Результат интеллектуальной деятельности: МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ИННОВАЦИОННЫЙ МОДУЛЬНЫЙ ДОЗИМЕТР

Изобретение относится к радиационной безопасности. Служит для измерения параметров ионизирующего излучения: мощности дозы гамма-излучения, плотности потока альфа- и бета-излучения, накопленной индивидуальной дозы гамма-излучения.

Известен Радиометр РКС-107. Профессиональный прибор. Внесен в государственный реестр средств измерений под номером 16925-97 Используется 2 датчика СБМ-20 с фильтрами. Датчики подключены параллельно. Измерение мощности амбиентной дозы гамма-излучений:

Диапазон измерений - 0,1-999,9 мкЗв/ч.

Погрешность измерения: ±(20-30)%.

Диапазон энергий (0,06-1,25) МэВ.

Время измерения 54 с.

К недостаткам данного прибора можно отнести: малый диапазон измерений, большое время измерения, отсутствие математической обработки результатов измерения, отсутствие возможности подключения к ПК и связи с мобильными устройствами.

Известен Дозиметр-радиометр МКС-05 «Терра». Профессиональный прибор. Внесен в государственный реестр средств измерений под номером 24975-08. В качестве детектора используется 1 датчик СБМ-20 с фильтром. Измерение мощности амбиентной дозы гамма-излучений:

Диапазон измерений - 0,1 до 9999.99 мкЗв/ч.

Погрешность измерения: ±(15+2/N)%, где N- безразмерная величина, численно равная измеренному значению МЭД в мкЗв/ч.

Диапазон энергий (0,05-3) МэВ.

Время измерения 60 с.

К недостаткам данного прибора можно отнести: большое время измерения, отсутствие возможности самостоятельного изменения кол-ва детекторов для оптимизации технических характеристик, отсутствие возможности подключения выносного детектора, отсутствие возможности измерения плотности потока α-частиц с поверхности, отсутствие возможности подключения к ПК.

Наиболее близким к заявленному изобретению может служить Дозиметр ДРГ-01Т1. Профессиональный прибор. Внесен в государственный реестр средств измерений под номером 11036-04. В качестве детектора используются 4 параллельно подключенных газоразрядных счетчика СБМ-20 и два счетчика СИ- 34Г (СИ-40Г) с корректирующими свинцовыми фильтрами.

Измерение мощности амбиентной дозы гамма-излучений:

Диапазон измерений - от 0,1 до 99999,99 мкЗв/ч. Разделен на 2 поддиапазона (I - от 0,010 мР/ч до 9,999 мР/ч; II - от 0,010 Р/ч до 9,999 Р/ч).

Погрешность измерения: ±(15+0,05(%, где - измеренное значение мощности экспозиционной дозы в единицах соответствующего поддиапазона измерения (мР/ч или Р/ч); х - предел измерения в единицах соответствующего поддиапазона (мР/ч или Р/ч). Диапазон энергий (0,05-3) МэВ.

Время измерения 25 с.

К недостаткам данного прибора можно отнести: достаточно большое время измерения при заданном уровне погрешности. Параллельная схема подключения детекторов приводит к возникновению так называемого «мёртвого времени» в результате резкого падения напряжения на счётчиках, а стабилизация питающего напряжения счётчика отсутствует. Отсутствует возможность подключения выносного детектора, отсутствует возможность подключения к ПК и связи с мобильными устройствами, отсутствует звуковая сигнализация.

Задача заявляемого решения - получение прибора повышенной точности с малым необходимым временем измерения, кроме того, с высокой энергоэффективностью, необходимой для длительной работы, также с возможностью подключения выносного детектора и с возможностью подключения прибора к ПК и связи с мобильными устройствами.

Технический результат - повышение точности проводимых измерений параметров ионизирующего излучения с использованием газоразрядных счетчиков Гейгера-Мюллера.

