空气脉冲电离室传感器的设计.pdf

传感器与微系统( Transducer and Microsystem Technologies)
2011年第30卷第11期
设计与制造
空气脉冲电离室传感器的设计
张国华,方方2,耿波3
(⊥.山东省海洋环境监技术重点实验室山东省科学院海洋仪器仪表研究所,山东青岛26001
2.成都理工大学核技术与自动化工程学院,四川成都610059
3.核动力运行研究所,湖北武汉430074
摘要:基于氢及其子体衰变放出的射线能使空气分子电离的现象,设计新型空气脉冲电离室传感器
主要由电离室、中心电极和保护环组成。采用前置放大器和比C-CR带通滤波器把来自电离室的微弱信号
进行放大,再经过脉冲甄别器与给定的阈值电比较,最终转换成数字量信与。现场应用结果表明:该传
感器具有广泛的应用价值
关键词:电离卒;中心电极;保护环;3DJ7P
中图分类号:TL81
文献标识码;A文章编号:10009787(2011)11-0086-03
Design of sensor of air pulse ionization chamber
ZHANG Guo-hua, FANG Fang, GENG Bo
of Shandong Province of O
nvironment Monitoring Tech
Institute of Oceanographic Instrumentation, Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266001, China
Z. chool of Applied Nuclear and Automation Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
3. Research Institute of Nuclear Power Operation, Wuhan 430074, China
Abstract: A new type of sensor of air pulse ionization chamber is designed, based n the phenomenon that a-rays
decayed by radon and its progeny can ionize the air molecules, onsists of ionization chamber, central electrode and
gard ing. Using th reamplifier and R( - R an ass filler, the weak sigals from ionization chamber are
amplified, and compared with the threshold voltage. These sigals have been processed inte digital signale
Practical applications show that the sensor has wide, application
Key words: ionization chamber; central electrode; guard ring; 3DJ75
0引言
加有-100V的电压;中心电极通过电阻接地,从而在电
复及其子体是人类受天然辐射的主要来源之一,每年离室内形成了高正电场;保护环在电离室和中心电极之间
约1.3mS,占天然射的54%,其中室内的贡献电离室、中心电极和保护环都由高性能聚四氟乙烯绝缘体
为1
世界卫生组织国际癌症研究中心表明氢已经隔升。
成为除吸烟外导致肺癒的第二因素?。氢及其子体的放
射性污染已成为ー一项十分严唆的问题,准确测量氨及其子
体是采取防护揩施的重要前提
氢及其子体的测量是一个涉及核技术、电子技术、计算
机技术、地球科学和环境科学等多学科领域的复杂问
电及
题。利用氨及其子体衰变放出α射线能使空气分子电
离的理论设计的空气脉冲电离室传感器可以准确地测量空
气中的浓度
图1电离的结构
电离室结构
Fig 1 Structure of ionization ch
空气脉冲电离室的结构如图1所示,主要电离室、中
测量原理
心电极和保护环组成。电离室为圆柱形铝筒,电离室壁上
a粒子是…种高电离粒子,它在空气中通过产生带电
收稿日期:2011-09-28
第11期
张国华,等:空气脉冲电离室传感器的设计
离子对来释放能量们。电离出来的电子可能与其他中性使得电离室其有明确的灵敏体积,进而提高了电离室的探
分子碰撞时结合成负离子,但概率很小。因此,气体电离后测效率。
主要产生“电子ー正离子”对。一个粒子能产生的离子对
总数N=E/W,E。为入射的辐射能量,W为平均电离
能
RC无限大
如果在α射线通过的气体中不存在电场,虽然气体分
时r
予被电离为“电子一正离子”对,但它们将作张乱运动。因
为电子和正离子的杂乱运动在宏魂上没有一定的方向,不
会产生宏观电信号。所以,在电离室壁上加有-1000V的
高压,形成的电场强度E为
RC按小
式中U为外加电压,x为距中心电极的距离,a,b分别为
时问
中心电极和电离室内壁的半径。电子在电离室中的迁移速
2电离室输出的信号
率比正离子的迁移速率高2-3个数量级,且向着电场强度
Fig 2 Output signals of ionization chamber
高的中心电极方向迁移。因此,脉冲电离室的输出倍号将
3放大甄别电路
包含两部分,一是电子引起的快速上升部分,一是正离子产
放大判电路通过前置放大器和相应的RC一C比带通
生的慢速变化部分。图2为空气脉沖电离室中由一个“电
滤波器把来自电离室的徽弱脉冲信号进行放大和整形,再
子正离子”对形成的电炷脉冲信号5。
经过脉冲甄别器与给定的阈值电压比较,最终转换成微控
气脉冲电离室通过记录中心电极上的电压脉冲数来制器系统电路所能够处理的数字量。图3为放大别电路
实现对c射线的测量。为使辐射产生的离子对能全部被原理图。该电路的前置放大器采用了结型场效应管
收集,电离室的尺寸比a射线的射程大些。此外,保护环3D7F,放大器采用的是安森美半导体公司的ILM2902,脉
接地,与中心电极的电位相同,使得从地到电离室壁的漏电冲幅度甄別器由 Schmitt电路构成,阓值可通过可调电阻调
流不通过中心电极。这样,既能保证电离室正常工作,又节
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的3放大甄别电路
Fig 3 Amplifying and discriminating circuit
4性能测试
10个数据,每个数据测量时闻为6mim,然后计算各组数据
4.1重复性
的平均值、总均值和德定性,见表2
保持测量条件不変,连续测量10个数据,每个数据测4.3其他技术指标
量30min,然后计算10个数据的相对标准偏差,见表1a
1)测量范围:0.1-~100pCi/L
4.2稳定性
2)工作温度:0-50C
保持测量条件不变,连续开机8h,每小时测量一组
3)