Прибор для измерения ионизирующего излучения

Это временная диаграмма включает все возможные задержки прохождения сигналов адреса и данных при чтении данных из системного ОЗУ. Если в микропроцессорной системе отсутствуют какие-либо схемы, например, буферы данных, то не будет и вызываемых их использованием временных задержек.

6. Обзор методов построения дисплея

6.1 Семисегментный символ

На рисунке 6.1 показана структура семисегментного элемента визуальной индикации. Эти семь сегментов позволяют сформировать любую десятичную цифру от 0 до 9, а также некоторые буквы латинского алфавита. При формировании, например, цифры 3 будут подсвечиваться сегменты А, В, С, D и G, а сегменты Е и F останутся темными. При формировании буквы F будут подсвечиваться сегменты А, Е, F и G, а темными останутся сегменты В, С и D.

Рисунок 6.1 - Семисегментный индикатор

На рисунке 6.1

D - один или несколько СИД

С помощью избирательного подсвечивания различных сегментов микропроцессор может устанавливать на индикаторе изображение различных символов. Для подсвечивания семисегментного индикатора можно использовать много различных способов. В некоторых индикаторах в качестве сегментов применяются газоразрядные трубки, для которых необходимо высокое напряжение, чтобы газ начал светиться. Индикаторы другого типа называются жидкокристаллическими дисплеями, или ЖКД.

В приведенных далее примерах используются семисегментные индикаторы на светоизлучающих диодах (СИД). Каждый сегмент такого индикатора образуется одним или несколькими СИД; СИД каждого сегмента соединяются вместе и включаются в одно и то же время. К каждому сегменту семисегментного индикатора присоединяется свой проводник питания.

Рисунок 6.2 - Семисегментные индикаторы с общими катодами

На рисунке 6.2 (а) и анодами (б) (условно каждый сегмент индикатора образован одним диодом)

Функциональная схема семисегментного индикатора показана на рисунке 6.2. Схему соединения индикаторов с общим катодом или с общим анодом выбирает разработчик системы. Стоимость этих индикаторов приблизительно одна и та же. Ниже рассмотрена аппаратура интерфейса для индикаторов обоих типов. Программное обеспечение не зависит от типа используемого устройства.

Рассмотрим, как может включаться или выключаться отдельный сегмент индикатора. Поскольку известно, как это выполняется электрически, задача заключается только в разработке соответствующего интерфейса. Способ включения и выключения одного сегмента семисегментного индикатора с общим катодом показан на рисунке 6.3, а, этот способ можно использовать и для всех остальных сегментов индикатора. Катод сегмента заземлен (позднее будет показано, как это осуществляется практически). Аноды СИД, образующих сегмент, соединяются с резистором 100 Ом и с выходом неинвертирующего буфера с открытым коллектором.

Если выход схемы открыт, то она соединяется с землей через свой выходной транзистор. Если на выходе схемы логический 0, то ток от источника питания +5 В проходит через резистор 100 Ом на выход схемы. Тока для включения индикатора нет, поэтому индикатор выключен. Для включения индикатора наСИД необходимо подать напряжение логического 0 на вход схемы. Этот логический 0 установит выход схемы в состояние логического 0 и выключит индикатор.

Рисунок 6.3 - Схемы включения индикатора

На рисунке 6.3 а - с общим катодом; б -с общим анодом.

Чтобы включить индикатор на СИД, можно на вход схемы подать напряжение логической 1. Это напряжение устанавливает выход устройства также в логическую 1. Когда на выходе схемы с открытым коллектором логическая 1, ее выходной транзистор закрыт. В этом случае ток проходит от источника напряжения +5 В через СИД и высвечивает цифру рисунок 6.3. На вход схемы подаются логическая 1 для включения сегмента СИД, и логический 0 - для его выключения.

Общий катод сегментов индикатора должен соединяться с землей, чтобы можно было включить любой сегмент рисунок 6.4. Если на вход схемы подан логический 0, на ее инвертирующем выходе появляется логическая 1. Ток на землю при этом не проходит, поэтом/ независимо от подаваемых на сегменты сигналов индикатор не будет светиться.



Рисунок 6.4 - Возбуждение общих катодов индикатора с помощью двух инвертирующих буферов 7406 (максимальный ток проходит через буферы, если включены все сегменты индикатора): 1 - катодный ток СИД одного символа

Когда на вход схемы подана логическая 1, на инвертирующем выходе схемы устанавливается логический 0. Сегменты индикатора будут светиться и в том случае, если на их аноды подано напряжение +5 В см. рисунок 6.3. С помощью этой схемы можно подавать на общие катоды напряжение логической 1 или 0, тем самым включая или выключая индикатор. Две схемы с открытым коллектором, включенные параллельно, используются при прохождении максимального тока, вызванного включением всех сегментов, т. е. когда высвечивается цифра 8.

Соединение нескольких индикаторов между собой. Выше было описано соединение сегментов индикатора и их включение и отключение для формирования одной цифры. Несколько одиночных индикаторов можно соединить в многосимвольный дисплей таким образом, чтобы все его символы имели общие схемы возбуждения сегментов. Это позволит формировать много символов и не дублировать при этом всю аппаратуру возбуждения сегментов рисунок 6.5. На рисунке 6.5 показаны четыре индикатора, но число индикаторов, соединяемых по этой схеме, может быть как угодно большим.

Интерфейс А служит для возбуждения сегментов каждого символа, интерфейс В возбуждает общие катоды каждого символа. Соответствующие линии сегментов всех символов соединены параллельно, поэтому сигналы возбуждения определенных сегментов для высвечивания символа одновременно поступают на все четыре индикатора. Высвечивается только тот символ, на общий катод схемы которого подан сигнал включения.

Рисунок 6.5 - Объединение четырех семисегмеитных индикаторов для формирования четырехразрядного дисплея

На рисунке 6.5 1 - из микропроцессорной системы; А - аноды СИД семи сегментов цифр 1, 2 и т. д.; К -общие катоды цифр 1, 2 и т. д.

