МИНИАТЮРНЫЙ ДОЗИМЕТР-РАДИОМЕТР-СПЕКТРОМЕТР

Полезная модель относится к устройствам контроля радиационной обстановки и предназначена для обнаружения, измерений и обработки результатов измерений (DO-RA.micro), преимущественно, в составе коммуникатора - мобильного радиоустройства. Детектор - чувствительный элемент, служащий для преобразования явлений, вызываемых радиоактивными (ионизирующими) излучениями в электрический или другой сигнал для формирования информации дозиметра-радиометра-спектрометра.
По мере того, как сферы использования делящихся материалов и ионизирующего изучения в медицинских и профилактических целях становятся все более разнообразными, а уровень проникновения мобильных телефонов/смартфонов и компьютеров стал превышать количество самих жителей Земли, возникает необходимость применения устройств со встроенными датчиками и детекторами ионизирующего излучения разной природы и диапазона. В этой связи возникает очевидная необходимость систематического мониторинга и контроля окружающей среды, воздуха и продуктов питания на предмет попадания делящихся материалов различными способами и при различный ситуациях. Кроме того, в районах проведения ядерных испытаний, техногенных катастроф, связанных с делящимися материалами, зараженным может быть не только воздух, но и почва, растительность, грунтовые воды, морская вода и морские водоросли, различные животные, птица, водоплавающие, используемые человеком в пищу; при этом человек не обладает способностями ощущать ионизирующее излучение во всем его диапазоне по спектру излучения и по его мощности.
Современная промышленность предлагает большой выбор дозиметров-радиометров - от профессиональных приборов до бытовых устройств, использующих, в частности, в качестве чувствительного элемента преимущественно счетчик Гейгера-Мюллера. Однако, из-за особенностей их конструкции, данные счетчики обладают малой чувствительностью при низких мощностях дозы ионизирующего изучения (при низком уровне радиации), высоким разбросом результатов измерений от +/-70% до +/-30% в диапазоне от 0.05 до 1 мкЗв/ч., малым ресурсом работы на отказ. Для увеличения чувствительности в профессиональных приборах используются счетчики Гейгера-Мюллера больших габаритов, но той же конструкции, что совершенно не приемлемо для бытовых приборов. Уменьшение размеров счетчиков Гейгера-Мюллера приводит к существенному снижению чувствительности, потере точности измерений и увеличению времени замера мощности эквивалентной дозы и эквивалентной дозы, как основного параметра, фиксирующего риски заболеваний человека и его органов при избыточной экспозиции ионизирующего изучения. По большому счету, бытовые дозиметры на основе счетчиков Гейгера-Мюллера способны работать лишь в режиме индикации и предупреждения о существенном превышении уровня радиации, эквивалентной мощности дозы ионизирующего излучения. Так, например, портативное устройство СИГ-РМ1208М компании «Полимастер» позиционируется, как «Сигнализатор-индикатор гамма-излучения», при этом масса прибора составляет 100 г., а габариты 52×48×18 мм (http://www.baz-alt.ru/product_9426.html).
Известны дозиметры компактного исполнения, содержащие p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n - находится слой нелегированного полупроводника (Пчелинцева Е.С. «Моделирование и исследование бетавольтаического эффекта на кремниевых pin структурах», 2012, http://dis.podelise.ru/text/index-39015.html?page=2).
Известен полупроводниковый детектор (дозиметр-радиометр), встроенный в мобильное радиоустройство, содержащее корпус, в котором размещены электрически связанные между собой приемопередающее устройство и процессор, к которому подключены монитор, клавиатура, блок памяти, блок питания и средства звуковой сигнализации, а также полупроводниковый детектор излучения, связанный усилителем с процессором, причем полупроводниковый детектор излучения выполнен в виде сотовой структуры из параллельно включенных своими парными электродами чувствительных элементов из неорганического кристаллического полупроводникового материала. Полупроводниковый детектор излучения связан с процессором радиоустройства через усилитель и блок сопряжения, размещенные в его корпусе (RU №116725, прототип).
Недостатками известных дозиметров являются узость функциональных возможностей, не предусматривающих его использования в качестве спектрометра и автономное использование, сложность сопряжения при перестановке из одного радиоустройства в другое.
