CN105589503A - 一种直流恒流电流信号的产生方法和恒流源装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种电直流恒流电流信号的产生方法和恒流源装置,所述方法包括：采集温度数据、气压数据和湿度数据；通过γ射线辐射场对空腔电离室辐射使所述空腔电离室内空气电离，并在恒定电场作用下产生电离电流信号；将所述电离电流信号进行增益反馈放大；根据所述温度数据、气压数据和湿度数据对所述降噪处理后的电离电流信号进行修正，输出pA-nA级(10^-12-10^-9安培)稳定的直流恒流电流信号。

Description

一种直流恒流电流信号的产生方法和恒流源装置

技术领域

本发明涉及一种电学领域，尤其涉及一种直流恒流电流信号的产生方法和恒流源装置。

背景技术

随着科学技术的发展，在我国航天、核工业、兵器等国防工业领域，以及科学研究、教学实验中都存在着大量的直流小电流信号。直流小电流源经过多年的发展，已经有多种类型的产品得以广泛的应用。

目前比较常用的是电阻式直流小电流恒流源，通过采用精密程控电压源和精密高值电阻器产生直流小电流的输出。

然而，直流小电流源的电流输出，随着环境因素的变化，也发生着相应变化。温度、湿度、气压甚至静电都对直流小电流源的稳定性有着比较大的影响，特别是在对精度要求高的工作环境下，这一问题更为突出。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种直流恒流电流信号的产生方法和恒流源装置，采用空腔电离室受γ射线辐照，使得电离室内部空气电离产生电离电流信号，并对环境参数数据进行采集，对电离电流信号进行修正，从而输出具有良好稳定性和精度的直流小电流恒流信号。

为实现上述目的，在第一方面，本发明提供了一种直流恒流电流信号的产生方法，所述方法包括：

采集环境参数数据；所述环境参数数据包括：温度数据、气压数据和湿度数据；

通过γ射线辐射场对空腔电离室辐射使所述空腔电离室内空气电离，并在恒定电场作用下产生电离电流信号；

将所述电离电流信号通过增益反馈进行降噪处理；

根据所述温度数据、气压数据和湿度数据，以及预设的标准环境参数，对所述降噪处理后的电离电流信号进行修正，输出所述直流恒流电流信号。

优选的，所述γ射线辐射场具体为：Cs-137γ射线辐射场或C0-60γ射线辐射场。

优选的，所述方法还包括：

改变所述空腔电离室的体积和/或改变所述空腔电离室接收到的电离辐射强度，以获取不同电流值大小的所述直流恒流电流信号。

优选的，所述空腔电离室为石墨空腔电离室，所述电离电流信号具体为：

$I=\frac{\stackrel{\·}{K}{\mathrm{V\ρ}}_0}{(W/e)\·{\left(\frac{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\μ}}_{en}}}{\mathrm{\ρ}}\right)}_{a,c}{\stackrel{\‾}{\·s}}_{c,a}\·k}\·\frac{P}{101.325}\·\frac{273.15+20}{273.15+T}\·(1-\stackrel{\‾}{g})$

其中，I为电离室空腔中空气产生的电离电流，单位为A；

为电离室中心所处位置处的γ射线剂量率，单位为Gy/h；

V为空腔电离室内部可容纳空气的体积，单位为m³；

ρ₀为标准条件下的干燥空气密度，所述标准条件为0℃，101.325kPa,单位为kg/m³；

为空气与石墨的质能吸收系数之比；

为石墨和空气的阻止本领之比；

W/e为干燥空气中，一个电子产生一个离子对时所消耗的平均能量，单位为(J·C-1)；

T为环境空气温度，单位为℃；

P为环境气压，单位为kPa；

为消耗于轫致辐射的能量占其初始能量的分额；

K为对电离电流加以修正的全部修正因子的乘积。

在第二方面，本发明实施例提供了一种恒流源装置，所述恒流源装置包括：

环境参数采集装置，对所述恒流源装置所在环境的环境参数数据进行采集；所述环境参数数据包括：温度数据、湿度数据和气压数据；

γ射线辐射场，用于产生辐照射线；

空腔电离室，接收所述辐照射线的辐照，使所述空腔电离室的空气电离产生电子和正离子，并在施加在所述空腔电离室的两极的直流极化电压作用下形成恒定电场，使所述电子和正离子分别向所述两极移动形成电离电流信号；

