ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ ДОЗИМЕТРА-РАДИОМЕТРА

Настоящая полезная модель относится к дозиметрам-радиометрам, то есть к устройствам, служащим для контроля поверхностей и предметов, которые потенциально могут быть загрязнены гамма-, альфа- и бета-излучающими нуклидами. В частности, к мобильным устройствам, которые дополнительно содержат детекторы излучения.
В современных устройствах с функцией дозиметра-радиометра в качестве детектора ионизирующего излучения широко используются полупроводниковые детекторы излучения, имеющие низкий уровень выходного сигнала, что приводит к высокой чувствительности устройства к различным электромагнитным помехам. Особенно это сказывается при работе устройства вблизи мощных источников электромагнитного излучения, какими являются сотовые телефоны. Кроме того, сам полупроводниковый детектор ионизирующего излучения генерирует заряд при механическом воздействии в виде ударов и вибрации.
Эти факторы приводят к уменьшению точности измерений ионизирующего излучения за счет увеличения числа ложных импульсов, вызванных различными помехами. В частности, проблема электромагнитных помех решается экранированием кремниевого детектора ионизирующего излучения вместе с усилителем, использованием фильтров, оптимальным расположением электрических элементов и рациональной разводкой печатной платы. В этом случае намного сложнее устранить помеху, вызванную механическим воздействием на детекторе ионизирующего излучения. Использование механической защиты детектора увеличивает габариты устройства, что неприемлемо для компактных, встроенных устройств, для измерения точных параметров ионизирующего излучения.
Известен полупроводниковый модульный дозиметр-радиометр излучения, встроенный в радиоустройство и связанный с усилителем и блоком сопряжения, выход которого подключен к процессору, выполненному с возможностью формирования звуковых и визуальных сигналов дозиметра и радиометра с помощью упомянутых средств, звуковой сигнализации и монитора (патент RU №109625).
Известен дозиметр-радиометр ионизирующего излучения компактного встраиваемого (модульного) исполнения, содержащий детектор излучения, представляющий собой p-i-n диод, в котором в слаболегированном полупроводнике кремнии созданы высоколегированные p- и n-области, а также интерфейс управления и передачи данных, калибратор, преобразователь напряжения, и интегральную микросхему, включающую: последовательно связанные зарядно-чувствительный усилитель, усилитель-формирователь, спектрометр на основе амплитудно-цифрового преобразователя и компараторов, и микропроцессор, связанный с интерфейсом управления и передачи данных, который выполнен с возможностью подключения к шинам информации и питания мобильного устройства, при этом к микропроцессору подключены калибратор и преобразователь напряжения, соединенный с детектором излучения, подключенным к зарядно-чувствительному усилителю. Дозиметр-радиометр снабжен компактным корпусом и выполнен с возможностью оперативной установки в мобильное устройство-коммуникатор из группы: смартфон, планшетный компьютер, ноутбук и снабжен автономными средствами питания. Дозиметр-радиометр включает в себя АЦП последовательного приближения, набор компараторов пороговой синхронизации и пиковых детекторов. Дозиметр-радиометр снабжен подключенным к микропроцессору интерфейсом беспроводной связи из группы: Bluetooth или гибридный Bluetooth или Bluetooth Low Energy, Near Feld communication (NFC) (патент RU №145480).
Известен модульный дозиметр-радиометр, содержащий кремниевый детектор ионизирующего излучения, преобразователь напряжения, соединенный выходом с входом детектора ионизирующего излучения, выход которого соединен с входом усилителя заряда, выход которого соединен с входом усилителя-формирователя, а выход последнего - с устройством разделения сигналов, поступающих при пролете частицы и при воздействии помехи, выполненное в виде основного и вспомогательного компараторов и микропроцессора, при этом выходы усилителя-формирователя соединены со входами основного и вспомогательного компараторов, связанных своими выходами с первым и вторым входами микропроцессора, выход которого соединен через интерфейс с информационным устройством, причем микропроцессор выполнен с возможностью расчета временного интервала между импульсами, определения последовательности срабатывания компараторов и цифровой фильтрации импульсов вспомогательного компаратора, при этом опорный уровень сигнала основного компаратора установлен из условия минимального уровня сигнала при пролете частицы, а опорный уровень вспомогательного компаратора из условия уровня помехи при ее воздействии на детектор ионизирующего излучения (патент RU №156906, прототип). Данное устройство является ближайшим аналогом к заявляемой полезной модели (прототип).
