ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ ДОЗИМЕТРА-РАДИОМЕТРА

Настоящая полезная модель относится к дозиметрам-радиометрам, то есть к устройствам, служащим для контроля поверхностей и предметов, которые потенциально могут быть загрязнены гамма-, альфа- и бета-излучающими нуклидами. В частности, к мобильным устройствам, которые дополнительно содержат детекторы излучения, то есть блоки, измеряющие число частиц, пересекающих в единицу времени площадь специального узла детектирования.
Широко известны дозиметры-радиометры на основе счетчика Гейгера-Мюллера - детектора ионизирующего излучения (http://www.youtube.com/watch?v=UZopH8xpi1w). К таким дозиметрам-радиометрам относятся, в частности, устройства, описанные в патентах №4672544 G01T 1/18, G01T 1/22 от 12.08.1983, EP №0881507 G01T 1/169, G01T 7/00 от 28.05.1997. Такие устройства содержат в своем составе источник высокого напряжения, счетчик Гейгера-Мюллера и выходной усилитель-формирователь, выходной сигнал которого используется для индикации излучения.
Однако эти устройства не позволяют проводить оперативную передачу информации об обнаружении радиоактивного загрязнения.
Известно устройство, описанное в полезной модели RU №109625, H04M 1/22, от 24.06.2011. Известное устройство представляет собой мобильное радиоустройство с дозиметром-радиометром, содержащее измерительный блок, содержащий детектор излучения и блок сопряжения, и мобильное радиоустройство, в корпусе которого, размещен блок питания, выполненный с возможностью подачи питающих напряжений ко всем электронным узлам и блокам, расположенным в корпусе мобильного радиоустройства, процессор, соответствующие входы и выходы которого соединены с радиоблоком и с блоком памяти, а также блок индикации, вход которого подключен к соответствующему выходу процессора, и клавиатура, подключенная к соответствующему входу процессора. В состав известного устройства входит также усилитель, вход которого подключен к выходу детектора излучения, а выход через блок сопряжения соединен с процессором.
В отличие от других известных устройств, это устройство позволяет проводить оперативную передачу информации об обнаружении радиоактивного загрязнения, используя для этого радиоблок.
Устройство может быть реализовано на основе обычного мобильного телефона, однако такая реализация, несомненно, вызовет значительные технические трудности, потому что ввод информации от детектора излучения в процессор мобильного телефона потребует доступ к информационной шине процессора, возможность чего существует не во всех моделях мобильных телефонов и характеризуется разнообразием используемых протоколов в разных моделях мобильных телефонов. Кроме того, потребуется источник питания для усилителя и блока сопряжения. Все это сильно затрудняет аппаратурную реализацию прототипа и требует производства многих ее вариантов для разных моделей мобильных телефонов.
Известно устройство, описанное в полезной модели RU №118076, G01T 1/18, G01T 7/08 (2006.01), от 01.02.2012.
Устройство содержит измерительный блок, содержащий последовательно включенные повышающий трансформатор, выпрямитель, детектор излучения, формирователь импульсов, и блок сопряжения, а также мобильное радиоустройство, в корпусе которого, размещен блок питания, выполненный с возможностью подачи питающих напряжений ко всем электронным узлам и блокам, расположенным в корпусе мобильного радиоустройства. В состав мобильного радиоустройства входит также процессор, соответствующие входы и выходы которого соединены с радиоблоком и с блоком памяти, блок индикации, вход которого подключен к соответствующему выходу процессора, клавиатура, подключенная к соответствующему входу процессора, а также аудиоблок, соединенный с процессором. Аудиовыход аудиоблока подключен к входу измерительного блока, который является входом повышающего трансформатора, а вход микрофона аудиоблока соединен с выходом измерительного блока, который является выходом блока сопряжения.
Устройство обеспечивает создание более простого и удобного в использовании мобильного устройства на базе мобильного телефона, за счет возможности использования этой полезной модели с более широким ассортиментом сотовых телефонов, т.к. подключение к ним осуществляется через универсальное для большинства телефонов аудиогнездо, а так же за счет ее упрощения по сравнению с полезной моделью по патенту RU №109625.
Недостатком устройства является низкая надежность работы при использовании полупроводниковых датчиков излучения, т.к. эти датчики имеют очень низкий уровень выходного сигнала, вследствие чего подвержены воздействию внешних электромагнитных помех, что и снижает надежность работы устройства в целом.