增益反馈装置，将所述电离电流信号进行增益反馈降噪处理；

处理设备，根据所述温度数据、气压数据和湿度数据，以及预设的标准环境参数，对所述降噪处理后的电离电流信号进行修正，输出所述直流恒流电流信号；

IEEE488总线，连接所述处理设备与所述环境参数采集装置和所述增益反馈装置，用于所述处理设备与所述环境参数采集装置和所述增益反馈装置之间的信号传输。

优选的，所述γ射线辐射场具体为：Cs-137γ射线辐射场或C0-60γ射线辐射场。

优选的，所述环境参数采集装置包括：

温度计，对所述环境的温度数据进行采集；

气压计，对所述环境的气压数据进行采集；

湿度计，对所述环境的湿度数据进行采集。

优选的，所述增益反馈装置由静电计和精密电容组成。

进一步优选的，所述静电计为Keithley6517静电计。

进一步优选的，所述静电计还用于所述空腔电离室的电压源。

本发明实施例提供的直流恒流电流信号的产生方法，采用空腔电离室受γ射线辐照，使得电离室内部空气电离产生电离电流信号，并对环境参数数据进行采集，对电离电流信号进行修正，从而输出具有良好稳定性和精度的直流小电流恒流信号。

附图说明

图1为本发明实施例提供的直流恒流电流信号的产生方法流程图；

图2为本发明实施例提供的采用电离电流方式形成的小电流恒流源的原理图；

图3为本发明实施例提供的恒流源装置的结构框图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明实施例提供的直流恒流电流信号的产生方法，具体用于产生直流小电流恒流信号。

图1为本发明实施例提供的直流恒流电流信号的产生方法流程图，结合图1所示，本实施例提供的直流恒流电流信号的产生方法包括如下步骤：

步骤110，采集环境参数数据；

具体的，环境参数数据可以包括：温度数据、气压数据和湿度数据等。采集不同种类的环境参数数据，可以使用不同的采集装置。

如使用温度计采集温度数据，使用气压计采集气压数据，使用湿度计采集湿度数据等。

步骤120，通过γ射线辐射场对空腔电离室辐射使所述空腔电离室内空气电离，并在恒定电场作用下产生电离电流信号；

具体的，γ射线辐射场可以为Cs-137γ射线辐射场或C0-60γ射线辐射场。

空腔电离室是一种用于探测电离辐射的气体探测器，其工作原理是当接收到射线辐照时，射线与空腔电离室中气体分子发生作用，产生电子-正离子对。因此通过γ射线辐射场的辐照，空腔电离室内空气电离。同时在空腔电离室的收集极和高压极上加直流极化电压形成电场，使气体分子电离形成的电子和正离子会两极移动，形成电离电流信号。

通常情况下，空腔电离室工作在正比区，即电离电流大小正比于射线产生的初始离子对数目，也即正比于射线强度。

图2示出了采用电离电流方式形成的小电流恒流源的原理图。

如图所示，运算放大器正向输入端接地，负压加到反向输入端。由于运算放大器的输入电阻非常高，使得经过运算放大器的电流很小，可以忽略不计。此外，运算放大器的增益通常可达10⁵倍，则传输电离电流信号的电缆在输出端产生的等效电容将是本身实际电容值的1/10⁵，因此外接精密电容上的电压与输出电压一致，则电离室产生的电离电流可以按下式表示：

$I=\frac{C\·{\mathrm{\ΔV}}_u}{\mathrm{\Δ}t}$ (式1)

其中：I为电离电流，单位为pA；C为精密电容，单位为pF；ΔV_u为时间间隔Δt内测量得到的输出电压V_u的变化值，单位为V。

在实际应用中，电离电流与温度、湿度、气压等参数都相关。考虑到这些因素，空腔电离室实际产生的电离电流可如式2所示。

$I=\frac{\stackrel{\·}{K}{\mathrm{V\ρ}}_0}{(W/e)\·{\left(\frac{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\μ}}_{en}}}{\mathrm{\ρ}}\right)}_{a,c}{\stackrel{\‾}{\·s}}_{c,a}\·k}\·\frac{P}{101.325}\·\frac{273.15+20}{273.15+T}\·(1-\stackrel{\‾}{g})$ (式2)

