Способ измерения мощности дозы ионизирующего излучения в широком интервале рабочих температур
Владельцы патента RU 2557329:
Федеральное Государственное Казенное Учреждение "33 Центральный научно-исследовательский испытательный институт" Министерства обороны Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к области измерения ионизирующих излучений. Способ повышения точности измерений мощности дозы гамма-излучения, проводимых в широком интервале температур окружающей среды измерителем мощности дозы, состоящим из пульта управления и детекторного блока, заключается в измерении параметра ионизирующего излучения дозиметрическим прибором и коррекции результата измерения с учетом реализовавшегося в текущий момент времени значения систематической составляющей погрешности измерения, обусловленной температурной зависимостью чувствительности прибора, при этом в измерительном пульте прибора размещают термодатчик, а его сигнал после преобразования используют для корректировки результата измерения мощности дозы, причем поправочные коэффициенты устанавливают путем предварительного испытания прибора при различных температурах, а их значения записываются непосредственно в долговременную энергонезависимую память модуля обработки данных прибора, при проведении корректировки выбирается коэффициент, соответствующий значению температуры, наиболее близкой к измеренной датчиком. Технический результат - повышение точности измерения мощности. 3 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области измерения ионизирующих излучений.
Цель изобретения - повышение точности измерений путем снижения погрешности, обусловленной изменением температуры окружающей среды.
Большинство существующих технических средств измерения параметров ионизирующего излучения предназначены для измерения мощности дозы гамма-излучения.
Для дозиметрических приборов одной из главных нормируемых метрологических характеристик является предел допускаемой относительной основной погрешности измерения, максимальное значение которой регламентируется соответствующими нормативными документами.
Основная погрешность формируется вследствие неточности градуировки прибора в лабораторных условиях при проведении измерений в нормальных условиях в пучке гамма-излучения с известным спектральным составом. При проведении измерений в реальных условиях на прибор начинает воздействовать ряд новых факторов, влияющих на точность его показаний.
В этой связи кроме основной погрешности измерения для дозиметрических приборов требуется нормирование ряда дополнительных погрешностей [1]. Данные погрешности определяются влиянием на показания прибора энергии регистрируемого излучения, температуры, относительной влажности, атмосферного давления, напряжения электропитания, постоянного и переменного магнитного поля и др. Пределы дополнительных погрешностей в рабочих условиях измерений указываются в ТУ и паспортах (Руководствах по эксплуатации) на конкретные дозиметрические приборы.
Одной из указанных нормируемых дополнительных погрешностей, оказывающей существенное влияние на точность измерения, является погрешность, обусловленная изменением температуры окружающей среды. Данная погрешность у технических средств различного поколения нормируется по-разному, но точкой отсчета являются нормальные климатические условия, в которых, как правило, обеспечивается минимальная погрешность измерения [2].
Анализ технических характеристик измерителей мощности дозы показывает, что предельное значение температурной погрешности определяется зависимостью чувствительности прибора от температуры окружающей среды и диапазоном рабочих температур и в результате может составлять от ±30 до ±70%. Так, например, пределы дополнительной относительной погрешности измерения при изменении температуры окружающей среды от нормальной до рабочих повышенной или пониженной составляют:
- для дозиметра гамма-излучения ДКГ-02У «Арбитр» от ±30% до ±40% (не более ±10% при отклонении температуры окружающей среды на каждые 10°C относительно нормальных условий в диапазоне рабочих температур от -20°C до +50°C для диапазона измерений дозы от 1 до 108 мкЗв и диапазона измерений мощности дозы от 1·10-1 до 3·106 мкЗв·ч-1);
- для измерителя мощности дозы ДП-5В от ±40% до ±60% (не более ±10% при отклонении температуры окружающей среды на каждые 10°С относительно нормальных условий в диапазоне рабочих температур от -40°С до +50°С для диапазона измеряемых мощностей доз от 50 мкР/ч до 200 Р/ч);
- для дозиметра-радиометра МКС-07Н от ±20% до ±30% (не более ±5% при отклонении температуры окружающей среды на каждые 10°С относительно нормальных условий в диапазоне рабочих температур от -40°C до +55°C для диапазона измерений дозы от 10-6 до 999 Зв и диапазона измерений мощности дозы от 10-7 до 10 Зв/ч);
- для измерителя мощности дозы ИМД-21С от ±30% до ±70% (не более ±10% при отклонении температуры окружающей среды на каждые 10°C относительно нормальных условий в диапазоне рабочих температур от -50°C до +50°C для диапазона измеряемых мощностей доз от 1 до 10000 Р/ч).
Таким образом, указанные погрешности в реальных условиях могут привести к большим суммарным ошибкам измерений, что в конечном итоге приведет к неадекватной оценке радиационной обстановки.
Результаты конкретных измерений показывают, что зависимость погрешности измерения от температуры внешней среды для современных измерителей мощности дозы имеет достаточно сложный характер. В таблице 1 приведены результаты измерений мощности дозы гамма-излучения с использованием прибора ДП-5В. При проведении эксперимента прибор помещался в камеру климатической установки ТХ-500. Перед окном камеры в переносном коллиматоре помещался источник излучения на основе радионуклида Cs-137, создающий на расстоянии 1 м мощность экспозиционной дозы равную 62 мР/ч. Расстояние между источником излучения и детектором прибора составляло около 1,6 м.
