NO175076B

NO175076B - Radiation Detector System.

Info

Publication number: NO175076B
Application number: NO900654A
Authority: NO
Inventors: Lennart Claussen
Original assignee: Sefors Ab
Priority date: 1988-06-13
Filing date: 1990-02-09
Publication date: 1994-05-16
Also published as: NO900654L; NO900654D0; NO175076C

Description

Oppfinnelsen angår et strålingsdeteksjonssystem omfattende et strålingsfølsomt gassrør for mottaking av stråling, og en anordning for tilførsel av en første, høy spenning til røret for å tilveiebringe ionisasjon av gassen når røret mottar stråling, og deretter en andre, lav spenning for å stanse ytterligere ionisasjon. The invention relates to a radiation detection system comprising a radiation-sensitive gas tube for receiving radiation, and a device for supplying a first, high voltage to the tube to provide ionization of the gas when the tube receives radiation, and then a second, low voltage to stop further ionization.

Anvendelsen av gassfylte Geiger-Miiller-rør for strålingsdeteksjon er velkjent. I driftstilstand når ingen innkommende stråling er til stede, er røret ikke ledende. Ved innkommende stråling starter røret å lede og fortsetter å gjøre dette selv om strålingen forsvinner. Strømmen frembringer ioner og frie elektroner i gassen. For å hindre strømmen i å flyte, må den påtrykte spenning over røret reduseres under en viss terskel-verdi, slokkespenningen. Dette oppnås to ganger for hver syklus ved vekselstrømseksitering, og med passive eller aktive kretser ved likestrømseksitering. Spenningsreduksjonen må være av til-strekkelig varighet til å få de frie elektroner og ionene nøy-tralisert. Dersom normal driftsspenning påtrykkes altfor raskt over elektrodene etter at utladningen er blitt stanset, vil røret begynne å lede igjen, selv om det ikke finnes noen innkommende stråling. Den mest benyttede slokkekrets for vekselstrømsdrift er av passiv CR-type, ofte benyttet av rørfabrikanter i dataark til å spesifisere rørets følsomhet. Fig. 1 viser et skjema av denne CR-slokkekrets, og fig. 2 viser et eksempel på spenningen over og strømmen som flyter gjennom røret i denne krets. The use of gas-filled Geiger-Miiller tubes for radiation detection is well known. In the operating condition when no incoming radiation is present, the tube is not conductive. Upon incoming radiation, the tube starts to conduct and continues to do so even if the radiation disappears. The current produces ions and free electrons in the gas. To prevent the current from flowing, the applied voltage across the tube must be reduced below a certain threshold value, the cut-off voltage. This is achieved twice for each cycle in AC excitation, and with passive or active circuits in DC excitation. The voltage reduction must be of sufficient duration to neutralize the free electrons and ions. If normal operating voltage is applied too quickly across the electrodes after the discharge has stopped, the tube will begin to conduct again, even though there is no incoming radiation. The most commonly used quenching circuit for alternating current operation is of the passive CR type, often used by pipe manufacturers in data sheets to specify the pipe's sensitivity. Fig. 1 shows a diagram of this CR extinguishing circuit, and fig. 2 shows an example of the voltage across and the current flowing through the tube in this circuit.

Disse typer av rør benyttes ofte som primærdetektorer i systemer som er laget for strålingsdeteksjon, der hvor stråling normalt ikke er til stede. Systemene skal indikere når strålingen øker til et nivå eller med en hastighet som krever én eller annen handling, f .eks. overvåkning av k j ernelekkas j e eller kjernestrå-ling fra en brann. Falsk utløsning er ikke akseptabelt i sådanne systemer. These types of tubes are often used as primary detectors in systems designed for radiation detection, where radiation is not normally present. The systems must indicate when the radiation increases to a level or at a rate that requires some action, e.g. monitoring nuclear leakage or nuclear radiation from a fire. False triggering is not acceptable in such systems.

