ДАТЧИК ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И/ИЛИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ В ВОЗДУХЕ С ТАКИМ ДАТЧИКОМ
IONIZING RADIATIONS AND/OR IONIZING PARTICLES DETECTING SENSOR AND DEVICE EQUIPPED WITH SUCH SENSOR FOR DETERMINATION OF RADIONUCLIDE CONTENT IN AIR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к датчикам и устройствам для определения (регистрации, детектирования) ионизирующих излучений и/или ионизирующих частиц, а также содержания (например, наличия) радионуклидов, т.е. радиоактивных изотопов, т.е. нуклидов, ядра которых нестабильны и испытывают радиоактивный распад, в воздухе около устройств, в частности, дочерних продуктов распада (ДПР) радона и самого радона, а также в некоторых вариантах определения ряда параметров ионизирующих излучений и/или ионизирующих частиц и/или содержания радионуклидов в окружающем воздухе, например, частоты их распада, концентрации и/или объемной активности.
Уровень техники
Из патента RU 2008694 известно устройство для определения содержания в воздухе такого радионуклида, как радон, путем регистрации альфа-частиц, испускаемых дочерними продуктами распада радона, также представляющими собой радионуклиды. Устройство содержит воздушную камеру, в которой размещен детектор альфа-частиц. Воздух подается в камеру через аэрозольный фильтр. Камера выполнена в виде складывающихся телескопических колец, благодаря которым она может складываться и расправляться, обеспечивая тем самым подачу воздуха внутрь камеры (т.е. камера выполняет также роль насоса).
Детектор альфа-частиц может быть выполнен в различном виде. В одной из реализаций он может представлять собой электрод, на котором концентрируются ионы, которые получаются в воздухе в результате пролета альфа-частиц. Ионы попадают на такой концентрирующий электрод благодаря электростатическому полю, сформированному разностью электрических потенциалов между концентрирующим электродом и стенкой камеры. При попадании ионов на концентрирующий электрод формируется импульс напряжения/тока, по которому возможно зарегистрировать альфа-частицу. На этом принципе действия основан такой детектор ионизирующих частиц и/или излучений, как ионизационная камера.
Одним из основных недостатков ионизационной камеры, препятствующих ее широкому применению в бытовых приборах, является микрофонный эффект. Вследствие высокой разности потенциалов между стенкой ионизационной камеры, которая является первым электродом, и вторым (концентрирующим) электродом, любое изменение расстояния между стенкой камеры и концентрирующим электродом, в том числе вызванное воздействием звука или механической вибрации на стенку камеры, приводит к изменению потенциала концентрирующего электрода.
Такие изменения потенциала концентрирующего электрода формируют импульсы напряжения/тока на этом электроде, амплитуда которых может превосходить амплитуду импульсов, формируемых ионизирующими частицами и излучениями. В результате на выходе ионизационной камеры (концентрирующем электроде) наблюдается значительный шум, на фоне которого детектирование импульсов ионизирующих частиц или излучений невозможно или требует значительных усилий и затрат на обработку сигнала.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является устранение (снижение, подавление) микрофонного эффекта, присущего ионизационной камере.
Задача настоящего изобретения решается с помощью датчика ионизирующего излучения и/или ионизирующих частиц, включающий в себя: один или более первых электродов; два или более вторых электрода, размещенных около одного или более первых электродов; и вычитающий модуль, выполненный с возможностью получения (и вывода) сигнала, соответствующего разности электрических потенциалов и/или токов двух или более вторых электродов. Один или более первых электродов и вторые электроды выполнены с возможностью принятия (получения) разности электрических потенциалов между первыми электродами и вторыми электродами (то есть на них возможно подать такую разность потенциалов), обеспечивающей сбор одним или более вторыми электродами ионов, образовавшихся в результате ионизации воздуха в области между первыми электродами и вторыми электродами ионизирующим излучением и/или ионизирующими частицами. Кроме того, один или более первых электродов и вторые электроды преимущественно выполнены с возможностью принятия (получения) разности электрических потенциалов между первыми электродами и вторыми электродами, обеспечивающей ионизацию воздуха между первыми электродами и вторыми электродами ионизирующим излучением и/или ионизирующими частицами.
В некоторых вариантах осуществления вычитающий модуль может быть выполнен с возможностью получения сигнала, соответствующего разности электрических потенциалов и/или токов двух или более вторых электродов, умноженных на весовые коэффициенты. Кроме того, вторые электроды могут быть выполнены с возможностью принятия (получения) разности потенциалов между ними (то есть вторым электродам может быть придана разность потенциалов).
В предпочтительном варианте осуществления датчик может содержать перегородку, размещенную между вторыми электродами и выполненную с возможностью получения ею электрического потенциала первого электрода. Вместо перегородки между вторыми электродами могут быть размещены первые электроды, т.е. первые электроды могут быть размещены не только около вторых электродов, но также и между ними.
В преимущественном варианте осуществления один или более первый электрод может охватывать каждый или часть или все вторые электроды в телесном угле от 2π до 3,5π стерадиан (относительно второго электрода). В частном варианте два или более первых электродов охватывают по одному второму электроду (в таком случае дополнительно желательно осуществить жесткую механическую связь между двумя первыми электродами). Первый электрод может быть выполнен с использованием сетки. Второй электрод может быть выполнен с использованием проволоки.
Модуль вычитания может быть выполнен с использованием дифференциального и/или инструментального усилителя. В предпочтительном варианте осуществления датчик может содержать усилители заряда, выполненные с возможностью преобразования изменения заряда на вторых электродах в изменение электрического напряжения, причем модуль вычитания выполнен с возможностью получения сигнала, соответствующего разности электрических напряжений, получаемых двумя или более усилителями заряда.
Задача настоящего изобретения решается с помощью устройства для определения содержания радионуклидов в воздухе, включающего в себя: датчик по любому из вышеописанных вариантов; блок обработки, выполненный с возможностью получения и обработки сигнала датчика; и блок питания, выполненный с возможностью обеспечения разности электрических потенциалов между первыми электродами и вторыми электродами датчика, обеспечивающей ионизацию воздуха между первыми электродами и вторыми электродами ионизирующим излучением и/или ионизирующими частицами, испускаемыми радионуклидами.
В одном из вариантов осуществления вторые электроды могут быть выполнены с возможностью принятия (получения) разности потенциалов между ними, причем блок питания может быть выполнен с возможностью обеспечения разности потенциалов между вторыми электродами менее половины или менее трети или менее четверти или менее одной десятой разности потенциалов между первыми электродами и вторыми электродами. В такой реализации изобретения блок питания может быть выполнен с возможностью обеспечения разности потенциалов между вторыми электродами величиной от 30 В до 600 В, или от 50 В до 500 В, или от 75 В до 300 В, или от 100 В до 200 В, или от 30 В до 100 В, или от 30 В до 200 В, или от 30 В до 300 В. В предпочтительном варианте осуществления блок питания может быть выполнен с возможностью обеспечения разности потенциалов между первыми электродами и вторыми электродами от 300 В до 3000 В, или от 500 В до 2000 В, или от 1000 В до 1500 В.
В преимущественном варианте осуществления изобретения устройство может иметь по меньшей мере два соединительных электрода, выполненные с возможностью электрического соединения с электрической сетью, причем блок питания может быть выполнен с возможностью получения электрического напряжения с соединительных электродов и подачи по меньшей мере на один из первых электродов электрического напряжения с постоянной составляющей относительно одного или нескольких соединительных электродов, абсолютное значение которой больше абсолютного значения постоянной составляющей и/или среднеквадратического значения переменной составляющей напряжения между соединительными электродами. В частных случаях этого варианта постоянная составляющая электрического напряжения на первом электроде относительно одного или нескольких соединительных электродов по абсолютной величине может иметь значение не менее 300 В и не более 3000 В, или не менее 500 В и не более 2000 В, или не менее 1000 В и не более 1500 В.
Датчик может быть выполнен в виде по меньшей мере одной открытой воздушной ионизационной камеры. Кроме того, по меньшей мере один первый электрод может быть одним из электродов по меньшей мере одной ионизационной камеры. В некоторых случаях устройство может включать в себя модуль связи, содержащий излучающий инфракрасный диод и выполненный с возможностью передачи сигналов управления посредством излучающего инфракрасного диода.
Техническим результатом настоящего изобретения является подавление (уменьшение) микрофонного/вибрационного эффекта при сохранении или даже уменьшении габаритов ионизационной камеры, а также повышении эффективности ионизационной камеры. Дополнительным техническим результатом является подавление (уменьшение) электрических помех/шумов, наводимых или передаваемых на ионизационную камеру от электрической сети, при сохранении или даже уменьшении габаритов ионизационной камеры, а также повышении эффективности ионизационной камеры. Благодаря подавлению электрических помех/шумов удается использовать дешевую ионизационную камеру в качестве датчика ионизирующих излучений и/или ионизирующих частиц для устройства, подключенного к электрической сети и работающего на принципе электростатической ловушки, что устраняет необходимость использования насосов воздуха для определения содержания (концентрации, объемной активности) радионуклидов в воздухе. Следует отметить, что все указанные технические результаты, как основная совокупность, так и дополнительный, достигаются настоящим изобретением одновременно и совместно. Разделение на основные и дополнительный технический результаты сделано в целях отделения результата, полученного в ходе решения стоявшей задачи изобретения, от результата, явившегося дополнительным и неожиданным полезным свойством, позволяющим расширить применение настоящего изобретения и увеличить положительный эффект от использования изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан первый вариант осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2 показана принципиальная схема, соответствующая первому варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 3 показан второй вариант осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 4 показана принципиальная схема, соответствующая второму варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 5 показана блок-схема устройства согласно одному из возможных вариантов выполнения изобретения.
На фиг. 6 показана монтажная плата с компонентами устройства в соответствии с возможным вариантом реализации изобретения.
На фиг. 7 показан общий вид устройства в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
Далее настоящее изобретение описывается более подробно с использованием прилагающихся фигур. Упоминаемые в описании фигуры, также как и само описание, представлены исключительно в целях пояснения настоящего изобретения и не предназначены для ограничения объема и/или сущности изобретения, которые определяются формулой изобретения. В то же время признаки, указанные в описании и/или изображенные на фигурах, при необходимости могут быть внесены в формулу изобретения с целью обеспечения патентоспособности.
Хотя фигуры предназначены для пояснения одного и того же изобретения, представленные на них объекты не обязательно совместимы, дополняют или составляют часть друг друга, так как могут относиться к разным вариантам осуществления, пояснение которых позволит с большей ясностью понять сущность изобретения. В то же время при некоторых условиях они могут комбинироваться, совмещаться, дополнять, составлять часть друг друга или представлять собой изображения объектов, реализующих единый вариант осуществления изобретения.
Элементы, компоненты, составные части и другие части на фигурах имеют одинаковые номера позиций в тех случаях, когда их функциональное назначение совпадает (в некоторых случаях, возможно, не полностью). В то же время необходимо понимать, что конкретная реализация одинаково пронумерованных позиций для вариантов осуществления, показанных на разных фигурах, может различаться при сохранении той же функциональности.
Слова «содержащий», «включающий в себя», «имеющий», «содержит», «включает в себя», «состоит», «имеет», «входит в состав» и т.п., используемые при охарактеризовании изобретения, являются синонимичными и не ограничивают состав устройства, его компонентов/элементов, признаков, составных частей и т.п., а также не указывают на обязательность наличия других признаков и не исключают возможности наличия других компонентов/элементов, признаков, составных частей и т.п., в том числе и не упомянутых, если только обратное не отмечено в описании.
В описании могут быть представлены различные термины, характеризующие одни и те же элементы/компоненты устройства или их свойства, в качестве синонимов. Однако надо учитывать то, что некоторые синонимы могут обеспечивать различающийся объем охраны при указании их в формуле изобретения, что может быть использовано с целью обеспечения патентоспособности путем замены синонимов или ввода признаков в формулу в виде того или иного синонима.
Изобретение описано по отношению к двум объектам: датчику ионизирующих частиц (например, альфа-частиц или бета-частиц) и/или ионизирующих излучений (например, гамма-излучения, потоков альфа- и/или бета-частиц), а также к устройству для определения радионуклидов в воздухе. Эти объекты связаны единством изобретательского замысла, поскольку датчик используется в составе устройства, а определение радионуклидов осуществляется путем регистрации ионизирующих частиц и/или ионизирующих излучений, испускаемых радионуклидами. Описания и признаки, относящиеся к датчику и его элементам, также относятся к аналогичным частям и элементам в устройстве, и наоборот, если в датчике есть элементы, соответствующие элементам устройства, то все сказанное о таких элементах в устройстве, относится и к элементам датчика. При описании устройства может выделяться датчик, входящий в состав устройства и включающий в себя элементы/компоненты, указанные как необходимые для осуществления функций датчика и имеющиеся в составе устройства.
Далее при описании изобретения в основном упоминаются ДПР радона, которые представляют собой, также как и сам радон, радионуклиды. При этом необходимо понимать, что помимо ДПР радона устройство в соответствии с настоящим изобретением может определять содержание в воздухе других радионуклидов помимо ДПР радона, например ДПР торона и другие. Однако ввиду того, что ДПР радона и радон являются радионуклидами, обычно имеющими наибольшую концентрацию (объемную активность) в воздухе, описание возможных вариантов осуществления и принципа действия устройства выполнено по отношению к ДПР радона.
Кроме того, поскольку наиболее удобным способом определения ДПР радона является регистрация альфа-частиц, испускаемых ДПР радона, то устройство и процесс детектирования описаны по отношению к альфа-частицам, хотя для определения содержания могут использоваться и другие испускаемые частицы (такие как бета-частицы) и излучения (такие как гамма-излучение и рентгеновское излучение).
На фиг. 1 показан первый вариант осуществления датчика ионизирующих частиц и/или излучений в соответствии с настоящим изобретением. Этому варианту осуществления соответствует принципиальная схема датчика, показанная на фиг. 2. Датчик на фиг. 1 содержит первый электрод 103, закрепленный с помощью распорок 102 на монтажной плате 101. Около первого электрода 103 установлены вторые электроды 104 и 105, также закрепленные на плате 101. На плате 101 также установлен вычитающий модуль 106 (также может называться модуль вычитания), который получает разность сигналов, соответствующих электрическим потенциалам вторых электродов 104 и 105, и выдает ее на выход 305 (см. фиг. 2). На плате 101 также установлены соединительные разъемы 107 и 108.
На фиг. 3 показан второй вариант осуществления датчика ионизирующих частиц и/или излучений в соответствии с настоящим изобретением. Этому варианту осуществления соответствует принципиальная схема датчика, показанная на фиг. 4. Датчик на фиг. 3 содержит два первых электрода 401 и 402, прикрепленных своими основаниями к монтажной плате 101. Внутри первых электродов 401 и 402 установлены вторые электроды, также закрепленные на плате 101, не касаясь первых электродов. В частности, на фиг. 3 первый электрод 402 показан с местным вырезом, в который виден второй электрод 105. Местный вырез показан лишь для того, чтобы было возможно показать расположение второго электрода 105 и в действительности этого выреза нет, то есть первый электрод 402 должен выглядеть так же, как первый электрод 401.
На плате 101 также установлен вычитающий модуль 106 и соединительные разъемы 107 и 108. Все, что указывается по отношению к элементам 106, 107 и 108 датчика, представленным на фиг. 1, также относится и к аналогичным элементам 106, 107 и 108 датчика, показанным на фиг. 3, и наоборот. Различие между вариантами выполнения, показанными на фиг. 1 и 3 заключается в различном выполнении первых электродов и расположении вторых электродов.
Через разъем 107 на первый электрод 103 или первые электроды 401, 402 подается высокий электрический потенциал, а через другой, разъем 108, на вычитающий модуль 106 подается питание и выводится из модуля 106 выходной сигнал, соответствующий разности электрических потенциалов вторых электродов 104 и 105. Выход 305 датчика, показанный на фиг. 2 и 4, может быть одним из контактов разъема 108. На фиг. 2 и 4 также показан ввод 304 для подачи на первый электрод 103 или первые электроды 401, 402 высокого напряжения (потенциала). Этот ввод 304 может быть одним из контактов разъема 107. Необходимо отметить, что разъемы 107 и 108 необязательны для реализации настоящего изобретения и могут быть исключены из состава датчика, а соединения могут быть выполнены с помощью открытых или закрытых проводников, в том числе дорожек печатной платы, например, при использовании датчика в составе устройства для определения содержания радионуклидов в воздухе.
Первый электрод 103 на фиг. 1, а также первые электроды 401, 402 на фиг. 3 могут называться протяженными электродами, электростатическими электродами, катодами или анодами, сетчатыми электродами или стенками ионизационной камеры (камер) в зависимости от его свойств и условий, в которых он используется. Например, при придании первому электроду положительного высокого электрического потенциала (более положительного, чем вторым электродам) он может называть анодом, а вторые электроды, соответственно, катодами. И наоборот, при придании первому электроду отрицательного высокого электрического потенциала (более отрицательного, чем вторым электродам) он может называть катодом, а вторые электроды, соответственно, анодами.
Наиболее общим названием для первых электродов 103, 401, 402 является протяженный электрод. Первый и вторые электроды вместе составляют ионизационную камеру, в которой энергия альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений затрачивается на образование заряда ионов, формируемых при пролете альфа-частиц и/или бета-частиц и/или распространении гамма-излучений в воздухе. Ионизационная камера образуется первым электродом, преимущественно имеющим большие (протяженные) размеры, и вторым (измерительным, концентрирующим) электродом, преимущественно имеющим малые размеры по крайней мере по одному из пространственных измерений (меньшие по сравнению с первым электродом) для обеспечения концентрации электрического поля, в результате чего обеспечивается неравномерность (высокий градиент) электрического поля, повышающая вероятность каскадной (или лавинной) ионизации воздуха альфа-частицами и/или бета-частицами и/или гамма-излучениями.
Каскадная (или лавинная) ионизация воздуха альфа-частицами и/или бета-частицами и/или гамма-излучениями имеет преимущество перед обычной ударной ионизацией (происходящей при любом виде ионизации) в том, что если при ударной ионизации образуется один или несколько ионов, то при наличии условий для каскадной (или лавинной) ионизации после ударной ионизации происходит цепочка последующих ионизаций газов, входящих в состав воздуха, при которой количество ионов увеличивается многократно и даже на несколько порядков. Как следствие, при создании условий для каскадной (или лавинной) ионизации регистрировать альфа-частицы и/или бета-частицы и/или гамма-излучения становится проще, т.к. количество образуемых ими ионов значительно больше и, в результате, сигнал, снимаемый со второго электрода, также имеет значительно большую величину.
Для обеспечения работоспособности ионизационной камеры первый электрод и вторые электроды в варианте на фиг. 1, а также первые электроды и вторые электроды в варианте на фиг. 3, должны обеспечивать возможность получения разности электрических потенциалов между ними (т.е. между первым электродом и вторым электродом для каждой из возможных пар), обеспечивающей сбор одним или более вторыми электродами ионов, образовавшихся в результате ионизации воздуха в области между первыми электродами и вторыми электродами ионизирующим излучением и/или ионизирующими частицами. Величина этой разности потенциалов в показанных на фиг. 1-4 вариантах зависит от внешних по отношению к датчикам устройств, однако в некоторых вариантах блоки питания могут входить в состав датчиков, что не отменяет необходимости для первых и вторых электродов обеспечивать возможность получения разности электрических потенциалов между ними.
