CN103135123A

CN103135123A - 基于硅光电倍增器的环境X、γ辐射测量方法及测量装置

Info

Publication number: CN103135123A
Application number: CN2011103913446A
Authority: CN
Inventors: 靳根; 陈法国; 刘倍; 徐园; 王希涛; 杨亚鹏
Original assignee: China Institute for Radiation Protection
Current assignee: China Institute for Radiation Protection
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-06-05

Abstract

本发明涉及辐射测量技术，具体涉及一种基于硅光电倍增器的环境X、γ辐射测量方法及测量装置。该装置用硅光电倍增器代替传统的真空型光电倍增管，实现以闪烁晶体为探测器的环境X、γ辐射剂量仪表的设计，利用硅光电倍增器体积小、工作电压低、响应时间短、对磁场不敏感等特点，将其作为闪烁体探测器的光电转换和信号放大部件，从而进一步实现便携式环境X、γ剂量仪的小型化。

Description

基于硅光电倍增器的环境X、γ辐射测量方法及测量装置

技术领域

本发明涉及辐射测量技术，具体涉及一种基于硅光电倍增器的环境X、γ辐射测量方法及测量装置。

背景技术

在闪烁体探测器中，通常采用光电倍增管作为光电转换器件。典型的光电倍增管主要由光阴极和电子倍增系统两部分组成，其中光阴极将光信号转化为电信号，电子倍增系统将电信号进行放大。

近年来，出现了新型的基于硅二极管的光电转换器件——硅光电倍增器。硅光电倍增器是由多个工作在盖革模式下的雪崩二极管(APD)组成的阵列。单个APD对可见光响应后所产生电信号的大小是固定的，与光的强弱无关，相当于一个数字器件；而多个APD形成阵列后，其输出电信号的总和就正比于光强，能够实现可见光的探测。因此，硅光电倍增器就可用于闪烁体探测器中，作为闪烁体发光后的光电转换和信号放大器件。与普通的光电倍增管相比，硅光电倍增器具有体积小、工作电压低、响应时间短等优点。

发明内容

本发明的目的在于利用硅光电倍增器的特点，提供一种基于硅光电倍增器的环境X、γ辐射测量方法及测量装置，以提高辐射测量装置的探测性能和便携性。

本发明的技术方案如下：一种基于硅光电倍增器的环境X、γ辐射测量方法，包括如下步骤：

(S1)环境中的X射线或γ射线照射闪烁晶体，使闪烁晶体发出可见光；

(S2)可见光照射到硅光电倍增器上，经硅光电倍增器的雪崩二极管阵列的光电转换，产生与可见光强度成正比的电信号；

(S3)电信号经放大后输出给信号和数据处理单元，进行X射线或γ射线的剂量换算，得到辐射剂量值。

进一步，如上所述的基于硅光电倍增器的环境X、γ辐射测量方法，在步骤(S3)中，当电信号以脉冲形式输出时，利用输出脉冲幅度对剂量的权重函数G(E)函数法来估算辐射剂量；当电信号以电流形式输出时，由电流信号直接转换为辐射剂量，并同时进行温度补偿。

一种基于硅光电倍增器的环境X、γ辐射测量装置，包括由闪烁晶体和硅光电倍增器组合而成的探头，硅光电倍增器连接电源，硅光电倍增器的输出端与信号和数据处理单元连接，信号和数据处理单元与具有显示、报警和设定功能的人机交互平台连接。

进一步，如上所述的基于硅光电倍增器的环境X、γ辐射测量装置，其中，所述的闪烁晶体和硅光电倍增器之间通过光导连接。

进一步，如上所述的基于硅光电倍增器的环境X、γ辐射测量装置，其中，所述的闪烁晶体为CsI(Tl)晶体。

本发明的有益效果如下：本发明用硅光电倍增器代替传统的真空型光电倍增管，实现以闪烁晶体为探测器的环境X、γ辐射剂量仪表的设计，利用硅光电倍增器体积小、工作电压低、响应时间短、对磁场不敏感等特点，将其作为闪烁体探测器的光电转换和信号放大部件，设计用于环境X、γ射线测量的辐射探测装置，从而进一步实现便携式环境X、γ剂量仪的小型化。

附图说明

图1为本发明的测量装置原理结构示意图；

图2为本发明的测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

与光电倍增管相比，硅光电倍增器具有体积小、工作电压低、响应时间短等优点。如表1所示，是光电倍增管和硅光电倍增器的典型参数对比。

表1

本发明正是利用了硅光电倍增器的上述特点，用其替代传统的真空型光电倍增管，实现环境X、γ辐射剂量仪表的设计。

本发明所提供的基于硅光电倍增器的环境X、γ辐射测量装置的原理结构如图1所示，包括由闪烁晶体和硅光电倍增器组合而成的探头，硅光电倍增器连接电源，硅光电倍增器的输出端与信号和数据处理单元连接，信号和数据处理单元包括信号采集部分和数据运算部分，信号和数据处理单元与具有显示、报警和设定功能的人机交互平台连接。

