (RU 2231808 C1, G01T 001/17, G01T 001/24, 23.12.2002).

Недостатком этого устройства является сложность конструкции, относительно высокая стоимость и ненадежность при пользовании.

Наиболее близким по техническим и внешним признакам является дозиметр на электретах (RU 2008693 C1, G01T 1/14, 01.07.1991) (прототип).

Это устройство выбрано в качестве прототипа.

Применение прототипа ограничивается тем, что технология изготовления электрета и конвертора на его основе технологически сложная, бытовое использование его неудобно для пользователя, а сам он не реагирует на весь заявленный в патенте диапазон излучений.

В дополнение, прототип является дозиметром, а устройство может также одновременно выполнять функции радиометра, а также измерять не только уровни падающего излучения в гамма и рентгеновском диапазоне, но и регистрировать в режиме реального времени другие виды падающих частиц - альфа, бета, протонов и нейтронов.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является улучшение конструкции конвертора, которое позволяет получить такие характеристики радиометра-дозиметра, как:

- регистрация электромагнитных излучений в широком диапазоне (от 0.01 нм до 1000 нм),

- широкий диапазон измеряемых доз (1·10^-7-1·10³ Зв и более),

- широкий диапазон измеряемых мощностей излучения (1·10^-2-1·10³ мкЗв/ч),

- широкий диапазон энергий гамма-излучения (0,05-3 МэВ),

- высокая скорость реакции на единичное воздействие (10-2 с),

- высокая повторяемость ответов на одинаковые воздействия фотонного, электронного, протонного и нейтронного излучений в терапевтическом диапазоне мощностей доз и энергий,

- работа при высоких мощностях дозы (до Град/с), т.к. применяемый конвертор регистрирует на наносекундные импульсы,

- получение прямой ткане-, биоэквивалентности измерения,

- долголетие (срок работы зависит только от источника питания),

- высокая химическая, механическая, термическая и радиационная стойкость (в частности, применяемые биологические структуры не теряют своих свойств при хранении от -50°С до +140°С),

- высокая технологичность исполнения - возможно конвейерное производство в виде непрерывной ленты,

- простота конструкции конвертора,

- миниатюрные размеры конвертора (толщина десятые доли мм, минимальный размер по площади до 10 кв. мм),

- высокая механическая прочность (жесткая или гибкая трехслойная пластина, не требующая вакуума, газа и специальной защиты от механических воздействий).

Последнее достигается тем, что конвертор выполнен из монослоев биологических структур (БС) с регулярной (кристаллической) упаковкой молекул белка, например, из фрагментов пурпурных мембран (ПМ), состоящих из монокристаллического слоя гексагонально упакованных молекул белка - бактериородопсина (БР). То есть ПМ исходно обладает свойствами жесткого кристалла.

Описание чертежей

На Фиг.1 схематично изображен конвертор, выполненный из фрагментов пурпурных мембран (1); между двумя электродами из проводящей сетки (2).

На Фиг.2 - вариант блок-схемы дозиметра-радиометра конвертор (3); преобразователь ток-напряжение (4); аналого-цифровой преобразователь (5); система индикации (6); источник тока (7).

Осуществление изобретения

Дозиметр-радиометр содержит конвертор, имеющий переднюю поверхность с окном-апертурой для приема излучений, в том числе ионизирующего, α, β, γ, рентгеновского, протонного, нейтронного и светового излучений. На части задней поверхности последовательно размещены измерительная схема, источник питания, который, в частности, может быть выполнен в виде фотоэлемента, или аккумуляторной батареи, или автономного источника питания или получать энергию от внешнего источника.

Как одна из возможных модификаций, конвертор выполняется из нескольких слоев ориентированных ПМ (пурпурные мембраны) природного или искусственного происхождения, расположенных между двумя электродами, из проводящей ток сетки, или электродов, один из которых является прозрачным во всех диапазонах измерений. Электроды также могут быть выполнены из полимерного проводящего ток материала или полупрозрачного слоя окислов некоторых металлов.