Для обеспечения этой возможности первые и вторые электроды должны иметь возможность электрического соединения с проводниками, подающими необходимые потенциалы (напряжения) непосредственно либо через соединительные устройства, проводники, элементы. Кроме того, первые электроды не должны иметь электрического контакта со вторыми электродами, так как иначе разность потенциалов между ними будет нулевой или близкой к нулю. Также необходимо обеспечить такие расстояния между первыми электродами и вторыми электродами, при которых между ними не будет происходить электрический пробой и будет действовать эффективное электрическое поле, обеспечивающее перенос ионов и ионных треков, образовавшихся в результате ионизации воздуха в области между первыми электродами и вторыми электродами ионизирующим излучением и/или ионизирующими частицами, на один, два или более вторых электродов - то есть создаваемое внутри ионизационной камеры электрическое поле должно обеспечивать возможность сбора ионов и ионных треков одним или более вторыми электродами. Это поле зависит не только от расстояния между первыми и вторыми электродами, но и от величины разности потенциалов между ними.
Кроме того, один или более первых электродов и вторые электроды преимущественно выполнены с возможностью получения разности электрических потенциалов между первыми электродами и вторыми электродами, обеспечивающей ионизацию воздуха между первыми электродами и вторыми электродами ионизирующим излучением и/или ионизирующими частицами. Благодаря этому условию может быть обеспечена повышенная эффективность ионизационного процесса, например, благодаря эффектам каскадной или ударной ионизации. Для обеспечения такой разности электрических потенциалов необходимо выполнить вышеуказанные условия; изменение может коснуться лишь величины электрического поля, то есть соотношения расстояния и разности потенциалов между первыми и вторыми электродами.
Радионуклиды, испускающие ионизирующие частицы и/или ионизирующие излучения, могут быть поданы в ионизационные камеры несколькими способами. Во-первых, может быть использован насос для подачи воздуха. Во-вторых, сама камера может быть складной и выполнять роль насоса, как это представлено в прототипе RU 2008694. В-третьих, сам датчик может находиться в месте протекания воздушных потоков, например, около стены, где наблюдаются сильные конвекционные потоки воздуха, или в потоке воздуха, формируемого внешней вентиляционной системой. В-четвертых, как это описано далее, радионуклиды могут осаждаться на первый электрод с помощью электростатического способа, когда первому электроду придается высокий электрический потенциал относительно окружающей среды и благодаря электростатическим силам электрически заряженные радионуклиды и/или носители радионуклидов, такие как пыль, притягиваются и осаждаются на первый электрод, который в таком случае может называться первым электродом.
В первых трех случаях первый электрод может быть выполнен сплошным при условии подачи воздуха внутрь ионизационной камеры (в пространство между первым и вторым электродами) и называться стенкой ионизационной камеры. Когда стенка камеры выполнена из сплошного металла или другого металлизированного материала, в камеру пронимает меньшее количество электромагнитных излучений, благодаря чему в ней снижаются помехи.
В то же время в первых трех случаях, как и в четвертом случае, первый электрод может быть выполнен с использованием несплошного материала, такого как сетчатый материал (например, металлическая сетка) или элемент с отверстиями или перфорацией - тогда первый электрод может называться сетчатым или перфорированным электродом. Преимуществом использования такого материала является то, что подача воздуха внутрь ионизационной камеры, может осуществляться с любой стороны, что упрощает формирование схемы подачи воздуха.
Кроме того, в четвертом случае, когда подача радионуклидов в ионизационную камеру осуществляется электростатическим способом, радионуклиды могут осаждаться не только на наружной стороне камеры, но и на внутренней после пролета внутрь камеры через отверстия в первом электроде. Электростатический способ ввода радионуклидов в ионизационную камеру может совмещаться с другими способами - в таком варианте выполнение первого электрода с использованием несплошного материала является предпочтительным для обеспечения возможности осуществления всех используемых способов.
Первые электроды 401 и 402 на фиг. 3 представляют собой цилиндры, выполненные с использованием сетки. В общем случае форма первых электродов может отличаться от цилиндрической, а выполнены они могут быть с использованием любых других вышеуказанных материалов. В случае выполнения первых электродов 401 и 402 из сплошного материала, они должны иметь отверстия для подачи и/или вывода воздуха в/из внутренних объемов первых электродов 401, 402, образующих вместе со вторыми электродами во внутреннем пространстве ионизационные камеры.
По этой причине выполнение первых электродов 401, 402 с использованием сетчатого материала (предпочтительно металлического) имеет преимущество, поскольку позволяет вводить воздух и радионуклиды внутрь ионизационных камер (как во внутренний объем, так и на внутреннюю сторону стенок) через сетчатые стенки. Благодаря этому вторые электроды могут быть полностью охвачены металлическим или металлизированным материалом (в частности, боковыми стенками цилиндров 401, 402, крышками цилиндров 403, 404, являющимися составными частями первых электродов, и платой 101, которая может содержать в месте установки цилиндров 401, 402 металлизированный слой), что снижает помехи, наводимые на вторые электроды внутри цилиндров 401 и 402, электромагнитными излучениями в пространстве вокруг цилиндров (т.е. первых электродов) 401,402.
В тех случаях, когда уровень электромагнитных излучений, создающих помехи для регистрации ионизирующих частиц/излучений невелик, ионизирующая камера может быть полностью или частично открытой, например, как показано на фиг. 1. В современных условиях наблюдается большой уровень электромагнитных излучений и для предотвращения наведения помех на вторые электроды желательно полностью закрыть их от электромагнитных излучений первыми электродами. Однако обычно полное закрытие невозможно, в связи с чем для реализации настоящего изобретения желательно, чтобы первый электрод (или первые электроды, если их несколько) охватывал каждый или часть, или все вторые электроды в телесном угле от 1,5π до 3,5π стерадиан (может быть от 1,5π до 3,9π) - в таком случае будет обеспечиваться достаточная защита от электромагнитных излучений. При использовании для изготовления первых электродов сетчатых материалов можно считать, что сетка дает полное закрытие несмотря на наличие отверстий в сетке, так как размер отверстий обычно много меньше длин волн электромагнитных излучений, вследствие чего сетка эффективно препятствует их распространению.
При использовании сетчатого (несплошного) материала для создания цилиндров 401, 402 будет наблюдаться пролет ионизирующих частиц/излучений из одной ионизационной камеры в одном из цилиндров в другую ионизационную камеру в другом из цилиндров. В таких случаях ионные треки, сформированные такими частицами/излучениями, будут располагаться в обоих цилиндрах и будут попадать на ближайший второй электрод, однако при вычитании сигналов они не будут взаимокомпенсироваться, так как формирование ионных треков и, соответственно, их попадание на вторые электроды происходит в разное время ввиду того, что частица/излучение пролетает сначала в первой ионизационной камере, и только затем, после окончания пролета первой ионизационной камеры, пролетает во второй ионизационной камере и их траектории в камерах чаще всего неидентичны, что влияет на формы ионных треков и, затем, на формы сигналов, получаемых со вторых электродов, и эти формы будут различны. Это значит, что сигналы со вторых электродов, вызванные ионными треками, не могут быть взаимокомпенсированы (взаимоподавлены) из-за их разной формы в разных камерах и их разного времени поступления на модуль вычитания.
Благодаря этому эффекту становится возможным разделять одну ионизационную камеру на две без изменения суммарных габаритов и снижения чувствительности камеры к ионизирующим частицам/излучениям, так как практически все ионные треки, созданные в общих габаритах, соответствующих одной большой ионизационной камере, будут уловлены вторыми (измерительными) электродами. Следовательно, подавление микрофонного эффекта, так же как и электрических помех и электромагнитных наводок, достигается без увеличения габаритов и снижения чувствительности датчика. Этот технический результат достигается во всех описанных конфигурациях ионизационных камер, состоящих из первого (первых) и вторых электродов при условии отсутствия препятствий (таких как сплошные перегородки) для пролета ионизирующих частиц/излучений по всему объему, ограничиваемому общими габаритами ионизационной камеры (камер).
Ионизационная камера обычно ограничивается первым электродом, который часто формирует стенку ионизационной камеры, окружающую второй электрод (или несколько вторых электродов). Однако первый электрод может лишь частично охватывать вторые электроды, как это показано на фиг. 1. В частном случае первый электрод может вообще не охватывать вторые электроды, а находиться рядом с ними. В таких случаях ионизационная камера ограничивается электродами, составляющими ее, соединенных линиями (преимущественно прямыми), касающимися элементов (преимущественно электропроводящих, например, таких как электроды и соединенные с ними проводники или другие металлические элементы) камеры, причем все остальные элементы камеры находятся по одну сторону для каждой из линий.
На первый (первые) и вторые электроды подаются такие электрические потенциалы, разность между которыми (напряжение) обеспечивает возможность эффективного сбора ионов, возникших в результате ионизации воздуха испускаемыми альфа-частицами и/или бета-частицами и/или гамма-излучениями. Оптимальная величина такого напряжения зависит от размеров ионизационной камеры, в частности, от расстояния между ее электродами. Размеры камеры, в свою очередь, определяются исходя из энергетических характеристик альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений, испускаемых радионуклидами, например, радоном и его ДПР, в частности, их длин пробега.
В частности, важным показателем является длина пробега ионизирующей частицы и/или излучения, на которой формируется ионный след (трек), который может быть собран электродами ионизационной камеры. Желательно, чтобы расстояние, на котором находятся электроды ионизационной камеры, было не более одной или нескольких (двух, трех, четырех или пяти) таких характерных длин пролета ионизирующей частицы и/или излучения, так как при большем расстоянии ионы успевают рекомбинировать, не попав на электроды, в связи с чем эффективность ионизационной камеры упадет.
Электрические потенциалы, которые подаются на первый (первые) и вторые электроды, могут соотноситься друг с другом различным образом. Например, может подаваться высокий электрический потенциал на первый или второй электроды, причем знак такого потенциала может быть как положительным, так и отрицательным. Кроме того, высокие электрические потенциалы могут подаваться как на первый (первые), так и на второй электроды, причем знаки этих потенциалов могут как совпадать, так и различаться. Например, на фиг. 2 и 4 показаны схемы датчиков, в которых высокий электрический потенциал того или иного знака подается через ввод 304 на первый электрод 103, 401, 402.
На фиг. 4 также видно, что высокий потенциал на первый электрод 401 поступает с первого электрода 402 через соединительный проводник 501. Однако подача на первые электроды (если их несколько) высокого напряжения может осуществляться на каждый из первых электродов самостоятельно от одного и того же источника высокого напряжения или даже от разных источников высокого напряжения. Использование одного и того же источника высокого напряжения для формирования высокого электрического потенциала (напряжения) на всех первых электродах, во-первых, уменьшает количество необходимых источников высокого напряжения, и, во-вторых, позволяет взаимокомпенсировать при дальнейшей обработке помехи, создаваемые источником и наводимые с первых электродов на вторые электроды.
Между двумя или более первыми электродами преимущественно осуществляется жесткая механическая связь. В реализации на фиг. 3 жесткая механическая связь между электродами 401 и 401 осуществляется с помощью платы 101, к которой прочно прикреплен как электрод 401, так и электрод 402, и которая имеет жесткие механические свойства. Это необходимо для того, чтобы механические колебания, вызванные звуком и/или вибрацией, были одинаковы для обоих электродов. Тогда их влияние на вторые электроды, в частности, на фиг. 3 на вторые электроды, находящиеся внутри первых и образующих с первыми электродами две ионизационные камеры, будет создавать одинаковые микрофонные и/или вибрационные эффекты, которые в дальнейшем благодаря модулю вычитания будут взаимоподавляться. При различных микрофонных и/или вибрационных эффектах в ионизационных камерах, что возможно при неодинаковом воздействии звука и/или вибрации на первые электроды и/или при неодинаковом воздействии первых электродов на вторые электроды при отсутствии жесткой механической взаимосвязи между первыми электродами, такое подавление микрофонных и/или вибрационных эффектов будет неполным.
Критически важным условием для обеспечения работоспособности ионизационной камеры является разность электрических потенциалов между первым (первыми) и вторым (вторыми) электродом (электродами). Разность электрических потенциалов также может называться как электрическое напряжение. Знак разности электрических потенциалов относительно одного из электродов может быть как положительным, так и отрицательным. Значение разности потенциалов по абсолютной величине преимущественно должно быть не менее 300 В и не более 3000 В, или не менее 500 В и не более 2000 В, или не менее 1000 В и не более 1500 В.
Вторые электроды 104, 105 могут называться по-разному, например, концентрирующими электродами по их роли в ионизационной камере, измерительными электродами по их значению для регистрации ионизирующих частиц и/или излучений в датчике (напряжения для определения частицы/излучения снимается со вторых электродов), а также анодами или катодами в зависимости от знака напряжения между вторым и первым электродами. Независимо от названия вторые электроды предпочтительно выполнены значительно меньшими по площади поверхности, чем первые электроды. В таком случае ионы, созданные ионизирующими частицами и/или излучениями, будут преимущественно осаждаться на вторые электроды ввиду большего градиента электрического поля, а также знака электрического потенциала относительно потенциала на первом электроде. Меньшая площадь второго электрода относительно первого обычно обеспечивается меньшими поперечными размерами электрода, в то время как длина второго электрода может быть сравнима с длиной первого электрода, как это показано на фиг. 1. Вторые (измерительные, концентрирующие) электроды могут быть выполнены с использованием металлических или металлизированных пластин или объемных объектов, однако в наиболее простом для изготовления варианте вторые электроды выполнены с использованием проволоки (преимущественно открытой, не изолированной).
Для реализации настоящего изобретения вторых электродов должно быть не менее двух. Эти электроды преимущественно располагаются симметрично относительно первого электрода или одинаково относительно двух первых электродов, если первых электродов два и каждый из них расположен рядом со своим вторым электродом, как это показано на фиг. 3. При таком расположении обработка сигналов со вторых электродов упрощается, так как не требуется осуществлять их выравнивание. Тогда для получения сигнала датчика с подавленным микрофонным эффектом требуется лишь вычитание электрических потенциалов вторых электродов (или напряжений на них относительно одного общего проводника, или величин, соответствующих этим потенциалам или напряжениям) друг из друга.
В общем случае, когда вторые электроды 104 и 105 расположены неодинаково (например, на разном расстоянии) относительно первого электрода и/или имеют различающиеся размеры, как это показано на фиг. 1, и/или форму, для получения сигнала датчика с подавленным микрофонным эффектом требуется вычитание друг из друга электрических потенциалов вторых электродов (или напряжений на них относительно одного общего проводника, или величин, соответствующих этим потенциалам или напряжениям), умноженных на весовые коэффициенты (например, путем неодинакового усиления и/или ослабления сигналов со вторых электродов, или их неодинаковой частотной или другой обработки). Благодаря такому умножению на весовые коэффициенты различающиеся изменения электрических потенциалов (напряжений, величин, соответствующих напряжениям или потенциалам) выравниваются между собой и получают максимально возможно подавление микрофонного эффекта.
Подавление микрофонного эффекта достигается следующим образом. На каждом из вторых электродов изменения электрического поля, наводимого первым электродом при его механических колебаниях, будут одинаковы (или незначительно различаться при различном положении вторых электродов относительно первого, но эта неодинаковость нивелируется с помощью вышеописанных весовых коэффициентов). Изменения электрического поля на вторых электродах 104 и 105 становятся изменениями потенциалов (или напряжений).
Вычитающий модуль 106 осуществляет вычитание сигналов (непосредственных или преобразованных), полученных со вторых электродов 104 и 105 друг из друга и тем самым синфазные изменения потенциалов (или напряжений) на вторых электродах, вызванные механическими колебаниями первого электрода 103, взаимокомпенсируются. Таким образом, какие бы механические колебания не испытывал первый электрод, на выходе вычитающего модуля будет получен сигнал, соответствующий разности электрических потенциалов двух (или более) вторых электродов, в котором отсутствуют или сильно подавлены составляющие, вызванные механическими колебаниями первого электрода (т.е. отсутствует или подавлен микрофонный/вибрационный эффект).
Что касается ионных треков, создаваемых ионизирующими частицами и/или излучениями, то ионы из них осаждаются преимущественно на один или другой второй электрод. Следовательно, при вычитании потенциалов вторых электродов друг из друга импульсы потенциала во времени, вызванные ионными треками, не могут компенсировать друг друга, так как ионный трек садится либо на тот, либо на другой второй электрод, а не на оба одновременно.
Необходимо отметить, что имеется возможность различать на какой из вторых электродов попал ионный трек по знаку импульса, соответствующего ионному треку, на выходе вычитающего модуля, так как, по сути, выходной сигнал вычитающего модуля имеет две составляющие: одна из которых, положительная, соответствует импульсам с одного измерительного электрода, а другая, отрицательная, с другого измерительного электрода. Это открывает возможность использования камер для измерения разности активностей нуклидов в камерах, когда около одной из камер или в камере размещается источник ионизирующих частиц и/или излучений, частицы и/или излучения из которого попадают только в область расположения одного из измерительных электродов. Благодаря этому с помощью ионизационной камеры, около/внутри которой отсутствует источник ионизирующих частиц и/или излучений, по импульсам на выходе вычитающего модуля одного знака удается определить количество частиц и/или параметры излучений, характеризующих окружающую среду и естественный фон и, далее, скорректировать данные, полученные от измерительного электрода той ионизационной камеры, в/около которой был расположен источник ионизирующих частиц и/или излучений, в виде импульсов на выходе вычитающего модуля другого знака и представляющих собой сумму радиоактивности исследуемого источника и естественного фона с целью более точного определения радиоактивности источника.
В другим варианте это может применяться для реализации сравнительного метода определения радиоактивности источников ионизирующих частиц и/или излучений, который является более точным по сравнению с абсолютным методом. В таком способе к одной ионизационной камере прикладывается (или помещается в нее) эталонный источник ионизирующих частиц и/или излучений, а к другой ионизационной камере (или внутрь ее) помещается измеряемый источник ионизирующих частиц и/или излучений. Тогда на выходе вычитающего модуля двуполярный сигнал (в том случае, когда постоянные потенциалы вторых (измерительных) электродов примерно одинаковы) будет иметь легко различаемые по знаку две составляющие, одна из которых соответствует одной ионизационной камере и, значит, эталонному источнику, и другая, с противоположным знаком, соответствует другой камере и, значит, измеряемому источнику. Путем сравнения активностей, например, по числу импульсов в каждой составляющей, возможно очень точно определить радиоактивность измеряемого источника ионизирующих частиц и/или излучений на основе известной активности эталонного источника.
Таким образом, двойная ионизационная камера, показанная на фиг. 3 и состоящая, по сути, из двух ионизационных камер, может использоваться для повышения точности определения радиоактивности источников ионизирующих частиц и/или излучений. Чтобы источники около/в своих камерах не влияли на соседнюю камеру и ее показания, между камерами может быть установлена перегородка, препятствующая переходу ионизирующих частиц и/или излучений, испущенных в/около одной камеры, в другую, либо стенки одной или обоих камер могут быть выполнены с использованием материала, препятствующего такому переходу.
В то же время применение такой двойной ионизационной камеры имеет преимущества и для определения радиоактивности радионуклидов, содержащихся в воздухе и испускающих ионизирующие частицы и/или излучения в обе камеры. Для получения обобщенного числа импульсов, вызванных ионными треками, сформированными ионизирующим частицами и/или излучениями, к выходному сигналу вычитающего модуля может быть применена операция взятия модуля или возведения в квадрат (или иную четную степень) для того, чтобы все импульсы имели один и тот же знак. Тогда будет получена обобщенная активность радионуклидов в/около обоих камер. Преимуществом в данном случае будет то, что обработка сигналов со вторых (измерительных) электродов максимальна упрощена ввиду одинаковости (или высокой степени похожести) ионизационных камер, так как для получения эффекта подавления микрофонного/вибрационного эффекта и других помех достаточно вычесть один сигнал из другого и не требуется дополнительная обработка сигналов путем умножения их на весовые коэффициенты (что соответствует их разному усилению, ослаблению или разной частотной обработке) для обеспечения одинаковости в них шумовых/помеховых составляющих, т.к. они и так будут максимально одинаковы.
