專利名稱：輻射監(jiān)視器可攜式表、低電壓轉換高電壓的方法及變壓器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明關于一種組合式個人裝置，其中計時元件與輻射監(jiān)視元件配合，藉此手表不僅顯示時間和其它調節(jié)相關數(shù)據，亦指示使用者暴露的穿透性輻射劑量，并監(jiān)視輻射現(xiàn)有強度。
背景技術：
目前有許多人在可能含有危險放射程度的環(huán)境中生活及工作，這種輻射的主要特征是難以用小型裝置偵測，而且活有機體可能累積輻射劑量。另外，過度累積劑量可能導致致命結果-輻射病以及遺傳性疾病。
因此已有人嘗試提供隨手可得的個人裝置，其不僅能指示穿載者暴露的環(huán)境之穿透性輻射現(xiàn)有強度，亦可指示累積輻射劑量。與這種小型裝置發(fā)展有關的最初的其中一種工程解決方式是小型腕表和輻射監(jiān)視總成，該總成由具有數(shù)字或模擬顯示器的電子定時器以及操作輻射監(jiān)視器且包括半導體偵測器和控制器的組件所組成，輻射計建構在時間計算微處理器的基礎上以計時來調整輻射監(jiān)視。
不幸的是上述裝置無法長時間精確監(jiān)視輻射，首先，半導體偵測器不夠精確，它會對其他放射物反應，例如移動電話的高頻放射和包括機械效應的其它效應。另一方面，半導體輻射偵測器消耗很多能源，使用者得頻頻更換供電單元，這就是為何生產者為總成各組件使用兩個獨立的電源。
Yperwatch(瑞士)[2]腕表為這種表的原型，且為已知的有長短針表的發(fā)展，在瑞士、日本和其它國家中有這種表的類似專利，該總成由二組件構成具模擬顯示器的電子表，其中指針指示信息，以及輻射監(jiān)視器，其包括半導體偵測器和控制器。此種表特征為利用可撓性連接器彼此連接的二印刷電路板；使表的模擬指針轉動的機構位于其中一印刷電路板的中空處。
上述原型更少故障而且實際上可行，但未解決主要問題，半導體輻射偵測器會對其他非輻射性放射、機械及氣候效應反應，而且需要高壓電流，其無法消除某種設備中的半導體偵測器的弱點。
偵測輻射可利用Geiger-Muller(蓋革-彌勒)計數(shù)管，其用于個別劑量器中，然而這種裝置目前為止并未用于腕表和其它小型裝置中，因為Geiger-Muller計數(shù)管需要約400V的恒電壓。
本發(fā)明的課題為使用Geiger-Muller計數(shù)管做為個別腕表中的輻射偵測器，并確保其長時間工作，需要能將電壓從1.5V-3V變?yōu)?00V的變壓器使Geiger-Muller計數(shù)管在腕表和其它小型裝置中工作。
已知包含能源的變壓器例子為太陽能電池，利用切換鍵將直流轉為交流的轉換器，電子變壓器以及AC/DC轉換器，其中切換鍵與一繞組或其它繞組分開且繞組做成不同，以能調整輸出電壓[3]。
此已知裝置和其實施方法的缺點在于無法精確調整電壓且消耗相當高的能量。
一種將直流轉為高壓直流的裝置已用來做為變壓方法和變壓器本身的原型，該裝置有數(shù)個輸出、具操作電子開關控制器的脈沖轉換器、具交流/直流(AC/DC)轉換的升壓變壓器(step-up transformer)、以及濾波器，其輸出電壓需經由發(fā)生器(devisor)傳到控制器[4]。
此已知裝置和其實施方法缺點在于回饋漏電造成很大的能量消耗，而且因此小型供電單元饋電的裝置無法保持長時間工作。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的為使用Geiger-Muller計數(shù)管做為個別腕表中的輻射偵測器，并確保其長時間工作。
此課題的解決如下依據本發(fā)明，在由一殼體、計時及時間指示單元、輻射強度測量單元、輻射偵測器、控制單元(微控制器)、顯示單元以及供電單元所組成的某種可攜式表及輻射監(jiān)視器總成中，安裝了功能為輻射偵測器的Geiger-Muller計數(shù)管以及Geiger-Muller計數(shù)管供電用的電壓轉換器；而且微控制器連接到變壓器。
