CN104903744A

CN104903744A - 用于感测离子电流的设备

Info

Publication number: CN104903744A
Application number: CN201380068747.4A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·普朗斯
Original assignee: University of Sussex
Current assignee: University of Sussex
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2015-09-09
Also published as: JP2015533422A; KR20150085516A; US9576776B2; BR112015009953A2; RU2015118456A; US20150279642A1; WO2014068304A1; GB201219488D0; EP2914980A1

Abstract

本发明提供一种带电粒子传感器(10)，用于探测和测量由来源于电离过程的带电粒子所生成的离子电流，包括：壳体(16)；被包围在壳体内的用于收集带电粒子的探测电极(14)；以及静电计(12)，具有连接至探测电极的用于接收来自其的DC输入信号的输入端以及用于供应DC测量信号作为输出的输出端(18)。壳体包括用于将探测电极与外部电场屏蔽的静电屏蔽布置(16)，从而降低探测电极对于这样的场的灵敏度。静电屏蔽布置包括导电的屏蔽片(26)，该导电的屏蔽片(26)提供作为面对探测电极的第二电极并且被形成为具有间隙以允许辐射进入到壳体中，并且第二电极和探测电极被布置为在使用中相对于彼此以偏置电压被保持，以便实现在来源于电离过程的带电粒子之中的电荷分离并且从而产生在探测电极上冲击的离子电流。

Description

用于感测离子电流的设备

本发明涉及用于感测和测量由带电粒子生成的离子电流的设备。

电离过程产生带电粒子或离子，并且本发明在其优选实施方案中探测和测量来源于这样的电离过程的离子电流。

如本文采用的表达‘离子电流’可以是指由通过电离过程所生成的离子组成的电流的意思。离子电流可以存在于气体、真空、液体或固体材料，如将被描述的。

此外，如本文采用的，表达‘辐射’可以是指如在快电子和重带电粒子的情况下包括带电微粒辐射，，以及如在电磁辐射或中子的情况下包括不带电辐射。

现有技术

用于探测通过电离辐射的源产生的电流的器件的各种形式是已经知道的。

常规的电离室辐射探测器通过传递经过在产生气体分子的电力作用的室的内部的气体的带电粒子或辐射来进行操作。离子对在该电离过程期间形成在气体内，并且电场的施加用来分离所有的带电的离子对以进行收集。与电场成比例的生成导体中的电流脉冲，直到在其中这些器件通常被操作并且被计数以提供输出的饱和水平。这样的探测器通常采用大的电场(～10⁵V/m)，并且要求具有窗口的被密封的气体(例如氩气)填充的管子，辐射传递通过该窗口。窗口材料通常由薄的金属箔或云母片组成。

更具体地，这样的电离室可以具有圆柱形的结构，具有中线(centralwire)形式的收集电极和圆柱形壳体形式的外电极。在中心电极和外电极之间的通常为100-300V的大的径向电场产生电荷分离的过程，由此电离产物可以被线电极收集。来源于室内的电离过程的电流脉冲馈通高值电阻以产生电压脉冲。电压脉冲通过电容器AC耦合于高带宽放大器，其意图放大脉冲以用于脉冲计数的目的。

已知的电离烟雾探测器包括小的²⁴¹Am源(<1μCu)，其生成用于通过电极收集的带电粒子以将输入电流提供至利用电阻器和FET的源的组合所偏置的FET器件。金属壳体围绕²⁴¹Am源、电极和FET，并且通常在固定的DC电势处被偏置，从而提供电场。壳体具有洞，烟雾经过洞进入并且通过碰撞使由²⁴¹Am源生成的粒子流动减少，从而改变在FET器件的输入端上的电势并且因此输出电压。输出被供应至比较器，在比较器中该输出与参考电压进行比较，并且当超过特定限值时触发警报。商业烟雾探测器使用集成电路器件并且以脉冲模式操作以节约电池寿命。

以上的探测器探测烟雾的存在或不存在，并且被简单设计为当烟雾的量超过特定水平时则断开。探测不是连续的，并且没有发生电荷或电流的定量测量，这显著地限制了该已知器件的应用。

已公布的国际专利申请第WO03/048789号涉及电势传感器，其电容耦合至待探测的源并且通过AC位移电流来运行。这样的传感器可以测量电场、空间电势以及，在特定的条件下，静电荷。

然而，这种已知的电势传感器不具有探测带电粒子和电离过程的产物的能力或测量由此产生的离子电流的能力。

本发明

本发明寻求提供用于探测和测量由电离过程所生成的离子电流并且用于提供测量信号作为输出的传感器。

本发明寻求能够分辨由于电场导致的信号和由于离子电流导致的那些信号。

在优选的实施方案中，本发明寻求提供用于探测气体、真空、液体或固体中的离子电流并且用于测量这样的离子电流的带电粒子传感器。

在一个示例中，本发明寻求提供传感器，其中电离过程响应于某些中性粒子和辐射的存在而产生，从而创造带电粒子，并且其中所得到的离子电流被探测且测量。

本发明还寻求提供对于在上文提到的现有技术探测器的极大地成本效率的进步。

本传感器被特别地配置为通过静电屏蔽的使用对于外部电场、空间电势和静电荷不敏感。代替地，传感器响应于由探测电极所收集的带电粒子。

因此，本传感器的特征是用于将电极与外部电场电气屏蔽的布置，将对电场、静电荷和电势的灵敏度有效地降低至尽可能接近于零。为了该目的被提供的静电屏蔽可以采取导电壳体结构的形式，其包括导电的网格或其他的具有间隙或物理孔的片材材料，间隙或物理孔可以允许带电的或不带电的辐射和粒子的通过。