В некоторых случаях, когда ионный трек формируется в позиции, равноудаленной от обоих вторых (измерительных) электродов, он может одинаково распределиться на оба вторых электрода и, следовательно, на выходе вычитающего модуля импульс, соответствующий этому ионному треку, может отсутствовать вследствие взаимокомпенсации. Доля таких ионных треков, равноудаленных от вторых электродов, в общем числе ионных треков, формируемых по всему объему ионизационной камеры, мала. В то же время для исключения одинакового распределения ионных треков на вторые электроды могут быть предприняты несколько мер.
Во-первых, между вторыми электродами может быть обеспечена некоторая разность потенциалов, преимущественно постоянная по величине, например, величиной от 30 В до 600 В, или от 50 В до 500 В, или от 75 В до 300 В, или от 100 В до 200 В, или от 30 В до 100 В, или от 30 В до 200 В, или от 30 В до 300 В. Величина разности потенциалов между вторым электродами также может быть определена как величина менее половины или менее трети или менее четверти или менее одной десятой разности потенциалов между первыми электродами и вторыми электродами. При наличии такой разности потенциалов между вторыми электродами ионы трека, находящиеся на одинаковом расстоянии от вторых электродов, будут испытывать различные силы электрического притяжения к ним и, соответственно, попадет на тот из них, к которому больше сила притяжения. На выходе вычитающего модуля будет наблюдаться сигнал, имеющий импульс, соответствующей ионному треку, и постоянная составляющая, соответствующая разности потенциалов между вторыми электродами, которая может быть устранена с помощью дифференцирующего элемента, такого как конденсатор, или при дальнейшей обработке сигнала.
Во-вторых, между вторыми электродами может быть размещена перегородка. Эта перегородка предпочтительно должна иметь потенциал, отличающийся от потенциала вторых электродов. Например, это может быть потенциал первого электрода. Такой потенциал может быть передан перегородке с помощью проводника или путем соединения перегородки с первым электродом. В таком случае ионы будут притягиваться только к одному из вторых электродов, так как от другого второго электрода их будет отделять проводящая перегородка.
В-третьих, вторые электроды могут разделяться первым электродом (электродами). Для этого первый электрод может быть помещен между вторыми электродами или, как показано на фиг. 3, около каждого второго электрода может быть выполнен свой первый электрод 401 и 402 так, что вторые электроды отделены одним или обоими первыми электродами. В этом случае ионы трека также будут достигать только одного второго электрода, в зависимости от того, в какой части ионизационной камеры они сформировались, так как от другого второго электрода их будет отделять один или даже два первых электрода.
В том случае, если ионный трек частично сформируется в области между одним вторым электродом и первым электродом, а частично в области между другим вторым электродом и первым электродом, то эти части ионного трека попадут на вторые электроды не одновременно ввиду того, что ионный трек формируется одной частицей или излучением и, следовательно, формирование этих частей разнесено во времени. Это значит, что на выходе вычитающего модуля в таком случае будут два импульса, близких по времени и с разными знаками.
На фиг. 2 показано, что модуль вычитания может содержать дифференциальный усилитель 303, который может быть выполнен на основе как дискретных элементов (например, транзисторов), так и операционных усилителей (в том числе и на основе одного операционного усилителя). В некотором смысле модуль вычитания может называться дифференциальным модулем. На фиг. 2 показано, что вторые электроды 104 и 105 соединены со входами дифференциального усилителя 303 с помощью усилителей 301 и 302. В предпочтительном варианте усилители 301 и 302 представляют собой усилители заряда, преобразующих изменения заряда на вторых электродах в электрическое напряжение или изменение электрического напряжения (например, относительно одного общего проводника). Эти напряжения, поступающие на дифференциальный усилитель, вычитаются друг из друга, и результат вычитания подается на выход 305. Таким образом в модуле вычитания может быть получен сигнал, соответствующий разности электрических напряжений, получаемых двумя или более усилителями заряда.
Вычитающий модуль может считаться как содержащим в себе наряду с дифференциальным усилителем 303 усилители 301 и 302, так и содержащим только усилитель 303. В последнем случае усилители 301 и 302 считаются дополнительными для модуля вычитания. Кроме того, датчик может быть реализован и без усилителей 301 и 302, если дифференциальный усилитель 303 обеспечивает достаточный коэффициент усиления и имеет достаточно высокое входное сопротивление.
В некоторых случаях модуль вычитания может быть выполнен без использования дифференциального усилителя, например, на основе пьезоэлементов, элементов с поверхностными акустическими волнами, оптических преобразователей и т.п. Кроме того, вычитание сигналов, соответствующих напряжениям на измерительных (вторых) электродах может осуществляться цифровым способом. Для этого цифровой модуль вычитания должен содержать аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и модуль цифровой обработки, выполненный, например, с использованием логических элементов, программируемой логической микросхемы, микропроцессора и/или микроконтроллера. АЦП преобразуют в цифровую форму значения напряжения (потенциалы) измерительных (вторых) электродов с частотой, превышающей в два или более раза максимальную частоту спектра акустических помех и/или спектра импульса, создаваемого ионизирующими частицами (излучениями) и/или ионными треками, сформированными при участии ионизирующих частиц (излучений) и попавшими на измерительные (вторые) электроды. Далее оцифрованные сигналы цифровым образом вычитаются друг из друга.
Преимуществом этого способа вычитания является то, что далее обработка может осуществляться также в цифровой форме и, следовательно, полученный разностный сигнал в цифровой форме может прямо передаваться для дальнейшей цифровой обработки. Однако у данного способа имеется такой недостаток, что если максимальные частоты спектров обрабатываемых сигналов окажутся слишком высоки, то оцифровать эти сигналы без потерь и/или с помощью недорогих АЦП окажется невозможно. В связи с этим наиболее предпочтительным способом обработки сигналов измерительных (вторых) электродов путем получения их разности является аналоговая (в т.ч. с помощью дифференциального усилителя), а оцифровка осуществляется уже по отношению к разностному сигналу. Достоинством этого варианта является то, что при вычитании сигналов могут взаимокомпенсироваться (то есть подавляться) в том числе и высокочастотные помехи.
Дополнительным преимуществом аналогового вычитания сигнала, соответствующего напряжению (потенциалу) на одном измерительном (втором) электроде, из сигнала, соответствующего напряжению (потенциалу) на другом измерительном (втором) электроде, является то, что благодаря такой обработке удается подавить не только микрофонный эффект (то есть акустические помехи), но и помехи, наведенные электромагнитными излучениями из окружающего пространства, а также помехи по питанию и помехи, полученные из электрической сети.
Подавление помех, получаемых из электрической сети, позволяет использовать датчик в соответствии с настоящим изобретением в устройствах для определения содержания радионуклидов в воздухе, использующих электростатический принцип действия (электростатическая ловушка). В таком устройстве на первый электрод (электроды) подают электрическое напряжение с большой постоянной составляющей относительно одного или нескольких проводов электрической сети. Это значит, что на первый электрод (электроды) также переходят помехи, в том числе импульсные, неизбежно присутствующие в электрической сети. Эти помехи на первом электроде (электродах), которые могут быть усиленными по сравнению с помехами в сети в зависимости от выполнения блока питания, наводятся на вторые электроды и без подавления могут создавать ложные события определения ионизирующих частиц и/или излучений. Настоящее изобретение позволяет устранить такие помехи и максимально использовать преимущества подобных устройств, работающих на принципе электростатической ловушки.
На фиг. 5 показана блок-схема возможной реализации устройства по настоящему изобретению. Блок-схема, показанная на фиг. 5, содержит соединительный элемент 601 в виде вилки с соединительными электродами 611, электрически соединенными с блоком питания 602, включающим в себя модуль высокого напряжения 621, выход которого соединен с первым электродом 103, и модуль низкого напряжения 622, соединенный с блоком обработки 603, включающим в себя вычитающий модуль 106 (например, в форме дифференциального усилителя) и модуль обработки 631, например, процессор или контроллер, модулем связи 604 и индикатором 605. Рядом с первым (электростатическим) электродом 103 установлены вторые электроды 104 и 105, сигналы которых подаются в блок обработки 603, где дифференциальный усилитель 106 получает сигнал, соответствующий разности сигналов (например, напряжений) вторых электродов 104 и 105, и далее полученный сигнал обрабатывается модулем обработки 631. Из модуля обработки 631 обработанные данные и/или сигнал датчика направляются в модуль связи 604, в котором они могут быть переданы, например, по радиосвязи через антенну 641. Кроме того, из модуля обработки 631 обработанные данные и/или сигнал датчика направляются в индикатор 605, который может отображать уровень сигнала, события регистрации альфа-частиц, бета-частиц и/или гамма-излучений и/или характеристики, полученные при обработке сигнала в модуле обработки 631.
Модуль высокого напряжения предназначен для подачи на первый электрод электрического напряжения с постоянной составляющей относительно одного или нескольких соединительных электродов, входящих в состав соединительного элемента (например, вилки штепсельного разъема). В показанном на фиг. 5 варианте модуль высокого напряжения содержит умножитель напряжения (например, генератор Кокрофта-Уолтона), который состоит из лестницы (нескольких цепочек) конденсаторов и диодов и может преобразовывать переменное или пульсирующее напряжение в высокое постоянное напряжение (или напряжение с постоянной составляющей), величина которого больше, чем напряжение между соединительными электродами.
Благодаря этому на первом электроде оказывается электрический заряд, создающий такое высокое постоянное напряжение, который может считаться уединенным относительно окружающей среды (например, стен и других элементов помещений). Вследствие такой уединенности электрический заряд на первом электроде формирует электрическое поле в основном в окружающем пространстве снаружи себя, а не внутри ионизационной камеры, и поэтому потенциал указанного электрического поля убывает обратно пропорционально расстоянию от электрода (в первой степени), а сила Кулона, действующая на заряды вокруг первого электрода, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от электрода (т.е. во второй степени).
К достоинствам умножителя напряжения относится отсутствие трансформатора (и, как следствие, меньший вес и размеры), отсутствие необходимости в усиленной изоляции и формирование выходного напряжения относительно входа, соединенного с соединительными электродами. Благодаря последнему преимуществу отсутствует необходимость в обеспечении привязки потенциала какого-либо элемента модуля высокого напряжения к потенциалу одного или нескольких соединительных электродов, как это может потребоваться при использовании, например, трансформаторной схемы преобразователя напряжения.
В самом деле, в качестве повышающих преобразователей напряжения в уровне техники обычно используются схемы/устройства, содержащие трансформаторы, основным преимуществом которых является обеспечение электрической (гальванической) развязки (изоляции) между входной и выходной обмотками трансформатора, что обеспечивает электробезопасность преобразователя напряжения вследствие того, что ток из электрической сети не может напрямую попасть в запитанное через трансформаторный преобразователь устройство. Электрические потенциалы на выходе такого преобразователя оказываются отличающимися на примерно одинаковую величину в половину выходного напряжения от постоянного потенциала земли с разными знаками и образуют диполь между электродами ионизационной камеры или, в некоторых вариантах, между одним электродом ионизационной камеры и корпусом. Электрическое поле, формируемое диполем, в основном содержится в области около диполя (то есть между электродами, его образующих; другими словами, внутри ионизационной камеры) и на внешней стороне электродов, образующих диполь, напряженность электрического поля и, соответственно, сила Кулона, действующая на заряженные частицы, убывают в кубической зависимости от расстояния от диполя, т.е. в большей степени, чем от уединенного заряда, и поэтому такие преобразователи не могут обеспечивать преимуществ электростатического способа сбора и подачи в ионизационную камеру радионуклидов из окружающего воздуха.
Аналогичным недостатком обладают автономные, запитываемые от гальванических элементов, батарей или аккумуляторов, устройства. Формируемое в них высокое напряжение подается на два электрода в ионизационной камере (или на один электрод относительно корпуса или какого-либо электропроводящего элемента устройства). Поскольку такие устройства полностью автономны, они электрически (гальванически) развязаны (изолированы) от электрической сети и окружающей среды. В результате потенциалы этих электродов или электрода и корпуса также оказываются отличающимися на примерно одинаковую величину в половину выходного напряжения от постоянного потенциала земли с разными знаками и образуют классический диполь.
Если автономное устройство само по себе имеет электрический потенциал, например, полученный ранее, то за счет осаждения заряженных частиц (например, пыли), общий (средний) электрический потенциал устройства достаточно быстро уравняется с потенциалом окружающей среды и далее будет оставаться на том же уровне, то есть устройство с электрической точки зрения будет представлять собой диполь, поскольку потенциалы несущих электричество элементов, между которыми создается высокое напряжение (и один из которых представляет первый электрод), будут разнесены относительно среднего потенциала устройства по существу на одинаковые величины с разными знаками.
Аналогичная картина будет наблюдаться и в устройствах, подключаемых к электрической сети с обеспечением электрической (гальванической) развязки (изоляции) за исключением того, что в дополнение к осаждению заряженных частиц добавляется еще один процесс, способствующий выравниванию среднего потенциала электрически развязанной части с потенциалом окружающей среды и электрической сети, и представляющий собой ток утечки между электрически развязанными частями устройства.
Следовательно, для обеспечения эффективного применения электростатического метода подачи радионуклидов в ионизационную камеру при использовании преобразователя напряжения с электрической (гальванической) развязкой (изоляцией) входа и выхода (например, содержащего трансформатор) требуется придание одному из электропроводящих элементов устройства, входящего в состав той части устройства, которая изолирована от электрической сети, некоторого потенциала, например, близкого к потенциалу одного из проводов электрической сети, так, чтобы относительно него появилась возможность задать потенциал первого электрода ионизационной камеры таким образом, чтобы общий (средний) потенциал устройства значительно отличался от потенциала окружающей среды и/или электрической сети. Например, в некоторых случаях, в зависимости от схемотехнического решения, для этого может оказаться достаточным заземления корпуса, а в случае трансформаторного преобразователя это можно сделать соединением (прямым или с использованием сопротивлений, емкостей или полупроводниковых элементов) некоторых концов входной и выходной обмоток.
При этом необходимо отметить, что в случае придания одному из электропроводящих элементов устройства, входящего в состав изолированной от электрической сети части устройства, определенного потенциала и обеспечения требуемого потенциала первого электрода ионизационной камеры таким образом, что общий (средний) потенциал устройства отличается от потенциала окружающей среды и/или электрической сети, устройство может стать электроопасным и необходимы меры по предупреждению поражения током/напряжением живых существ и других устройств.
Один тип возможных мер представляет собой помещение электрода в электроизолирующий корпус. При этом необходимо обеспечивать открытость первого электрода окружающему пространству, то есть возможность заряженным частицам (например, пыли) с радионуклидами попадать из окружающего воздуха через корпус на первый электрод. Для этого необходимы окна, отверстия, вырезы и другие виды проемов в корпусе, соединяющих внутренний объем корпуса (или его части) с окружающим пространством.
В другом варианте вышеуказанные проемы, щели, отверстия, окна в стенках корпуса возможно закрыть сетчатым, пористым, тканевым или другим материалом, или элементом, который может предотвращать проникновение внутрь корпуса через окно различных предметов или частей тела, но обеспечивать прохождение через такой материал или элемент воздуха, заряженных частиц, пыли, радионуклидов, например, ДПР радона и самого радона. Использование такого материала или элемента несколько снизит чувствительность устройства ввиду удержания части указанных заряженных частиц, пыли и радионуклидов самим материалом или элементом, но, тем не менее, их прохождение будет обеспечено и, при этом, будет предотвращено проникновение внутрь устройства посторонних объектов.
В некоторых вариантах осуществления изобретения поражение электричеством может предотвращаться ограничением тока, который может протекать через преобразователь напряжения, входящий в состав модуля высокого напряжения, например, к первому электроду. Ограничение тока может осуществляться, например, выбором такой схемы (конструкции) преобразователя напряжения, при которой ток, протекающий через преобразователь при касании первого электрода объектом, имеющим электрический потенциал, отличающийся от потенциала первого электрода, напрямую или через какой-либо предмет, ограничен величиной, не представляющей опасности для живых существ и/или устройств, в том числе с учетом высокого напряжения на первом электроде. Примером такой схемы, например, является умножитель напряжения, использованный в модуле высокого напряжения 621, в силу наличия у него элементов, ограничивающих ток.
В других вариантах ограничение тока может быть осуществлено использованием одного или нескольких токоограничительных элементов, расположенных на входе или выходе преобразователя напряжения или в составе преобразователя напряжения или размещенных таким образом, что посредством токоограничительных элементов соединяются первый электрод с преобразователем напряжения или же преобразователь напряжения с соединительными электродами. В качестве токоограничительных элементов могут использоваться сопротивления, емкости, нелинейные и/или полупроводниковые элементы. При использовании токоограничительных элементов ограничение тока может быть обеспечено даже в случае применения таких преобразователей напряжения, которые сами по себе выходной ток не ограничивают. Благодаря ограничению тока удается предотвратить поражение электрическим током живых существ и/или приборов для открытых электростатических (первых) электродов, размещенных как в корпусах, так и без корпусов.
Таким образом, с использованием вышеописанных мер, как по отдельности, так и в тех или иных комбинациях, возможно обеспечить электрическую безопасность устройства в соответствии с настоящим изобретением. В то же время необходимо отметить, что обеспечение такой электрической безопасности не является обязательным для реализации настоящего изобретения, поскольку работоспособность и требуемые характеристики устройства в соответствии с настоящим изобретением могут быть реализованы и без обеспечения электрической безопасности. Такое устройство может применяться в таких условиях, где нет необходимости в обеспечении электрической безопасности, например, в безлюдных помещениях и пространствах или обслуживаемых надлежаще проинструктированным и обученным персоналом с использованием индивидуальных мер защиты. Однако обеспечение электрической безопасности дает такое преимущество, как универсальность, удобство и широта применения независимо от того, имеют ли к нему доступ люди и животные или нет.
Радионуклиды, осевшие на первый электрод 103 самостоятельно или на пыли или других частицах, распадаются с испусканием альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений. Для регистрации указанных частиц и/или излучений предназначены вторые электроды 104, 105. Вторые электроды могут располагаться около первого электрода не далее от него, чем длина пробега альфа-частиц и/или бета-частиц и/или дальность распространения гамма-излучений, или внутри ионизационной камеры, ограниченной первым электродом, также с учетом обеспечения возможности регистрации частиц и/или излучений, для чего их ионные треки должны достигнуть вторых электродов. Кроме того, между первым электродом и вторыми электродами не должно располагаться объектов, которые могут помешать пролету частиц и/или распространению излучений, то есть датчик и первый электрод преимущественно должны быть в пределах прямой видимости друг друга. На фиг. 5 вторые электроды 104, 105 изображены около электрода 103, поскольку это примерная блок-схема для пояснения изобретения, и это не накладывает ограничений на место установки вторых электродов.
С целью обеспечения малых размеров, высокой эффективности и низкой стоимости для регистрации ионизирующих излучений, которые могут образовываться альфа-частицами и/или бета-частицами и/или гамма-излучениями, используется ионизационная камера (в частности, открытая), в которой энергия альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений затрачивается на образование заряда ионов, формируемых при пролете альфа-частиц и/или бета-частиц и/или распространении гамма-излучений в воздухе. Ионизационная камера образуется первым (электростатическим) электродом, преимущественно имеющим большие размеры для эффективного осаждения заряженных частиц и радионуклидов на большой площади, и вторыми (концентрирующими) электродами, преимущественно имеющими малые размеры (например, поперечные и меньшие по сравнению с первым электродом) для обеспечения концентрации электрического поля, в результате чего обеспечивается неравномерность (высокий градиент) электрического поля, повышающая вероятность каскадной (или лавинной) ионизации воздуха альфа-частицами и/или бета-частицами и/или гамма-излучениями, испускаемыми радионуклидами, в том числе ДПР радона или непосредственно радоном.
