Устройство для контроля радиационной обстановки

Устройство для контроля радиационной обстановки

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области дозиметрических приборов. Наиболее эффективно устройство может быть использовано в условиях чрезвычайной ситуации, когда употребление приборов других типов может быть затруднено по техническим или организационным причинам.

Среди производимой различными организациями радиометрической аппаратуры можно найти дозиметрический прибор практически для любой конкретной задачи, см., например, [1]. Однако, почти все известные радиометры имеют общие черты, так или иначе ограничивающие их применение. К таковым относятся:

1) необходимость для обеспечения работы радиометра постоянно иметь свежий комплект питания. Непрерывное поддержание элементов питания радиометров в рабочем состоянии является одной из задач служб радиационного контроля и в условиях работы этих служб вне чрезвычайной ситуации легко ими выполняется. Разнообразие типов применяемых элементов питания может вызвать, тем не менее, определенные трудности, особенно в критической ситуации;

2) относительно слабая защищенность электронных элементов радиометров от сильных радиационных полей. Считается, что полупроводниковая электроника обладает высокой радиационной стойкостью. Однако, опыт ликвидации последствий радиационных аварий показал, что полупроводниковые электронные элементы дают значительное число отказов, вызванных пребыванием в сильных радиационных полях. По свидетельству ликвидаторов, работавших на крыше 4-го блока Чернобыльской АЭС, наиболее надежные показания обеспечивали радиометры, в схеме которых не содержится полупроводниковых радиоэлектронных элементов (ДП-5, ДП-11) (Б.Козлов. "Записки ликвидатора". Знамя, 1992, №11) [2].

Контроль радиационной обстановки включает в себя знание таких основных параметров, как мощность дозы и величина эквивалентной дозы.

Известен карманный дозиметр фотонного излучения DG-101, предназначенный для измерения эффективной дозы и мощности дозы (Разработка научно-инженерного Центра "СНИИП", http://www.sniip.ru/0107/htm [3]). Прибор имеет полупроводниковый детектор излучения. Измерительная часть выполнена на специальной большой интегральной схеме. Для питания прибора использованы литиевые батареи. Отображение значений дозы и мощности дозы производится на жидкокристаллическом индикаторе.

Источник питания (батарея) обеспечивает работу электронных схем счета и индикации, а также преобразователя напряжения для питания детектора. Попадание ионизирующего излучения в чувствительный объем детектора приводит к появлению на резисторе нагрузки электрических импульсов. Количество импульсов в единицу времени пропорционально мощности дозы регистрируемого излучения. Электрические импульсы подаются на устройство счета, управления и индикации, которое производит счет числа импульсов за фиксированное время, пересчет полученной величины в мощность дозы ионизирующего излучения и индикацию значения мощности дозы на жидкокристаллическом индикаторе. Для проведения измерений радиационной обстановки необходимо убедиться в пригодности элементов питания и в работоспособности электронной схемы. Затем производят измерения, то есть для определения мощности дозы фиксируют количество импульсов в единицу времени; при определении эквивалентной дозы измерение производится аналогично, но счетчик импульсов не сбрасывается по достижении фиксированного интервала времени, а непрерывно накапливает число зарегистрированных детектором частиц, и накопленное значение пересчитывается электронной схемой прибора в величину дозы.

Время работы прибора от одного комплекта питания 1,5 месяца при рабочем цикле 8 часов в сутки.

Прибор применялся для ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС.

Однако, прибор не лишен отмеченных выше недостатков, то есть электронная часть прибора не защищена от воздействий ионизирующих излучений, а примененные источники питания имеют ограниченный ресурс как с точки зрения хранения прибора, так и в рабочих условиях.

Известен также дозиметр ДКГ-01И, разработка научно-инженерного Центра "СНИИП", http://www.sniip.ru/0113/htm. [4]. Прибор предназначен для измерения мощности эквивалентной дозы и дозы фотонного излучения и оценки с помощью звуковой сигнализации уровня мощности эквивалентной дозы и применяется для оперативного контроля радиационной обстановки на предприятиях при проведении работ, связанных с фотонным излучением, и для индивидуального дозиметрического контроля. В приборе использованы два газоразрядных детектора с различной чувствительностью. Отображение значений дозы и мощности дозы осуществляется с помощью цифрового жидкокристаллического дисплея. Время непрерывной работы без подзарядки 100 часов (в естественном радиационном фоне) и 8 часов - в рабочем диапазоне мощностей доз.

Устройству свойственны перечисленные выше недостатки.

