KR102182191B1 - 확장된 온도 범위를 통해 작동하는 저 누설 고체-상태 리셋 및 범위 변경을 갖는 넓은 동적 범위 양방향 통합 전위계 - Google Patents

확장된 온도 범위를 통해 작동하는 저 누설 고체-상태 리셋 및 범위 변경을 갖는 넓은 동적 범위 양방향 통합 전위계 Download PDF

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Abstract

방사선 모니터는 이온화 챔버를 향해 이동하는 방사선을 검출하는 이온화 챔버를 포함한다. 이온화 챔버는 검출된 방사선에 대응하는 전류 흐름을 생성한다. 전위계는 상기 이온화 챔버에 의해 생성되는 전류 흐름을 측정하기 위해 상기 이온화 챔버에 전기적으로 연결되어 있다. 전위계는 상기 이온화 챔버에 의해 생성되는 전류 흐름의 크기에 기초하여 복수의 모드에서 동작가능하다. 또한, 방사선 모니터의 전위계를 통과하는 전류 흐름을 측정하는 방법이 제공된다.

Description

확장된 온도 범위를 통해 작동하는 저 누설 고체-상태 리셋 및 범위 변경을 갖는 넓은 동적 범위 양방향 통합 전위계{WIDE DYNAMIC RANGE BIDIRECTIONAL INTEGRATING ELECTROMETER WITH LOW LEAKAGE SOLIDSTATE RESET AND RANGE CHANGE OPERATING OVER AN EXTENDED TEMPERATURE RANGE}
본 발명은 일반적으로 방사선 모니터(radiation monitor)에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 온도 범위에 대하여 상대적으로 낮은 누설을 나타내는 전위계를 포함하는 방사선 모니터에 관한 것이다.
흔히, 방사선 모니터는 방사선 레벨들을 모니터링하도록 원자력 발전소와 같은 공지의 방사선원(radiation sources)에 근접한 위치에 배치된다. 방사선의 검출에 대한 반응으로, 방사선 모니터들은 검출된 방사선의 양에 비례하는 전류를 생산하게 된다. 방사선 모니터들은 이 상대적으로 낮은 전류를, 프로세싱용 전압 신호로 변환하기 위해 전위계들(electrometers)을 종종 사용한다.
전위계 구성의 일부로서, 스위치들이 관련 커패시터들을 리셋(즉, 방전)하는 기능을 제공하기 위하여 사용된다. FET(Field effect transistor) 스위치 디바이스들과 같은 전자 스위치들을 사용하는 것이 가능하다. MOSFET 및 JFET와 같은 일부 특정 FET 디바이스들이 사용될 수 있다. 또한, 리드 릴레이(reed relay) 디바이스들과 같은 전자기계 스위치들을 사용하는 것이 가능하다.
FET 디바이스에서는 전류 누설이 빈번히 발생할 수 있다. 전류 누설의 양은 온도 변화에 따라 달라질 수 있다. 구체적으로, 증가하는 온도는 더 큰 양의 누설을 야기시키게 된다. 예를 들어, 각 섭씨 10 온도의 증가에 있어서, 누설의 양은 두배가 될 수 있다. 이와 같이, 상대적으로 광범위한 온도 범위에 대해, FET는 크게 변동하는 양의 전류 누설을 가질 수 있다. 또한, 이러한 전류 누설은 섭씨 35로 낮은 온도에서 시작될 수 있다. 전류 누설은 방사선 검출의 정확도에 악영향을 미치기 때문에, 이 전류 누설들이 문제가 될 수 있다.
전류 누설의 문제를 방지하기 위한 일 노력으로, 리드 릴레이 디바이스들과 같은 전자기계 스위치가 사용될 수 있다. 그러나, 이 리드 릴레이 디바이스들은 상대적으로 부피/사이즈가 크며, 느린 스위칭 속도를 가지고 있다.
온도-기반 누설 변동 및/또는 벌키성/저속성에 관한 이슈들은, 전위계 구성들의 몇몇 사용들에 있어서는 덜 문제가 될 수 있다. 그러나, 이러한 이슈들이 문제가 되는 몇몇 시나리오들이 존재한다. 방사선 모니터 내의 전위계는 이러한 시나리오가 된다. 방사선 모니터들은 섭씨 50-60 로 상승할 수 있는 환경 온도에 노출될 수 있다. 따라서 리드 릴레이 디바이스의 벌크(bulk) 없이도 광범위한 온도에 걸쳐 상대적으로 낮은 누설 율을 나타내는 전위계를, 방사선 모니터에 제공하는 것은 유익할 것이다.
다음은 본 발명의 몇몇 예시적 양태에 대한 기본 이해를 제공하기 위하여, 본 발명의 단순화된 요약을 제공한다. 본 요약이 본 발명의 확대된 개관은 아니다. 또한 본 요약은 본 발명의 중요 구성요소를 식별하거나 본 발명의 범위를 기술하는 것으로 의도되지 않는다. 본 요약의 유일한 목적은 이후에 제공되는 상세한 설명에 대한 도입으로서 단순화된 형태로 본 발명의 몇몇 개념들을 제공하는 것이다.
일 양태에 따르면, 방사선 모니터는 이온화 챔버를 향해 이동하는 방사선을 검출하는 상기 이온화 챔버를 포함한다. 상기 이온화 챔버는 검출되는 방사선에 대응하는 전류 흐름을 생성한다. 전위계는 상기 이온화 챔버에 의해 생성되는 전류 흐름을 측정하기 위해 상기 이온화 챔버에 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 전위계는 상기 이온화 챔버에 의해 생성되는 전류 흐름의 크기에 기초하여 복수의 모드로 동작가능하도록 구성된다.
