辐射监测器以及通过辐射监测器的静电计测量电流的方法

摘要

本发明公开一种包括电离室的辐射监测器，所述电离室用于检测进入到所述电离室中的辐射。所述电离室响应于检测到的辐射而产生电流。静电计电连接到所述电离室，以用于测量由所述电离室产生的电流。所述静电计可基于所述电离室产生的所述电流的大小而以多种模式工作。本发明还提供一种通过辐射监测器的静电计测量电流的方法。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及辐射监测器，且更具体来说涉及一种包括静电 计的辐射监测器，所述静电计在一定温度范围内表现出相对低的泄 漏。

背景技术

辐射监测器通常部署在接近已知辐射源(如核能发电站)的位置 中，以便监测辐射水平。响应于检测到辐射，辐射监测器将产生与检 测到的辐射的量成比例的电流。辐射监测器通常使用静电计来将这个 相对低的电流转换成电压信号以用于处理。

作为静电计安排的一部分，开关用来提供使相关电容器复位(即， 放电)的能力。有可能使用电子开关，如场效应晶体管(FET)开关 装置。可使用一些特定的FET装置，如MOSFET和JFET。另外，有 可能使用机电开关，如簧片继电器装置。

FET装置可能容易受到电流泄漏的影响。电流泄漏的量可随温度 变化而变化。确切地说，升高的温度将导致更大量的泄漏。例如，温 度每增加10摄氏度，泄漏的量就有可能增加一倍。这样，在相对宽 的温度范围内，FET可具有显著变化量的电流泄漏。而且，这种电流 泄漏可在低至35摄氏度的温度下开始。电流泄漏可能成问题，因为 它们会对辐射检测的准确度造成不利影响。

为努力避免电流泄漏的问题，可使用机电开关，如簧片继电器装 置。然而，这些簧片继电器装置在尺寸上是相当笨重/大的并且具有缓 慢的切换速度。

有关基于温度的泄漏变化和/或笨重/缓慢的问题在静电计安排的 某些使用中可能不足以成问题。然而，存在其中这些问题将成问题的 一些情况。辐射监测器内的静电计将是这种情况。辐射监测器可能暴 露于可上升到50至60摄氏度的环境温度。因此，有利的是提供具有 在宽的温度范围内表现出相对低的泄漏率且没有笨重簧片继电器装 置的静电计的辐射监测器。

发明内容

下文是本发明的简要概述，用于提供本发明一些示例性方面的基 本理解。本概述并不是本发明的广泛综述。此外，本概述并不用于确 定本发明的关键要素，也不限定本发明的范围。本概述的唯一目的在 于简要地提出本发明的一些概念，以便引出下文的更详细说明。

根据一个方面，辐射监测器包括电离室，其用于检测进入到所述 电离室中的辐射。电离室响应于检测到的辐射而产生电流。静电计电 连接到电离室上，以用于测量由所述电离室产生的电流，其中所述静 电计经配置可基于由所述电离室产生的电流的大小而以多种模式工 作。

根据另一个方面，辐射监测器包括电离室，其用于检测进入到所 述电离室中的辐射。电离室响应于检测到的辐射而产生电流。静电计 电连接到电离室上，以用于测量所述电离室的电流。静电计经配置可 响应于处于第一范围内的所测量电流以第一模式工作和响应于处于 大于所述第一范围的第二范围内的所测量电流以第二模式工作。第一 模式和第二模式下的电流泄漏被最小化。

根据另一个方面，提供了一种通过辐射监测器的静电计来测量电 流的方法。所述方法包括以下步骤：提供用于检测辐射的电离室，所 述电离室响应于检测到的辐射而产生电流。所述方法包括以下步骤： 提供电连接到电离室以用于测量所述电离室的电流的静电计。所述方 法进一步包括以下步骤：响应于处于第一范围内的所测量电流以第一 模式操作静电计。所述方法还包括以下步骤：响应于处于第二范围内 的所测量电流以第二模式操作静电计。