Известно устройство «МИНИАТЮРНЫЙ ДОЗИМЕТР-РАДИОМЕТР-СПЕКТРОМЕТР С ЦИФРОВЫМ ШУМОПОДАВЛЕНИЕМ И РЕГИСТРАЦИЕЙ ВИБРАЦИИ», описанное в полезной модели RU №156901, GO1T 1/167 (2006.01), от 13.02.2015, далее - прототип. Данное устройство является ближайшим аналогом к заявляемой полезной модели.
Прототип содержит два параллельно включенных измерительных канала, каждый из которых содержит кремниевый детектор ионизирующего излучения с преобразователем напряжения, соединенным выходом с входом управляемого зарядочувствительного усилителя, выход которого соединен с входом усилителя-формирователя, а выход последнего - с входом амплитудно-цифрового преобразователя, включающего схему спектрометра с набором компараторов, причем к зарядочувствительным усилителям измерительных каналов подключен калибратор, а выходы амплитудно-цифровых преобразователей измерительных каналов соединены через решающее устройство с интерфейсом беспроводной связи.
Прототип имеет более высокую надежность работы, по сравнению с аналогами, т.к. он выполнен по двухканальной схеме, что позволяет уменьшить влияние импульсных помех. Недостатком устройства является его сложность, т.к. для устранения импульсных помех необходимо преобразование сигналов в цифровой вид с помощью компараторов и последующая их обработка с помощью цифрового решающего устройства на основе процессора. Недостатком также является невысокая надежность работы, т.к. в прототипе устраняются только импульсные помехи, но не могут быть устранены помехи в виде шума. Такие помехи возникают, например, при наводках от близкорасположенных радиоустройств, например сотовых телефонов.
Предлагаемое техническое решение направлено на упрощение устройства и повышение надежности его работы в условиях сильных помех.
Предметом настоящей полезной модели является измерительный модуль дозиметра-радиометра содержащий два детектора излучения, усилитель, согласующее устройство, интерфейсный модуль связи и блок питания, причем, выход первого детектора излучения соединен с входом усилителя, выход согласующего устройства соединен с входом интерфейсного модуля связи, а блок питания, соединен с обоими детекторами излучения, усилитель выполнен дифференциальным с двумя дифференциальными входами, второй вход из которых соединен с выходом второго детектора излучения, а также введен дифференцирующий блок, включенный между выходом усилителя и входом согласующего устройства, а блок питания соединен со всеми элементами измерительного модуля.
Частными существенными признаками предлагаемой полезной модели являются следующие:
- используется интерфейсный модуль проводной связи;
- блок питания через проводной интерфейс связи соединен с источником питания информационного устройства.
- выход интерфейсного модуля связи при использовании проводного интерфейса связи подключается через проводное разъемное соединение типа «Jack Audio», или USB;
- используется интерфейсный модуль беспроводной связи, с использованием модулей беспроводной связи.
Задачей настоящей полезной модели является упрощение устройства и повышение надежности его работы в условиях сильных помех.
Суть предлагаемого технического решения поясняется на Фиг. 1, где представлена обобщенная структурная схема заявляемой полезной модели совместно с информационным устройством в качестве которого могут быть использованы: мобильный телефон, смартфон, планшетный компьютер, персональный компьютер и др. Измерительный модуль дозиметра-радиометра совместно с информационным устройством образуют дозиметр-радиометр, а при соответствующем программном обеспечении и спектрометр.
На Фиг. 1 использованы следующие обозначения: 1 - измерительный модуль дозиметра-радиометра, 2 и 3 - детекторы излучения, 4 -дифференциальный усилитель, 5 - дифференцирующий блок, 6 - согласующее устройство, 7 - интерфейсный модуль связи, 8 - блок питания, 9 -информационное устройство, 10 - интерфейсный модуль связи.
Рассматриваемый измерительный модуль дозиметра-радиометра 1, содержит детекторы излучения 2 и 3, выходы которых соединены с входами дифференциального усилителя 4, выход которого через последовательно включенные дифференцирующий блок 5 и согласующее устройство 6 подключен к интерфейсному модулю связи 7, блок питания 8, подключенный ко всем элементам измерительного модуля дозиметра-радиометра 1. Выход интерфейсного модуля связи 7 соединен по проводному, или беспроводному интерфейсу, с входом интерфейсного модуля связи 10, входящего в состав информационного информационного устройства 9 из группы: мобильный телефон, смартфон, планшетный компьютер, персональный компьютер и др.
