組合式輻射劑量計和劑量率計的製作方法

2023-07-29 10:12:31 2

專利名稱：組合式輻射劑量計和劑量率計的製作方法
組合式輻射劑量計和劑量率計背景技術輻射探測器在當今對於安全和防護應用都是必需的。對於安全應用，個人輻射探測器可被用來監控射線照射劑量率(rate of radiation exposure )和總 劑量。例如，可攜式劑量率計(ratemeter)可以監控研究對象在輻射中的暴 露，並且如果射線照射率達到無法接受的水平就發出警報，另外可攜式輻射 劑量計可以測量研究對象在一段時期內接受的累積的射線照射。傳統上，劑 量劑量率計和劑量計的實施有很大的不同。例如， 一類劑量率計使用蓋革-彌勒管(Geiger掘ller tube )來才笨測或計算電離輻射(iodzing radiation )穿 入蓋革-彌勒管的劑量率。相反，劑量計可以簡單地實施為在不透光箱體中 裝有膠片並使該膠片顯影，以對穿透箱體並輻照在膠片上的輻射量進行測 量。用於防護目的的輻射測量面臨一系列不同的需求和關注。例如，探測可 能引起安全威脅的輻射源時，通常要求可感知相對較低水平輻射的能力，因 為帶有放射性物質的裝置可能被隱藏、屏蔽或與探測器分隔開。因此，與被 認為是人身安全不可接受的劑量率方面相比，從這樣的安全威脅到達探測器 的輻射劑量率可能是低的。用於防護應用的輻射探測器因此可能需要比適於 安全應用的個人輻射劑量率計更為靈敏的量級。對個人輻射劑量率計和用於防護的可攜式輻射探測器需求的不同導致 了針對這些探測器不同標準的採用。例如，最近為了改進本國防護安全的行 動導致了用來警報個人輻射探測器的ANSI標準N42.32和針對用於防護應 用的可攜式輻射探測器的ANSI標準N42.33的出現。然而，在很多情況下， 除了用於探測安全威脅的可攜式輻射探測器之外，安全人員或其他人員還想 擁有個人輻射劑量計和安全警報器。購買和攜帶兩種輻射探測器的需求是昂 貴和府、煩的。發明內容按照本發明的一個方面， 一種輻射探測器能夠利用多個測量通道，同時實現用於人身安全的劑量率和劑量的測量，並且還可以提供用於防護應用的 足夠靈敏的輻射劑量率測量。在一個實施例中， 一種雙通道輻射探測器具有 第一通道，該第一通道包括閃爍器和光電二極體。該閃爍器具有採樣範圍， 該範圍以一定速率提供光子事件，該速率對用於防護應用的輻射測量所需的 準確度足夠高。第二通道通過傳感器提供寬測量範圍，該傳感器可由光電二 極管組成而不含閃爍器，以提供更低的計數率。因此，假如採用閃爍器，第 二通道能測量滿計數水平的輻射。隨著輻射劑量率變化，探測器在高靈敏度 通道和寬劑量率通道間自動轉換時能連續對測得的輻射劑量率求積分來確 定累積的劑量。隨後，當輻射劑量率或劑量高於各自的閾值時，探測器可給 出人身安全警報。此外，探測器每次能選擇地只運行其中一個測量通道，以 節省可攜式或手提探測器的電力。


圖1和2是按照本發明實施例的多通道輻射探測器的方框圖，本發明能測量人身安全警報水平和安全威脅探測水平的輻射。圖3是按照本發明實施例的一種可攜式輻射探測器的分解圖。 在不同圖片中同 一參考符號的使用表示相似或相同的元件。具體實^&方式按照本發明的一個方面， 一種輻射探測器可以包括多個通道，所述通道 允許實施用於人身安全的帶警報的劑量計以及帶有防護或安全應用所需的 警報和準確度的劑量率計。圖1展示了按照本發明示範性實施例的一種輻射探測器100,該探測器 包括兩個輻射測量通道110和120。測量通道110用於測量相對較低劑量率 下的輻射，例如，大約在1到4000(iR/h之間。相反，測量通道120被設計 用來測量高得多的劑量率下的輻射，例如，高到8或10R/h。在本發明的一 個特定實施例中，通道110在一定範圍內測量輻射劑量率，該範圍是IEEE 標準N42.32提出的探測和禁止放射性安全威脅所必需的；並且通道120用 於在IEEE標準N42.33提出的危險評估的寬動態範圍下的測量。