累積的問題解決如下Geiger-Muller計數(shù)管設有連接到微控制器且確保在選通模式(gating mode)下測量輻射強度的額外的切換鍵。
問題亦因表并設額外電源以分開饋電給計時/顯示單元和輻射強度測量單元而解決。
除此之外，其安裝有一個Geiger-Muller計數(shù)管致動脈沖形成器，脈沖形成器輸入端接到Geiger-Muller計數(shù)管的電源濾波電容器，而輸出端連接到微控制器。
本發(fā)明目的亦通過安裝濾波整流器而達成，其將從變壓器二次繞組抽頭來的參考電壓施加在Geiger-Muller計數(shù)管的陰極。
此目的亦達成如下在已知利用電子切換鍵將直流電轉換成脈沖電流的將低電壓轉換成恒高電壓的方法中，利用升壓變壓器使脈沖電壓上升到預定值，接著對達成的脈沖電壓整流、穩(wěn)壓和濾波；依據本發(fā)明，當切換鍵打開時，原繞組的脈沖回壓(return inpulse voltage)與預定值比較，且切換鍵控制脈沖頻率視原繞組的脈沖回壓超過預定值的程度改變，在切換鍵控制從微控制器來的脈沖，而且接收到從Geiger-Muller計數(shù)管來的信號時發(fā)出額外的切換鍵控制脈沖。
只要以閾裝置來將原繞組的脈沖回壓與預定值比較亦達成此目的。
本發(fā)明目的亦由以下改良達成依據本發(fā)明，在最好用于可攜式定時器和裝置小型變壓器包含直流電壓源、做為斷開件的單極晶體管、升壓變壓器、微控制器、輸出電壓的整流器和濾波器，依據本發(fā)明，安裝在原繞組內的閾裝置連接到微控制器，而微控制器數(shù)據總線則連接到單極晶體管基極。
解決此問題之后達成一項技術成果在上述裝置中安裝Geiger-Muller計數(shù)管而增加測量精確性，此裝置不僅可用于日常用途，亦可做為標準測量裝置。將Geiger-Muller計數(shù)管和微控制器以脈沖頻率架構控制的小型變壓器一起使用能夠真正減少電流消耗并將一供電設備饋電的裝置之工作期間延長到長達一年。
除此之外，提供具額外切換鍵的Geiger-Muller計數(shù)管允許非隨時測量輻射強度，而只有在切換鍵開啟在選通模式下才測量。接著Geiger-Muller計數(shù)管周期性地被致能(enabled)并在接收信號之后直接切斷，若未接收到Geiger-Muller計數(shù)管來的信號，計數(shù)管在下一時間期間并未切斷。從致能計數(shù)管到接收每單位時間的信號而終止之時間期間總和允許計算足夠精確的平均輻射程度，此技術讓其能在高輻射劑量期間減少80％電子能量消耗。另外，使Geiger-Muller計數(shù)管回到等待狀態(tài)有時需要停止離子化，否則在高信號電平出現(xiàn)高度非線性。由此，將計數(shù)管切斷一段時間允許測量范圍延伸并在不同測量范圍增加測量精度。
將直流電壓轉換成穩(wěn)定直流高電壓的新方法應用于將Geiger-Muller計數(shù)管做為變壓器二次繞組負載有助于解決累積的問題。
圖1為總成平面圖。
圖2為總成功能框圖。
圖3為具延伸測量范圍的總成(在偵測器上有額外切換鍵)功能框圖。
圖4為具一整流濾波器的總成主電路。
圖5為操作原理簡化的總成主電路。
圖6為操作原理簡化的總成主電路，但與圖5相比具不同信號拾取。
具體實施例方式
由裝置架體1組成的具輻射計及小型變壓器的可攜式表在玻璃(未示出)鐘面2下方有不同段來顯示字母數(shù)字和模擬信息，因此，段3顯示數(shù)字信息以及裝置操作模式，段4顯示累積輻射劑量4，而輻射強度則顯示在于段5的假模擬刻度。鐘表裝置7的指針6持續(xù)指示時間，按鈕8可供表之操作。裝置由以下功能單元組成，整個裝置由微控制器9(MC)操作，其操作切換鍵10(SK)和11(SK1)以及聲音信號裝置12(SSD)和在裝置和計算機(未示出)之間提供聯(lián)系的紅外線接收器13(IR)。
