SE460997B - Straalningsdosimeter - Google Patents

Description

460 997 satorn. Efter viss exponeringsperiod mätes den återstående laddningen elektroniskt, i typfallet med en högimpedanselek- trometer, och den ackumulerade dosen härledes.

USP 3 984 690 visar en strömmätningsapparat, som är för- bunden med en sådan kondensator, så att den ger ett perio- diskt uppdaterat dosvärde på basis av strömflödet genom kon- densatorn. Anordningen enligt patentskriften har en analog- digitalomvandlare, som alstrar pulser vid en frekvens, vilken är proportionellt beroende på värdet av strömmen genom joni- seringskammaren.

Dosimetern enligt föreliggande uppfinning innefattar förbättrade kretsar, som är anordnade för storskalig integra- tion på en enda halvledarebricka. Den erhållna persondosime- tern är i hög grad bärbar liksom tillverkningsbar på lätt och billigt sätt. Underhållet förenklas genom att utbytbara batte- rier utnyttjas såsom kraftkälla för anordningen, som vidare är anordnad att ge en tydlig och tidig varning, om batteri- spänningen skulle sjunka. Hela packen av avkännare, elektro- nik, kraftkälla, indikering och hörbart varningselement kan ingå i en packe liknande en vanlig armbandsklocka.

Dosimetern har ett flertal luftekvivalenta joniserings- kammarkondensatorer för strâlningsdetektering. Individuellt arbetar dessa kondensatorer på ett sätt, som är typiskt för sådana avkännare. Motsatta elektriska laddningar tillföres kondensatorns motsatta plattor medelst ett batteri. Kondensa- torn exponeras för en miljö, i vilken strålning förekommer.

Infallande strålning träffar kondensatorn och ger upphov till temporär jonisering av en del av det dielektrikum, som skiljer ovannämnda plattor. Denna jonisering tillåter ett partiellt läckage av laddningarna på de motstående plattorna till varandra. Sålunda minskar spänningsskillnaden mellan plattorna i proportion till den infallande strålningen. Kon- struktionen av joniseringskammaren, som innefattar tre kapa- citiva områden kring ett enda hålrum, är ett betydelsefullt särdrag hos uppfinningen, som i avsevärd mån bidrager till instrumentets allmänna tillförlitlighet.

Varje kondensator är seriekopplad med dosimeterns ström- källa, ett belastningsmotstånd och ett individuellt tillord- 460 997 nat, enligt val påverkningsbart omkopplingselement. En spän- ningströskelvärdesdetektor ingår vidare över belastningsmot- ståndet. Var och av kondensatorerna inkopplas i följd och på upprepat sätt i den av ovannämnda element bildade kretsen. vid normalt arbetssätt har varje kondensator delvis urladdats, innan den inkopplas i kretsen. Strömkällan understödjer där- efter en momentan strömstöt genom kretsen, som återladdar kondensatorn. Denna strömstöt avspeglas i en momentan spän- ning, som uppträder över belastningsmotståndet. Denna spän- nings toppvärde återspeglar den mån, i vilken kondensatorn urladdats, innan den inkopplas i âterladdningskretsen.

En analog-digitalomvandlare läser de periodiska spän- ningarna från tröskelvärdesdetektorn för införande av data till en dataprocessor. Dataprocessorn är på lämpligt sätt programmerad för omvandling av spänningstoppdata till en indikering av strålningsvärdet och/eller för att följa acku- mulerad strålningsdos.

Dataprocessorn är vidare på lämpligt sätt programmerad för att sätta den i stånd att tillförsäkra sitt eget korrekta arbetssätt. Hänsyn tages till den omständigheten att halv- ledareelektronik har ändlig livslängd i strâlningsmiljöer.

Ett syfte med föreliggande uppfinning är sålunda att åstadkomma strålningsvärdesräknings- och dosackumulerings- mätning i en förenklad krets, som är lämpad för storskalig integrering. Ännu ett syfte med uppfinningen är att erbjuda en strål- ningsbeständig,mikroelektronik innehållande integrerad packe med en redundant luftekvivalent kondensatoravkännare för åstadkommande av noggranna, tillförlitliga persondosimeter- data.

Enligt uppfinningen skall vidare redundanta avkännar- signaler tillföras mikroprocessorn för evaluering av anord- ningens funktionsförmåga i verklig tid samt för att alarmera eller påannatsätt indikera uppkomst av oacceptabelt funk- tionstillstånd.