因此，探測 器100的一個實施例同時符合IEEE標準的N42.32和N42.33。在圖示的實施例中，測量通道110包括高靈敏度傳感器112、前置放大器或電荷放大器(charge amplifier) 114、鑑別器(discriminator) 116和計數 器J18。高靈敏度傳感器112可以通過使用傳統的傳感系統實現，該系統包 括但並不限於蓋革-彌勒管、固態探測器或閃爍探測器(scintillation detector )。 當輻射穿透並與傳感器112相互作用時，傳感器112產生電荷或信號。放大 器114隨後放大或轉換來自傳感器112的電荷或信號，以產生具有適於鑑別 器116和計數器118運行的電壓的電信號。鑑別器116對來自放大器114的 信號濾波以減少或消除電子噪聲並且產生包含脈沖的信號，該脈衝在到鑑別 器16的輸入信號高於閾值電壓時產生。計數器118對來自鑑別器116的信 號中的脈衝進行計數。可以通過將傳感器112暴露到來自放射性源的輻射下來標定測量通道 110,該放射性源被放置用來提供已知的輻射劑量率，然後通過已知輻射劑 量率對測量的計數劑量率的比值確定換算因子。之後，在特定時間內計數器 18的脈沖計數和換算因子的乘積表示出未經能量修正(energy correction) 的輻射劑量率。或者，經能量修正過的輻射劑量率測量可能通過考慮來自鑑 別器16輸出信號的每個脈衝的量級來獲得。測量通道120可以通過與測量通道110中採用的測量技術相同或不同的 測量技術來實現，但與能被測量通道110準確測得相比，測量通道120通常 能測量更高的輻射劑量率並且有更寬的測量範圍。在圖1的實施例中，測量 通道120包括寬量程(wide range)傳感器122、前置放大器或電荷放大器 124、鑑別器126和計數器128。當輻射與傳感器122相互作用時，寬量程傳 感器122產生電荷或信號，但是為了提供更寬的測量範圍，在暴露至相同輻 射水平時，選擇傳感器122來提供比高靈敏度傳感器112更低的脈衝率。這 可如此實現例如，通過在傳感器122中採用比傳感器112中的傳感系統更 小或更低效的傳感系統，或者採用不同類型的傳感器，比如在傳感器122中 採用蓋革—彌勒管、在傳感器112中採用閃爍器。測量通道120中的前置放大器或電荷放大器124、鑑別器126和計數器 128基本按照與以上描述的測量通道110中放大器114、鑑別器116和計數 器118相同的方式運行，並且測量通道120可以按與測量通道110相同的方 式標定。但是，因為傳感器122對輻射的靈敏度比傳感器112低，對於相同 輻射劑量率，計數器128的計數率(count rate )將低於傳感器118的計數率， 並且因此對計數器128計數率的換算因子將小於對計數器118計數率的換算因子。探測器100中的電路可以以用戶控制的方式處理來自測量通道110和120的計數信號，以提供輻射劑量率和劑量的測量以及安全警報。在圖1的 實施例中，探測器100包括與測量通道110和120以及用戶界面硬體140連 接的控制單元130。控制單元130包括專用電路、通用微處理器或微控制器、 或者實現探測器IOO所需功能的前述二者的結合。特別地，控制單元130能 實現的功能包括為輻射劑量率測量選擇測量通道IIO和120中之一；根據 選定的通道1]0或120的計數率確定當前輻射劑f率；將測量的輻射劑量率 對時間求積分以確定累積的劑量；對用戶界面硬體140進行操作，以提供測 量結果和/或在輻射劑量率或劑量達到警報閾值水平時發出警報，並且監視用 戶界面硬體，以接受用戶發出的指令。劑量率單元132,其可在硬體、軟體或二者結合中實現，該單元根據從 計數器118和128測量的計數率確定輻射劑量率，並且能選擇採用測量通道 110還是120。