Замеры радиационного фона – важный элемент защиты персонала атомных станций, атомных кораблей и некоторых военных объектов. Компания First Sensor предлагает достаточно интересное решение этой задачи в виде своих миниатюрных детекторов гамма-излучения (γ-излучения).
 |
|
| Рис. 1. | Малогабаритные датчики гамма-излучения от First Sensor. |
Современная электроника развивается очень быстро. Технологии, которые еще десять лет назад казались фантастикой, сегодня становятся явью. Из-за этого у людей складывается представление о всесилии науки. К сожалению, опыт показывает, что данное впечатление обманчиво. Это доказала гигантская техногенная катастрофа на атомной станции в Фукусиме, последствия которой до сих пор сказываются в виде повышенного фонового излучения от выброшенных в окружающую среду ядерных отходов и продуктов их полураспада.
Типовыми продуктами распада плутония и урана становятся изотопы йода (I-131, I-132), цезия (Cs-134, Cs-137), теллура (Te-332), стронция (Sr-90). Каждый из этих изотопов имеет свой срок полураспада. Для Te-332, I-131, I-132 он оказывается достаточно коротким (несколько суток), для Cs-134 он составляет 2 года, для Cs-137 и Sr-90 превышает 30 лет. Именно Cs-134, Cs-137 и Sr-90 являются наиболее опасными компонентами ядерного загрязнения и могут негативно воздействовать на людей в течение многих лет.
Кроме периода полураспада изотопы отличаются энергией излучения. Для Sr-90 она составляет 546 кэВ, для Cs-137 – 662 кэВ. Для остальных энергия излучения лежит в диапазоне 300…800 кэВ.
Важно понимать, что замеры уровня фонового излучения в первую очередь необходимо выполнять в процессе ежедневной эксплуатации атомных объектов, а не только после аварий. Это касается атомных станций, атомных кораблей, военных объектов и т. д. Очевидно, что такие приборы должны быть максимально компактными и удобными, чтобы не стеснять персонал. Для этого необходимо использовать малогабаритные детекторы с высокой чувствительностью. Твердотельные детекторы наиболее полно удовлетворяют этим требованиям.
На настоящий момент твердотельные датчики излучения делят на две группы. Первая использует прямое поглощение энергии радиоактивных частиц с помощью PIN-диодов. Вторая группа отличается повышенной чувствительностью и работает по двухступенчатому принципу. В таких детекторах сначала происходит поглощение радиации особыми материалами – сцинтилляторами, которые преобразуют ее в видимое излучение, а уже этот оптический сигнал фиксируется чувствительным элементом.
Компания First Sensor предлагает детекторы обоих типов. Например, Датчики X10-γ (Рис. 2) выпускаются в двух исполнениях: только детектирующий PIN-диод и фотодиод со слоем сцинтиллятора (каптоновая пленка с алюминиевым покрытием).
 |
|
| Рис. 2. | Датчик X10-γ от First Sensor. |
Версия датчика X10-γ со сцинтиллятором имеет более высокую чувствительность к излучению с энергией более 10 кэВ (Рис. 3). Как было показано выше, именно диапазон 10…1000 кэВ и является целевым для детекторов радиации.
 |
|
| Рис. 3. | Чувствительность датчиков X10-γ. |
К сожалению, конструкция детекторов со сцинтиллятором достаточно сложна, что приводит к их высокой стоимости. Для бюджетных датчиков радиации используют одиночные PIN-диоды и их диодные сборки (Рис. 4). Примером такого недорогого детектора радиации является сенсор X100-7.
Датчики X100-7 имеют два исполнения: с заливкой эпоксидным компаундом и с алюминиевым кожухом. Кроме того, в обоих случаях датчики выпускаются в корпусах для монтажа в отверстия или для поверхностного монтажа.
 |
|
| Рис. 4. | Бюджетные датчики X100-7 и диодные сборки от First Sensor. |
Детекторы радиации X100-7 эффективно работают с энергиями излучения до 100 кэВ (Рис. 5). Такой результат был достигнут за счет использования особой технологии формирования PIN-диодов. Они способны работать при минимальном смещении и отличаются низкими значениями тока утечки (единицы нА).
 |
|
| Рис. 5. | Чувствительность бюджетных датчиков X100-7. |
Как было сказано выше, по сравнению с простыми PIN-диодами датчики со сцинтилляторами имеют гораздо более высокую чувствительность и позволяют достигать эффективности поглощения радиационного излучения до 100% при энергиях до 100 кэВ и до 7% при энергиях 1000 кэВ (Рис. 6). Такие детекторы подойдут для точных приборов, а для портативных бюджетных устройств будут больше востребованы простые датчики, в частности X100-7.