При подаче сигналов управления высвечиванием цифры на аноды сегментов первого индикатора на общем катоде этого индикатора должно быть напряжение. Когда сигналы управления высвечиванием цифры поступают на сегменты второго индикатора, необходимо, чтобы на его общий катод было подано соответствующее напряжение. Последовательность включения четырех индикаторов и подачи электрических сигналов на выходные линии сегментов обеспечивается микропроцессором.

Временное соотношение анодных и катодных сигналов индикатора показано на рисунке 6.6. Сигналы на аноды СИД, образующие сегменты индикатора, подаются раньше, чем сигнал на общий катод. Это позволяет устанавливать стабильные сигналы управления сегментами к тому моменту, когда будет подан катодный сигнал. Если на аноды подан сигнал разрешения, сегмент будет включен в течение интервала отображения символа. Если бы сигналы включения и выключения отдельных сегментов подавались при наличии катодного сигнала, то было бы видно переключение сегментов индикатора.

Рисунок 6.6 - Сигналы на анодах и катодах индикатора

На рисунке 6.6 а -сигнал разрешения подсвета анодов; б-сигнал включения; I- интервал отображения символа.

Временная диаграмма работы четырехсимвольного дисплея представлена на рисунке 6.7. На ней показано, как сигналы управления подаются на катоды каждого из четырех индикаторов. Последовательность подачи сигналов управления подсветкой индикаторов определяется программно. Временной интервал между включением двух индикаторов называется межсимвольной паузой.

Это время необходимо для подачи сигналов управления на следующий индикатор. При формировании сигналов управления подсветкой нового символа катодные сигналы не подаются.

Рисунок 6.7 - Временные диаграммы подсвета цифр 1-4 четырехразрядного индикатора (одновременно светится только одна цифра)

На рисунке 6.7 I-интервал затемнения; II-символ светится.

Катодные и сегментные интерфейсы. Интерфейсы семисегментного индикатора используются для подачи управляющих сигналов соответственно на сегменты (СИД) и катоды индикатора. Эти интерфейсы состоят из устройств, используемых микропроцессором для управления цифровым индикатором. Интерфейсная схема для подсветки всех сегментов индикатора при формировании одной цифры показана на рисунке 6.8. При этом предполагается, что из кода выбора порта вывода формируется в нужный момент времени сигнал SEL.

В качестве интерфейса в этой схеме используется семиразрядный регистр 74LS374, на входы которого поступают сигналы с системной шины данных. Разряд D0 управляет включением сегмента А, разряд D1 - включением сегмента B и т. д. Когда микропроцессорная система включает или выключает сегмент, в соответствующий разряд семиразрядного регистра 74LS374 записывается логическая 1 или логический 0. Выходы этого регистра соединяются со входами схем с открытым коллектором, которые описаны выше. Сигналы логических 1 и 0 с выхода семиразрядного регистра управляют включением или выключением соответствующих сегментов (СИД) индикатора.

Семиразрядный регистр 74L5374 предназначен для записи данных во время выполнения обычной операции записи данных в порт вывода. В качестве сигнала управления записью используется сигнал BIOW. На рисунке 6.8 показан сигнал SEL1 выбора порта вывода данных. Сигнал SEL1 равен логическому 0, когда микропроцессор обращается к этому порту вывода-СИД-индикатору. Когда сигналы SEL1 и BIOW равны 0, на тактовый вход регистра 74LS374 также поступает логический 0. В это время данные со входа регистра передаются на его выходы. Это происходит, когда сигнал с выхода схемы 74LS32, на которую поступают сигналы BIOW и SEL1, подается на схему 7404 и выходной сигнал изменяется из 0 в 1. Когда на вход 11 схемы 74LS374 подается логическая 1, установленные на индикаторе данные не изменяются, независимо от того, какая информация подается на системную шину данных.

Если нужно высветить цифру 0, то должны быть включены все сегменты за исключением сегмента G. Все разряды данных, за исключением разрядов D6 и D7, должны быть равны логической 1. Необходимо выполнить операцию записи в порт вывода данных на дисплей числа 3F

Предположим, что код выбора порта для интерфейса сегментов (анодов) равен 45).

Рисунок 6.8 - Схема управления включением и выключением анодов семисегментных индикаторов дисплея

На рисунке 6.8 D0 - D5 - системная шина данных; a - g - к сегментам всех разрядов индикатора; сигнал а поступает на сегменты а всех символов ндикатора; сигнал в на все сегменты в и т. д



Рисунок 6.9 - Схема формирования катодных сигналов разрешения подсвета символа индикатора

На рисунке 6.9 D0 - D3 - системная шина данных; BIOW, SEL2 - с системной шины управления; В1- В4 - буферы и входы катодных драйверов

Интерфейс для управления катодными сигналами показан на рисунке 6.9. Дисплей состоит из четырех индикаторов, поэтому используется четырехразрядный регистр 74175. Этот регистр работает точно так же, как и описанный выше регистр 74LS374. Для записи данных в этот регистр используется другой код выбора (сигнал SEL2). Когда сигналы SEL2 и BIOW равны логическому 0, на тактовый вход регистра 74175 поступает с инвертора 7464 логическая 1. Данные, переданные по системной шине данных, хранятся в регистре. В это время подаются сигналы на катоды сегментов.

Разряд D0 системной шины данных управляет катодом первого индикатора, разряд D1 управляет катодом второго индикатора и т. д. Если нужно высветить символ на третьем индикаторе, то разряд D2 записываемых в порт вывода данных должен быть равен логической 1. Все остальные разряды должны быть равны логическому 0.

На основе приведенных выше примеров можно разработать программы для организации сканирования индикатора. Под «сканированием» понимаются установка данных и высвечивание информации в каждом разряде. Если эта операция будет выполняться с большой частотой, то визуально будет казаться, что все цифры светятся одновременно.

6.2 Организация интерфейса с индикаторами с общим анодом

Выше была рассмотрена организация интерфейса с индикаторами, имеющими общий катод. Ниже описана организация интерфейса с индикаторами, имеющими общий анод. Интерфейс описан до уровня включения и выключения сегментов индикатора. Предполагается, что выполняется запись данных в порт управления. Аппаратура интерфейса разработана таким образом, что описанная программа сканирования индикатора пригодна для выполнения на ней.