Ved ingen innkommende stråling fra den kilde som skal overvåkes, kan falske eller uønskede utladninger forekomme fra lekkasjefotoner, beta- eller gammastråler, statiske utladninger, urenheter i katodemateriale, etc. Dette er støy for systemet. Utladningspulsene fra denne bakgrunnsstøy distribueres ved tilfeldige tidspunkter. Det er derfor mulig å ha en rekke pulser innenfor en kort tid, selv ved meget lav midlere pulshastighet. Ved for eksempel en midlere pulshastighet på én puls pr. minutt, er sannsynligheten for å ha tre pulser på ett sekund lik én på 15 dager, og sannsynligheten for å ha fem pulser på ett sekund er én på 3000 år. Dette er grunnen til at ingen kjente systemer tillates å reagere på bare noen få pulser. Dersom man skal opprettholde en god margin mot falsk utløsning, krever de fleste systemer minst 5 til 10 pulser i løpet av en begrenset tid for å gå til handling. Pulshastigheten øker for økende innkommende stråling opp til en metningspulshastighet på ca. 170 Hz for et vanlig ultrafiolett-detektorrør med CR-slokkekretser. Dette gir en nedre grensetid eller minimumsgrensetid på 5/170 s (29 ms) for det ultrafiolette flammedeteksjonssystem med det ovenfor omtalte CR-system, ved høye strålingsnivåer. US-patent 4 162 425 har en modifikasjon av CR-slokkekretsen som øker metningspulstakten med mindre enn to ganger. If there is no incoming radiation from the source to be monitored, false or unwanted discharges can occur from leakage photons, beta or gamma rays, static discharges, impurities in the cathode material, etc. This is noise for the system. The discharge pulses from this background noise are distributed at random times. It is therefore possible to have a number of pulses within a short time, even at a very low average pulse rate. For example, at an average pulse rate of one pulse per minute, the probability of having three pulses in one second is equal to one in 15 days, and the probability of having five pulses in one second is one in 3000 years. This is why no known system is allowed to respond to just a few pulses. If a good margin against false triggering is to be maintained, most systems require at least 5 to 10 pulses within a limited time to take action. The pulse speed increases for increasing incoming radiation up to a saturation pulse speed of approx. 170 Hz for a conventional ultraviolet detector tube with CR quenching circuits. This gives a lower limit time or minimum limit time of 5/170 s (29 ms) for the ultraviolet flame detection system with the above mentioned CR system, at high radiation levels. US Patent 4,162,425 has a modification of the CR quench circuit that increases the saturation pulse rate by less than twofold.

Et strålingsdeteksjonssystem av den innledningsvis angitte type er kjent fra US-patentskrift 4 453 076. Dette system omfatter et strålingsfølsomt gassrør for mottaking av stråling, og røret tilføres to forskjellige spenninger for å redusere detektorens "dødtid". Først tilføres røret en høy spenning. Det spenningsfall man får over rørets anode når stråling kommer inn og ioniserer gassen i røret, forsterkes og benyttes til å omkople spenningen over anoden til en lavere verdi. Etter en bestemt kort tid påtrykkes den høye spenning på nytt. Dette kjente system har en liknende modifikasjon av CR-slokkekretsen som i ovennevnte US-patent, ved hvilken det oppnås en begrenset metningspulstakt. A radiation detection system of the type indicated at the outset is known from US Patent 4,453,076. This system comprises a radiation-sensitive gas tube for receiving radiation, and the tube is supplied with two different voltages to reduce the "dead time" of the detector. First, a high voltage is applied to the tube. The voltage drop across the tube's anode when radiation enters and ionises the gas in the tube is amplified and used to switch the voltage across the anode to a lower value. After a certain short time, the high voltage is applied again. This known system has a similar modification of the CR extinguishing circuit as in the above-mentioned US patent, by which a limited saturation pulse rate is achieved.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe et detektorsystem som kan skjelne kontinuerlig signalstråling med høyt nivå fra uønsket lekkasjestråling på meget kort tid, uten øket, falsk utløsning på grunn av flere uønskede falske støy-utladninger. The purpose of the invention is to provide a detector system which can distinguish continuous high-level signal radiation from unwanted leakage radiation in a very short time, without increased false triggering due to several unwanted false noise discharges.

