CN110031883B - 一种基于无线电容式高电离辐射剂量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线电容式高电离辐射剂量传感器，其包括有传感器底座、电感线圈、电容密封壳、电容固定极板、驻极体、电容可变极板以及工作气体，所述电容密封壳安装在所述传感器底座上，二者形成带有密封空腔的壳体结构，所述电容固定极板、驻极体、电容可变极板以及工作气体都位于所述密封空腔的壳体结构中；本方案采用无线电容式传感器来实现高电离辐射环境下的剂量测量，其优势在于该传感器不需自带电池或电源接线，而且传感器本身只有电感和电容组成，结构简单，只用电磁耦合的无线方式供电和信号读取，体积小，可以在高剂量环境下实时原位的剂量测量，降低工作人员的剂量照射。

Description

一种基于无线电容式高电离辐射剂量传感器

技术领域

本发明涉及电离辐射探测技术领域，具体涉及一种基于无线电容式高电离辐射剂量传感器。

背景技术

在核设施现场会存在部分强辐射区域(≥0.5Sv/h)，由于该区域剂量率高，有导致工作人员发生意外照射的风险，因此需要对该区域的辐射水平进行实时监测，以便制定相应的辐射防护最优化工作方案。常规的GM计数管型和半导体型剂量率仪测量量程小，且抗辐照性能差，使用寿命较短不能满足现场监测要求。目前可用于强辐射区域的剂量率仪主要是空腔电离室和化学试剂测量法。空腔电离室的测量量程可满足测量要求，但是电离室包含较多的用于处理信号的电子器件，其耐辐照性能较差，使用寿命短；对于采用化学试剂测量剂量率的方法，即根据射线与化学试剂发生反应，然后利用配套的分析系统测出剂量率的方法，虽然耐辐照性能强，但是不能实时给出剂量率数据，而且需要额外的数据分析系统。

因此由鉴于此，对于提供应基于无线信号读取方式的无源电容式剂量传感器来实现在高剂量环境下的剂量率的实时检测手段就显得极其重要。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于无线电容式高电离辐射剂量传感器，该传感器其为采用的是无源被动测量，结构简单，电子元器件少，耐辐照性能强，能够实时测量辐射剂量数据。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于无线电容式高电离辐射剂量传感器，该传感器包括有传感器底座、电感线圈、电容密封壳、电容固定极板、驻极体、电容可变极板以及工作气体，所述电容密封壳安装在所述传感器底座上，二者形成带有密封空腔的壳体结构，所述电容固定极板、驻极体、电容可变极板以及工作气体都位于所述密封空腔的壳体结构中，其中所述电容固定极板固定安装在所述传感器底座上端面，所述驻极体安装在所述电容固定极板上端面上，所述电容可变极板正相对安装在所述电容固定极板的上方，其中所述电容可变极板可相对于所述电容固定极板产生位移移动，所述电感线圈的两端分别与所述电容固定极板和电容可变极板电性相连。

进一步，所述电容可变极板通过设置有的悬臂梁安装在所述电容固定极板上方，其中所述悬梁臂一端固定安装在所述电容密封壳内壁上，其另一端水平安装有所述电容可变极板。

进一步，所述电感线圈通过镌刻工艺设置在所述传感器底座底端面上。

进一步，所述电感线圈为电感螺旋线圈。

进一步，所述工作气体为惰性气体或猝灭气体中的一种。

进一步，所述驻极体上的电荷密度σ与电容固定极板和电容可变极板之间的间距的关系为：

其中k为电容可变极板的弹性系数，x₀为电容可变极板的初始形变，x为电容可变极板发生变化的间距，d_Air＝x₀-x。

进一步，所述驻极体上的电荷变化量△σ与接受剂量的关系为：

Δσ＝σ₀-GxD-MD

其中D为吸收的剂量，σ₀为驻极体表面的初始密度，G＝3.52×10^-8C/Gy·cm³，M(C/Gy·cm²)代表了传感器封装等材料的每戈瑞每平方厘米的电荷量。

