УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ РАДИАЦИИ

Полезная модель относится к области ядерной физики и предназначена для использования при разработке и изготовлении различных систем измерения уровней радиации, дозиметров, индикаторов превышения фона.
Известны дозиметры с использованием полупроводниковых детекторов DOSICARD (CANBERA USA). Данные дозиметры используют в качестве основного чувствительного элемента полупроводниковый детектор на основе Si. Измерение ведется способом прямого подсчета импульсов от детектора.
Недостатком таких дозиметров является низкая эффективность регистрации полупроводниковым детектором и обусловленное этим большое время измерения, кроме того, данный дозиметр обладает достаточно большими габаритами. Для достижения оптимального времени непрерывной работы необходимо использование больших элементов питания, что связано с высоким потреблением первичных преобразующих каскадов.
Известны дозиметры с использованием детектора в виде сборки сцинтиллятор-фотодиод ИСП-РМ1401/РМ1703 (POLIMASTER RB). Измерение ведется аналогично способом прямого подсчета импульсов от фотодиода. К недостаткам можно отнести большое время измерения. Время измерения связано с объемом сцинтиллятора, поэтому эти приборы имеют большие габариты.
Все типы выше названных дозиметров обладают еще одним недостатком: зависимость чувствительности детектирующего прибора от энергии радиоактивного излучения (ход жесткости).
Известен дозиметр-радиометр ионизирующего излучения по патенту RU 2061244, выбранный заявителем в качестве прототипа устройства для
измерения уровня радиации широкозонными полупроводниковыми детекторами.
В известном дозиметре в качестве основного чувствительного элемента использован полупроводниковый детектор.
Измерение ведется путем регистрации детектором квантов ионизирующего излучения, преобразования сигнала, полученного от детектора, предварительного усиления, последующего преобразования сигнала в вычислительном устройстве.
Известный дозиметр состоит из последовательно соединенных твердотельного полупроводникового детектора, предварительного усилителя, компаратора и микропроцессора с памятью, блока формирования амплитудно-частотной характеристики, усилителя с переменным коэффициентом усиления и блока преобразования уровней. Известный дозиметр обеспечивает возможность изменения коэффициента в зависимости от типа измерения, позволяет примерно на 5% уменьшить погрешность измерения дозы, а также проводить отдельно измерение дозы по ψ-излучению и измерять плотность потоков α и β-частиц на общем фоне излучения. Известное решение обеспечивает повышение точности измерения излучения и возможность селективной оценки уровня ионизирующего излучения по видам ионизирующих частиц.
Недостатком известного устройства является большое время измерения радиационного фона, сложность конструктивного выполнения и значительное влияние хода жесткости на результат измерения.
Техническим результатом предлагаемого устройства для измерения уровня радиации является уменьшение времени измерения радиационного фона, снижение массогабаритных показателей и уменьшение влияния хода жесткости на результат измерения.
Технический результат изобретений достигается следующим решением.
В устройстве для измерения уровня радиации, содержащем полупроводниковый детектор, связанный с входом предварительного усилителя, и вычислительное устройство, согласно полезной модели, полупроводниковый детектор, выполненный на основе широкозонного полупроводникового материала, установлен в объеме компаунда, совмещенном с основной платой преобразующего каскада, при этом выход полупроводникового детектора соединен с входом зарядочувствительного предусилителя, состоящего из составного каскада полевого и первого биполярного транзистора, включенных по каскодной схеме с дифференциальными входами, к которому дифференциально подключен второй биполярный транзистор, а выход этого каскада соединен с входом формирующего усилительного каскада на биполярных транзисторах, включенных по схеме составного транзистора и частотно зависимой цепи обратной связи.
В предлагаемом устройстве для измерения уровня радиации полупроводниковый детектор может быть выполнен на основе одного из широкозонных материалов: CdTe, CdZnTe, HgJ.
Объем, в котором установлен детектор, может быть выполнен из компаунда на основе силикона.
В заявляемом устройстве для измерения уровня радиации широкозонными полупроводниковыми детекторами подача сигнала с выхода полупроводникового детектора на вход зарядочувствительного предусилителя, выполненного в виде составного каскада из полевого и первого биполярного транзисторов, включенных по каскодной схеме с дифференциальными входами, - обеспечивает возможность предварительного усиления аналогового сигнала с детектора с общим коэффициентом усиления не менее 100 на частоте 10 МГц без цепи обратной связи. При включении цепи обратной связи эта схема обеспечивает качественное зарядочувствительное предусиление для детектора, что позволяет снизить паразитные механические влияния на
детектор, уменьшить время измерения радиационного фона, снизить массогабаритные показатели устройства, уменьшить влияние хода жесткости на результат измерения.
Последующее преобразование сигнала, полученного с выхода зарядочувствительного предусилителя, в формирующем усилительном каскаде, выполненном на биполярных транзисторах, путем пропускания сигнала через дифференцирующий и интегрирующий каскады, работающие в микротоковом режиме и выполненные в виде единой схемы, позволяет произвести формирование сигнала в импульсное напряжение (типа квази Гаусс).
Физический смысл предложенного устройства одновременно заключается в возможности производить математическую обработку сигналов, получаемых от полупроводникового детектора.