根据本发明的一个方面，提供一种用于探测和测量由来源于电离过程的带电粒子所生成的离子电流的带电粒子传感器，包括：壳体；探测电极，其被包围在壳体内以用于收集带电粒子；以及静电计，其具有连接至探测电极的用于接收来自其的DC输入信号的输入端以及用于供应DC测量信号作为输出的输出端，壳体包括用于将探测电极与外部电场屏蔽的静电屏蔽，从而降低探测电极对于这样的场的灵敏度，静电屏蔽包括导电的屏蔽片，其被提供作为面对探测电极的第二电极并且被形成为具有间隙以允许辐射进入到壳体中，其中第二电极和探测电极被布置为在使用中相对于彼此以偏置电压被保持，以便实现在来源于电离过程的带电粒子之中的电荷分离，并且从而产生在探测电极上冲击的离子电流。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于探测中性辐射和粒子的带电粒子传感器，包括：探测电极；静电计，其具有被连接至电极的用于接收探测输入信号作为输入的输入端以及用于提供DC测量信号作为输出的输出端；以及静电屏蔽，其包围探测电极以用于将电极与外部电场屏蔽，从而降低探测电极对于这样的场的灵敏度，该静电屏蔽包括设置有用于辐射和粒子的通路的多个孔并且被布置为用作第二电极的导电材料的屏蔽片，探测电极具有被形成有涂层的平面表面，该涂层被布置为与辐射和粒子互相作用以通过化学反应或核反应生成带电粒子。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于感测由带电粒子生成的离子电流的方法，包括：通过用于将探测电极与外部电场屏蔽的静电屏蔽来包围探测电极，从而降低探测电极对于这样的场的灵敏度，该静电屏蔽包括被提供作为面对探测电极的第二电极并且被形成为具有间隙的导电的屏蔽片；将辐射传递通过屏蔽片，实现第二电极和探测电极之间的电荷分离，以产生在探测电极上冲击的离子电流；以及采用被连接至探测电极的用于接收来自其的DC输入信号作为输入并且用于供应DC测量信号作为输出的静电计。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于探测中性粒子和辐射的方法，包括：通过用于将探测电极与外部电场屏蔽的静电屏蔽来包围探测电极，从而降低探测电极对于这样的场的灵敏度，静电屏蔽包括设置有多个间隙并且被布置为用作第二电极的导电材料的屏蔽片；将粒子或辐射传递通过屏蔽片；将粒子或辐射与探测电极上的涂层互相作用以通过化学反应或核反应生成带电粒子；收集探测电极处的带电粒子；以及采用被连接至探测电极的用于接收来自探测电极的DC输入信号作为输入并且用于提供DC测量信号作为输出的静电计。

在本发明的一个实施方案中，来自样品源的带电粒子通过穿过屏蔽并且冲击在探测电极上而进入探测器，从而形成小的DC电流。该电子电流然后被布置为产生在探测器的输出端的与在输入端传送的电荷成比例的DC偏移，尽管不具有包括与样品源的DC连接的完整电路回路。通过将屏蔽视为栅格或通过增加另外的栅格且把其连接于固定电势(正的或负的)，另外的选择性可以被加入探测器中。通过该方法，粒子的极性和能量可以被确定。

通过与上文描述的现有技术电离室进行比较，根据本发明的实施方案的带电粒子传感器具有固有地更高的电容结构，具有平面的圆盘形状的被防护的集电极和平行的圆盘形状的网格电极，二者都被圆柱形屏蔽物围绕。

根据本发明的带电粒子传感器产生来源于以下的组合的DC平均电压信号：

1.直接地冲击在收集器电极上的带电粒子

2.来自在壳体内或外部的过程的‘子(daughter)’电离产物

3.中性粒子或辐射与涂覆电极互相作用的结果。

该DC电压是通过电极电容和静电计的有效输入阻抗的组合的积分过程的结果。

本发明将进一步以示例的方式参照附图进行描述，在附图中：

图1是根据本发明的带电粒子传感器的示意图；

图2是带电粒子传感器的电路图；

图3是总体的带电粒子传感器的框图；

图4至图9示出了图2的带电粒子传感器的变型的电路图；

图10是示出了导致通过带电粒子传感器的电极的探测的电离过程的图解；

图11和图12是通过采用图2的带电粒子传感器所获得的测量结果的曲线图；

图13是用于图2的传感器的变型的电路图，用于通过生成产生带电粒子的化学反应或核反应并且通过探测由这种带电粒子产生的离子电流来探测中性粒子和辐射；

图14是示出了导致通过带电粒子传感器的涂层电极的探测的电离过程的图解；

图15和图16是用于图2的传感器的变型的电路图，用于通过生成产生带电粒子的化学反应或核反应并且通过探测由这种带电粒子产生的离子电流来探测中性粒子和辐射；

图17是用作光学传感器的、用于图2的传感器的另一个变型的电路图；以及

图18是通过采用图17的带电粒子传感器所获得的测量结果的曲线图。

电离过程产生带电粒子，该带电粒子可以是如本文所定义的被分离以生成离子电流的电荷。这样的离子电流可以根据本发明通过结合有带电粒子传感器的传感设备来测量。电离过程的各种不同形式以及相应地传感设备的各种不同形式被设想为落入本发明的范围内。在某些情况下，带电粒子可以由在传感设备外的电离辐射的源产生，并且在某些情况下带电粒子可以通过在传感设备内的电离过程产生。然而，所有实施方案均包括具有特定共性特征的带电粒子传感器，如下文讨论的，用于探测和测量通过电离过程所产生的离子电流。

