CN104076385B - γ射线辐射量检测装置及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种γ射线辐射量检测装置及其检测方法。该检测装置包括：闪烁体，其用于将所述γ射线的辐射能量转换为可见光；光电转换器，其将所述可见光转换为电信号并输出；金属腔体，所述闪烁体与所述光电转换器位于所述金属腔体中；前端电子学，其通过所述金属腔体连接所述光电转换器，将所述电信号转换为TTL电平信号并输出；微处理器，其接收所述TTL电平信号和所述电信号，根据所述TTL电平信号和所述电信号计算所述γ射线的辐射剂量；以及，输出模块，其连接所述微处理器，对外输出从所述微处理器模块接收的所述γ射线的辐射剂量；其中所述闪烁体的发光衰减时间与所述电信号的脉冲上升时间成正比。
Description
技术领域
本发明涉及核辐射测量领域，尤其涉及一种γ射线辐射量检测装置及其检测方法。
背景技术
人类生活在具有电离辐射的环境中，射线会对人们造成直接或潜在的危害。电离辐射效应分为两种，一种是确定性效应，指的是人体所受剂量超过一定量后，注定会发生某种病变，疾病的严重程度与患者所受剂量大小成正比。引发电离辐射确定性效应的最小辐射剂量值被称为阈值；另一种辐射效应是随机性效应，此效应随机出现，发生概率与操作人员受到的剂量大小成正比，而随机性效应的严重程度与受到的剂量大小无关。确定性效应可以通过限制受照者接受的剂量不超过阈值来避免；而对于随机性效应,由于目前还没有特别的医学手段加以防治,只能尽量减少接受辐射的机会，降低随机性效应发生的概率。
为了在放射性操作中有效地保护实验人员，以避免确定性效应的发生，并将随机性效应的发生率降低到可合理达到的尽可能低的水平，需要对射线剂量进行检测和统计。可探测X射线和γ射线的剂量仪，通过测量辐射剂量来估算和控制放射性物质的照射，以辅助辐射的防护工作。
目前，用于探测X射线和γ射线辐射线测量检测装置中的探测元件主要包括以下几种：1)盖革-米勒计数器；2)闪烁晶体加光电二极管；3)闪烁晶体加硅光电倍增器。
利用盖革-米勒计数器测量γ射线是核辐射测量领域的常规手段，但盖革-米勒计数器有较长的死机时间，不适宜在高计数率条件下工作；此外，盖革-米勒计数器对高能伽马射线探测效率低。
为了获得较大的测量动态范围，而使用闪烁晶体探测高能射线，使用光电二极管探测低能射线的做法，需要复杂的电子学系统，可实施性差；此外，由于光电二极管没有内部增益，信号幅度低，噪声大，因此探测灵敏度较低。
硅光电倍增器与光电倍增器相比，虽然具有体积小、工作电压低、响应时间短等优点，但当专门用于γ射线辐射量测量时，环境中的α射线、β射线或其他带电粒子会对测量造成影响，使得测量结果不准确。
利用闪烁探测器测剂量时，需要精确测量射线能量E，进而通过转换函数f(E)计算辐射剂量。在闪烁探测器系统中，能量为E的X、γ射线在闪烁体中沉积能量，产生数量为N的闪烁光，具有固定增益的光电转换器将光子转换为包含电荷量为Q的电信号，闪烁体发光衰减时间是瞬时的，瞬时电流在电阻上形成脉冲信号，信号与其基线包围的面积S正比于电荷Q，对同一种闪烁体的信号，脉冲幅度A近似正比于S，于是S∝Q∝N∝E，及可以通过测量脉冲幅度A来测量射线能量E。
测量脉冲幅度通常采用模数转换器(ADC)或线性门加峰值保持电路的方式，电路复杂且功耗高，应用于手持式设备时会减少系统待机时间。目前一些微处理器，如STM32系列单片机，本身具有内置ADC模块，无需额外电路，但采样速度慢，具有一定的响应时间，应用困难，所以普遍采用的模数转换方式仍是微处理器加线性门加峰值保持电路的方式。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种γ射线辐射量检测装置及其检测方法。
本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。
本发明一方面公开了一种γ射线辐射量检测装置，包括：闪烁体，所述闪烁体用于将所述γ射线的辐射能量转换为可见光；光电转换器，所述光电转换器接收所述闪烁体输出的可见光，将所述可见光转换为电信号并输出；金属腔体，所述闪烁体与所述光电转换器位于所述金属腔体中；前端电子学，所述前端电子学通过所述金属腔体连接所述光电转换器，接收所述金属腔体中的所述光电转换器输出的电信号，将所述电信号转换为TTL电平信号并输出；微处理器，所述微处理器接收所述TTL电平信号和所述电信号，根据所述TTL电平信号和所述电信号计算所述γ射线的辐射剂量；以及，输出模块，所述输出模块连接所述微处理器，对外输出从所述微处理器模块接收的所述γ射线的辐射剂量；其中所述闪烁体的发光衰减时间与所述电信号的脉冲上升时间成正比。
于一个实施例中，根据所述TTL电平信号和所述电信号计算所述γ射线的辐射剂量包括：以所述TTL电平信号到达所述微处理器的时间为起始时间T0，经过响应时间ΔT1后，所述微处理器开始采集所述电信号的峰值，将再延迟ΔT2后采集到的值作为所述电信号的峰值；所述微处理器根据采集到的所述电信号的峰值，计算所述γ射线的辐射剂量；其中，ΔT2＝T1-T0-ΔT1；T1为已知的所述电信号的峰值的出现时间，且T1-T0>tr>ΔT1。