En mikrodatorhybridkrets skall kunna användas för de- tektering, mätning och indikering av strålningsdosvärde, som mottages av den redundanta avkännaren i verklig tid. 460 997 Strâlningsdetektorn enligt uppfinningen skall vidare kun- na detektera, mäta och korrigera batterispänningsvariationer, läckströmmar och bakgrundsstrålningseffekter_ En integrerad krets och joniseringskammare skall rymmas i en kompakt, robust och tillförlitlig packe, som är lämpad för billig, automatiserad massframställning och som bekvämt skall kunna bäras på exponerade mänskliga extremiteter.

Dessa syften nås med strålningsdosixrnetern enligt patentkraven.

Uppfinningen förklaras närmare i det följande med hän- visning till bifogade ritningar.

Fig. 1 visar ett kretsschema för dosimetern enligt före- liggande uppfinning, fig. 2 ett vertikalsnitt genom strâlningsavkännaren, fig. 3 ett snitt från planet 3-3 i fig. 2 genom det kera- miska underlaget med utfällda katoder i avkännaren enligt upp- finningen, fig. 4 är tidsdiagram över dosimeterns utpulståg, och fig. 5A-5D bildar ett flödesschema över kretsens arbetssätt.

Pig. 1 visar schematiskt en krets för en enligt principer- na för uppfinningen byggd dosimeter. På en integrerad bricka 10 är genom storskalig integrering kretsens väsentliga elek- troniska element anbragta. Utanför brickan men förbundna med denna befinner sig en tredelad avkännare 20, en utbytbar kraftkälla 30, en indikeringsanordning 40 med flytande kristal- ler, en hörbar alarmeringsanordning 50 och en kondensator 60.

En mikrodator 12 ingår på brickan för beräkning av strål- ningsvärdon och -doser, alstrande av utdata avseende värden och doser, som efterfrågas av en operatör eller bärare, över- vakning av dosimeterns arbetssättsintegritet och reglering av strålningsmätningsprocessen_ Påverkningsledningar förbin- der mikroprocessorn 12 med indikeringsanordningen 40 med fly- § tande kristaller och den hörbara alarmeringsanordningen 50. Å Indikeringsanordningen 40 och alarmeringsanordningen 50 är konventionella. Individuella reglerledningar 162, 164, 166 och 168 förbinder mikrodatorn 12 med var och en av ett fler- tal elektroniska omkopplare 62, 64, 66, respektive 68. Sålun- da kan var och en av dessa omkopplare påverkas individuellt. 460 997 Kraftkällan 30, företrädesvis en konstantspänningskälla, exempelvis ett batteri, är med sin positiva anslutning kopplad till ingångarna till var och en av de olika elektroniska om- kopplarna genom belastningsmotståndet 18. Kraftkällans nega- tiva anslutning är ansluten till en jord- eller gemensam led- ning 80. Den elektroniska omkopplarens 62 utanslutning är även kopplad till jord 80 genom en kondensator 60. De elektroniska omkopplarnas 64, 66 och 68 utanslutningar är anslutna till anoderna hos den tredelade avkännarens 20 kapacitiva avkänna- re 24, 26 respektive 28. Den tredelade avkännaren visas i ekvivalentkretsform med separata katoder. Emellertid kan av- kännarnas 24, 26 och 28 katoder vara ett gemensamt metall- element, som är anslutet till jord 80. En oberoende strömkäl- la driver de övriga väsentliga elektroniska elementen på brickan 10 (denna strömkälla är konventionell och visas icke).

En spänningströskelvärdesdetektor 16 är kopplad över be- lastningsmotståndet 18. Signaler, som är proportionella mot den detekterade spänningen, sändes från detektorn 16 till analog-digitalomvandlaren 14. Sålunda sänder analog-digital- omvandlaren 14 den detekterade spänningen i digital form längs en dataledning 22 till mikrodatorn 12 för behandling.

Spänningströskelvärdesdetektorn 16 kan utgöras av en integrerad krets med en ögonblicksvärdesfasthållingsfunktion, exempelvis ANALOG DEVICES nr AD582.

En tredelad avkännare 20, som är konstruerad för begag- nande med dosimeterns elektronik, visas i tvärsnitt i fig. 2 En metallkatod 70 är maskinbearbetad, så att den bildar en grund skålformig skiva med förhöjd kant, som begränsar peri- ferin hos skivans ena sida.

Anoden hos den tredelade avkännarens individuella kapa- citiva detektorer åstadkommes genom ângutfällning av metall- filmer på ett keramiskt underlag 72. Anoder 84 och 88, som är förbundna med avkännarna 24 respektive 28, visas i fig. 2.