首先参照图1至图3，将描述根据本发明的一个实施方案的具有带电粒子传感器的传感设备。

如在图1中示出的，根据本发明的带电粒子传感器10包括具有探测电极14的静电计12，以及用于电极14的电场屏蔽布置16。电极14包括导电板电极，该导电板电极电连接至静电计12并且如下所述被布置为将DC输入提供至静电计12，然后该静电计12在输出端18供应DC测量信号。屏蔽布置16用于多个目的，包括提供用于电极14的电场屏蔽，以及提供用于与电极14共同地产生在设备内的在离子对之中的电荷分离的第二电极。屏蔽布置16也可以适于控制电极14对于传感设备内的带电粒子的灵敏度。

如所示出，探测电极14优选地是圆盘电极，并且被借助于来自静电计12的正反馈而保持在与电极14相同电势处的防护装置20所围绕。防护装置20在物理上围绕所有的电极14和输入电路以及从电极14至静电计12的导线，并且用作由静电计12中的放大器的输出所驱动的屏蔽物，例如如在图2中示出的。

屏蔽布置16包括静电屏蔽22，其具有第一电场屏蔽和第二电场屏蔽，其中该第一电场屏蔽为围绕电极14和防护装置20二者的圆柱形外壳或壳体24的形式，该第二电场屏蔽为跨越外壳或壳体24的开口面延伸且布置为面对圆盘电极14的平面表面的圆盘形的网格屏蔽电极26的形式。圆柱形外壳24和网格屏蔽电极26二者都由导电材料形成，由此把电极14与所有的外部电场屏蔽并且将电极14对这样的电场、静电荷和电势的灵敏度有效地减少至尽可能接近于零。网格屏蔽电极26形成为具有多个间隙或孔28，其允许空气、液体、辐射和带电粒子从外部通过网格屏蔽电极26进入壳体24中的通路，以使电极14能够收集冲击在其表面上的粒子。

圆盘形的网格屏蔽26平行于圆盘形的电极14，并且有效地形成第二电极。网格屏蔽电极26被保持在相对于电极14的参考电势处，如下文讨论的，以便辅助在壳体24内的离子对之中的电荷分离并且控制电极14对于冲击在其上的带电粒子的灵敏度。电极14然后收集这样的带电粒子，产生在导体中的标准的电子电流以用于作为向静电计12的输入的供应。同样地，壳体24必须被保持在参考电势，例如地面(earth)，并且必须不是浮动的，以确保在探测过程期间其本身不充电。网格屏蔽电极26和电极14之间的偏置电压可以典型地是低至几个伏特，例如在+或-的2.5至5伏特之间的某处。特定示例设想在+或-的4伏特之间的偏置电压。与在现有技术中所必需的高电压相比，这些低电压足以实现必需的电荷分离，这是由于高灵敏度的静电计12的使用。

图2是图1的带电粒子传感器10的电路图，示出了静电计12以及其与圆柱形外壳24和网格屏蔽电极26的电气连接的细节。如在图2中示出的，静电计12包括标准的非反相放大器30，电极14通过输入线14a被连接于标准的非反相放大器30的正输入端。放大器30的输出端被连接于传感器输出端18。如示出的，静电计12被连接在电源导轨V⁺和V^-之间，其中V典型地在2.5至5伏特之间，例如为4伏特。静电计12具有用于提供用于放大器30的输入偏置电流的DC偏压电阻器R_偏置、用于启动(bootstrapping)偏压电阻器R_偏置的包括电阻器R3和电容器C1的启动布置32、以及用于设置放大器30的增益的包括电阻器R1和R2的增益设置布置34。

具有增益的放大器被采用作为放大器30，因为在壳体24内的离子电流的小的振幅将不会以其它形式通过电极14被容易地探测到以用于由此收集。防护装置20被连接至与启动布置32的电容器C1相邻的点32a并且由此从增益被施加至放大器30的点通过放大器30的输出来驱动。通过借助于防护装置20来防护传感器电极14，向放大器30的有效输入电容可以被最小化，同时用于偏压电阻器R_偏置的启动布置用来增加向放大器30的输入电阻以提供高输入阻抗的静电计12。