Каскадная (или лавинная) ионизация воздуха альфа-частицами и/или бета-частицами и/или гамма-излучениями имеет преимущество перед обычной ударной ионизацией (происходящей при любом виде ионизации) в том, что если при ударной ионизации образуется один или несколько ионов, то при наличии условий для каскадной (или лавинной) ионизации после ударной ионизации происходит цепочка последующий ионизаций газов, входящих в состав воздуха, при которой количество ионов увеличивается многократно и даже на несколько порядков. Как следствие, при создании условий для каскадной (или лавинной) ионизации регистрировать альфа-частицы и/или бета-частицы и/или гамма-излучения становится проще, т.к. количество образуемых ими ионов значительно больше и, в результате, сигнал ионизационной камеры также имеет значительно большую величину.
На первом и вторых электродах формируются такие электрические потенциалы, разность между которыми (напряжение) обеспечивает возможность эффективного сбора ионов, возникших в результате ионизации воздуха испускаемыми альфа-частицами и/или бета-частицами и/или гамма-излучениями. Оптимальная величина такого напряжения зависит от размеров ионизационной камеры, в частности, от расстояния между ее электродами. Размеры камеры, в свою очередь, определяются исходя из энергетических характеристик альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений, испускаемых радионуклидами, например, радоном и его ДПР, в частности, их скоростей пролета.
В том случае, если для обеспечения большей безопасности постоянная составляющая напряжения на первом электроде относительно одного или нескольких соединительных электродов имеет относительно небольшую абсолютную величину (т.е. величину, превышающую напряжение (например, действующее) между соединительными электродами не более чем в 2, 3 или 4 раза, например, не менее 500 В или 600 В или 700 В или 800 В), то первый электрод, а также ионизационная камера могут быть выполнены с малыми размерами для обеспечения условий эффективного сбора ионов, так как напряженность электрического поля, обратно пропорциональна расстоянию между электродами и прямо пропорциональная напряжению между ними. Таким образом, при снижении напряжения для сохранения напряженности электрического поля, при которой возможен полный сбор ионов, необходимо уменьшать расстояние между электродами, то есть размеры ионизационной камеры, что также обеспечивает малогабаритность (компактность) устройства в соответствии с настоящим изобретением.
В связи с этим напряжение между электродами ионизационной камеры может определяться исходя из других соображений. В частности, в учет могут приниматься эффективность осаждения заряженных частиц, взвешенных в воздухе, на первый электрод, для чего на первом электроде обычно необходим потенциал, отличающийся не менее чем на 1000 вольт по сравнению с постоянным (средним) потенциалом окружающей среды (в частности, электрической сети) в ту или иную сторону, то есть со знаком + или -.
Необходимо учитывать, что высокое напряжение между электродами ионизационной камеры создает возможности для электрического пробоя. В связи с этим необходимо подбирать размеры ионизационной камеры и напряжение между ее электродами и их форму так, чтобы напряженность электрического поля была меньше критической, т.е. такой, при которой происходит электрический пробой воздуха.
Кроме того, от величины напряжения между электродами ионизационной камеры зависит эффективность определения (детектирования) альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений, поскольку эффективность собирания ионов из ионных треков, созданными альфа-частицами и/или бета-частицами и/или гамма-излучениями в воздухе зависит от напряженности электрического поля (в т.ч. от напряжения между электродами): при установлении между электродами большего напряжения с величиной до 1000 В эффективность повышается, а свыше 1000 В она остается примерно одной и той же (практически не растет или растет слабо). В связи с этим увеличение напряжения между электродами ионизационной камеры с точки зрения увеличения эффективности (чувствительности) определения (детектирования) альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений имеет смысл до 1000 В.
В то же время влияние величины напряжения на первом электроде (который в преимущественном варианте образует один из электродов ионизационной камеры) на эффективность сбора радионуклидов из окружающего воздуха имеет несколько иной характер. В частности, при установлении большего напряжения на первом электроде с величиной до 1000 В эффективность сбора радионуклидов (их собираемое количество) значительно увеличивается, свыше 1000 В но меньше 1500 В увеличение эффективности становится меньше, а свыше 1500 В увеличение эффективности сбора радионуклидов становится незначительным. Это значит, что увеличение напряжения на первом электроде с точки зрения увеличения эффективности (количества) сбора радионуклидов имеет смысл до 1500 В.
Поскольку в преимущественном варианте осуществления первый электрод является одним из электродов ионизационной камеры, то напряжение на первом электроде преимущественно отсчитывается относительно вторых электродов, т.е. представляет собой напряжение между электродами ионизационной камеры. В этом варианте по вышеуказанным причинам предпочтительная величина этого напряжения находится в диапазоне между 1000 В и 1500 В.
Также необходимо учитывать, что первый и вторые электроды ионизационной камеры образуют диполь, так как имеют разные потенциалы. Ввиду вышесказанного о влиянии дипольной пары электродов на объем окружающего воздуха, из которого формируемым полем захватываются и осаждаются на первом электроде заряженные частицы (а значит, и о влиянии на эффективность и чувствительность устройства в соответствии с настоящим изобретением), для снижения влияния дипольного эффекта на показатели устройства полезно, чтобы потенциалы вторых электродов были близки к потенциалу (например, постоянному или постоянной составляющей потенциала) окружающей среды, в частности, электрической сети и, более конкретно, соединительных электродов.
Привязка потенциалов вторых электродов к постоянному потенциалу соединительных электродов (в пределе уравнивание этих потенциалов) может осуществляться с помощью задающих потенциал компонентов, например, с помощью сопротивлений, соединяющих концентрирующие электроды с проводником, имеющим потенциал, близкий к постоянному потенциалу соединительных электродов (или одного из них). Сопротивления могут быть большими (сотни килоом, мегаомы или больше), а проводник, с которым они соединяются, может входить в состав блока питания, в частности, в модуль высокого напряжения или модуль низкого напряжения, или быть соединенным непосредственно или через дополнительные компоненты с одним или несколькими соединительными электродами. В других вариантах для притягивания (сближения) постоянных составляющих потенциалов вторых (концентрирующих) и соединительных электродов также могут использоваться другие цепи, известные из уровня техники, в том числе цепи с полупроводниковыми компонентами.
Несмотря на то, что вторые (концентрирующие) электроды имеют потенциалы, близкие к потенциалу окружающей среды, в ионизационной камере они могут называться анодами, если на первый электрод подан отрицательный потенциал (сам первый электрод в таком случае может назваться катодом), или катодами, если на первый электрод подан положительный потенциал (сам первый электрод в таком случае может назваться анодом). Это связано с тем, что вторые электроды относительно первого электрода имеют отличающиеся потенциалы и вместе они формируют электрическое поле, необходимое для обеспечения работоспособности ионизационной камеры, точно так же, как если бы вторые электроды имели потенциалы, отличающиеся от потенциала окружающей среды.
Таким образом, в предпочтительном варианте ионизационная камера формируется первым электродом большой площади с электрическим потенциалом, имеющим постоянную составляющую относительно одного или нескольких соединительных электродов (например, более 200 В, 300 В, 400 В, 500 В, 600 В, 700 В, -800 В или 900 В при положительном потенциале или менее -200 В, -300 В, -400 В, -500 В, -600 В, -700 В, -800 В или -900 В при отрицательном потенциале, преимущественно более 1000 В при положительном потенциале или менее -1000 В при отрицательном потенциале), и вторыми электродами малой площади с электрическими потенциалами, постоянные составляющие которых близки к постоянной составляющей потенциала одного или нескольких соединительных электродов (например, отличаются в пределах +/-50 В и преимущественно равны). Поскольку в такой конфигурации вторые электроды имеют потенциалы, близкие к постоянному потенциалу соединительных электродов (электрической сети), то, как указывалось выше, с целью обеспечения наибольшей эффективности детектирования альфа-частиц напряжение между первым электродом и одним или несколькими соединительными электродами преимущественно не должно превышать (или быть меньше) 1500 В.
При больших значениях (абсолютных) постоянной составляющей напряжения на первом электроде относительно одного или нескольких соединительных электродов по сравнению с переменным напряжением (эффективным значением или амплитудой) между соединительными электродами (или переменной составляющей на первом электроде) электрическое поле, формируемое около первого электрода, обеспечивает создание на заряженных частицах, взвешенных в воздухе, силы Кулона, направленной в одну сторону и относительно мало изменяющейся по величине. Это обеспечивает более эффективный сбор заряженных частиц первым электродом.
Благодаря наличию в ионизационной камере электрического напряжения, обеспечивающего сбор ионов, возникших в результате ионизации воздуха альфа-частицами и/или бета-частицами и/или гамма-излучениями, и неоднородности (градиента) электрического поля, формируемой разницей в размерах первого и вторых электродов и повышающей вероятность ударной ионизации, альфа-частицы и/или бета-частицы и/или гамма-излучения, испускаемые радионуклидами, порождают в ионизационной камере в местах пролета ионные треки. Датчиком альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений в виде ионизационной камеры регистрируются не только (и не столько) сами альфа частицы и/или бета-частицы и/или гамма-излучения, но и ионизированные частицы, которые перемещаются в электрическом поле внутри ионизационной камеры, что повышает вероятность регистрации альфа-частицы и/или бета-частицы и/или гамма-излучения и различения их характеристик.
Образующиеся в результате действия излучений и/или частиц ионы воздуха могут иметь заряды с разными знаками и часть из них неизбежно будет осаждаться на вторых электродах. Следовательно, эти ионы могут быть зарегистрированы путем определения изменения заряда или напряжения на вторых электродах.
Большая площадь первого электрода обеспечивает больший объем, в котором могут быть созданы условия для порождения ионных треков альфа-частицами и/или бета-частицами и/или гамма-излучениями, появляющимися в результате распадов радионуклидов, а значит и более высокую чувствительность, и эффективность устройства. Однако увеличение размеров первого электрода означает и возрастание расстояния между вторыми электродами и теми частями первого электрода, которые находятся напротив вторых электродов или рядом. При этом для сохранения условий каскадной (или лавинной) ионизации и обеспечения эффективности сбора ионов в камере потребуется увеличение напряжения между электродами, что может привести к электрическому пробою и отрицательно сказаться на электробезопасности устройства.
Кроме того, в случае преимущественной регистрации альфа-частиц необходимо учитывать, что максимальная длина пробега большинства альфа-частиц в воздухе составляет 5-6 см, в связи с чем выполнение камеры с характерным размером (диаметр, поперечный размер и/или длина) менее 5 см приведет к снижению эффективности (чувствительности) регистрации альфа-частиц, а выполнение камеры с характерным размером более 6 см означает излишний расход материалов и необоснованное увеличение габаритов. В то же время ионизационная камера с характерным размером не менее 2 см и не более 10 см также будет обеспечивать регистрацию альфа-частиц. Преимущество определения наличия и/или содержания радионуклидов в воздухе с помощью открытой воздушной ионизационной камеры путем регистрации альфа-частиц заключается в том, что альфа-частицы и/или создаваемые ими ионные треки вызывают в датчике сигнал большей величины, чем бета-частицы или гамма-излучение.
Повышение эффективно используемой площади первого электрода возможно несколькими способами. Во-первых, возможно размещение около первого электрода нескольких вторых электродов. Это приведет к тому, что условия для формирования каскадной (или лавинной) ионизации будут обеспечиваться не на одном участке первого электрода около одного концентрирующего электрода, а на нескольких участках около нескольких вторых электродов. При соответствующем размещении концентрирующих электродов на расстоянии друг от друга эти области первого электрода могут прилегать друг к другу, образуя единую область эффективного формирования условия для каскадной (или лавинной) ионизации.
Во-вторых, первый электрод может быть выполнен в форме электрической камеры, формирующей объем, в частности, ионизационной камеры и окружающей вторые электроды с нескольких сторон, в результате чего вся поверхность (или большая часть) первого электрода, обращенная ко вторым электродам, находится на оптимальном расстоянии, при котором обеспечивается эффективный сбор ионов и/или обеспечиваются условия для каскадной (или лавинной) ионизации с учетом напряжения между электродами ионизационной камеры.
Поскольку первый электрод может привлекать заряженные частицы, взвешенные в воздухе, из окружающего электрод пространства, то радионуклиды могут осаждаться в основном на наружной поверхности электрической камеры, которую может формировать первый электрод. Однако вторые электроды находятся внутри такой камеры и, следовательно, условия для эффективного сбора ионов должны создаваться внутри камеры.
Это означает, что стенки ионизационной камеры, то есть первый электрод, должны обеспечивать осаждение на них радионуклидов (в том числе, например, вместе с пылью) с внутренней стороны для того, чтобы обеспечивать возможность попадания альфа-частиц бета-частиц и/или гамма-излучений, появляющихся в результате распада радионуклидов, внутрь ионизационной камеры - то есть ионизационная камера должна быть открытой для окружающего воздуха (другими словами, ионизационная камера, объем которой формируется электрической камерой, должна быть открытой воздушной ионизационной камерой).
Для выполнения этих требований первый электрод может быть выполнен не из сплошного материала, а из пористого, сетчатого, тканевого материала или элемента либо материала или элемента с отверстиями (такой материал или элемент может быть выполнен с использованием металла или металлизации). Такой материал может обеспечивать прохождение внутрь камеры не только альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений, но и самих радионуклидов и/или радиоактивной пыли. Это может быть пористая пленка, сетка, ткань, листовой материал с отверстиями, преимущественно выполненные с использованием металла или металлизации, например, поверхностной.
Сетка, выполненная с использованием металла, обладает особыми преимуществами, поскольку она, с одной стороны, эффективно создает электрическое поле для сбора радионуклидов на проволочках, формирующих сетку, а с другой стороны, имеет достаточно большие ячейки по сравнению с размерами частиц пыли, радионуклидов, ионов ДПР и т.п., через которые радионуклиды могут попадать в ионизационную камеру. Часть радионуклидов (на микрочастицах или сами по себе), привлеченных электрическим полем первого электрода в виде сетки, будет пролетать в отверстия сетки, попадать внутрь камеры и по-прежнему находиться под действием электрического поля, которое создает сетка, но теперь поле будет направлено в обратную сторону. Следовательно, радионуклиды будут замедляться и направляться в сторону сетки, ее проволочек, из которых выполнена сетка, и оседать на них с внутренней стороны.
Таким образом, использование сетки обеспечивает возможность попадания радионуклидов на внутреннюю сторону ионизационной камеры, благодаря чему альфа-частицы и/или бета-частицы и/или гамма-излучение могут перемещаться внутри ионизационной камеры (те радионуклиды, которые осели на внешней стороне камеры, практически не могут испускать альфа-частицы и/или бета-частицы и/или гамма-излучение внутрь камеры, поскольку эти излучения распространяются прямолинейно и их попадание внутрь камеры предотвращается проволочками, на которых оседают радионуклиды с внешней стороны).
Кроме того, большой размер ячеек сетки (относительно размеров ионов, частиц пыли, альфа- частиц и бета-частиц) обеспечивает меньше задержанных радионуклидов, альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений и, соответственно, более высокую долю попадания радионуклидов, альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений внутрь ионизационной камеры. В то же время чрезмерно большой размер ячеек сетки ухудшает условия электростатической экранировки вторых электродов камеры, что ухудшает соотношение сигнал шум на вторых электродах камеры, в связи с чем размеры ячеек должны подбираться в соответствии с конфигурацией ионизационной камеры и величины напряжения для обеспечения эффективного сбора радионуклидов и регистрации альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучения.
Указанные способы повышения эффективности и чувствительности устройства путем увеличения объема, в котором обеспечиваются условия эффективной ионизации и сбора ионов, могут комбинироваться. Например, первый электрод может представлять собой стенку, ограничивающую объем ионизационной камеры, в которой размещено несколько вторых электродов. В частности, на фиг. 6 показан первый электрод 103, выполненный с использованием сетки и, преимущественно, металла (например, в виде металлической сетки), в виде вытянутой ионизационной камеры (т.е. параллелепипеда). Очевидно, что один второй электрод не может обеспечить одинаковые условия для эффективного сбора ионов по всему объему такой ионизационной камеры. В связи с этим внутри ионизационной камеры (но по-прежнему около первого электрода, представляющего собой стенку ионизационной камеры, на расстоянии не более длины пробега альфа-частиц и/или бета-частиц и/или дальности распространения гамма-излучений) может быть установлено два, три, шесть или другое количество вторых электродов в виде проволочек в один или несколько рядов.
Толщина проволочек (например, диаметр) может составлять несколько миллиметров или долей миллиметра, например, менее 3 мм, 2,5 мм, 2 мм, 1,5 мм, 1 мм, 0,5 мм, 0,1 мм и более нескольких микрон, например, 5 мкм, 10 мкм, 25 мкм, 50 мкм, 100 мкм.
Кроме того, может быть выполнено несколько ионизационных камер, образующих, в частности, отдельные объемы ионизационных камер, в каждой из которых (или около) может быть размещено по одному или несколько вторых (концентрирующих) электродов. Первые (электростатические) электроды, формирующие указанные ионизационные камеры, могут быть соединены между собой электрически, что позволяет использовать для подачи на всех них напряжения с постоянной составляющей с помощью одного модуля высокого напряжения, или же представлять собой полностью отдельные первые электроды, имеющие отдельные источники постоянного напряжения. Любой из вышеописанных вариантов позволяет как повысить площадь первого электрода (в т.ч. разделением на несколько), что повышает эффективность и чувствительность устройства, так и обеспечить условия эффективного сбора ионов, необходимые для реализации принципа работы ионизационной камеры, для всей или большей части площади первого электрода.
Вторые (концентрирующие) электроды благодаря потенциалу, необходимому для создания условий эффективного сбора ионов, будут притягивать ионы, образуемые альфа-частицами и/или бета-частицами и/или гамма-излучениями при пролете в таких условиях, и, соответственно, накапливать, т.е. изменять, заряд на вторых электродах в соответствии с характеристиками альфа-частицы и/или бета-частицы и/или гамма-излучения, что, в свою очередь, позволяет определять (детектировать) альфа-частицы и/или бета-частицы и/или гамма-излучения и их характеристики, и, в некоторых случаях, определять виды, состав, количество, соотношение радионуклидов, их породивших.
Для определения заряда и его изменения на вторых электродах с ними в предпочтительном варианте осуществления соединены усилители заряда, преобразующие величину заряда на входе в напряжение или ток на выходе, а изменение величины заряда на входе, соответственно, в изменение напряжения или тока на выходе. Усилители заряда могут быть выполнены в соответствии с известными из уровня техники конструктивными решениями, например, с использованием операционных усилителей с высокоомным входом.
Поскольку заряды, формируемые ионами, и их изменения обычно имеют малую величину, в преимущественном варианте усилители заряда могут располагаться рядом со вторыми (концентрирующими) электродами для обеспечения наилучшей помехозащищенности. В том случае, если вторые электроды установлены около первого электрода (электродов), образующих стенку ионизационной камеры, например, внутри ионизационной камеры, то усилители заряда также могут располагаться, например, также внутри ионизационной камеры или с другой стороны платы напротив ионизационной камеры (например, второго электрода).
Заряды/изменения зарядов вторых электродов преимущественно усиливаются отдельными усилителями заряда потому, что вычитание зарядов со вторых электродов друг из друга в прямом виде приведет к уменьшению величины выходного сигнала усилителя заряда, усиливающего разностный заряд, поскольку заряды будут собираться для вычитания на вычитающий модуль и при вычитании заряд будет распределяться по всему рабочему объему вычитающего модуля. Кроме того, при перетекании со вторых электродов в модуль усиления/вычитания заряд должен проходить по проводнику, на который будут наводиться помехи, поступающие затем на вход усилителя и, как следствие, усиливающиеся.
В то же время токи и/или напряжения на выходах усилителей заряда могут вычитаться друг из друга и/или обрабатываться по отдельности (например, усиливаться, фильтроваться, использоваться для определения альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений и т.п.) с дальнейшим вычитанием данных, при котором потери незначительны по сравнению с величинами самих токов/напряжений. При этом помехи на входе усилителей практически не наводятся, если усилители расположены рядом с электродами, с которых снимается заряд (например, вторыми), а помехи, наводимые на выходы усилителей, значительно уменьшаются или даже устраняются благодаря низкому выходному сопротивлению усилителей (в частности, операционных усилителей).