附图说明

通过参考附图阅读以下说明，本发明所涉及领域的技术人员将易 于了解本发明的上述以及其他方面，在附图中：

图1是包括静电计的示例性辐射监测器的高度示意性框图表示；

图2是包括处于复位模式的静电计的示例性辐射监测器的电路示 意图；

图3是包括处于第一模式的静电计的示例性辐射监测器的电路示 意图；

图4是包括处于第二模式的静电计的示例性辐射监测器的电路示 意图；以及

图5是通过辐射监测器的静电计测量电流的示例性方法的顶级流 程图。

具体实施方式

描述并且在附图中示出包括本发明的一个或多个方面的示例性 实施例。图示的这些实例并不意图限制本发明。例如，本发明的一个 或多个方面可以用于其他实施例、乃至其他类型的装置中。此外，特 定术语仅出于便利用于本说明书中，且并不视作限制本发明。更进一 步，在附图中，采用相同参考数字来标记相同元件。

图1是根据本发明的一个方面的示例性辐射监测器10的高度示 意性表示。简单来说，辐射监测器10包括用于检测辐射的电离室12。 电离室12电连接到静电计14，所述静电计14检测电离室12内的电 离电流。控制器16控制静电计14并且存储和测量电离电流。在准确 地检测宽范围的电离电流的同时，静电计14即使在相当广泛的温度 范围(例如，高达50℃至60℃)中也提供相对低的电流泄漏。

应了解，图1出于说明性目的而以高度示意性/一般性表示描绘辐 射监测器10。事实上，图1仅仅示出结构/配置/等等的一个可能的实 例，并且其他实例也涵盖在本发明的范围内。一般来说，辐射监测器 10设置在外部位置处，以执行在局部区域大气压下监测低水平伽马辐 射的功能。

首先转向电离室12，应了解，出于说明性目的而在图1中示意性 地描绘电离室12。事实上，电离室12包括任何数量的可能的结构/配 置/等等。电离室12可用在用于监测和/或检测辐射的多种多样的应用 中。例如，电离室12可以结合辐射安全应用、废核燃料的辐射监测、 国土安全应用等使用。当然，电离室12并不限于这些应用，并且可 用在涉及监测和/或检测辐射的其他应用中。

在至少一个实例中，电离室12包括具有阳极和阴极两个电极的 充气室。可以将阳极和阴极安排为圆柱形安排、平行板等。在阳极与 阴极之间施加电压偏置(例如，400伏)以在气体中产生电场。所述 电压偏置可以由例如包括电池等的电源来提供。在一个实例中，向阴 极施加电压偏置，同时将阳极维持在地电势。

经过电离室12的伽马光子将与气体和电极之一(例如，阳极或 阴极)交互，从而产生电离气体分子。所产生的电离气体分子的量是 光子数量、伽马射线能量、光子入射方向等的函数。所产生的电离将 会被拂掠到阳极和阴极以产生电流。在一些实例中，在背景辐射水平 下，这个电流相当小，如大约为毫微微安培级(例如，10^-15)。然而， 在其他情况下，电流还可能更高，如在2.1微安培(例如，10^-6)的范 围内。电离室12因此可响应于伽马辐射的存在而产生这个电流。

接下来转向静电计14，静电计14将检测和/或测量电离室12中 所产生的电流。静电计14可操作地连接到电离室12，以使得静电计 14可以发送信号和/或从电离室12接收信号。

现在转向控制器16，控制器16可操作地连接到静电计14。控制 器16可计算并存储进入或离开电离室12的电流的测量值。控制器16 可包括与电离室相关联并测量电离电流的任何数量的结构，如模拟数 字转换器、存储器、处理器等。在一些实例中，控制器16包括数据 采集系统(DAQ)，所述数据采集系统具有相关联的DAQ硬件和软 件，如计时器、处理器模块、存储器等。

控制器16可包括电源17。电源17可以向静电计14和电离室12 供电。在一个实例中，电源17可包括能够向电离室12提供电压偏置 的高压电源。举例来说，电源17可包括电池、电池充电器、电压调 节器和/或与供电相关联的其他装置/结构。控制器16可进一步包括处 理器18。处理器18可发送/接收信号(例如，数字信号)并执行对所 述信号的任何必要的修正。处理器18可连接到电源17，以用于监测 供应到静电计14和/或电离室12的电力。