圆柱形外壳24和网格屏蔽电极26二者都可以在多种配置中连接于参考电势的源，如将在下文参照图4至图9所描述的。

参照图3，总体的带电粒子传感器10的示意性框图被看到为包括放大器电路300、电极和电场屏蔽布置310以及DC耦合的输出级320，其中，该放大器电路300包括如图2中示出的放大器30，该电极和电场屏蔽布置310包括传感器电极14、网格屏蔽电极26和圆柱形外壳24，该DC耦合的输出级320包括用于生成DC测量信号作为输出的输出端18。各种辅助的反馈电路也被包括，例如包括防护装置20和启动电路32的正反馈布置330；包括增益设置电路34的负反馈布置340；以及包括DC偏压电阻器R_偏置以提供用于放大器电路300的稳定DC偏置电流的DC偏置网络350。这些辅助电路可以包括提供所指示的功能的另外的电路元件，并且增强辅助电路的另外的阻抗也可以被提供。

例如，网格屏蔽电极26和壳体24可以具有被叠加至DC电荷分离信号上的启动信号，如在图5中示出的。这可以被用于通过部分地中和壳体结构和传感器的电容来减少对于传感器的有效积分时间。

更具体地，用于传感器的积分时间是：

τ～R_有效.C_有效

其中R_有效是传感器的有效输入电阻，并且C_有效是由传感器输入电容、电极电容和壳体电容组成的总的有效电容。

启动偏压电阻器R_偏置增加了有效输入电阻R_有效，并且把启动程序(bootstrap)信号提供至壳体减少了总的有效电容C_有效。如果启动程序仅被应用于电阻器R_偏置，那么积分时间成为大的并且响应将是非常慢的。在另一个方面，如果启动程序也被应用于壳体，那么C_有效被减少从而补偿R_有效的增加。以这种方式，积分时间(其设置传感器的带宽)可以被控制，根据图5。

图3因此示出了传感器实施，包括为了防止被通过外部电场的探测的结果的影响和通过外部电场的探测的结果的失真所必需的屏蔽310，以及放大器电路300和DC耦合的输出级320，其使离子电流能够被电极14收集并且通过电极14被探测到，以生成用于向放大器30的输入端供应的电子电流，以在放大器30的输出端产生输出测量信号。灵敏度可以通过改变两个电场屏蔽24、26上的电压而得以控制，较高的偏置电压导致较高的灵敏度。如图所示，在电路330和340以及电路350中，提供用于静电计12的稳定DC偏置电流的输入阻抗增强反馈技术的组合对于本传感器的操作是必需的。

两个电场屏蔽24、26可以被电气连接于彼此以及被电气连接于参考电势，例如地面，或根据需要被固定在不同的电势处。圆柱形外壳24可以是接地的、如电极14一样被防护的、或在任一个极性的固定DC电势处。相似地，网格屏蔽26可以是接地的，被防护的、或被保持在固定的正的或负的极性处。这些电势的操纵允许特定极性和能量的带电粒子被接受或拒绝。此外，带电粒子传感器10和探测电极14的灵敏度可以通过改变网格屏蔽电极26和探测电极14之间的间距来控制。

各种屏蔽配置的示例显示在图4至图9中并且将参照图4至图9进行描述，其中与图2实施方案的那些相同的电路特征被示出。相似的零件被相同的参考数字指代并且将不被进一步描述。

第一选项在图4中示出，在其中圆柱形外壳24和网格屏蔽电极26二者通过各自的连接线36、38连接至地面接地线40。在该配置中，带电粒子传感器10对于带正电的粒子和带负电的粒子将具有相等的灵敏度并且将显示相对地低的灵敏度。这样的配置要求带电粒子被感测以具有相对地高的能量以到达电极14。

如果需要增强的灵敏度，那么圆柱形外壳24和网格屏蔽电极26可以通过各自的连接线42、44连接至防护装置20，以在与防护装置20相同的电势处，如在图5中示出的。这种配置通过减少寄生电容来增强输入阻抗，并且因此提高了对于带正电的粒子和带负电的粒子二者的灵敏度。

图6示出了以下布置：在其中圆柱形外壳24通过连接线46连接至接地线40，并且网格屏蔽电极26通过连接线48连接至防护装置20，从而将圆柱形外壳24置于接地并且将网格屏蔽电极26置于与防护装置20相同的电势处。在此，另外的杂散电容存在于接地屏蔽部，导致灵敏度的中间水平，这在某些应用中是可接受的，例如在来自²⁴¹Am源的短距离、低能量、带正电荷的α粒子或相似的低活性放射性同位素的探测中。

如果需要粒子极性的分辨，那么DC偏置电压可以如图7和图8中所示的被施加于网格屏蔽电极26，或者如图9中所示的通过将两个屏蔽24、26中的一个或两个连接至正的或负的电势源而被施加于圆柱形外壳24和网格屏蔽电极26二者。正的偏置电压将允许带负电的粒子被网格屏蔽电极26的优先吸引，以及因此带正电的粒子被圆盘电极14的探测，并且负的偏置电压将允许带正电的粒子被网格屏蔽电极26的优先吸引，以及因此带负电的粒子被圆盘电极14的探测。

更具体地，图7示出了以下布置：在其中圆柱形外壳24通过连接线50连接至接地线40以便使外壳24连接至地面或接地，并且网格屏蔽电极26通过线52连接至正电势源54(即，图2中的电源导轨30a)。网格屏蔽电极26从而在正的DC电压处被偏置，并且因此用于优先于带正电的粒子吸引带负电的粒子，使得传递通过网格屏蔽电极26并且冲击在电极14上的带电粒子将是带正电的那些带电离子。