Необходимо учитывать, что описание работы устройства и датчика в терминах заряда и электрического напряжения (потенциала) взаимосвязаны, так как вторые электроды имеют определенные емкости и заряд может быть пересчитан в напряжение по формуле Q=CU, где Q - заряд, С - емкость, a U - напряжение. Напряжение представляет собой разность потенциалов, например, относительно какого либо объекта, который может быть одним и тем же для нескольких проводников. Электрический потенциал по своей сути может быть определен с точностью до постоянной составляющей, которая может изменяться в зависимости от объема системы, в которой происходит определение. Таким образом, при указании того или иного потенциала обычно подразумевается отличие этого потенциала от потенциала какого-то другого объекта, то есть по сути указывают напряжение относительно того объекта. Под сигналом подразумевается временная последовательность значений физической величины, такой как заряд, напряжение, потенциал (также может быть ток, который связан с напряжением через закон Ома). Таким образом, описание работы устройства и датчика в терминах напряжений, потенциалов и зарядов являются взаимозаменяемыми и могут варьироваться в целях удобства и понятности пояснения изобретения.
В соответствии с блок-схемой на фиг. 5, сигналы со вторых электродов 104 и 105, установленных около первого электрода 103, подаются в блок обработки 603, где сигнал с одного электрода вычитается из сигнала с другого электрода вычитающим модулем 106 (разность может быть усилена, если вычитающий модуль выполнен в виде дифференциального усилителя) и далее обрабатывается модулем обработки 631. Вычитающий модуль 106 может содержать усилитель заряда или высокоомный повторитель напряжения. В то же время в некоторых вариантах описания таких структур усилитель заряда может быть включен в состав ионизационной камеры, поскольку вторичные электроды выдают сигналы в виде заряда/изменения заряда (или, соответственно, напряжения), которые должны быть усилены. В связи с этим в некоторых подходах усилитель заряда может считаться необходимым для реализации функции ионизационной камеры и, следовательно, может считаться входящим в ее состав, хотя в целом он является отдельным от ионизационной камеры элементом.
В общем случае вычитающий модуль 106 предназначен для получения разности сигналов и ее усиления до того уровня, который необходим для эффективной обработки в модуле обработки 631. Он может быть выполнен с использованием различной элементной базы и разнообразных схемотехнических решений, известных из уровня техники, например, с использованием отдельных элементов, таких как транзисторы, интегральных элементов, таких как операционные усилители, или быть встроенным в модуль обработки (например, такой как процессор или контроллер). Усилитель может помимо указанного назначения может выполнять функции ограничения, фильтрации, инвертирования, преобразования формы сигнала и/или смены параметра электрического процесса, используемого в качестве носителя сигнала, т.е. по меньшей мере часть функций модуля обработки.
Модуль обработки 631 предназначен для обработки, преобразования сигналов и/или получения исходя из характеристик и параметров сигналов данных, например, о событиях детектирования альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений, частоты и интенсивности альфа-распадов и/или бета-распадов и/или гамма-излучений, радиоактивности радионуклидов, например, ДПР радона/торона и/или самого радона/торона, а также концентрации и/или объемной активности радионуклидов (могут определяться все эти показатели, один или некоторые из них в различных комбинациях). Полученные данные могут выводиться или передаваться во внешние устройства или элементы/компоненты. Термин данные, используемый здесь и далее, преимущественно обозначает данные, полученные в результате обработки сигнала датчика, в который входят ионизационная камера, составляемая первым (первыми) и вторыми электродами, и модуль вычитания.
Сигнал, поступающий от датчика, может требовать дополнительной обработки перед тем, как на его основе могут быть извлечены данные по альфа-частицам и/или бета-частицам и/или гамма-излучениям. Это связано с тем, что сигналы, соответствующие указанным частицам и/или излучениям, могут быть малы по величине и содержать шумы и помехи, которые могут присутствовать даже несмотря на значительное подавление микрофонного эффекта, помех и шумов внешнего характера, например, таких, как помехи, появляющиеся при включении в электрическую сеть (импульсные помехи, периодические помехи с различной частотой, шум, наводки и т.п.).
Первый электрод (электроды) ионизационной камеры (камер) ввиду подачи на него высокого постоянного напряжения обладает микрофонным эффектом. Это связано с тем, что первый электрод обладает большой поверхностью, необходимой для повышения эффективности (чувствительности) устройства, и, следовательно, хорошо воспринимает механические воздействия на него, в том числе звуковые колебания воздуха. Эти воздействия приводят к изменениям электрического поля в областях расположения вторых электродов, которые имеют достаточно большую величину ввиду высокого значения напряженности самого электрического поля, создаваемого первым электродом в целях повышения вероятности осаждения на него заряженных частиц из воздуха, в том числе ДПР радона и создания условий эффективного сбора ионов.
Высокая чувствительность устройства в соответствии с настоящим изобретением позволяет уменьшить площадь первого электрода и, благодаря этому, снизить микрофонный эффект, однако для его полного исключения преимущественно требуется дополнительная обработка сигнала в блоке обработки. Для этого могут использоваться вышеуказанные виды обработки, такие как фильтрация (полосовая, низкочастотная, высокочастотная и др.), корреляционная обработка и согласованная фильтрация и т.п.
Также возможен такой вид обработки, при котором в случае превышения звуковыми шумами, вызванными микрофонным эффектом, заданного порога устройство прекращает счет альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений до возврата звукового/вибрационного шума в сигнале датчика в допустимый диапазон (например, вследствие прекращения поступления звуковых механических колебаний на первый электрод). Это позволяет исключить учет ложных определений альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений, вызванных звуковыми/механическими помехами.
Поскольку на первый электрод подается электрическое напряжение с постоянной составляющей относительно одного или нескольких соединительных электродов, эти помехи и шумы частично воспроизводятся в электрическом поле, создаваемом первым электродом. Электрическое поле воздействует на вторые электроды и, следовательно, в сигналах со вторых электродов будет шумовая и помеховая составляющая, имеющая свое происхождение из электрической сети. При подаче на первый электрод высокого напряжения, формируемого, например, путем умножения сетевого напряжения, помехи и шумы, присутствующие в сети также будут усиливаться и, как следствие, будут иметь значительную амплитуду.
Снижение этой помеховой и шумовой составляющей возможно несколькими способами (techniques). В соответствии с настоящим изобретением подавление этих помех в значительной степени осуществляется одновременно с подавлением микрофонного эффекта. При вычитании сигналов со вторых электродов друг из друга (то есть одного сигнала из другого) взаимоисключаются (вычитаются друг из друга, подавляются, взаимоуничтожаются) одинаковые синфазные составляющие/компоненты, имеющиеся в этих сигналах. Так как помехи на первом электроде (электродах) одинаковы с точки зрения вторых электродов, а наведение помех с первого электрода (электродов) на вторые электроды осуществляется одинаковым образом (а если не одинаковым, то корректирующие элементы вычитающего модуля делают их одинаковыми для достижения максимального подавления помех и шумов), то из помех и шумов, источником которых является электрическая сеть, на одном втором электроде вычитаются точно такие же помехи и шумы на другом втором электроде и, таким образом, они взаимовычитаются.
Однако любые элементы/компоненты имеют неидеальные характеристики, а для элементов/компонентов, имеющих одинаковое функциональное назначение, таких как, например, вторые электроды или первые электроды, если их два или более, характеристики и свойства могут различаться от одного экземпляра к другому. Кроме того, их размещение в устройстве (датчике) также может иметь некоторые различия. Все это может привести к тому, что даже при использовании способа подавления помех и шумов в соответствии с настоящим изобретением в устройстве или датчике могут наблюдаться остаточные шумы и помехи. Для их устранения могут использоваться дополнительные способы подавления.
Согласно одному из способов возможно уменьшать уровень помех и шумов, попадающих на первый электрод (электроды), например, из сети. Для этого может использоваться фильтрация, например, полосовая, низкочастотная и т.п. Фильтрующие элементы/компоненты, такие как RC-цепочки, емкости, индуктивности (дроссели), могут устанавливаться в блоке питания, в частности, в модуле высокого напряжения, например, в преобразователе напряжения, на его входе или выходе, перед входом блока питания или на его выходе, например, между блоком питания и первым электродом, или между соединительными электродами и блоком питания.
Таким образом удается уменьшить помехи и шумы на первом электроде, однако их полное подавление может оказаться невозможно и требует применения элементов/компонентов, которые увеличивают массу устройства, его размеры, а также стоимость. В связи с этим описанный способ уменьшения помех и шумов желателен для применения, но оправданный с экономической и конструктивной точек зрения уровень подавления шумов и помех обычно недостаточен для достоверного детектирования альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучения и определения характеристик радиоактивных излучений и радионуклидов. В то же время в совокупности со способом подавления помех и шумов в соответствии с настоящим изобретением с использованием вычитающего модуля этот дополнительный способ может оказаться достаточным для снижения помех и шумов до приемлемого уровня.
В то же время, даже после подавления настоящим изобретением внешних помех, в устройстве могут оставаться и формироваться внутренние шумы, связанные с работой электроники, и помехи, присущие ионизирующим частицам и/или излучениям, в том числе тем, которые появляются при их регистрации. Другим способом уменьшения как внешних, так и внутренних помех и шумов является фильтрация. Это может быть полосовая, низкочастотная, высокочастотная, согласованная и другие виды фильтрации. Подобная фильтрация может осуществляться перед или непосредственно в модуле вычитания перед подачей в модуль обработки, или же в самом модуле обработки, например, с помощью фильтрующих элементов/компонентов, таких как RC-цепочки, емкости, индуктивности (дроссели) и т.п., или, например, с помощью цифровой фильтрации.
Поскольку сигналы, выдаваемые датчиком в результате появления альфа-частицы и/или бета-частицы и/или гамма-излучения и/или ионного трека, формируемого этими частицами и/или излучениями, обычно имеют достаточно характерные формы и другие свойственные характеристики, при обработке сигналов может применяться и преимущественно будет давать достаточно хорошие результаты корреляционная обработка и/или согласованная фильтрация, основанные на использовании формы сигнала. Эти виды обработки могут осуществляться как отдельными элементами/компонентами, например, в составе модуля обработки, так и цифровыми способами, например, в том случае, если модуль обработки содержит или представляет собой контроллер или процессор.
Обработка сигнала, использующая особенности формы сигнала, порождаемого альфа-частицей и/или бета-частицей и/или гамма-излучением и/или ионным треком, позволяет значительно снизить в сигнале те составляющие, которые имеют форму, отличающуюся от формы сигнала, вызываемого альфа-частицей и/или бета-частицей и/или гамма-излучением и/или ионным треком, в результате чего повышается вероятность детектирования альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений и/или различения этих частиц и/или излучений, так как в отфильтрованном сигнале по большей части остаются только составляющие, имеющие происхождение от альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений.
При наличии в устройстве нескольких датчиков, например, больше двух ионизационных камер или более двух вторых (измерительных, концентрирующих) электродов, а также более одного вычитающего модуля, возможна, в том числе, совместная обработка выходных сигналов вычитающих модулей, например, корреляционная. Выполнение совместной обработки возможно на разных этапах, например, на этапе фильтрации или выделения составляющих, вызванных альфа-частицами и/или бета-частицам и/или гамма-излучениям, в том числе за счет особенностей формы откликов устройства на указанные частицы и/или излучения, и/или после выполнения детектирования альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений путем сравнения фактов детектирования или определенных параметров для подтверждения их действительности.
Вышеуказанные способы обработки сигналов датчика позволяют снижать уровень не только тех помех и шумов, которые имеют свое происхождение в электрической сети, но и из других источников. Например, любое устройство, в т.ч. усилители, создают собственные шумы, которые также требуют подавления. Некоторые виды элементов/компонентов также склонны создавать характерные для них шумы и помехи, что также может быть использовано для подавления шумов и помех.
Вышеописанные виды обработки сигнала датчика (или нескольких датчиков) повышают достоверность детектирования альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений. В то же время они не обязательны для реализации устройства, если оно применяется в условиях, когда шумы и помехи минимальны или отсутствуют. Однако в обычных бытовых условиях такая обработка является желательной и, в некоторых случаях, необходимой. Описанные виды обработки не являются исчерпывающими и могут быть использованы и другие виды, известные из уровня техники или разработанные специально для настоящего устройства. Все эти виды обработки могут осуществляться как по отдельности, так и совместно в различных комбинациях, последовательно или параллельно.
Другим видом обработки, осуществляемым блоком обработки, в частности, модулем обработки, является непосредственно детектирование (определение) альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений. Оно осуществляется по сигналу, который может быть предварительно обработан или не обработан, с помощью известных из уровня техники способов. Например, детектирование альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений может осуществляться с помощью порогового метода, когда факт прохождения альфа-частицы и/или бета-частицы и/или гамма-излучения около (в области) датчика определяется по превышению сигналом или обработанных значений сигнала (например, корреляционной обработкой или согласованной фильтрацией) заданного порога.
Распространенным видом детектирования альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений является построение гистограмм по величине пиков в сигнале. Это позволяет определять энергетические характеристики альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений и/или вид радионуклидов, ставших источником указанных частиц и/или излучений. Пики и/или другие характерные признаки/параметры могут определяться как в обработанном сигнале, так и не обработанном.
Помимо указанных способов детектирования альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений могут использоваться и другие способы и методы, известные из уровня техники и/или разработанные вновь для настоящего устройства. Детектирование может осуществляться как по непосредственному сигналу датчика, так и по обработанному сигналу. Помимо и/или в дополнение к вышеперечисленным видам обработки сигнала для определения (детектирования) альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений могут использоваться также такие виды обработки сигнала, как интегрирование, дифференцирование, логарифмирование и другие, известные из уровня техники и/или разработанные вновь для настоящего устройства.
Данные, полученные в результате определения (детектирования) альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений, преимущественно представляют собой частоту (количество частиц/излучений в единицу времени) появления альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений около датчика и/или, например, в ионизационной камере и, в некоторых случаях, могут содержать данные о характеристиках альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений, таких как энергетические и т.п. Эти первичные данные об альфа-частицах и/или бета-частицах и/или гамма-излучениях позволяют получать дополнительные данные, характеризующие радионуклиды на/около первого электрода и/или датчика. В частности, в результате дополнительной обработки указанных первичных данных об альфа-частицах и/или бета-частиц и/или гамма-излучений могут быть получены оценки состава радионуклидов, их концентрации и/или активности, и другие. Далее, с учетом характеристик устройства по сбору радионуклидов из окружающего воздуха, может определятся объемная активность/концентрация радионуклидов.
Ввиду того, что радионуклиды в воздухе обычно включают в себя радон и/или ДПР радона, вышеуказанные характеристики радионуклидов могут отражать и/или содержать характеристики ДПР радона и/или самого радона. ДПР радона и/или радон могут выделяться из всех радионуклидов, например, по энергетическим характеристиками, по форме сигнала, частоте альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений или другими способами, в том числе с учетом условий окружающей среды и т.п. В обычных условиях в некотором приближении можно считать, что все или большая часть альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений были порождены ДПР радона, так как в обычных условия радионуклиды в воздухе в основном появляются вследствие распада радона. По определенной активности ДПР радона могут быть определены характеристики самого радона, например, его концентрация или объемная активность. Это может быть сделано различными способами, например, по составу ДПР радона или усредненной активности ДПР радона, поделенной на коэффициент, отражающий соотношение активности ДПР радона и самого радона.
Вышеуказанные и другие виды обработки могут осуществляться различными элементами, компонентами, модулями, блоками и устройствами, известными из уровня техники и/или вновь разработанными, в том числе для настоящего устройства. Они могут быть аналоговыми и/или цифровыми, выполнять каждый вид или шаг обработки по отдельности или в комбинации, т.е. быть раздельными или интегрированными, в том числе и в отношении комбинаций нескольких, но не всех видов и шагов обработки. В преимущественном варианте модуль обработки 631 представляет собой процессор или контроллер (или несколько штук) и может осуществлять описанные выше и другие виды обработки цифровым образом в соответствии программой/командами, которые могут храниться в памяти, являющейся отдельным от процессора или контроллера элементом или входящим в его состав. В некоторых случаях контроллер или процессор могут включать в себя не только модуль обработки, но и усилители и другие элементы.
В соответствии с фиг. 5 из модуля обработки 631 обработанные данные, преимущественно представляющие собой результат обработки сигнала датчика в блоке обработки, и/или сигнал датчика могут быть поданы в модуль связи 604, в котором они могут быть переданы, например, по радиосвязи через антенну 641. В других вариантах осуществления устройства модуль связи может осуществлять не радиосвязь, а передавать/обмениваться данными по проводным, оптическим и другим каналам связи, в том числе совместно или в дополнение к радиоканалу. В то же время в настоящее время передача/обмен данными посредством радиочастотного канала связи является недорогим, доступным и широко распространенным, что обеспечивает возможность использования устройства в соответствии с настоящим изобретением для широкого круга пользователей.
Модуль связи может представлять собой модуль сотовой связи, связи в соответствии со стандартами Bluetooth, Wi-Fi, NFC и другими, или любой другой допустимый модуль связи. Передача данных и/или сигнала датчика может осуществляться на сервер обработки данных или в базу данных, в терминал пользователя, такой как телефон, смартфон или любой другой. Передача данных и/или сигнала может осуществляться и проводным способом, если в устройстве предусмотрена такая возможность. Например, устройство может иметь разъем для соединения с внешним устройством, которым может быть телефон, смартфон или любое другое устройство. Разъем может быть соединен с модулем связи для такой передачи данных и/или сигнала связи. В одном из преимущественных вариантов разъем может представлять собой USB-разъем (как указано ранее, он может использоваться и для подачи питания). Данные и/или сигнал датчика могут передаваться в непосредственном виде или с усреднением за заданный период времени.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения модуль связи может быть выполнен с возможностью получения и/или передачи сигналов управления. Например, модуль связи может получать сигналы управления из внешних устройств, таких как терминал пользователя или сервер, и передавать их в блок обработки. Сигналы управления могут содержать команды, коды или программы, которые могут выполняться модулем обработки. Таким образом возможно установление или изменение параметров обработки сигнала датчика или обработанных данных. Кроме того, блок обработки может управлять индикатором и/или блоком питания в соответствии с полученными сигналами управления.
В том случае, если устройство содержит дополнительные соединительные электроды, которые могут быть использованы для подключения к ним другого внешнего устройства и соединены через модуль управления выходным напряжением с соединительными электродами, предназначенными для включения в электрическую сеть, блок обработки может в некоторых случаях иметь возможность управления модулем управления выходным напряжением и тем самым подключать и отключать внешнее устройство. В том случае, если внешним устройством является вентилятор или кондиционер, устройство может автоматически приводить их в активное состояние с целью снижения уровня (концентрации, активности) радионуклидов, например, радона и/или его ДПР, при достижении им заданного порога и дезактивировать их при снижении уровня (концентрации, активности) радионуклидов, например, радона и/или его ДПР, до допустимого уровня. При осуществлении такого управления внешними устройствами могут учитываться не только данные о концентрации (активности) радона и/или его ДПР (или радионуклидов в целом), но и температура, влажность, давление воздуха и другие показатели среды.
В других вариантах модуль связи может получать сигналы управления из блока обработки и передавать их внешним устройствам. Например, модуль связи может передавать сигналы управления посредством инфракрасного или другого излучения в другие внешние устройства, например, такие как вентиляторы, кондиционеры и т.п. Это также обеспечивает возможность автоматического управления работой таких устройств с целью поддержания уровня (концентрации, активности) радона и/или его ДПР (или радионуклидов в целом) в заданных пределах аналогично вышеописанному варианту за исключением того, что их проводное соединение с устройством в соответствии с настоящим изобретением не обязательно.