В качестве прототипа рассмотрено устройство для контроля радиационной обстановки - профессиональный дозиметр ДГК-РМ-1603. Прибор рассчитан на самые жесткие условия эксплуатации. Назначение прибора - измерение мощности дозы гамма-излучения и измерение эквивалента дозы гамма-излучения. В дозиметре использован газоразрядный счетчик. Время работы с одним элементом питания - до 9 месяцев (каталог Научно-производственного предприятия "Доза", Аппаратура радиационного контроля, каталог-2002, Моск.обл, п.Менделеево, ГП "ВНИИФТРИ", ЗАО НТП "Доза", стр.106) [5].

Обладая рядом свойств, облегчающих измерения, и широкими функциональными возможностями, данный прибор так же, как и приборы, рассмотренные выше, не лишен указанных выше недостатков, а именно не приспособлен к длительному пребыванию в сильных радиационных полях. Кроме, того, источники питания после длительного хранения не всегда могут быть использованы, что может оказаться неудобным в критической ситуации.

Задачей предлагаемого технического решения является создание устройства для контроля радиационной обстановки повышенной надежности, устойчивого к пребыванию в сильных радиационных полях и удовлетворяющего требованию постоянной готовности.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для контроля радиационной обстановки, содержащем источник питания, детектор излучения, узел управления и индикации, источник питания выполнен на основе пьезоэлектрического генератора и полупроводниковые элементы источника питания и узла счета и индикации помещены в защитную оболочку, например из свинца или других материалов, поглощающих ионизирующие излучения, а также введен узел - прямопоказывающий дозиметр, питающийся от того же источника питания. Возможность питания электронных схем с помощью пьезогенератора описана в патенте (19) RU (11) 2150170 (13) С1 (см. также Мартын Нунупаров, Электронные компоненты, 2001, №4, стр.32).

Предложенная совокупность признаков позволяет повысить надежность прибора для определения радиационной обстановки, особенно при использовании его в критических условиях, и, насколько известно автору предлагаемого изобретения, ранее не применялась и в литературе описана не была.

Произведенные численные оценки и макетирование узлов прибора доказывают возможность создания компактного и надежного индикатора ионизирующих излучений. Применение в качестве источника питания генератора на пьезоэлементах может представляться затруднительным ввиду сравнительно малой величины энергии, вырабатываемой таким генератором (порядка десятков микроампер-секунд). Однако, если схемное решение электронной части прибора позволяет производить измерения с минимальным потреблением энергии, то конструкция оказывается работоспособной.

Применение защитной оболочки для повышения радиационной стойкости полупроводниковых элементов в устройствах для контроля радиационной обстановки автору предлагаемого изобретения также неизвестно. Все выпускающиеся промышленностью приборы имеют в составе конструкции электронную схему, расположенную, как правило, на плоской печатной плате или аналоге таковой, что затрудняет создание защитной оболочки минимальной массы и объема.

Вариант конструкции показан в виде блок-схемы на фиг.1, где обозначено:

источник питания на основе пьезоэлементов 1;

детектор излучения (газоразрядный или полупроводниковый) 2;

узел счета и индикации 3;

защитная оболочка для полупроводниковых элементов источника питания и узла счета и индикации 4;

прямопоказывающий дозиметр 5.

Узел счета и индикации включает в себя следующие элементы: нагрузка детектора (резистор) 6; интегрирующие цепи и диодные дискриминаторы (по числу задействованных сегментов индикатора) 7, жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) 8; индикатор готовности 9. Полупроводниковые элементы устройства помещены в защитную оболочку 4. Прямопоказывающий дозиметр 5 подключен к источнику питания на пьезоэлементах 1.

На фиг.2 представлен вариант схемы одного из каналов амплитудного дискриминатора с индикатором.

Устройство работает следующим образом.

Для проведения измерений необходимо один или несколько раз нажать кнопку источника питания на пьезоэлементах 1 до появления на индикаторе готовности 9 сигнала о готовности к измерениям. В качестве индикатора готовности 9 может быть использован один из сегментов жидкокристаллического индикатора 8. Сигнал означает, что входящий в состав источника питания 1 конденсатор заряжен до напряжения, необходимого для работы детектора излучений 2. Импульсы напряжения, появляющиеся на сопротивлении нагрузки 6 в результате срабатывания детектора 2, подаются на включенные параллельно интегрирующие цепи и диодные дискриминаторы 7, к которым подключаются сегменты жидкокристаллического индикатора 8. Параметры интегрирующих цепей и дискриминаторов выбраны таким образом, чтобы при увеличении скорости счета происходило поочередное срабатывание сегментов жидкокристаллического индикатора. По числу "горящих" сегментов индикатора 8 определяется мощность дозы ионизирующего излучения. При проведении непрерывных измерений следует периодически нажимать на кнопку источника питания 1, контролируя по сигналу готовности 9 величину напряжения на детекторе.