Ovennevnte formål oppnås med et strålingsdeteksjonssystem av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at den nevnte anordning for spenningstilfør-sel er innrettet til å tilveiebringe minst én ytterligere, mellomliggende spenning for å akselerere de gjenværende ioner og elektroner frem til rørets elektroder for nøytralisering, og at det er tilveiebrakt en logisk anordning for å velge de nevnte spenninger, og en anordning tilknyttet den logiske anordning for å avføle strømmen gjennom røret. The above-mentioned purpose is achieved with a radiation detection system of the type indicated at the outset which, according to the invention, is characterized in that the aforementioned device for supplying voltage is designed to provide at least one further, intermediate voltage to accelerate the remaining ions and electrons to the tube's electrodes for neutralization , and that a logical device is provided for selecting the mentioned voltages, and a device associated with the logical device for sensing the current through the pipe.

Ved hjelp av systemet ifølge oppfinnelsen oppnås en pulshastighet eller pulstakt på 1700 Hz, hvilket gir en minimums-grense-strålingsdeteksjonstid på 3 ms, og systemet kan dermed skjelne kontinuerlig signalstråling med høyt nivå fra uønsket lekkasjestråling raskere enn noe annet kjent system som er på markedet i dag. Oppfinnelsen gjør det mulig å skjelne høye strålingsnivåer på kortere tid enn 3 ms uten øket, falsk utløsning på grunn av flere uønskede falske støyutladninger. Using the system according to the invention, a pulse rate or pulse rate of 1700 Hz is achieved, which gives a minimum limit radiation detection time of 3 ms, and the system can thus distinguish high-level continuous signal radiation from unwanted leakage radiation faster than any other known system on the market Today. The invention makes it possible to discern high radiation levels in less than 3 ms without increased false triggering due to multiple unwanted false noise discharges.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med et utførelseseksempel under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et skjema av den kjente CR-slokkekrets som ofte anbefales av fabrikantene, fig. 2 viser en representativ grafisk fremstilling av spenningen over og strømmen gjennom røret under en typisk driftssyklus for denne CR-slokkekrets, fig. 3 er et blokksk jerna som viser en utførelse av systemet ifølge oppfinnelsen, og fig. 4 viser en representativ grafisk fremstilling av spenningen over og strømmen gjennom det strålingsfølsomme rør under en typisk driftssyklus. The invention shall be described in more detail in the following in connection with an exemplary embodiment with reference to the drawings, where fig. 1 shows a diagram of the known CR extinguishing circuit which is often recommended by the manufacturers, fig. 2 shows a representative graphical representation of the voltage across and the current through the tube during a typical duty cycle for this CR quench circuit, FIG. 3 is a block iron showing an embodiment of the system according to the invention, and fig. 4 shows a representative graphical representation of the voltage across and the current through the radiation-sensitive tube during a typical duty cycle.

I den foretrukne utførelse angår oppfinnelsen et flammedeteksjonssystem med et ultrafiolett(UV)-deteksjonsrør. Detektorrør for andre typer av stråling vil ha forskjellige tidsinnstillingsdata som følge av forskjellig materiale og fysisk arrangement, men oppfinnelsen vil øke metningspuls-tellehas-tigheten på samme måte for disse rør som for UV-rørene. In the preferred embodiment, the invention relates to a flame detection system with an ultraviolet (UV) detection tube. Detector tubes for other types of radiation will have different timing data as a result of different material and physical arrangement, but the invention will increase the saturation pulse count speed in the same way for these tubes as for the UV tubes.