다른 양태에 따르면, 방사선 모니터는 이온화 챔버를 향해 이동하는 방사선을 검출하는 상기 이온화 챔버를 포함한다. 상기 이온화 챔버는 검출된 방사선에 대응하는 전류 흐름을 생성한다. 전위계는 상기 이온화 챔버의 전류 흐름을 측정하기 위해 상기 이온화 챔버에 전기적으로 연결되어 있다. 상기 전위계는 측정된 제 1 범위 내의 전류에 대응하는 제 1 모드 및 측정된 상기 제 1 범위보다 큰 제 2 범위 내의 전류에 대응하는 제 2 모드에서 동작가능하도록 구성된다. 제 1 모드와 제 2 모드에서의 전류 누설이 최소화된다.
다른 양태에 따르면, 방사선 모니터의 전위계를 통과하는 전류 흐름을 측정하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 방사선을 검출하는 이온화 챔버를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 이온화 챔버는 검출된 방사선에 대응하는 전류 흐름을 생성한다. 상기 방법은 상기 이온화 챔버의 전류 흐름을 측정하는 상기 이온화 챔버에 전기적으로 연결되는 전위계를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 측정된 전류가 제 1 범위 내에 있는 것에 대응하여 제 1 모드에서 상기 전위계를 동작시키는 단계를 더 포함한다. 또한, 상기 방법은 측정된 전류가 제 2 범위 내에 있는 것에 대응하여 제 2 모드에서 상기 전위계를 동작시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 전술한 양태들 및 다른 양태들은 첨부 도면들을 참조하여 다음의 설명을 독해할 시에, 본 발명에 관한 당업자에게 명백해질 것이다.
도 1은 전위계를 포함하는 예시적인 방사선 모니터의 매우 개략적인 블록도 표현이다.
도 2는 리셋 모드에서 전위계를 포함하는 예시적인 방사선 모니터의 개략적 전기 다이어그램이다.
도 3은 제 1 모드에서 전위계를 포함하는 예시적인 방사선 모니터의 개략적 전기 다이어그램이다.
도 4는 제 2 모드에서 전위계를 포함하는 예시적인 방사선 모니터의 개략적 전기 다이어그램이다.
도 5는 방사선 모니터의 전위계를 통과하는 전류 흐름을 측정하는 예시적 방법의 톱 레벨 흐름도이다.
본 발명의 하나 이상의 양태들을 포함하는 예시적 실시예들이 도면들에 기술 및 도시되어 있다. 이 도시된 예들은 본 발명에 대한 한정인 것으로 의도되지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 하나 이상의 양태들은 다른 실시예들 및 다른 타입의 디바이스들에서도 사용될 수 있다. 또한, 소정의 용어는 단지 편의를 위해 본 명세서에 사용되고 있으며, 본 발명에 대한 한정인 것으로 의도되지 않는다. 또한, 도면들에서, 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 지시하기 위해 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 양태에 따른 예시적인 방사선 모니터(10)에 대한 매우 개략적 표현이다. 단순 개요에서, 방사선 모니터(10)는 방사선을 검출하는 이온화 챔버(12)를 포함한다. 이온화 챔버(12)는, 이온화 챔버(12) 내의 이온화 전류를 검출하는 전위계(14)에 전기적으로 연결되어 있다. 제어기(16)는 전위계(14)를 제어하여, 이온화 전류를 저장 및 측정한다. 전위계(14)는 광범위한 이온화 전류를 정밀하게 검출하는 동안에, 상대적으로 넓은 온도 범위(예컨대, 섭씨 50 에서 60 까지)에 따라 상대적으로 낮은 전류 누설을 허용한다.
도 1이 설명의 목적으로 매우 개략적/일반적 표현으로 방사선 모니터(10)를 도시한다는 것이 인식될 것이다. 물론, 도 1은 단순히 구조/구성/등의 가능한 일 예를 나타내며, 다른 예들이 본 발명의 범위 내에서 고려된다. 일반적으로, 방사선 모니터(10)는 국부적인 영역의 대기에서 저-레벨 감마 방사선을 모니터링하는 기능을 수행하도록 외부 위치에 배치된다.
먼저, 이온화 챔버(12)로 돌아가서, 이온화 챔버(12)는 설명의 목적으로 도 1에 개략적으로 도시된다는 것이 인식될 것이다. 물론, 이온화 챔버(12)는 임의 개수의 가능한 구조/구성/등을 포함한다. 이온화 챔버(12)는 방사선을 모니터링하고/하거나 검출하는 다양한 애플리케이션들에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 이온화 챔버(12)는 방사선 안전 애플리케이션들, 폐기된 핵 연료의 방사선 모니터링, 국토 보안 애플리케이션들 등과 연계하여 사용될 수 있다. 물론, 이온화 챔버(12)는 이러한 애플리케이션들로 한정되지 않으며, 방사선 모니터링 및/또는 검출과 관련된 다른 애플리케이션들에 사용될 수도 있다.
적어도 일예에서, 이온화 챔버(12)는 두 개의 전극들, 즉 애노드(anode) 및 캐소드(cathode)를 구비한 기체 충전 챔버를 포함한다. 애노드와 캐소드는 원통형 배열, 평행 판들, 또는 이와 유사한 것들로서 배치될 수 있다. 전압 바이어스(예컨대, 400 볼트)가 기체에서 전기장을 생성하도록 애노드와 캐소드사이에 인가된다. 전압 바이어스는 예를 들면, 배터리 또는 이와 유사한 것을 포함하는 파워 서플라이(power supply)에 의해 제공될 수 있다. 일 예에서는, 애노드가 접지 전위(ground potential)에서 유지되는 동안에 전압 바이어스가 캐소드에 인가된다.