相反地，在图8实施方案中，圆柱形外壳24仍然通过连接线50连接至接地线40并且从而被连接至地面或接地，而网格屏蔽电极26通过连接线56连接至负电势源58(即，图2中的电源导轨30b)。在本示例中，网格屏蔽电极26在负的DC电压处被偏置并且将吸引和收集带正电的粒子，同时允许带负电的粒子传递通过并且冲击在探测电极14上。

转向图9，将看到的是圆柱形外壳24和网格屏蔽电极26二者通过各自的连接线60、62被连接至电势源V，电势源V根据需要可以是正的或负的(分别地相应于图2中的电源导轨30a、30b中的一个)。该实施方案将提供在带正电的粒子和带负电的粒子之间的最高的分辨度，因为具有与正在被探测的那些相反极性的粒子将被吸引至圆柱形外壳24和网格屏蔽电极26二者。该两个屏蔽将因此允许一个极性的这些粒子中的非常少的粒子传递和到达探测电极14。

在每种情况下，传递通过网格屏蔽电极26的带电粒子收集在探测电极14上并且由此生成产生向放大器30的DC输入电流的电势，其然后被反射作为在输出端18的DC输出信号。在电极14处的DC电压是通过静电计的有效输入阻抗和电极电容的组合的积分过程的结果。DC电压提供与在由积分时间τ～R_有效.C_有效设置的时间尺度上发生的电离事件的数量成比例的信号，该时间通过传感器的总的有效电容和输入电阻来决定，如上文讨论的。

由包括电阻器R_偏置的DC偏置网络350所提供的有限的DC放电路径的存在防止传感器达到饱和。平衡条件在充电过程和放电过程之间达到，导致稳定的输出电压。例如，如果带电粒子的流动是使得流动到探测电极14中的输入电流I_输入是：

I_输入＝1fA(即10^-15A)

那么，如果我们采用具有反馈的R_偏置的有效值是10¹²Ω，那么这将生成在放大器的输入端的等于以下的信号：

R_偏置×I_输入＝10¹²×10^-15V

＝10^-3V

＝1mV

在实践中，根据本发明的基本实施方案的通过带电粒子传感器的探测过程可以是在某种程度上比上文所指示的更复杂，并且这样的实施方案的操作现在将参考图10概括地描述。如示出的，带电粒子A的源坐落在壳体24的外部在周围空气的环境中，并且粒子A经过网格屏蔽电极26进入壳体24并且直接地冲击在探测电极14上。还发生壳体24内的空气的电离，产生正的和负的带电粒子B。这些被在网格屏蔽电极26和收集器探测电极14之间的电场分离，并且一个极性的粒子B也冲击在探测电极14上。此外，在壳体24外部的空气的某些电离发生，产生正的和负的带电粒子C，其中的某些经过网格屏蔽电极26进入壳体24。这些粒子C也被在网格屏蔽电极26和收集器电极14之间的电场分离，但是具有比对于粒子B的情况低的效率。因此，探测器电极14收集特定极性的粒子A、B和C。DC平均电压信号然后来源于：

i.来自源的直接地冲击在收集器电极上的带电粒子，以及

ii.来自在壳体内或外部的过程的‘子(daughter)’电离产物。

结果是由探测器电极输出的复合信号，但是归因于带电粒子本身远远小于归因于‘子’电离产物。通过示例的方式，典型地如果我们考虑来自镅α源的α粒子，那么每个α粒子将典型地电离10,000个空气分子。

所描述的探测系统不容纳完整的电路回路，如将常规地在用于电流流动的电路中所需要的。离子电流源在自由空间中辐射带电粒子并且不被电势源驱动。它们不服从于电路的常规定律。

这可以通过考虑以下示例进行例证，包括作为已电离粒子的源的明烛火(naked candle flame)的探测以及来自α粒子的源的电离辐射的探测。

已电离气体的直接探测

待被探测的已电离粒子的各种可能的源可以包括燃烧产物和等离子体。甚至相对低温度的源(例如明烛火)也将产生足够的可探测的电离产物。图11是示出了在被放置为靠近于传感器10的网格屏蔽电极26的烛火的引入之后在各种时间间隔处采用图4的带电粒子传感器10所进行的测量的曲线图。如图11中所示，当火焰被放置为靠近于网格屏蔽电极26时DC偏移的增加发生在传感器10的输出端18。由于存在传感器10中的包括电阻器R_偏置的DC放电路径，在几秒之后看到DC信号稳定。当火焰在10秒之后熄灭时，看到DC信号在几秒内快速地衰变。

电离辐射的直接探测

另一个示例参照图12进行描述，其是示出了在各种时间间隔处来自α粒子的源的α辐射的探测的曲线图。

以²⁴¹Am同位素的形式的镅是在电离烟雾探测器中普遍使用的α发射器。其通过放射性衰变产生α粒子，与任何外部影响无关。²⁴¹Am的源可以被认为是离子电流的点源，产生带正电的粒子的流，其在空气中具有近距离，通常具有几cm的数量级。如果²⁴¹Am的源被放置在壳体24外侧、在带电粒子传感器10的该距离内，那么带电粒子传递通过网格屏蔽电极26并且入射在探测电极14上，使得电极14以及因此的放大器30的输入端充电至有限的电势。DC信号然后生成在传感器10的放大器30的输出端18。

