Спосіб вимірювання іонізуючого випромінювання та пристрій для його реалізації

Винахід належить до області вимірювань іонізуючого ядерного випромінювання і може бути використаний в дозиметрії навколишнього середовища та радіаційного контролю робочих місць і т.д. Відомі аналог [2] та прототип [3] по способу виготовлення комбінованого детектора які не дозволяють виходячи з їх конструкції проводити реєстрацію альфа випромінювання. Відомий прототип [1] по способу вимірювання бета, гамма та рентгенівського випромінювання основним недоліком якого є неможливість реєструвати альфа-випромінювання. Задача - реєстрація та ідентифікація рентгенівського, альфа, бета та гамма випромінювання за рахунок використання комбінованого детектора на основі кремнієвих p-i-n фотодіодів та сцинтилятора. Поставлена задача досягається тим, що: 1. Спосіб вимірювання рентгенівського, альфа, бета та гамма випромінювання, який містить: кремнієві p-i-n фотодіоди, та способи реєстрації рентгенівського, альфа, бета та гамма випромінювання основані на зчитуванні заряду з кремнієвих p-i-n фотодіодів попередніми зарядочутливим підсилювачами в залежності від типу іонізуючого випромінювання для реєстрації рентгенівського випромінювання після вхідного вікна з тонкої берилієвої фольги першим кремнієвим p-i-n фотодіодом, реєстрацію бета випромінювання другим кремнієвим p-i-n фотодіодом , реєстрацію гамма випромінювання сцинтилятором, світлові спалахи від якого реєструються третім кремнієвим p-i-n фотодіодом, відрізняється тим, що для реєстрації, та ідентифікації рентгенівського, альфа, бета та гамма випромінювання на основі кремнієвих фотодіодів та сцинтилятора, реєстрацію альфа випромінювання здійснюють p-n переходом першого фотодіода при відкритому вхідному вікні, ідентифікацію альфа випромінювання здійснюють за рахунок використання знімного вхідного вікна для проникнення альфа частинок в перший фотодіод та амплітудного дискримінатора, нижній поріг амплітудного дискримінатора встановлюють більше максимальної енергії рентгенівського випромінювання, далі імпульси від альфа частинок подають на суматор імпульсів альфа випромінювання, реєстрацію бета випромінювання здійснюють першим та другим фотодіодом розташованими один за одним послідовно ідентифікацію бета частинок здійснюють в режимі співпадання коли імпульси від першого та другого фотодіодів в часі співпадають і на виході схеми співпадання на кожний акт співпадання імпульсів з'являється один імпульс на виході схеми співпадань, що відповідає проходженню бета частинки через два фотодіоди, далі імпульси від бета частинок з виходу схеми співпадання подають на суматор імпульсів бета випромінювання, реєстрацію гамма променів здійснюють сцинтилятором за рахунок поглинання гамма квантів сцинтилятором утворюються світлові спалахи, які реєструють p-n переходом третього фотодіода імпульси від якого подають на другий вхід другої схеми антиспівпадань імпульсів, на перший вхід якої, подають імпульси від бета частинок з виходу схеми співпадань, бета частинки які пройшли через перші два фотодіоди потрапляють в сцинтилятор утворюють в ньому світлові спалахи які реєструються p-n переходом третього фотодіода, електричні імпульси від якого в часі співпадають з електричними імпульсами від перших дво х фотодіодів, ідентифікацію гамма променів здійснюють за рахунок використання другої схеми антиспівпадань, яка відокремлює і блокує електричні імпульси від бета частинок з фотодіодів, так що вони не потрапляють на вихід другої схеми антиспівпадання і на виході другої схеми антиспівпадання з'являються тільки імпульси від гамма променів, які подають на