RU156906U1 - Модульный дозиметр-радиометр с протоколами нижнего уровня do-ra module - Google Patents

Abstract

1. Модульный дозиметр-радиометр, содержащий кремниевый детектор ионизирующего излучения, преобразователь напряжения, соединенный выходом с входом упомянутого детектора, выход которого соединен с входом усилителя заряда, выход которого соединен с входом усилителя-формирователя, а выход последнего - с устройством разделения сигналов, поступающих при пролете частицы и при воздействии помехи, выполненное в виде основного и вспомогательного компараторов и микропроцессора, при этом выходы усилителя-формирователя соединены со входами основного и вспомогательного компараторов, связанных своими выходами с первым и вторым входами микропроцессора, выход которого соединен через интерфейс с информационным устройством, причем микропроцессор выполнен с возможностью расчета временного интервала между импульсами, определения последовательности срабатывания компараторов и цифровой фильтрации импульсов вспомогательного компаратора, при этом опорный уровень сигнала основного компаратора установлен из условия минимального уровня сигнала при пролете частицы, а опорный уровень вспомогательного компаратора из условия уровня помехи при ее воздействии на детектор ионизирующего излучения.2. Дозиметр-радиометр по п. 1, отличающийся тем, что дозиметр-радиометр соединен с информационным устройством через беспроводной интерфейс.3. Дозиметр-радиометр по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что детектор излучения выполнен с возможностью измерения альфа, бета, гамма и нейтронного излучений, а также солнечной радиации.4. Дозиметр-радиометр по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью оперативной

Description

Полезная модель относится к области техники измерений ионизирующего излучения, в частности, к устройствам, в которых в качестве детектора ионизирующего излучения используется PIN диод на основе кремния. Такие устройства, за счет кремниевых детекторов имеют достаточно высокую чувствительность, при этом работают при комнатной температуре. Кремниевые детекторы нашли широкое применение в дозиметрах-радиометрах, как бытового, так и промышленного применения.

В современных устройствах с функцией дозиметра-радиометра в качестве детектора ионизирующего излучения используются PIN диоды для преобразования заряда, генерируемого в кремниевом детекторе под воздействием ионизирующего излучения при пролете частицы, в пропорциональное напряжение, для чего используется усилитель заряда (зарядо чувствительный усилитель - ЗЧУ) с коэффициентом преобразования порядка 1 В/пКл, обладающий быстродействием около 1 мкс. Для дальнейшего усиления сигнала используется усилитель напряжения, где общий коэффициент усиления по напряжению получается порядка 10 в 5-й степени. В таких условиях устройство детектируемое ионизирующее излучение становится чувствительным к различным электромагнитным помехам. Особенно это сказывается при работе устройства вблизи мощных источников электромагнитного излучения, какими являются смартфоны. Кроме того, сам кремниевый детектор ионизирующего излучения генерирует заряд при механическом воздействии в виде ударов и вибрации.

Эти факторы приводят к уменьшению точности измерений ионизирующего излучения за счет увеличения числа ложных импульсов, вызванных различными помехами.

В частности, проблема электромагнитных помех решается экранированием кремниевого детектора ионизирующего излучения вместе с зарядочувствительным усилителем - ЗЧУ, а также с использованием фильтров, оптимальным расположением электрических элементов и рациональной разводкой печатной платы. В этом случае намного сложнее устранить помеху, вызванную механическим воздействием на детекторе ионизирующего излучения. Использование механической защиты детектора увеличивает габариты устройства, что неприемлемо для компактных, встроенных устройств для измерения точных параметров ионизирующего излучения.

Известен полупроводниковый модульный дозиметр-радиометр излучения, встроенный в радиоустройство и связанный с усилителем и блоком сопряжения, выход которого подключен к процессору, выполненному с возможностью формирования звуковых и визуальных сигналов дозиметра и радиометра с помощью упомянутых средств звуковой сигнализации и монитора (RU 109625).

Известен дозиметр-радиометр ионизирующего излучения компактного встраиваемого (модульного) исполнения, содержащий детектор излучения, представляющий собой p-i-n диод, в котором в слаболегированном полупроводнике кремнии созданы высоколегированные p- и n-области, а также интерфейс управления и передачи данных, калибратор, преобразователь напряжения, и интегральную микросхему, включающую: последовательно связанные зарядно-чувствительный усилитель, усилитель-формирователь, спектрометр на основе амплитудно-цифрового преобразователя и компараторов, и микропроцессор, связанный с интерфейсом управления и передачи данных, который выполнен с возможностью подключения к шинам информации и питания мобильного устройства, при этом к микропроцессору подключены калибратор и преобразователь напряжения, соединенный с детектором излучения, подключенным к зарядно-чувствительному усилителю. Дозиметр-радиометр снабжен компактным корпусом и выполнен с возможностью оперативной установки в мобильное устройство-коммуникатор из группы: смартфон, планшетный компьютер, ноутбук и снабжен автономными средствами питания, при этом микросхема выполнена бескорпусной. Дозиметр-радиометр включает в себя АЦП последовательного приближения, набор компараторов пороговой синхронизации и пиковых детекторов. Дозиметр-радиометр снабжен подключенным к микропроцессору интерфейсом беспроводной связи из группы: Bluetooth или гибридный Bluetooth или Bluetooth Low Energy, Near Field Communication (NFC) (RU 145480, прототип).

