УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ МОЩНОСТИ ПОГЛОЩЕННОЙ И ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ДОЗЫ ФОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к техническим средствам для построения систем радиационного контроля (СРК) и автоматизированных систем контроля радиационной обстановки (АСКРО), а именно к устройствам для контроля величины мощности поглощенной и эквивалентной дозы фотонного излучения путем преобразования потока фотонного излучения в последовательность электрических импульсов напряжения или электрических сигналов напряжения.
Технические средства для построения современных СРК и АСКРО должны соответствовать ряду специальных требований в части метрологических параметров, радиационной стойкости, массогабаритных параметров, устойчивости к внешним дестабилизирующим факторам.
Наиболее значимыми параметрами, определяющими конкурентоспособность устройств для контроля величины мощности поглощенной и эквивалентной дозы фотонного излучения являются метрологические и эксплуатационные параметры, а именно:
- широкий диапазон измерений при минимальном значении основной относительной погрешности;
- минимальная анизотропия чувствительности;
- минимальная энергетическая зависимость чувствительности;
- минимальный собственный фон;
- минимальная температурная и временная нестабильность коэффициента преобразования;
- наличие возможности контроля работоспособности устройства без использования источников ионизирующего излучения (ИИИ);
- возможность конструктивного исполнения в требуемых геометрических размерах, в т.ч. миниатюрном исполнении (диаметром менее 10 мм).
(1)
(2)
По техническому назначению наиболее близкими аналогами предлагаемого устройства являются блоки детектирования типа БДМГ-О8Р и БДРГ-17С1.
Блоки детектирования типа БДМГ-08Р и БДРГ-17С1 включают в себя детектор, электронные схемы формирования выходного сигнала, помещенные в металлический корпус, и источник питания.
3
К сожалению, эти устройства обладают рядом недостатков: так, использование газоразрядного счетчика не позволяет получить динамический диапазон измерений более 5·10. Для обеспечения большего динамического диапазона требуется использовать несколько блоков детектирования с разной чувствительностью, что приводит к увеличению числа измерительных каналов верхнего уровня, снижению надежности систем контроля в целом за счет увеличения количества используемых устройств. Кроме того, блоки детектирования на основе газоразрядных счетчиков обладают ярко выраженной анизотропией даже в телесном угле 180°, большим собственным фоном и низкой временной стабильностью. Для контроля работоспособности требуются устройства с ИИИ (бленкеры). Размеры газоразрядных счетчиков достаточно велики и реализация миниатюрных устройств с требуемой чувствительностью невозможна. Для работы газоразрядного счетчика требуется высоковольтное питание.
6
(3)
Достаточно большим динамическим диапазоном (до 10) обладают блоки детектирования на основе ионизационных камер (типа БДРГ-15С). Однако, для обеспечения приемлемого нижнего диапазона измерений мощности дозы требуется большой объем камеры и габариты устройства сдерживают его широкое применение для построения систем радиационного контроля. Контроль работоспособности осуществляется с помощью ИИИ. Для работы требуется высоковольтный источник питания.
10
Цель полезной модели - создание устройств, имеющих малый собственный фон, широкий динамический диапазон измерения мощности дозы (до 10) при требуемых, в т.ч. миниатюрных габаритных размерах, малую анизотропию чувствительности в телесном угле не менее 300°, возможность контроля работоспособности без ИИИ.
Поставленная цель (технический результат) достигается за счет:
-1
-3
- использования в качестве измерительных преобразователей кремниевых детекторов, что позволяет обеспечить малый собственный фон устройства (менее 0,001 имп.·с·мм);
3
-1
-1
-3
10
- использования в одном устройстве нескольких кремниевых детекторов различных размеров (с чувствительным объемом от 1 и 500 мм), что позволяет получить разную чувствительность к фотонному излучению (удельная чувствительность кремниевого детектора около 0,015 имп.·с·мкГр·ч·мм) и расширить динамический диапазон устройства до 10;
5
-1
7
- использования импульсного усилителя с короткой постоянной формирования (около 0,2 мкс) и селектора амплитуды, формирующего короткие (1-2 мкс) логические импульсы, что позволяет обеспечить частоту выходного сигнала одного измерительного канала до 5·10 с и динамический диапазон 10;
- компактного размещения детекторов на элементах конструкции, что обеспечивает малую анизотропию чувствительности в телесном угле до 300°;
- использования в устройстве генератора световых импульсных сигналов на основе светодиода, что позволяет проводить контроль работоспособности без использования ИИИ;
-7
3
- использования импульсного (счетного) и фотовольтаического (токового) режима включения детектора, что позволяет обеспечить диапазон измерения мощности дозы фотонного излучения от 10 до 10 Гр/час.
Типовые структуры построения счетного канала и токового канала на основе кремниевых детекторов приведены на рисунке 1 и 2 соответственно.