이온화 챔버(12)를 통과하는 감마 광자들은 전극들(예컨대, 애노드 또는 캐소드) 중의 하나 및 기체와 상호작용함으로써 이온화된 기체 분자들을 생성하게 된다. 생성된 이온화 기체 분자들의 양은 광자들 수, 감마 선 에너지, 광자들의 입사 방향 등의 함수이다. 생성되는 이온화 기체 분자들은 애노드 및 캐소드로 스위핑(sweeping)됨으로써 전류 흐름을 생성하게 된다. 몇몇 예들에서, 이 전류는, 예를 들어 백그라운드 방사선 레벨들에서 펨토 암페어(예컨대, 10-15)의 정도로 상대적으로 작다. 그러나, 다른 상황들에서는, 전류가 예를 들어 2.1 마이크로앰프(microamps)(예컨대, 10-6)의 범위로 더 높아질 수도 있다. 따라서, 이온화 챔버(12)는 감마 방사선의 존재에 대응하여 이 전류 흐름을 생성할 수 있다.
다음, 전위계(14)로 돌아가서, 전위계(14)는 이온화 챔버(12)에 생성된 전류를 검출 및/또는 측정하게 된다. 전위계(14)는 이온화 챔버(12)에 동작적으로 연결됨으로써, 전위계(14)가 이온화 챔버(12)로부터 신호들을 송신 및/또는 수신할 수 있도록 한다.
이제, 제어기(16)로 돌아가서, 제어기(16)는 전위계(14)에 동작적으로 연결되어 있다. 제어기(16)는 이온화 챔버(12)의 안 또는 밖의 전류 흐름의 측정을 계산 및 저장할 수 있다. 제어기(16)는 아날로그-디지털 변환기들, 메모리, 프로세서들 등과 같은, 이온화 챔버들과 연동되면서 이온화 전류를 측정하는 임의 개수의 구조들을 포함할 수 있다. 몇몇 예들에서, 제어기(16)는 관련 DAQ 하드웨어 및 소프트웨어, 예를 들어 타이머, 프로세서 모듈들, 메모리, 또는 이와 유사한 것을 구비한 DAQ(data acquisition system)를 포함한다.
제어기(16)는 파워 서플라이(17)를 포함할 수 있다. 파워 서플라이(17)는 전위계(14) 및 이온화 챔버(12)에 전력을 공급할 수 있다. 일 예에서, 파워 서플라이(17)는 이온화 챔버(12)에 전압 바이어스를 제공할 수 있는 고 전압 파워 서플라이를 포함할 수 있다. 파워 서플라이(17)는 예를 들어, 전력 공급과 연동되는 배터리, 배터리 충전기, 전압 조정기들, 및/또는 다른 디바이스들/구조들을 포함할 수 있다. 제어기(16)는 프로세서(18)를 더 포함할 수 있다. 프로세서(18)는 신호들(예컨대, 디지털 신호들)을 송/수신하며, 신호들에 대해 필요한 보정들을 수행할 수 있다. 프로세서(18)는 전위계(14) 및/또는 이온화 챔버(12)에 공급된 전력을 모니터링 하도록 파워 서플라이(17)에 연결될 수 있다.
이제, 도 2로 돌아가면, 방사선 모니터(10)의 예에 대한 전기적 구성을 나타내고 있다. 도 1에서는 전위계(14)가 일반적/개략적으로 도시되었지만, 도 2에는 전위계(14)의 전기적 구성이 더욱 상세히 나타나 있음이 인식될 것이다. 전위계(14)가 이온화 챔버(12)에 전기적으로 연결됨으로써, 전위계(14)는 이온화 챔버(12)에/로부터 전류를 송/수신하게 된다. 나타낸 예에서는, 이온화 챔버(12)가 음으로 바이어싱됨으로써, 전류가 전위계(14)에서 이온화 챔버(12)로 흐르게 된다. 물론, 다른 예들에서는, 이온화 챔버(12)가 양으로 바이어싱될 수도 있으며, 이에 따라 전류가 이온화 챔버(12)에서 전위계(14)로 흐를 수 있다.
전류 흐름을 생성하는 것에 의해, 이온화 챔버(12)는 전위계(14)로/로부터 전류를 송신 하거나 수신할 수 있다는 것이 인식될 것이다. 예를 들어, 본 예에서는, 이온화 챔버(12)가 음으로 바이어싱되어 있다. 따라서, 전류는 전위계(14)에서 이온화 챔버(12)로 흐르게 된다. 다른 예에서는, 이온화 챔버(12)가 양으로 바이어싱될 수 있으며, 이에 따라 전류는 이온화 챔버(12)에서 전위계(14)로 흐르게 된다. 이런 두 예들 중의 어느 것에서든, 전류 흐름은 그것의 방향과 관계없이, 검출되는 이온화에 대응하여 생성된다.
이제, 전위계(14)의 세부사항으로 돌아가서, 전위계(14)는 연산 증폭기(20)를 포함한다. 연산 증폭기(20)는 반전 입력(22) 및 비 반전 입력(24)을 포함한다. 비 반전 입력(24)은 접지에 연결되어 있다. 반전 입력(22)는 이온화 챔버(12)에 전기적으로 연결되어 있다. 연산 증폭기(20)는 제어기(16)에 부착될 수 있는 출력(26)(예컨대, 전압 출력)을 포함한다. 일 예에서, 연산 증폭기(20)는 이온화 챔버(12)로부터 신호들(예컨대, 전류 신호)을 수신하고, 이 신호를, 제어기(16)에 의해 판독가능한 아날로그 전압 신호로 변환할 수 있다. 본 예에서, 반전 입력(22)은 연산 증폭기(20)에 의해 가상 접지에 홀드된다.
