ПРИБОР ИНДИВИДУАЛЬНОГО ПОЛЬЗОВАНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ УРОВНЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для индивидуальных измерений текущего уровня рентгеновского, гамма и бета излучения, предупреждения пользователя об ухудшении радиационной обстановки и оценки значения полученного амбиентного эквивалента дозы (АЭД) рентгеновского и гамма- излучений. Полезная модель также может быть использована для предупреждения пользователя о превышении пороговых уровней мощности амбиентного эквивалента дозы (МАЭД) фотонного (рентгеновского и гамма-) излучения, предупреждения об ухудшении радиационной обстановки, позволяя вовремя покинуть место с повышенной радиацией и предпринять другие меры по защите организма.
Уровень техники
Из патента на изобретение РФ №2193785 известен индивидуальный прибор для измерения эквивалентных доз рентгеновского и γ-излучения, потоков α- и β-частиц, а также оценки радиационной обстановки окружающей среды содержит корпус, снабженный окном, последовательным портом связи, блоком световой и звуковой сигнализации и индикатором, источник питания, покрытые слоем экранирующего материала сцинтиллятор и фотодиод, а также усилитель импульсов фотодиода, дискриминатор импульсов фотодиода, формирователь импульсов фотодиода, полевой транзистор, усилитель импульсов полевого транзистора, дискриминатор импульсов полевого транзистора, формирователь импульсов полевого транзистора, переключатель, усилитель постоянного напряжения, аналого-цифровой преобразователь постоянного напряжения, импульсный аналого-цифровой преобразователь, счетчик, логическое устройство, модуль памяти, автономный источник питания модуля памяти и процессор индикатора.
-4
В патенте на изобретение РФ №2070332 раскрыт дозиметр для измерения интегральных поглощенных доз ионизирующего, гамма-, бета-, нейтронного и рентгеновского излучения от 10 Грэй и выше состоит из светонепроницаемого корпуса и помещенного в нем сцинтиллятора, выполненного в виде сектора цилиндра. В качестве фоточувствительного элемента используют закрепленный на острие сектора фото активный нитевидный кристалл, выполненный из материала, обладающего фотомеханическим эффектом. Считывающее устройство выполнено в виде линзы и шкалы. При воздействии излучения на сцинтиллятор, возникающее вторичное излучение сцинтиллятора отгибает нитевидный кристалл на угол, зависящий от поглощенной дозы ионизирующего излучения. По отклонению свободного конца нитевидного кристалла от первоначального положения определяют поглощенную дозу.
В патенте на изобретение РФ №2025745 охарактеризован дозиметр персональный, содержащий детектор, блок согласований и блокировки, счетчик дешифратора, блок отображения информации, задающей генератор, генератор с самовозбуждением, блок умножителя, блок звуковой сигнализации, блок сброса, блок фильтров, переключатели, источник питания, введены схема соединений, блок логики, блок переполнения и разряда элемента питания, блок обратной связи.
Все аналоги обладают общими недостатками, к которым относятся сложность схем, большие габариты приборов, неудобство в повседневном использовании, высокое потребление энергии, проблемы с автономным длительным использованием.
Наиболее близкий аналог раскрыт в патенте на полезную модель РФ №71002. Здесь охарактеризован персональный индикатор радиоактивности, содержащий детектор, блок отображения информации, звуковую сигнализацию, переключатели и источник питания. Кроме того, он содержит триггер, микроконтроллер, перепрограммируемое ПЗУ, формирователь высокого напряжения, ограничитель высокого напряжения, преобразователь напряжения и вибромотор. Детекторы соединены с входом триггера, один из выходов микроконтроллера последовательно через формирователь высокого напряжения и ограничитель высокого напряжения соединен с первым и вторым детекторами, переключатели выполнены в виде трехкнопочной клавиатуры, выходы которой и выход триггера соединены с входами микроконтроллера, один из выходов микроконтроллера соединен с входом триггера, два выхода микроконтроллера соединены с дисплеем и перепрограммируемым ПЗУ, три выхода микроконтроллера соединены с дисплеем, один выход микроконтроллера соединен с перепрограммируемым ПЗУ, один выход микроконтроллера соединен со звонком, и еще один выход - с вибратором.