Измерительный модуль дозиметра-радиометра 1 может быть выполнен в виде отдельной конструкции, в собственном корпусе, где размещаются детекторы излучения 2 и 3, дифференциальный усилитель 4, дифференцирующий блок 5, согласующее устройство 6, интерфейсный модуль связи 7 и блок питания 8, либо в виде отдельной платы, встраиваемой в информационное устройство 9 непосредственно, или через разъемное соединение.
В качестве детекторов излучения 2 и 3 могут быть использованы различные типы детекторов, при этом предпочтительнее использовать малогабаритные полупроводниковые устройства, например, изготовленные по планарной технологии p-i-n диоды, имеющие небольшие габариты и низкое энергопотребление.
В качестве дифференциального усилителя 4 может быть использован усилитель на основе интегральных малошумящих быстродействующих операционных усилителей с высоким входным сопротивлением.
Дифференцирующий блок 6, в простейшем случае, может представлять из себя обычную дифференцирующую RC - цепь.
Согласующее устройство 6, при использовании проводного интерфейса связи, с аналоговой передачей сигналов, например, непосредственно на аудиовход информационного устройства 9, может представлять из себя простой резистивный делитель напряжения, либо, при необходимости, простой усилитель на транзисторах, или на интегральной микросхеме. При этом в качестве интерфейсных модулей связи 7 и 10 используются провода, в разрыв которых, например, для отстыковки и подстыковки измерительного модуля дозиметра-радиометра 1 к информационному устройству 9, могут быть включены разъемные соединения. Например, в качестве такого разъема может быть использован разъем типа «Jack Audio», имеющийся на всех современных мобильных телефонах, смартфонах, планшетных компьютерах и персональных компьютерах.
При использовании проводного интерфейса связи типа USB, в качестве интерфейсного модуля связи 7 используется микроконтроллер со встроенным аппаратным, или программным протоколом связи USB. При этом в качестве согласующего устройства 6 используется аналогоцифровой преобразователь, например компаратор, который, как правило, входит в состав микроконтроллеров. Программное обеспечение микроконтроллера обеспечивает передачу информации о поступающих с дифференцирующего блока 5 импульсах в протокол передачи USB. При этом микроконтроллер может также обеспечивать предварительную обработку импульсов поступающих от детекторов излучения 2 и 3, с целью их подсчета для вычисления уровня радиации, дозы радиации и спектральных характеристик. Со стороны информационного устройства 9 при этом используется, входящий в него USB интерфейсный модуль связи 10.
При использовании беспроводных протоколов связи, в качестве интерфейсного модуля связи 7 используются беспроводные модули связи, например радиомодули беспроводной связи, или модули Bluetooth, WiFi, или NFC. В информационном устройстве 9 при этом используется аналогичный интерфейсный модуль связи 10. В качестве согласующего устройства 6 в этом случае используется микроконтроллер с программным обеспечением для связи с соответствующим интерфейсным модулем связи 7 и входящим в него аналогоцифровым преобразователем (компаратором), для связи с дифференцирующим блоком 6. Микроконтроллер может также обеспечивать предварительную обработку импульсов поступающих от детекторов излучения 2 и 3, с целью их подсчета для вычисления уровня радиации, дозы радиации и спектральных характеристик. При этом через интерфейс связи осуществляется передача результата вычислений.
При использовании беспроводных технологий связи в состав блока питания 8 должен входить источник питания - аккумулятор, или батарея.
Входящие в состав блока питания 8 преобразователи напряжения преобразуют энергию аккумулятора (батареи) в напряжения, необходимые для питания всех элементов, входящих в состав измерительного модуля дозиметра-радиометра 1.
При использовании проводных технологий связи, встроенный в измерительный модуль дозиметра-радиометра 1, источник питания может отсутствовать. В этом случае питание всех элементов, входящих в состав измерительного дозиметра-радиометра 1 может осуществляться по проводному соединению непосредственно от аккумулятора информационного устройства 9, например, путем использования напряжения +5 В в интерфейсе связи USB, использовании напряжения питания микрофона, или переменного напряжения на аудиовыходах в интерфейсе связи через разъем «Jack Audio» и т.д. т.д.