전위계(14)는 제 1 커패시터(30)를 더 포함한다. 제 1 커패시터(30)는 연산 증폭기(20)의 반전 입력(22)에 전기적으로 연결된 제 1 단자(32)를 가지고 있다. 제 1 커패시터(30)는 연산 증폭기(20)의 출력(26)에 전기적으로 연결된 제 2 단자(34)를 더 가지고 있다. 일 예에서, 제 1 커패시터(30)는, 예를 들면, 3 피코파라드(picofarads) 정도의 범위로 존재한다. 다른 예에서는, 제 1 커패시터(30)가, 예를 들면, 4.7 피코파라드 정도의 범위로 존재한다. 물론, 제 1 커패시터(30)는 이러한 값들로 한정되지 않으며, 다른 커패시턴스들을 포함할 수 있음이 인식될 것이다.
전위계(14)는 적어도 하나의 스위치를 더 포함한다. 일 예에서, 적어도 하나의 스위치는 제 1 스위치(40), 제 2 스위치(46), 및 제 3 스위치(54)를 포함한다. 다른 예들에서, 전위계(14)는 3 개의 스위치들을 포함하는 것으로 한정되지 않으며, 대신에 도 2에 나타낸 3 개보다 많거나 적은 스위치들을 포함할 수도 있다. 일반적으로 알려진 바와 같이, 스위치들(예컨대, 제 1 스위치(40), 제 2 스위치(46), 및 제 3 스위치(54))이 선택적으로 개방 또는 폐쇄됨으로써 그것을 거쳐 흐르는 전류를 차단할 수 있다. 도 2에서는 스위치들이 폐쇄된 상태로 각각 도시되어 있지만, 도 3 및 도 4에 관해서 기술되는 바와 같이, 마찬가지로, 스위치들은 개방된 상태로 해제 및 이동될 수 있다. 본 예에서, 스위치들 각각은 다른 스위치가 예상될 지라도 단극(single pole), 단투(single throw) 스위치를 포함한다.
제 1 스위치(40)는 제 1 단자(41) 및 제 2 단자(42)를 포함한다. 제 1 단자(41)는 제 1 커패시터(30)의 제 1 단자(32)에, 및 연산 증폭기(20)의 반전 입력(22)에 전기적으로 연결되어 있다.
제 2 스위치(46)는 제 1 단자(47) 및 제 2 단자(48)를 포함한다. 제 2 스위치(46)의 제 1 단자(47)는 접지에 전기적으로 연결되어 있다. 제 2 스위치(46)의 제 2 단자(48)는 제 1 스위치(40)의 제 2 단자(42)에 전기적으로 연결되어 있다.
제 3 스위치(54)는 제 1 단자(55) 및 제 2 단자(56)를 포함한다. 제 1 단자(55)는 제 1 스위치의 제 2 단자(42)에, 및 제 2 스위치(46)의 제 2 단자(48)에 전기적으로 연결되어 있다. 제 3 스위치(54)의 제 2 단자(56)는 제 1 커패시터(30)의 제 2 단자(34)에, 및 연산 증폭기(20)의 출력(26)에 전기적으로 연결되어 있다.
전위계(14)는 제 2 커패시터(60)를 더 포함한다. 제 2 커패시터(60)는 제 1 스위치(40)의 제 2 단자(42), 제 2 스위치(46)의 제 2 단자(48), 및 제 3 스위치(54)의 제 1 단자(55)에 전기적으로 연결된 제 1 단자(62)를 가지고 있다. 제 2 커패시터(60)는 제 3 스위치(54)의 제 2 단자(56), 제 1 커패시터(30)의 제 2 단자(34), 및 연산 증폭기(20)의 출력(26)에 전기적으로 연결된 제 2 단자(64)를 더 가지고 있다.
일 예에서, 제 2 커패시터(60)는 제 1 커패시터(30)보다 큰 커패시턴스를 가지고 있다. 예를 들어, 제 2 커패시터(60)는 예컨대, 470 피코파라드(picofarads) 정도의 범위로 존재할 수 있다. 다른 예에서, 제 2 커패시터(60)는 예를 들면, 68 나노파라드(nanofarads)정도의 범위로 존재한다. 물론, 제 2 커패시터(60)는 이러한 값들로 한정되지 않으며, 더 크거나 작을 수 있는 다른 커패시턴스들을 포함할 수도 있다는 것이 인식될 것이다.
계속해서 도 2를 참조하여, 이제, 전위계(14)의 예시적 작동을 설명하도록 한다. 전위계(14)는 여러 상이한 모드에서 작동 가능하며, 이는 리셋(reset) 모드, 제 1 모드, 제 2 모드를 포함한다. 도 2에 나타낸, 리셋 모드는 제 1 커패시터(30) 및 제 2 커패시터(60)를 방전하는 것에 의해 전위계(14)의 주기적 리셋을 가능하게 한다. 다른 예에서, 연산 증폭기(20)의 출력(26)을 통과하는 전류 흐름이 너무 높을 경우, 리셋 모드가 개시된다.