На схеме драйверов интерфейса для индикаторов с общим анодом, приведенной на рисунке 6.10, показана аппаратура для возбуждения общих анодов каждого разряда и всех катодов индикатора. Рассмотрим работу схемы возбуждения анодов. Сигнал регистра разрешения подсвета символа подается на вход инвертора с открытым коллектором 7406 рисунок 6.10, вверху.

Когда на вход I схемы 7406 подается логическая 1, потенциал на выходе схемы 7406 равен потенциалу земли. При этом ток от источника питания +5 В проходит через два резистора сопротивлением 270 Ом. Этот ток вызывает уменьшение потенциала базы транзистора до уровня земли.

Рисунок 6.10 - Схема управления включением и выключением индикатора с общим анодом

На рисунке 6.10 I - из регистра (логическая 1-включить; логический 0-выключить); II- к общим анодам цифры; III-сегменты A-F

Когда напряжение базы транзистора достигает уровня Uбэ, необходимого для открывания транзистора, транзистор войдет в режим насыщения, при котором потенциалы на его коллекторе и эмиттере будут равны. Коллектор транзистора соединяется с общим анодом одного разряда индикатора, потенциал которого возрастает до +5 В. В этом режиме на анод индикатора подается напряжение, но для того, чтобы включить сегменты, необходимо соединить с землей катоды всех сегментов, которые должны светиться. Если на вход I схемы 7406 подается логический 0, то ее выход будет закрыт. Это прекратит прохождение тока от источника питания +5 В на землю через два резистора сопротивлением 270 Ом. Базового тока, который откроет транзистор, тоже не будет. Транзистор войдет в режим отсечки. В этом случае на аноде индикатора не будет разрешающего потенциала, т.е. на анод не будет подано напряжение +5В.

Рассмотрим теперь, как подается разрешающее напряжение на катоды индикатора. Катодные напряжения соответствуют данным, которые должны быть высвечены на индикаторе. Для того, чтобы включить сегменты, нужно соединить катод каждого из них с землей. СИД светятся в том случае, если потенциал на их катодах равен потенциалу земли, а потенциал анода равен +5 В. На схеме, показанной на рисунке 6.10, сигнал с выхода инвертора с открытым коллектором 7406 подается через резистор сопротивлением 100 Ом на линию каждого сегмента. Резистор сопротивлением 100 Ом служит для ограничения тока через включенные СИД. Этот резистор можно использовать для регулирования яркости свечения индикатора.

7. Обзор методов построения блоков питания

Блок питания является одним из самых ненадежных устройств компьютерной системы. Это жизненно важный компонент персонального компьютера, поскольку без электропитания не сможет работать ни одна компьютерная система. Поэтому для организации четкой и стабильной работы системы необходимо хорошо разбираться в функциях блока питания, иметь представление об ограничениях его возможностей и их причинах, а также о потенциальных проблемах, которые могут возникнуть в ходе эксплуатации, и способах их разрешения.

Главное назначение блоков питания - преобразование электрической энергии, поступающей из сети переменного тока, в энергию, пригодную для питания узлов компьютера. Блок питания преобразует сетевое переменное напряжение 220В, 50 Гц (120 В, 60 Гц) в постоянные напряжения +3,3, +5 и +12 В. Как правило, для питания цифровых схем (системной платы, плат адаптеров и дисковых накопителей) используется напряжение +3,3 или +5 В, а для двигателей (дисководов и различных вентиляторов) - +12 В. Компьютер работает надежно только в том случае, если значения напряжения в этих цепях не выходят за установленные пределы.

7.1 Обзор методов построения стабилизаторов постоянного тока

Стабилизатор напряжения - преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки. По типу выходного напряжения стабилизаторы делятся на стабилизаторы постоянного тока и переменного тока

К стабилизаторам постоянного тока относятся линейный и импульсный стабилизаторы.

Линейный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах.

При большом отношении величин входного/выходного напряжений линейный стабилизатор имеет низкий КПД, так как большая часть мощности рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе. Поэтому регулирующий элемент должен иметь возможность рассеивать достаточную мощность, т. е. должен быть установлен на радиатор нужной площади. Преимущество линейного стабилизатора - простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых деталей.

В зависимости от расположения элемента с изменяемым сопротивлением линейные стабилизаторы делятся на два типа: последовательный (регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой) и параллельный (регулирующий элемент включен параллельно нагрузке).

В зависимости от способа стабилизации:

- параметрический рисунок 7.1. В таком стабилизаторе используется участок ВАХ прибора, имеющий большую крутизну;

- компенсационный рисунок 7.2. Имеет обратную связь, нём напряжение на выходе стабилизатора сравнивается с эталонным, из разницы между ними формируется управляющий сигнал для регулирующего элемента.



Рисунок 7.1 - Параметрические стабилизаторы постоянного напряжения

Рисунок 7.2 - Компенсационные стабилизаторы на транзисторах и микросхемах с непрерывным регулированием

Интегральные стабилизаторы напряжения непрерывного действия серии К142ЕН выпускаются тpex типов: с регулируемым выходным напряжением К142ЕН1-4, с фиксированным выходным напряжением К142ЕН5А, Б; с двуполярным входным и выходным напряжением К142ЕН6.

Интегральные стабилизаторы с регулируемым выходным напряжением требуют подключения внешнего делителя ОС, элементов частотной коррекции и резисторов цепи защиты.

Наибольшее распространение получили маломощные стабилизаторы серии К142ЕН1,2 и стабилизаторы средней мощности К142ЕНЗ,4. Маломощные интегральные стабилизаторы целесообразно применять при выходных напряжениях от 3 до 30 В и малых токах нагрузки 0,05...0,1 А. Подключение к маломощным интегральным стабилизаторам внешнего мощного регулирующего транзистора позволяет получить на выходе значительно большие токи нагрузки.

Интегральные стабилизаторы средней мощности целесообразно применять при токах до 1 А.

Интегральные стабилизаторы с фиксированным напряжением серий К142ЕН5А, Б рис. 6.3 имеют выходное напряжение 5 или 6 В в зависимости от типа микросхемы. Стабилизаторы содержат защиты от перегрузок по току и тепловую защиту, срабатывающую при температуре кристалла + 175°С.