суматор імпульсів гамма випромінювання, реєстрацію рентгенівського випромінювання здійснюють при закритому вхідному вікні першим фотодіодом, при цьому імпульси від поглинутого рентгенівського випромінювання підсилюються та вирізаються двостороннім амплітудним дискримінатором, з низу по амплітуді так, щоб відокремити корисний сигнал від шуму підсилювачів, з вер ху так, щоб максимальна амплітуда імпульсів відповідала максимальній енергії рентгенівських квантів, далі ці вирізані імпульси формують по амплітуді та тривалості і подають на другий вхід першої схеми антиспівпадань імпульсів, відокремлення рентгенівських променів від бета частинок здійснюють за рахунок першої схеми антиспівпадань імпульсів яка блокує електричні імпульси від бета частинок з фотодіодів, так що вони не проходять на вихід першої схеми антиспівпадання і на виході першої схеми антиспівпадання з'являються тільки імпульси від рентгенівських променів, які подають на суматор імпульсів рентгенівського випромінювання, вимірювання дози іонізуючого випромінювання та потоку альфа і бета частинок здійснюють мікроконтролером з відображенням результатів вимірювання на рідиннокристалічному дисплеї, як в режимі накопичення дози так і в режимі поточних вимірювань . 2. Спосіб по п.1 відрізняється тим, що результати вимірювань іонізуючого випромірювання проголошуються голосом з попередженням перевищення дозволених доз опромінення. 3. Пристрій для вимірювання рентгенівського, альфа, бета та гамма випромінювання, що містить мікроконтролер, перша група виходів якого з'єднана з рідиннокристалічним дисплеєм, органи керування приладом, група входів-виходів яких з'єднана з другою групою входів-виходів мікроконтролера, програмуючий пристрій, перша група входів-виходів якого з'єднана з комп'ютером, друга група входіввиходів програмуючого пристрою з'єднана з третьою групою входів-ви ходів мікроконтролера, третя група входів-ви ходів програмуючого пристрою з'єднана з першою групою входів-ви ходів аналогово-цифрового перетворювача, постійний запам'ятовуючий пристрій, група входів-виходів якого з'єднана з четвертою групою входів-ви ходів мікроконтролера, відрізняється тим, що для реєстрації, та ідентифікації рентгенівського, альфа, бета та гамма випромінювання додатково введені цифро-аналоговий перетворювач, підсилювач, гучномовець, суматор імпульсів альфа-випромінювання, суматор імпульсів рентгенівського випромінювання, суматор імпульсів бета-випромінювання, суматор імпульсів гаммавипромінювання, комбінований детектор, виготовляють з трьох фотодіодів, які розміщують в корпусі детектора, який має вхідне вікно з тонкої берілієвої фольги, вхідне вікно виготовляють так, щоб його можна було знімати і знову надіти на корпус детектора, потім біля вхідного вікна розміщують перший фотодіод послідовно за першим фотодіодом розміщують другий фотодіод, третій фотодіод приклеюють до задньої грані сцинтилятора своєю світло-чутли вою стороною і розміщують так, щоб передня - протилежна грань сцинтилятора по відношенню до задньої грані, на якій приклеєний третій фотодіод була розташована після другого фо тодіода, блок детектування, причому п'ята група входів-виходів мікроконтролера з'єднана з першою групою входів-виходів цифро-аналогового перетворювача, вихід якого з'єднаний з входом підсилювача, вихід підсилювача з'єднаний з гучномовцем, виходи комбінованого детектора з'єднані з входами блоку детектування, перший вихід якого з'єднаний з входом суматора альфа-випромінювання, перша група входів-ви ходів суматора імпульсів альфа-випромінювання з'єднана з шостою групою входів виходів мікроконтролера, другий вихід блоку