리셋 모드 동안, 제 1 스위치(40), 제 2 스위치(46), 및 제 3 스위치(54)를 포함하는 각각의 스위치들이 폐쇄된다. 이와 같이, 전류는 리셋 모드 동안 상기 스위치들을 거쳐 흐르게 된다. 일반적으로 알려진 바와 같이, 제 1커패시터(30) 및 제 2 커패시터(60) 각각은 전하를 저장한다. 리셋 모드에서, 제 1 스위치(40), 제 2 스위치(46), 및 제 3 스위치(54)는 폐쇄되며, 이에 따라 제 1 커패시터(30) 및 제 2 커패시터(60)로부터 방전되도록 하는 전류 흐름을 가능하게 한다. 예를 들어, 제 1 전류 흐름(70)(화살표에 의해 일반적/개략적으로 나타냄)은 제 1 커패시터(30)로부터, 스위치들을 거쳐, 접지(제 2 스위치(46)에 연결됨)로 흐르게 된다. 제 1 전류 흐름(70)은 두 경로 중의 하나를 따라 이동할 수 있다. 제 1 전류 흐름(70)에 대한 제 1 경로는 제 1 단자(32)로부터, 제 1 스위치(40)를 거치고, 제 2 스위치(46)를 거쳐, 접지까지이다. 제 1 전류 흐름(70)에 대한 제 2 경로는 제 2 단자(34)로부터, 제 3 스위치(54)를 거치고, 제 2 스위치(46)를 거쳐, 접지까지이다.
제 1 커패시터(30) 이외에도, 제 2 커패시터(60)가 또한 리셋 모드 동안 방전하게 된다. 예를 들어, 제 2 전류 흐름(72)(화살표에 의해 일반적/개략적으로 나타냄)은 제 2 커패시터(60)로부터, 스위치들을 거쳐, 접지로 흐르게 된다. 제 2 전류 흐름(72)은 두 경로 중의 하나를 따라 이동할 수 있다. 제 2 전류 흐름(72)에 대한 제 1 경로는 제 1 단자(62)로부터 제 2 스위치(46)를 거쳐 접지까지이다. 제 2 전류 흐름(72)에 대한 제 2 경로는 제 2 단자(64)로부터, 제 3 스위치(54)를 거치고, 제 2 스위치(46)를 거쳐 접지까지이다.
이제, 도 3으로 돌아가면, 전위계(14)의 제 1 동작 모드가 나타나 있다. 제 1 동작 모드는, 예를 들어, 이온화 챔버(12)에서 상대적으로 작은 전류들과 같은 제 1 범위의 전류들을 검출하는데 이용된다. 가능한 일 예에서, 제 1 동작 모드는 백그라운드 방사선 레벨들을 검출하는데 이용되며, 이는 상대적으로 작은 전류 레벨들을 생성한다. 물론, 제 1 커패시터(30)의 커패시턴스(예컨대, 피코파라드에 있어서, 3 피코파라드 내지 4.7피코파라드)는 제 2 커패시터(60)의 커패시턴스(예컨대, 470 피코파라드 내지 68 나노파라드) 보다 더 작다. 제 2 커패시터(60)와 비교해 볼 때, 제 1 커패시터(30)의 상대적으로 작은 커패시턴스는, 예를 들어 백그라운드 방사선 레벨들의 모니터링 동안 및/또는 저 방사선의 기간 동안 상대적으로 작은 전류 레벨들의 더욱 정확한 검출을 가능하게 한다.
제 1 동작 모드 동안, 제 2 스위치(46)가 폐쇄되는 반면 제 1 스위치(40) 및 제 3 스위치(54)는 개방될 수 있다. 폐쇄되어 있으며 또한 제 1 단자(47)에서 접지에 연결된 제 2 스위치(46)로 인하여, 제 1 스위치(40)에 걸쳐 0 전압 전위가 존재하게 된다. 두 단자들(예컨대, 제 1 스위치(40)의 제 1 단자(41) 및 제 2 단자(42))에 걸친 전위가 제로(zero)인 경우, 전류는 그 단자들을 통해 흐르지 않게 된다. 이 0 전압 전위는 제 1 스위치(40)에 걸친 전류 누설을 제한하게 된다. 이와 같이, 전류 흐름(74)은 제 1 커패시터(30)로부터, 제 1 단자(32)를 거쳐, 이온화 챔버(12)로 이동하게 된다.
이제, 도 4로 돌아가면, 전위계(14)의 제 2 동작 모드를 나타나 있다. 제 2 동작 모드는 예를 들면, 제 1 동작 모드와 비교해 볼 때, 이온화 챔버(12)에서 상대적으로 큰 전류들과 같은 제 2 범위의 전류를 검출하는데 이용된다. 가능한 일 예에서, 상대적으로 큰 전류들은 이온화 챔버(12) 내에서의 상대적으로 더 큰 레벨의 방사선에 대응하여 생성된다. 물론, 제 2 커패시터(60)의 커패시턴스(예컨대, 470 피코파라드 내지 68 나노파라드)와 조합된 제 1 커패시터(30)의 커패시턴스(예컨대, 피코파라드들에 있어서, 3 피코파라드 내지 4.7피코파라드)는 제 1 커패시터(30) 단독(도 3에 나타냄)의 커패시턴스 보다 상당히 더 크다. 제 2 커패시터(60)와 조합된 이 상대적으로 더 큰 제 1 커패시터(30)의 커패시턴스는, 예를 들어 높은 레벨의 방사선을 모니터링하는 동안 상대적으로 더 큰 전류 레벨들의 더욱 정확한 검출을 가능하게 한다.
제 2 동작 모드 동안, 제 1 스위치(40)는 폐쇄된다. 제 2 스위치((46) 및 제 3 스위치(54)는 개방된다. 이와 같이, 전류 흐름(80)은 제 2 커패시터(60)로부터, 제 1 단자(62)를 거치고, 제 1 스위치(40)를 거쳐서 이온화 챔버(12)로 이동하게 된다. 마찬가지로, 전류 흐름(82)은 제 1 커패시터(30)로부터, 제 1 단자(32)를 거쳐, 이온화 챔버(12)로 이동하게 된다.