На выходе стабилизатора необходимо включить конденсатор 10мкФ для обеспечения устойчивости при импульсном изменении тока нагрузки.

Рисунок 7.3 - Подобные микросхемы выпускаются на ряд напряжений, включая напряжения обратной полярности.

7.2 Обзор методов построения выпрямителей

Выпрямительные устройства (выпрямители) относятся к вторичным источникам электропитания. Они используются для преобразования переменного напряжения в постоянное. Источником переменного напряжения может быть сеть переменного тока или преобразователь постоянного напряжения в переменное повышенной частоты.

Выпрямитель в большинстве случаев состоит из трансформатора питания, изменяющего напряжение, комплекта вентилей, выпрямляющих переменное напряжение, и сглаживающего фильтра. Вентиль представляет собой нелинейный элемент, сопротивление которого в прямом направлении в сотни-тысячи раз меньше, чем в обратном. В настоящее время в основном используются полупроводниковые вентили.

Основные параметры выпрямителей - номинальное напряжение и частота питающей сети и их отклонения от номинальных; полная мощность, потребляемая от питающей сети при номинальной нагрузке; номинальное выходное напряжение; номинальный ток нагрузки и его возможные отклонения от номинального; КПД; коэффициент пульсаций.

Коэффициент пульсаций - отношение амплитуды первой гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения к его постоянной составляющей (ГОСТ 18311-80). Иногда определяют коэффициент пульсаций как отношение двойной амплитуды переменной составляющей к постоянной составляющей. Двойная амплитуда переменной составляющей измеряется как сумма положительной и отрицательной полуволн переменной составляющей выпрямленного напряжения.

В источниках питания приемно-усилительной аппаратуры находят применение выпрямители однополупериодные, двухполупериодные с выводом средней точки, мостовые, с удвоением напряжения. Чаще всего они выполняются со сглаживающим фильтром, начинающимся с конденсатора (рис.65), и, следовательно, работают на емкостную нагрузку. Хотя эти выпрямители обладают низким КПД по сравнению с выпрямителями, работающими на индуктивную нагрузку, они позволяют получать меньший коэффициент пульсаций при одинаковых габаритных размерах фильтра. Выпрямители, работающие на емкостную нагрузку, используются для получения выпрямленных напряжений от единиц вольт до десятков киловольт. Выпрямители без сглаживающего фильтра применяются сравнительно редко, например, для питания электромагнитных реле и в других случаях, когда коэффициент пульсаций не имеет существенного значения.

Однополупериодную (однофазную) схему выпрямителя рисунок 7.4, а применяют при мощностях в нагрузке до 5... 10 Вт и тогда, когда не требуется малый коэффициент пульсаций. Достоинства однополупериодного выпрямителя - минимальное число элементов, невысокая стоимость, возможность работы без трансформатора при использовании полупроводниковых вентилей. Недостатки-низкая частота пульсаций (равна частоте питающей сети), плохое использование трансформатора, подмагничивание его магнитопровода постоянным током.

Двухполупериодную схему с выводом средней точки (двухфазную), приведенную на рис. 6.4, б, применяют чаще всего при мощностях до 100 Вт и выпрямленных напряжениях до 400...500 В. Выпрямители, выполненные по этой схеме, характеризуются повышенной частотой пульсаций, возможностью использования вентилей с общим катодом (или анодом), что упрощает их установку на общем радиаторе, а также повышенным обратным напряжением на вентилях и более сложной конструкцией трансформатора.

Однофазная мостовая схема рисунок 7.4, в характеризуется хорошим использованием мощности трансформатора, поэтому рекомендуется при мощностях в нагрузке до 1000 Вт и более. Достоинства выпрямителей, выполненных по этой схеме,- повышенная частота пульсаций, низкое обратное напряжение на вентилях, возможность работы без трансформатора. Недостатки - повышенное падение напряжения в вентильном комплекте, невозможность установки однотипных вентилей на одном радиаторе без изоляционных прокладок.



Рисунок 7.4 - Схемы выпрямителей

Симметричную схему с удвоением напряжения рисунок 7.4, г применяют чаще всего при мощностях в нагрузке до 1000 Вт и выпрямленных напряжениях выше 500...600 В. При равных выпрямленных напряжениях напряжение на вторичной обмотке трансформатора при схеме удвоения почти в два раза меньше, чем при мостовой. Обратное напряжение на вентилях при данной схеме примерно такое же, как при мостовой, частота пульсаций в два раза больше частоты питающей сети.

8. Датчики ионизирующего излучения

8.1 Общие сведения и терминология

Датчики (блоки детектирования) ионизирующих излучений относятся к электронным устройствам, основное назначение которых заключается в обеспечении процесса взаимодействия потока ионизирующего излучения с физической средой детектора излучения, и в преобразовании актов взаимодействия в электрические сигналы, которые могут быть зарегистрированы соответствующей измерительной аппаратурой. В комплекте с измерительными блоками датчики образуют приборы для измерения ионизирующих излучений (спектрометры, радиометры, дозиметры и пр.).

Рисунок 8.1 - Типовая схема датчика излучения

На рисунке 8.1 приведена функциональная схема датчика. Датчик содержит детектор излучения с формирователем электрических сигналов на выходе, предварительный усилитель сигналов, выходной усилитель мощности сигналов и источник питания детектора. Формирователь электрических сигналов обычно объединяется с предварительным усилителем в общий блок согласующего усилителя. В специализированной аппаратуре датчики могут содержать только детекторы излучения (один или несколько) и формирователи сигнала, с включением остальных блоков в состав регистрирующих приборов.

Детектор ионизирующего излучения (radiationdetector) - чувствительный элемент средства измерений, предназначенный для регистрации ионизирующего излучения. Действие детектора основано на явлениях, возникающих при прохождении ионизирующего излучения через вещество (рабочую среду детектора).