I blokkskjemaet på fig. 3 er den spenning som leveres fra høyspennings-likestrømskilden 1, høyere eller lik fabrikante-nes anbefalte arbeidsspenning for det strålingsfølsomme gassrør 4. Normale spenningsverdier ligger i området fra 300 V til 600 V. En styrt regulator 10 regulerer spenningen 11 til røret 4 til en verdi som kodes på en styreledning 12 ved hjelp av en programmerbar logisk anordning 13. Dersom røret 4 utsettes for stråling 6 med en bølgelengde innenfor rørets spektralområde, vil det begynne å lede. Strømmen er begrenset av summen av to motstander 5 og 14. Den begrensede strøm over motstanden 5 danner en spenning som er høyere enn terskelverdien på den logiske inngang In the block diagram of fig. 3 is the voltage supplied from the high-voltage direct current source 1, higher than or equal to the manufacturers' recommended working voltage for the radiation-sensitive gas pipe 4. Normal voltage values lie in the range from 300 V to 600 V. A controlled regulator 10 regulates the voltage 11 to the pipe 4 to a value which is coded on a control line 12 by means of a programmable logic device 13. If the pipe 4 is exposed to radiation 6 with a wavelength within the pipe's spectral range, it will begin to conduct. The current is limited by the sum of two resistors 5 and 14. The limited current across the resistor 5 forms a voltage that is higher than the threshold value on the logic input

15 til anordningen 13. Anordningen 13 gir da umiddelbart den styrte regulator 10 ordre om å redusere spenningen over røret 4 15 to the device 13. The device 13 then immediately gives the controlled regulator 10 an order to reduce the voltage across the pipe 4

til en lav verdi hvor strømmen gjennom røret stanser. Etter noen tidels mikrosekunder gir anordningen 13 regulatoren 10 ordre om å innstille en spenning, fortrinnsvis i området fra 100 til 200 V (likespenning). Etter noen hundre mikrosekunder i denne stilling gir anordningen 13 regulatoren 10 ordre om på nytt å innstille normal driftsspenning over røret 4. Denne beskrevne sekvens vil ta mindre enn 300 mikrosekunder og gir en pulstellingshastighet eller pulstellingstakt ved høye strålingsnivåer på nær 2000 Hz. Detektorsystemer som er kjente på markedet i dag, har en maksimal tellingstakt på rundt 200 Hz. Forbedringen oppnås ved hjelp av to virkninger: 1. Den umiddelbare spenningsavskjæring over røret etter utladningen hindrer oppbygning av ioner og elektroner i gassen. Av denne grunn reduseres de ioner og elektroner som skal nøytra-liseres, til et minimum. 2. En spenning som er høyere enn slokkespenningen og lavere enn den normale driftsspenning, og som frembringer et elektrisk felt mellom rørets elektroder, påtrykkes over røret. Dette er mulig med det begrensede antall ioner og elektroner som er et resultat av den første virkning. Det elektriske felt akselererer ionene og elektronene frem til elektrodene og gjør gassen fri for disse partikler på kortere tid enn i systemer uten noe sådant påtrykt felt, eller for den del et felt som er frem-brakt fra en likespennings-slokkekrets. Tidligere kjente systemer venter i minst 2 ms med ingen eller lav spenning mellom elektrodene før den termiske bevegelse av ionene og elektronene har brakt disse partikler frem til elektrodene for nøytralisering. to a low value where the flow through the pipe stops. After a few tenths of a microsecond, the device 13 gives the regulator 10 an order to set a voltage, preferably in the range from 100 to 200 V (direct voltage). After a few hundred microseconds in this position, the device 13 orders the regulator 10 to re-set the normal operating voltage across the tube 4. This described sequence will take less than 300 microseconds and gives a pulse count rate or pulse count rate at high radiation levels of close to 2000 Hz. Detector systems known on the market today have a maximum counting rate of around 200 Hz. The improvement is achieved by means of two effects: 1. The immediate voltage cut-off across the tube after the discharge prevents the build-up of ions and electrons in the gas. For this reason, the ions and electrons to be neutralized are reduced to a minimum. 2. A voltage that is higher than the cut-off voltage and lower than the normal operating voltage, and which produces an electric field between the tube's electrodes, is applied across the tube. This is possible with the limited number of ions and electrons that result from the first action. The electric field accelerates the ions and electrons up to the electrodes and makes the gas free of these particles in a shorter time than in systems without any such applied field, or for that matter a field produced from a direct voltage extinguishing circuit. Previously known systems wait for at least 2 ms with no or low voltage between the electrodes before the thermal movement of the ions and electrons has brought these particles to the electrodes for neutralization.