Лабораторные исследования показали, что реализация в заявляемом устройстве полупроводникового детектора на основе широкозонных материалов, например CdTe, CdZnTe, HgJ, способствует эффективной регистрации низкоэнергетического биологически опасного гамма-излучения в режиме измерения очень низких (естественный радиационный фон) уровней радиации. Это позволяет использовать предложенное устройство в схемотехнике различных аппаратур, в том числе переносной, бытовой и специальной.
Установка полупроводникового детектора, выполненного на основе широкозонного полупроводникового материала и соединенного с входом предварительного усилителя, в объеме компаунда, совмещенном с основной платой преобразующего каскада, значительно улучшает соотношение сигнал/шум, снижает паразитные механические и звуковые влияния на полупроводниковый детектор.
Полупроводниковый детектор установлен в пластичном объеме компаунда, выполненным в виде пластинки из силикона с минимальной толщиной компаунда с любой стороны детектора не менее 1 мм, таким
образом детектор полностью утоплен в объеме, что значительно снижает возможные механические и звуковые воздействия на детектор, так как силиконовые компаунды обладают высоким коэффициентом поглощения механических колебаний, минимальной адгезией.
Совмещение объема компаунда с основной платой преобразующего каскада одновременно улучшает контакт детектора с электронной схемой.
Поскольку формирующий усилительный каскад сделан на биполярных транзисторах, включенных по схеме составного транзистора и частотно зависимой цепи обратной связи, то предложенная схема вырабатывает высокий коэффициент усиления, который фиксируется цепью обратной связи. Схемотехника позволяет работать в микротоковом режиме (до 100 мкА) с низкими питающими напряжениями (от 2,2 В).
Предлагаемое устройство обеспечивает сверхнизкое потребление при возможности работы от низких питающих напряжений с полупроводниковыми детекторами в микротоковом режиме.
Сущность заявляемого технического решения поясняется изображенной на рисунке 1 функциональной схемой устройства измерения уровня радиации.
На рис.2 схематично изображена основная плата преобразующего каскада и совмещенный с ней объем компаунда, в котором установлен полупроводниковый детектор.
Полупроводниковый детектор 12 (ППД) (рис.2) выполнен на основе широкозонного полупроводникового материала (например CdTe, CdZnTe, HgJ) и установлен (утоплен) в объеме компаунда 10, совмещенном с основной платой 11 преобразующего каскада. Выход полупроводникового детектора 12 соединен с входом зарядочувствительного предусилителя посредством сверхлегких выводов 8 (диам. проводника не более 20 мкм) (рис.1 и 2).
Зарядочувствительный предусилитель выполнен на элементах 1, 2, 3, 4 и состоит из составного каскада полевого 1 и первого биполярного 2 транзистора, включенных по каскодной схеме с дифференциальными входами, к которому дифференциально подключен второй биполярный транзистор 3, а выход этого каскада соединен с входом формирующего усилительного каскада на биполярных транзисторах 5, 6, включенных по схеме составного транзистора и частотно зависимой цепи обратной связи 7.
Устройство для измерения уровня радиации широкозонными полупроводниковыми детекторами работает следующим образом.
Выходной аналоговый сигнал детектора 12 (ППД) предварительно усиливают в преобразующем усилительном каскаде путем подачи сигнала с выхода полупроводникового детектора 12 на вход зарядочувствительного предусилителя, выполненного на элементах 1, 2, 3, 4 в виде составного каскада из полевого 1 и первого биполярного 2 транзисторов, включенных по каскодной схеме с дифференциальными входами.
В совокупности с биполярным транзистором 3 в дифференциальном включении общий коэффициент усиления схемы на частоте 10 МГц без цепи обратной связи 4 составляет не менее 100. Полученный сигнал преобразуют в импульсное напряжение с формированием сигнала типа квази Гаусс в формирующем усилительном каскаде на биполярных транзисторах, пропуская сигнал через дифференцирующий и интегрирующий каскады, работающие в микротоковом режиме и выполненные в виде единой схемы.
При включении цепи обратной связи 4 схема работает в режиме зарядочувствительного предусилителя для полупроводникового детектора. Полупроводниковый детектор подключается к выводу 8 схемы через разделительную емкость. Формирующий усилительный каскад сделан на
биполярных транзисторах 5, 6, включенных по схеме составного транзистора и частотно зависимой цепи обратной связи 7.
Сигнал от полупроводникового детектора после аналогового формирования и прохождения пороговой схемы поступает на вычислительное устройство (например, процессор), обрабатывающий эти сигналы по специализированному алгоритму. Вычислительное устройство корректирует счет по каждому энергетическому диапазону, используя разравнивающие коэффициенты (В.С.Горев. Применение детекторов на основе теллурида кадмия в дозиметрии гамма-излучения. ПТЭ. - М., 1981, с.60-64).
Предложенное устройство для измерения уровня радиации широкозонными полупроводниковыми детекторами способно работать с различными типами полупроводниковых детекторов с хорошими эксплуатационными характеристиками и применимы в различных типах аппаратуры, в том числе лабораторной, многодетекторной, переносной.