По физической сущности взаимодействия ионизирующих излучений с веществом выделяют следующие типы детекторов:

- ионизационный, основанный на способности излучений ионизировать среду, через которую они проходят;

- сцинтилляционный, регистрирующий фотоны света, возникающие в сцинтилляторе под действием ионизирующих излучений;

- люминесцентный, базирующийся на эффектах радиофотолюминесценции (ФЛД) и радиотермолюминесценции (ТЛД). Детекторы поглощают и накапливают энергию излучения в молекулярных центрах фотолюминесценции, и способны высвечивать накопленную энергию при освещении ультрафиолетовым светом (ФЛД) или при нагревании (ТЛД);

- фотографический, основан на свойстве ионизирующих излучений воздействовать на чувствительный слой фотоматериалов аналогично видимому свету;

- химический, основанный на измерении выхода радиационно-химических реакций (изменение степени окраски или цвета), протекающих под действием ионизирующих излучений. Метод используют при регистрации значительных уровней радиации;

- калориметрический, базирующийся на измерении количества теплоты, выделяемой в детекторе при поглощении энергии ионизирующих излучений;

Принципы классификации датчиков. Как правило, блоки детектирования специализируются по виду регистрируемого излучения на датчики заряженных частиц, нейтронов и электромагнитного излучения (рентгеновских и гамма-квантов). Специализация достигается применением детектора соответствующего типа и конструкции, обеспечивающих максимальную эффективность регистрации данного вида излучения при минимальной эффективности регистрации всех других видов излучения. Специализация может быть усилена конструкцией датчика, обеспечивающей пропускание на детектор определенного вида излучения при максимальном подавлении сопутствующих видов, и селекцией сигналов в блоке их формирования или в измерительном устройстве. Однако специализация обычно не является абсолютной, так как рабочая среда детекторов имеет определенную вероятность взаимодействия со всеми видами излучения, равно как и конструкционные материалы датчика при взаимодействии с сопутствующим видом излучения могут индуцировать вторичные виды излучения, регистрируемые детектором.

По линейности преобразования энергии ионизирующего излучения в энергию выходных сигналов датчики разделяются на три типа: спектрометрические, счетные и дозовые.

Спектрометрические датчики позволяют регистрировать энергетический спектр излучения. В спектрометрических датчиках амплитудное значение или полный электрический заряд выходного сигнала пропорциональны поглощенной в детекторе энергии частицы, что позволяет реализовать многочисленные методы ядерно-физического анализа вещественного состава изучаемых сред. Спектрометрические датчики используются в составе спектрометров.

Датчики счетного типа предназначены для измерения плотности потока излучения и активности источников излучения (количества распадов в единицу времени в изучаемом образце). Физической величиной, регистрируемой от датчиков счетного типа, является частота (скорость счета) актов взаимодействия частиц ионизирующего излучения с детектором излучения, которая пропорциональна плотности потока излучения. Связь скорости счета частиц с активностью источника излучения задается условиями и методикой измерений.

Датчики счетного типа используются в составе радиометров. По группам практических задач в сочетании с конструктивными особенностями исполнения выделяют следующие типы датчиков:

Массовой активности радионуклидов.

Поверхностной активности радионуклидов.

Объемной активности газов, жидкостей, радиозолей.

Плотности потоков ионизирующих частиц.

Дозовые датчики используются в составе дозиметров и предназначены для измерения дозы и/или мощности дозы ионизирующего излучения, т.е. количества энергии ионизирующего излучения, которое воспринимается средой за определенный промежуток времени.

8.2 Детекторы излучения

Измерение ионизирующего излучения представляет собой регистрацию актов взаимодействия излучения с детектором (в радиометрах) и количественную энергетическую оценку данного взаимодействия (в спектрометрах и дозиметрах). Процесс измерения реализуется только в том случае, если взаимодействие излучения с веществом (рабочей средой) детектора сопровождается процессом преобразования энергии излучения в другой вид энергии, удобный для регистрации.

В промышленных датчиках используются, в основном, два типа детекторов:

Ионизационные детекторы с прямым преобразованием энергии частиц в электрический заряд. К ним относятся газонаполненные детекторы - ионизационные камеры, газоразрядные и пропорциональные счетчики, и полупроводниковые детекторы (ППД).

Сцинтилляционные детекторы, в которых используется люминесценция вещества детектора при поглощении излучения с последующим преобразованием энергии световых фотонов в электрический сигнал (при помощи фотоэлектронного умножителя - ФЭУ).

По линейности преобразования энергии излучения в энергию выходного сигнала различают пропорциональные и непропорциональные детекторы. По агрегатному состоянию рабочей среды детекторы подразделяются на газовые, жидкостные и твердотельные.

Принцип действия детекторов основан на обнаружении эффекта ионизации или возбуждения атомов рабочей среды детектора при взаимодействии с излучением. Заряженные частицы взаимодействуют непосредственно с электрическим полем атомов рабочей среды детектора с передачей им своей кинетической энергии. Гамма - кванты и нейтральные частицы взаимодействуют с детектором через процессы фотопоглощения, комптоновского рассеяния, образования электронно-позитронных пар и ядерные реакции в рабочей среде детекторов и в специальных конструкционных материалах, которые может иметь детектор для повышения вероятности этих процессов. В результате этого взаимодействия возникает вторичное излучение, состоящее из заряженных частиц, которое и регистрируется в рабочей среде детектора.

Механизм преобразования энергии в детекторах ионизационного типа идет по цепи: поглощение энергии частицы преобразование поглощенной энергии в первичный электрический заряд (усиление первичного заряда для детекторов с усилением) сбор заряда на электродах детектора. В сцинтилляционных детекторах эта цепь несколько длиннее: поглощение энергии частицы преобразование поглощенной энергии в световые фотоны сбор фотонов на фотокатоде ФЭУ и выбивание из него фотоэлектронов (первичного электрического заряда) усиление электронного потока динодной системой ФЭУ (ударное размножение разгоняемых электронов на динодах ФЭУ) сбор электронного потока на аноде ФЭУ.

Особенности протекания данных процессов в детекторах определяют их основные технические характеристики.

Эффективность регистрации излученияявляется энергетической пространственно-угловой функцией вероятности процесса взаимодействия излучения с рабочей средой детектора.