В известном устройстве уменьшено влияние периодических помех, вызываемых механическим воздействием или электромагнитными наводками.
Недостатком известного устройства является его сложность.
Технической задачей полезной модели является упрощение устройства.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в исключении из устройства компаратора и в замене микропроцессора на простые элементы логики, что позволяет упростить его и, соответственно, снизить стоимость, не требуется разработки специального программного обеспечения для микропроцессора.
Поставленная цель достигается тем, что в измерительный модуль дозиметра-радиометра, содержащий последовательно включенные детектор излучения, усилитель и пороговый элемент, блок питания, соединенный с входом детектора излучения, а так же интерфейсный модуль связи, введены последовательно включенные селектор одиночных импульсов и согласующее устройство, выход порогового элемента соединен с входом селектора одиночных импульсов, выход согласующего устройства соединен с входом интерфейсного модуля связи, блок питания соединен со всеми элементами измерительного модуля, причем, в качестве селектора одиночных импульсов, используются последовательно включенные первый ждущий мультивибратор, триггер и второй ждущий мультивибратор, второй вход триггера соединен с входом первого ждущего мультивибратора, второй вход второго ждущего мультивибратора соединен с выходом первого ждущего мультивибратора, вход первого ждущего мультивибратора является входом селектора одиночных импульсов, а его выходом - выход второго ждущего мультивибратора.
Частными существенными признаками предлагаемой полезной модели являются следующие:
- используется интерфейсный модуль проводной связи;
- блок питания через проводной интерфейс связи соединен с источником питания информационного устройства из группы: мобильный телефон, смартфон, планшетный компьютер, персональный компьютер.
- выход интерфейсного модуля связи, при использовании проводного интерфейса связи подключается через проводное разъемное соединение, например типа «Jack Audio», USB;
- используется интерфейсный модуль беспроводной связи, с использованием модулей беспроводной связи.
Суть предлагаемого технического решения поясняется на Рис. 1, где представлена обобщенная структурная схема заявляемой полезной модели при ее работе совместно с информационным устройством из группы: мобильный телефон, смартфон, планшетный компьютер, персональный компьютер и др. Измерительный модуль дозиметра-радиометра совместно с информационным устройством образуют дозиметр-радиометр.
На Рис. 1 использованы следующие обозначения: 1 - измерительный модуль дозиметра-радиометра, 2 - детектор излучения, 3 - усилитель, 4 - пороговый элемент, 5 - селектор одиночных импульсов, 6 - ждущий мультивибратор, 7 - триггер, 8 - ждущий мультивибратор, 9 - согласующее устройство, 10 - интерфейсный модуль связи, 11 - блок питания, 12 - интерфейсный модуль связи, 13 - информационное устройство.
Рассматриваемый измерительный модуль дозиметра-радиометра 1, содержит детектор излучения 2, выход которого соединен через последовательно включенные усилитель 3, и пороговый элемент 4, с входом селектора одиночных импульсов 5, состоящего из последовательно включенных ждущего мультивибратора 6, триггера 7 и ждущего мультивибратора 8, выход которого соединен через последовательно включенные согласующее устройство 9, интерфейсные модули связи 10 и 12 с информационным устройством 13. Блок питания 11 соединен со всеми элементами измерительного модуля дозиметра-радиометра 1. Второй вход триггера 7 соединен с входом ждущего мультивибратора 6, а второй вход ждущего мультивибратора 8 соединен с выходом ждущего мультивибратора 6.
На Рис. 2 приведены эпюры напряжений, поясняющие работу устройства.
Измерительный модуль дозиметра-радиометра 1 может быть выполнен в виде отдельной конструкции, в собственном корпусе, где размещаются детектор излучения 2, усилитель 3, пороговый элемент 4, селектор одиночных импульсов 5, состоящий из ждущих мультивибраторов 6 и 8 и триггера 7, согласующего устройства 9, интерфейсного модуля связи 10 и блока питания 11, либо в виде отдельной платы, встраиваемой в информационное устройство 13 непосредственно, или через разъемное соединение с использованием интерфейсного модуля связи 12.
В качестве детектора излучения 2 могут быть использованы различные типы детекторов, при этом предпочтительнее использовать малогабаритные полупроводниковые устройства, например, изготовленные по планарной технологии p-i-n диоды, имеющие небольшие габариты и низкое энергопотребление.