Работа устройства поясняется эпюрами на Фиг. 2. На Фиг. 2а приведен сигнал на выходе детектора излучения 2, на Фиг. 2б - сигнал на выходе детектора излучения 3. Гамма-кванты, при попадании в соответствующий детектор излучения, вызывают на его выходе отклик в виде короткого импульса - импульсы 11…14. Импульсы с выходов детекторов излучения 2 и 3 поступают, соответственно, на «прямой» и «инверсный» входы дифференциального усилителя 4. Электромагнитные помехи, благодаря симметричности схемы, вызывают одинаковые отклики на выходах детекторов излучения 2 и 3 - импульсы 16 и 17, которые, попадая на «прямой» и «инверсный» входы дифференциального усилителя, взаимно компенсируются и, поэтому отсутствуют на его выходе. На Фиг. 2в приведен сигнал на выходе дифференциального усилителя 4. Так, в моменты времени t1 и t5 попадают гамма-кванты на детектор излучения 2 - Фиг. 2а, импульсы - 11 и 13. В момент времени t2 гамма-квант попадает на детектор излучения 3 - Фиг. 2б - импульс 14. В момент времени t3 на оба детектора излучения 2 и 3 воздействует импульсная помеха - Фиг. 2а - импульс 12, Фиг. 2б - импульс 15. На интервале времени t4…t6 на устройство воздействует шумовая помеха - Фиг. 2а -импульс 16, Фиг. 2б - импульс 17. Шумовая помеха по времени совпадает с воздействием в момент времени t5 гамма-кванта на детектор излучения 2 - Фиг. 2а и маскирует выходной импульс 13 на выходе детектора излучения 2.
На выходе дифференциального усилителя 4 присутствуют только импульсы от воздействия гамма-квантов на детекторы излучения 2 и 3- Фиг. 2в - импульсы 18, 19 и 20. Импульсные и шумовые помехи при этом подавляются, чем и достигается более высокая надежность работы устройства в условиях помех. При этом происходит подавление любых помех, независимо от их формы и длительности. Подавляются также помехи, совпадающие по времени с измерительными импульсами, причем без потери измерительных импульсов.
Импульсы с выхода дифференциального усилителя 4 поступают на вход дифференцирующего блока 5, сигналы на выходе которого приведены на Фиг. 2г - импульсы 21, 22 и 23. Эти импульсы поступают на вход согласующего устройства 6. Согласующее устройство 6 преобразует эти импульсы в сигналы, необходимые для подачи на вход интерфейсного модуля связи 7. При подаче сигнала на микрофонный вход информационного устройства 9 через стандартный разъем «Jack - Audio», согласующее устройство 6 может выполнять функцию согласования уровней сигналов, т.е. используется просто резистивный делитель напряжения. При необходимости, в состав согласующего устройства 6 может входить аналогоцифровой преобразователь (АЦП), или просто компаратор, срабатывающий при превышении порогового уровня - Фиг. 2г. Сигнал на выходе согласующего устройства 6, при использовании в его составе компаратора, приведен на Фиг. 2д. Также, при необходимости формирования импульсов заданной длительности, в состав согласующего устройства 6 может входить ждущий мультивибратор. Также, в состав согласующего устройства 6 может входить микроконтроллер, для преобразования импульсов в протокол связи с интерфейсным модулем связи 7, для передачи через него информации об импульсах на информационное устройство 9 через интерфейсный модуль связи 10. При этом микроконтроллер может также обеспечивать предварительную обработку импульсов поступающих от детекторов излучения 2 и 3, с целью их подсчета для вычисления уровня радиации, дозы радиации и спектральных характеристик (при использовании АЦП).
Таким образом, импульсы, вызванные воздействием гамма-квантов на детекторы излучения 2 и 3, через проводной, или беспроводной каналы связи, поступают на информационное устройство 9. На информационное устройство 9 предварительно должно быть установлено соответствующее программное обеспечение для обработки этих импульсов. После запуска этого программного обеспечения осуществляется прием через интерфейс связи 10 информации от измерительного модуля дозиметра-радиометра 1, подсчет измерительных импульсов, или обработка результатов предварительной их обработки в измерительном модуле-дозиметре 1, и обработка результатов. Результаты измерений в виде значений уровня радиации, или накопленной дозы облучения, отображаются на дисплее информационного устройства 9. При измерении амплитуды измерительных импульсов с помощью АЦП в согласующем устройстве 6, возможно также построение и отображение спектров излучения.
Таким образом, благодаря введенным узлам и связям, решена задача упрощения устройства и повышение надежности его работы в условиях сильных помех. Упрощение достигается за счет того, что вместо двух каналов усиления и обработки импульсов, используется только один усилитель и в простых реализациях не требуется применения решающего устройства (процессор). Повышение надежности работы достигается за счет возможности устранения влияния не только импульсных, но и шумовых помех, даже при их совпадении, по времени с моментом регистрации пролета гамма-кванта.