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，隨著核技術(shù)的迅猛發(fā)展以及核事故的頻發(fā)，人們對射線劑量監(jiān)測設(shè)備的需求越來越大，對檢測的精度要求也越來越高。盡管國內(nèi)輻射監(jiān)測儀表技術(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，填補了不少單機產(chǎn)品的空白，但總體來說，輻射監(jiān)測領(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。目前國際、國內(nèi)的市場主要被歐美設(shè)備所占據(jù)，另外，手持式、高靈敏度、低價格的輻射監(jiān)測儀表也逐漸受到各用源單位的青睞，據(jù)估算，每年國內(nèi)各大企業(yè)購買進口輻射監(jiān)測儀表近千臺，尤其是福島核事故發(fā)生后，進口儀表幾近脫銷狀態(tài)。而且從國內(nèi)放射源應(yīng)用數(shù)量的增速上看，輻射監(jiān)測儀表的市場空間是巨大的。但如何提高設(shè)備的靈敏度、測量精度、穩(wěn)定性和可靠性等問題，一直是制約國內(nèi)監(jiān)測設(shè)備的關(guān)鍵所在。

1 總體設(shè)計

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)測裝置。用以檢測各類β、γ和X射線，實現(xiàn)對涉核裝置周圍射線劑量、散射劑量等的快速、有效地測量。該裝置主要由電源、探測器、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，可避免交流信號等噪聲的影響。對于系統(tǒng)各整體采用全封閉式屏蔽，盡可能減少環(huán)境等其他因素對系統(tǒng)信號的干擾。

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

根據(jù)設(shè)計的要求，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器接口，其中，內(nèi)球冠采用點焊方式連接，外球冠、充氣口和探測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，對焊口不能有任何機械加工。結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖2所示。

對于高氣壓電離室的設(shè)計，主要考慮可探測射線的類型、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，又可滿足在待測的能量范圍內(nèi)，響應(yīng)的平坦，特別是在能量低于60kev時［2］。在工作時，外殼接－400V高壓，為探測器的陰極，中央小球體接地，為探測器的陽極。

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

3 pA級弱電流信號的放大處理方案

弱電流信號是電離室輸出的典型基本信號，一般在環(huán)境射線本底的情況下，其輸出電流一般在pA級。對于弱信號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行測量。I－F變換法由于常見的頻率范圍特別寬，也容易產(chǎn)生，因此動態(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;電容充電法可以較高精度地測試到非常小的電流，只不過對于很小的電流需要很長的時間，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)換法測量的關(guān)鍵是靜電計放大器和反饋電阻的選取。經(jīng)過調(diào)查分析筆者獲得了市場常用靜電計放大器數(shù)據(jù)，并作以對比，如表1所示。

表1 常用靜電計放大器對比Tab.1 Comparison of commonly used electrometer amplifier

對上表進行綜合分析和相關(guān)試驗對比，本設(shè)計最終選用LMP7721靜電計放大器作為本裝置的主放大器，該放大器包括了獨特的引腳輸出方法和保護設(shè)計，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)計的需要。

反饋電阻Rfb是一個關(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，因為運放的偏置電流Ib是完全流過這個電阻的，在產(chǎn)生壓降的同時也產(chǎn)生噪音，還存在溫度系數(shù)等弊病，所以Rfb要與運放匹配，最好Ib×Rfb小于滿度輸出的1%，至少小于10%。另一方面，大的電阻不僅價格昂貴不易購買，而且可能存在性能上的問題。從試驗情況看，Rfb最大選擇100GΩ比較合適。如圖3所示［4］。

圖3 靜電計放大電路Fig.3 The electrometer amplifier circuit

4 結(jié)束語

針對我國當(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)測裝置的設(shè)想。該裝置可用以檢測各類β、γ和X射線，實現(xiàn)對涉核裝置周圍射線劑量、散射劑量等快速、有效地測量。該設(shè)計的完成，對射線測量技術(shù)的進一步提高將會起到一定的積極作用，從而縮短與國外先進測量設(shè)備的差距，增強國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品的競爭力。其次，可為環(huán)境保護領(lǐng)域的監(jiān)測任務(wù)和放射性設(shè)備的監(jiān)管提供準(zhǔn)確依據(jù)，同時也避免了使用國外設(shè)備的昂貴費用和維護的不便。該設(shè)備還可以為環(huán)保部門積累環(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)保部門判斷環(huán)境中放射性污染及其來源，報告輻射環(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)計研究［J］.核電子學(xué)與探測技術(shù)，2009，(2):288 －293.

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

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

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