Вероятность регистрации ионизирующей частицы при прохождении через рабочую среду детектора определяется вероятностью передачи частицей своей энергии, частично или полностью, рабочей среде. Эта вероятность зависит от вида излучения, его энергии, плотности рабочей среды детектора, его размеров и геометрии измерений. В первом приближении она определяется выражением массовый коэффициент поглощения излучения данного вида и энергии в рабочей среде (см2/г), - плотность среды, l- средняя длина пробега частиц в среде. Приведенное выражение не учитывает факторов конкретной конструкции детектора и условий проникновения излучения в рабочую среду детектора, что немаловажно для низкоэнергетических видов излучений. Эффективность регистрации может иметь средние значения от 0 до 1.

Рисунок 8.2 - Эффективность регистрации гамма-квантов

На практике понятие эффективности регистрации используется в узком смысле только энергетической функции вероятности регистрации данного вида излучения данным типом детектора, среднее значение которой определяется как отношение числа зарегистрированных частиц к числу частиц, попавших на входное окно детектора. Расчет практической эффективности регистрации производится по формуле: Э(E) = m/(sф(E)), где s - площадь входного окна детектора (для изотропных детекторов - площадь сечения), ф(E) - плотность потока излучения, m- частота актов регистрации выходных сигналов детектора.

Самым проникающим видом излучения с большой длиной пробега квантов является гамма-излучение, в связи с чем для их детектирования используются сцинтилляторы и ППД, эффективность регистрации которых тем больше, чем больше их плотность, геометрические размеры и эффективный атомный номер вещества детектора.

На рисунке 8.2 приведены графики спектральной эффективности регистрации гамма-излучения неорганическими сцинтилляторами NaI(Tl) различных размеров. При регистрации низкоэнергетических гамма-квантов (менее 100 кэВ) существенную роль начинает играть поглощение излучения в контейнере детектора и в защитной конструкции блока детектирования, если он не имеет специального входного окна.

Рисунок 8.3 - Эффективность регистрации гамма-квантов газонаполненными счетчиками

Эффективность регистрации гамма-излучения газонаполненными счетчиками в интервале энергий от 100 кэВ до 3 МэВ не превышает 2% и практически не зависит от размеров счетчиков, а в области энергий ниже 200 кэВ существенно зависит от материала корпуса (катода) счетчика, в котором осуществляется конверсия гамма-квантов в электроны. В качестве материала катода обычно используется вольфрам, медь и железо. Пример эффективности регистрации газонаполненных счетчиков приведен на рисунке 8.3.

Что касается эффективности регистрации бета- и альфа-частиц, то практически для всех видов детекторов она близка к 100% в связи с малой проникающей способностью этих видов излучения. Последнее обстоятельство выводит на первое место по влиянию на эффективность регистрации фактор поглощения излучения во входном окне детектора, особенно при регистрации низкоэнергетических частиц.

Понятие практической эффективности регистрации обычно применяется к датчику в целом (с данным типом детектора) и выражается в % (от 0 до 100%). Для характеристики блоков детектирования и устройств с фиксированной геометрией измерений применяется также понятие светосилы, как отношение числа регистрируемых частиц к числу частиц, испускаемых источником излучения. Значение светосилы является безразмерной величиной в интервале 0-1. Энергетическое разрешение детекторов. При регистрации моноэнергетического излучения и линейном преобразовании энергии частиц в выходные сигналы в силу статистической природы процессов преобразования распределение значений выходных сигналов "расплывается" в фотопик рисунок 8.4. За меру "расплывания" энергии сигналов принимается значение ширины фотопика на половине его высоты. Эта характеристика регистрации излучения получила название энергетического разрешения детекторов. Если источник излучения имеет две линии излучения и второй фотопик отстоит от первого на расстоянии, меньшем энергетического разрешения, то фотопики сливаются в один суммарный пик.

Рисунок 8.4

Для сравнения детекторов значение энергетического разрешения выражают в относительных единицах (или в %) значения центра распределения: R = r/Eo, где Eo- энергия центра распределения.

При аппроксимации фотопика функцией Гаусса имеет место- среднее квадратическое отклонение энергии зарегистрированных сигналов от среднего значения Eo. При удельной энергии e на образование первичных носителей заряда, формирующих выходной сигнал, среднее число носителей заряда N при поглощении частицы с энергией Е, дисперсия их числа и значение относительного энергетического разрешения равны:

N=E/e, s2 = FN, R=2.36 s/N.

где F- поправочный коэффициент на частичное нарушение статистики процесса. Значение коэффициента F для каждого типа, размеров и конструкции детектора определяется индивидуально. Средние значения коэффициентов порядка 0.2-0.4 для полупроводниковых, 0.4-0.7 для газонаполненных и 1.5-2 для сцинтилляционных детекторов.

При известном разрешении детектора R1 для энергетической линии E1 оценка разрешения R2 для любой другой энергии E2 может производиться по формуле: R2 = R1.

Энергетическое разрешение детекторов тем лучше, чем большее число носителей заряда образуется в детекторе, т.е. чем выше энергия излучения и меньше удельная энергия образования носителей заряда.

Наименьшую удельную энергию образования одной пары носителей заряда (электрон-дырка) имеют полупроводниковые детекторы - от 2,9 до 3,7 эВ в зависимости от типа, что обеспечивает ППД наилучшее энергетическое разрешение из всех типов детекторов. Удельная энергия ионизации среды в газовых детекторах (образование пары ион - электрон) на порядок выше и составляет от 20 до 32 эВ в зависимости от типа среды, и энергетическое разрешение газовых детекторов практически в 3 раза хуже разрешения ППД. В сцинтилляционных детекторах энергия излучения конвертируется в фотоны света (коэффициент преобразования не более 0.1), а первичными носителями заряда являются фотоэлектроны, которые выбиваются с фотокатода ФЭУ световыми фотонами (вероятность не более 0.1 на фотон). Отсюда следует, что удельная энергия образования первичных носителей заряда в сцинтилляционных детекторах практически на порядок больше, чем у газонаполненных детекторов, и на 2 порядка больше, чем у ППД, а энергетическое разрешение соответственно в 3-4 раза хуже, чем у газонаполненных детекторов, и на порядок хуже, чем в ППД.