Известное устройство позволяет снизить время получения результатов, повысить воспроизводимость показаний; использовать вибросигнал; устанавливать порог сигнализации, при превышении которого звучит сигнал или включается вибросигнал; ступенчато изменять порог сигнализации; вводить оценку мощности дозы фонового излучения (на открытой местности); указывать на дисплее значения мощности дозы фона; превышения мощности дозы над мощностью дозы фона.
Однако ни один индивидуальный портативный прибор из уровня техники не позволяет обнаруживать радиоактивные источники с пониженным выходом фотонного излучения, оперативно производить поиск источников радиации и зон с повышенным уровнем радиации на местности, исследовать уровень радиации на поверхностях предметов. Ни один прибор из уровня техники не обеспечивает длительное и экономичное использование без подзарядки или замены автономных источников питания. Ни один прибор из уровня техники не обеспечивает возможность работы от внешнего стационарного источника, а также возможность управления от внешнего программируемого источника.
Таким образом, стоит задача создания бытового портативного прибора для индивидуального дозиметрического контроля, оценки уровня ионизирующего излучения, который устранит недостатки известных приборов, будет надежным, достоверным, экономичным, малогабаритным, удобным и простым в использовании.
Сущность полезной модели
Технический результат, который достигается в результате применения представленного прибора, заключается в обеспечении достоверности измерений радиоактивности окружающей среды.
Технический результат достигается за счет того, что в прибор индивидуального пользования для оценки уровня ионизирующего излучения, включающий детектор ионизирующего излучения, микроконтроллер, связанный с ним дисплей, излучатель звука, элемент питания, введены размещенные в корпусе прибора повышающий DC-DC преобразователь напряжения элементов питания, блок управления включением, формирователь напряжения обратной связи высоковольтного источника питания, формирователь импульсов детектора ионизирующего излучения, источник питания батарейного домена микроконтроллера, источник питания микроконтроллера, управляемый источник питания дисплея, управляемый высоковольтный источник питания детектора ионизирующего излучения, размещенные на лицевой поверхности корпуса клавиатура и светодиодный индикатор, и установленный в верхней поверхности корпуса связанный с микроконтроллером USB-разъем для подключения к внешнему компьютеру и связанный с повышающим DC-DC преобразователем напряжения элементов питания. Ко входам микроконтроллера подключены источник питания батарейного домена микроконтроллера, клавиатура, связанная также с блоком управления включением устройства, источник питания микроконтроллера, связанный также с источником питания батарейного домена микроконтроллера, формирователь напряжения обратной связи высоковольтного источника питания, формирователь импульсов детектора ионизирующего излучения, связанный с детектором ионизирующего излучения, к входу которого и входу формирователя напряжения обратной связи высоковольтного источника подключен управляемый высоковольтный источник питания детектора ионизирующего излучения, к выходам микроконтроллера подключены управляемый высоковольтный источник питания детектора ионизирующего излучения, управляемый источник питания дисплея и блок управления включением прибора. Элемент питания подключен к источнику питания батарейного домена и блоку управления включением устройства, связанному с входом повышающего DC-DC преобразователя напряжения элементов питания, который подключен к входам управляемого высоковольтного источника питания детектора, источника питания микроконтроллера и управляемого источника питания дисплея, связанного с дисплеем.
В качестве детектора ионизирующего излучения использован детектор, обладающий чувствительностью к рентгеновскому, гамма, бета и альфа излучению, в частности счетчик Гейгера-Мюллера типа Бета-1-1. Обратная сторона корпуса прибора имеет съемную крышку, на которой расположены метка расположения фильтра и метка отсутствия фильтра, крышку отсека для размещения батареек, расположенное под съемной крышкой окно детектора и нанесенные на обратную сторону корпуса метки оси детектора. Клавиатура включает кнопку включения и отключения питания индикатора, кнопку обращения к меню и кнопки навигации. Элемент питания представляет собой батарейки или аккумулятор.
Такое выполнение прибора позволяет:
- Оценивать текущий уровень мощности амбиентного эквивалента дозы (МАЭД) фотонного (рентгеновского и гамма-) излучения и выдавать сигналы тревоги, если этот уровень превышает заданные пользователем пороги. Это, с одной стороны, предупреждает пациента-пользователя об ухудшении радиационной обстановки в среде обитания, с другой стороны, позволяет ему вовремя покинуть место с повышенной радиацией и предпринять другие меры по защите своего организма,
- Оценивать значение полученного амбиентного эквивалента дозы (АЭД) фотонного излучения и выдает сигналы тревоги, если это значение становится выше порогового. Это позволяет пользователю контролировать время своего пребывания в местах с повышенным уровнем радиации и оценивать ущерб здоровью, причиненный радиацией.