제 1 스위치(40), 제 2 스위치(46), 및 제 3 스위치(54)의 개방 및 폐쇄는 여러 방식으로 제어된다. 가능한 일 예에서, 스위치들은 옵토-아이솔레이터(opto-isolator)(예컨대, 옵토커플러(optocoupler), 포토커플러(photocoupler), 광학 아이솔레이터(optical isolator))를 포함한다. 이러한 예에서, 광원, 예를 들어 LED(light emitting diode)는 스위치들이 개폐하는 것을 야기하도록 선택적으로 광 센서에 비출 수 있다. 이 광원은, 예를 들어 제어기(16)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 디바이스는 Toshiba TLP3250 포토커플러이다. 물론, 스위치들이 본 예로 한정되는 것이 아니며, 여러 방식에서 선택적으로 개폐될 수도 있다.
제 1 스위치(40), 제 2 스위치(46), 및 제 3 스위치(54)는, 전위계(14)가 리셋 모드(도 2), 제 1 동작 모드(도 3), 또는 제 2 동작 모드(도 4)에서 작동되도록 선택적으로 개폐될 수 있다. 제 1 모드 또는 제 2 모드에서의 동작은 이온화 챔버(12)로 도입되는 전류 크기에 기초한다. 특히, 커패시터에 전압이 인가되는 경우, 커패시터는 식 I = C x (dV/dt) 에 따르는 전류를 생성한다. I는 전류 출력을 나타내고, C는 커패시터의 커패시턴스(예컨대, 제 1 커패시터(30) 및/또는 제 2 커패시터(60))를 나타내며, (dV/dt)는 입력 전압의 변화율이다. 따라서, 일 예에서, 파워 서플라이(17)로부터 커패시터들 중의 하나 또는 양쪽 모두에 인가되는 전압이 일정률로 램핑(ramping)되는 경우, (dV/dt)는 상수가 된다. 그 결과, 커패시터들의 커패시턴스가 상수를 유지하는 경우, 커패시터에 의해 생성되는 결과물인 전류 신호는 일정한 크기를 가지게 된다.
이러한 관계를 사용하여, 전위계(14)는 제 1 동작 모드, 제 2 동작 모드, 또는 리셋 동작 모드 사이에서 스위칭을 하게 된다. 제 1 동작 모드 내에서, 이온화 챔버(12)에 의해 검출되는 방사선 레벨들(예컨대, 백그라운드 방사선 레벨들)은 상대적으로 낮다. 이와 같이, 낮은 방사선 레벨들에 비례하는, 상대적으로 작은 전류가 생성된다. 본 예에서는, 이온화 챔버(12)가 음으로 바이어스 되어 있기 때문에, 이 낮은 레벨의 전류가 전위계(14)로부터 이온화 챔버(12) 내로 도입된다.
이온화 챔버(12) 내로 도입되는 낮은 레벨의 전류는 완만한 기울기(shallow slope)를 가진 커패시터(예컨대, 제 1 커패시터(30)) 내에 상대적으로 낮은 램핑 전압(ramping voltage)을 생성하게 된다. 이 낮은 램핑 전압은 제어기(16)에 의해 검출되며, 이에 대응하여, 제 1 동작 모드가 개시된다. 상술한 바와 같이, 제 1 동작 모드 동안에는, 제 1 스위치(40) 및 제 3 스위치(54)가 개방되고, 제 2 스위치(46)는 폐쇄된다. 이에 따라, 제 1 스위치(40) 및 제 3 스위치(54)에 걸친 전류 누설은 최소화되며, 방사선 레벨의 정밀 측정이 달성된다.
제 2 동작 모드 내에서, 이온화 챔버(12)에 의해 검출되는 방사선 레벨들은 상대적으로 높다. 이와 같이, 더 높은 방사선 레벨들에 비례하는, 상대적으로 더 큰 전류가 생성된다. 이온화 챔버(12) 내에 도입되는 더 높은 레벨의 전류는 상대적으로 가파른 기울기를 가진 커패시터들(예컨대, 제 1 커패시터(30) 및 제 2 커패시터(60)) 내에 더 높은 램핑 전압을 생성하게 된다. 이 더 높은 램핑 전압은 제어기(16)에 의해 검출되며, 이에 대응하여, 제 2 동작 모드가 개시된다. 상술한 바와 같이, 제 2 동작 모드 동안에는, 제 1 스위치(40)가 폐쇄되고, 제 2 스위치(46) 및 제 3 스위치(54)는 개방된다. 이에 따라 제 2 스위치(46) 및 제 3 스위치(54)에 걸친 전류 누설이 최소화되며, 방사선 레벨들의 정밀 측정이 달성된다.
이제, 도 5로 돌아가면, 방사선 모니터(10)의 전위계(14)를 통과하는 전류 흐름을 측정하는 예시적 방법(200)의 흐름도가 나타나 있다. 이 방법(200)은 도 1 내지 4에 관하여 도시 및 기술된 예시적인 방사선 모니터(10)와 전위계(14)와 함께 수행될 수 있다. 방법(200)은 모든 스위치들이 개방되어 있는 초기 단계(204)를 포함할 수 있다. 특히, 제 1 스위치(40), 제 2 스위치(46), 및 제 3 스위치(54)는 초기에 선택적으로 개방될 수 있다. 다음으로, 단계(208)에서, 제어기(16)는 전류 흐름이 허용 한계 내에 있는지의 여부를 결정할 수 있다. 예를 들어, 전류 흐름이 너무 낮거나 너무 높을 경우(즉, "히팅 더 레일(hitting the rails)"로 지칭됨)에는, 전류가 허용 한계 내에 있지 않다.