另外，微控制器9接收從閾裝置14(TH)來的信號和從Geiger-Muller計數(shù)管16(GC)來且通過脈沖形成器15(PF)的信號，切換鍵10置于變壓器17(TR)繞組中，后者連接到閾裝置14和具濾波器18(RF)的整流器。從后者來的電壓傳到Geiger-Muller計數(shù)管16，裝置有供電單元19(PS)，微控制器9驅動使表的模擬指針7、齒輪20(GT)運轉，按鈕8命令微控制器9，要使裝置功能加速，設有一整流濾波器21(RF1)，其輸入端連接到變壓器17二次繞組，輸出端連接到Geiger-Muller計數(shù)管16負極。
最佳模式裝置作用如下。微控制器9操作裝置所有組件，微控制器9形成操作高電壓變壓器的切換鍵10之脈沖，接收及處理從Geiger-Muller計數(shù)管16來的脈沖波形，計算最低有效劑量測量值(MED)以及有效劑量(ED)，將(MED)和(ED)與預定值比較，并在其超過預定值時產生一聲音信號給變音器12。微控制器9亦操作內部鐘表、日歷、警鈴、執(zhí)行從控制鈕接收到的指令、控制液晶顯示器(3，4，5)的運作系統(tǒng)、檢查裝置供電單元狀態(tài)。
為了提供氣體排放Geiger-Muller計數(shù)管16運作，設有一個將低電壓U＝3v轉換成高電壓U＝400v的變壓器。轉換器由微控制器9、切換鍵10、變壓器17、具濾波器之整流器18、閾裝置14所組成。高電壓轉換器由具整流器二極管反向連結單端轉換器架構做成，另外應用變壓器繞組中的不連續(xù)電流模式。
微控制器9發(fā)出控制脈沖到切換鍵10，當切換鍵打開，電流脈沖在變壓器17的主電感累積能量，整流器18的整流二極管在此時鎖住，電流依據定律累積，其由主電感值決定，同時在偵測器16的電壓被濾波器18電容維持穩(wěn)定。當切換鍵10關閉，在變壓器二次繞組的電壓正負號改變，先前累積的能量通過整流二極管18到負載并將濾波器18電容充電。由是，從電源到負載的能量傳輸分二步驟完成，各步驟在分開時段進行。
為了穩(wěn)定高電壓電平，發(fā)明人使用不變定(invariant stabilization)法，亦即無關閉輸出電壓偏差控制回路。其穩(wěn)定性的維持是通過直接參數(shù)致動路徑，在此情況有二個參數(shù)參數(shù)a，利用變壓器17原繞組反向動作的脈沖值；參數(shù)b，利用從Geiger-Muller計數(shù)管16來的計數(shù)脈沖速度變化。此法能夠刪除漏電回饋電路并可觀地延長供電單元運作時間。
閾裝置14是利用參數(shù)a來控制高電壓電平，閾裝置14將變壓器17原繞組反向動作的脈沖值與閾值比較。微控制器9功能為脈沖頻率調節(jié)器，當變壓器17原繞組反向動作的脈沖值低于閾值，切換鍵控制脈沖的重復率上升，當變壓器17原繞組反向動作的脈沖程度超出閾值，切換鍵控制脈沖的重復率下降。
Geiger-Muller計數(shù)管16讀數(shù)是用來調節(jié)利用參數(shù)b的高電壓電平，當微控制器9接收Geiger-Muller計數(shù)管16來的脈沖，其產生用于切換鍵10的控制脈沖，此路徑在有動態(tài)負載變化時提供變壓器穩(wěn)定操作。明顯地Geiger-Muller計數(shù)管16破壞造成電容18放電和相對供電單元的反電動勢效應，此需要在電容18立即建立電壓，且微控制器19立即送出控制脈沖到切換鍵10。
從Geiger-Muller計數(shù)管16來的脈沖到達脈沖形成器15，脈沖形成器將Geiger-Muller計數(shù)管16來的脈沖轉換成所需波形以利微控制器9處理(圖6)。