Технической задачей полезной модели является создание эффективного дозиметра-радиометра-спектрометра и расширение арсенала дозиметров-радиометров-спектрометров.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи состоит в минимизации габаритов при расширении функциональных возможностей детектора для его использования в качестве единого дозиметра-радиометра-спектрометра, позволяющего измерить мощность эквивалентной дозы (МЭД) и эквивалентную дозу (ЭД) ионизирующего излучения, в частности, при облучении рентгеновскими лучами, гамма-излучением, бета-частицами и альфа-частицами и спектр радиоактивны (делящихся) материалов, а также и для автономного использования, упрощение сопряжения при перестановке из одного радиоустройства в другое. Одновременно обеспечивается уменьшение времени измерения радиационного фона, увеличение точности измерений, значительное снижение размеров и массы прибора, расширение диапазона регистрируемых энергий и возможность регистрации различных видов ионизирующего излучения, включая их спектральные характеристики и портреты изотопов, что в свою очередь обеспечит возможность точного измерения МЭД и ЭД.
Сущность полезной модели заключается в том, что дозиметр-радиометр-спектрометр ионизирующего излучения компактного встраиваемого исполнения, преимущественно, для программируемого мобильного устройства-коммуникатора содержит детектор излучения, представляющий собой p-i-n диод, в котором в слаболегированном полупроводнике кремнии созданы высоколегированные p и n-области, а также интерфейс управления и передачи данных, калибратор, преобразователь напряжения, и интегральную микросхему, включающую: последовательно связанные зарядно-чувствительный усилитель, усилитель-формирователь, спектрометр на основе амплитудно-цифрового преобразователя и компараторов, и микропроцессор, связанный с интерфейсом управления и передачи данных, который выполнен с возможностью подключения к шинам информации и питания мобильного устройства, при этом к микропроцессору подключены калибратор и преобразователь напряжения, соединенный с детектором излучения, подключенным к зарядно-чувствительному усилителю.
Предпочтительно дозиметр-радиометр-спектрометр снабжен компактным корпусом и выполнен с возможностью оперативной установки в мобильное устройство-коммуникатор из группы: смартфон, планшетный компьютер, ноутбук и снабжен автономными средствами питания, при этом микросхема выполнена бескорпусной, спектрометр включает в себя АЦП последовательного приближения, набор компараторов пороговой синхронизации и пиковых детекторов.
Предпочтительно, дозиметр-радиометр-спектрометр снабжен подключенным к микропроцессору интерфейсом беспроводной связи из группы: Bluetooth или гибридный Bluetooth или Bluetooth Low Energy, Near Field Communication (NFC), а также снабжен средствами внутренней памяти и выполнен с возможностью хранения результатов измерений с последующей передачей информации в мобильное устройство по запросу пользователя или по расписанию
Предпочтительно, дозиметр-радиометр-спектрометр выполнен с возможностью формирования информационных сигналов о значениях измеряемых параметров уровня мощности дозы или эквивалентной дозы с помощью звуковой, голосовой, текстовой, цветовой, вибро сигнализации и сообщений, а также с возможностью определения местоположения в пространстве источника ионизирующего излучения по гео-координатам GPS/ГЛОНАСС, а также высоты над уровнем моря в данной точке измерения и отмечает на экране или во флэш-памяти устройства-коммуникатора мощность дозы, эквивалентной дозы, наименование изотопа и пространственные гео-координаты на фотографии и/или видеоизображении фиксируемого объекта излучения, сделанном мобильным устройством-коммуникатором, и с возможностью оценки энергетической характеристики источников ионизирующего излучения, а также определения изотопного состава источника ионизирующего излучения.
-
2
При этом чувствительный элемент ионизирующего излучения представляет собой p-i-n структуру, в которой в собственном, слаболегированном полупроводнике n - кремнии методами ионной имплантации или диффузии созданы высоколегированные p и n-области, и содержащую высокоомную подложку кремния n-типа проводимости, на рабочей стороне которой расположены p-области, а также маскирующее покрытие SiO, алюминиевую металлизацию и пассивирующий слой, а калибратор выполнен в виде светодиода с возможностью оптического взаимодействия с детектором.
На чертеже фиг. 1 изображена принципиальная блок-схема миниатюрного дозиметра-радиометра-спектрометра в DO-RA.micro в составе смартфона, на фиг. 2 - схема специализированного программного обеспечения изделия.
-
Дозиметр-радиометр-спектрометр ионизирующего излучения компактного встраиваемого исполнения, преимущественно, для программируемого мобильного устройства-коммуникатора, содержит детектор 16 излучения, представляющий детектор излучения, представляющий собой p-i-n диод (структура, в которой в практически собственном, слаболегированном полупроводнике n - кремнии методами ионной имплантации или диффузии созданы высоколегированные p и n-области), т.е. нелегированный полупроводник кремний заключен между двумя областями кремния противоположной проводимости.
