高气压电离室射线剂量探测器的设计

梅雪松，侯跃新，庞 杨，肖 丹，李 岩，杨 斌，李 钢

(黑龙江省科学院技术物理研究所，哈尔滨 150010)

近年来，随着核技术的迅猛发展以及核事故的频发，人们对射线剂量监测设备的需求越来越大，对检测的精度要求也越来越高。尽管国内辐射监测仪表技术随着核电建设步伐的加快而有较快的发展，各科研院所、企业纷纷研发新产品，填补了不少单机产品的空白，但总体来说，辐射监测领域在产品覆盖面、标准化程度、系统构建等方面还存在较大差距。目前国际、国内的市场主要被欧美设备所占据，另外，手持式、高灵敏度、低价格的辐射监测仪表也逐渐受到各用源单位的青睐，据估算，每年国内各大企业购买进口辐射监测仪表近千台，尤其是福岛核事故发生后，进口仪表几近脱销状态。而且从国内放射源应用数量的增速上看，辐射监测仪表的市场空间是巨大的。但如何提高设备的灵敏度、测量精度、稳定性和可靠性等问题，一直是制约国内监测设备的关键所在。

1 总体设计

研究提出了研制具有高灵敏度、高稳定性的高气压电离室射线监测装置。用以检测各类β、γ和X射线，实现对涉核装置周围射线剂量、散射剂量等的快速、有效地测量。该装置主要由电源、探测器、放大电路和数据采集等几部分组成。结构框图如图1所示。电源部分采用电池供电，可避免交流信号等噪声的影响。对于系统各整体采用全封闭式屏蔽，尽可能减少环境等其他因素对系统信号的干扰。

图1 系统结构框图Fig.1 The structure diagram of system

2 高气压电离室的设计

根据设计的要求，采用2.0mm厚1Cr18Ni9Ti不锈钢作为内外球冠，双陶瓷三同轴密封头作为探测器接口，其中，内球冠采用点焊方式连接，外球冠、充气口和探测器接头均采用密封焊，由于各密封焊口均要承受2.5MPa的大气压［1］，因此，对焊口不能有任何机械加工。结构设计图如图2所示。

对于高气压电离室的设计，主要考虑可探测射线的类型、能量响应和安全性等方面。选择2.0mm厚1Cr18Ni9Ti不锈钢材质，既可保证在2.5MPa的大气压下安全工作，又可满足在待测的能量范围内，响应的平坦，特别是在能量低于60kev时［2］。在工作时，外壳接－400V高压，为探测器的阴极，中央小球体接地，为探测器的阳极。

图2 高气压电离室结构图Fig.2 A block diagram of high － pressure chamber

3 pA级弱电流信号的放大处理方案

弱电流信号是电离室输出的典型基本信号，一般在环境射线本底的情况下，其输出电流一般在pA级。对于弱信号的放大目前通常采用I－V转换电路、I－F变换电路和电容充电法进行测量。I－F变换法由于常见的频率范围特别宽，也容易产生，因此动态范围很大，且可以远距离传输，但该法一般很难做到pA级;电容充电法可以较高精度地测试到非常小的电流，只不过对于很小的电流需要很长的时间，不能满足本研究的需求［3］。因此，研究采用IV转换法。影响I－V转换法测量的关键是静电计放大器和反馈电阻的选取。经过调查分析笔者获得了市场常用静电计放大器数据，并作以对比，如表1所示。

表1 常用静电计放大器对比Tab.1 Comparison of commonly used electrometer amplifier

对上表进行综合分析和相关试验对比，本设计最终选用LMP7721静电计放大器作为本装置的主放大器，该放大器包括了独特的引脚输出方法和保护设计，Ib不大于20fA，典型值达到3fA，尤其是其Vos小于0.18mV，完全满足本设计的需要。

反馈电阻Rfb是一个关键元件，取决于所要求的灵敏度和噪音。Rfb与电流噪声密切相关，其值越大则理论噪声越小，在电路设计中一般选用100GΩ，这种情况下的理论噪音极限大概是0.25fArms。当然，Rfb不能取太大，因为运放的偏置电流Ib是完全流过这个电阻的，在产生压降的同时也产生噪音，还存在温度系数等弊病，所以Rfb要与运放匹配，最好Ib×Rfb小于满度输出的1%，至少小于10%。另一方面，大的电阻不仅价格昂贵不易购买，而且可能存在性能上的问题。从试验情况看，Rfb最大选择100GΩ比较合适。如图3所示［4］。

图3 静电计放大电路Fig.3 The electrometer amplifier circuit

4 结束语

针对我国当前核技术发展的现状，提出了研制具有高灵敏度、高稳定性的高气压电离室射线监测装置的设想。该装置可用以检测各类β、γ和X射线，实现对涉核装置周围射线剂量、散射剂量等快速、有效地测量。该设计的完成，对射线测量技术的进一步提高将会起到一定的积极作用，从而缩短与国外先进测量设备的差距，增强国内相关产品的竞争力。其次，可为环境保护领域的监测任务和放射性设备的监管提供准确依据，同时也避免了使用国外设备的昂贵费用和维护的不便。该设备还可以为环保部门积累环境辐射水平数据，总结环境辐射水平变化规律，为环保部门判断环境中放射性污染及其来源，报告辐射环境质量状况提供有效的帮助。

［1］王薇，陈凌，王红艳.高气压充氙电离室电极结构的优化设计研究［J］.核电子学与探测技术，2009，(2):288 －293.

［2］王薇，陈凌，王红艳.对高气压充氙电离室型γ谱仪能量分辨率的优化研究［J］.中国原子能科学研究院年报，2008:340－341.

［3］王国荣.微弱电流的测量与UF变换电路的设计［J］.核电子学与探测技术，2005，25(4):358.

［4］陈国杰，曹辉.高性能微电流集成放大器的设计［J］.核电子学与探侧技术，2005，25(3):243.