En förlängning av det keramiska underlaget bildar ett kera- miskt gap 83 mellan anoderna 84 och 88. Anodledare 74 och 78 går igenom det keramiska underlaget 72 för anslutning till separata anodomrâden 84 respektive 88. En skyddsring 81 är 460 997 ångutfälld på den yttre delen av det keramiska underlagets skivsida. Ett keramiskt gap 80 skiljer skyddsringen från anoderna. Hela det keramiska underlagsaggregatet är förbun- det med metallkatoden 70 vid en hårdlödd skarv 89, som för- binder skyddsringen 81 med anodens 70 förhöjda kant. Ett luftfyllt gap 82 skiljer katoden från anoderna och erbjuder sålunda ett joniserbart dielektriskt medium mellan katoden 70 och anoderna 84, 86 och 88.

Pig. 3 visar uppdelningen av de ångutfällda metallanod- områdena i tre lika areor genom keramiska gap 83, 85 och 87 för bildande av anoderna 84, 86 och 88. Anoderna skiljes från skyddsringen 81 av det periferiella keramiska gapet 80.

Varje anod arbetar oberoende och bildar med katoden 70 ett kapacitivt element. De tre avkännarnas kapacitanser anordnas att vara i huvudsak inbördes lika för förenkling av regle- ringen av kretsen och beräkningen av strålningsintensiteten.

Dosimeterns arbetssätt skall förklaras utförligare med hän- visning till fig. 4 och 5.

Takten i förlust av laddning pâ en "luftekvivalent" kondensator är relaterad till strâlningsvärdet i en miljö.

Mätning av förlusttakten enligt principen för föreliggande uppfinning âstadkommes genom att en kapacitiv strâlnings- avkännare först laddas till laddningen V, varefter efter en på förhand bestämd tid T kretsen från avkännaren till batteriet åter öppnas och toppspänningen vo över belast- ningsmotstândet 18 mätes, medan kondensatorn återladdas.

Följaktligen är restladdningen Q på avkännaren: Q = C (V - vo), där C är avkännarens kapacitans. Ändringen i avkännarens laddning är dQ = CVC, som i sin tur är relaterad till laddningsdosen. dD = dQ (3X109)/Ag.

D är laddningsdosen (röntgen) A är kondensatorytans area (cmz) g är gapet mellan kondensatorns anod och katod (cm) 3X10 är en omvanflingskonstantenhet. 460 997 Ovanstående relation antager torr luft vid standardbetingel- ser för avkännarens dielektrikum.

Spänningstoppen V0 relateras till dosen genom insättning för dQ: dD = (3X109) Cvo/Ag, och för en kondensator med parallella plattor: C = kgoh/9. där k = dielektricitetskonstant (~1 för luft), eo = s,ssx1o'14 Faraa/cm, som ger förhållandet för dosvärdet (röntgen/timme), där sys- temet cyklas med ett intervall T: an/T = (2,ess x 1o'41kvo/q2T.

Om V sjunker mellan mätningarna är dosvärdet: an/T = <2,sss x 1o'4)(vo - av)k/qzr, där dosen (röntgen) kan erhållas genom multiplicering av ek- vationens båda sidor med T och ackumulering av de i varje in- tervall mottagna doserna.

Faktorn(2,655 X 10_4)k/g2 är en lagrad konstant, som be- stämts genom kalibrering från början av instrumentet.

Spänningströskelvärdesdetektorn 16 detekterar en serie spänningspulser över belastningsmotståndet 18 i tidsföljd, medan elektronikomkopplarna 62, 64, 66 och 68 slås på och från i följd av mikrodatorn 12.

Representativa diagram (a)-(f) av pulstidsföljder visas schematiskt i fig. 4. En följd fortskrider från en batteri- kontrollpuls, som erhålles genom pâslagning av en elektro- nisk omkopplare 62 följt av omkoppling i följd av den an- bragta spänningen genom vart och ett av de tre avkännarav- snitten och därefter en dosackumuleringsfas, då inga omkopp- lare slås på. Diagrammet (a) visar ett gensvar, som är helt normalt i alla avseenden. Det första och kraftigaste gensva- ret är batterikontrollpulsen, och utsignalen motsvarar V för eventuell beräkning av dos och dostakt. Avkännarpulshöjderna är mindre än V, vilket korrekt anger viss restladdning på av- kännarplattorna. Den vo-pulshöjd, som registreras vid åter- laddning av varje avkännareavsnitt, är samtliga av lika höjd, 460 997 vilket anger lika prestanda för avkännarna. Avkännarna anta- ges arbeta korrekt på basis av lika uppträdande, d.v.s. redundans. Diagrammet (b) anger ett pulshöjdsmönster, som är typiskt för försämrat arbetssätt till följd av ett svagt batteri. Alla pulshöjderna är förminskade på motsvarande sätt.

