高氣壓電離室射線劑量探測(cè)器的設(shè)計(jì)

梅雪松，侯躍新，龐 楊，肖 丹，李 巖，楊 斌，李 鋼

(黑龍江省科學(xué)院技術(shù)物理研究所，哈爾濱 150010)

近年來(lái)，隨著核技術(shù)的迅猛發(fā)展以及核事故的頻發(fā)，人們對(duì)射線劑量監(jiān)測(cè)設(shè)備的需求越來(lái)越大，對(duì)檢測(cè)的精度要求也越來(lái)越高。盡管?chē)?guó)內(nèi)輻射監(jiān)測(cè)儀表技術(shù)隨著核電建設(shè)步伐的加快而有較快的發(fā)展，各科研院所、企業(yè)紛紛研發(fā)新產(chǎn)品，填補(bǔ)了不少單機(jī)產(chǎn)品的空白，但總體來(lái)說(shuō)，輻射監(jiān)測(cè)領(lǐng)域在產(chǎn)品覆蓋面、標(biāo)準(zhǔn)化程度、系統(tǒng)構(gòu)建等方面還存在較大差距。目前國(guó)際、國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)主要被歐美設(shè)備所占據(jù)，另外，手持式、高靈敏度、低價(jià)格的輻射監(jiān)測(cè)儀表也逐漸受到各用源單位的青睞，據(jù)估算，每年國(guó)內(nèi)各大企業(yè)購(gòu)買(mǎi)進(jìn)口輻射監(jiān)測(cè)儀表近千臺(tái)，尤其是福島核事故發(fā)生后，進(jìn)口儀表幾近脫銷(xiāo)狀態(tài)。而且從國(guó)內(nèi)放射源應(yīng)用數(shù)量的增速上看，輻射監(jiān)測(cè)儀表的市場(chǎng)空間是巨大的。但如何提高設(shè)備的靈敏度、測(cè)量精度、穩(wěn)定性和可靠性等問(wèn)題，一直是制約國(guó)內(nèi)監(jiān)測(cè)設(shè)備的關(guān)鍵所在。

1 總體設(shè)計(jì)

研究提出了研制具有高靈敏度、高穩(wěn)定性的高氣壓電離室射線監(jiān)測(cè)裝置。用以檢測(cè)各類(lèi)β、γ和X射線，實(shí)現(xiàn)對(duì)涉核裝置周?chē)渚€劑量、散射劑量等的快速、有效地測(cè)量。該裝置主要由電源、探測(cè)器、放大電路和數(shù)據(jù)采集等幾部分組成。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。電源部分采用電池供電，可避免交流信號(hào)等噪聲的影響。對(duì)于系統(tǒng)各整體采用全封閉式屏蔽，盡可能減少環(huán)境等其他因素對(duì)系統(tǒng)信號(hào)的干擾。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The structure diagram of system

2 高氣壓電離室的設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，采用2.0mm厚1Cr18Ni9Ti不銹鋼作為內(nèi)外球冠，雙陶瓷三同軸密封頭作為探測(cè)器接口，其中，內(nèi)球冠采用點(diǎn)焊方式連接，外球冠、充氣口和探測(cè)器接頭均采用密封焊，由于各密封焊口均要承受2.5MPa的大氣壓［1］，因此，對(duì)焊口不能有任何機(jī)械加工。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

對(duì)于高氣壓電離室的設(shè)計(jì)，主要考慮可探測(cè)射線的類(lèi)型、能量響應(yīng)和安全性等方面。選擇2.0mm厚1Cr18Ni9Ti不銹鋼材質(zhì)，既可保證在2.5MPa的大氣壓下安全工作，又可滿足在待測(cè)的能量范圍內(nèi)，響應(yīng)的平坦，特別是在能量低于60kev時(shí)［2］。在工作時(shí)，外殼接－400V高壓，為探測(cè)器的陰極，中央小球體接地，為探測(cè)器的陽(yáng)極。