现在转向图2，示出辐射监测器10的实例的电路示意图。应了解， 虽然在图1中一般性地/示意性地描绘了静电计14，但在图2中更详 细地示出静电计14的电路示意图。静电计14电连接到电离室12，以 使得静电计14将向/从电离室12发送/接收电流。在所示实例中，对 电离室12施加负偏压，以使得电流将从静电计14流向电离室12。当 然，在其他实例中，可对电离室12施加正偏压，其中电流从电离室 12流向静电计14。

应了解，通过产生电流，电离室12可向/从静电计14发送或接收 电流。例如，在本实例中，对电离室12施加负偏压。因此，电流将 从静电计14流向电离室12。在另一个实例中，可对电离室12施加正 偏压，以使得电流将从电离室12流向静电计14。在这两个实例的任 一个中，响应于检测到的电离而产生电流，不管电流的方向如何。

现在转向静电计14的细节，静电计14包括运算放大器20。运算 放大器20包括反相输入端22和非反相输入端24。非反相输入端24 接地。反相输入端22电连接到电离室12。运算放大器20包括可附接 到控制器16的输出端26(例如，电压输出端)。在一个实例中，运 算放大器20可从电离室12接收信号(例如，电流信号)并将这个信 号转换成可由控制器16读取的模拟电压信号。在本实例中，反相输 入端22通过运算放大器20保持在虚拟接地。

静电计14进一步包括第一电容器30。第一电容器30具有电连接 到运算放大器20的反相输入端22的第一端子32。第一电容器30进 一步具有电连接到运算放大器20的输出端26的第二端子34。在一个 实例中，第一电容器30处于大约例如3微微法拉的范围内。在另一 个实例中，第一电容器30处于大约例如4.7微微法拉的范围内。当然， 应了解，第一电容器30并不限于这些值，且可包括其他电容。

静电计14进一步包括至少一个开关。在一个实例中，所述至少 一个开关包括第一开关40、第二开关46和第三开关54。在其他实例 中，静电计14并不限于包括三个开关，而是可包括多于或少于图2 中所示的三个开关。众所周知，开关(例如，第一开关40、第二开关 46和第三开关54)可选择性地断开或闭合以中断流经所述开关的电 流。将图2中的每个开关描绘为处于闭合状态，但如将参照图3和图 4进行描述，所述开关可类似地松开并移动至断开状态。在此实例中， 每个所述开关包括单刀单掷开关，尽管也考虑其他开关。

第一开关40包括第一端子41和第二端子42。第一端子41电连 接到第一电容器30的第一端子32和运算放大器20的反相输入端22。

第二开关46包括第一端子47和第二端子48。第二开关46的第 一端子47电接地。第二开关46的第二端子48电连接到第一开关40 的第二端子42。

第三开关54包括第一端子55和第二端子56。第一端子55电连 接到第一开关的第二端子42和第二开关46的第二端子48。第三开关 54的第二端子56电连接到第一电容器30的第二端子34和运算放大 器20的输出端26。

静电计14进一步包括第二电容器60。第二电容器60具有第一端 子62，所述第一端子62电连接到第一开关40的第二端子42、第二开 关46的第二端子48和第三开关54的第一端子55。第二电容器60进 一步具有第二端子64，所述第二端子64电连接到第三开关54的第二 端子56、第一电容器30的第二端子34和运算放大器20的输出端26。

在一个实例中，第二电容器60与第一电容器30相比具有更大的 电容。例如，第二电容器60可处于大约例如470微微法拉的范围内。 在另一个实例中，第二电容器60处于大约例如68毫微法拉的范围内。 当然，应了解，第二电容器60并不限于这些值，且可包括可能更大 或更小的其他电容。

仍参照图2，现在将描述静电计14的示例性操作。静电计14可 以多种不同模式操作，包括复位模式、第一模式和第二模式。复位模 式(在图2中示出)将允许通过使第一电容器30和第二电容器60放 电来周期性地复位静电计14。在另一个实例中，当流经运算放大器 20的输出端26的电流变得太高时，启动复位模式。