Diagrammet (c) anger på typiskt sätt en öppen ledning till det ena av avkännaravsnitten i den tredelade avkänna- ren. Följaktligen sker inget laddnings- eller strömflöde Ö- ver belastningsmotståndet 18, då denna avkännare skulle an- slutas till kretsen, vilket medför ett mostsvarande pulsgap för de individuella avkännarna.

Diagrammet (d) visar alternativt vissa avkännarepuls- höjder, som är mycket högre än närliggande pulser. Detta skulle kunna ange en delvis kortsluten tredelad avkännare.

Diagrammen (e) och (f) representerar ett svårt försämrat avkännar- eller datorarbetssätt, som kännetecknas av att vo-pulshöjderna överskrider V-pulshöjderna och av oregel- bunden pulsfrekvens och uteblivna pulser.

Dosimeterns normala arbetssätt klargöres vidare genom hänvisning till flödesschemat i fig. SA-SD.

Initialiseringsskedet börjar från återställnings- el- ler tillslagsskedet 100 eller cykelupprepningsskedet 102.

Mikrodatorn 12 initialiserar en inre klocka vid 104, slår på omkopplaren 62 vid 106 och läser och lagrar V (den för tillfället föreliggande batterispänningen) vid skedet 108.

En fördröjning är inbyggd genom tidsutlösningskontrollern 110 och håll 112 för bestämning av pulsmellanrummet t (så- som visas i fig. 4).

Vid 114 läser och lagrar mikrodatorn tiden för taggning av föregående utläsning av V. Vart och ett av de efterföljan- de avkännarskedena är praktiskt taget identiskt lika, var- för endast ett skedes arbetssätt beskrives i detalj.

Timern ställes åter (vid 116). Omkopplaren 62 slås från vid skedet 118, och omkopplaren 64 slås pâ. Den uppkomna spänningspulsen vo läses och lagras vid skedet 120. Omkopp- laren hålles påslagen, genom tidsstyrningsskedena 122 och 460 997 124, under en tillräcklig tidsperiod för laddning av den ka- pacitiva avkännaren, varefter tiden läses och lagras vid skedet 126, så att den tidigare uppmätta spänningspulsen så- lunda taggas. vid slutförandet av alla avkännaravsnittsspänningsutläs- ningar beräknas restladdningarna vid 154 och jämföres vid 156 för åstadkommande av ett föredraget värde för vo för be- räkning av total dos eller dostakt. I typfallet göres detta val av ett värde för vo genom röstning två av tre.

Val av mod 158 bestämmes genom order utifrân. Både be- räkningen av den ackumulerade dosen 160 och den beräknade dostakten 170 sker i enlighet med de ovan givna förhållande- na för detta syfte. I vartdera fallet aktiveras, om de på förhand bestämda gränserna för dosen eller dostakten över- skridas i enlighet med vad som bestämts genom 162 och 172, en alarmeringsanordning vid 164 och hâlles påslagen vid 168. Om gränserna icke överskridits, uppdateras indikering- en (vid 166 och 168) samt kontrolleras timern vid 176 och upprättas fördröjning vid 174, till dess det är tid att återcykla vid 102 (varvid omkopplaren 68 slås från vid 178). Även om vissa utföringsformer av föreliggande uppfin- ning här beskrivits, är det tydligt, att många modifikationer, variationer, utbyten och förändringar samt fullständiga och delmotsvarigheter erbjuder sig för fackmannen inom ramen för den här beskrivna uppfinningen. Följaktligen begränsas skyd- det för uppfinningen enbart av de bifogade patentkraven.