- Обеспечивать чувствительность к бета- и альфа- частицам. Это позволяет обнаруживать радиоактивные источники с пониженным выходом фотонного излучения.
- Оперативно производить поиск источников радиации и зон с повышенным уровнем радиации на местности. Это дает возможность выбирать более безопасный маршрут при прохождении через зараженные участки местности.
- Исследовать уровень радиации на поверхностях предметов и выбирать строительные материалы с невысоким уровнем собственного радиационного фона.
Описание графических материалов
Сущность полезной модели далее подробно иллюстрируется описанием со ссылками на сопровождающие графические материалы, где
фиг. 1 представляет электрическую схему устройства,
фиг. 2 показывает внешний вид лицевой стороны прибора, а
на фиг. 3 а, б изображен внешний вид обратной стороны корпуса с закрытой и снятой съемной крышкой.
На фигурах приняты следующие обозначения:
1 - микроконтроллер
2 - элементы питания
3 - USB-разъем
4 - блок управления включением устройства
5 - повышающий DC-DC преобразователь напряжения элементов питания
6 - источник питания микроконтроллера
7 - управляемый источник питания дисплея
8 - дисплей
9 - управляемый высоковольтный источник питания детектора
10 - детектор ионизирующего излучения (счетчик Гейгера-Мюллера)
11 - формирователь напряжения обратной связи высоковольтного источника
12 - формирователь импульсов детектора
13 - светодиодный индикатор
14 - излучатель звука
15 -клавиатура
16 - источник питания батарейного домена микроконтроллера
17 - кнопка «Power» (включение/выключение питания Индикатора)
18 - кнопка «Δ» (вверх)
19 - кнопка  (влево)
20 - кнопка «∇» (вниз)
21 - кнопка «Menu»
22 - кнопка  (вправо)
23 - съемная крышка-фильтр
24 - метки оси детектора
25 - окно детектора
26 - метка расположения фильтра
27 - метка отсутствия фильтра
28 - крышка батарейного отсека.
Осуществление полезной модели
Основным элементом устройства является микроконтроллер 1 (современный микроконтроллер с ядром ARM Cortex-Mx). Он размещен в корпусе и выполняет следующие функции: управляет всеми остальными элементами устройства; осуществляет сбор, обработку и сохранение измерительной информации; обеспечивает взаимодействие с пользователем; обеспечивает взаимодействие с внешним компьютером по USB. Прибор также включает размещенные в корпусе связанный с микроконтроллером 1 дисплей 8, излучатель звука 14 и элемент питания 2. Кроме того в корпусе прибора размещены повышающий DC-DC преобразователь напряжения элементов питания 5 (использована микросхема LM2623A), блок управления включением 4 (выполнен на 4х элементах 2И-НЕ микросхемы 74НС00), формирователь напряжения обратной связи высоковольтного источника питания 11 (выполнен по схеме резистивного делителя напряжения с высокоомными резисторами), формирователь импульсов детектора 12 (дифференцирующая RC-цепочка), источник питания батарейного домена микроконтроллера 16, источник питания микроконтроллера 6 (на микросхеме LM3671), управляемый источник питания дисплея 7 (LM27313), управляемый высоковольтный источник питания детектора 9 (на n-канальном полевом транзисторе, повышающем трансформаторе АТВ322515 и умножителе напряжения с кратностью 3). На лицевой поверхности корпуса размещены клавиатура 15, дисплей 8 и светодиодный индикатор 1. В верхней поверхности корпуса установлен связанный с микроконтроллером 1 USB-разъем 3 для подключения к внешнему компьютеру, разъем 3 связан с повышающим DC-DC преобразователем напряжения элементов питания 5. Ко входам микроконтроллера 1 подключены источник питания батарейного домена микроконтроллера 16 (задействована микросхема TPS77028DBV), клавиатура 15, связанная также с блоком управления включением устройства 4, источник питания микроконтроллера 6, связанный также с источником питания батарейного домена микроконтроллера 16, формирователь напряжения обратной связи высоковольтного источника питания 11, формирователь импульсов детектора 12, связанный с детектором 10, к входу которого и входу формирователя напряжения обратной связи высоковольтного источника подключен управляемый высоковольтный источник питания детектора 9. К выходам микроконтроллера 1 подключены светодиодный индикатор 13, излучатель звука 14, управляемый высоковольтный источник питания детектора 9, управляемый источник питания дисплея 7 и блок управления включением прибора 4. Элемент питания 2 подключен к источнику питания батарейного домена 16 и блоку управления включением устройства 4, связанному с входом повышающего DC-DC преобразователя напряжения элементов питания 5, который подключен к входам управляемого высоковольтного источника питания детектора 9, источника питания микроконтроллера 6 и управляемого источника питания дисплея 7, связанного с дисплеем 8.