다음으로, 단계(212)에 나타낸 바와 같이, 너무 낮거나 너무 높은 전류에 대응하여 스위치들 모두가 폐쇄된다. 스위치들이 모두 폐쇄되어 있는, 전위계(14)는 리셋 모드(도 2에 도시)이다. 리셋 모드는 제 1 커패시터(30) 및 제 2 커패시터(60)를 방전하는 것에 의한 전위계(14)의 주기적 리셋을 가능하게 한다.
다음으로, 단계(216)에 나타낸 바와 같이, 제어기(16)는 높은 전류가 검출되는지의 여부를 결정할 수 있다. 높은 전류가 검출되는 경우, 제어기(16)는 제 2 스위치(46) 및 제 3 스위치(54)를 트리거하여 해제/개방되도록 할 수 있다(단계(220)에 나타냄). 물론, 도 4에 관하여 위에서 기술한 바와 같이, 제 1 스위치(40)가 폐쇄되고 제 2 스위치(46) 및 제 3 스위치(54)가 개방되는 경우에는, 전위계(14)는 제 2 모드이다. 이 제 2 모드는, 예를 들어, 이온화 챔버(12) 내로 흐르는 상대적으로 큰 전류들을 검출하는데 이용된다. 제 2 모드는, 예를 들어 높은 방사선 레벨들을 모니터링하는 동안, 큰 전류 레벨들의 상대적으로 정밀한 검출을 가능하게 한다.
단계(216)에서 높은 전류가 검출되지 않고, 이에 따라 상대적으로 낮은 전류가 이온화 챔버(12) 내로 흐르고 있는 경우에는, 제어기(16)가 제 1 스위치(40) 및 제 3 스위치(54)를 트리거하여 해제/개방되도록 할 수 있다(단계(224)에 나타냄). 도 3에 관하여 위에서 기술한 바와 같이, 제 1 스위치(40) 및 제 3 스위치(54)가 개방되고 제 2 스위치(46)가 폐쇄되는 경우, 전위계(14)는 제 1 모드이다. 제 1 모드는, 예를 들어, 이온화 챔버(12) 내로 흐르는 상대적으로 작은 전류들을 검출하는데 이용된다. 제 1 모드는 더 작은 전류 레벨들의 상대적으로 정밀한 검출을 가능하게 한다.
전위계(14)에 제 1 스위치(40), 제 2 스위치(46), 및 제 3 스위치(54)를 제공함으로써, 최소의 전류 누설 발생에 따라 상대적으로 빠른 게인(gain) 변화가 모니터링될 수 있다. 또한, 전류는 넓은 온도 범위 훨씬 이상의 누설로부터 제한된다. 물론, 스위치들과 커패시터들의 구성은 예를 들어, 섭씨 50 내지 60의 온도 범위 훨씬 이상 및/또는 섭씨 35의 주변 온도 이상의 최소의 전류 누설을 확보하게 된다.
이상 설명한 예시적 실시예들을 참조하여 본 발명을 기술하였다. 본 명세서의 독해 및 이해 시에는 수정물과 변형물이 다른 이들에게 발생하게 된다. 본 발명의 하나 이상의 양태들을 포함하는 예시적 실시예들은, 모든 이러한 수정물 및 변형물이 첨부된 특허 청구항들의 범위 내에 속하는 한, 그것을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 이온화 챔버 내로 전달되는 방사선을 검출하는 상기 이온화 챔버- 상기 이온화 챔버는 검출된 상기 방사선에 응답하여 전류 흐름을 생성함 -와,
    상기 이온화 챔버에 전기적으로 연결되어 상기 이온화 챔버에 의해 생성된 상기 전류 흐름을 측정하는 전위계(electrometer)를 포함하되,
    상기 전위계는 상기 이온화 챔버에 연결된 적어도 하나의 입력, 및 출력을 구비한 증폭기와, 제1 커패시터가 상기 적어도 하나의 입력과 상기 출력 사이에 직접 연결되도록 상기 적어도 하나의 입력과 상기 출력에 제각각 연결된 제1 단자 및 제2 단자를 구비한 상기 제1 커패시터와, 상기 적어도 하나의 입력과 상기 출력 사이에 선택적으로 연결가능한 제2 커패시터와, 상기 적어도 하나의 입력과 상기 출력 사이에 상기 제2 커패시터를 선택적으로 연결하고 상기 적어도 하나의 입력과 상기 출력을 서로 함께 직접 접지에 선택적으로 연결하도록 동작가능한 복수의 스위치를 포함하고, 상기 전위계는 상기 복수의 스위치의 동작을 통해, 상기 이온화 챔버에 의해 생성된 상기 전류 흐름의 크기에 기초하여 복수의 모드로 동작가능하도록 구성되고, 상기 제2 커패시터는 제1 단자 및 제2 단자를 구비하되 상기 제2 커패시터의 상기 제2 단자는 상기 출력에 연결되고, 상기 복수의 스위치는, 상기 적어도 하나의 입력과 상기 제2 커패시터의 상기 제1 단자 사이에 연결된 제1 스위치- 상기 제2 커패시터의 상기 제1 단자는 상기 제1 스위치가 닫히면 상기 적어도 하나의 입력에 연결됨 -와, 상기 제2 커패시터의 상기 제1 단자와 접지 사이에 연결된 제2 스위치- 상기 제2 커패시터의 상기 제1 단자는 상기 제2 스위치가 닫히면 접지에 연결됨 -와, 상기 제2 커패시터의 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이에서 상기 제2 커패시터에 병렬로 연결된 제3 스위치- 상기 제2 커패시터의 상기 제1 단자와 상기 제2 단자는 상기 제3 스위치가 닫히면 연결됨 -를 포함하는
    방사선 모니터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 커패시터는 제1 커패시턴스를 가지고, 상기 제2 커패시터는 제2의 다른 커패시턴스를 갖는
    방사선 모니터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전위계가 동작가능한 상기 복수의 모드는, 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치는 개방되고 상기 제2 스위치는 닫히게 되어 상기 제2 커패시터의 상기 제1 단자가 접지에 연결되는 제1 모드를 포함하는