В таблице 8.1 приведены средние значения удельной энергии и энергетического разрешения по энергии 662 кэВ изотопа Цезий-137 для наиболее распространенных типов детекторов, по которым нетрудно выполнить оценку разрешения детекторов для любой другой энергии излучения.

Таблица 8.1 - Удельная энергия преобразования и энергетическое разрешениедетекторов по энергетической линии излучения 662 кэВ

Детекторы	Материал рабочей среды	эВ	R,%
Полупроводниковые	Германий Кремний	2.96 3.67	0,2-0,8 0,3-1,0
Газонаполненные	Ксенон Крептон Аргон	21 23 26	1,2-1,6 1,4-1,8 1,5-1,9
Сцинтиляционные	Nal(Tl) Csl(Tl) Антрацен Стильбен Пластмасса Жидкость	250-300 600-700 500-700 900-1100 1000-1500 1000-2000	6-8 8-9 7-9 10-12 10-15 10-17

Разрешение может существенно ухудшаться, если энергия излучения соизмерима с энергией собственных тепловых шумов детектора. При регистрации гамма-квантов в нормальных температурных условиях среднее значение энергетического эквивалента тепловых шумов для пропорциональных счетчиков составляет 0.2-0.5 кэВ, для фотоумножителей в энергетической шкале NaI(Tl) 0.3-1 кэВ, для кремниевых ППД может достигать 10 кэВ. Для снижения уровня шумов, ППД используются с охлаждением до 70-1000К, при этом уровень шумов может быть снижен на порядок. Кроме того, при регистрации низкоэнергетического излучения приобретают значение шумы первого каскада усиления сигнала.

Избирательность детекторов. Детекторы различных типов, размеров и конструкций, с различным состоянием агрегатной среды могут отличаться на 1, 2 и более порядков как по эффективности регистрации различных видов излучения, так и по эффективности регистрации в различных диапазонах спектра излучения. Это позволяет специализировать детекторы по измерительным задачам и производить измерение одних видов и энергий излучения на сопутствующем фоне излучения других видов и энергий. Качество работы детекторов при этом может прямо оцениваться избирательностью - отношением эффективности регистрации измеряемого и фонового излучения при равных значениях плотности потоков. Избирательность в значительной степени может быть усилена геометрией измерений и конструкцией блока детектирования в целом (экранирование, коллимация и т.п.).

Для детектирования заряженных частиц, в принципе, можно использовать все типы детекторов, при этом по характеру преобразования энергии частиц в заряд детекторы разделяют на пробежные и пролетные. К пробежным относят детекторы с толщиной чувствительного объема, превышающей длину пробега частиц в материале детектора и обеспечивающей полное поглощение энергии частиц. У пролетных детекторов толщина чувствительного объема много меньше длины пробега частиц и выходные сигналы пропорциональны произведению линейной плотности ионизации на треках частиц на длину треков, т.е. зависят от типа частиц, их массы, заряда и угла входа в детектор. Один и тот же детектор может быть пробежным к одному виду частиц и пролетным к другому, что создает условия для их селективной регистрации. Так, например, поверхностно-барьерные ППД с малой толщиной чувствительного слоя (порядка 0.05 мм) являются пробежными по альфа-излучению и пролетными по бета-излучению с энергией более 100 кэВ.

Реакция детекторов на поток нейтральных частиц и квантов имеет более сложный характер и проходит в два этапа. На первом этапе в чувствительной среде детектора или в специальных материалах его конструкции осуществляется конверсия первичного потока излучения во вторичный поток заряженных частиц, который и регистрируется на втором этапе. Эффективность процессов на этих двух этапах может изменяться раздельно и целенаправленно, что создает разнообразие детекторов по материалам и агрегатному состоянию чувствительных сред и защите от внешних потоков заряженных частиц в зависимости от специализации

8.3 Радиационный фон регистрации ионизирующих излучений

Естественный радиационный фон (naturalbackground) - ионизирующее излучение, состоящее из космического излучения и ионизирующего излучения природных радионуклидов.

Одна из типовых задач радиометрических измерений - определение в пробах (в среде) активности радионуклидов, при этом гамма-излучение нуклидов может быть соизмеримо и даже меньше естественного фона. Радиационный фон и его основная составляющая - фоновое гамма-излучение, присутствует при регистрации всех видов излучения, причем уменьшить влияние гамма-фона на результаты измерений всегда сложнее, чем всех других составляющих радиационного фона.

Основные составляющие радиационного фона:

- низко- и высокоэнергетические компоненты космического излучения;

- излучение конструкционных материалов аппаратуры и самого детектора;

- излучение окружающей среды.

Первичное космическое излучение является потоком очень быстрых заряженных частиц (в основном протонов) с энергией до 1010-1012 МэВ. На высотах ниже 20 км космическое излучение практически полностью имеет вторичный характер. Высокоэнергетическая составляющая вторичного излучения представлена в основном заряженными частицами - мюонами ("+" и "-" мезонами с массой 207 масс электрона), с энергией порядка 100 МэВ. Низкоэнергетическое излучение состоит из электронно-позитронных пар и гамма-квантов. Кроме того, вторичное космическое излучение содержит нейтронную составляющую с широким энергетическим спектром.

Космическое излучение регистрируется детекторами как непосредственно, так и через вторичное излучение, создаваемое в окружающих детектор материалах, в том числе с образованием в них нестабильных изотопов. Доля космического излучения в общем радиационном фоне составляет в среднем 1/3.

Источниками радиоактивного загрязнения материалов детектора и блока детектирования являются естественные радионуклиды (ЕРН) рядов урана/тория и калий-40. Последний присутствует в природном калии (0.012%, 31400 Бк/кг) и во всех материалах, содержащих калий в своем составе (стекло баллонов ФЭУ, световоды и пр.). Элементы рядов урана и тория в виде микропримесей присутствуют во всех материалах, включая материал детектора. Так, активность ЕРН в конструкционных марках свинца достигает 60 Бк/кг, в алюминии- 27 Бк/кг, и даже в плексигласе - до 0.25 Бк/кг. Доля гамма-фона, создаваемого радиоактивным загрязнением материалов детектора и датчика, также может достигать 1/3 общего радиационного фона.