В качестве детектора ионизирующего излучения 10 использован детектор, обладающий чувствительностью к рентгеновскому, гамма, бета и альфа излучению, в частности счетчик Гейгера-Мюллера типа Бета-1-1.
Обратная сторона корпуса прибора имеет съемную крышку 23, на которой расположены метка расположения фильтра 26 и метка отсутствия фильтра27. Обратная сторона корпуса оборудована крышкой батарейного отсека 28, служащего для размещения батареек или аккумуляторов. Под съемной крышкой 23 расположено окно детектора 25. На обратную сторону корпуса нанесены метки оси детектора 24.
Клавиатура 15 включает кнопку включения и отключения питания индикатора 17, кнопку обращения к меню 21 и кнопки навигации 18, 19, 20 и 22. Элемент питания 2 представляет собой батарейки или аккумуляторы.
Управление осуществляется либо посредством клавиатуры 15, либо командами, передаваемыми внешним компьютером через разъем USB 3. Для индикации текущего состояния устройства используются: дисплей 8, светодиодный индикатор 13 и излучатель звука 14, управляемые микроконтроллером 1.
Питание устройства может осуществляться либо от сменных элементов питания 2 (батарейки или аккумуляторы), либо от внешнего источника питания, подключенного к USB-разъему 3.
Прибор работает следующим образом. Если внешний источник питания не подключен, то включение устройства происходит по сигналу включения устройства, поступающему либо от соответствующей кнопки на клавиатуре 15, либо от часов реального времени микроконтроллера 1. Блок управления включением устройства 4 по сигналу включения подает питание от сменных элементов 2 на повышающий DC-DC преобразователь 5.
Если подключен внешний источник питания, то питание с USB-разъема 3 подключается к выходу DC-DC преобразователя 5 по схеме «монтажное ИЛИ». В этом случае включение устройства происходит автоматически.
Напряжение с выхода преобразователя 5 поступает на источник питания 6 микроконтроллера 1, на управляемый источник питания 7 дисплея и на управляемый высоковольтный источник питания 9 детектора ионизирующего излучения.
Напряжение элементов питания 2 и напряжение источника питания 6 поступают на источник питания 16 батарейного домена микроконтроллера, обеспечивающего бесперебойную работу часов реального времени микроконтроллера 1.
Управляемый источник питания 7 дисплея 8 позволяет с одной стороны полностью обесточить дисплей 8, с другой стороны плавно изменять его яркость, обеспечивая плавный запуск.
Высоковольтный источник питания 9 детектора совместно с формирователем напряжения обратной связи 11 высоковольтного источника и с микроконтроллером 1 формирует стабилизированное напряжение питания детектора ионизирующего излучения 10.
Импульсы детектора ионизирующего излучения 10 поступают на формирователь импульсов 12 детектора, с выхода которого подаются на счетный вход микроконтроллера 1.
Съемная крышка 23, которая служит в качестве защиты и фильтра для расположенного внутри корпуса оборудования, может быть установлена в одно из двух положений, при которых: окно детектора 25 закрыто фильтром - метка расположения фильтра 26 вверху, а метка отсутствия фильтра 27 внизу, как показано на фиг. 3а. Во втором положении окно детектора 25 не закрыто фильтром - метка расположения фильтра 26 внизу, а метка отсутствия фильтра 27 вверху.
Достижение технического результата обеспечивается тем, что прибор включает корпус с размещенным в нем высокочувствительным детектором ионизирующего излучения 10 (счетчик Гейгера-Мюллера) типа Бета-1-1, обладающим чувствительностью не только к рентгеновскому и гамма- излучению, но также и к бета- и альфа- частицам. Стабилизированный высоковольтный (400 В) источник питания 9 счетчика Гейгера-Мюллера обеспечивает малые (не более 8%) отклонения показаний прибора во всем диапазоне температур от -20 до +50°С. В цепь контура регулирования напряжения включен микроконтроллер 1, программа которого позволяет регулировку и стабилизацию напряжения с более высоким качеством, чем известные чисто аппаратные решения.