детектування з'єднаний з входом суматора імпульсів рентгенівського випромінювання, перша група входів-виходів суматора імпульсів рентгенівського випромінювання з'єднана з сьомою групою входів-виходів мікроконтролера, третій вихід блоку детектування з'єднаний з входом суматора імпульсів бета-випромінювання, перша група входів-виходів суматора імпульсів бета-випромінювання з'єднана з восьмою групою входів-виходів мікроконтролера, четвертий вихід блоку детектування з'єднаний з входом суматора імпульсів гамма-випромінювання, перша група входів-ви ходів суматора імпульсів гамма-випромінювання з'єднана з дев'ятою групою входів-виходів мікроконтролера. 4. Пристрій по п.2 відрізняється тим, що додатково містить зарядовочутливий підсилювач, дискримінатор, схему співпадань імпульсів, схему антиспівпадань імпульсів, формувач імпульсів, підсилювач з коефіцієнтом підсилення К1, підсилювач з коефіцієнтом підсилення К2 та підсилювач з коефіцієнтом підсилення К3, причому перший фото діод своїми виводами з'єднаний з входом попереднього зарядочутливого підсилювача першого фото діода, вихід якого з'єднаний з входом першого підсилювача з коефіцієнтом підсилення К1, вихід першого підсилювача з коефіцієнтом підсилення К1 з'єднаний з входом першого дисримінатора, входом четвертого дискримінатора, входом п'ятого дискримінатора, вихід першого дискримінатора з'єднаний з входом першого формувача імпульсів вихід, якого з'єднаний з першим входом схеми співпадань, другий фотодіод своїми виводами з'єднаний з входом попереднього зарядочутливого підсилювача другого фо то діода, вихід якого з'єднаний з входом другого підсилювача з коефіцієнтом підсилення К2, вихід другого підсилювача з коефіцієнтом підсилення К2 з'єднаний з входом другого дисримінатора, вихід якого з'єднаний з входом другого формувача імпульсів, вихід др угого формувача імпульсів з'єднаний з другим входом схеми співпадань імпульсів, третій фотодіод своїми виводами з'єднаний з входом попереднього зарядочутливого підсилювача третього фото діода, вихід якого з'єднаний з входом третього підсилювача з коефіцієнтом підсилення К3, вихід третього підсилювача з коефіцієнтом підсилення К3 з'єднаний з входом третього дисримінатора, вихід якого з'єднаний з входом третього формувача імпульсів, вихід третього формувача імпульсів з'єднаний з другим входом другої схеми антиспівпадань імпульсів, перший вхід першої схеми антиспівпадань імпульсів та перший вхід другої схеми антиспівпадань імпульсів з'єднані між собою і підключені до виходу схеми співпадань імпульсів, вихід четвертого дискримінатора з'єднаний з входом четвертого формувача імпульсів, вихід якого з'єднаний з другим входом першої схеми антиспівпадань імпульсів, вихід п'ятого дискримінатора з'єднаний з входом п'ятого формувача імпульсів. Суттєві відмінності: 1. Використовуються не великі напруги та стр уми живлення фото діодів. 2. Ідентифікація різновидностей випромінювання за рахунок використання одного комбінованого детектора. 3. Використовуються не великі напруги та стр уми живлення для всього приладу. На Фіг.-1 позначено: 1 - перший фотодіод; 2 - другий фотодіод; 3 - сцинтилятор; 4 - третій фотодіод; 5 корпус; 6 - виводи фотодіодів; 7 - джерело іонізуючого випромінювання. На Фіг.