Следовательно, снижение дополнительной погрешности, обусловленной зависимостью чувствительности прибора от температуры внешней среды, является актуальным, поскольку эксплуатация измерителей мощности дозы предполагает их использование в различное время года и в различных климатических районах.
Известен способ учета дополнительной погрешности, обусловленной температурной зависимостью чувствительности, который заключается во введении в ручном режиме поправок на результат измерения исходя из условий измерения. Однако для реализации такого способа необходимо знание температуры окружающей среды, т.е. требуется проведение ее измерения с использованием дополнительного оборудования (термометр) и последующее вычисление температурной поправки на конечный результат измерения, в связи с чем он является трудоемким [3].
Известен также способ повышения точности измерения мощности дозы гамма-излучения за счет компенсации погрешности, обусловленной температурной зависимостью чувствительности, и устройство для его осуществления (Руководство по эксплуатации Т71.570.028-01 РЭ и Т71.570.027-01 РЭ на наземный (изделие ГО.2.61.20-01) и воздушный комплекс (изделие ГО.2.61.10-01) разведки и поиска источников ионизирующего излучения из состава КРПИ) [4, 5]. Способ заключается в том, что при температуре окружающей среды ниже 20°C осуществляется автоматический подогрев блоков детектирования. Устройство, реализующее этот способ, включает в себя терморегулятор, который служит для поддержания постоянной температуры около 25°C. Чувствительным элементом в терморегуляторе является полупроводниковый резистор ММТ-4А, включенный в мостовую схему. Необходимая величина чувствительности обеспечивается усилителем постоянного тока на микросхеме 153УД6. Для включения тепловыделяющих транзисторов используются ключевые схемы на транзисторных матрицах 1НТ251А.
Основными недостатками указанного способа является то, что конструкция устройства, реализующая этот способ, не является компактной и мощность, потребляемая блоком детектирования при включенном обогреве, составляет порядка 90 Вт, что делает невозможным использование данного устройства в носимых измерителях мощности дозы. Кроме того, еще одним существенным недостатком указанного способа является отсутствие компенсации погрешности при повышенной температуре.
Целью изобретения является повышение точности измерения мощности дозы путем автоматического учета температурной зависимости чувствительности без существенных энергетических и временных затрат.
На фиг. 1 представлена структурная схема типового современного носимого измерителя мощности дозы.
Существующие в настоящее время достижения в радиоэлектронике и в области ядерного приборостроения позволили разработать алгоритм работы прибора, обеспечивающий непрерывность процесса измерения, статистическую обработку результатов измерений, установление времени измерений в обратной зависимости от интенсивности излучений (оперативная адаптация к изменению интенсивности регистрируемого излучения) и представление полученной информации на дисплее. В энергонезависимой памяти измерителя мощности дозы (SEEPROM) хранятся все калибровочные коэффициенты, откуда они считываются основным информационным блоком. Управление режимами работы прибора, модулем питания прибора (источник первичного и вторичного электропитания), дисплеем, энергонезависимой памятью, клавиатурой, сбором и обработкой информации от блока детектирования, самодиагностикой, а также выполнением необходимых вычислений по заданному алгоритму осуществляет микропроцессорный контроллер (CPU) [6, 7].
Предлагаемое техническое решение для повышения точности измерения мощности дозы заключается в том, что в типовую схему прибора вводится дополнительный модуль, содержащий в себе датчик температуры с аналого-цифровым преобразователем (фиг. 2) [8].
Температурный модуль (датчик температуры + аналого-цифровой преобразователь) позволяет осуществлять измерение температуры окружающей среды в широком диапазоне рабочих температур (от -55°C до +125°C, в зависимости от модели датчика).
Датчик температуры можно закрепить (установить) как в блоке детектирования, так и (или) в измерительном пульте технического средства.
Для обеспечения работоспособности предложенного устройства требуется предварительная калибровка прибора в целом, которая заключается в определении поправочных коэффициентов на показания измерителя мощности дозы в зависимости от температуры окружающей среды и чувствительности измерителя мощности дозы от нее.
При этом достаточно точное аналитическое описание данной зависимости на основе ее аппроксимации с помощью полиномов различных степеней для серийных измерителей мощности дозы не представляется возможным. На фиг. 3 показаны зависимости, аппроксимирующие данные таблицы 1 с помощью полиномов 3 и 5 степеней, а также интерполяция данных с использованием полинома 7-й степени. Из представленных данных видно, что практически невозможно добиться абсолютной погрешности аппроксимации меньше 5%.
Следовательно, наилучшим техническим решением является непосредственное определение поправочных коэффициентов, осуществляемое в пределах всего рабочего диапазона температур, при которых будет эксплуатироваться техническое средство. Количество поправочных коэффициентов должно выбираться исходя из температурной зависимости чувствительности конкретного прибора и требуемой точности вводимых поправок.