在复位模式期间，闭合每个开关，包括第一开关40、第二开关 46和第三开关54。这样，电流将在复位模式期间流经所述开关。众 所周知，第一电容器30和第二电容器60都存储电荷。在复位模式内， 闭合第一开关40、第二开关46和第三开关54，以便允许从第一电容 器30和第二电容器60放出电流。例如，第一电流70(以箭头一般性 地/示意性地示出)将从第一电容器30流出，穿过开关而到达地面(连 接到第二开关46)。第一电流70可以沿两条路径之一行进。第一电 流70的第一路径从第一端子32开始，穿过第一开关40再穿过第二 开关46而到达地面。第一电流70的第二路径从第二端子34开始， 穿过第三开关54再穿过第二开关46而到达地面。

除了第一电容器30外，第二电容器60也将在复位模式期间放电。 例如，第二电流72(以箭头一般性地/示意性地示出)将从第二电容 器60流出，穿过开关而到达地面。第二电流72可以沿两条路径之一 行进。第二电流72的第一路径从第一端子62开始，并且穿过第二开 关46而到达地面。第二电流72的第二路径从第二端子64开始，穿 过第三开关54再穿过第二开关46而到达地面。

现在转向图3，示出静电计14的第一操作模式。举例来说，所述 第一操作模式用于检测第一范围的电流，如电离室12中的相对小的 电流。在一个可能的实例中，第一操作模式用于检测产生相对小的电 流水平的背景辐射水平。事实上，第一电容器30的电容(例如，3微 微法拉至4.7pf，表示微微法拉)小于第二电容器60的电容(例如像 470微微法拉至68毫微法拉)。第一电容器30与第二电容器60相比 相对小的电容允许更准确地检测相对小的电流水平，如在背景辐射水 平的监测期间和/或低辐射周期期间。

在第一操作模式期间，可以断开第一开关40和第三开关54，同 时闭合第二开关46。由于第二开关46闭合并在第一端子47处接地， 因此在第一开关40上存在零电压电势。在两个端子(例如，第一开 关40的第一端子41和第二端子42)上的电势为零时，电流将不会流 经所述端子。这个零电压电势将限制第一开关40上的电流泄漏。这 样，电流74将从第一电容器30行进，穿过第一端子32而到达电离 室12。

现在转向图4，示出静电计14的第二操作模式。举例来说，所述 第二操作模式用于检测第二范围的电流，如与第一操作模式相比，电 离室12中的相对大的电流。在一个可能的实例中，响应于电离室12 内的相对较高水平的辐射而产生相对大的电流。事实上，第一电容器 30的电容(例如，3微微法拉至4.7pf，表示微微法拉)结合第二电容 器60的电容(例如像470微微法拉至68纳米法拉)显著大于第一电 容器30单独的电容(在图3中示出)。第一电容器30结合第二电容 器60的此相对较大的电容允许更准确地检测相对较大的电流水平， 如在高水平的辐射的监测期间。

在第二操作模式期间，闭合第一开关40。断开第二开关46和第 三开关54。这样，电流80将从第二电容器60行进，穿过第一端子 62，穿过第一开关40，而到达电离室12。类似地，电流82将从第一 电容器30行进，穿过第一端子32而到达电离室12。

第一开关40、第二开关46和第三开关54的断开和闭合以任何数 量的方式来控制。在一个可能的实例中，所述开关包括光隔离器(例 如，光耦合器、光电耦合器、光学隔离器等)。在这个实例中，光源 (如发光二极管(LED))可选择性地照射在光电传感器上以引起开 关断开或闭合。所述光源可以由例如控制器16来控制。示例性装置 为东芝(Toshiba)TLP3250光电耦合器。当然，所述开关并不限于这 个实例，且可以任何数量的方式选择性地断开和闭合。

第一开关40、第二开关46和第三开关54可以选择性地断开或闭 合，以使得静电计14将以复位模式(图2)、第一操作模式(图3) 或第二操作模式(图4)操作。以第一模式或第二模式进行的操作是 基于被引入到电离室12中的电流的大小。具体来说，在向电容器施 加电压时，所述电容器产生由方程式I＝C x(dV/dt)决定的电流。I表 示电流输出，C表示电容器(例如，第一电容器30和/或第二电容器 60)的电容，并且(dV/dt)是输入电压的变化率。因此，在一个实例中， 如果从电源17向电容器之一或两者施加的电压以恒定的速率斜升， 那么(dV/dt)变为常数。因此，如果电容器的电容保持恒定，那么由所 述电容器产生的所得电流信号将具有恒定的大小。

