В.В. Федоренко¹_, И.О.  Васильев² Д.А. Солодкий¹

¹«СофтЭксперт», ²Госкорпорация «Росатом»

Счетчик Гейгера-Мюллера является одним из первых устройств, используемых для регистрации ядерных частиц. Со временем менялась технология их изготовления, материалы, но схема включения устройств оставалась неизменной. Высокая чувствительность, большой по амплитуде импульс, хорошая стабильность, простота использования и доступность позволяют счетчикам занимать лидирующее положение. Однако некоторые  проблемные вопросы, такие как "мертвое время", эффективность регистрации, ток насыщения, перекрытие импульсов, ограниченный срок службы, выраженный в общем количестве регистрируемых разрядов (порядка 10¹⁰ - 10¹²), огранивают их применение. На сегодняшний день 90% пользователей используют стандартную схему включения счетчиков и подсчитывают среднюю скорость счета, что резко снижает диапазон измерений мощности дозы.

 В 1959 году теоретически обосновано и показано в работе [1], что точность измерений не зависит от метода подсчета. И лишь в конце 80-х годов был предложен расчет интенсивности поля при помощи измерения времени до прихода первого импульса после подачи напряжения смещения на счетчик Гейгера (Time-to-count [2]). Затем появляется евразийский патент [3], предлагающий управлять питанием счетчиков с помощью процессора с целью уменьшения электропотребления. В работе [4] подробно описаны основы метода определения интенсивности излучения по результатам распределения длительности интервалов до первого события при использовании счетчика Гейгера. На рисунке 1 представлен фрагмент диаграммы распределения времен в диапазоне мощностей дозы от 25 до1 Зв/час для с чётчика СБМ21.

Рис.1

На рисунке 2 представлена диаграмма изменение мощность дозы в месте расположения счетчика.

Рис.2

Таким образом при увеличении загрузки максимальные времена начинают приближаться к минимальным. Хотелось отметить что при этом снижается и дисперсия. При загрузках более 15 Зв/час важную роль играет точность измерения минимальных времен. При недостаточной точности измерения передаточная характеристика начнет терять линейность. и входить в насыщение. Вторым важным фактором передаточной характеристики является «мертвое время» измерительной системы. 

Рис 3.

На рис3 на примере показано как коррекция данного времени влияет на результаты измерений. Аттестованные точки 1 Зв-5 Зв-10 Зв-15 Зв

В левой части время завышено- что приводит к занижению значения мощности дозы.

В правой части (после 715 измерения) время занижено что приводит к завышению результатов измерений.

Точность измерений в данном случае будет определяться 3 основными параметрами:

1. точностью измерения минимального времени;
2. стабильностью электронной измерительной системы в части «мертвого времени» измерительного тракта
3. объемом статистической выборки.

На рис 1 серым и желтым цветом выделены значения, полученные посредством усреднения за 1 сек и при статистической более 800 событий, что эквивалентно времени около 7 секунд.

Задачей, решаемой предлагаемым семейством гибридных микросхем (устройств), является продление времени работы и расширение диапазона дозиметрических приборов на газоразрядных счетчиках Гейгера. Поставленные цели достигаются следующим образом:

• Электронная схема, регистрирующая импульсы газоразрядного счетчика, имеет чувствительный вход, что обеспечивает ее срабатывание практически сразу же после появления нарастающего тока разряда внутри счетчика. Сформированный регистрирующей схемой импульс, имеющий в свою очередь крутой передний фронт, поступает на пересчетную схему и на устройство, разрывающее цепь питания счетчика от высоковольтного источника напряжения. На счетчике не развивается «лавина». Газовый разряд прекращается на начальной стадии развития. Последующее включение счетчика осуществляется через фиксированный интервал времени. Таким образом, расход электроэнергии при регистрации ионизирующей частицы сводится к минимуму и не зависит от мощности дозы. К примеру, возможный верхний диапазон счетчика СБМ-21 может составить более 60 Зв/час, и будет определяться быстродействием элементной базы.

В настоящее время серийно выпускаются два устройства.

1. Драйвер счетчиков Гейгера-Мюллера МПНП-1 (Модуль питания и обработки сигналов счетчика Гейгера-Мюллера).  В базовом исполнении рабочее напряжение составляет 400-420 В. Верхний диапазон измерений при тактовой частоте 80 МГц для счетчика СБМ 21 составит до 100 Зв/час. Изделие работает с любыми типами счетчиков Гейгера-Мюллера. Питание от 3 В при токе потребления не более 15 мкА. Потребление устройства не зависит от загрузки. Работает в полях до 50 Зв/ч. В канал передачи данных микросборки ежесекундно передают число, пропорциональное мощности дозы полученное за секунду(при недостаточной статистике) в дальнейшем  передает среднее значение полученное по более 800 событий. Для сокращения времени освоения устройств разработаны и подготовлены к производству отладочные платы и пользовательское ПО, позволяющее сразу после подключения к USB-порту приступить к работе с устройством. 

   
2. Для производителей аппаратуры, желающих разрабатывать свои алгоритмы, создан узел управления счетчиком МПН-07, который работает следующим образом
   -после подачи питания +3 В на выводе 9 сформируется постоянное напряжение 400 В. На подключенный газоразрядный счетчик (к выводам 8 анод, к выводу 4 катод) напряжение не подается. После изменения на 6-ом выводе высокого уровня на низкий, счетчик подаёт рабочее напряжение, через 18 нс устройство готово к счету.

При возвращении на выводе 6 высокого уровня схема переходит в режим ожидания импульса. При попадании частицы в счетчик в момент формирования лавины (снижение напряжения на выводе 8 до уровня 270 В) происходит автоматическое снятие напряжения со счетчика, и схема переходит в режим ожидания. При получении управляющего импульса цикл повторяется. Счет импульсов – прямоугольный импульс «отрицательной» полярности длительностью 0,8-1 мкс и амплитудой 3В (VVD).

Управление счетом  прямоугольный импульс «отрицательной» полярности длительностью не более 1 мкс и амплитудой 3В (VVD).

Максимальная рабочая частота составляет 14000 Гц.

Использование предложенных алгоритмов и серийно выпускаемых изделий для работы со счетчиками Гейгера-Мюллера позволяют создавать уникальные приборы с большим динамическим диапазоном. Кроме того, работоспособность изделия при больших загрузках контролируется всегда (ежесекундно), что позволит создать новую серию приборов, предназначенных для контроля и работы в аварийных ситуациях.

 ЛИТЕРАТУРА

1. В.И Гольданский, А.В. Куценко, М.И. Подгорецкий  Статистика отсчетов при регистрации ядерных частиц. –М.:Государственное издательство физико-математической литературы, 1959.

2. United State Patent, patent number 4,605,859.

3. Евразийский патент 007991 G01T 1/02, G01T 1/18.

4. Солодкий Д.А., Федоренко В.В. Дозиметр: определение интенсивности излучения по результатам распределения длительности интервалов до первого события при использовании счетчика Гейгера. Опыт практической реализации. 2018г. Саранск,  1^Я научно-практическая конференция «Вопросы производства и эксплуатации газоразрядных счетчиков». -Тезисы докладов.