В качестве усилителя 3 может быть использован усилитель на основе интегральных малошумящих быстродействующих операционных усилителей с высоким входным сопротивлением.
Пороговый элемент 4, может представлять из себя компаратор на основе операционного усилителя, на второй вход которого подан пороговый уровень, или, в простейшем случае, может быть использован транзистор, или логический элемент.
Ждущие мультивибраторы 6 и 8 могут быть выполнены, например, на микросхеме 74НС4538.
В качестве триггера 7 может быть использован, например, D-триггер на микросхеме 74AUP1G74.
Согласующее устройство 9, при использовании проводного интерфейса связи, с аналоговой передачей сигналов, например, непосредственно через аудиовход информационного устройства 13, может представлять из себя простой резистивный делитель напряжения. При этом в качестве интерфейсных модулей связи 10 и 12 используются провода, в разрыв которых, например, для отстыковки и подстыковки измерительного модуля дозиметра-радиометра 1 к информационному устройству 13, могут быть включены разъемные соединения. Например, в качестве такого разъема может быть использован разъем типа «Jack Audio», имеющийся на всех современных мобильных телефонах, смартфонах, планшетных компьютерах и персональных компьютерах.
При использовании проводного интерфейса связи типа USB, в качестве интерфейсного модуля связи 10 используется микроконтроллер со встроенным аппаратным, или программным протоколом связи USB. При этом функции согласующего устройства 9 могут выполняться этим же микроконтроллером. Программное обеспечение микроконтроллера обеспечивает передачу информации о поступающих с выхода ждущего мультивибратора 8 импульсах в протокол передачи USB. При этом микроконтроллер может также обеспечивать предварительную обработку импульсов поступающих от детектора излучения 2, с целью их подсчета, для вычисления уровня радиации, или дозы радиации. Со стороны информационного устройства 13 при этом используется, входящий в него USB интерфейсный модуль связи 12.
При использовании беспроводных протоколов связи, в качестве интерфейсного модуля связи 10 используются беспроводные модули связи, например радиомодули беспроводной связи, или модули Bluetooth, WiFi, или NFC. В информационном устройстве 13 при этом используется аналогичный интерфейсный модуль связи 12. В качестве согласующего устройства 8 в этом случае может быть использован микроконтроллер с программным обеспечением для связи с соответствующим интерфейсным модулем связи 10. Микроконтроллер может также обеспечивать предварительную обработку импульсов поступающих от детектора излучения 2, с целью их подсчета для вычисления уровня радиации, или дозы радиации. При этом через беспроводной интерфейс связи осуществляется передача результата вычислений.
При использовании беспроводных технологий связи в состав блока питания 11 должен входить источник питания - аккумулятор.
Входящие в состав блока питания 11 преобразователи напряжения преобразуют энергию аккумулятора (батареи) в напряжения, необходимые для питания всех элементов, входящих в состав измерительного модуля дозиметра-радиометра 1.
При использовании проводных технологий связи, встроенный в измерительный модуль дозиметра-радиометра 1, аккумулятор (батарея) может отсутствовать. В этом случае энергия на блок питания 11, необходимая для питания всех элементов, входящих в состав измерительного модуля дозиметра-радиометра 1, может поступать по проводному соединению непосредственно от аккумулятора информационного устройства 9, например, путем использования напряжения +5В в интерфейсе связи USB, использовании напряжения питания микрофона, или переменного напряжения на аудиовыходах в интерфейсе связи через разъем «Jack Audio» и т.д.
Работа устройства поясняется эпюрами на Рис. 2. На рис. 2а приведен сигнал на выходе усилителя 3, после усиления им импульсов с выхода детектора излучения 2. На эпюре показаны импульсы от воздействия на детектор излучения 2 гамма-квантов в моменты времени t1 и t6 - импульсы 1 и 6 (Рис. 2а). На интервале времени t2…t6 на устройство воздействует механическая, или электрическая помеха, которая приводит к появлению на выходе усилителя 3 периодических импульсов 2…5 (Рис. 2а). При превышении сигнала на выходе усилителя 3 порогового уровня (Рис. 2а) срабатывает пороговый элемент 4 и на его выходе появляются импульсы 7…12 (Рис. 2б).
Эти импульсы поступают на вход селектора одиночных импульсов 5, который исключает из выходных импульсов порогового элемента 4 импульсы вызванные воздействием механической, или электромагнитной помехи. Эти импульсы носят, как правило, периодический характер, причем период повторения этих импульсов в абсолютном большинстве случаев не превышает некоторого заданного значения - времени Т6.