如图2所示，基于上述装置的测量方法，包括如下步骤：

(S3)电信号经放大后输出给信号和数据处理单元，进行X射线或γ射线的剂量换算，得到辐射剂量值。当电信号以脉冲形式输出时，利用输出脉冲幅度对剂量的权重函数G(E)函数法来估算辐射剂量；当电信号以电流形式输出时，由电流信号直接转换为辐射剂量，并同时进行温度补偿。对于空气或组织等效的闪烁晶体，由于其能量响应比较一致，所以一般选择工作在电流状态；而非等效的晶体，能量响应不一致，所以选择工作在脉冲状态，利用G(E)实现剂量估算，也就相当于能量响应的软补偿。因此，本发明在探测器选定之后，工作状态就能确定。

本发明测量装置的探头部分采用闪烁晶体和硅光电倍增器的组合形式。闪烁晶体类型的选取要综合考虑发光光谱、衰减常数、发光效率、折射率、探测效率、物理化学稳定性以及成本等因素，如CsI(T1)就是环境X、γ探测中广泛应用的一种晶体(也可以选用其他的闪烁体材料，本发明对此没有限制)；晶体的几何尺寸根据灵敏度、最小探测限以及加工工艺的限制而定，在环境X、γ测量中其一般为厘米量级。硅光电倍增器代替传统的光电倍增管作为光电转换和信号放大器件时，其工作电压低、体积小的特点能够简化电子学部分的设计并有效地减小仪表的几何尺寸。闪烁晶体和硅光电倍增器通过合适的光导连接，将闪烁晶体经照射后产生的可见光传导至硅光电倍增器的雪崩二极管阵列。设计时要考虑闪烁晶体和硅光电倍增器的光谱匹配性。

光导为二氧化硅材料，采用光导连接闪烁晶体和硅光电倍增器主要利用了其对可见光的全反射特性。因为晶体和硅光电倍增器的连接端的几何大小和形状不一定完全匹配；所以利用光导来匹配二者之间的可见光传输，形状一般为柱状，大小与闪烁晶体和硅光电倍增器能够衔接即可。

信号和数据处理单元用于实现探测器输出信号到X、γ剂量的换算。探测器工作在脉冲状态下时，利用探测器输出信号的计数信息和能量信息，通过G(E)函数法来估算X、γ剂量率。G(E)函数法是一种公知的方法，G(E)是探测器的输出脉冲幅度对γ剂量的权重函数，先通过实验或理论模拟的方法得出权重函数G(E)，然后利用G(E)对探测器测量的脉冲幅度谱S(E)进行加权求和，就可以得出相应的X、γ剂量，如下式所示：

D＝∫_ES(E)×G(E)dE

D为X、γ剂量，E为能量。

当探测器工作在电流状态下时，采用组织或空气等效的闪烁晶体作为探头，在保证能量响应符合要求的同时，由电流信号直接转换为辐射剂量。与此同时，由于半导体器件的温度效应，还需要进行温度补偿。

组织或空气等效的闪烁晶体是指组成材料对射线的响应特性与组织或空气一致的闪烁晶体。在实际中所说的等效，都指近似等效。在闪烁晶体选用组织或空气等效材料时，探测器工作在电流状态，此时探测器输出信号与辐射剂量在一定误差范围内近似成正比，只需要给出刻度系数就可以实现二者的转换，这对于本领域的技术人员来说属于公知技术。由于硅光电倍增器的雪崩二极管阵列是半导体器件，环境温度会影响其工作特性，温度补偿就是要减小由此带来的测量误差。温度补偿根据对温度效应的实测结果，通过软件实现，相应的软件属于本领域的公知常识。

电子学部分是探头以及信号和数据处理单元的信号采集部分以及数据运算部分的硬件基础。电子学部分包括系统电源供应、探头输出信号采集、数据运算、人机交互平台(显示、报警以及基本设定功能)等。电源可采用蓄电池和外部电源，为硅光电倍增器提供工作电压，也为其他电路提供模拟或数字高压。信号和数据处理单元的信号采集部分和数据运算部分与现有的使用光电倍增管的辐射测量装置基本一致。人机交互的硬件组成主要有电子显示屏、声光报警装置以及用来进行参数选取或设定的键盘。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种基于硅光电倍增器的环境X、γ辐射测量方法，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的基于硅光电倍增器的环境X、γ辐射测量方法，其特征在于：在步骤(S3)中，当电信号以脉冲形式输出时，利用输出脉冲幅度对剂量的权重函数G(E)函数法来估算辐射剂量。

3.如权利要求1所述的基于硅光电倍增器的环境X、γ辐射测量方法，其特征在于：在步骤(S3)中，当电信号以电流形式输出时，由电流信号直接转换为辐射剂量，并同时进行温度补偿。

4.一种基于硅光电倍增器的环境X、γ辐射测量装置，其特征在于：包括由闪烁晶体和硅光电倍增器组合而成的探头，硅光电倍增器连接电源，硅光电倍增器的输出端与信号和数据处理单元连接，信号和数据处理单元与具有显示、报警和设定功能的人机交互平台连接。

5.如权利要求4所述的基于硅光电倍增器的环境X、γ辐射测量装置，其特征在于：所述的闪烁晶体和硅光电倍增器之间通过光导连接。

6.如权利要求4或5所述的基于硅光电倍增器的环境X、γ辐射测量装置，其特征在于：所述的闪烁晶体为CsI(T1)晶体。