В одном из преимущественных вариантов реализации устройства модуль связи содержит источник инфракрасного излучения, такой как, например, излучающий ИК диод, то есть диод, излучающий в инфракрасном диапазоне (в некоторых вариантах модуль связи может представлять собой излучающий ИК диод). Благодаря тому, что передача сигналов управления по инфракрасному каналу весьма распространена, наличие такой возможности в настоящем устройстве обеспечивает возможность управления различными устройствами без установления соединения и, в некоторых случаях, даже без установки настроек, обеспечивающих такое управление.
Например, через излучающий ИК диод устройство может передавать сигналы управления в соответствии с одним, несколькими или всеми доступными стандартами сигналов управления, а устройства, до которых может дойти инфракрасное излучение, могут его воспринимать с помощью датчиков инфракрасного излучения (например, ИК фотодиод) и выполнять действия и/или команды, заданные сигналами управления. Благодаря этому устройство в соответствии с настоящим изобретением может управлять работой таких устройств, как, например, вентиляторы, кондиционеры, климат-контроль, системы поддержания климатических условий в помещениях так, чтобы изменять содержание радионуклидов, например, радона и его ДПР, в воздухе путем притока и/или вытяжки воздуха. Это обеспечивает возможность автоматического поддержания безопасных условий в помещении.
Дополнительным преимуществом настоящего изобретения является то, что излучающий ИК диод может иметь большую мощность и, следовательно, излучать мощный поток инфракрасного излучения. Поскольку инфракрасное излучение обычно хорошо переотражается, нет необходимости направлять ИК диод на датчик инфракрасного излучения в управляемом устройстве. Это обеспечивает большую свободу в установке устройства в соответствии с настоящим изобретением, что может быть необходимым, так как розетки электрической сети могут находиться в местах, где отсутствует возможность прямой передачи инфракрасного излучения из источника в приемник.
Излучающий ИК диод, как источник, не имеет ограничений на мощность благодаря тому, что настоящее устройство подключено к электрической сети и отсутствуют ограничения на потребляемую мощность, характерные для устройств с автономным (то есть, не подключенным к электрической сети, например, батарейным) питанием в связи с малым запасом энергии автономного источника питания и необходимостью обеспечения длительного срока службы. Таким образом, отличительное свойство настоящего изобретения - необходимость подключения к электрической сети - обеспечивает возможность не только осуществления эффективного и чувствительного устройства, собирающего из воздуха радионуклиды, в том числе ДПР радона, и определяющего активность (концентрацию) радионуклидов в воздухе (в том числе, например, и радона), но также и возможность применения излучающего ИК диода большой мощности, обеспечивающего возможность управления устройствами посредством инфракрасного излучения практически из любого расположения устройства.
В некоторых вариантах блок обработки может управлять внешними устройствами в соответствии с получаемыми сигналами управления, чем обеспечивается дистанционное управление подключением внешнего устройства к сети через устройство в соответствии с настоящим изобретением. Кроме того, в частных вариантах модуль связи может получать сигналы управления из одних внешних устройств и передавать их другим внешним устройствам. Это может обеспечивать дистанционное управление и обмен или передачу данных, например, с целью мониторинга обстановки и/или сохранения заданных условий, например, окружающей обстановки.
Необходимо отметить, что передача сигналов управления с помощью источника инфракрасного излучения, например, такого как ИК диод, может осуществляться не только в устройстве в соответствии с настоящим изобретением, но и в любых других устройствах определения содержания радионуклидов в воздухе, в том числе в устройствах определения содержания радона/торона, а также в любых других устройствах, соединенных с электрической сетью. При этом могут быть реализованы любые вышеописанные варианты управления, в том числе описанные варианты с помощью источниками инфракрасного излучения (в т.ч. ИК диодами), и все обеспечиваемые ими вышеописанные преимущества.
В соответствии с фиг. 5 из модуля обработки 631 обработанные данные, преимущественно представляющие собой результат обработки сигнала датчика в блоке обработки, и/или сигнал датчика могут направляться в индикатор 605, который может отображать уровень сигнала, события регистрации альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений и/или характеристики, полученные при обработке сигнала в модуле обработки 631. Индикатор может представлять собой одиночный элемент, линейку или матрицу элементов, которые могут испускать свет или изменять характеристики отражения или пропускания света. Например, это могут быть светодиодные, жидкокристаллические и любые другие элементы, позволяющие наглядно отображать данные или сигнал. Индикатор может визуальным (световым) образом отображать факты определения (регистрации, детектирования) альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений и/или скорость регистрации (детектирования) альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений в единицу времени и/или концентрацию (активность) радионуклидов (например, радона и/или его ДПР) в окружающем воздухе. Кроме того, индикатор может содержать звуковой элемент, выполненный с возможность подачи звуковых сигналов для звукового отображения фактов регистрации альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений, частоты или интенсивности радиационных излучений, опасных уровней концентрации или активности радионуклидов, радона, радиации и т.п.
Световой индикатор в некоторых случаях может содержать элементы, предназначенные для отображения букв, цифр и других символов. В общем случае отдельные элементы индикатора могут представлять собой точечные элементы (круглые, квадратные и других форм элементы небольшого размера), которые могут отображать буквы, цифры и другие символы, будучи собранными в матрицы.
Помимо отображения данных индикатор в некоторых случаях может передавать сигналы управления. Это возможно в тех случаях, когда отображающие и/или озвучивающие элементы могут отображать и/или озвучивать сигналы управления в том виде, который необходим для получения этих сигналов приемными устройствами. Например, помимо отображения данных в видимом световом диапазоне индикатор (или его отдельные элементы) может обладать возможностью излучения в инфракрасном диапазоне, который традиционно используется для передачи сигналов управления. Такое выполнение индикатора может устранить необходимость в дополнительном модуле связи и тем самым уменьшить размеры и массу устройства.
Помимо передачи или отображения данных или сигнала датчика в некоторых вариантах осуществления устройства данные и/или сигнал датчика могут сохраняться в памяти устройства. Память устройства может быть установленной в устройства на постоянной основе или быть съемной, например, представлять собой карту памяти или флэш-накопитель. Для подключения съемных носителей информации устройство может быть снабжено соответствующими разъемами, например, USB-разъемом или разъемами карт памяти, таких как SD, CF, ММС и другие любого формата/размера.
Выше описано множество вариантов действий, которые могут осуществляться с данными, полученными в результате обработки сигнала датчика, самим сигналом: сигнал или данные могут сохраняться в карту память, передаваться для отображения в индикатор, передаваться в другие устройства через модуль связи или электрический разъем. Однако необходимо отметить, что передача данных, полученных в ходе обработки сигнала, или самого сигнала датчика, из блока обработки не является обязательной для реализации настоящего изобретения, так как эти данные или сигнал могут сохраняться в памяти блока обработки и извлекаться из него в том числе и в тех случаях, когда блок обработки выключен или находится в неактивном состоянии, то есть формально без передачи данных или сигнала блоком обработки. Кроме того, блок обработки может передавать сигналы управления, основанные на результатах обработки сигнала или данных, а не сами данные или сигнал.
При этом необходимо заметить, что блок обработки предпочтительно все-таки осуществляет передачу данных, полученных в результате обработки сигнала, и/или сигнала датчика. Следует отметить, что кроме передачи данных и/или сигнала датчика и/или сигнала управления из блока обработки в конкретные устройства или системы такая передачи может осуществляться и без конкретного получающего устройства или вообще без получающего устройства, поскольку может оказаться неизвестно, в какой обстановке передает данные или сигналы устройство. Например, сигналы управления или данные могут передаваться на электрический разъем, через инфракрасный излучатель или модуль радиосвязи независимо от того, есть или нет получатель передаваемого сигнала. Это может быть удобно в тех случаях, когда не предусмотрена или отсутствует возможность установления канал связи с обратной связью.
Передача, отображение и/или сохранение данных и/или сигнала могут осуществлять по отдельности (например, одно из этих действий) или совместно в различных комбинациях. Данные из блока обработки и/или сигнала датчика (непосредственно из датчика или через блок обработки) могут передаваться и/или отображаться и/или сохраняться в непосредственном виде или с усреднением за заданный период времени (например, 1, 5, 10, 15, 30 минут, 1, 2, 3, 4, 6, 12 часов, одни или несколько суток, неделя или более). Усреднение позволяет снизить объемы передаваемой информации.
Для обеспечения работоспособности блока обработки 603 и входящих в его состав вычитающего модуля 106 и модуля обработки 631, модуля передачи 604 и индикатора 605 блок питания 602 преимущественно содержит модуль низкого напряжения 622. Модуль низкого напряжения выполнен с возможностью подачи в соответствующие блоки и модули электрического напряжения питания, меньшего, чем электрическое напряжение между соединительными электродами соединительного элемента. Указанные модули и блоки обычно требуют постоянного или импульсного питания постоянной полярности, причем могут быть необходимы несколько напряжений питания и/или разных знаков.
Модуль низкого напряжения преимущественно представляет собой выпрямитель переменного напряжения со стабилизатором его величины. В то же время выпрямитель и/или стабилизатор напряжения могут входить в состав блока обработки, его модулей или компонентов, а также в состав модуля связи и/или индикатора, в связи с чем в некоторых вариантах модуль низкого напряжения может осуществлять лишь понижение входного напряжения. Модуль низкого напряжения может быть соединен с соединительными электродами и получать входное напряжение из электрической сети. В других вариантах модуль низкого напряжения может получать входное напряжение из модуля высокого напряжения.
В некоторых вариантах осуществления устройства модуль низкого напряжения может отсутствовать в том случае, если питание блока обработки, модуля связи и/или индикатора осуществляется от автономных источников питания, таких как электрические элементы (в т.ч. гальванические, электрохимические, световые, тепловые, электромеханические и другие), батареи, аккумуляторы и т.п.
В связи с этим модуль низкого напряжения питания не является обязательным элементом для реализации настоящего изобретения, поскольку блок обработки, модуль связи, индикатор и/или другие низковольтные элементы/компоненты устройства могут выполнять свои функции без него, например, как описано выше, за счет питания от автономных источников питания. В то же время наличие модуля низкого напряжения в блоке питания (или, другими словами, обеспечение питания для блока обработки, модуля связи, индикатора и/или других низковольтных элементов/компонентов устройства блоком питания) устраняет необходимость замены автономных источников питания.
При этом необходимо отметить, что блок питания выполняет свои функции преимущественно только при подключении к электрической сети. Устройство может в некоторых вариантах осуществления содержать перезаряжаемые источники автономного питания, такие как, например, аккумуляторы, ионисторы и т.п., которые могут обеспечивать функционирование устройства или его части без подключения к сети, однако они необходимы лишь для обеспечения выполнения некоторых функций в отключенном от сети состоянии, таких как сохранение данных, установленного времени и т.п. Основное преимущественно настоящего изобретения, заключающееся в том, что электрический потенциал на первом электроде имеет постоянную составляющую относительно окружающих объектов, в том числе электрической сети, земли, стен (часто выполненных железобетонными и заземленными), обеспечивается при подключении к электрической сети.
На фиг. 6 показана монтажная плата с компонентами устройства, близкого к устройству, блок-схема которого показана на фиг. 5. Все пояснения, данные по отношению к фиг. 5, могут относиться к фиг. 6, и наоборот. Монтажная плата, показанная на фиг. 6, может быть размещена в корпусе устройства, в то же время показанная плата может выполнять все функции устройства и в показанном виде, без корпуса, и представляет собой полноценное устройство, соответствующее настоящему изобретению.
Плата 101 представляет собой монтажную плату, которая может быть выполнена из диэлектрического материала, например, в виде печатной платы с фольгированными дорожками. Плата 101 предназначена, с одной стороны, для закрепления на ней и электрического соединения соответствующим образом элементов/компонентов устройства, а с другой стороны, для закрепления в корпусе или на других объектах.
На плате 101 размещены два соединительных электрода 701, образующие соединительный элемент, в виде плашечных зажимов (groove clamps), в которые можно ввести и закрепить, например, провода, которые, в свою очередь, могут соединяться с вилкой штепсельного разъема для включения в электрическую сеть или являться проводами электрической сети сами по себе. В качестве электродов 701 могут использоваться другие виды зажимов, разъемов и соединителей, а также контактные площадки, оконцеватели проводов или непосредственно оголенные провода.
На монтажной плате 101 на фиг. 6 около соединительных электродов 701 расположен блок питания 602, электрически соединенный с соединительными электродами 701. При подключении устройства к электрической сети с помощью соединительных электродов электрическое напряжение через соединительные электроды 701 поступает в блок питания 602. Блок питания 602 состоит из двух модулей, один из которых является модулем высокого напряжения 621, а другой модулем низкого напряжения 622.
Модуль высокого напряжения 621 соединен с соединительными электродами 701 и через них при подключении устройства к электрической сети в модуль 621 поступает электрическое напряжение. Модуль высокого напряжения 621 преобразует поступившее электрическое напряжение в постоянное электрическое напряжение или электрическое напряжение с постоянной (во времени) составляющей. Полученное электрическое напряжение с постоянной составляющей (постоянное напряжение является его частным случаем, когда имеется только постоянная составляющая, а переменные составляющие отсутствуют) из модуля высокого напряжения 621 подается на первый (электростатический) электрод 103.
Наличие постоянной составляющей в напряжении между первым электродом и одним или несколькими соединительными электродами и, преимущественно, ее величину можно определить несколькими способами. Формула средней величины напряжения, соответствующей постоянной составляющей, выглядит следующим образом:
c
где U - среднее значение (постоянная составляющая) напряжения; Т - период времени, в течение которого осуществляется измерение (для периодических процессов - период повтора); u(t) - зависимость напряжения от времени. Численное интегрирование, позволяющее получить среднее напряжение в соответствии с приведенной формулой, возможно выполнить путем суммирования отсчетов аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с делением на количество просуммированных отсчетов (что соответствует периоду измерения, т.к. отсчеты берутся через определенные интервалы времени).
Интегрирование возможно выполнить и с помощью электронных компонентов, объединенных в интегрирующие цепочки, известные из уровня техники. Например, для этого может использоваться RC-цепочка с постоянной времени, подобранной для снижения или устранения влияния периодического процесса на результат измерения. Результат на выходе такой интегрирующей цепи может быть измерен и использован для определения величины постоянной составляющей.
Интегрирующие цепочки представляют собой один из видов фильтров низкой частоты. Для определения постоянной составляющей могут быть использованы и другие фильтры низкой частоты, известные из уровня техники аналогичным образом. Кроме того, могут использоваться анализаторы спектра напряжения, которые в качестве одной из составляющих спектра выдают величину постоянной составляющей.
Постоянную составляющую напряжения возможно измерить непосредственно вольтметром постоянного напряжения в том случае, если напряжение между первым электродом и одним из соединительных электродов постоянно (возможно с некоторой пульсирующей составляющей). Выполнение этого условия зависит от того, относительного какого соединительного электрода осуществляется измерение напряжения.
Электрические сети, с которыми должны соединяться устройства в соответствии с настоящим изобретением (предпочтительно бытовые сети, выполненные в домах, офисах и других подобных помещениях), передают для бытовых потребителей преимущественно переменное напряжение на фазных проводах относительно нулевого провода или заземленного провода. При измерении напряжения между первым электродом, на котором создан постоянный электрический потенциал, и нулевым (нейтральным) или заземленным проводом периодических колебаний напряжения не будет или они будут малы. Однако при измерении напряжения между первым электродом и фазным проводом периодические колебания напряжения, передаваемые фазным проводом относительно нулевого или заземленного провода, будут вносить в измеряемое напряжение переменную составляющую, влияние которой на результат измерений зависит от соотношения измеряемого постоянного напряжения и амплитуды периодических колебаний напряжения, а также, возможно, от способа измерения.
Помимо постоянной составляющей напряжение на первом электроде может иметь и переменную составляющую, т.е. на первый электрод может быть подано не только постоянное напряжение, но и другие виды напряжений, представляющие собой комбинацию постоянной и переменной составляющих, например, это может быть пульсирующее напряжение и т.п. Переменная составляющая может наблюдаться в напряжении на первом электроде относительно одного соединительного электрода (например, соединяемого с фазным проводом или нулевым или нейтральным или заземленным проводником) или относительно нескольких соединительных электродов при соединении их с электрической сетью.
В том случае, если модуль высокого напряжения формирует постоянное напряжение на первом электроде относительно нулевого (нейтрального) и/или заземленного провода, относительно фазного провода на первом электроде будет присутствовать переменная составляющая, поскольку фазный провод сам по себе переносит переменное напряжение. И наоборот, если модуль высокого напряжения формирует постоянное напряжение на первом электроде относительно напряжения фазного провода, то это напряжение на первом электроде будет содержать относительно нулевого и/или заземленного провода переменную составляющую напряжения, соответствующую переменному фазному напряжению. Если же переменная составляющая напряжения на первом электроде не соответствует фазному напряжению, то переменные составляющие (в общем случае не совпадающие) напряжения на первом электроде будут наблюдаться как относительно фазного провода, так и относительно нулевого и/или заземленного провода.
При подаче на первый электрод электрического напряжения с постоянной составляющей относительно по меньшей мере одного из соединительных электродов при подключении устройства к сети, в пространстве около первого электрода, а также в пространстве между первым (электростатическим) электродом и проводами электрической сети устанавливается электрическое поле с постоянной составляющей, соответствующей постоянной составляющей напряжения на первом электроде относительно одного или более проводов (или других проводников, передающих ток и напряжение) электрической сети. Поскольку напряжение представляет собой разность потенциалов, то это означает, что первый электрод приобрел электрический потенциал с постоянной составляющей (или, в частном случае, постоянный электрический потенциал) относительно одного или более проводов электрической сети.
Величина постоянной составляющей напряжения (по абсолютному значению) на первом электроде относительно одного или нескольких соединительных электродов преимущественно больше (по абсолютному значению) действующего значения или амплитуды переменной составляющей и/или постоянной составляющей (также по абсолютному значению) напряжения между соединительными электродами. В целях определения использования настоящего изобретения учитывается напряжение между каждыми соединительными электродами, если их больше двух. То есть, постоянная составляющая напряжения (ее абсолютное значение) на первом электроде относительного одного или нескольких соединительных электродов должна сравниваться с действующей величиной или амплитудой переменной и/или постоянной составляющей (ее абсолютным значением) напряжения между соединительными электродами, которые могут подключаться к проводам электрической сети. В частности, для сравнения может браться напряжения между фазным и нулевым проводами, фазным и заземленным проводами, нулевым и заземленным проводами, если между ними есть напряжение.
В предпочтительном варианте напряжение на первом электроде относительно определенного соединительного электрода сравнивается с напряжением между этим же определенным соединительным электродом и другим соединительным электродом. В то же время может учитываться напряжение и между соединительными электродами, отличающимися от указанного определенного соединительного электрода, если их больше двух. Выбор соединительных электродов для определения напряжения между ними и соединительного электрода для определения относительно него напряжения на первом электроде зависит от методики, которая должна формироваться исходя из разумных исходных предпосылок. Напряжение на первом электроде относительно нескольких соединительных электродов может определяться в тех случаях, когда постоянные составляющие потенциалов этих электродов одинаковы, или когда осуществляется перебор всех вариантов измерений для определения наличия указанного признака для каждого соединительного электрода.
Напряжение в зависимости от подключения измерительного прибора может иметь положительный или отрицательный знак. Указанные в настоящем описании величины напряжений и их составляющих, а также их соотношения преимущественно относятся к величине напряжения безотносительно его знака, то есть к величине напряжения по модулю (абсолютному значению). Таким образом, если указано, что постоянная составляющая напряжения между первым электродом и одним или несколькими соединительными электродами больше напряжения (переменной и/или постоянной составляющих) между соединительными электродами, то это означает, что постоянная составляющая напряжения на первом электроде может быть больше численного значения напряжения между соединительными электродами, если напряжения берутся со знаком «+», или меньше численного значения напряжения между соединительными электродами, если напряжения берутся со знаком «-».