与现有技术相比，本方案具有的有益技术效果为：本方案中的传感器其为无源被动测量，结构简单，电子元器件少，耐辐照性能强，可实时测量剂量数据；将本方案中的传感器置于高电离辐射环境下，伽玛光子打入电容密封壳内，将其中的工作气体电离，产生正负离子，进而影响驻极体表面的电荷密度变化，造成极板间静电场发生变化，使得电容可变极板的位置变化，使得可变电容阻值发生变化，进而使得电感线圈和电容组成的LC电路的谐振频率发生变化，通过相应的螺旋电感线圈，采用近场电磁互感耦合技术，采用相位差检测技术读取其谐振频率的变化，实现在高辐照等的恶劣环境下的短距离内的高效能量传输和快速数据读取。

附图说明

图1为本发明中传感器的工作原理示意图。

图2为本发明中传感器的结构示意图。

图3为本发明中传感器中电感线圈安装在传感器底座底端面上的结构示意图。

图4为本发明中传感器的立体结构示意图。

图5为本发明中驻极体表面上电荷密度的变化与电容可变极板的形变关系示意图。

图6为本发明中传感器剂量信号读取原理的电路原理示意图。

图7为本发明中基于无线信号电容式高电离辐射剂量传感器信号仿真示意图。

图中：

1-连接线，2-传感器底座，3-电容固定极板，4-驻极体，5-连接线，6-悬臂梁，7-电容密封壳，8-电容可变极板，9-电感线圈。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

本方案是针对现有的用于测量辐射区剂量的设备存在结构复杂、耐辐射性差以及不能够实时检测剂量的缺陷，进而提出的一种基于无线电容式高电离辐射剂量传感器，该传感器其为采用的是无源被动测量，结构简单，电子元器件少，耐辐照性能强，能够实时测量辐射剂量数据。

参见附图1至4所示，本实施例中的基于无线电容式高电离辐射剂量传感器其包括有传感器底座2、电感线圈9、电容密封壳7、电容固定极板3、驻极体4、电容可变极板8以及工作气体，电容密封壳7安装在传感器底座2底端面上，二者形成带有密封空腔的壳体结构，电容固定极板3、驻极体4、电容可变极板8以及工作气体都位于该密封空腔的壳体结构中，其中电容固定极板3固定安装在传感器底座2上端面，驻极体4安装在电容固定极板3上端面上，电容可变极板8正相对安装在电容固定极板3的上方，其中电容可变极板8可相对于电容固定极板3产生位移移动，电感线圈9的两端分别通过连接线1、5与电容固定极板3和电容可变极板8电性相连。

具体的，上述电容可变极板8为在硅基底上实现的，通过剥离、湿法腐蚀、反应离子腐蚀以及干法腐蚀等工艺流程来实现电容的可变极板制作。电容可变极板8做好后，通过采用悬臂梁6连接在电容密封壳7体的顶部，其中悬臂梁6一端固定安装在电容密封壳7体上，其另一端水平安装有该电容可变极板8。电容固定极板3为在玻璃基底上同样通过上述制作工艺来制作完成的。驻极体4其制作方法为：将驻极体4材料粘贴在金属平板上，并通过光刻胶连接在一起，完成传感器的敏感电容结构的制作。此外，本方案中的上述电感线圈9为采用电感螺旋线圈，在实际中，将该电感螺旋线圈镌刻到传感器底座2的底端面上；在整个传感器的部件安装完成后，向密封的电容密封壳7体内冲入工作气体(惰性气体或猝灭气体)。

将上述传感器放置在高电离辐射环境下，伽马射线打入电容密封壳7体内，将位于其内的工作气体电离，产生正负离子，由于原始的驻极体4的表面存有电荷，因此电容固定极板3与电容可变极板8之间存在一定静电场力；当电容密封壳7体内产生有新的正负离子后，就会对驻极板表面的电荷密度造成影响，进而使得极板间静电场力产生变化，并且使得电容可变极板8的位置产生位移。

初始的静电场力为：

其中σ为驻极体的电荷密度，A为极板的正对面积，ε₀为电容空腔中的介电常数，d_Air为电容极板间距，d_Electret为驻极体的厚度。

结合参照附图5所示，驻极板的电荷密度σ与极板间距变化的关系为：

其中，k为可移动极板的弹性系数，x₀为初始形变，d_Air＝x₀-x。

可以知晓的是，由于驻极体4的表面带有一定量的电荷，那么就在电容极板间产生相应的电场，当伽马射线光子照射到传感器的电容空腔中时，使得空气发生电离，形成正负电离子，在电场的作用下收集离子，致使驻极体4的表面电荷密度发生变化，具体的电荷变化量与接受的剂量关系为：

