Ваш город: Москва
+7 (495) 221-78-04
+7 (812) 327-327-1
Терраэлектроника

Датчики радиации от First Sensor

FIRST SENSOR AG

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).

Малогабаритные датчики гамма-излучения от FirstSensor

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).

Датчик X10-? от FirstSensor

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.

Чувствительность датчиков X10-?

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.

Бюджетные датчики X100-7 и диодные сборки от FirstSensor

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).

Чувствительность бюджетных датчиков X100-7

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.

Сравнение чувствительности датчиков X10-? и 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).

Схема нормирования сигналов с датчика X100-7

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.

Внешний вид модуля MOD501495 с цифровым выходом

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.

Схема включения датчиков гамма-излучения MOD501495

Рис. 9. Схема включения датчиков гамма-излучения MOD501495

На рис. 10 показан спектр излучения цезия-137, фиксируемый датчиком MOD501495.

Характеристика преобразования в датчиках 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 x 14,5 x 1,38 мм. Размеры MOD501495 немногим больше: 17x16x19 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: 10x10 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 16,5x14,5x1,38 мм.

Характеристики модуля MOD501495:

  • тип датчика: законченный датчик радиации с цифровым выходом;
  • тип выхода: цифровые счетные импульсы 3,1 В;
  • размер активной зоны: 10x10 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 17x16x19 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. 


Производитель: FIRST SENSOR AG
X100-7-SMD X100-7-SMD Цена, руб. Срок поставки Запросить
условия
поставки
Детекторы радиации для работы с энергиями излучения до 100 кэВ. Способны работать при минимальном смещении и отличаются низкими значениями тока утечки (единицы нА). По запросу
MOD 501495 [X100-y] MOD 501495 [X100-y] Цена, руб. Срок поставки Запросить
условия
поставки
MOD501495 фиксирует радиационное излучение и выдает результаты в виде цифровых счетных  импульсов. Модуль имеет всего четыре вывода и требует для нормальной работы лишь несколько конденсаторов. По запросу
Версия для печати версия для печати

Заметили ошибку в работе сайта?
Скажите нам об этом