從Geiger-Muller計數(shù)管16陽極拾取的信號架構(見圖5)是用于特殊偵測器，其提供較廣范圍的劑量強度測量，這歸功于電路電容值的降低。最后架構可更設有切換鍵10，使裝置輻射可測量速度范圍更廣。
高電壓控制電路由微控制器9(MC)，切換鍵10(SK)、變壓器17(TR)、以及閾裝置14(TH)組成。切換鍵10(SK)和變壓器17(TR)操作反向動作變壓器的每一個電路，其功能如下在第一階段(前行)，微控制器9產生開啟切換鍵10的邏輯單元電平，同時線性增加的電流流經變壓器原繞組。在第二階段(反向動作)，微控制器9產生邏輯零單元，切換鍵10關閉，電流流經變壓器二次繞組并將濾波器18(RF)累積電容充電。原繞組電壓(tension)與濾波器電容值電壓成正比，閾裝置14(TH)電壓調節(jié)二極管關閉直到電壓達到操作值，閾裝置晶體管亦關閉。在反向動作期間，微控制器9分析閾裝置14作業(yè)情況，若作業(yè)電壓未到達所需程度，整個程序重復。在反向動作期間，整流器18輸出端的作業(yè)電壓到達所需程度，閾裝置的電壓調節(jié)二極管開啟，晶體管襲奪陽極(capturing anode)產生負極性脈沖并發(fā)送信號給微控制器9以停止高電壓的激勵(pumping)程序。閾裝置電路的特色為只在反向動作脈沖的很短時間內(約2微秒)而且只在達到高電壓作業(yè)程度之下消耗能量，其余時間閾裝置的晶體管關閉且未使用電源能源。
高電壓被激勵頻率的自動控制系如下，在高電壓激勵子程序開始運作之前，微控制器清除脈沖計數(shù)器，接著微控制器計算到達濾波器輸出電容的所需高電壓作業(yè)程度的脈沖群應有的脈沖數(shù)，若此值N超過最大固定值Nmax，脈沖群間隔縮短，反之，若N未達到Nmin，間隔拉長。最后，決定最佳脈沖重復率，此允許整流器、濾波器以及Geiger-Muller計數(shù)管中的漏電補償。所需能源很少，微控制器額外子程序能夠補償因γ量子進入計數(shù)管引起的濾波器累積電容能量損失，在微控制器偵測到Geiger-Muller計數(shù)管來的脈沖之下立即激活子程序。
拾取從Geiger-Muller計數(shù)管16來的信號電路(圖5)是用于提供劑量強度測量更大范圍的特殊感測裝置，切換鍵11做為Geiger-Muller計數(shù)管16的強迫關閉之用，微控制器9利用切換鍵11周期地將計數(shù)管16打開，并在接收到信號之后將立即關閉，模式切換允許計數(shù)管“閑置”時間及回復時間的影響。“閑置”時間為γ量子在計數(shù)管中離子化的期間，且若其它γ量子在該時刻進入計數(shù)管，其并未產生任何改變。
使用額外切換鍵11結果為裝置可在更廣范圍測量劑量強度。
整流濾波器21(RF1)接收從變壓器二次繞組部分來的額外電壓電平，其接近作業(yè)程度，并將之施加在Geiger-Muller計數(shù)管16陰極，如此固定開啟程序(節(jié)省時間)并確保切換鍵11打開時將計數(shù)管關閉。從Geiger-Muller計數(shù)管來的脈沖被脈沖形成器15強化，后者為普通發(fā)射器的快速放大器級聯(lián)(amplifier cascade)，在脈沖形成器15的基級二極管，晶體管被二極管分路(shunted)，高電壓整流器18電容的電荷即流經它。之后從脈沖形成器來的信號到達微控制器9的計數(shù)輸入端。
藉由按鈕9，微控制器受指令在表面段3顯示數(shù)字信息，其顯示日歷、目前時間、累積輻射劑量。
表可并設在裝置和計算機(未示出)之間提供聯(lián)系的一紅外線接收器13(IR)，此時，當穿戴者通過一紅外線計算機界面，裝置聯(lián)機到計算機并提供穿戴者身上的信息以及目前累積劑量。
申請人已完成發(fā)展工作并備齊文書以供個人腕表及依據Geiger-Muller計數(shù)管的輻射計總成之線上生產，研究顯示裝置確保測量高精確性，而且由一供電設備饋電的裝置之工作期間延長到長達一年。