通道選擇可依據計數器118和/或128的一者或兩者的計數。 特別地，對於低水平背景輻射，劑量率單元132能夠從高靈敏度通道110周 期地讀取計數，例如，通過每秒1次讀取並重置計數器1]8。自前次讀取以 來的計數變化量與自前次讀取以來的時間之間的比值表示出計數率，劑量率 單元132能將該計數率換算成輻射劑量率，例如，通過與在標定過程中獲得 的用於通道l]O的換算因子相乘來換算。對於高水平輻射，當在進入計數器 118的信號中的脈衝總是彼此重疊時，測量通道110中的計數變得"飽和"。 傳統的光電二極體和關聯的放大電路獲得的典型最小脈沖寬度大約是lO(is (FWHM:最大半振幅全寬度)，因此計數率大約等於或大於100kcps可能 並不可靠。當來自計數器118的計數率高於閾值水平時，劑量率單元132能 夠利用來自測量通道120的計數，該測量通道由於傳感器122的效率而提供 較低的計數率。類似地，當來自測量通道120的計數率低於閾值水平時，探 測器100能夠自動地從測量通道120切換回測量通道110。這種從一個測量 通道110或120到另 一通道120或110的自動切換能夠在寬範圍內提供準確 的測量，並且對可以看到通過用戶界面硬體140顯示的劑量率測量的用戶來 說直接明了。按照本發明的又一方面，控制單元130可以自動地使不用的測量單元 110或120失效(deactivate )。特別地，控制單元130能夠切斷給一個測量單元110或120的電力，以在另一測量通道120或IIO提供更加準確的劑量率 測量結果時，保存可攜式探測器中電池的電力。圖1中的控制單元130,還包括劑量單元134。劑量單元134能夠通過 對從劑量率單元132而來的劑量率測量結果進行積分來確定輻射劑量。積分 可以簡單地通過累積加權的計數率或輻射劑量率來實現。例如，如果輻射劑 量率測量以一恆定頻率執行，則累積的劑量依賴於測量的劑量率的總和。或 者，每個測得的計數率可與一因子相乘，該因子依賴於源測量通道110或120 以及自上 一 個計數率測量值以來的時間。累積的劑量值可以被儲存在非易失 存儲器中，以便在探測器100關掉或探測器100的電力源被移開時保存累積 的劑量值。控制單元130能夠指導用戶界面硬體140以產生聽覺的、視覺的 或者觸覺的警報，從而吸引用戶對高累積劑量的注意。如前文解釋的圖1包括兩個測量通道110和120以及諸如控制單元130 和界面硬體140這樣的的共享電路。在本發明的其他實施例中，多個測量通 道可以共享更多或更少的電路。例如，如果提供有適當的多路轉換或選擇電路，則放大器114、鑑別器116以及計數器118中的一些或全部可以被多測 個量通道共享。圖2是具有測量通道210和220的探測器200，該通道包括示範性輻射 傳感器。更為特定地，在高靈敏度測量通道210中的輻射傳感器包括閃爍器 211和光傳感器212。可以用響應例如a射線、卩射線、丫射線、中子或者放 射性物質的其他發射物的電離輻射而發出波長可被檢測到的光或電磁輻射 的任何材料來製作閃爍器211 。在一個特定實施例中，閃爍器211是大約3cm3 的碘化銫(CsI)晶體。可利用例如光電二才及管或光電倍增管(photomultiplier tube)實現的光傳感器212,所述傳感器被放置為感知與光進入閃爍器211 時電離輻射所產生光發射相應的光子事件(photon event)。因此，傳感器212和計數器118的電壓的電信號。測量通道220採用傳感器222來獲得更寬的測量範圍，該傳感器具有低 得多的輻射捕獲和探測速率。例如，傳感器222可包括光電二極體，而不含 閃爍器。每次入射輻射引起光電二極體中的光電效應時，光電二極體將產生 電荷運動。