Den logiske anordning 13 er fortrinnsvis innrettet til å telle utladningene gjennom røret 4 og/eller til å måle tiden mellom utladninger gjennom røret. Systemet kan hensiktsmessig omfatte en anordning for utnyttelse av data fra utladninger gjennom røret 4, og eventuelt data fra en annen detektor, til å bestemme hvorvidt det skal gis et utgangssignal 16 som indikerer tilstedeværelsen av stråling, eller ikke. Videre kan systemet omfatte indikatorer for fremvisning av driftsmodus eller strålingsnivåer . The logic device 13 is preferably designed to count the discharges through the pipe 4 and/or to measure the time between discharges through the pipe. The system can appropriately include a device for utilizing data from discharges through the tube 4, and possibly data from another detector, to determine whether or not an output signal 16 indicating the presence of radiation should be given. Furthermore, the system can include indicators for displaying operating mode or radiation levels.

Den programmerbare logiske anordning 13 kan realiseres med en standard logikkfamilie, såsom komplementær MOS (CMOS) eller transistor-transistor-logikk (TTL), eller en programmerbar logisk oppstilling eller en mikrokontroller eller en mikroproses-sor eller en brukertilpasset krets. Den logiske modell av funksjonen kan innføres i et datamaskinassistert konstruksjons-system som kan frembringe konstruksjonsdokumenter for hvilket som helst av disse valg. For å innstille utgangssignalet 16 for aksjon eller handling, kan antallet av pulser og pulstakten prøves mot en algoritme som er tilpasset for den aktuelle overvåkingsanvendelse. Sådanne anvendelser kan være fra eksplo-sjonsdeteksjon i et høyrisikomiljø til lavintensitets strålingsdeteksjon med tidlig varsling i et offentlig miljø. Forskjellige algoritmer kan benyttes til å lage forskjellig maskinvare, eller mange algoritmer kan programmeres i den samme maskinvare, eller en adaptiv modell kan realiseres, idet alle disse er åpenbare for fagfolk på det område som angår digital konstruksjon og programmering. Signalet fra denne anordning kan videre kombineres med andre følere for å få enda høyere selek-tivitet. Et system som er basert på oppfinnelsen, kan fortrinnsvis benyttes sammen med anordningene ifølge US-patentene 4 281 718 og 4 359 097 og 4 410 882. The programmable logic device 13 can be realized with a standard logic family, such as complementary MOS (CMOS) or transistor-transistor logic (TTL), or a programmable logic array or a microcontroller or a microprocessor or a user-adapted circuit. The logical model of the function can be introduced into a computer-aided design system that can produce design documents for any of these choices. To set the output signal 16 for action, the number of pulses and the pulse rate can be tested against an algorithm adapted for the particular monitoring application. Such applications can range from explosion detection in a high-risk environment to low-intensity radiation detection with early warning in a public environment. Different algorithms can be used to create different hardware, or many algorithms can be programmed in the same hardware, or an adaptive model can be realized, all of which are obvious to professionals in the field of digital construction and programming. The signal from this device can also be combined with other sensors to obtain even higher selectivity. A system based on the invention can preferably be used together with the devices according to US patents 4,281,718 and 4,359,097 and 4,410,882.