Недостатками известных дозиметров-радиометров является низкая точность, обусловленная наличием помех, вызываемых механическим воздействием. Помеха, при механическом воздействии на детектор определяется упругими колебаниями детектора и является периодическим сигналом, в то время как сигнал от частицы является одиночным импульсом.

Технической задачей полезной модели является создание эффективного дозиметра-радиометра в виде универсального, компактного модуля, встраиваемого в

различные типы электронных устройств с расширением применимости такого вида решений в современной бытовой техники и расширение арсенала дозиметров-радиометров.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи состоит в повышении точности за счет выделения и регистрации сигналов, обусловленных внешними физическими факторами, в частности, электромагнитным и/или вибрационным механическим воздействием, определение их амплитуды и периода колебаний, а также цифровой фильтрации для исключение таких сигналов из счета числа учитываемых импульсов. Исключение помех от механического воздействия реализуется в заявляемом устройстве комплексно, на аппаратно-программном уровне, не прибегая к механической защите. В целом имеет место снижение чувствительности детектора к внешним механическим воздействиям, повышение помехоустойчивости от внешних физических факторов, как вибрация, электромагнитные колебания техногенного и естественного характера.

Сущность полезной модели заключается в том, что модульный дозиметр-радиометр содержит кремниевый детектор ионизирующего излучения, преобразователь напряжения, соединенный выходом с входом упомянутого детектора, выход которого соединен с входом усилителя заряда, выход которого соединен с входом усилителя - формирователя, а выход последнего - с устройством разделения сигналов, поступающих при пролете частицы и при воздействии помехи, выполненное в виде основного и вспомогательного компараторов и микропроцессора, при этом выходы усилителя-формирователя соединены со входами основного и вспомогательного компараторов, вязанных своими выходами с первым и вторым входами микропроцессора, выход которого соединен через интерфейс с информационным устройством, причем микропроцессор выполнен с возможностью расчета временного интервала между импульсами, определения последовательности срабатывания компараторов и цифровой фильтрации импульсов вспомогательного компаратора, при этом опорный уровень сигнала основного компаратора установлен из условия минимального уровня сигнала при пролете частицы, а опорный уровень вспомогательного компаратора из условия уровня помехи при ее воздействии на детектор ионизирующего излучения.

Предпочтительно, дозиметр-радиометр соединен с информационным устройством через беспроводной интерфейс, детектор излучения выполнен с возможностью измерения альфа, бета, гамма и нейтронного излучений, а также солнечной радиации.

При этом дозиметр - радиометр выполнен с возможностью оперативной установки в мобильное информационное устройство.

На чертеже изображена блок-схема модульного дозиметра-радиометра с микропроцессором.

Модульный дозиметр-радиометр содержит, по меньшей мере, один кремниевый детектор (датчик) 1 ионизирующего излучения (радиации), преобразователь 8 напряжения, выход которого соединен с входом упомянутого детектора 1, выход которого соединен с входом усилителя 2 заряда, выход которого соединен с входом усилителя-формирователя 3, а выход последнего - с устройством разделения сигналов, поступающих при пролете частицы и при воздействии помеху причем выход последнего связан через интерфейс 7 с информационным (головным) устройством (не изображено).

При этом дозиметр-радиометр соединен с информационным устройством через беспроводной интерфейс 7 из группы: I2C, RS485, RS232, CAN 2.0, USB. Блок 8 питания обеспечивает независимое питание датчика 1 высоким напряжением.

Дозиметр-радиометр выполнен с детектором 1 излучения, а с устройство разделения сигналов, поступающих при пролете частицы и при воздействии помехи выполнено в виде основного и вспомогательного компараторов 4, 5, соответственно, соединенных выходами с микропроцессором 6. Выходы усилителя-формирователя 3 соединены со входами основного и вспомогательного компараторов 4, 5, вязанных своими выходами с первым и вторым цифровыми входами микропроцессора 6, выход которого соединен через интерфейс 7 с информационным устройством. Микропроцессор 6 выполнен с возможностью цифровой фильтрации, т.е. раздельной регистрации импульсов с основного и вспомогательного компараторов, расчета временного интервала между импульсами и определения последовательности срабатывания компараторов 4, 5. При этом опорный уровень сигнала основного компаратора 4 установлен из условия минимального уровня сигнала при пролете частицы, а опорный уровень вспомогательного компаратора 5 из условия уровня нерадиационной помехи (электромагнитной и/или механической) при ее воздействии на детектор 1 ионизирующего излучения. В конструкции дозиметра - радиометра предпринимаются все возможные действия по экранировки кремниевого датчика 1 и входных цепей считывающей электроники 2-7 от электромагнитного воздействия от внешних источников помех, таких как мобильные телефоны, СВЧ печи, радиоаппаратура. Кроме того, выполняется виброгасящая конструкция датчика 1 и самого устройства, что бы снизить влияние механических воздействий на дозиметр. В этом случае встроенный микропроцессор 6 обеспечивает анализ форм, амплитуд и длительностей сигналов и принимает «решение» о природе сигнала: радиационное воздействие, вибрация или электромагнитная наводка.