Технический результат достигается тем, что в качестве детектора используются 4 параллельно подключенных газоразрядных счетчика, но при этом применен поканальный принцип обработки информации, получаемой с детекторов ионизирующего излучения, сигнал, полученный с каждого счетчика Гейгера, обрабатывается отдельно, благодаря чему резкое снижение напряжения после попадания частицы на одном счетчике никак не влияет на другие счетчики, на которых продолжается регистрация частиц, вследствие чего исключается взаимное влияние детекторов и снижается погрешность показаний, кроме того, схема обладает стабилизированным питанием детекторов ионизирующего излучения, что позволяет снизить время измерения и повысить точность измерения, а также имеется возможность подключения выносного детектора и возможность подключения прибора к ПК и установления связи с мобильными устройствами считывания, хранения и обработки информации.

Структурная схема устройства дозиметра представлена на фиг. 1.

Центральным элементом прибора является 32-рязрядный микроконтроллер STM 32 повышенной энергоэффективности на ядре Cortex M3. Контроллер позволяет при помощи минимальных энергетических затрат обрабатывать информацию, поступающую по нескольким каналам одновременно. Данный микроконтроллер обладает достаточным быстродействием для того, чтобы обрабатывать сигналы от первичных преобразователей, находящихся в полях ИИ высокой интенсивности (предельно возможной для счетчика СБМ-20).

В качестве детекторов излучения в приборе используется 4 счетчика Гейгера-Мюллера СБМ-20, помещенных в специальный фильтр, выполненный из свинцовой фольги. Фильтр предназначен для выравнивания энергетической характеристики счетчика Гейгера-Мюллера (СГМ), в профессиональной литературе известной как «ход с жесткостью». Алгоритм обработки информации, полученной с СГМ, учитывает наличие у счетчика мертвого времени. На основе паспортной нагрузочной характеристики счетчика СБМ-20 нами была получена аналитическая зависимость нагрузочной характеристики с учетом мертвого времени счетчика. Данная зависимость внесена в программу контроллера и используется для подсчета мощности дозы и накопленной индивидуальной дозы гамма-излучения. Алгоритм работы прибора позволяет автоматически определить вышедший из строя детектор и исключить его из работы. В зависимости от комплектации прибор может работать с 1, 2, 3 и 4 счетчиками СБМ-20. Кроме того, предусмотрена возможность подключения различных выносных α- и (или) β-детекторов с предварительным заданием «мертвого времени» подключаемого детектора в меню прибора.

Электрическую схему дозиметра можно условно разделить на 3 системы:

1. Модуль питания.

2. Блок обработки информации.

3. Высоковольтный преобразователь.

Все 3 системы реализуют принцип максимальной энергоэффективности за счет применения высокоэффективных электронных компонентов и использования оптимальных алгоритмов управления силовыми элементами электрической схемы.

Основу системы питания составляет высокоэффективный преобразователь фирмы Texas Instruments. Питание может осуществляться с помощью аккумуляторов или с помощью батареек типоразмера АА.

Блок обработки информации реализуется на базе микроконтроллера STM 32. Этот же микроконтроллер управляет высоковольтным преобразователем. Высоковольтный преобразователь построен по схеме, реализующей числоимпульсный метод управления без обратной связи по высокому напряжению. Высокое напряжение стабилизировано и составляет В, что снижает погрешность, связанную с наклоном плато счетной характеристики счетчика СБМ-20 в пределах ±0,5%.

Принцип работы прибора представлен на фиг. 1.

Регистрация гамма-излучения осуществляется с помощью четырех счетчиков Гейгера-Мюллера СБМ-20 (1), на каждый из которых подано напряжение 400 В от высоковольтного преобразователя (2). Преобразователь напряжения (2) реализует числоимпульсный способ регулирования напряжения без использования обратной связи по высокому напряжению, что способствует повышению энергоэффективности прибора. При прохождении частицы через чувствительный объем СГМ возникает импульс тока, что ведет к просадке напряжения на электродах СГМ. Это падение напряжения усиливается предварительным усилителем, формируется в положительный электрический импульс и подается на вход микроконтроллера (3). Данный процесс происходит в каждом канале независимо. По наличию импульсов, приходящих по всем каналам, определяется количество подключенных СГМ и выбирается необходимое время счета. Подсчитанные за выбранное время счета импульсы корректируются с учетом нагрузочной характеристики СГМ (коррекция мертвого времени). После чего откорректированное количество импульсов пересчитывается в мощность дозы в мкЗв/час и выводится на экран прибора (4). В случае, если включен режим подсчета накопленной дозы, полученное значение мощности дозы умножается на время измерения и сохраняется в ячейке памяти (5) и в дальнейшем суммируется со следующим значением измеренной дозы, и так до отключения режима подсчета накопленной дозы. Схема контролирует наличие питающего напряжения. В случае его резкого пропадания или уменьшения, последнее полученное значение дозы сохраняется в энергонезависимой быстродействующей памяти. Питание схемы осуществляется от преобразователя напряжения (6). Для измерения α- и β-излучения к прибору подключен внешний СГМ (7). Возможна реализация беспроводной связи по радиоканалу при помощи модуля связи (8).