Указанная структура имеет высокоомную слаболегированную (практически собственная проводимость) подложку кремния n-типа проводимости, на лицевой (рабочей) стороне которой расположены p-области выполненные методом ионного легирования, а также электроды алюминиевой металлизации и пассивирующий слой, а на обратной стороне сформирована сильно легированная n-область методом ионной имплантации или диффузии донорной примеси (не изображены).
Дозиметр-радиометр-спектрометр содержит также интерфейс 9 управления и передачи данных, калибратор 17, преобразователь 14 напряжения, и интегральную микросхему 19 (возможно бескорпусное исполнение) (на фиг. 1 выделена пунктиром), включающую последовательно связанные зарядно-чувствительный усилитель 15 (ЗЧУ), управляемый усилитель-формирователь 13 (УФ), спектрометр 11 на основе амплитудно-цифрового преобразователя и компараторов (не изображены), и микропроцессор 10, связанный с интерфейсом 9 управления и передачи данных, который выполнен с возможностью подключения к шинам (не изображены) информации и питания мобильного устройства-коммуникатора 20. При этом к микропроцессору 10 подключены калибратор 17 и преобразователь 14 напряжения, соединенный с детектором 16 излучения, подключенным к зарядно-чувствительному усилителю 15.
Дозиметр-радиометр-спектрометр снабжен компактным корпусом (не изображен) и выполнен с возможностью оперативной установки в мобильное устройство-коммуникатор 20 из группы: смартфон, планшетный компьютер, ноутбук и снабжен автономными средствами питания (не изображены).
Спектрометр 11 включает в себя АЦП последовательного приближения, набор компараторов пороговой синхронизации и пиковых детекторов (не изображены).
Дозиметр-радиометр-спектрометр снабжен подключенным к микропроцессору 10 интерфейсом 12 беспроводной связи из группы: Bluetooth или гибридный Bluetooth или Bluetooth Low Energy, Near Field Communication (NFC).
Дозиметр-радиометр-спектрометр снабжен средствами (не изображены) внутренней памяти и выполнен с возможностью хранения результатов измерений с последующей передачей информации в мобильное устройство (коммуникатор) 20 по запросу пользователя или по расписанию.
Мобильное устройство 20 (программируемое мобильное устройство-коммуникатор) при любом исполнении включает процессор 1, навигационное устройство GPS/ГЛОНАСС 2, приемопередающее устройство WiFi, GPRS, Bluetooth, NFC - 3, блок 4 питания, блок 5 памяти фото/видео камеру 7, клавиатуру 6 и монитор 8.
Дозиметр-радиометр-спектрометр выполнен с возможностью формирования информационных сигналов о значениях измеряемых параметров уровня мощности дозы или эквивалентной дозы с помощью звуковой, голосовой, текстовой, цветовой, вибро сигнализации и сообщений, с возможностью определения местоположения в пространстве источника ионизирующего излучения по гео-координатам GPS/ГЛОНАСС, а также высоты над уровнем моря в данной точке измерения и отмечает на экране или во флэш-памяти устройства-коммуникатора мощность дозы, эквивалентной дозы, наименование изотопа и пространственные гео-координаты на фотографии и/или видеоизображении фиксируемого объекта излучения, сделанном мобильным устройством-коммуникатором, и выполнен с возможностью оценки энергетической характеристики источников ионизирующего излучения, а также определения изотопного состава источника ионизирующего излучения.
Калибратор 17 выполнен в виде светодиода с возможностью взаимодействия (оптического воздействия) с детектором 16.
Миниатюрный дозиметр-радиометр-спектрометр работает следующим образом.
При включении в работу активизируется полупроводниковый кремниевый чувствительный элемент детектора 16, который работает подобно ионизационной камере с тем отличием, что ионизация происходит не в газовом промежутке, а в толще кристалла кремния. К полупроводниковому кристаллу прикладывается напряжение, что обеспечивает сбор всех зарядов, образованных частицей в объеме чувствительного элемента детектора 16.
Заряженная частица, проникая в полупроводниковый материал (кремний) чувствительного элемента детектора 16, создает электронно-дырочные пары, которые под действием электрического поля перемещаются к электродам.
Управляемый зарядо-чувствительный усилитель (ЗЧУ) 15 выполняет преобразование короткого импульса в медленно изменяющееся выходной напряжение.