Индикатор готовности устройства может быть реализован, например, как включенная параллельно конденсатору питания цепь, состоящая из газоразрядного стабилитрона и резистора нагрузки, напряжение с которого подается на один из сегментов жидкокристаллического индикатора. По достижении напряжения питания рабочей величины через стабилитрон начинает протекать ток и на ЖКИ отображается сигнал готовности.

Вариант схемы интегрирующей цепи с диодным дискриминатором показан на фиг.2. В конструкции предлагается использовать многоканальный амплитудный дискриминатор на кремниевых диодах, входы отдельных каналов объединены и подключены к интегрирующей цепи, напряжение на которой пропорционально скорости счета. Выход каждого из каналов соединен с соответствующим сегментом жидкокристаллического индикатора. Такая схема, благодаря тому, что жидкокристаллический индикатор обладает весьма малым потреблением, не требует отдельного питания, то есть в качестве питания индикатора могут быть использованы импульсы напряжения, образующиеся на резисторе нагрузки в результате срабатывания детектора. При этом каждый из каналов дискриминатора имеет свой определенный порог срабатывания, а сегменты жидкокристаллического индикатора расположены в порядке возрастания порогов, образуя таким образом линейную шкалу, по которой производится оценка мощности дозы. Как вариант, для определения скорости счета могут быть использованы пороговые свойства жидкокристаллического индикатора.

Предлагаемый прибор предназначен для ориентировочной оценки мощности дозы ионизирующего излучения в аварийных ситуациях. Дополнительной функцией прибора может служить возможность контроля полученной интегральной дозы облучения. Поскольку в одном механическом узле могут быть использованы несколько пьезоэлементов, то целесообразно конструктивно объединить в предлагаемом приборе функции пьезоэлектрического зарядного устройства и прямопоказывающего дозиметра (фиг.1, поз.5). Прямопоказывающий дозиметр 5 состоит из ионизационной камеры, электроскопа и микроскопа, посредством которого производятся наблюдение за нитью электроскопа и отсчет зарегистрированной дозы (ДК-02, ИД-1). Для измерения дозы с помощью пьезоэлектрического источника питания заряжают ионизационную камеру дозиметра, выставляя при этом положение нити электроскопа на нулевую отметку. По истечении времени измерения значение эквивалентной дозы отсчитывают по шкале электрометра.

При определении параметров защитной оболочки 4 следует принимать во внимание, что наиболее опасными для полупроводниковых элементов являются излучения, интенсивно взаимодействующие с тонкими слоями вещества. К таковым относятся бета-излучение и электромагнитное (рентгеновское) и гамма- излучение сравнительно небольшой (до 100 кэВ) энергии. Для защиты от этих излучений можно применить экран из свинца. Слоя свинца толщиной 5-8 мм достаточно, чтобы практически целиком защитить электронные компоненты от воздействия бета-излучения и в 100-1000 раз снизить дозу мягкого гамма-излучения. Масса защитной оболочки исходя из указанной выше необходимой толщины свинца и ввиду малых габаритов полупроводниковых элементов может составлять 50-100 Г.

Литература

1. Хлынов Е.А., Астахов В.И. Дозиметр-радиометр проникающего излучения. Патент РФ №2061244.

2. Б.Козлов. "Записки ликвидатора", Знамя, 1992, №11.

3. Радиометр-дозиметр DG-101. Разработка научно-инженерного Центра "СНИИП", http://www.sniip.ru/0107/htm.

4. Дозиметр ДКГ-01И. Разработка научно-инженерного Центра "СНИИП", http://www.sniip.ru/0113/htm.

5. Каталог Научно-производственного предприятия "Доза", Аппаратура радиационного контроля, каталог-2002, Моск.обл, п.Менделеево, ГП "ВНИИФТРИ", ЗАО НТП "Доза", стр.106 - прототип.

Устройство для контроля радиационной обстановки, содержащее один или более детекторов излучения, источник питания, обеспечивающий появление импульса напряжения на нагрузке детектора при срабатывании последнего, узел счета и индикации, индикатор готовности источника питания, отличающееся тем, что источник питания выполнен на пьезоэлементах, а полупроводниковые элементы источника питания и узла счета и индикации помещены в защитную оболочку, обеспечивающую радиационную стойкость входящих в нее элементов, а также в устройство дополнительно введен прямопоказывающий дозиметр, связанный с источником питания.