-2 позначено: 1 - перший фотодіод; 2 - другий фотодіод; 3 - сцинтилятор; 4 - третій фотодіод; 5 попередній зарядовочутливий підсилювач першого фотодіода; 6 - попередній зарядовочутливий підсилювач другого фотодіода; 7 - попередній зарядовочутливий підсилювач третього фотодіода; 8 перший підсилювач з коефіцієнтом підсилення К1; 9 - другий підсилювач з коефіцієнтом підсилення К2; 10 третій підсилювач з коефіцієнтом підсилення К3; 11 - перший дискримінатор; 12 - другий дискримінатор; 13 третій дискримінатор; 14 - перший формувач імпульсів; 15 - другий формувач імпульсів; 16 - третій формувач імпульсів; 17 - схема співпадання; 18 - друга схема антиспівпадання; 19 - четвертий дискримінатор; 20 - четвертий формувач імпульсів; 21 - перша схема антиспівпадань; 22 - п'ятий дискримінатор; 23 - п'ятий формувач імпульсів; 24 - вихід бета променів; 25 - вихід гамма променів; 26 вихід рентгенівських променів; 27 - вихід альфа променів. На Фіг.-3 позначено: 1 - суматор імпульсів альфа випромінювання; 2 - суматор імпульсів рентгенівського випромінювання; 3 - суматор імпульсів бета-випромінювання; 4 - суматор імпульсів гаммавипромінювання; 5 - мікроконтролер; 6 - програмуючий пристрій; 7 - комп'ютер; 8 - органи керування приладом; 9 - комбінований детектор; 10 - блок детектування; 11 - постійний запам'ятовуючий пристрій; 12 аналогово-цифровий перетворювач; 13 - цифро-аналоговий перетворювач; 14 - підсилювач; 15 гучномовець; 16 - рідиннокристалічний дисплей. Комбінований детектор виготовляють на основі трьох кремнієвих p-i-n фотодіодів, які розміщують в корпусі детектора як показано на Фіг.-1. Корпус має вхідне вікно з тонкої берілієвої фольги, вхідне вікно виготовляють так, щоб його можна було знімати і знову надіти на корпус детектора, потім біля вхідного вікна розміщують перший фотодіод послідовно за першим фотодіодом розміщують другий фотодіод. Третій фотодіод приклеюють до задньої грані сцинтилятора своєю світлочутливою стороною і розміщують так, щоб протилежна передня грань сцинтилятора була розташована після другого фо тодіода. Корпус повинен бути герметичним і непрозорим для проникнення світла. Спосіб вимірювання та ідентифікації рентгенівського, альфа, бета та гамма випромінювання, оснований на використанні комбінованого детектора. Перший фотодіод використовується для реєстрації a та рентгенівського випромінювання, перший та другий фотодіоди використовується для реєстрації bвипромінювання, третім фотодіодом реєструється гамма-випромінювання. Розділення цих видів випромінювання здійснюється за рахунок амплітуди імпульсів та методів співпадань і антиспівпадань імпульсів в часі. Розглянемо більш детально суть способу вимірювання на прикладі блоку детектування Фіг.-2. Реєстрацію бета випромінювання здійснюють першим та другим фотодіодом при цьому імпульси від бета частинок з першого фотодіода подають на перший попередній зарядовочутливий підсилювач та перший підсилювач з коефіцієнтом підсилення К1. За допомогою першого дискримінатора обрізають власний шум першого попереднього зарядовочутливого підсилювача та першого підсилювача з коефіцієнтом підсилення К1. Формують імпульси по амплітуді та тривалості першим формувачем імпульсів, які потім подають на перший вхід схеми співпадань. Аналогічно імпульси від бета частинок з другого фотодіода подають на другий попередній зарядовочутливий підсилювач та другий підсилювач з коефіцієнтом підсилення К2 і за допомогою другого дискримінатора обрізають власний шум другого попереднього зарядовочутливого підсилювача та другого підсилювача з коефіцієнтом підсилення К2. Формують імпульси другим формувачем імпульсів, які подають на другий вхід схеми співпадань імпульсів. Ідентифікацію бета частинок здійснюють в режимі співпадання, коли імпульси від першого та другого фотодіодів в часі співпадають і на виході схеми співпадання на кожний акт співпадання імпульсів з'являється один імпульс на виході схеми співпадань, що відповідає проходженню бета частинки через два фотодіоди. Далі імпульси від бета частинок