Счетный канал состоит из детектора (1), импульсного усилителя (2) и селектора амплитуды (3).
Токовый канал состоит из детектора (1) и электрометрического усилителя (2).
Реализация устройства с требуемым диапазоном измерений осуществляется одним из следующих способов:
3
7
1. Один измерительный канал на основе детектора, включенного в счетном режиме, с чувствительным объемом от 1 до 500 мм обеспечивает динамический диапазон 10.
3
-7
2
2. Два измерительных канала на основе детектора с чувствительным объемом от 75 до 150 мм и детектора с чувствительным объемом от 1 до 3 ммобеспечивают диапазон измерений от 10 до 10 Гр/час. Оба детектора включены в счетном режиме.
3
3
-7
3
3. Два измерительных канала на основе детектора с чувствительным объемом от 75 до 150 мм и детектора с чувствительным объемом от 1 до 3 ммобеспечивают диапазон измерений от 10 до 10 Гр/час. При этом детектор большего объема включен в счетном режиме, а детектор меньшего объема в токовом режиме.
3
3
4
3
4 Два измерительных канала на основе детектора с чувствительным объемом от 1 до 3 мм и детектора с чувствительным объемом от 1 до 3 мм обеспечивают диапазон измерений от 10- до 10 Гр/час. При этом один детектор включен в счетном режиме, а другой детектор в токовом режиме. В этом случае возможно создание миниатюрных устройств с внешним диаметром ≤6 мм.
В общем случае конструкция устройства (рисунок 3) состоит из электронного узла (1), реализующего измерительные каналы в соответствии с рисунком 1 и 2 (конфигурации измерительных каналов описаны выше); узла детекторов (2) с одним или двумя детекторами различных размеров, размещенных компактно (максимально близко друг к другу); генератора импульсных сигналов (3), к выходу которого подключен светодиод. В некоторые исполнения устройства может быть включен узел питания (4). Элементы конструкции размещаются внутри металлического корпуса (5), который обеспечивает защиту устройства от внешних воздействий, в т.ч. электромагнитных полей. Устройство может иметь разъем для подключения к аппаратуре верхнего уровня или кабель, требуемой длины. Фильтр,
устанавливаемый на корпус узла детекторов, выполняется легкосъемным.
При необходимости контроля мощности поглощенной дозы (Гр/час) или мощности эквивалентной дозы (Зв/час) используется медные фильтры (6) различной толщины (1,6 и 1 мм, соответственно).
Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества:
-1
-3
1. Использование в качестве измерительных преобразователей кремниевых детекторов позволяет обеспечить малый собственный фон устройства (менее 0,001 имп.·с·мм);
-1
-1
-3
10
2. Использование в одном устройстве нескольких кремниевых детекторов различных размеров позволяет получить разную чувствительность измерительных каналов к фотонному излучению (удельная чувствительность кремниевого детектора около 0,015 имп.·с·мкГр·ч·мм) и расширить динамический диапазон устройства до 10;
5
-1
7
3. Использование импульсного усилителя с короткой постоянной формирования (0,2 мкс) и селектора амплитуды, формирующего короткие (1-2 мкс) логические импульсы позволяет обеспечить частоту выходного сигнала одного измерительного канала до 5·10 с и динамический диапазон 10;
4. Компактное (максимально близкое к друг другу) размещение детекторов на элементах конструкции обеспечивает малую анизотропию чувствительности в телесном угле до 300°;
5. Использование в устройстве генератора импульсных сигналов со светодиодом позволяет проводить контроль работоспособности без использования ИИИ;
-7
3
6. Использование импульсного (счетного) и фотовольтаического (токового) режима включения детекторов позволяет обеспечить диапазон измерения мощности дозы фотонного излучения от 10 до 10 Гр/час.
Работает устройство следующим образом.
Детектор в счетном канале преобразуют энергию гамма-кванта в электрический заряд, который усиливается, преобразуется в импульс напряжения и подается на селектор амплитуды. На выходе селектора амплитуды формируется сигнал по длительности и амплитуде, который по кабелю передается на внешнюю аппаратуру.
Детектор в токовом канале преобразует энергию потока гамма-квантов в электрический ток, который усиливается электрометрическим усилителем и передается по кабелю на внешнюю аппаратуру.
В режиме контроля функционирования при подаче на устройство напряжения постоянного тока, включается генератор импульсных сигналов, к выходу которого подключен светодиод. Световые импульсы регистрируются детекторами и на выходе устройства появляется соответствующие сигналы.
Литература
1) http://www.pzi.ru/ ОАО «Пятигорский завод «Импульс»
(2) http://www.sniip.ru/produkt/bdrg-17sl.htm ОАО «НИЦ СНИИП»
(3) http://www.sniip.ru/produkt/bdrg-15s.htm ОАО «НИЦ СНИИП»