Усилитель-формирователь (УФ) 13 формирует импульс фиксированной длительности, амплитуда которого пропорциональна заряду, оставленному частицей в детекторе 16.
Амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП) и набор компараторов спектрометра 11 служат для пороговой синхронизации схемы. АЦП и блок компараторов представляют собой схему организации режима спектрометра 11 с пиковыми детекторами.
Преобразователь 14 напряжения источника питания обеспечивает необходимый набор напряжений питания 60-120 В для детектора 16 и микросхемы 19. Калибратор (бленкер) 17, управляется микропроцессором 10 специализированной интегральной микросхемы 19. Калибратор 17 предназначен для формирования эталонных тестовых импульсов с детектора 16 для автоматической настройки устройства, как в режиме дозиметра-радиометра, так и в режиме спектрометра. При исполнении в виде отдельного устройства связь мобильным устройством 20 осуществляется посредством одного из беспроводных интерфейсов 12 микросхемы 19 СИМС. В случае встраивания устройства в мобильное устройство-коммуникатор 20 связь осуществляется посредством интерфейса 9 управления и передачи данных.
Мобильное устройство 20 задействует процессор 1 и навигационное устройство GPS/ГЛОНАСС 2, формирующее текущие пространственные гео-координаты обследуемого места; приемопередающее устройство WiFi, GPRS, Bluetooth, NFC 3, блок 4 питания 4, блок 5 памяти. Фото/видео камера 7 обеспечивает возможность фото и видео фиксации объекта измерений, клавиатура 6 обеспечивает взаимодействие с программным обеспечением мобильного устройства, а монитор 8 выполняет отображение результатов работы программ и режимов измерения мощности эквивалентной дозы, эквивалентной дозы и идентификации источника ионизирующего излучения.
Представленное устройство является самым миниатюрным дозиметром с функциями радиометра-спектрометра. Миниатюрность устройства обеспечивается использованием компактного кремниевого детектора 16, использованием бескорпусной встраиваемой интегральной микросхемы 19 расширенного функционала. В результате дозиметр-радиометр-спектрометр реализуется как очень компактное устройство, размещенное в едином керамическом корпусе с приблизительными габаритными размерами 15×15×5 мм.
Миниатюрность данного устройства обеспечивается использованием в нем компактного кремниевого детектора с приблизительными габаритными размерами 10×10×0,52 мм, с использованием одной (возможно бескорпусной) интегральной микросхемы 19 расширенного функционала, то есть перевод всех обозначенных в блок-схеме компонентов в структуру кристалла интегральной схемы 19 с соответствующими взаимосвязями для полноценной работы в виде законченного электронного устройства и преобразователя 14 напряжения питания.
Питание данного устройства осуществляется от электронных приборов коммуникатор 20), на которых оно установлено.
Благодаря оптической восприимчивости кремниевого детектора 16 осуществляется подача эталонных световых импульсов для юстировки или калибровки самого устройства перед измерением ионизирующего излучения от источника радиации.
В данном техническом решении представлено устройство дозиметра-радиометра-спектрометра, обозначаемого DO-RA.micro, обладающего минимальными габаритами и расширенными возможностям, позволяющими измерить мощность эквивалентной дозы (МЭД) и эквивалентную дозу (ЭД) ионизирующего излучения, в частности, при облучении рентгеновскими лучами, гамма-излучением, бета-частицами и альфа-частицами и спектр радиоактивны (делящихся) материалов, что в свою очередь, может дать определенный «портрет» источника ионизирующего излучения, благодаря чему позволит более точно измерять МЭД и ЭД и идентифицировать источник опасности.
Устройство дозиметра-радиометра-спектрометра DO-RA.micro позволяет составлять карту радиационного фона и радиационного загрязнения исследуемой территории. С помощью смартфона или компьютера фотографировать и видео фиксировать объекты, обладающие повышенным радиационным фоном (мощностью дозы) и определять для этих объектов гео-координаты на местности или пространственные гео-координаты в местоположении над земной поверхностью, отсчитывая эти пространственные гео-координаты на основе принятого мирового стандарта над уровнем моря. Кроме того, устройство позволяет предупреждать человека в голосовом, текстовом, цветовом, звуковом и вибро режиме о превышении допустимой МЭД и ЭД ионизирующего излучения, с привязкой, рассчитанной для данного региона и данной страны с учетом применяемых там специализированных стандартов по радиационной безопасности для разных категорий граждан: гражданское население, специализированный и технический персонал АЭС, военные и др.