Предпочтительно, детектор излучения выполнен с возможностью измерения альфа, бета, гамма и нейтронного излучений, а также солнечной радиации.

Предпочтительно, дозиметр-радиометр выполнен с возможностью оперативной установки и подключения к соответствующим шинам и цепям в мобильное информационное устройство (головное устройство) из группы: смартфон, планшетный компьютер.

Модульный дозиметр-радиометр с протоколами нижнего уровня DO-RA Module эксплуатируется следующим образом.

В составе головного информационного устройства из группы: смартфон, планшетный компьютер заявляемый модульный дозиметр-радиометр обеспечивается электропитанием от средств электропитания этого устройства.

Сигнал с датчика 1 излучения поступает на вход усилителя 2 заряда, выполняющего преобразование заряда, генерируемого датчиком 1 радиации 1 в напряжение.

Сигнал с выхода усилителя 2 заряда поступает на вход усилителя - формирователя 3, который приводит его к виду необходимому для работы компараторов 4 и 5. Основной компаратор - 4 выполняет преобразование сигнала с усилителя - формирователя 3 в логический сигнал, поступающий на цифровой вход микропроцессора 6. Опорный уровень сигнала компаратора 4 выбирается исходя из минимального уровня сигнала при пролете частицы. Вспомогательный компаратор 5 также выполняет преобразование сигнала с усилителя -формирователя 3 в логический сигнал, поступающий на цифровой вход микропроцессора 6. Опорный уровень компаратора 5 выбирается исходя из уровня помехи при нерадиационном (электромагнитном и/или вибрационном механическом) воздействии на детектор 1 ионизирующего излучения 1. Микропроцессор 6 выполняет подсчет числа импульсов за определенное время, и подготовку обработанных данных для их дальнейшей передачи по заданному интерфейсу 7. Микропроцессор 6 также фиксирует периодическое срабатывание компараторов 4, 5, временной интервал между импульсами компаратора 4 и компаратора 5, а также последовательность срабатывания компараторов 4, 5 для исключения (фильтрации) импульсов (сигналов) компаратора 5 из счета числа учитываемых импульсов.

Передача данных на головное устройство, в которое встраивается модульный дозиметр-радиометр с детектором 1 ионизирующего излучения осуществляется по выбранному интерфейсу I2C или RS485, RS232, CAN 2.0, USB-7.

Таким образом, фиксируя сигналы с двух компараторов 4, 5 можно зафиксировать периодический сигнал от нерадиационного воздействия на детектор 1 радиации и исключить его из расчета определения уровня ионизирующего излучения (мощности дозы) и как итога, накопленной дозы ионизирующего излучения.

Элементы питания и устройство для их зарядки в случае реализации встроенного модульного дозиметра-радиометра для измерения ионизирующего излучения, могут быть исключены.

В результате реализации настоящего технического решения обеспечивается решение повышение точности измерения за счет выделения и регистрации сигналов, обусловленных внешними физическими факторами, в частности, электромагнитным и/или вибрационным механическим воздействием, определение их амплитуды и периода колебаний, а также цифровой фильтрации для исключения таких сигналов из счета числа учитываемых импульсов. Исключение помех от механического воздействия реализуется в заявляемом устройстве комплексно, на аппаратно-программном уровне, не прибегая к механической защите. В целом имеет место снижение чувствительности детектора к внешним механическим воздействиям, повышение помехоустойчивости от внешних физических факторов, как вибрация, электромагнитные колебания техногенного и естественного характера.

Claims (4)

1. Модульный дозиметр-радиометр, содержащий кремниевый детектор ионизирующего излучения, преобразователь напряжения, соединенный выходом с входом упомянутого детектора, выход которого соединен с входом усилителя заряда, выход которого соединен с входом усилителя-формирователя, а выход последнего - с устройством разделения сигналов, поступающих при пролете частицы и при воздействии помехи, выполненное в виде основного и вспомогательного компараторов и микропроцессора, при этом выходы усилителя-формирователя соединены со входами основного и вспомогательного компараторов, связанных своими выходами с первым и вторым входами микропроцессора, выход которого соединен через интерфейс с информационным устройством, причем микропроцессор выполнен с возможностью расчета временного интервала между импульсами, определения последовательности срабатывания компараторов и цифровой фильтрации импульсов вспомогательного компаратора, при этом опорный уровень сигнала основного компаратора установлен из условия минимального уровня сигнала при пролете частицы, а опорный уровень вспомогательного компаратора из условия уровня помехи при ее воздействии на детектор ионизирующего излучения.

2. Дозиметр-радиометр по п. 1, отличающийся тем, что дозиметр-радиометр соединен с информационным устройством через беспроводной интерфейс.

3. Дозиметр-радиометр по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что детектор излучения выполнен с возможностью измерения альфа, бета, гамма и нейтронного излучений, а также солнечной радиации.

4. Дозиметр-радиометр по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью оперативной установки в мобильное информационное устройство.

Images