其中，I为电离室空腔中空气产生的电离电流，单位为A；为电离室中心所处位置处的γ射线剂量率，单位为Gy/h；V为空腔电离室内部可容纳空气的体积，单位为m³；ρ₀为标准条件下的干燥空气密度，所述标准条件为0℃，101.325kPa,单位为kg/m³；为空气与石墨的质能吸收系数之比；为石墨和空气的阻止本领之比；W/e为干燥空气中，一个电子产生一个离子对时所消耗的平均能量，单位为(J·C-1)；T为环境空气温度，单位为℃；P为环境气压，单位为kPa；为消耗于轫致辐射的能量占其初始能量的分额；K为对电离电流加以修正的全部修正因子的乘积，该值在电离室制作完毕之后即可确定。

当更换不同体积的空腔电离室，或者改变电离室所在位置的电离辐射强度(即剂量率)大小时，即可改变电离电流信号的输出值，因此可以通过上述调整实现电离电流在一定范围内的精确调节。

步骤130，将电离电流信号通过增益反馈进行降噪处理；

在具体的例子中，高增益反馈单元由Keithley6517静电计和精密电容组成，高增益反馈可减小电离电流信号传输电缆自身电容的影响和电路本身噪声的影响，同时Keithley6517静电计还作为空腔电离室的电压源，为空腔电离室供工作电压。

步骤140，根据温度数据、气压数据和湿度数据，以及预设的标准环境参数，对降噪处理后的电离电流信号进行修正，输出所述直流恒流电流信号。

具体的，标准环境参数是预先规定好的，比如0℃，1atm，湿度20％。该标准环境参数存储于恒流源装置中，在需要时进行调用。

根据所采集到的环境参数数据与标准环境参数之间的差异对降噪处理后的电离电流信号进行修正，产生直流小电流的恒流信号输出。

在本发明实施例中，由于电离室本身具有良好的稳定性(通常好于0.2％)，Cs-137放射源和Co-60放射源的半衰期都很长，分别达30.071年和5.274年，因此在电离室周边环境稳定的条件下，电离室在γ射线辐射场中同一位置产生的电离电流随放射源衰变的变化可以忽略不计，尤其是采用Cs-137γ射线辐射场。在其他条件不变的情况下，电离室所产生的电离电流只是按照放射源衰变规律变化，电离电流可以完全归一到同一时刻。因此，经过环境参数修正后，输出的直流小电流为稳定恒流输出。

上述所述的气压计、温度计、湿度计、静电计均可溯源至国家基准，以保持良好的稳定性和精度，同时也保证了输出直流小电流的精确输出。

此外，通过改变辐射场剂量率和电离室体积，可以改变输出的直流电流值，具体的可以产生pA-nA(10^-12-10^-9安培)级稳定的直流电流。

相应的，本发明实施例还提供了一种恒流源装置，用以实现上述方法。

恒流源装置的结构框图如图3所示。如图所示，恒流源装置包括：环境参数采集装置1，γ射线辐射场2，空腔电离室3，增益反馈装置4，处理设备5和IEEE488总线6。

环境参数采集装置1对恒流源装置所在环境的环境参数数据进行采集。在具体的实现方式中，环境参数数据至少包括：温度数据、湿度数据和气压数据；因此相应的，环境参数采集装置1至少包括：温度计11、气压计12和湿度计13。

温度计11对环境的温度数据进行采集；

气压计12对环境的气压数据进行采集；

湿度计13对环境的湿度数据进行采集。

γ射线辐射场2用于产生辐照射线；

γ射线辐射场2可以具体为Cs-137γ射线辐射场或C0-60γ射线辐射场。

空腔电离室3，接收辐照射线的辐照，使空腔电离室的空气电离产生电子和正离子，并在施加在空腔电离室3的两极的直流极化电压作用下形成恒定电场，使电子和正离子分别向两极移动形成电离电流信号；

