高气压电离室微弱电流信号测量技术研究

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固定式环境监测用γ辐射剂量率仪主要用于常规环境辐射监测、事故预警和事故应急监测等方面。为保证其量值准确性,需定期送往计量技术机构校准。由于固定式环境监测用γ辐射剂量率仪存在拆卸困难,送检周期较长等问题,同时需要保证仪表连续工作,因此提出现场校准的方法。高气压电离室具有测量下限低、量程宽、长期稳定性好、自身本底低和统计涨落小等优点,通过能量补偿措施可以获得较好的能量响应特性,所以被选为现场校准的标准剂量传递仪表。现场校准用高气压电离室微弱电流信号测量的准确性与精确性是高质量现场校准与量值传递的关键因素。本工作重点对高气压电离室微弱电流信号的测量技术方法进行深入的研究,实现了对高气压电离室微弱电流信号的准确测量,并为现场校准高气压电离室研制一套小型实用的微弱电流测量系统,该装置已应用于国家环保系统的固定式环境监测用γ辐射剂量率仪现场校准工作。高气压电离室产生的信号是极其微弱电流信号,在环境辐射本底下一般仅为10-14A量级甚至10-15A量级,它不仅信号幅度很小而且非常容易受到噪声及外部干扰影响,因而对它的测量具有较大难度。同时,现场校准需要测量系统具有较高的测量准确性与精确性,因此对高气压电离室微弱电流信号测量方法的研究是极其必要的。汤逊法、动电容法、反馈积分法与I-V变换法是目前几种常用的微弱电流测量方法,本文首先分析了它们的基本原理,比较了这几种测量方法的优缺点,然后综合现场校准高气压电离室的使用需求与使用条件,选取I-V变换法作为现场校准高气压电离室微弱电流测量技术方案。文中详细分析了I-V变换法的原理,分析了影响I-V变换法固有噪声、响应速度的关键因素,并介绍了降低系统固有噪声、提高响应速度的方法。此外,介绍了微弱电流测量中应注意的其他关键问题。利用I-V变换法,基于AVRAtmega32单片式微控制器为现场校准高气压电离室设计了一套微弱电流测量系统:系统采用两枚标称电阻为1T(1012)Ω和100M(108)Ω的高值电阻组成放大电路,通过继电器的切换可以实现7个量级(10-15A~10-8A)宽量程微弱电流测量;采用高精度16位Σ-Δ型ADC对转换电压信号进行采集;通过温度传感器采集工作环境温度;经过串行接口将测量数据发送至上位机处理软件;此外,采取了一系列措施抑制外部干扰对微弱电流测量的影响。使用经检定的Keithley6430亚飞安源表作为标准电流源,对设计的微弱电流测量系统进行了一系列测试实验,测试结果表明本微弱电流测量系统具有较好的准确性,较高的精确度和分辨力:当输入电流为1pA时,其相对误差优于0.6%,标准偏差约为0.01%,可以对1fA的电流变化做出响应。此外,将微弱电流测量系统与中国原子能科学研究院计量测试部研制生产的JLZ-I型高气压电离室连接,与经校准的美国RSS-131ER型高气压电离室进行了测试比对,测试结果表明微弱电流测量系统与高气压电离室兼容良好,测量准确:在137Cs能量为662keVγ射线产生的剂量率为2.276μ Gy/h标准参考辐射场中,测量结果的相对偏差为0.83%;在环境本底下与RSS-131ER型高气压电离室的测量结果相对偏差小于-0.80%。综合以上实验与测试结果表明,本工作研制的微弱电流测量系统能够满足现场校准高气压电离室的使用需求,并已应用于固定式境监测用γ辐射剂量率仪现场校准技术的研究中。
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