TWI493313B - 再生高壓游離腔數位環境監測電路 - Google Patents

Description

再生高壓游離腔數位環境監測電路

本發明是有關於一種再生高壓游離腔數位環境監測電路，尤指一種可利用溫度特性類似以及輸入電流並聯之可調電流源，對寄生洩漏電流施以補償，而補償後可適用電流最低達毫微微安培(10-15A)，且溫度無感計測工作最高超過50℃，而達到有效阻絕表面漏電問題、排除偏壓電流之影響以及加強環境耐候度之功效者。

由於g射線游離腔是最簡單，問世最早的一種輻射偵檢器，而游離腔的正常工作原理是利用電場收集在氣體中直接電離所產生的全部電荷。它的標準構造由兩個基本電極組成，一個是高壓電極，另一個是收集電極，腔室內充有高壓氣體氬氣，外面是一個密封外殼。當入射的g射線射到游離腔靈敏體積中，在電極或腔壁上打出次級電子(光電子和康普頓電子)，次級電子使氣體產生電離，生成正負離子對。當存在電場時(兩個電極加上極化電壓時)，離子和電子所呈現的正電荷向陰極的漂移和負電荷向陽極方向漂移構成電流。一定體積的氣體受恆定的g射線照射時，離子對的生成率是恆定的。

游離腔的優點是結構簡單，長期工作穩定性好，壽命長，使用中 無須維修，能在惡劣環境下穩定工作。因此，雖然核輻射儀表所用的輻射偵檢器有多種，但是在大多數情況下，如游離輻射校正、核子醫療設備放射線品質計測、高能X光貨櫃檢查儀、軋鋼機用測厚儀，連續澆注鋼水的鋼水液面控制儀，核子秤和連續料位計，都使用各式各樣體積的游離腔做為偵檢器。

1981年美國GE公司與美國能源部的環境測量實驗室合作，開發了世界上第一個採用高壓游離腔(High Pressure Ion Chamber,HPIC)的線上環境輻射監測系統，然而GE的HPIC環境監測儀由HPIC、微弱電流計和數據處理器三部分組成；其係由一個內25個大氣壓的氬氣的不鏽鋼球殼組成，球體中央有個直徑2英吋的小球，它的支架與球體間採用陶瓷密封，與球體本身分別為探測器的正負極。做為g射線偵檢器工作時，負電位陰極接頭接到-400Volt電壓，而陽極與漏電抑制電極環則接到地電位。當高能加馬射線射入HPIC時，它們會與腔壁或氬氣游離作用，產生正電荷氬離子與負電荷電子。帶電粒子會受到內部電場加速，由陽極與陰極吸收，造成電流累積靜電荷，其物理量與加馬射線之能量及流量成正比。

根據GE公司發表資料，此HPIC輻射靈敏度為2.6x10^-14安培/(μR/h)，推定環境背景輻射(~10μR/h)下，其輸出電流約為0.26pA，而以習用GE的HPIC環境監測儀微弱電流計而言，它提供與照射量率成正比的類比輸出信號時，必須以高絕緣度、氣密方式，直接安裝到HPIC電極接頭上，以減小空間漏電流雜訊，且在游離腔電流輸出10^-14~10^-11安培範圍時(約為100倍以下背景環境輻射強度)，以5x10¹¹歐姆極高阻值電阻，讓微弱電流轉變成為電壓輸出。10^-10至10^-8安培範圍，則改以10⁹歐姆轉變成為電壓輸出。

然習用以高值電阻將微弱電流轉換為電壓，再實施類比數位轉換之既有設計，因配合ADC積體電路元件特性，必須在前端使用2-3只電磁開關之機械動作，執行測量範圍之切換，在臺灣悶熱氣候下應用之實務經驗，因接點氧化或漏電引致之故障率極高；除此之外，送至ADC高阻抗之電壓信號，極易受到干擾，常有異常突波電壓滲透，造成量測數據解析之困擾。

有鑑於此，本案之發明人特針對前述習用發明問題深入探討，並藉由多年從事相關產業之研發與製造經驗，積極尋求解決之道，經過長期努力之研究與發展，終於成功的開發出本發明「再生高壓游離腔數位環境監測電路」，藉以改善習用之種種問題。

本發明之主要目的係在於，可利用溫度特性類似以及輸入電流並聯之可調電流源，對寄生洩漏電流施以補償，而補償後可適用電流最低達毫微微安培(10^-15A)，且溫度無感計測工作最高超過50℃，而達到有效阻絕表面漏電問題、排除偏壓電流之影響以及加強環境耐候度之功效。

為達上述之目的，本發明係一種再生高壓游離腔數位環境監測電路，其包含有：一積分單元；一與積分單元連接之第一二極體；一與積分單元連接之第二二極體；一與積分單元連接之比較器；一與比較器連接之正反器；一與正反器連接之反閘；一連接正反器與反閘之反及閘；一與反及閘連接之開關元件；以及一連接於反及閘與開關元件間之輸出驅動單元。