增益反馈装置4，将电离电流信号进行增益反馈降噪处理；

增益反馈装置4可以具体由Keithley静电计和精密电容组成。

其中，静电计还用于空腔电离室1的电压源。

处理设备5，根据温度数据、气压数据和湿度数据，以及预设的标准环境参数，对降噪处理后的电离电流信号进行修正，输出直流恒流电流信号；

IEEE488总线6，连接处理设备5与环境参数采集装置1和增益反馈装置4，用于处理设备5与环境参数采集装置1，以及处理设备5和增益反馈装置4之间的信号传输。

上述恒流源装置的具体工作原理和工作过程在上述方法实施例中已经进行了详述，此处不再赘述。

本发明实施例提供的恒流源装置，通过空腔电离室受γ射线辐照，使得电离室内部空气电离产生电离电流信号，并对环境参数数据进行采集，根据采集到的环境参数数据对电离电流信号进行修正，从而输出具有良好稳定性和精度的直流小电流恒流信号，并且在一定范围内可精确调节输出电流大小，有效的解决了直流小电流源输出电流噪声和稳定性的问题。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直流恒流电流信号的产生方法，其特征在于，所述方法包括：

采集环境参数数据；所述环境参数数据包括：温度数据、气压数据和湿度数据；

通过γ射线辐射场对空腔电离室辐射使所述空腔电离室内空气电离，并在恒定电场作用下产生电离电流信号；

将所述电离电流信号通过增益反馈进行降噪处理；

根据所述温度数据、气压数据和湿度数据，以及预设的标准环境参数，对所述降噪处理后的电离电流信号进行修正，输出所述直流恒流电流信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述γ射线辐射场具体为：Cs-137γ射线辐射场或C0-60γ射线辐射场。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

改变所述空腔电离室的体积和/或改变所述空腔电离室接收到的电离辐射强度，以获取不同电流值大小的所述直流恒流电流信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空腔电离室为石墨空腔电离室，所述电离电流信号具体为：

$I=\frac{\stackrel{\·}{K}{\mathrm{V\ρ}}_0}{(W/e)\·{\left(\frac{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\μ}}_{en}}}{\mathrm{\ρ}}\right)}_{a,c}{\stackrel{\‾}{\·s}}_{c,a}\·k}\·\frac{P}{101.325}\·\frac{273.15+20}{273.15+T}\·(1-\stackrel{\‾}{g})$

其中，I为电离室空腔中空气产生的电离电流，单位为A；

为电离室中心所处位置处的γ射线剂量率，单位为Gy/h；

V为空腔电离室内部可容纳空气的体积，单位为m³；

ρ₀为标准条件下的干燥空气密度，所述标准条件为0℃，101.325kPa,单位为kg/m³；

为空气与石墨的质能吸收系数之比；

为石墨和空气的阻止本领之比；

W/e为干燥空气中，一个电子产生一个离子对时所消耗的平均能量，单位为(J·C-1)；

T为环境空气温度，单位为℃；

P为环境气压，单位为kPa；

为消耗于轫致辐射的能量占其初始能量的分额；

K为对电离电流加以修正的全部修正因子的乘积。

5.一种恒流源装置，其特征在于，所述恒流源装置包括：

环境参数采集装置，对所述恒流源装置所在环境的环境参数数据进行采集；所述环境参数数据包括：温度数据、湿度数据和气压数据；

γ射线辐射场，用于产生辐照射线；

空腔电离室，接收所述辐照射线的辐照，使所述空腔电离室的空气电离产生电子和正离子，并在施加在所述空腔电离室的两极的直流极化电压作用下形成恒定电场，使所述电子和正离子分别向所述两极移动形成电离电流信号；

增益反馈装置，将所述电离电流信号进行增益反馈降噪处理；

处理设备，根据所述温度数据、气压数据和湿度数据，以及预设的标准环境参数，对所述降噪处理后的电离电流信号进行修正，输出所述直流恒流电流信号；

IEEE488总线，连接所述处理设备与所述环境参数采集装置和所述增益反馈装置，用于所述处理设备与所述环境参数采集装置和所述增益反馈装置之间的信号传输。

6.根据权利要求5所述的恒流源装置，其特征在于，所述γ射线辐射场具体为：Cs-137γ射线辐射场或C0-60γ射线辐射场。

7.根据权利要求5所述的恒流源装置，其特征在于，所述环境参数采集装置包括：

温度计，对所述环境的温度数据进行采集；

气压计，对所述环境的气压数据进行采集；

湿度计，对所述环境的湿度数据进行采集。

8.根据权利要求5所述的恒流源装置，其特征在于，所述增益反馈装置由静电计和精密电容组成。

9.根据权利要求8所述的恒流源装置，其特征在于，所述静电计为Keithley6517静电计。

10.根据权利要求8所述的恒流源装置，其特征在于，所述静电计还用于所述空腔电离室的电压源。