Полученные поправочные коэффициенты заносятся в энергонезависимую память измерителя мощности дозы (SEEPROM), откуда они будут считываться основным информационным блоком в ходе измерения мощности дозы и обработки данных по заданному алгоритму и автоматически учитываться при формировании итогового результата измерения.
В целом работа устройства будет состоять в следующем: параллельно с измерением мощности дозы (блок детектирования + CPU + SEEPROM) идет измерение температуры окружающей среды (температурный модуль + CPU + SEEPROM); по заданному алгоритму осуществляется статистическая обработка полученных данных и при формировании итогового результата измерения мощности дозы перед выводом его на дисплей автоматически учитывается поправочный коэффициент, соответствующий текущему значению температуры окружающей среды (CPU + SEEPROM + дисплей).
Отличительной особенностью предлагаемого технического решения является то, что корректировка результатов измерения мощности дозы производится автоматически, что позволяет повысить точность измерения мощности дозы ионизирующего излучения в широком интервале рабочих температур без использования дополнительного оборудования (термометр, калькулятор и пр.), а также повышенного энергопотребления и ручных расчетов.
При этом предлагаемое устройство не будет отличаться повышенной сложностью и вследствие своей компактности не внесет значительных изменений в существующие конструкции измерителей мощности дозы и не увеличит их массогабаритные характеристики, что позволит его использовать как в носимых измерителях мощности дозы, так и установленных на борту различных носителей (воздушных, наземных).
Таким образом, с учетом вышеизложенных обобщений предлагается способ повышения точности измерений параметров ионизирующего излучения, проводимых дозиметрическим прибором в широком интервале температур окружающей среды, заключающийся в измерении параметра ионизирующего излучения дозиметрическим прибором и коррекции результата измерения с учетом реализовавшегося в текущий момент времени значения систематической составляющей погрешности измерения, обусловленной температурной зависимостью чувствительности прибора, отличающийся тем, что в дозиметрическом приборе размещают термодатчик, а его сигнал после преобразования используют для корректировки результата измерения, причем зависимость необходимой степени коррекции результата от величины сигнала устанавливают путем испытания прибора при различных температурах с записью соответствующих поправочных коэффициентов в долговременную энергонезависимую память модуля обработки данных дозиметрического прибора.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. ГОСТ 27451-87. Средства измерений ионизирующих излучений. Общие технические требования [Текст]. - Введ. 1989-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 1988. - 35 с.
2. ГОСТ 15150-69. Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды [Текст]. - Введ. 1971-01-01, с изменениями №№1, 2, 3, 4, утв. в янв. 1978 г., дек. 1982 г., окт. 1988 г., нояб. 2005 г. - М.: Изд-во стандартов. - 153 с.
3. Мартынюк Ю.Н., Нурлыбаев К.Н. Погрешность или неопределенность в дозиметрии [Электронный ресурс]/ Ю.Н. Мартынюк, К.Н. Нурлыбаев / НИИ «Доза» - Режим доступа: ht1p://wwwJsrm.ru/flles/publications/ Pogreshnost_ili_neopredelennost_v_dozimetrii.pdf, свободный. - Загл. с экрана.
4. Изделие ГО.2.61.20 [Текст] / Техническое описание Т71.570.028 ТО. - 1993. - 160 с.
5. Комплекс радиационной разведки и поиска ионизирующих излучений КРРПИИ. Изделие ГО.2.61.00 Т71.570.026. Изделие ГО.2.61.10 [Текст] / Руководство по эксплуатации Т71.570.027 РЭ. - СПб., 2000. - 245 с.
6. Дозиметр-радиометр поисковый МКС-РМ1401К [Текст] / Руководство по эксплуатации ТИГР. 412114.008 РЭ. - ООО «Полимастер», 2003. - 87 с.
7. Дозиметр-радиометр МКС-07Н [Текст] / Руководство по эксплуатации ПНКГ 45.00.00.000 РЭ. - 2004. - 79 с.
8. Кашкаров А.П. Фото- и термодатчики в электронных схемах [Текст] / А.П. Кашкаров. - Альтекс, 2004. - 222 с.
Способ повышения точности измерений мощности дозы гамма-излучения, проводимых в широком интервале температур окружающей среды измерителем мощности дозы, состоящим из пульта управления и детекторного блока, заключающийся в измерении параметра ионизирующего излучения дозиметрическим прибором и коррекции результата измерения с учетом реализовавшегося в текущий момент времени значения систематической составляющей погрешности измерения, обусловленной температурной зависимостью чувствительности прибора, отличающийся тем, что в измерительном пульте прибора размещают термодатчик, а его сигнал после преобразования используют для корректировки результата измерения мощности дозы, причем поправочные коэффициенты устанавливают путем предварительного испытания прибора при различных температурах, а их значения записываются непосредственно в долговременную энергонезависимую память модуля обработки данных прибора, при проведении корректировки выбирается коэффициент, соответствующий значению температуры, наиболее близкой к измеренной датчиком.