1. Strålingsdeteksjonssystem omfattende et strålingsføl-somt gassrør (4) for mottaking av stråling, og en anordning (10) for tilførsel av en første, høy spenning til røret (4) for å tilveiebringe ionisasjon av gassen når røret (4) mottar stråling, og deretter en andre, lav spenning for å stanse ytterligere ionisasjon, KARAKTERISERT VED at den nevnte anordning (10) for spenningstilførsel er innrettet til å tilveiebringe minst én ytterligere, mellomliggende spenning for å akselerere de gjenværende ioner og elektroner frem til rørets (4) elektroder for nøytralisering, og at det er tilveiebrakt en logisk anordning (13) for å velge de nevnte spenninger, og en anordning (5) tilknyttet den logiske anordning (13) for å avføle strømmen gjennom røret (4). 2. Strålingsdeteksjonssystem ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at den logiske anordning (13) er innrettet til å telle utladningene gjennom røret (4). 3. Strålingsdeteksjonssystem ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at den logiske anordning (13) er innrettet til å måle tiden mellom utladninger gjennom røret (4). 4. Strålingsdeteksjonssystem ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at den logiske anordning (13) er innrettet til å telle utladningene gjennom røret (4) og måle tiden mellom utladninger gjennom røret. 5. Strålingsdeteksjonssystem ifølge krav 2 eller 3 eller 4, KARAKTERISERT VED at den omfatter en anordning for utnyttelse av data fra utladninger gjennom røret (4) til å bestemme hvorvidt det skal gis et utgangssignal (16) som indikerer tilstedeværelsen av stråling, eller ikke. 6. Strålingsdeteksjonssystem ifølge krav 2 eller 3 eller 4, KARAKTERISERT VED at den omfatter en anordning for utnyttelse av data fra utladninger gjennom røret (4) og data fra en annen detektor til å bestemme hvorvidt det skal gis et utgangssignal (16) som indikerer tilstedeværelsen av stråling, eller ikke. 7. Strålingsdeteksjonssystem ifølge ett av kravene 1-6, KARAKTERISERT VED at den omfatter indikatorer for fremvisning av driftsmodus eller strålingsnivåer. 1. Radiation detection system comprising a radiation-sensitive gas tube (4) for receiving radiation, and a device (10) for supplying a first, high voltage to the tube (4) to provide ionization of the gas when the tube (4) receives radiation, and then a second, low voltage to stop further ionization, CHARACTERIZED IN THAT said device (10) for supplying voltage is arranged to provide at least one further, intermediate voltage to accelerate the remaining ions and electrons to the electrodes of the tube (4) for neutralization, and that a logical device (13) is provided for selecting the mentioned voltages, and a device (5) associated with the logical device (13) for sensing the current through the pipe (4). 2. Radiation detection system according to claim 1, CHARACTERIZED IN THAT the logical device (13) is arranged to count the discharges through the tube (4). 3. Radiation detection system according to claim 1, CHARACTERIZED IN THAT the logical device (13) is arranged to measure the time between discharges through the tube (4). 4. Radiation detection system according to claim 1, CHARACTERIZED IN THAT the logical device (13) is arranged to count the discharges through the pipe (4) and measure the time between discharges through the pipe. 5. Radiation detection system according to claim 2 or 3 or 4, CHARACTERIZED IN THAT it comprises a device for utilizing data from discharges through the pipe (4) to determine whether an output signal (16) indicating the presence of radiation should be given or not. 6. Radiation detection system according to claim 2 or 3 or 4, CHARACTERIZED IN THAT it comprises a device for utilizing data from discharges through the tube (4) and data from another detector to determine whether an output signal (16) should be given indicating the presence of radiation, or not. 7. Radiation detection system according to one of claims 1-6, CHARACTERIZED IN THAT it comprises indicators for displaying operating mode or radiation levels.