Импульсы с выхода порогового элемента 4 поступают на вход ждущего мультивибратора 6. Длительность импульса формируемого ждущим мультивибратором 6 равна Т6. Если следующий импульс на вход ждущего мультивибратора 6 поступает ранее установленного интервала времени Т6, то отсчет интервала Т6 начинается повторно уже с этого импульса.
Так, при поступлении на вход ждущего мультивибратора 6 импульса 7 (Рис. 2б), ждущий мультивибратор 6 формирует на своем выходе импульс 13 длительностью Т6 (Рис. 2в).
В исходном состоянии триггер 7 находится в состоянии «лог. 0» благодаря поступающему на его вход «R» сигналу «лог. 0» с выхода ждущего мультивибратора 6, Сигнал «лог. 1» с инверсного выхода «Q» триггера 7 разрешает работу ждущего мультивибратора 8. Триггер 7 находится в состоянии «лог. 0» в течении импульса 13 (Рис. 2д), если в течении этого интервала на его вход «С» не поступил импульс с выхода порогового элемента 4 (Рис. 2б). По заднему фронту импульса 13 с выхода ждущего мультивибратора 6 (Рис. 2в) запускается ждущий мультивибратор 8, который формирует импульс 17 (Рис. 2е) с заданной длительностью Т8.
При воздействии на устройство периодической помехи, импульсы 8…11 (Рис. 2б) расположены друг относительно друга с интервалом меньше Т6, поэтому триггер 7 после импульса 9, поступившего на его вход «С» переключается в состояние «лог. 1» и находится в этом состоянии до момента окончания импульса 14, формируемого ждущим мультивибратором 6 (Рис. 2в).
При воздействии периодической помехи - импульсы 8…11 (Рис. 2б), по окончании импульса 14, формируемого ждущим мультивибратором 6 (Рис. 2в), импульс на выходе ждущего мультивибратора 8 не формируется (Рис. 2е), т.к. в этот момент на его разрешающем входе присутствует запрещающий сигнал «лог. 0» с инверсного выхода «Q» триггера 7.
Таким образом, воздействие периодической помехи не приводит к запуску формирователя импульсов 8, а импульсы на его выходе формируются только в ответ на воздействие гамма-квантов на датчик излучения 2 - импульсы 17 и 18 (Рис. 2е), как ответ на импульсы 1 и 6 (Рис. 2а) от воздействия гамма-квантов на датчик излучения 2.
Далее импульсы с выхода селектора одиночных импульсов 5 (выход ждущего мультивибратора 8) через согласующее устройство 9 и интерфейсные модули 10 и 12 поступают на информационное устройство 13.
При этом, в состав согласующего устройства 9 может входить микроконтроллер, для преобразования импульсов в протокол связи с интерфейсным модулем связи 10, для передачи через него информации об импульсах на информационное устройство 13 через интерфейсный модуль связи 12. При этом микроконтроллер может также обеспечивать предварительную обработку импульсов поступающих от детектора излучения, с целью их подсчета для вычисления уровня радиации, или дозы радиации.
Таким образом, импульсы, вызванные воздействием гамма-квантов на детектор излучения 2, через проводной, или беспроводной каналы связи, поступают на информационное устройство 13. На информационное устройство 13 предварительно должно быть установлено соответствующее программное обеспечение для обработки этих импульсов. После запуска этого программного обеспечения осуществляется прием через интерфейс связи 12 информации от измерительного модуля дозиметра-радиометра 1, подсчет измерительных импульсов, или обработка результатов предварительной их обработки в измерительном модуле-дозиметре 1, и окончательная обработка и отображение результатов.
Результаты измерений в виде значений уровня радиации, или накопленной дозы облучения, отображаются на дисплее информационного устройства 13 и могут дополнительно дублироваться с помощью звуковых и вибросигналов.
Таким образом, благодаря введенным узлам и связям, решена задача упрощения устройства. Упрощение достигается за счет того, что вместо устройства разделения сигналов на основе компаратора и микропроцессора (в прототипе), в предлагаемом устройстве использовано значительно более простое устройство - селектор одиночных импульсов на основе дешевых элементов логики.
При этом не требуется разработки и отладки программного обеспечения для микропроцессора, что так же упрощает и удешевляет устройство.