з виходу схеми співпадання подають на суматор імпульсів бетавипромінювання. Реєстрацію гамма променів здійснюють сцинтилятором за рахунок поглинання гамма квантів сцинтилятором утворюються світлові спалахи, які реєструють p-n переходом третього фотодіода імпульси від якого підсилюються третім попереднім зарядовочутливим підсилювачем та третім підсилювачем з коефіцієнтом підсилення К3. Третім дискримінатором обрізають власний шум третього попереднього зарядовочутливого підсилювача та третього підсилювача з коефіцієнтом підсилення К3. Сформовані по амплітуді та тривалості імпульси третім формувачем імпульсів подають на другий вхід др угої схеми антиспівпадань імпульсів. На перший вхід цієї схеми подають імпульси від бета частинок з виходу схеми співпадань. Бета частинки які пройшли через перші два фотодіоди потрапляють в сцинтилятор утворюють в ньому світлові спалахи які реєструються p-n переходом третього фотодіода, електричні імпульси від якого в часі співпадають з електричними імпульсами від перших двох фото діодів. Ідентифікацію гамма променів здійснюють за рахунок використання другої схеми антиспівпадань, яка відокремлює і блокує електричні імпульси від бета частинок з фотодіодів, таким чином, що вони не потрапляють на вихід другої схеми антиспівпадання. На виході другої схеми антиспівпадання з'являються тільки імпульси від гамма променів які не співпадають. Ці імпульси подають на суматор імпульсів гамма випромінювання. Вимірювання рентгенівського випромінювання при закритому вхідному вікні здійснюють першим фотодіодом, при цьому імпульси від поглинаючого рентгенівського випромінювання підсилюються першим попереднім зарядовочутливим підсилювачем та підсилювачем з коефіцієнтом підсилення К1. Ці імпульси вирізаються двостороннім амплітудним четвертим дискримінатором, з низу по амплітуді так, щоб відокремити корисний сигнал від шуму цих підсилювачів, з верху так, щоб максимальна амплітуда імпульсів відповідала максимальній енергії рентгенівських квантів. Далі ці вирізані імпульси формують по амплітуді та тривалості четвертим формувачем імпульсів і подають на другий вхід першої схеми антиспівпадань імпульсів. Відокремлення рентгенівських променів від бета частинок здійснюють за рахунок першої схеми антиспівпадань імпульсів, яка блокує електричні імпульси від бета частинок з фотодіодів, так що вони не проходять на вихід першої схеми антиспівпадання і на виході першої схеми антиспівпадання з'являються тільки імпульси від рентгенівських променів. Ці імпульси подають на суматор імпульсів рентгенівського випромінювання. Фіг.-2. 7 Реєстрацію альфа випромінювання здійснюють p-n переходом першого фотодіода при відкритому вхідному вікні, при цьому електричні імпульси від першого попереднього зарядовочутливого підсилювача поступають на перший підсилювач з коефіцієнтом підсилення К1. Ці імпульси подають на вхід п'ятого дискримінатора, поріг якого встановлюють більше порогу реєстрації максимальної енергії рентгенівських квантів. П'ятим фомувачем формують по амплітуді та тривалості електричні імпульси які подають на суматор імпульсів - альфа частинок. Ідентифікацію альфа випромінювання здійснюють за рахунок використання знімного вхідного вікна для проникнення альфа частинок в перший фотодіод та амплітудного дискримінатора. Вимірювання дози іонізуючого випромінювання здійснюють мікроконтролером за рахунок використання спеціалізованої програми з відображенням результатів вимірювання на рідиннокристалічному дисплеї, як в режимі накопичення дози так і в режимі поточних вимірювань. Фіг.