Способ измерения уровня радиации широкозонными полупроводниковыми детекторами и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2364891:
Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное объединение "Гамма" (RU)
Изобретения относятся к области ядерной физики и предназначены для использования при разработке и изготовлении различных систем измерения уровней радиации, дозиметров, индикаторов превышения фона. Технический результат - уменьшение времени измерения радиационного фона, снижение массогабаритных показателей устройств, предназначенных для измерения радиации, и уменьшение влияния хода жесткости на результат измерения. Способ измерения уровня радиации широкозонными полупроводниковыми детекторами включает регистрацию детектором квантов ионизирующего излучения, преобразование полученного от детектора сигнала и его предварительное усиление, последующее преобразование полученного сигнала в вычислительном устройстве. Выходной аналоговый сигнал детектора предварительно усиливают в преобразующем усилительном каскаде путем подачи 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, 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. Устройство для измерения уровня радиации содержит полупроводниковый детектор, связанный с входом предварительного усилителя, и вычислительное устройство. 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. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретения относятся к области ядерной физики и предназначены 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 - полупроводникового детектора 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 сцинциллятор-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 сцинциллятора, поэтому эти приборы имеют большие габариты.
Все типы вышеназванных дозиметров обладают еще одним недостатком: зависимость чувствительности детектирующего прибора от энергии радиоактивного излучения (ход жесткости).
Известен дозиметр-радиометр ионизирующего излучения по патенту RU 2061244, реализующий способ измерения потока ионизирующего излучения, выбранный заявителем в качестве прототипа заявляемых способа измерения уровня радиации широкозонными полупроводниковыми детекторами и устройства для его осуществления.
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. Известные решения обеспечивают повышение точности измерения излучения и возможность селективной оценки уровня ионизирующего излучения по видам ионизирующих частиц.
Недостатком известного способа измерения потока ионизирующего излучения и устройства для его осуществления является большое время измерения радиационного фона, сложность конструктивного выполнения устройства для измерения радиации и значительное влияние хода жесткости на результат измерения.
Техническим результатом предлагаемых способа измерения уровня радиации полупроводниковыми детекторами и устройства для его осуществления является уменьшение времени измерения радиационного фона, снижение массогабаритных показателей устройств, предназначенных для измерения радиации, и уменьшение влияния хода жесткости на результат измерения.
Технический результат изобретений достигается следующими решениями, объединенными общим изобретательским замыслом.
В способе измерения уровня радиации широкозонными полупроводниковыми детекторами, включающем регистрацию детектором квантов ионизирующего излучения, преобразование полученного от детектора сигнала и его предварительное усиление, последующее преобразование полученного сигнала в вычислительном устройстве, согласно первому изобретению выходной аналоговый сигнал детектора предварительно усиливают в преобразующем усилительном каскаде путем подачи 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, 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.
В устройстве для измерения уровня радиации, содержащем полупроводниковый детектор, связанный с входом предварительного усилителя, и вычислительное устройство, согласно второму изобретению 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 способе для измерения уровня радиации и устройстве для его осуществления 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 заявляемых способе измерения уровня радиации широкозонными полупроводниковыми детекторами и устройстве для его осуществления, 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 способа одновременно заключается в возможности производить математическую обработку сигналов, получаемых от полупроводникового детектора.
Лабораторные исследования показали, что реализация в заявляемых способе и 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 предложенные способ и 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, выполненном 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).
Предлагаемые способ и устройство обеспечивают сверхнизкое потребление при возможности работы от низких питающих напряжений с полупроводниковыми детекторами в микротоковом режиме.
Сущность заявляемых технических решений поясняется изображенной на фиг.1 функциональной схемой устройства измерения уровня радиации.
На фиг.2 схематично изображена основная плата преобразующего каскада и совмещенный с ней объем компаунда, в котором установлен полупроводниковый детектор.
Способ измерения уровня радиации широкозонными полупроводниковыми детекторами осуществляется следующим образом.
Выходной аналоговый сигнал детектора предварительно усиливают в преобразующем усилительном каскаде путем подачи сигнала с выхода полупроводникового детектора 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).
Предложенные способ измерения уровня радиации широкозонными полупроводниковыми детекторами и устройство для его осуществления способны работать с различными типами полупроводниковых детекторов с хорошими эксплуатационными характеристиками и применимы в различных типах аппаратуры, в том числе лабораторной, многодетекторной, переносной.
1. Способ измерения уровня радиации широкозонными полупроводниковыми детекторами, включающий регистрацию детектором квантов ионизирующего излучения, преобразование полученного от детектора сигнала и его предварительное усиление, последующее преобразование полученного сигнала в вычислительном устройстве, отличающийся тем, что выходной аналоговый сигнал детектора предварительно усиливают в преобразующем усилительном каскаде путем подачи 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, полученный сигнал преобразуют в импульсное напряжение с формированием 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.
2. Устройство для измерения уровня радиации, содержащее полупроводниковый детектор, связанный с входом предварительного усилителя, и вычислительное устройство, отличающееся тем, что 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.
3. Устройство для измерения уровня радиации по п.2, отличающееся тем, что полупроводниковый детектор выполнен на основе одного из широкозонных материалов: CdTe, CdZnTe, HgJ.
4. Устройство для измерения уровня радиации по п.2, отличающееся тем, что объем, в котором установлен детектор, выполнен из компаунда на основе силикона.