图12示出了将²⁴¹Am源置于靠近于网格屏蔽电极26并且然后将源和传感器10相对远离彼此地逐步移动至三个其他的不同的相对距离的结果。在每种情况下，源被位移并且然后留在新的位置处，直到传感器10的输出稳定至稳定的DC水平。这可以被看到作为图12中的三个平台。在每种情况下，如示出的，传感器10的输出电压被看到在新的、较少负的水平处得到稳定。

不带电粒子和电磁辐射的探测

本发明可以仅使用相对地小的修改来适应于探测不带电粒子(例如中子)以及中性的电磁辐射(例如γ辐射)。这些源中的二者都是不带电的，但是可以在本发明的实施方案中被探测，其通过使用转换器以适于初始化电离过程并且由此产生带电粒子和离子电流。在本发明的特定实施方案中，这样的转换器可以通过向传感器电极14添加适合的目标材料以通过核反应或化学反应生成带电粒子而实现。有利地，目标材料被涂覆作为传感器电极14的涂层以用于有效的电荷转移和电流流动到传感器中。

例如，中子探测在根据本发明的传感器100的实施方案中是可能的，如在图13中示出的，在其中传感器电极114涂覆有转换器材料(例如硼)的层70。在本实施方案中，使用了¹⁰B同位素或天然硼的富集版本。

图13的传感器100包括与图2的传感器10相同的基础的电路元件。相似的零件由相同的参考数字指代并且将不进一步描述。差异是传感器电极114涂覆有硼层70。在这种情况下，圆柱形外壳24和网格屏蔽电极26二者都通过各自的线72、74连接至接地线40，并且因此位于地电势。这将衰减来自任何带电粒子的信号，无论正的还是负的。传递通过网格屏蔽电极26的中子冲击在硼层70上，在硼层70中核反应发生在中子和硼之间以产生锂并且释放带电的α粒子。α粒子通过传感器电极114上的转换器材料70的充电而被收集。

在这种情况下，与参照图10所描述的相同的过程可以也在以下的情况下发生：带电粒子的源存在于根据本发明的带电粒子传感器的邻近处，但是此外另外的过程将关于中性的粒子或辐射发生，如在图14中示出的并且参照图14描述的。

如示出的，带电粒子的源坐落在壳体24外部在周围空气的环境中，并且粒子A经过网格屏蔽电极26进入壳体24并且直接地冲击在探测电极114上的转换器材料70上并且使探测电极114上的转换器材料70充电。还发生壳体24内的空气的电离，导致正的和负的带电粒子B。这些被在网格屏蔽电极26和收集器探测电极114之间的电场分离，并且一个极性的粒子B也导致探测电极114上的转换器材料70的充电。此外，在壳体24外部的空气的某些电离发生，产生正的和负的带电粒子C，其中的某些经过网格屏蔽电极26进入壳体24。这些粒子C也被在网格屏蔽电极26和收集器电极114之间的电场分离，导致转换器材料70的充电，但是具有比对于粒子B的情况低的效率。冲击在探测电极114上的粒子将取决于电离辐射的源和在网格屏蔽电极26和壳体24上存在的电势。基本地，具有与电势相同的符号(电荷极性)的粒子将优先地被探测到，因为相反符号的那些将朝向网格屏蔽电极26和壳体24被吸引。至于探测电极114和转换器材料被关注，转换器70可以被认为是附接于探测电极114的介电区，所以形成单个电容器板。电介质上的任何净电荷将由探测电极114拾取并且产生输入电流(信号)。

此外，中性粒子或辐射D与转换器材料70互相作用以产生带电粒子。中性粒子的转换发生在转换器材料70内并且带电产物不大可能逃脱该材料的表面。这些带电产物也被在网格屏蔽电极26和收集器电极114之间的电场分离，产生在收集器电极114上的净信号。

因此，DC平均电压信号可以来源于以下中的任何一个：

a.直接地冲击在收集器电极上的带电粒子，

b.来自在壳体内或外部的过程的‘子’电离产物，以及

c.中性粒子或辐射与涂覆的电极互相作用的结果。

带电粒子(例如α和β粒子)的直接探测因此是可能的，以及利用转换器材料的中性粒子和辐射也是可能的。

在也可能存在其他带电粒子的情况下，如上文所指示的，其不是由涂覆材料所生成的电离过程的结果，其可以成为区分作为由于中子冲击在硼层70上发生的核反应的结果所产生的信号与由于其他带电粒子直接地在传感器电极114上的冲击所导致的信号所必需的。

两个方法可以用于区分中子信号与由于其他带电粒子导致的信号。

首先，图13的传感器布置可以通过以下方式被调整：将接地的金属箔电极80放置为恰好在涂覆的传感器电极114的硼层70前方，以便收集其否则将入射在传感器电极114上的任何带电粒子，如在图15中示出的。因为电极80由箔并且不是网格制造，所以带电粒子将不传递通过。相反地，中子趋于传递通过大多数的薄金属材料，因为典型地中子可以穿透几cm的固体材料，而带电粒子使用金属箔容易地被停止。箔电极80可以典型地是纯的铝箔。材料的总的宏观横截面具有逆长度(inverse length)的单位，并且给出对于特定的粒子和特定的目标材料的相互作用的概率。探测到粒子的概率随着目标材料厚度呈指数地下降，并且因此箔电极80的厚度可以被变化以允许在低能中子和高能中子之间的分辨，其中仅较高能的粒子能够穿透较厚的箔。据此，探测电极仅收集由中性辐射/粒子所生成的电离产物。