Другими словами, постоянная составляющая потенциала первого электрода может быть больше постоянной составляющей потенциала одного или нескольких соединительных электродов на величину, превышающую численное значение напряжения (переменной и/или постоянной составляющих) между соединительными электродами, если напряжения берутся со знаком «+», или меньше постоянной составляющей потенциала одного или нескольких соединительных электродов на величину, превышающую численное (абсолютное) значение напряжения (переменной и/или постоянной составляющих) между соединительными электродами, если напряжения берутся со знаком «-».
Таким образом, на первый электрод возможна подача напряжения как с положительной постоянной составляющей, так и с отрицательной. В предпочтительном варианте постоянная составляющая имеет отрицательный знак, для обеспечения эффективного осаждения заряженных частиц, взвешенных в воздухе. В том случае, если на первый электрод подано напряжение с отрицательной постоянной составляющей, то на него происходит осаждение ДПР радона (и, возможно, других радионуклидов), поскольку образование ДПР происходит в основном в виде ионов, образовавшиеся ионы имеют положительный заряд и притягиваются к первому электроду с отрицательной постоянной составляющей электрического напряжения. В результате накопления ДПР получаемые показания становятся кумулятивными, поскольку датчик будет в основном определять альфа-частицы и/или бета-частицы и/или гамма-излучения, испускаемые радионуклидами, осевшими на первом (электростатическом) электроде.
Кумулятивные показания имеют преимущество перед некумулятивными в том, что они больше по величине, а значит устройство является более чувствительным, т.к. могут быть накоплены радионуклиды при их низкой концентрации в воздухе и благодаря этому получена оценка их концентрации, которую невозможно получить другими способами. Кроме того, устройство с определением содержания радионуклидов по накопленным радионуклидам, осевшим на первом (электростатическом) электроде, обеспечивает получение более точных данных.
Если же на первый электрод подано напряжение с положительной постоянной составляющей, то ДПР радона (и, возможно, других радионуклидов) отталкиваются от первого электрода, поскольку, как отмечено ранее, они также имеют положительный заряд, и в результате датчик может в основном определять только альфа-частицы и/или бета-частицы и/или гамма-излучения, испускаемые отрицательно заряженными ДПР радионуклидов или радионуклидами, не имеющими заряда (например, радона). Такие радионуклиды могут быть как осевшими на первом электроде, так и находящимися около первого электрода (например, внутри электрической камеры) после того, как поток частиц пыли и других микрочастиц увлек или перенес их к первому электроду. Определение содержания радионуклидов в воздухе без накопления (некумулятивные показания) имеют преимущество в скорости получения показаний, т.к. не требуется время для накопления радионуклидов и получаемые данные относятся непосредственно к текущему моменту.
В то же время необходимо отметить, что помимо радона/торона в воздухе могут находиться и другие радионуклиды, которые могут осаждаться на частицы пыли или другие микрочастицы и/или образовывать с ними химические и другие виды связей. Поскольку заряд, приобретаемый частицами пыли или другими микрочастицами может быть как положительный, так и отрицательный, то и привлекаться к первому электроду и осаждаться на нем радионуклиды могут при любом знаке напряжения, поданного на первый электрод. То есть при отрицательном потенциале на первом электроде могут быть радионуклиды, не осевшие на этот электрод, а при положительном потенциале на первом электроде могут быть радионуклиды, осевшие на этот электрод.
Необходимо отметить, что даже радионуклиды, имеющие электрический заряд, знак которого совпадает со знаком потенциала первого электрода, могут оседать на этот электрод или притягиваться к нему посредством создаваемого первым (электростатическим) электродом электрического (электростатического) поля в том случае, когда они осели на частицы пыли или другие микрочастицы, имеющие противоположный по знаку электрический заряд, превышающий по величине заряд радионуклида (предпочтительно в два и более раз).
Другими словами, датчик, установленный около первого электрода (на расстоянии не более длины пробега детектируемых альфа-частиц и/или бета-частиц и/или расстояния, на котором возможна эффективная регистрация гамма-излучений), может детектировать альфа-частицы и/или бета-частицы и/или гамма-излучения, испускаемые радионуклидами, которые оказались на первом электроде и/или около первого электрода независимо от знака электрического потенциала, установленного на первом электроде (зависящего от полярности напряжения, приложенного к нему).
Также необходимо отметить, что возможность попадания радионуклидов из воздуха около устройства на первый электрод кроме возможности испускания альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений радионуклидами на первом электроде (например, осевшими на него) также подразумевает возможность испускания альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений радионуклидами около первого электрода, которые не успели осесть на этот электрод или не могу этого сделать в силу своей электронейтральности, или, например, если они сами являются продуктом радиоактивного распада радионуклидов, находившихся на первом электроде или около него.
Наличие постоянной составляющей напряжения на первом электроде относительно одного или нескольких соединительных электродов, соединяемых с электрической сетью, имеет высокое значение по следующим причинам. Провода или проводники электрической сети обычно распределены в пространстве (например, в стенах помещения) и имеют постоянную составляющую электрического потенциала, близкую к потенциалу земли (здания, помещения), так как наличие постоянного напряжения между фазным проводом и землей (нулевым проводом, нейтралью), а также между нулевым проводом (нейтралью) и землей представляет собой неисправность сети, которую обычно стремятся устранить, а нулевой провод по нормативным требованиям преимущественно необходимо заземлять.
В случае электрической сети, передающей постоянное напряжение, все описание, сделанное выше относительно электрических сетей с переменным напряжением, также верно за исключением того, что электрические сети с постоянным напряжением менее распространены, переменная составляющая напряжения на проводниках в них отсутствует или мала (много меньше постоянной составляющей), а ее проводники образуют протяженный (и иногда распределенный в пространстве) электрический диполь или конденсатор. Электрическое поле диполя быстро убывает в зависимости от расстояния, а средний потенциал, представляющий собой арифметическое среднее потенциалов проводников, может соответствовать потенциалу окружающей среды, например, при разнополярных потенциалах в проводниках, или отличаться от него на величину не более половины величины напряжения между проводниками. В последнем случае потенциал окружающей среды может постепенно изменяться в сторону среднего потенциала такой электрической сети.
Это значит, что подачей на первый электрод постоянного напряжения (или постоянной составляющий напряжения) относительно проводов электрической сети как переменного, так и постоянного напряжения, осуществляется придание первому электроду электрического потенциала, отличающегося от потенциала не только проводов электрической сети, но и всего окружающего пространства. Благодаря этому электрическое поле, создаваемое первым электродов, формируется в основном снаружи первого электрода, что соответствует созданию уединенного заряда (без образующего диполь заряда другой величины или с другим знаком, расположенного рядом с первым электродом в пределах устройства). Уединенный заряд формируется за счет создания на первом электроде избытка электронов (формируется отрицательный заряд) или недостатка электронов (формируется положительный заряд).
Благодаря уединенности относительно окружающей среды (например, стен и других элементов помещений) электрического заряда на первом электроде, формирующего электрическое поле в основном в окружающем пространстве снаружи себя, потенциал указанного электрического поля убывает обратно пропорционально расстоянию от электрода (в первой степени), а сила Кулона, действующая на заряды вокруг первого электрода, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от электрода (т.е. во второй степени).
Это выгодно отличает настоящее изобретение от уровня техники, в котором обычно используются дипольные электрические камеры, т.е. содержащие положительный и отрицательный электрод, между которыми прикладывается высокое напряжение, что приводит к формированию такого электрического поля, потенциал которого на расстояниях больше расстояния между электродами убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от камеры (т.е. во второй степени), а сила Кулона, действующая на заряды вокруг таких электрических камер, убывает обратно пропорционально кубу расстояния от камеры (т.е. в третьей степени).
Так как воздух неизбежно содержит взвешенные микрочастицы, представляющие собой, в том числе, пыль, то при установлении в пространстве между первым электродом и проводами электрической сети электрического поля с постоянной составляющей пыль начнет притягиваться к первому электроду, поскольку она легко электризуется при трении о воздух или благодаря другими механизмами и, значит, приобретает электрический заряд, на который в электрическом поле действует сила, перемещающая заряженные частицы, в т.ч. и пыль. Поскольку на пыль, вследствие ее электризации, также осаждаются радионуклиды (в том числе ДПР радона), это означает, что при осаждении пыли на открытый для окружающего воздуха первый электрод вследствие наличия у нее электрического потенциала с постоянной составляющей вместе с пылью на электрод осаждаются и радионуклиды, ранее осевшие на частицы пыли. Кроме того, радионуклиды, в том числе ДПР радона, могут осаждаться на первый электрод и самостоятельно, без помощи пыли или других частиц.
Это означает, что для привлечения, захвата и осаждения (то есть сбора) радионуклидов (преимущественно вместе с пылью) из одного и того же объема окружающего пространства в соответствии с настоящим изобретением не требуются устройства или системы нагнетания или создания потока воздуха, такие как вентиляторы, насосы, кондиционеры и т.п. Кроме того, для сбора радионуклидов требуется первый электрод с размерами (площадью, объемом), меньшими по сравнению с устройствами в уровне техники (в частности, с размерами их диполей и/или воздушных камер), поскольку формируемое устройством в соответствии с настоящим изобретение электрическое поле убывает значительно в меньшей степени (медленнее) в зависимости от расстояния.
Это позволяет создать малогабаритное (компактное) устройство для определения содержания радионуклидов в окружающем воздухе, так как электрическое поле, создаваемое открытым электростатическим (первым) электродом, на который подано постоянное электрическое напряжение относительно электрической сети, а значит и окружающего пространства, эффективно захватывает и осаждает (собирает) радионуклиды, в том числе ДПР радона, на первом электроде из значительного объема окружающего пространства без использования насоса.
Кроме того, благодаря указанному свойству формируемого электрического поля в соответствии с настоящим изобретением значительно повышается эффективность устройства, поскольку даже минимальные размеры первого электрода, определяемые из других соображений, обеспечивают более высокую эффективность по осаждению пыли и сбору радионуклидов и значительно более высокую чувствительность в определении содержания и характеристик (частоты распада, концентрации, объемной активности) радионуклидов, в том числе радона и его ДПР, по сравнению с уровнем техники, так как на такой открытый первый электрод осаждаются радионуклиды из большего объема пространства (предпочтительно без отсеивания и фильтрации мелкоразмерных частиц пыли).
Объем пространства, из которого происходит захват и сбор радионуклидов (преимущественно вместе с пылью), определяется напряженностью электрического поля, которая в случае настоящего изобретения убывает в зависимости от расстояния в меньшей степени, чем для устройств из уровня техники, имеющих диполи. Это означает, что напряженность электрического поля, достаточная для перемещения пыли и радионуклидов на первый электрод, устройством в соответствии с изобретением формируется на большем расстоянии, чем устройствами из уровня техники при тех же напряжениях и/или размерах, и, значит, устройство в соответствии с настоящим изобретением захватывает пыль из большего объема окружающего пространства (воздуха). Таким образом, настоящее устройство более эффективно собирает радионуклиды из окружающего пространства, чем устройства из уровня техники.
Поскольку на первом электроде может быть не только постоянная составляющая электрического потенциала, но и переменная, формируемое первым (электростатическим) электродом электрическое поле может быть переменным. Кроме того, на одном или нескольких проводах электрической сети переменного напряжения имеется переменная составляющая напряжения большой величины. Это значит, что на заряженные частички, взвешенные в воздухе, в таких случаях будет действовать сила Кулона, переменная по величине.
В результате воздействия на заряженные частички в воздухе переменного электрического поля сила Кулона может быть периодически направлена как по направлению к первому электроду, так и обратно. Это может замедлять скорость осаждения заряженных частиц на первом электроде, поскольку часть энергии формируемого электрического поля будет затрачена на замедление заряженных частиц, которые электрическое поле сначала ускорило в одном направлении, а после смены направления электрического поля стало ускорять в другом направлении.
Для повышения скорости осаждения заряженных частиц на первом потенциале (повышения эффективности устройства) предпочтительно, чтобы постоянная составляющая напряжения на первом электроде относительно одного или нескольких соединительных электродов, характеризующая постоянную составляющую его потенциала, была больше амплитуды переменной составляющей напряжения, формирующей переменное электрическое поле и, соответственно, переменную по величине и направлению силу Кулона.
Поскольку основной вклад в переменное электрическое поле вносит переменное напряжение электрической сети, для обеспечения преимущественной однонаправленности силы Кулона необходимо, чтобы постоянная составляющая напряжения на первом электроде относительно одного или нескольких соединительных электродов была больше действующего (эффективного среднеквадратического) напряжения между соединительными электродами, что будет соответствовать, в частности, действующему напряжению между фазным и нулевым (нейтральным) проводами (или землей (заземленным проводом) вместо нулевого провода).
Величина среднеквадратического (оно же действующее, оно эффективное) значения напряжения определяется по следующей формуле:
rms
где U - среднеквадратическое (действующее, эффективное) напряжение; Т - период времени, в течение которого осуществляется измерение; u(t) - зависимость напряжения от времени. В соответствии с указанной формулой среднеквадратическое значение за заданный период времени Т (например, период колебаний сетевого напряжения промышленной частоты) можно получить для напряжения с любой зависимостью от времени. Например, для постоянного напряжения его среднеквадратическое значение будет равно ему самому же, а для синусоидального напряжения среднеквадратическое значение будет составлять примерно 0,707 от амплитуды синусоиды и т.д.
Действующее значение переменного напряжения численно соответствует значению постоянного напряжения, совершающего ту же самую работу над зарядом, что и переменное напряжение. Поскольку перемещение частиц, взвешенных в воздухе, является работой, производимой силой Кулона, прикладываемой к заряженным частицам электрическим полем, величина которого может быть охарактеризована электрическим напряжением, то сравнение действующих величин постоянной составляющей напряжения на первом электроде и переменного напряжения в электрической сети позволяет определить не только мгновенное направление перемещения заряженных частиц в воздухе, но и направление перемещения заряженных частиц за длительный временной интервал, преимущественно больше периода переменного напряжения.
Если постоянная составляющая напряжения (или действующее значение этого напряжения) на первом электроде больше действующего значения переменного напряжения в электрической сети, то даже несмотря на то, что в некоторые части периода результирующее электрическое поле может формировать силу Кулона, направляющую заряженные частицы определенного знака от первого электрода, в большую часть периода сила Кулона будет направлять заряженные частицы в сторону первого электрода. Направление движения заряженных части зависит от знака их заряда, однако, учитывая, что могут формироваться заряженные частицы обоих знаков, часть частиц будет двигаться в одном направлении, а часть в другом в зависимости от направления электрического поля - в случае настоящего изобретения речь идет о той части частиц, знак заряда которых заставляет их всегда или в большую часть времени двигаться в сторону первого электрода и осаждаться на нем.
Среднеквадратическое (действующее, эффективное) значение является самым распространенным показателем, характеризующим переменное напряжение в электрических сетях. Когда говорят просто о напряжении или силе тока в электрических сетях переменного напряжения, то по умолчанию обычно имеются в виду именно их среднеквадратичные значения. Кроме того, в среднеквадратичных значениях проградуированы индикаторы и отображающие элементы всех вольтметров и амперметров переменного тока.
Следовательно, для обеспечения работоспособности устройства в соответствии с настоящим изобретением и определения использования изобретения в качестве показателя, с которым сравнивается постоянная составляющая напряжения на первом электроде, возможно использовать действующее значение напряжения электрической сети, для подключения к которой предназначено устройство.
В преимущественном варианте осуществления изобретения постоянная составляющая электрического потенциала (напряжения относительно соединительных электродов) на первом электроде предусматривается большей, чем амплитуда переменного напряжения электрической сети. В таком случае на заряженные частицы в воздухе будет действовать сила Кулона, имеющая одно и то же направление в любой момент времени, хотя и различающаяся по величине в разные моменты времени. Амплитуда переменного напряжения преимущественно определяется по среднеквадратическому значению с учетом формы переменного напряжения (предпочтительно с исключением из учета пиков, выбросов, импульсов напряжения и т.п., поскольку они могут иметь весьма большое значение, но малую длительность, в связи с чем вносят относительно малый вклад в работу, выполняемую напряжением или электрическим полем, например, по перемещению заряженных частиц на первый электрод).
Это значит, что энергия электрического поля не будет тратиться на замедление частиц, она всегда будет тратиться на ускорение (перемещение) частиц в направлении первого электрода. Соответственно, эффективность и чувствительность такого устройства, осаждающего на первом электроде заряженные частицы с более высокой скоростью и, значит, в большем количестве, будет выше, чем, если бы постоянная составляющая напряжения была меньше амплитуды переменной составляющей напряжения.
Соответственно, для реализации более эффективного и чувствительного устройства модуль высокого напряжения должен представлять собой не только преобразователь переменного напряжения в постоянное, например, выпрямитель, но и повышающий преобразователь напряжения, поскольку при выпрямлении без дополнительного повышения напряжения постоянная составляющая выпрямленного напряжения будет меньше амплитуды выпрямляемого переменного напряжения и даже меньше действующего значения, в том числе в связи с потерями при выпрямлении (для синусоидального напряжения его средневыпрямленное значение напряжения составляет 0,9 от действующего). Тем не менее, простой выпрямитель также может применяться в качестве модуля высокого напряжения, поскольку осаждение заряженных частиц на первом электроде может происходить и в том случае, если постоянная составляющая напряжения меньше амплитуды переменной составляющей напряжения, хотя такое осаждение частиц и будет происходить медленнее, то есть с меньшей эффективностью.
Для обеспечения сбора заряженных частиц из окружающего воздуха при подключении устройства в соответствии с настоящим изобретением к электрической сети постоянного напряжения, постоянная составляющая напряжения на первом электроде относительно одного или нескольких соединительных электродов преимущественно должна превышать постоянную составляющую напряжения (или постоянное напряжение) между соединительными электродами (и проводами электрической сети). В этом случае даже если напряжения на первом электроде и соединительном электроде относительно другого первого электрода будут иметь один знак, потенциал первого электрода все равно будет отличаться как от потенциалов отдельных соединительных электродов, так и от их среднего потенциала (а значит совместно от отдельных и среднего потенциалов проводов электрической сети). Это значит, что на первом электроде будет представлять собой уединенный заряд и формировать электрическое поле, медленно убывающее в зависимости от расстояния и обеспечивающее эффективный сбор заряженных частиц и радионуклидов из окружающего воздуха на первый (электростатический) электрод.
Действующие значения напряжений в электрических сетях обычно составляют около 110 В, 127 В, 220 В, 250 В, 380 В (может быть и промышленное напряжение 690 В) - то есть менее 1000 В, преимущественно менее 500 В и даже менее 400 В. Таким образом, для реализации настоящего изобретения практически в любых бытовых условиях достаточно обеспечить постоянную составляющую с абсолютной величиной напряжения на первом электроде относительно одного или нескольких соединительных электродов не менее 500 В или 600 В или 700 В или 800 В или 900 В. Такая относительно небольшая величина постоянной составляющей обеспечивает большую безопасность устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Однако могут быть варианты, когда постоянная составляющая напряжения на первом электроде относительно одного или нескольких соединительных электродов предпочтительно имеет значение больше 1000 В или меньше -1000 В. При таких напряжениях обеспечиваются условия для более интенсивного осаждения заряженных частиц на первый электрод и, соответственно, обеспечивается повышенная чувствительность и эффективность устройства в соответствии с настоящим изобретением в определении активности/концентрации радионуклидов, в том числе радона и/или его ДПР.
Напряжение на первом электроде должно быть меньше напряжения, при котором возможен электрический пробой воздуха или элементов/компонентов устройства, коронный разряд или другие негативные явления, связанные с высокими напряжениями. Для целей настоящего изобретения верхний допустимый предел постоянной составляющей напряжения между первым электродом и одним или несколькими соединительными электродами возможно оценить в 3000 В по абсолютной величине. Таким образом, постоянная составляющая электрического напряжения на первом электроде относительно одного или нескольких соединительных электродов по абсолютной величине имеет значение не менее 300 В и не более 3000 В, или не менее 500 В и не более 2000 В, или предпочтительно не менее 1000 В и не более 1500 В.