Регистрация гамма-излучения осуществляется с помощью четырех счетчиков Гейгера-Мюллера СБМ-20, на каждый из которых подано напряжение 400 В от высоковольтного преобразователя. Преобразователь напряжения 2 реализует числоимпульсный способ регулирования напряжения без использования обратной связи по высокому напряжению, что также способствует повышению энергоэффективности прибора.

В данной модели реализован способ повышения точности регистрации ионизирующего излучения дозиметром с использованием газоразрядных счетчиков Гейгера-Мюллера. Данный способ заключается в раздельной обработке сигнала каждого детектора. В отличие от прототипа счетчики работают независимо друг от друга. А значит, при попадании ионизирующей частицы на один из счетчиков, происходит падение напряжения только на этом счетчике, и только этот счетчик прекращает реагировать на другие частицы в течение 0,2 мс (мертвое время счетчика). В то время как другие счетчики продолжают работать в штатном режиме и получаемая с них информация продолжает поступать и непрерывно обрабатываться микроконтроллером. Данный подход увеличивает точность регистрации до 20% и уменьшает необходимое время измерения до 15 с при применении 4-х счетчиков Гейгера.

Технические характеристики модели (при использовании 4х счетчиков СБМ-20 и выносного счетчика СБТ-10 :

Многофункциональный инновационный модульный дозиметр предназначен для измерения следующих характеристик ионизирующего излучения (ИИ):

1) Мощности дозы гамма-излучения.

2) Индивидуальной дозы персонала, контактирующего с источником ИИ.

3) Плотности потока β-частиц с поверхности.

4) Плотности потока α-частиц с поверхности.

Возможности прибора:

- Изменяемое количество детекторов ИИ.

- Возможность подключения к ПК и обработки данных.

- Возможность использования выносного α- и (или) β-детектора.

- Возможность обновления микропрограммы устройства по USB.

- Различные виды питания (аккумуляторное, батарейное).

- Дозиметр предоставляет следующий набор технических функций:

- Функция определения мощности дозы гамма-излучения.

- Функция подсчета индивидуальной дозы.

- Функция определения плотности потока α- и β-частиц.

- Функция радиометра.

Также реализовано:

- Наличие быстродействующей энергонезависимой памяти для хранения данных о накопленной дозе. Применение быстродействующей энергонезависимой памяти, позволяет сохранить информацию о накопленной дозе в экстренных, внештатных ситуациях (отключение питания)

- Наличие режима повышенного энергосбережения.

- Наличие порогового сигнализатора. Порог сигнализации может устанавливаться пользователем. Тип сигнализации - звуковая, световая, вибрационная. Звук и вибросигнал пользователь может отключить.

- Возможность задания мертвого времени внешнего счетчика Гейгера-Мюллера.

- Наличие часов реального времени, необходимых для подсчета накопленной дозы.

- Возможность передачи данных на мобильные устройства по беспроводной линии связи.

- Простое и интуитивно понятное меню.

- Применен монохромный дисплей с целью обеспечения хорошей читаемости показаний в любых условиях освещения (яркое солнце, затемненное помещение). Кроме того, монохромный дисплей гораздо более экономичен.

Благодаря применению данного раздельного способа регистрации ионизирующего излучения уменьшается необходимое время регистрации до 15 секунд (у прототипа 25 с) при статистической погрешности в 20% для доверительной вероятности 0.95. Время регистрации данного прибора является наименьшим среди всех существующих дозиметров с газоразрядными детекторами Гейгера-Мюллера при аналогичной статистической погрешности в 20% для доверительной вероятности 0.95.