使用这个关系式，静电计14将在第一操作模式、第二操作模式 或复位操作模式之间进行切换。在第一操作模式内，由电离室12检 测到的辐射水平相对低(例如，背景辐射水平)。这样，产生了与低 辐射水平成比例的相对小的电流。在此实例中，由于对电离室12施 加负偏压，所以此低水平的电流是从静电计14引入到电离室12中。

引入到电离室12中的所述低水平的电流将产生进入到电容器(例 如，第一电容器30)中、具有浅坡度(shallow slope)的相对低的斜 坡电压。这个低的斜坡电压由控制器16检测到并且作为响应，启动 第一操作模式。如上所述，在第一操作模式期间，断开第一开关40 和第三开关54，同时闭合第二开关46。因此，使第一开关40和第三 开关54上的电流泄漏最小化，并且实现了对辐射水平的准确测量。

在第二操作模式内，由电离室12检测到的辐射水平相对高。这 样，产生了与更高辐射水平成比例的相对更大的电流。引入到电离室 12中的所述更高水平的电流将产生进入到电容器(例如，第一电容器 30和第二电容器60)中、具有相对较陡峭的坡度的更高的斜坡电压。 这个更高的斜坡电压由控制器16检测到并且作为响应，启动第二操 作模式。如上所述，在第二操作模式期间，闭合第一开关40，同时断 开第二开关46和第三开关54。因此，使第二开关46和第三开关54 上的电流泄漏最小化，并且实现了对辐射水平的准确测量。

现在转向图5，示出一种用于通过辐射监测器10的静电计14测 量电流的示例性方法200的流程图。这种方法200可以结合参照图1 至图4示出和描述的示例性辐射监测器10和静电计14来执行。所述 方法200可以包括断开所有开关的初始步骤204。具体来说，最初可 选择性地断开第一开关40、第二开关46和第三开关54。接下来，在 步骤208中，控制器16可以确定电流是否处于可接受的限度内。例 如，如果电流太低或太高(即，称作“触碰轨线(hitting the rails)”)， 那么电流不在可接受的限度内。

接下来，如步骤212中所示，响应于太低或太高的电流而闭合所 有开关。在闭合所有开关的情况下，静电计14处于复位模式(在图2 中示出)。复位模式允许通过使第一电容器30和第二电容器60放电 来周期性地复位静电计14。

接下来，如步骤216中所示，控制器16可以确定是否检测到高 电流。如果检测到高电流，那么控制器16可以触发将要松开/断开的 第二开关46和第三开关54(在步骤220中示出)。事实上，如以上 参照图4所描述，在第一开关40闭合同时第二开关46和第三开关54 断开时，静电计14处于第二模式。举例来说，此第二模式用于检测 流入电离室12中的相对大的电流。第二模式允许相对准确地检测到 较大的电流水平，如在高辐射水平的监测期间。

如果在步骤216中未检测到高电流，以致相对低的电流流入电离 室12中，那么控制器16可以触发将要松开/断开的第一开关40和第 三开关54(在步骤224中示出)。如以上参照图3所描述，在第一开 关40和第三开关54断开同时第二开关46闭合时，静电计14处于第 一模式。举例来说，此第一模式用于检测流入电离室12中的相对小 的电流。所述第一模式允许相对准确地检测到较小的电流水平。

通过为静电计14提供第一开关40、第二开关46和第三开关54， 可以在具有发生最小电流泄漏的情况下监测相对快速的增益变化。进 一步来说，即使在宽的温度范围内也限制了电流泄漏。事实上，即使 在例如50至60摄氏度的范围内和/或超过35摄氏度的环境温度，开 关和电容器的配置将也确保了最小电流泄漏。

已经参照上述示例性实施例来对本发明进行描述。读者在阅读并 且理解本说明书后将想到各种修改和改变。涵盖本发明的一个或多个 方面的示例性实施例意图包括包含在所附权利要求书的范围内的所 有此类修改和改变。