    방사선 모니터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 모드는, 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치는 개방되고 상기 제1 스위치는 닫히게 되어, 상기 제1 커패시터가 상기 적어도 하나의 입력에 연결된 것에 더해 상기 제2 커패시터의 상기 제1 단자가 상기 적어도 하나의 입력에 연결되는 제2 모드를 포함하는
    방사선 모니터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 모드는 상기 제 1 스위치, 상기 제 2 스위치, 및 상기 제 3 스위치의 각각이 닫히게 되어 상기 적어도 하나의 입력 및 상기 출력은 접지에 연결되고, 상기 제1 커패시터의 상기 제1 단자 및 상기 제2 단자는 접지에 연결되며, 상기 제2 커패시터의 상기 제1 단자 및 상기 제2 단자는 접지에 연결되는 리셋 모드(reset mode)를 포함하는
    방사선 모니터.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전위계는 측정된 상기 전류 흐름이 제1 범위 이내인 것에 응답하여 상기 제1 모드에서 동작가능하도록 구성되는
    방사선 모니터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전위계는 측정된 상기 전류 흐름이 상기 제1 범위보다 큰 제2 범위 이내인 것에 응답하여 상기 제2 모드에서 동작가능하도록 구성되는
    방사선 모니터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치, 및 상기 제3 스위치 중 적어도 하나는 옵토-아이솔레이터(opto-isolator)를 포함하는
    방사선 모니터.
  9. 방사선 모니터의 전위계를 통과하는 전류 흐름을 측정하는 방법으로서,
    방사선을 검출하는 이온화 챔버를 제공하는 단계 － 상기 이온화 챔버는 검출된 방사선에 응답하여 전류 흐름을 생성함 － 와,
    상기 이온화 챔버에 전기적으로 연결되어 상기 이온화 챔버의 전류 흐름을 측정하는 전위계를 제공하는 단계- 상기 전위계는 적어도 하나의 입력, 및 출력을 구비한 증폭기와, 제1 커패시터가 상기 적어도 하나의 입력과 상기 출력 사이에 직접 연결되도록 상기 적어도 하나의 입력과 상기 출력에 제각각 연결된 제1 단자 및 제2 단자를 구비한 상기 제1 커패시터와, 상기 적어도 하나의 입력과 상기 출력 사이에 선택적으로 연결가능한 제2 커패시터와, 상기 적어도 하나의 입력과 상기 출력 사이에 상기 제2 커패시터를 선택적으로 연결하고 상기 적어도 하나의 입력과 상기 출력을 서로 함께 직접 접지에 선택적으로 연결하도록 동작가능한 복수의 스위치를 포함하고, 상기 제2 커패시터는 제1 단자 및 제2 단자를 구비하되 상기 제2 커패시터의 상기 제2 단자는 상기 출력에 연결되고, 상기 복수의 스위치는, 상기 적어도 하나의 입력과 상기 제2 커패시터의 상기 제1 단자 사이에 연결된 제1 스위치- 상기 제2 커패시터의 상기 제1 단자는 상기 제1 스위치가 닫히면 상기 적어도 하나의 입력에 연결됨 -와, 상기 제2 커패시터의 상기 제1 단자와 접지 사이에 연결된 제2 스위치- 상기 제2 커패시터의 상기 제1 단자는 상기 제2 스위치가 닫히면 접지에 연결됨 -와, 상기 제2 커패시터의 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이에서 상기 제2 커패시터에 병렬로 연결된 제3 스위치- 상기 제2 커패시터의 상기 제1 단자와 상기 제2 단자는 상기 제3 스위치가 닫히면 연결됨 -와,
    측정된 상기 전류 흐름이 제1 범위 이내인 것에 응답하여 전류가 상기 제1 스위치를 통해 흐르지 않고 상기 제2 커패시터의 상기 제1 단자가 접지에 연결되도록 제1 모드에서 상기 전위계를 동작시키는 단계와,
    측정된 상기 전류 흐름이 제2 범위 이내인 것에 응답하여 제2 모드에서 상기 전위계를 동작시키는 단계- 상기 제2 모드에서 상기 전위계를 동작시키는 단계는 상기 제2 스위치를 개방하고, 상기 제3 스위치를 개방하고 상기 제1 스위치를 닫아, 상기 제1 커패시터가 상기 적어도 하나의 입력에 연결된 것에 더해 상기 제2 커패시터의 상기 제1 단자가 상기 적어도 하나의 입력에 연결되도록 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 동작시키는 것을 포함함 -와,
    상기 전위계를 리셋 모드에서 동작시키는 단계- 상기 리셋 모드에서 동작시키는 단계는 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 닫아, 상기 적어도 하나의 입력 및 상기 출력이 접지에 연결되고, 상기 제1 커패시터의 상기 제1 단자 및 상기 제2 단자는 접지에 연결되고 상기 제2 커패시터의 상기 제1 단자 및 상기 제2 단자는 접지에 연결되도록 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 동작시키는 것을 포함함 -를 포함하는
    전류 흐름 측정 방법.
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