Графический дисплей 8 отображает измеренные значения не только числовым способом, но и посредством графических индикаторов. Встроенный излучатель звука 14 выдает щелчки при регистрации частиц; сигналы тревоги при превышении пороговых значений, заданных пользователем.
Светодиодный индикатор 13 отображает факт регистрации частиц; и цветом-степень опасности текущего уровня радиации.
Микроконтроллер 1 с ядром ARM Cortex-Mx обеспечивает связь прибора с персональным компьютером (ПК) по USB 3. Это позволяет управлять прибором посредством ПК; обновлять программное обеспечение прибора посредством ПК. Самотестирование узлов прибора как на этапе производства, так и во время эксплуатации реализована за счет использования разнообразной периферии микроконтроллера без использования дополнительных дорогостоящих компонентов.
Для выполнения измерений по заданному пользователем расписанию прибор включается и выключается автоматически. Микроконтроллер 1 управляет всеми средствами индикации и сигнализации прибора 13, 14, 8. Часть объема флэш-памяти микроконтроллера 1 используется для размещения там журнала событий.
Программное обеспечение прибора обеспечивает выполнение измерений в ручном режиме - под непосредственным управлением пользователя и автоматических измерений.
Причем выполнение автоматических измерений осуществляется по заданным пользователем расписаниям. Это повышает как удобство использования прибора, так и минимизирует энергопотребление прибора во время измерений. Изначально прибор выключен и практически не потребляет энергию от элементов питания. При срабатывании одного из расписаний прибор автоматически включается (дисплей при этом выключен и ничего не потребляет), выполняет измерения (с указанными пользователем параметрами), сохраняет результаты измерений в журнале событий, после чего прибор автоматически выключается и ожидает либо включения по кнопке 17, либо срабатывания очередного расписания.
Ведение журнала основных событий (в том числе запись результатов выполненных измерений) и сохранение записей журнала событий в энергонезависимой (флэш-памяти) памяти прибора, сопровождая их метками времени и контрольными суммами. Обеспечивается более 2000 записей журнала событий. Это повышает удобство использования прибора, повышает его экономичность за счет исключения дополнительной микросхемы памяти.
Возможно полное управление прибором со стороны внешнего персонального компьютера, соединенного с прибором по USB 3, что повышает удобство использования прибора, позволяя накапливать в базе данных результаты измерений с целью последующего анализа изменений радиационного фона за длительные интервалы времени.
Повышается безопасность пользователя, позволяя ему реализовать сценарий использования прибора, в котором время пребывания пользователя в зоне с повышенной радиацией будет минимальным.
Улучшается контроль качества как используемого детектора 10, так и калибровки прибора (особенно, если калибровка проводится в сторонней организации) за счет: автоматического выполнения серии измерений с минимальным участием оператора, автоматического сохранения результатов измерений в облачной базе данных, анализа этих данных и расчет калибровочных констант на стороне производителя прибора с последующим сохранением этих констант в той же облачной базе данных, программирование в прибор калибровочных констант, взятых из облачной базы данных.
Имеется возможность выдачи записей журнала на ПК для сохранения их в базе данных на ПК.
Используются дополнительные режимы измерения, адаптированные для решения типовых задач («Обнаружение», «Поиск»). В режиме «Обнаружение» прибор упрощает для пользователя процедуру сравнения двух измерений с учетом их случайных погрешностей. Прибор обрабатывает измеренные значения и выдает специальный сигнал тревоги, если значение второго измерения превышает (с доверительной вероятностью 0.95) значение первого измерения. В режиме «Поиск» упрощает для пользователя процедуру поиска локальных участков заражения на местности или на поверхностях крупных объектов, оперативно реагируя на изменения радиационного фона. При этом повышается удобство использования прибора.
Представленная полезная модель является законченным, готовым к использованию и поставляемым в собранном виде изделием. Все части изделия вместе имеют функциональное и конструктивное (собраны на фабрике-изготовителе с использованием сборочных операций) единство. Для построения прибора применены известные схемы и элементы, поэтому полезная модель является промышленно применимой.