Δσ＝σ₀-GxD-MD，

其中，D为吸收的剂量，σ₀为驻极体表面的初始密度，G＝3.52×10^-8C/Gy·cm³，M(C/Gy·cm²)代表了传感器封装等材料的每戈瑞每平方厘米的电荷量，也是常量。

驻极体电荷密度的变化使得驻极体对电容的可移动金属极板的静电场力发生变化，造成电容两极板间距发生变化，进而使得由电感螺旋线圈和电容组成的LC电路的谐振频率发生变化。通过采用近场电磁互感耦合技术，使用电感螺旋线圈以无线信号读取方式读取传感器的信号变化，具体的读取电路原理图如图6所示，传感器其可以等效于一个LC次级回路，C2为敏感电容，其容值随待测辐射强度变化，因此传感器的谐振频率随着待测量的变化而产生漂移。在初级回路的读取线圈端输入覆盖传感器谐振频率的扫频信号，由于读取线圈和传感器之间存在着互感M，那么就可以将传感器作为一个可变化阻抗等效到初级回路中，便可以得出在初级回路读取线圈端的阻抗幅值和相位值：

其中品质因素

自身频率

利用Matlab软件对阻抗幅值和相位进行仿真，可得到基于无线电容式高电离辐射剂量传感器信号变化值，可参见附图7所示。

综上所述，本方案采用无线电容式传感器来实现高电离辐射环境下的剂量测量，其优势在于该传感器不需自带电池或电源接线，而且传感器本身只有电感和电容组成，结构简单，只用电磁耦合的无线方式供电和信号读取，体积小，可以在高剂量环境下实时原位的剂量测量，降低工作人员的剂量照射，为高电离辐照环境下核辐射监测领域(如核设施、后处理厂、核事故厂房等)提供一种新的剂量测量方法和设备。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种基于无线电容式高电离辐射剂量传感器，其特征在于：该传感器包括有传感器底座、电感线圈、电容密封壳、电容固定极板、驻极体、电容可变极板以及工作气体，所述电容密封壳安装在所述传感器底座上，二者形成带有密封空腔的壳体结构，所述电容固定极板、驻极体、电容可变极板以及工作气体都位于所述密封空腔的壳体结构中，其中所述电容固定极板固定安装在所述传感器底座上端面，所述驻极体安装在所述电容固定极板上端面上，所述电容可变极板正相对安装在所述电容固定极板的上方，其中所述电容可变极板可相对于所述电容固定极板产生位移移动，所述电感线圈的两端分别与所述电容固定极板和电容可变极板电性相连；所述驻极体上的电荷密度σ与电容固定极板和电容可变极板之间的间距的关系为：

其中k为电容可变极板的弹性系数，x₀为电容可变极板的初始形变，x为电容可变极板发生变化的间距，d_Air＝x₀-x，A为极板的正对面积，ε₀为电容空腔中的介电常数，ε_Electret为驻极体介电常数，d_Air为电容极板间距，d_Electret为驻极体的厚度。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线电容式高电离辐射剂量传感器，其特征在于：所述电容可变极板通过设置有的悬臂梁安装在所述电容固定极板上方，其中所述悬梁臂一端固定安装在所述电容密封壳内壁上，其另一端水平安装有所述电容可变极板。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于无线电容式高电离辐射剂量传感器，其特征在于：所述电感线圈通过镌刻工艺设置在所述传感器底座底端面上。

4.根据权利要求3所述的一种基于无线电容式高电离辐射剂量传感器，其特征在于：所述电感线圈为电感螺旋线圈。

5.根据权利要求1所述的一种基于无线电容式高电离辐射剂量传感器，其特征在于：所述工作气体为惰性气体或猝灭气体中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种基于无线电容式高电离辐射剂量传感器，其特征在于：所述驻极体上的电荷变化量△σ与接受剂量的关系为：Δσ＝σ₀-GxD-MD

其中D为吸收的剂量，σ₀为驻极体表面的初始密度，G＝3.52×10^-8C/Gy·cm³，M(C/Gy·cm²)代表了传感器封装等材料的每戈瑞每平方厘米的电荷量。

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