於本發明之一實施例中，該積分單元係包含有一充放電電容及一運算放大器。

於本發明之一實施例中，該充放電電容係為超低漏電之玻璃充放電電容。

於本發明之一實施例中，該運算放大器係為CMOS運算放大器。

於本發明之一實施例中，該第一二極體係為低漏電二極體。

於本發明之一實施例中，該第二二極體係為超低漏電二極體。

於本發明之一實施例中，該第二二極體係搭配一限流電阻與積分單元連接。

於本發明之一實施例中，該開關元件係為CMOS開關。

於本發明之一實施例中，該CMOS開關係由併聯NMOS電晶體與PMOS電晶體所組成。

於本發明之一實施例中，該正反器與反閘之間更進一步連接有類比式開關。

1‧‧‧積分單元

11‧‧‧充放電電容

12‧‧‧運算放大器

2‧‧‧第一二極體

3‧‧‧第二二極體

31‧‧‧限流電阻

4‧‧‧比較器

5‧‧‧正反器

6‧‧‧反閘

7‧‧‧反及閘

8‧‧‧開關元件

9‧‧‧輸出驅動單元

A‧‧‧類比式開關

B‧‧‧精確振盪器

第1圖，係本發明之基本架構示意圖。

請參閱『第1圖』所示，係本發之基本架構示意圖。如圖所示：本發明係一種再生高壓游離腔數位環境監測電路，其至少包含有一積分單元1、一第一二極體2、一第二二極體3、一比較器4、一正反器5、一反閘6、一反及閘7、一開關元件8以及一輸出驅動單元9所構成。

上述所提之積分單元1係包含有一充放電電容11及一運算放大器12，其中該充放電電容11係為超低漏電之玻璃充放電電容，而該運算放大器12係為CMOS運算放大器。

該第一二極體2係與積分單元1連接，而該第一二極體2係為低 漏電二極體。

該第二二極體3係與積分單元1連接，而該第二二極體3係為超低漏電二極體，且該第二二極體3係搭配一限流電阻31與積分單元1連接。

該比較器4係與積分單元1連接。

該正反器5係與比較器4連接。

該反閘6係與正反器5連接，而該正反器5與反閘6之間更進一步連接有類比式開關A。

該反及閘7係連接正反器5與反閘6。

該開關元件8係與反及閘7連接，而該開關元件8係為CMOS開關，且該CMOS開關係由併聯NMOS電晶體與PMOS電晶體所組成。

該輸出驅動單元9係連接於反及7與開關元件8之間。如是，藉由上述之設計構成一全新之再生高壓游離腔數位環境監測電路。當本發明於使用時，該高能加馬射線會射入高壓游離腔時與腔壁或氬氣游離作用，產生正電荷氬離子與負電荷電子，而帶電粒子會受到內部電場加速，由陽極與陰極吸收，造成電流累積靜電荷，其物理量與加馬射線之能量及流量成正比；讓游離腔離子流經積分單元1之充放電電容11進行充電動作，使積分單元1輸出因游離腔電流充電而上昇，當電壓上昇達到一定之預設位準時，便會啟動下一級之比較器4產生正邏輯輸出信號，決定比較器4輸出閘門(Gate)大小。

而由精確振盪器B產生之高、中、低頻率之時脈，同時提供給正反器5工作時脈與反閘6，當比較器4因游離腔電流積分單元1電路上昇達到一定之預設位準，產生正邏輯輸出信號時，此邏輯輸出信號經正反器5整型後，與經反閘6延遲之時脈同步送至反 及閘7，當正反器5輸出維持高電位期間，反及閘7持續時脈輸出至類比式開關A；若正反器5低電位輸出時，反及閘7關閉時脈輸出。

反及閘7輸出之時脈一方面經輸出驅動單元9輸出至下一級32bits高速累加計數器做脈衝數計數，單位時間產出之放電脈衝數目，與游離腔電流成正比，達到『電流/頻率轉換』之數位計測功能；另一方面透過固定週期時脈對開關元件8之控制，透過第二二極體3單向對充放電電容11進行定量脈衝放電，直到積分單元1輸出回復至低電壓為止，此穩定脈衝電流大小由限流電阻31值大小與Vref參考電壓決定，離子流大小決定開關元件8之放電頻率。

另當電流/頻率類比數位轉換電流計因溫度上升，可以造成第二二極體3順向電壓降低，也會讓充放電電容11絕緣特性電阻下降與電容值下降；而當電容值下降時，則對充電效率有負面影響，因為電容之容量及介質散逸因子(Dissipation Factor,D.F.)隨溫度變化亦影響積分特性；所以在放電電路上，本發明使用為CMOS開關之開關元件8作為放電切換元件，因此，在截止狀態時，主要漏電流來自臨限漏電流(Sub-threshold leakage Current)組成，隨著溫度上升，V_G=0V時截止漏電流與閘控斜率St(Sub-threshold Slope)會快速增加。溫度由0℃上升至50℃時，漏電流可以增加20倍。

