NO175076B - Strålingsdetektorsystem. - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

15 til anordningen 13. Anordningen 13 gir da umiddelbart den styrte regulator 10 ordre om å redusere spenningen over røret 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.

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 .

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.

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.