其次，图13的传感器布置100可以通过在中子探测器100旁边添加第二传感器10而进行调整，如在图16中示出的，其中相似的零件由相同的参考数字指代并且将不被进一步描述。在这种情况下，分别从传感器100、10的输出端180、18获得的两个信号将被通过差分放大器110减去以获得在输出端280处的总的输出。优选地，在传感器10、100二者中的相似的电阻器的每个相应的配对中的两个电阻器具有相等的电阻，以便提供合适的差分消减。因为中子探测器100将探测到带电粒子和由于与硼层70的中子相互作用导致的那些，而传感器10将仅探测到带电粒子，所以结果就是被减去的输出将仅含有由于中子相互作用所导致的信号。

图13至图16的传感器100的变型也可以用于探测γ辐射。在γ辐射的情况下，在很大程度上，这样的辐射将不与传感器10的圆盘电极14的金属或与中子探测器100的硼涂层70互相作用。然而，替代的转换器或目标材料可以被选择作为电极涂层，代替硼层70，以产生由于当被具有足够能量的γ射线照射时的核反应所导致的带电粒子的次级发射。例如，如果高原子序数的目标材料(例如钨或铌)被选择，那么用于与γ射线相互作用的材料的横截面(即，γ射线和目标材料之间的相互作用的概率)将显著地增加。总之，原子序数越高则灵敏度越高。原则上，可以使用任何材料，但是较低的原子序数的材料将是低效的，或，可选择地，将需要转换器材料的很厚的块。冲击在这样的涂层上的γ射线将产生核反应，导致次级电子被产生，其然后可以被传感器电极114探测到，如已经描述的。再一次地，相似于在图15或图16中示出的那些布置可以被用于在带电粒子和γ射线之间进行分辨。

将意识到，硼和钨不是唯一的可以用作转换器材料的材料。根据待探测的粒子或辐射的性质，产生带电粒子的其他类似材料可以也被采用。

此外，本发明的另一个实施方案可以采用化学反应而非核反应，以在与中性辐射和中性粒子的相互作用时产生带电粒子，并且由此也允许这样的辐射和中性粒子的探测。根据本实施方案的传感器的示例通过采用在传感器电极114上的合适的涂层来探测入射光，如在图17中示出的。在此，光学传感器120通过采用氧化锡的层90作为在传感器电极114上的涂层而被创造，其中圆柱形外壳24和网格屏蔽电极26二者都被接地以最小化对于带电粒子的灵敏度。再次地，相似的零件由相同的参考数字指代并且将不被进一步描述。

如上文那样，本实施方案也可以采用图15或图16的修改。在后一个例子中，差分配置使用带电粒子传感器10，但是没有光学上敏感的涂层90。差分系统将提供消减了任何残留的带电粒子信号而仅留下由于与涂层90的光学相互作用所导致的信号的输出。

在测试中，使用如图17所示的传感器120观察到氧化锡的对入射光的响应，并且在图18的曲线图中将结果作图。在此，由白色发光二极管(LED)组成的冷光源在数据点1500处被启动。传感器的输出被看到为升高并且在几秒之后稳定。LED在数据点9900处被关掉，在这之后信号衰变。如可以被看到的，得到了与图11的整体形状相似的整体形状的曲线。

如所描述的本发明具有其平面的圆盘电极和平行的圆盘形状的网格电极具有固有地比现有技术电离室高的电容结构，且本发明能够分辨由于电场导致的信号和由于离子电流导致的那些信号，并且提供能够探测气体、真空、液体或固体中的离子电流并且能够测量这样的离子电流的带电粒子传感器。

如将意识到的，各种修改是在本发明的范围内可能的。

例如，在具有用于探测带电粒子的未涂覆电极的实施方案中，来自在传感器外部的²⁴¹Am源的α粒子的直接探测已经被发现在真空中是可能的。在这种情况下，通过排空容纳²⁴¹Am源和传感器二者的室消除空气分子的二次电离。同样地，通过创建围绕这样的粒子的源和传感器的真空，在真空中的β粒子的直接探测也是可能的。

在本发明的采用涂覆有转换器材料的电极的实施方案中，使用碳硼烷(C₂H₁₂B₁₀)涂覆的电极，起源于²⁴¹Am-Be(10GBq)源的中子的探测已经被发现是可能的。使用氟化锂(⁶LiF)涂覆的电极，起源于²⁴¹Am-Be(18GBq)源的中子的探测也已经被发现是可能的。在实践中，在这些示例中，任一个转换器材料将与任一个源一起工作。