使用第一二極體2做為溫度補償電流源之電流頻率轉換設計電路，於背景輻射下(信號電流約為0.2pA)，接至再生高壓游離腔，調變不同補償第一二極體2電壓Vc，漏電補償適用於低Vc電壓，在高電壓工作時，漏電流與補償電流於室溫達成平衡，溫度升 高，補償電流上升速度超過漏電流，產生特性反轉現象。低電壓(例：65mV)下，漏電流與補償電流於溫度達成平衡，40-45℃才會平衡；此時，透過簡單補償電路之加入，電流頻率轉換設計電路便不會因溫度上昇，產生飽和截止現象。

綜上所述，本發明再生高壓游離腔數位環境監測電路可有效改善習用之種種缺點，可利用溫度特性類似以及輸入電流並聯之可調電流源，對寄生洩漏電流施以補償，而補償後可適用電流最低達毫微微安培(10^-15A)，且溫度無感計測工作最高超過50℃，而達到有效阻絕表面漏電問題、排除偏壓電流之影響以及加強環境耐候度之功效；進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合消費者使用之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧積分單元

11‧‧‧充放電電容

12‧‧‧運算放大器

2‧‧‧第一二極體

3‧‧‧第二二極體

31‧‧‧限流電阻

4‧‧‧比較器

5‧‧‧正反器

6‧‧‧反閘

7‧‧‧反及閘

8‧‧‧開關元件

9‧‧‧輸出驅動單元

A‧‧‧類比式開關

B‧‧‧精確振盪器

Claims (9)

1. 一種再生高壓游離腔數位環境監測電路，包括有一積分單元、一第一二極體、一第二二極體、一比較器、一正反器、一反閘、一反及閘、一開關元件、以及一輸出驅動單元，其中：該積分單元係包含有一充放電電容，用以將游離腔離子流經充放電電容進行充電動作，使積分單元輸出因游離腔電流充電而上昇，當電壓上昇達到一定之預設位準時，便會啟動下一級之比較器產生正邏輯輸出信號，決定比較器輸出閘門(Gate)大小；該第一二極體，係與積分單元連接，用以做為溫度補償電流源之電流頻率轉換設計電路，使電流頻率轉換設計電路不會因溫度上升而產生飽和截止現象；該第二二極體，係與積分單元連接，用以對積分單元進行定量脈衝放電，直到積分單元輸出回復至低電壓為止；該比較器，係與積分單元連接，其因游離腔電流積分單元電路上昇達到一定之預設位準，產生正邏輯輸出信號；該正反器，係與比較器連接，用以將比較器產生之正邏輯輸出信號進行整型；該反閘，係與正反器連接，而該正反器與反閘之間更進一步連接有類比式開關，用以將正反器整型後之正邏輯輸出信號經反閘延遲之時脈同步送至反及閘；該反及閘，係連接正反器與反閘，當正反器輸出維持高電位期間，反及閘持續時脈輸出至類比式開關；若正反器低電位輸出時， 反及閘關閉時脈輸出；該開關元件，係與反及閘連接，用以將反及閘輸出之時脈透過固定週期時脈對開關元件之控制，透過第二二極體單向對充放電電容進行定量脈衝放電，直到積分單元輸出回復至低電壓為止；以及該輸出驅動單元，係連接於反及閘與開關元件之間，用以將反及閘輸出之時脈輸出至下一級高速累加計數器做脈衝數計數。
2. 依申請專利範圍第1項所述之再生高壓游離腔數位環境監測電路，其中，該積分單元另包含有一運算放大器。
3. 依申請專利範圍第1項所述之再生高壓游離腔數位環境監測電路，其中，該充放電電容係為超低漏電之玻璃充放電電容。
4. 依申請專利範圍第2項所述之再生高壓游離腔數位環境監測電路，其中，該運算放大器係為CMOS運算放大器。
5. 依申請專利範圍第1項所述之再生高壓游離腔數位環境監測電路，其中，該第一二極體係為低漏電二極體。
6. 依申請專利範圍第1項所述之再生高壓游離腔數位環境監測電路，其中，該第二二極體係為超低漏電二極體。
7. 依申請專利範圍第1項所述之再生高壓游離腔數位環境監測電路，其中，該第二二極體係搭配一限流電阻與積分單元連接。
8. 依申請專利範圍第1項所述之再生高壓游離腔數位環境監測電路，其中，該開關元件係為CMOS開關。
9. 依申請專利範圍第8項所述之再生高壓游離腔數位環境監測電路，其中，該CMOS開關係由併聯NMOS電晶體與PMOS電晶體所組成。