高氣壓電離室射線劑量探測器的設計

梅雪松，侯躍新，龐 楊，肖 丹，李 巖，楊 斌，李 鋼

(黑龍江省科學院技術物理研究所，哈爾濱 150010)

近年來，隨著核技術的迅猛發展以及核事故的頻發，人們對射線劑量監測設備的需求越來越大，對檢測的精度要求也越來越高。盡管國內輻射監測儀表技術隨著核電建設步伐的加快而有較快的發展，各科研院所、企業紛紛研發新產品，填補了不少單機產品的空白，但總體來說，輻射監測領域在產品覆蓋面、標準化程度、系統構建等方面還存在較大差距。目前國際、國內的市場主要被歐美設備所占據，另外，手持式、高靈敏度、低價格的輻射監測儀表也逐漸受到各用源單位的青睞，據估算，每年國內各大企業購買進口輻射監測儀表近千臺，尤其是福島核事故發生后，進口儀表幾近脫銷狀態。而且從國內放射源應用數量的增速上看，輻射監測儀表的市場空間是巨大的。但如何提高設備的靈敏度、測量精度、穩定性和可靠性等問題，一直是制約國內監測設備的關鍵所在。

1 總體設計

研究提出了研制具有高靈敏度、高穩定性的高氣壓電離室射線監測裝置。用以檢測各類β、γ和X射線，實現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、放大電路和數據采集等幾部分組成。結構框圖如圖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。對于系統各整體采用全封閉式屏蔽，盡可能減少環境等其他因素對系統信號的干擾。

圖1 系統結構框圖Fig.1 The structure diagram of system

2 高氣壓電離室的設計

根據設計的要求，采用2.0mm厚1Cr18Ni9Ti不銹鋼作為內外球冠，雙陶瓷三同軸密封頭作為探測器接口，其中，內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。結構設計圖如圖2所示。

對于高氣壓電離室的設計，主要考慮可探測射線的類型、能量響應和安全性等方面。選擇2.0mm厚1Cr18Ni9Ti不銹鋼材質，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，響應的平坦，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 高氣壓電離室結構圖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，也容易產生，因此動態范圍很大，且可以遠距離傳輸，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轉換法。影響I－V轉換法測量的關鍵是靜電計放大器和反饋電阻的選取。經過調查分析筆者獲得了市場常用靜電計放大器數據，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試驗對比，本設計最終選用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計，Ib不大于20fA，典型值達到3fA，尤其是其Vos小于0.18mV，完全滿足本設計的需要。

反饋電阻Rfb是一個關鍵元件，取決于所要求的靈敏度和噪音。Rfb與電流噪聲密切相關，其值越大則理論噪聲越小，在電路設計中一般選用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，在產生壓降的同時也產生噪音，還存在溫度系數等弊病，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 結束語

針對我國當前核技術發展的現狀，提出了研制具有高靈敏度、高穩定性的高氣壓電離室射線監測裝置的設想。該裝置可用以檢測各類β、γ和X射線，實現對涉核裝置周圍射線劑量、散射劑量等快速、有效地測量。該設計的完成，對射線測量技術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備的差距，增強國內相關產品的競爭力。其次，可為環境保護領域的監測任務和放射性設備的監管提供準確依據，同時也避免了使用國外設備的昂貴費用和維護的不便。該設備還可以為環保部門積累環境輻射水平數據，總結環境輻射水平變化規律，為環保部門判斷環境中放射性污染及其來源，報告輻射環境質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構的優化設計研究［J］.核電子學與探測技術，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化研究［J］.中國原子能科學研究院年報，2008:340－341.

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

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