與高品質(high-Q)閃爍器211相比，光電二極體通常具有小 得多的體積/面積和低得多的輻射吸收效率，因此當傳感器222隻用光電二極體實現時，對固定的輻射水平來說，它以比閃爍器211小的頻率產生脈沖。在可替代的實施例中，測量通道220可利用比閃爍器211小的閃爍器(未示 出)。測量通道220的其餘部分與控制單元130和界面硬體140如上文關於 圖1所述地運行。探測器100和200優選地構建為用戶可穿戴或攜帶的可攜式設備。圖3 是按照本發明一個實施例的個人輻射探測器300的分解圖。探測器300總尺 寸約為125mm x 68mm x 35mm,且包括可由耐用的輕體材料例如塑料製成 的外部殼體。在圖示的實施例中，探測器300的殼體包括可拆卸背部310, 殼體基部312，電池蓋314以及抗震裝置340。位於背部310上的夾片316 允許探測器300被夾在或穿戴在用戶衣服上。探測器300的電部件包括電池320、主電路板322、網絡板324、高靈敏 度輻射傳感器326、寬量程輻射傳感器328以及顯示器330。主電路板322 可包括例如上文所述的控制單元130這樣的電路。顯示器330，作為界面硬 件的一部分，可以是液晶顯示器或者其他能顯示測量結果的顯示器，並且網 絡板324可實現例如藍牙這樣的無線通訊協議，以允許:探測器300和其他設 備的網絡通訊。圖3中的輻射傳感器326和328與圖1中的測量通道110和120或圖2 中的測量通道210和220相對應。特別地，輻射傳感器326對低範圍測量有 高靈敏度並且包括用於較低輻射劑量率的閃爍器、光電二極體和前置放大 器。輻射傳感器328具有較低的靈敏度但較寬的測量範圍，用於感知較高水 平的輻射，並且可包括光電二極體但不含閃爍器。儘管關於特定實施例對本發明進行了描述，該描述只是本發明應用的一 個例子而不應僅限於此。例如，雖然以上所述實施例採用兩個測量通道以對 劑量率和劑量擴大測量範圍，如果必要或者希望改善準確度和進一步擴展應用測量範圍，可以類似地採用三個或者更多測量通道。>^開的實施例特徵的 各種其他改進和結合都在如下權利要求限定的本發明範圍之內。
權利要求
1、一種輻射探測器，包括輻射傳感系統，包括第一測量通道和第二測量通道，其中，所述第二測量通道具有與第一測量通道不同的測量靈敏度；劑量率單元，可操作地與所述第一測量通道和所述第二測量通道連接，其中，所述劑量率單元確定輻射劑量率；和劑量單元，可操作地與所述第一測量通道和所述第二測量通道連接，其中，所述劑量單元確定輻射劑量。
2、 如權利要求1所述的探測器，其中，所述劑量率單元根據測量信號 確定輻射劑量率，所述測量信號從包括來自所述第一測量通道的第一信號和 來自所述第二測量通道的第二信號在內的一系列信號中選出。
3、 如權利要求2所述的探測器，其中，所述第一信號是指利用所述第 一測量通道得到的第一計數，並且所述第二信號是指利用所述第二測量通道 得到的第二計數。
4、 如權利要求2所述的探測器，其中，所述劑量率單元在輻射劑量率 由所述第一信號確定的第一;^莫式下運行，並且在輻射劑量率由所述第二信號 確定的第二模式下運行。
5、 如權利要求4所述的探測器，其中，當被確定的輻射劑量率升高至 超過閾值水平時，所述劑量率單元本身從所述第一模式切換至所述第二模 式。
6、 如權利要求5所述的探測器，其中，當被確定的輻射劑量率下降至 低於閾值水平時，所述劑量率單元本身從所述第二模式切換回所述第一模式。
7、 如權利要求4所述的探測器，其中，當所述劑量率單元在所述第一 模式下運行時，供給所述第二測量通道的電力被切斷，並且當所述劑量率單 元在所述第二模式下運行時，供給所述第一測量通道的電力被切斷。
8、 如權利要求1所述的探測器，其中，在確定輻射劑量時，所述劑量 單元通過由測量信號確定的量重複地增加累積的輻射劑量，所述測量信號從 包括來自所述第一測量通道的第一信號和來自所述第二測量通道的第二信 號在內的一系列信號中選出。