圖2 高氣壓電離室結(jié)構(gòu)圖Fig.2 A block diagram of high － pressure chamber

3 pA級(jí)弱電流信號(hào)的放大處理方案

弱電流信號(hào)是電離室輸出的典型基本信號(hào)，一般在環(huán)境射線本底的情況下，其輸出電流一般在pA級(jí)。對(duì)于弱信號(hào)的放大目前通常采用I－V轉(zhuǎn)換電路、I－F變換電路和電容充電法進(jìn)行測(cè)量。I－F變換法由于常見(jiàn)的頻率范圍特別寬，也容易產(chǎn)生，因此動(dòng)態(tài)范圍很大，且可以遠(yuǎn)距離傳輸，但該法一般很難做到pA級(jí);電容充電法可以較高精度地測(cè)試到非常小的電流，只不過(guò)對(duì)于很小的電流需要很長(zhǎng)的時(shí)間，不能滿足本研究的需求［3］。因此，研究采用IV轉(zhuǎn)換法。影響I－V轉(zhuǎn)換法測(cè)量的關(guān)鍵是靜電計(jì)放大器和反饋電阻的選取。經(jīng)過(guò)調(diào)查分析筆者獲得了市場(chǎng)常用靜電計(jì)放大器數(shù)據(jù)，并作以對(duì)比，如表1所示。

表1 常用靜電計(jì)放大器對(duì)比Tab.1 Comparison of commonly used electrometer amplifier

對(duì)上表進(jìn)行綜合分析和相關(guān)試驗(yàn)對(duì)比，本設(shè)計(jì)最終選用LMP7721靜電計(jì)放大器作為本裝置的主放大器，該放大器包括了獨(dú)特的引腳輸出方法和保護(hù)設(shè)計(jì)，Ib不大于20fA，典型值達(dá)到3fA，尤其是其Vos小于0.18mV，完全滿足本設(shè)計(jì)的需要。

反饋電阻Rfb是一個(gè)關(guān)鍵元件，取決于所要求的靈敏度和噪音。Rfb與電流噪聲密切相關(guān)，其值越大則理論噪聲越小，在電路設(shè)計(jì)中一般選用100GΩ，這種情況下的理論噪音極限大概是0.25fArms。當(dāng)然，Rfb不能取太大，因?yàn)檫\(yùn)放的偏置電流Ib是完全流過(guò)這個(gè)電阻的，在產(chǎn)生壓降的同時(shí)也產(chǎn)生噪音，還存在溫度系數(shù)等弊病，所以Rfb要與運(yùn)放匹配，最好Ib×Rfb小于滿度輸出的1%，至少小于10%。另一方面，大的電阻不僅價(jià)格昂貴不易購(gòu)買(mǎi)，而且可能存在性能上的問(wèn)題。從試驗(yàn)情況看，Rfb最大選擇100GΩ比較合適。如圖3所示［4］。

圖3 靜電計(jì)放大電路Fig.3 The electrometer amplifier circuit

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)當(dāng)前核技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，提出了研制具有高靈敏度、高穩(wěn)定性的高氣壓電離室射線監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)想。該裝置可用以檢測(cè)各類(lèi)β、γ和X射線，實(shí)現(xiàn)對(duì)涉核裝置周?chē)渚€劑量、散射劑量等快速、有效地測(cè)量。該設(shè)計(jì)的完成，對(duì)射線測(cè)量技術(shù)的進(jìn)一步提高將會(huì)起到一定的積極作用，從而縮短與國(guó)外先進(jìn)測(cè)量設(shè)備的差距，增強(qiáng)國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。其次，可為環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)任務(wù)和放射性設(shè)備的監(jiān)管提供準(zhǔn)確依據(jù)，同時(shí)也避免了使用國(guó)外設(shè)備的昂貴費(fèi)用和維護(hù)的不便。該設(shè)備還可以為環(huán)保部門(mén)積累環(huán)境輻射水平數(shù)據(jù)，總結(jié)環(huán)境輻射水平變化規(guī)律，為環(huán)保部門(mén)判斷環(huán)境中放射性污染及其來(lái)源，報(bào)告輻射環(huán)境質(zhì)量狀況提供有效的幫助。

［1］王薇，陳凌，王紅艷.高氣壓充氙電離室電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］.核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2009，(2):288 －293.

［2］王薇，陳凌，王紅艷.對(duì)高氣壓充氙電離室型γ譜儀能量分辨率的優(yōu)化研究［J］.中國(guó)原子能科學(xué)研究院年報(bào)，2008:340－341.

［3］王國(guó)榮.微弱電流的測(cè)量與UF變換電路的設(shè)計(jì)［J］.核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2005，25(4):358.

［4］陳國(guó)杰，曹輝.高性能微電流集成放大器的設(shè)計(jì)［J］.核電子學(xué)與探側(cè)技術(shù)，2005，25(3):243.