-3. Результати вимірювань іонізуючого випромінювання можуть проголошуватись голосом з попередженням перевищення дозволених доз опромінення. Пристрій для вимірювання іонізуючого випромінювання працює наступним чином. На вхід аналоговоцифрового перетворювача подають слова з голосовими назвами одиниць, десятків, сотень, тисяч, десятків тисяч і т.д. цифр та голосові назви одиниць вимірювання доз опромінення цифр, а також голосові попередженням перевищення дозволених доз опромінення. Після аналогово-цифрового перетворення за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення ця інформація заноситься в пам'ять комп'ютера через програмуючий пристрій. За допомогою цього програмного забезпечення з комп'ютера через програмуючий пристрій записують в пам'ять мікроконтролера спеціальну програму по якій повинен працювати прилад, а в зовнішню додаткову пам'ять - постійний запам'ятовуючий пристрій записують голосову інформацію, яку повинен відтворювати цифро-аналоговий перетворювач. Мікроконтролер в залежності від команд з органів керування приладом і записаної в нього робочої програми проводить зчитування кількості зареєстрованих імпульсів з суматорів імпульсів альфа, бета, гамма та рентгенівського випромінювання Фіг.-3 і проводить розрахунок доз опромінення та потоків зареєстрованих частинок. Результати вимірювання відображаються на рідинно-кристалічному дисплеї. При необхідності за допомогою органів керування можна встановити режим роботи приладу таким чином, що мікроконтролер після вимірювання доз опромінення буде ідентифікувати та відтворювати голосові повідомлення про виміряні дози. При такому режимі роботи мікроконторолер ідентифікує та зчитує цифрову інформацію з постійно-запам'ятовуючого пристрою і подає її не цифро-аналоговий перетворювач який перетворює в голосове повідомлення яке підсилюється і промовляється гучномовцем. Література: [1]. 2065177 (13) Вид документа С1 (14) Дата публикации 1996.08.10 (19) Страна публикации RU (21) Регистрационный номер заявки 5025327/25 (22) Дата подачи заявки 1992.02.03 (46) Дата публикации формулы изобретения 1996.08.10 (516) Номер редакции МПК 6 (51) Основной индекс МПК G01T1/00 Название Способ дозиметрии гамма-, рентгеновского излучений и электронных потоков (56) Аналоги изобретения 1. Иванов В.И. Курс дозиметрии, М.: Атомиздат, 1975, с.385. 2. Scharmann Α., Kriegseis W. Present sfate of art of TSEEdoisimetry. Radiation Protection Dosimetry, vol.17, 1986, p.359-366. 3. Ettinger K.V., Brondo J., Holowacz J. Progress in dosimetry. Radiation Protection Dosimetry, vol.33, 1990, p.163166. (71) Имя заявителя Уральский государственный технический университет (72) Имя изобретателя Зацепин А.Ф. (72) Имя изобретателя Кортов B.C. (72) Имя изобретателя Ушкова В.И. (72) Имя изобретателя Галанов Г.Н. (72) Имя изобретателя Лучинин А.С. (прототип по способу реєстрації іонізуючого випрмінювання) [2]. Л.В. Атрощенко, С.Ф. Бурачас, Л.П. Гальчинецкий, Б.В. Гринев, В.Д. Рыжиков, Н.Г. Старжинский, Кристаллы сцинтилляторов и детекторы ионизирующи х излучений на их основе, Киев Наукова думка, 1998г. стр.253-294 (аналог по способу виготовлення детектора) [3]. (11) Номер публикации 1623451 (13) Вид документа А1 (14) Дата публикации 1994.01.15 (19) Страна публикации SU (21) Регистрационный номер заявки 4470710/25 (22) Дата подачи заявки 1988.08.08 (46) Дата публикации формулы изобретения 1994.01.15 (516) Номер редакции ΜΠК 5 (51) Основной индекс МПК G01T1/20 Название Комбинированный детектор ионизирующи х излучений (72) Имя изобретателя Гуляев Ф.Е. (72) Имя изобретателя Квятковская Е.Ф. (72) Имя изобретателя Рыжиков В.Д. (72) Имя изобретателя Сохин В.П. (прототип по способу виготовлення детектора)