9、 如權利要求8所述的探測器，其中，所述第一信號是指利用所述第 一測量通道得到的第一計數，並且所述第二信號是指利用所述第二測量通道 得到的第二計數。
10、 如權利要求8所述的探測器，其中，所述劑量單元在累積的輻射劑 量通過由第一信號確定的量而增加的第一模式下運行，並且在累積的輻射劑 量通過由第二信號確定的量而增加的第二模式下運行。
11、 如權利要求10所述的探測器，其中，當被確定的輻射劑量率升高 至超過閾值水平時，所述劑量單元本身從所述第一模式切換至所述第二模 式。
12、 如權利要求11所述的探測器，其中，當被確定的輻射劑量率下降 至低於閾值水平時，所述劑量單元本身從所述第二模式切換回所述第一模 式。
13、 如權利要求10所述的探測器，其中，當所述劑量單元在所述第一 模式下運行時，供給所述第二測量通道的電力被切斷，並且當所述劑量單元 在所述第二模式下運行時，供給所述第一測量通道的電力被切斷。
14、 如權利要求1所述的探測器，其中，所述第一測量通道包括閃爍器 和光傳感器。
15、 如權利要求14所述的探測器，其中，所述第二測量通道包括閃爍 器和光傳感器。
16、 如權利要求14所述的探測器，其中，所述第二測量通道的輻射傳 感部分包括光電二極體。
17、 如權利要求14所述的探測器，其中，所述第二測量通道包括蓋革-彌勒管。
18、 如權利要求1所述的探測器，還包括控制系統，其可操為在所述劑 量率單元識別出超過閾值劑量率的輻射劑量率時和在所述計量單元識別出 超過閾值劑量的總劑量時發出警報。
19、 如權利要求1所述的探測器，其中，所述探測器可操作在所述第一 測量通道起作用以及供給所述第二測量通道的電力被切斷的第 一模式下，並 且可搡作在所述第二測量通道起作用以及供給所述第一測量通道的電力被 切斷的第二模式下。
20、 如權利要求1所述的探測器，其中，所述劑量率單元和所述劑量單元包括由處理器執行的軟體。
21、 一種用於監測輻射的方法包括利用探測器內的第 一測量通道測量輻射劑量率；響應測得的超過閾值水平的輻射劑量率，利用探測器內的第二測量通道 測量輻射劑量率，所述第二測量通道具有與所述第 一測量通道不同的靈敏 度；並且響應測得的低於閾值水平的輻射劑量率，利用所述第一測量通道測量輻射劑量率。
22、 如權利要求21所述的方法，還包括響應超出閾值劑量率的輻射劑量率而發出警報； 對測得的輻射劑量率積分，以確定輻射劑量；並且 響應超出閾值劑量的輻射劑量而發出警報。
23、 如權利要求21所述的方法，還包括當利用所述第二測量通道測量輻射劑量率時，停止所述第一測量通道中 的電力消耗；並且當利用所述第一測量通道測量輻射劑量率時，停止所述第二測量通道中 的電力消耗。
24、 如權利要求21所述的方法，其中利用所述第一測量通道測量輻射劑量率包括對輻射射中閃爍器時產生 的脈衝計數；並且利用所述第二測量通道測量輻射劑量率包括對輻射直接射中光電二極 管時產生脈衝計數。
全文摘要
一種輻射探測器(100，200)可同時實現用於人身安全的劑量率和劑量測量，並且還可以提供用於防護應用的足夠靈敏的測量。在一個實施例中，輻射探測器(100，200)具有第一測量通道(110，210)以及第二測量通道(120，220)，該第二測量通道(120，220)可測量將使第一測量通道(110，210)滿量程水平的輻射。該探測器能自動地在高低靈敏度通道之間轉換，同時連續對測得的輻射劑量率求積分來確定累積的輻射劑量。該探測器還可以通過自動切斷不用的測量通道保存電力，並且還可在輻射劑量率或劑量達到相應警報閾值時，提供人身安全警告。
文檔編號G01T1/20GK101258421SQ200680032878
公開日2008年9月3日 申請日期2006年8月24日 優先權日2005年8月25日
發明者奚慶中, 王玉中 申請人:Rae系統股份有限公司