專業(yè)報告列入考慮的信息來源美國專利第4,733,383號，國際分類G04B 47/00，公告日22/03/1988美國專利第5,469,412號，國際分類G04B 47/00，公告日22/03/1988，原型；國際申請案第WO 02/087062A3，國際分類H02M 1/10，申請日31/10/2002；國際申請案第WO 02/071586A3，國際分類H02M 3/335，申請日12/09/2002，原型。
權利要求
1.一種具輻射監(jiān)視器的可攜式表，其并設一殼體且在殼體內有計時及時間指示單元、輻射強度測量單元、輻射偵測器、控制單元(微控制器)、顯示單元以及供電單元，其特征在于該輻射偵測器為Geiger-Muller計數(shù)管，而且在殼體內設置供電給Geiger-Muller計數(shù)管的一電壓轉換器，而且該微控制器連接到一變壓器。
2.依據權利要求1所述的具輻射監(jiān)視器的可攜式表，其特征在于該Geiger-Muller計數(shù)管設有連接到微控制器且確保在選通模式下測量輻射強度的額外的切換鍵。
3.依據權利要求1所述的具輻射監(jiān)視器的可攜式表，其特征在于該總成并設具不同供電單元的額外表機構以提供該計時及時間指示單元，以及具分開饋電的輻射強度測量單元。
4.依據權利要求1所述的具輻射監(jiān)視器的可攜式表，其特征在于該總成并設一Geiger-Muller計數(shù)管致動脈沖形成器，該脈沖形成器輸入端連接到Geiger-Muller計數(shù)管供電濾波電容的低電壓側，輸出端則連接到該微控制器。
5.依據權利要求1所述的具輻射監(jiān)視器的可攜式表，其特征在于該總成并設一濾波整流器，該濾波整流器將變壓器的二次繞組抽頭來的參考電壓施加在Geiger-Muller計數(shù)管的陰極。
6.一種將低電壓轉換成恒高電壓的方法，包括利用電子切換鍵將直流電轉換成脈沖電流以及利用升壓變壓器使脈沖電壓上升到脈沖電壓預定值，接著對達到的脈沖電壓進行整流、穩(wěn)壓以及濾波，其特征在于以閾裝置打開切換鍵時，原繞組的脈沖回壓與預定值比較，而且切換鍵控制脈沖頻率依閾裝置出現(xiàn)的脈沖而改變，在此切換鍵控制微控制器來的脈沖，而且接收到從該Geiger-Muller計數(shù)管來的信號時發(fā)出額外的切換鍵控制脈沖。
7.一種小型變壓器，尤適用于可攜式定時器和裝置時，包括直流電壓源、做為斷開件的單極晶體管、升壓變壓器、微控制器、輸出電壓的整流器和濾波器，其特征在于一閾裝置安裝在變壓器原繞組內且連接到微控制器，而微控制器數(shù)據總線則連接到單極晶體管基極。
8.依據權利要求7所述的小型變壓器，其特征在于信號偵測器的脈沖形成器的輸入端連接到該輻射偵測器，輸出端則連接到微控制器。
全文摘要
一種具輻射監(jiān)視器可攜式表、低電壓轉換高電壓的方法及小型變壓器，該可攜式表是在某種腕表中安裝做為輻射偵測器的Geiger－Muller計數(shù)管以及供應電源給Geiger－Muller計數(shù)管的電壓脈沖轉換器，而且微控制器連接到變壓器。為了使Geiger－Muller計數(shù)管做為個別腕表中的輻射偵測器，并確保其長時間工作，需要將電壓從1.5V－3V變?yōu)?00V，為此本發(fā)明提供了低電壓轉換高電壓的方法及小型變壓器，以使Geiger－Muller計數(shù)管在腕表和其它小型裝置中工作。本發(fā)明應用于監(jiān)視使用者暴露的輻射劑量以及輻射強度。
文檔編號G04G21/02GK1685247SQ03823092
公開日2005年10月19日 申請日期2003年7月1日 優(yōu)先權日2003年7月1日
發(fā)明者加利阿克山大·阿萊克謝耶維奇·安塔諾斯基 申請人:加利阿克山大·阿萊克謝耶維奇·安塔諾斯基