После того, как радионуклиды (в т.ч. ДПР радона) осели на первом электроде, выполняющем роль ловушки, или попали в область около этого электрода, происходит их распад с выделением альфа-частиц, бета-частиц и/или гамма-излучений (или других излучений). Выделение альфа-частиц, бета-частиц и/или гамма-излучений может быть зарегистрировано с помощью вторых электродов, расположенных внутри первого электрода (электродов) (на фиг. 6 не показаны) и образующих совместно с ним ионизационную камеру (камеры) одного или более датчиков соответствующих частиц или излучений, первого электрода. Вторые электроды могут находиться в одном пространстве внутри первого электрода или быть разделены внутренней перегородкой, которая преимущественно электрически соединена с первым электродом. В таком варианте ионные треки, образовавшиеся в результате ионизации воздуха частицами и/или излучениями, в одной части ионизационной камеры, ограниченной первым электродом, не будут иметь возможности перейти в другую часть ионизационной камеры, так как перегородка будет их отталкивать также, как и стенка камеры, и тем самым будут иметь возможность попасть только на тот второй электрод, который находится в той части ионизационной камеры, в которой эти ионы образовались. При выполнении перегородки из несплошного материала (например, сетчатого, пористого или снабженного отверстиями) ионизирующие частицы и/или излучения будут иметь возможность перелетать из одной части ионизирующей камеры в другую, тогда как для ионных треков такая возможность отсутствует.
Вторые электроды выдают сигналы, отражающие попадание на них треков ионов, формируемых альфа-частицами при их пролете. Аналогичным образом вторые электроды могут быть использованы для регистрации бета-частиц и/или гамма-излучений. Сигналы со вторых электродов (на фиг. 6 не показаны), соответствующие частицам или излучениям, подаются в блок обработки 603, в котором происходит обработка сигнала в соответствии с настоящим изобретением согласно вышеописанным вариантам с регистрацией альфа-частиц и/или бета-частиц и/или гамма-излучений (определением факта их пролета/появления), указывающих на распад радионуклидов, и определение, при необходимости, ряда параметров, например, скорости распада радионуклидов и/или их концентрации/активности в окружающем воздухе (в том числе для радона и его ДПР).
Данные, определенные (зарегистрированные, продетектированные) блоком обработки 603, и/или сигнал из датчика могут быть переданы с помощью модуля связи 604 во внешнее устройство, например, индикатор. Кроме того, указанные данные и/или сигнал могут быть переданы в индикатор без использования модуля связи, например, напрямую или через другие элементы.
Для обеспечения работоспособности блока обработки 603 и, дополнительно, модуля связи 604 блок питания 602 преимущественно содержит модуль низкого напряжения 622. Модуль низкого напряжения электрически соединен с соединительными электродами и выполнен с возможностью преобразования напряжения, например, электрической сети в напряжение питания, необходимое для блока обработки (а также модуля связи и, возможно, индикатора). Модуль низкого напряжения соединен с блоком обработки и выполнен с возможностью подачи в блок обработки сформированного электрического напряжения питания.
На фиг. 7 показан общий вид устройства для определения (регистрации, детектирования) содержания радионуклидов в окружающем воздухе в корпусе в соответствии с одним из возможных вариантов осуществления изобретения. В показанном на фиг. 7 варианте осуществления изобретения устройство размещено в корпусе 801. Корпус преимущественно выполнен с использованием диэлектрического материала, например пластика или полимера, с целью обеспечения электрической защиты.
При размещении монтажной платы 101, представленной на фиг. 6, в корпусе 801, показанном на фиг. 7, соединительные электроды 701 монтажной платы 101 могут быть соединены с соединительными электродами 611 вилки 601 с помощью проводников. Это, однако, является частным вариантом реализации устройства, поскольку для реализации устройства не обязательно использовать монтажную плату, представленную на фиг. 6, и, в свою очередь, не обязательно использовать корпус, представленный на фиг. 7, или корпус вообще, поскольку варианты выполнения устройства, показанные на фиг. 6 и 7 (а также на фиг. 5), приведены лишь для примера с целью пояснения и могут быть заменены или изменены, использованы по отдельности или совместно.
В других вариантах осуществления изобретения устройство может быть бескорпусным или располагаться в корпусах и/или полостях, образуемых другими объектами, не входящими в состав устройства, но с которыми устройство может соединяться (механически и/или электрически) или с которыми оно может располагаться рядом. В то же время использование корпуса, полностью (с оговоркой для электростатического электрода, см. далее), частично или с некоторых сторон вмещающего/закрывающего элементы/компоненты устройства в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает механическую и/или электрическую защиту как самого устройства, так и окружающих объектов, в том числе и живых существ, к которым относятся люди и животные.
В показанном на фиг. 7 варианте осуществления корпус 801 имеет на одной стороне (задней) соединительный элемент 601, который представляет собой электрическую вилку для включения в розетку электрической сети, с которой образует штепсельное соединение. Соединительный элемент 601 в виде вилки содержит два соединительных электрода 611 в виде двух штырей, которые при вводе в розетку электрической сети соединяются гнездами (клеммами) розетки, электрически соединенными с проводами или другими электропроводящими токонесущими элементами электрической сети. Благодаря такому штепсельному соединению обеспечивается надежное механическое и электрическое соединение штырей и гнезд розетки, в результате чего напряжение электрической сети надежно передается в соединительный элемент 601 и устройство в соответствии с настоящим изобретением в целом.
Широкая распространенность подобных штепсельных соединений вилка-розетка обеспечивает возможность подключения устройства к электрической сети практически в любом доме, помещении или пространстве, снабженном электрической сетью с розетками. В то же время необходимо учитывать, что существует несколько стандартов таких штепсельных соединений. В показанном на фиг. 7 варианте вилка примерно соответствует евростандарту, хотя могут быть использованы вилки и других стандартов (например, США или других стран) в зависимости от того, для использования в каких странах или для включения в какие розетки предназначено устройство.
Кроме того, на фиг. 7 вилка имеет два штыря, но соединительный элемент может иметь большее количество соединительных электродов в зависимости от стандарта. В частности, вилка евростандарта может иметь электроды с боков корпуса (электроды заземления) в дополнение к двум штырям в основании корпуса, а вилки некоторых стандартов могут содержать три или более штырей в основании корпуса. Все эти возможные модификации входят в объем изобретения при условии, что соединительный элемент содержит не менее двух соединительных электродов и выполнен с возможностью электрического соединения с электрической сетью с использованием указанных не менее двух соединительных электродов.
В других возможных вариантах осуществления изобретения соединительный элемент может содержать или представлять собой два или более соединительных электрода, которые могут быть как штырями, так и другими электропроводящими объектами. Например, соединительные электроды могут представлять собой клеммы, зажимы, разъемы, контактные площадки для соединения (механическими, термическими (в т.ч. в некоторых вариантах пайкой), химическими или другими подходящими способами) с проводами или другими электропроводящими объектами, входящими в состав электрической сети или соединяющими/соединяемыми с ней.
Например, в одном из вариантов устройство может представлять собой розетку электрической сети или входить в состав такой розетки. В этом случае соединительный элемент будет представлять собой основание розетки, на/в котором размещены соединительные электроды, например, в виде разъемов, примером которых могут служить винтовые (резьбовые) зажимы для подводящих проводов электрической сети, а корпусом может считаться изолирующий элемент, накрывающий функциональную часть розетки в случае накладной розетки или закрывающий ее в случае вставляемой (встраиваемой) розетки.
Такое исполнение устройства обеспечивает то, что оно не выделяется в помещении или любом другом месте, где могут быть установлены розетки электрической сети, в результате чего нет необходимости подключать в розетку еще одно устройство в соответствии с настоящим изобретением и, соответственно, розетка остается свободной для использования, а внешний вид остается таким, каким он задумывался до установки устройства в соответствии с настоящим изобретением.
В другом возможном варианте устройство может соединяться с электрической сетью с помощью кабеля (проводов, шнура), выполненного с возможностью соединения одном из концов с электрической сетью тем или иным образом (например, путем установки на нем вилки для включения в розетку) и соединенного или соединяемого другим концом с соединительными электродами устройства, представляющими собой, например, зажимы, разъемы или любые другие подходящие элементы.
В таком случае обеспечивается возможность перемещения устройства в соответствии с настоящим изобретением в пределах, допускаемых длиной соединительного кабеля (проводов, шнура). Для реализации описываемого частного варианта настоящего изобретения указанные кабель или шнур должны содержать не менее двух электропроводящих элементов (например, проводников или проводов).
Во всех описанных частных вариантах осуществления, использующим электростатический принцип действия, изобретение должно считаться осуществленным при наличии в устройстве двух или более соединительных электродов, входящих в состав или образующих соединительный элемент, поскольку наличие таких соединительных электродов позволяет обеспечить соединение устройства в соответствии с настоящим изобретением с электрической сетью.
В корпусе устройства в соответствии с одним из возможных вариантов осуществления настоящего изобретения также предусмотрен один (или более) дополнительный соединительный элемент, представляющий собой, например, розетку штепсельного соединения. Такая розетка может соответствовать евростандарту, или стандартам других стран (например, США) в зависимости от стандарта вилки, для включения которой в дополнительный соединительный элемент предназначено устройство.
Кроме того, вместо розетки или в дополнение к ней дополнительный соединительный элемент может представлять собой или содержать любой другой разъем или электроды, которые могут быть штырями, клеммами, зажимами, контактными площадками для соединения с проводами, соединительными элементами или другими электропроводящими объектами других приборов и устройств.
Наличие такого дополнительного соединительного элемента обеспечивает возможность подключения к устройству в соответствии с настоящим изобретением других устройств и приборов, в результате чего к электрической сети может подключаться не только устройство в соответствии с частным вариантом настоящего изобретения, но и другие устройства. Таким образом, при наличии дополнительного соединительного элемента электрическая сеть (ее подводящие провода, разъем) не занимается только устройством в соответствии с настоящим изобретением, она может применяться для подачи электрического напряжения через него и для других устройств в том же месте без обеспечения дополнительного разъема в электрической сети.
Кроме того, при наличии дополнительного соединительного элемента устройство в соответствии с настоящим изобретением в одном из возможных вариантов может управлять подключением электродов дополнительного соединительного элемента к электродам соединительного элемента. Таким образом, устройство может управлять подачей электрического напряжения из электрической сети при подключении к ней с помощью соединительных электродов в дополнительный соединительный элемент и тем самым во внешний прибор или устройство которое может быть соединено с дополнительным соединительным элементом устройства в соответствии с настоящим изобретением. Для этого устройство в соответствии с изобретением может содержать коммутирующие элементы/компоненты (реле, тиристоры и др.), включенные между соединительными электродами и дополнительным соединительным элементом и управляемые либо пользователем, либо цепями управления.
Соединительный элемент и дополнительный соединительный элемент могут соответствовать одному и тому же стандарту штепсельного соединения, хотя и представляют собой разные типы соединительных элементов: в преимущественном варианте соединительный элемент является вилкой, а дополнительный соединительный элемент является розеткой. В такой конфигурации устройство в соответствии с настоящим изобретением является «повторителем розетки»: оно включается в розетку и само содержит такую же розетку или розетку, в которую может включаться вилка того же стандарта.
В других вариантах осуществления устройства в соответствии с настоящим изобретением стандарты вилки и розетки могут различаться, что позволит включать внешние устройства, обладающие вилками одного стандарта, через устройство в соответствии с изобретением в розетки другого стандарта. Кроме того, могут различаться виды соединительного элемента и дополнительного соединительного элемента, т.е. одно из них может представлять собой одну из частей штепсельного разъема, а другое нет, или наоборот, либо ни одно из них может не быть частью штепсельного разъема. Такие конфигурации позволяют менять виды соединений, то есть устройство в соответствии с настоящим изобретением может служить переходником или адаптером.
Помимо передачи электрического питания без преобразования, устройство в соответствии с настоящим изобретением может преобразовывать ряд параметров электропитания, например, величину напряжения, из переменного напряжения в постоянное или наоборот, частоту напряжения и т.п. В частности, настоящее устройство в некоторых вариантах осуществления может выполнять функции блока питания, для чего оно помимо вилки для включения в электрическую сеть может содержать разъем (например, розетку или принимающий (female) разъем) с пониженным напряжением, величина которого может иметь стандартные величины (например, 3,3 В, 5 В, 6 В, 9 В, 12 В и т.д.) или быть регулируемой. Например, это может быть USB-разъем с напряжением 5 В, в который могут включаться соединительные кабеля для зарядки телефонов, смартфонов и т.п.
Также возможен вариант, когда виды соединительного элемента и дополнительного соединительного элемента одинаковы, но не являются штепсельными. Например, это могут быть соединения цокольного типа, использующего резьбовой способ закрепления (например, при ввинчивании электрической лампы в патрон). В других вариантах это могут соединения байонетного типа, штыкового и других известных в уровне техники типов. В соответствии с вышеприведенным описанием эти типы разъемов могут быть не только одинаковыми для соединительного элемента и дополнительного соединительного элемента, но и различаться или комбинироваться.
В варианте осуществления устройства в соответствии с настоящим изобретением, показанном на фиг. 7, корпус 801 содержит окно 802, представляющее собой вырез или несколько вырезов в стенке корпуса. Окно необходимо для того, чтобы частицы с ДПР радона, а также сам радон из воздуха, окружающего устройство в корпусе, могли попадать внутрь корпуса и осаждаться на электростатическом электроде. Благодаря окну электростатический электрод, размещенный в корпусе, является открытым для окружающего воздуха, то есть ДПР радона могут осаждаться на электростатическом электроде при подаче на него постоянного электрического потенциала или потенциала с постоянной составляющей.
В целом корпус не является обязательным элементом для устройства в соответствии с настоящим изобретением. Другие его элементы, обязательные для осуществления изобретения и указанные в независимом пункте формулы изобретения, могут размещаться в корпусах других устройств или в полостях, образуемых другими объектами или устройствами. Кроме того, элементы устройства, обязательные для осуществления частного варианта настоящего изобретения, могут размещаться на открытом воздухе, т.е. без корпуса. В таких случаях первый (электростатический) электрод будет открытым, то есть доступным для окружающего воздуха и радионуклидов, в максимальной степени - окружающий воздух будет окружать первый электрод со всех сторон (за исключением, возможно, монтажной платы, на которой размещен первый электрод, если она предусмотрена).
Однако такое совершенно открытое расположение первого электрода, а также, возможно, и других элементов/компонентов устройства в соответствии с частным вариантом настоящего изобретения является небезопасным, поскольку высокие электрические напряжения, созданные/наведенные на первом электроде и других элементах/компонентах устройства, таких как соединительные электроды, блок питания, соединительные проводники и другие, при включении устройства в электрическую сеть, могут быть опасными для жизни и здоровья людей и препятствовать нормальной эксплуатации или выводить из строя различные устройства и приборы в случае их касания таких элементов/компонентов описываемого устройства, находящихся под высоким напряжением.
В связи с опасностью полностью открытого расположения электростатического электрода необходимы меры по обеспечению электрической безопасности, заключающиеся в предотвращении возможности касания электростатического электрода и других элементов/компонентов устройства. В варианте, показанном на фиг. 7, это обеспечивается помещением устройства в корпус 801. Другие варианты обеспечения электрической безопасности, которые могут использованы как при наличии корпуса, так и без него, описаны выше.
Таким образом, первый электрод должен, с одной стороны, быть открытым для окружающего воздуха, а с другой стороны, он должен быть защищен от физического контакта с ним для людей и различных устройств. Помещение устройства в корпус предотвращает контакт с первым электродом и другими элементами устройства, а открытость первого (электростатического) электрода обеспечивается в варианте на фиг. 7 с помощью окна 802.
Поскольку окно 802 имеет размеры, достаточные для прохода через него и последующего контакта с электростатическим электродом частей тела или электропроводящих предметов, в окне 802 выполнены защитные полоски 822, щели 821 между которыми, а также между полосками 822 и краем окна 802 в корпусе 801 обеспечивают открытость первого электрода, расположенного в корпусе за окном 802. Вместо полосок 822 могут применяться различные сетки, ткани, пленки и другие материалы, не препятствующие проходу радионуклидов (таких как ДПР радона и других) и/или взвешенных в воздухе частиц (например, пыли) с радионуклидами на них в корпус к электростатическому электроду. В других вариантах осуществления открытость электростатического электрода, расположенного в корпусе, окружающему воздуху может обеспечиваться отверстиями различных размеров и форм, в том числе щелей, вырезов и т.п. Например, это может быть множество отверстий, которые могут быть расположены в том или ином порядке (например, рядами, матрично, концентрично и др.) или без него (т.е. хаотично) и иметь одинаковые или различающиеся размеры и формы (например, круглые, квадратные, овальные, звездообразные и т.п.)
Вышеописанные варианты осуществления изобретения даны лишь в целях пояснения изобретения и не предназначены для ограничения его сущности и объема, которые определяются последующей формулой изобретения. Настоящее изобретение не ограничено конкретными раскрытыми вариантами осуществления, и для специалиста в данной области техники очевидно, что при реализации изобретения могут осуществляться вариации и модификации без отступления от объема настоящего изобретения. Различия между вариантами осуществления для настоящего изобретения не имеют принципиального значения и варианты осуществления могут использоваться индивидуально или в комбинации. Несмотря на то, что для описания устройств в вышеуказанных вариантах осуществлений использовались функциональные блок-схемы, некоторые части устройства или его функций могут быть осуществлены аппаратно, программным модулем, выполняемым процессором (или контроллером), или комбинацией этих средств.
Программный модуль может быть размещен на любом типе носителя данных, таком как RAM (Random Access Memory, оперативное запоминающее устройство), флеш-память, ROM (Read Only Memory, постоянное запоминающее устройство), EPROM (Erasable Programmable ROM, стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство), EEPROM (Electronically Erasable and Programmable ROM, электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство), регистр, жесткий диск, сменный диск или CD (Compact Disk, компакт-диск).
Носитель данных соединяется с процессором таким образом, чтобы процессор мог считывать и записывать информацию из и на носитель данных. Носитель данных также может быть встроен в процессор. Носитель данных и процессор также могут быть выполнены на ASIC (специализированная микросхема), размещенной в устройстве, или в виде дискретных компонентов.
Электрическое соединение элементов, компонентов, блоков, модулей, проводов и других упомянутых в заявке объектов может осуществляться как непосредственно, прямо, гальванически, так и посредством других элементов или компонентов, изменяющих передаваемый сигнал, напряжение или ток в той части, которая не оказывает влияние на реализацию сущности изобретения в конкретном соединении, но не изменяющих или изменяющих в допустимых пределах передаваемый сигнал, напряжение или ток в той части, которая оказывает влияние на реализацию сущности изобретения в конкретном соединении. Например, соединение через сопротивление может изменять уровень сигнала, но его форма остается прежней, а соединение через емкость может не передавать постоянную составляющую сигнала, напряжения или тока, но передает их переменную составляющую. Все такие соединения входят в объем изобретения в том случае, если не изменяют его сущность. Выделение блоков и модулей сделано лишь функционально и в целях описания изобретения, при реализации изобретения они могут физически не выделяться и представлять собой единое или разделенное на несколько частей устройство или датчик. Название части модулем или блоком не несет ограничений на реализацию этой части, если не указано другое, и часть, названная модулем, может быть названа блоком или другим термином, и наоборот.
Настоящее описание предназначено для раскрытия изобретения с полнотой, достаточной для понимания специалистом в данной области техники, и не предназначено для ограничения объема охраны. Объем охраны и сущность настоящего изобретения определяются формулой изобретения, которая следует далее и при необходимости может включать в себя признаки из вышеизложенного описания.