Claims

1.一种带电粒子传感器，其用于探测和测量由来源于电离过程的带电粒子所生成的离子电流，所述带电粒子传感器包括：壳体、被包围在所述壳体内的用于收集所述带电粒子的探测电极、以及静电计，所述静电计具有被连接至所述探测电极的、用于接收来自所述探测电极的DC输入信号的输入端以及用于供应DC测量信号作为输出的输出端，所述壳体包括用于将所述探测电极与外部电场屏蔽从而降低所述探测电极对于这样的场的灵敏度的静电屏蔽，所述静电屏蔽包括导电的屏蔽片，所述导电的屏蔽片被提供作为面对所述探测电极的第二电极并且被形成为具有间隙以允许辐射进入到所述壳体中，其中所述第二电极和所述探测电极被布置为在使用中相对于彼此以偏置电压被保持，以便实现在来源于电离过程的带电粒子之中的电荷分离，并且由此产生在所述探测电极上冲击的离子电流。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述静电计包括放大器电路，该放大器电路具有用于将输入偏置电流提供至所述放大器电路的DC偏压电阻器；以及用于增加向所述放大器电路的输入阻抗并且增强其灵敏度的反馈电路，所述反馈电路包括提供围绕所述探测电极的防护装置的保护电路、以及用于启动所述偏压电阻器的启动布置。

3.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，所述反馈电路还包括用于设置所述放大器电路的增益的增益设置电路。

4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述静电屏蔽包括围绕所述探测电极并且被保持在参考电势处的导电外壳。

5.根据权利要求2所述的传感器，其中，所述静电屏蔽包括围绕所述探测电极和所述防护装置的导电外壳，并且其中所述第二电极延伸穿越所述导电外壳的开口面并且被布置为平行于所述探测电极。

6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述第二电极包括网格。

7.根据权利要求5所述的传感器，其中，所述导电外壳和所述第二电极中的至少一个被接地。

8.根据权利要求5或7所述的传感器，其中，所述导电外壳和所述第二电极中的至少一个被连接至所述防护装置。

9.根据权利要求5、7或8中任一项所述的传感器，其中，所述导电外壳和所述第二电极中的至少一个被连接至电势源。

10.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述探测电极包括具有与所述第二电极相对的导电表面的板状电极，用于收集冲击在其上的带电粒子。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的传感器，还包括被设置在所述壳体内的转换器，用于通过与经过所述屏蔽片进入所述壳体的中性辐射的反应来生成电离过程，以便产生带电粒子用于所述第二电极和所述探测电极之间的电荷分离和用于由所述探测电极收集的离子电流。

12.根据权利要求1至9中任一项所述的传感器，其中，所述探测电极包括具有与所述第二电极相对的表面的板状电极，并且其中所述表面涂覆有通过化学反应或核反应与通过所述第二电极的中性辐射互相作用的材料，以生成带电粒子用于所述第二电极和所述探测电极之间的电荷分离和用于由所述电极收集的离子电流。

13.根据权利要求12所述的传感器，其中，涂覆材料包含以下中的一个：硼、钨和光敏材料。

14.根据权利要求12或13所述的传感器，还包括金属箔屏蔽，其作为另外的电极放置在所述板状电极的所涂覆表面的前方。

15.一种传感器系统，包括根据前述权利要求中任一项所述的第一带电粒子传感器，以及另外的这样的带电粒子传感器，所述两个带电粒子传感器被连接在差分配置中以用于供应差分输出。

16.一种带电粒子传感器，用于探测中性辐射和粒子，所述带电粒子传感器包括：探测电极、静电计以及静电屏蔽，所述静电计具有被连接至所述电极的、用于接收探测输入信号作为输入的输入端以及用于提供DC测量信号作为输出的输出端，所述静电屏蔽包围所述探测电极以用于将所述电极与外部电场屏蔽，从而降低所述探测电极对于这样的场的灵敏度，所述静电屏蔽包括设置有用于辐射和粒子的通路的多个孔并且被布置为用作第二电极的导电材料的屏蔽片，所述探测电极具有利用涂层形成的平面表面，所述涂层被布置为与所述辐射和粒子互相作用以通过化学反应或核反应生成带电粒子。

17.一种用于感测由带电粒子生成的离子电流的方法，包括：通过用于将探测电极与外部电场屏蔽的静电屏蔽来包围所述探测电极，从而降低所述探测电极对于这样的场的灵敏度，所述静电屏蔽包括被设置为面对所述探测电极的第二电极并且被形成为具有间隙的导电的屏蔽片；将辐射传递通过所述屏蔽片，实现在所述第二电极和所述探测电极之间的电荷分离以产生在所述探测电极上冲击的离子电流；以及采用连接至所述探测电极的、用于接收来自所述探测电极的DC输入信号作为输入并且用于供应DC测量信号作为输出的静电计。

18.一种用于探测中性粒子和辐射的方法，包括：通过用于将探测电极与外部电场屏蔽的静电屏蔽来包围所述探测电极，从而降低所述探测电极对于这样的场的灵敏度，所述静电屏蔽包括设置有多个间隙并且被布置为用作第二电极的导电材料的屏蔽片；将所述粒子或辐射传递通过所述屏蔽片；将所述粒子或辐射与所述探测电极上的涂层互相作用以通过化学反应或核反应生成带电粒子；收集所述探测电极处的所述带电粒子；以及采用连接至所述探测电极的、用于接收来自所述探测电极的DC输入信号作为输入并且用于提供DC测量信号作为输出的静电计。