Предлагаемая на Фиг.2 блок-схема является одной из возможных реализаций подходящих блок-схем. Приведенные на Фиг.2 блоки имеют следующее назначение: конвертор (3), преобразователь ток-напряжение (4) служит для усиления электрических сигналов, поступающих с преобразователя, до величины, необходимой для их дальнейшей обработки на аналого-цифровом преобразователе АЦП (5) и передачи далее на систему индикации (6). Индикатор (6) служит для индицирования мощности дозы падающего на поверхность конвертора излучения. Источник тока (7) предназначен для обеспечения работы электронных блоков дозиметра. В частности, им может быть аккумулятор с фотоэлементом для его подзарядки или постоянный источник любого происхождения. Возможно использование источника тока устройства, в корпусе которого находится описываемое устройство дозиметр-радиометр.

Устройство работает следующим образом.

Электроды конвертора последовательно соединены с усилителем и источником питания. При попадании излучения или частиц на слой ПМ в чувствительных к излучению молекулах БР, имеющих одинаковую ориентацию, происходит смещение протона, несущего положительно заряженный заряд, в результате чего на электродах образуется их суммарный потенциал и в цепи ПМ - источник питания - первичный усилитель протекает ток. Полученное за счет протекающего тока на высокоомном сопротивлении напряжение преобразуется блок-схемой (Фиг.2) в информационный визуальный или звуковой сигнал.

Возможности использования.

Предложенный дозиметр-радиометр, например, можно располагать как по отдельности, так и в любых современных портативных устройствах, от компьютеров и мобильных телефонов, до наручных часов и расширять его возможности за счет программного обеспечения как самого описываемого устройства, так и других устройств, в которые он будет встроен.

Одна из возможностей использования включает в себя упрощенную наглядную индикацию результата измерений в виде так называемого «светофора». В данном случае результатом измерений будет цветовой сигнал, индикативно свидетельствующий о возможном уровне опасности. Например, красный - высокая опасность, желтый - средняя, зеленый - нулевая. Включение цветового сигнала сопровождается звуковым сигналом разной тональности для желтого и красного. Такую сигнализацию можно использовать как вместе, так и вместо цифровой индикации.

Описываемое устройство может работать в режиме радиометра, как описано выше, а также может работать в режиме дозиметра. В этом случае одним из возможных вариантов является подход, когда устройство является непрерывно включенным и записывает в память уровни радиации в каждый момент времени, суммируя полученную дозу радиации.

Описываемое устройство представляет собой прибор для измерения различных типов радиации или падающих на прибор частиц (альфа-частицы, электроны, протоны, нейтроны и пр), отличающееся тем, что преобразование энергии падающей радиации или частиц в электрическую происходит в белке естественного или искусственного происхождения, расположенного между двумя электродами, а само устройство конвертора выполнено в виде трехслойной пленки электрод-белок-электрод.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к дозиметрам и радиометрам, и может быть использовано в схемах и устройствах измерения интенсивности электромагнитных и ионизирующих излучений и/или индикации опасного уровня радиационного фона окружающей среды, а также накопленных уровней радиации, включая альфа, бета излучение, протоны, нейтроны, гамма и рентген диапазоны. Устройство, выполняющее функции дозиметра и радиометра для измерения как радиационного излучения (в том числе видимого, гамма, рентгеновского диапазонов), так и частиц (в том числе альфа-частицы, электроны, протоны, нейтроны), в котором используется электрический отклик конвертора на падающее на него излучение или частицы, при этом используется биологический конвертор на основе белка, например, одного слоя или слоев искусственных или естественных мембран, имеющих в своем составе белки, например, бактериального родопсина и его аналогов, например, расположенных между двумя электродами. Технический результат - улучшение конструкции конвертора. 2 ил.

Устройство, выполняющее функции дозиметра и радиометра для измерения, как радиационного излучения (в том числе видимого, гамма, рентгеновского диапазонов), так и частиц (в том числе альфа частицы, электроны, протоны, нейтроны), в котором используется электрический отклик конвертора на падающее на него излучение или частицы, отличающееся тем, что используется биологический конвертор на основе белка, например, одного слоя или слоев искусственных или естественных мембран имеющих в своем составе белки, например бактериального родопсина и его аналогов, например, расположенных между двумя электродами.