Электрометры

Второй тип измерительной цепи, заменивший во многих приложениях систему конденсаторной разрядки – это электрометр, измеряющий ток или заряд. В современном электрометре используется высокочувствительный твердотельный операционный усилитель.

На рис. 5.19 показана принципиальная схема электрометра, работающего в токовом режиме с камерой без охранных электродов. Напряжение , появляющееся на выходе операционного усилителя и отображаемой на вольтметре связано с током, втекающим в электрометр, соотношением , где – сопротивление резистора обратной связи. В качестве измерителя, показывающего значение V может использоваться цифровой вольтметр с точностью измерения, значительно превышающей возможности аналогового измерителя. В нормальном режиме работы на двух входах операционного усилителя устанавливаются приблизительно равные потенциалы и полное напряжение смещения оказывается приложенным к ионизационной камере. Если правильно подобрать сопротивление резистора обратной связи , то можно добиться того, что выходной напряжение будет численно равно (за исключением знака) удобным единицам измерения тока (например, нА, мкА) или напрямую единицам измерения мощности дозы (например, Р/мин).

Рис. 5.19. Электрометр на базе операционного усилителя в токовом режиме

Электрометр может быть легко преобразован в режим интегрирования тока или зарядовый режим (кулонометр) заменой резистора обратной связи емкостью обратной связи . В этом случает электрометр будет интегрировать ток от ионизационной камеры за период времени от до , и выходное напряжение будет пропорционально суммарному заряду , поступившему из ионизационной камеры:

(5.2).

Выходное напряжение остается равным до тех пор, пока цепь не будет сброшена замыканием входов операционного усилителя. Такая функция цепи позволяет сохранять показание в течение нескольких минут после окончания облучения. Емкость конденсатора может быть подобрана таким образом, чтобы численное значение напряжения напрямую соответствовало удобным единицам измерения заряда или дозы излучения.

В большинстве практических случаев электрометры используются вместе с ионизационными камерами, имеющими охранные электроды. В этих случаях операционный усилительможет быть полностью посажен на потенциал смещающего напряжения. Схема электрометра с защищенной ионизационной камерой показана на рис. 5.20. Источником питания может выступать высоковольтная батарея (например, с напряжением +300 В), поскольку через ионизационную камеру протекает крайне маленький ток (несколько нА), и вероятность появление паразитного заряда на конденсаторе за счет пульсаций тока мала. На рис. 5.20 источник питания включен между точками A’ и B’ внутри электрометра. Однако, может также подключаться внешний источник между точками A и B, если наличие внутреннего источника не предусмотрено.

Рис. 5.20. Электрометр на базе операционного усилителя в зарядовом режиме

В данной схеме входы операционного усилителя имеют виртуально одинаковый потенциал и как охранное кольцо, так и коллектор ионизационной камеры положительно смещены относительно внешней стенки камеры. Заряд, собираемый центральным коллектором, напрямую поступает на вход операционного усилителя. Утечка заряда и паразитные заряды, собираемые на охранном кольце, шунтируются прямо на источник питания и не оказывают воздействия на измерение заряда операционным усилителем. Как и в первой схеме, выходное напряжение может считываться аналоговым или цифровым вольтметром.