Остальная часть фона определяется излучением всех внешних для блока детектирования объектов окружающей среды, включая радон и продукты его распада в воздушной среде.

Методы снижения фона. Существуют три основных метода снижения радиационного фона:

- использование радиационно-чистых материалов в конструкции датчиков;

- применение защиты от внешнего излучения;

- использование дополнительных детекторов для исключения из регистрации сигналов радиационного фона.

Использование радиационно-чистых материалов в конструкции датчиков. Конструкцию датчиков следует выполнять из плексигласа, фторопласта, электролитической меди и радиационно-чистой нержавеющей стали, для пайки применять химически чистое олово. При использовании сцинтилляционных детекторов применять ФЭУ с баллонами из безкалиевого стекла и безкалиевые световоды. В качестве светоотражающих материалов для сцинтилляторов использовать фторопласт или окись алюминия (вместо окиси магния, в которой больше микропримесей ЕРН).

Для защиты от внешнего гамма-излучения (космического и окружающей среды) требуется материал с большой плотностью и высоким атомным номером. Для этих целей обычно используется свинец, однако за счет загрязнения ЕРН поверхностная активность свинца может достигать 18 Бк/м2. С внутренней поверхности свинцового экрана на детектор может выходить характеристическое излучение свинца, которое возникает при фотопоглощении гамма-квантов, в том числе от измеряемых проб. Для поглощения данного излучения на внутренней поверхности свинцовой защиты располагают дополнительный защитный экран, как правило, из кадмия или олова (1-2 мм) и меди (0.3-0.5 мм), что позволяет ослабить возникающее характеристическое излучение более чем в 100 раз.

При хорошей защите от внешнего гамма-излучения на первый план выходит радиационный захват тепловых нейтронов с образованием радиоактивных нуклидов в материалах детектора, датчика и в самой защите. Неприятной особенностью данного фактора является его зависимость от атмосферного давления, т.к. при изменении давления на 1% происходит изменение плотности потока космических нейтронов на 7.2%. Для снижения нейтронной составляющей фона защиту с внешней стороны дополняют слоем вещества, замедляющего и поглощающего нейтроны (парафин и борная кислота, обогащенная изотопом Бор-10).

Методы пассивной защиты не обеспечивает защиты детекторов от мюонов. Мюонная составляющая излучения также зависит от атмосферного давления, хотя и в меньшей степени (порядка 1.2% при изменении давления на 1%). Эту компоненту фона снижают активным методом - при помощи защитных детекторов, которые располагают вокруг основного детектора. Эффективность регистрации мюонов для всех детекторов близка к 100%, и по отношению к ним все детекторы являются пролетными. Сигналы детектирования мюонов в основном детекторе будут сопровождаться сигналами детектирования этих же мюонов в защитном детекторе и могут использоваться для блокировки регистрации фоновых сигналов в основном детекторе по принципу временных совпадений.

Метод активной защиты выполняет аналогичные защитные функции и от внешнего высокоэнергетического гамма-излучения. В качестве защитных детекторов используются сцинтилляционных счетчики с пластмассовыми и жидкими сцинтилляторами, при этом суммарный радиационный фон может быть снижен в 10 и более раз.

При измерении активности препаратов двумя детекторами в геометрии, близкой к 4 (препарат между детекторами), метод регистрации сигналов в детекторах по антисовпадениям выполняет аналогичную активную защиту от радиационного фона, особенно эффективную при использовании сцинтилляторов большого диаметра.

8.4 Датчики рентгеновского и гамма-излучения

Основной диапазон энергий гамма-излучения естественных и искусственных радионуклидов 0.1-3 МэВ. Для детектирования излучения используются детекторы с высокой плотностью и большим атомным номером чувствительной среды, а именно - сцинтилляционные детекторы с неорганическими сцинтилляторами и германиевые ППД.

Наиболее распространенный тип сцинтиллятора - NaI(Tl), плотность - 3.67 г/см3, эффективный атомный номер - 50, размеры выпускаемых монокристаллов (диаметр, высота) от 10 х 10 до 200 х 200 мм и более. Сцинтилляторы имеют высокую эффективность регистрации излучения (например, кристалл 63 х 40 мм: 99% при Е<0.2 МэВ, 48% при Е=0.66 МэВ, 37% при Е=1.33 МэВ), и высокую относительную долю фотопиков в регистрируемом спектральном распределении (чем больше кристалл, тем больше вероятность полного поглощения квантов даже больших энергий). Для измерения малых активностей в геометрии, близкой к 4p, выпускаются кристаллы с "колодцем".

Еще большую плотность (4.5 г/см3) и эффективный атомный номер (Z=54) имеют кристаллы CsI(Tl). Однако конверсионная эффективность и, соответственно, энергетическое разрешение CsI уступают NaI, что ограничивает их применение. Германиевые ППД по сравнению с кремниевыми имеют более высокий атомный номер (32) и более высокую эффективность регистрации излучения. Однако чувствительные объемы выпускаемых ППД пока уступают сцинтилляторам, а стоимость и затраты на эксплуатацию много выше. Использование ППД целесообразно только в тех случаях, когда требуется высокое энергетическое разрешение детекторов. При регистрации рентгеновского и гамма-излучения с энергией ниже 100 кэВ используются детекторы с высокой эффективностью регистрации в этом диапазоне при минимальной эффективности регистрации более высокоэнергетического излучения. Этим условиям удовлетворяют газонаполненные детекторы и ППД. Используются также сцинтилляционные детекторы с тонкими сцинтилляторами (например, NaI с толщиной пластин 1 мм), однако в этом диапазоне энергий сцинтилляторы отличаются очень низким энергетическим разрешением (десятки процентов). При регистрации квантов с энергий менее 20 кэВ детекторы должны иметь бериллиевое входное окно толщиной не более 100 мкм (поглощение квантов с энергией 8 кэВ в таком окне не превышает 10%). Применяются также лавсановые и слюдяные входные окна толщиной менее 10 мкм. Регистрацию излучения с энергией менее 4-5 кэВ выполняют проточными газонаполненными счетчиками, имеющими открытое входное окно и непрерывное пополнение утечки рабочей среды.