Claims (5)

460 997 PATENTKRAV

1. Strålningsdosimeter, k ä n n e t e c k n a d av åtminstone en första kapacitiv joniseringskammare (24), som är anordnad att gradvis urladdas i närvaro av infallande strålning, en spänningskälla (30), ett belastningsmotstånd (18), som är kopplat till spänningskällan, ett första om- kopplarorgan (62), som är kopplat till belastningsmotståndet och spänningskällan för bildande av en första seriekopplad krets innefattande spänningskällan, belastningsmotståndet och det första omkopplarorganet, ett andra omkopplarorgan (64), som är kopplat till belastningsmotståndet och spän- ningskällan för bildande av en andra seriekopplad krets in- nefattande spänningskällan, belastningsmotståndet, det andra omkopplarorganet och den första kapacitiva joniseringskamma- ren, toppspänningsavkänningsorgan (16), som är kopplat över belastningsmotståndet för att ge en toppspänningssignal, samt beräkningsorgan (12), som såsom gensvar på toppspän- ningsmätningar över belastningsmotståndet, då nämnda första och andra omkopplarorgan påverkas i följd, av toppspännings- mätningarna beräknar den mängd strålning, som faller in på dosimetern.

2. Strålningsdosimeter enligt pataflkravet 1, k ä n n e- t e c k n a d av att nämnda beräkningsorgan (12) innefat- tar en analog-digitalomvandlare (14) för mottagande och omvandling av toppspänningssignaler från toppspänningsav- känningsorganet (16) till digital form, digitaldatabehand- lingsorgan (12) innefattande tidsstyrningsorgan, som är kopplat till analog-digitalomvandlaren för beräkning av ackumulerad strålningsdos och stràlningsdostakt såsom en funktion av nämnda toppspänningssignaler, reglerledningar (162, 164), som kopplar nämnda digitaldatabehandlingsorgan till de första och andra elektriska omkopplarna, varigenom nämnda digitaldatabehandlingsorgan åstadkommer tidsstyrd påverkan av omkopplarna, samt dataindikeringsorgan (40), som regleras av nämnda databehandlingsorgan för indikering av strâlningsdos och dostakt. 460 997

3. Strålningsdosimeter enligt patentkravet 2, k ä n- n e t e c k n a d av en andra kapacitiv joniseringskamma- re (26), som är anordnad att gradvis urladdas i närvaro av infallande strålning, en tredje kapacitiv joniserings- »kammare (28), som är anordnad att gradvis urladdas som gen- svar på infallande strålning, ett tredje omkopplarorgan (66), som är kopplat till den andra kapacitiva joniserings- kammaren för bildande av en tredje seriekopplad krets inne- fattande spänningskällan (30), belastningsmotståndet (18), det tredje omkopplarorganet och den andra kapacitiva joni- seringskammaren, ett fjärde omkopplarorgan (68), som är kopplat till den tredje kapacitiva joniseringskammaren för bildande av en fjärde seriekopplad krets innefattande spän- ningskällan, belastningsmotstàndet och det fjärde omkopplar- organet samt den tredje kapacitiva joniseringskammaren, reg- lerledningar (166, 168), som förbinder digitaldatabehand- lingsorgan (12) för reglering av påverkan av nämnda tredje och fjärde elektriska omkopplare i tidsstyrd följd med på- verkan av nämnda första och andra omkopplarorgan för åstad- kommande av toppspänningssignaler till behandlingsorganet från nämnda första, andra och tredje kapacitiva joniserings- kamrar i tidsstyrd följd, varvid digitaldatabehandlingsor- ganet är anordnat att jämföra toppspänningssignalerna från nämnda första, andra och tredje kapacitiva joniseringskam- rar och välja ett föredraget värde för den kapacitiva joni- seringskammartoppspänningssignalen för beräkning av strål- ningsdosen och dostakten.

4. Dosimeter enligt patentkravet 3, k ä n n e t e c k- n a d av att den innefattar en tredelad avkännare (20) med första, andra och tredje kapacitiva joniseringskamrar (64, 66, 68) innefattande ett keramiskt underlag (72), från varandra skilda metallångfilmer, som utfällts på det kera- miska underlaget och bildar anoder (84, 88) för individu- ella kapacitiva joniseringskamrar, samt ett metallelement (70), som genom ett dielektrikum är skilt från anoderna och bildar en gemensam katod för den tredelade avkännarens 460 997 'L första, andra och tredje kapacitiva joniseringskamrar.

5. Strålningsdosimeter enligt patentkravet 4, k ä n- n e t e c k n a d av att nämnda beräkningsorgan (12) inne- fattar tidsstyrningsorgan, som är anordnat att tillförsäkra att var och en av omkopplarna för de kapacitiva joniserings- kamrarna (64, 66, 68) påverkas under en på förhand vald tidsperiod t, samt att tidsperioden mellan pàverkningen för varje omkoplare är en på förhand vald tidsperiod T.