 |
|
| Рис. 6. | Сравнение чувствительности датчиков X10-γ и X100-7. |
Вне зависимости от того, какой датчик выбран, для получения максимальной чувствительности необходимо использовать дополнительные цепи нормирования. С первого взгляда типовая схема включения для детекторов кажется простой, однако это далеко не так (Рис. 7).
 |
|
| Рис. 7. | Схема нормирования сигналов с датчика X100-7. |
В предложенной схеме PIN-диод работает при обратном смещении, а наличие излучения определяется по сверхмалым изменениям обратного тока. К сожалению, кроме полезного сигнала, диод имеет темновой ток, который нужно компенсировать. Кроме того, величина детектируемого изменения тока очень мала, а сопротивление диода достаточно велико (десятки МОм). В итоге для получения качественного прибора разработчики вынуждены применять двухкаскадную схему со следующими жесткими ограничениями:
- выбирать усилители с большим входным сопротивлением, минимальным током смещения, малым температурным дрейфом, низким уровнем шумов;
- обеспечивать максимальное соответствие входных сопротивлений в первом звене усилителя, чтобы минимизировать температурную погрешность при изменении тока смещения усилителя;
- обеспечить конструктивную минимизацию токов утечки за счет правильной разводки и использования конденсаторов и резисторов с малыми утечками и т. д.
Как видно, создание качественного детектора оказывается весьма сложной задачей как со схемотехнической, так и с конструктивной точки зрения. Если у разработчиков нет достаточного опыта, то ситуацию поможет исправить законченный детектор излучения MOD501495 с цифровым выходом (Рис. 8). В его состав уже включена двухкаскадная схема усиления.
 |
|
| Рис. 8. | Внешний вид модуля MOD501495 с цифровым выходом. |
MOD501495 фиксирует радиационное излучение и выдает результаты в виде цифровых счетных импульсов. Разработчикам конечного прибора остается всего лишь производить подсчет этих импульсов с помощью счетчика и выводить информацию в форме удобной для конечного пользователя. При этом схема включения MOD501495 оказывается максимально простой (Рис. 9). Модуль имеет всего четыре вывода и требует для нормальной работы лишь несколько конденсаторов.
 |
|
| Рис. 9. | Схема включения датчиков гамма-излучения MOD501495. |
На Рис. 10 показан спектр излучения цезия-137, фиксируемый датчиком MOD501495.
 |
|
| Рис. 10. | Характеристика преобразования в датчиках MOD501495. |
Датчики и модули First Sensor отличаются достаточно высокой точностью. Кроме того, они имеют весьма компактные размеры. Например, для X100-7 габариты составляют 16.5×14.5×1.38 мм. Размеры MOD501495 немногим больше: 17×16×19 мм. Ток потребления для сенсоров обычно не превышает 10…15 мА, что допустимо при использовании современных аккумуляторов. Таким образом, детекторы от First Sensor вполне могут применяться в портативных приборах регистрации радиоактивного излучения.
Характеристики датчика X100-7 SMD:
- тип датчика: PIN-диод − детектор гамма излучения;
- размер активной зоны: 10×10 мм;
- диапазон детектируемой энергии излучения: 5…1000 кэВ;
- постоянный ток: 10 мА;
- максимальный темновой ток: 3 нА;
- температурный коэффициент: 13 %К;
- собственная емкость: 80 пФ (12 В, 10 кГц);
- сопротивление: 40 МОм;
- плотность шума: 6.1·10-14 А/√Гц;
- минимальное напряжение пробоя: 50 В;
- диапазон рабочих температур: −20 °C…+70 °C;
- корпусное исполнение: 10-выводной корпус 16.5×14.5×1.38 мм.
Характеристики модуля MOD501495:
- тип датчика: законченный датчик радиации с цифровым выходом;
- тип выхода: цифровые счетные импульсы 3.1 В;
- размер активной зоны: 10×10 мм;
- диапазон детектируемой энергии излучения: 150…1500 кэВ;
- ток потребления: −11 мА, 14 мА;
- напряжение питания: +5 В, −5 В;
- диапазон рабочих температур: 0…70 °C;
- корпусное исполнение: 4-выводной корпус 17×16×19 мм.
О компании
First Sensor – компания, специализирующаяся на разработке и производстве различных типов датчиков. В номенклатуре First Sensor присутствуют как традиционные датчики (давления, уровня, потока, инерции и т. д.), так и уникальные продукты, как, например, датчики радиации.
Посмотреть более подробно технические характеристики датчиков First Sensor