于另一个实施例中，所述检测装置还包括：温度采集模块，所述温度采集模块连接所述微处理器，用于将所采集的环境温度反馈给所述微处理器；以及，电源模块，所述电源模块连接所述微处理器，并通过所述金属腔体连接所述光电转换器；其中，所述微处理器根据所述环境温度控制所述电源模块为所述光电转换器供电，以补偿温度效应。
于再一个实施例中，所述检测装置还包括：壳体，所述壳体将所述闪烁体、所述光电转换器、所述金属腔体、所述前端电子学、所述微处理器、所述输出模块、所述温度采集模块及所述电源模块封装在所述壳体中。
于再一个实施例中，所述检测装置还包括：壳体，所述壳体将所述前端电子学、所述微处理器、所述输出模块、所述温度采集模块及所述电源模块封装在所述壳体中；其中，所述光电转换器通过所述金属腔体及所述壳体连接所述前端电子学及所述电源模块。
于再一个实施例中，所述壳体用于截止α射线。
于再一个实施例中，所述金属腔体用于截止β射线。
于再一个实施例中，所述闪烁体为CsI闪烁晶体。
于再一个实施例中，所述光电转换器为硅光电倍增管。
于再一个实施例中，所述闪烁体使用高反光材料包裹，仅留出一块出光部分与所述硅光电倍增管匹配。
于再一个实施例中，所述金属腔体的材料为铝；所述金属腔体的厚度大于等于能量为所述γ射线辐射量检测装置的探测能量上限的β射线在铝中的平均射程。
本发明另一方面公开了一种γ射线辐射量检测方法，包括：在包含α射线、β射线及γ射线的混合辐射场中，截止所述α射线及所述β射线；接受所述γ射线照射，通过闪烁体产生可见光；接受所述可见光的照射，进行光电转换，产生电信号；将所述电信号转换为TTL电平信号，并输出；根据所述TTL电平信号和所述电信号计算所述γ射线的辐射剂量；以及，对外输出所述γ射线的辐射剂量；其中所述闪烁体的发光衰减时间与所述电信号的脉冲上升时间成正比。
于一个实施例中，根据所述TTL电平信号和所述电信号计算所述γ射线的辐射剂量包括：以所述TTL电平信号到达时间为起始时间T0，经过响应时间ΔT1后，开始采集所述电信号的峰值，将再延迟ΔT2后采集到的值作为所述电信号的峰值；所述微处理器根据采集到的所述电信号的峰值，计算所述γ射线的辐射剂量；其中，ΔT2＝T1-T0-ΔT1；T1为已知的所述电信号的峰值的出现时间，且T1-T0>tr>ΔT1。
于另一个实施例中，所述方法还包括：当环境温度发送变化时，采集环境温度，根据所述采集的环境温度，进行温度补偿。
本发明公开的γ射线辐射量检测装置，通过金属腔体与壳体的设置，进一步去除了混合辐射环境中其他类型射线的影响，并通过闪烁体发光衰减时间与微处理器的响应时间匹配，提高了γ射线辐射量检测的准确度；通过闪烁体与光电转换器的匹配设计，节约了探测器面积，并提升了探测效率。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1为本发明实施例的γ射线辐射量检测装置的结构示意图。
图2为闪烁体的一个示例性结构示意图。
图3为包含金属腔体的辐射转换模块结构示意图。
图4为本发明实施例的γ射线辐射量检测方法的流程图。
图5为电信号采集的时间顺序图。
具体实施方式
图1为本发明实施例的γ射线辐射量检测装置的结构示意图。如图1所示，该检测装置10包括：闪烁体11、光电转换器12、金属腔体13、前端电子学14、微处理器15、温度采集模块16、输出模块17、电源模块18及壳体19。其中，闪烁体11和光电转换器12结合构成辐射转换模块。
闪烁体11负责将γ射线的辐射能量转换为特定波长范围的可见光，在闪烁体材料固定时，辐射量与光子数量成正比。
根据本发明的一个实施例，闪烁体11例如可以为CsI闪烁晶体。CSI闪烁晶体具有较长的发光衰减时间，例如为1000ns。
为了结构紧凑及高探测效率的需要，闪烁体11可以做成较大的体积，但本发明不以此为限，闪烁体11也可以做成任意形状、大小。图2为闪烁体的一个示例性结构示意图。如图2所示，大块的闪烁体11被高反光材料包裹，只留一块出光部分(如图中黑色方块所示)与光电转换器12匹配连接。这样的设计提升了探测效率，并节约了探测器的面积。
光电转换器12探测闪烁体11输出的可见光，将其转换为与光强成正比的电信号，并输出该电信号S1。电信号S1的脉冲上升时间为tr，tr的长度取决于闪烁体11的发光衰减时间，发光衰减时间越长，则tr越长；发光衰减时间越短，则tr越短，即tr与发光衰减时间成正比。
为了匹配闪烁体11，选用与CsI发光波长及形状相匹配的光电转换器12。根据本发明的一个实施例，例如选用硅光电倍增管，优选探测效率峰值位于420nm附近的硅光电倍增管。
图3为包含金属腔体的辐射转换模块结构示意图。如图3所示，闪烁体11和光电转换器12位于金属腔体13中。
根据本发明的一个实施例，当检测装置10的探测上限为3MeV时，金属腔体13例如选用铝材质，厚度大于等于1.86mm，即能量为3MeV的β射线在铝中的平均射程。金属腔体该厚度的铝对β射线具有较高的吸收效率，但对γ射线影响不大。
金属腔体13的形状与闪烁体11和光电转换器12结合构成的辐射转换模块相匹配。
如图1所示，光电转换器12通过金属腔体13的引脚131分别与前端电子学14及电源模块18连接，以输出电信号S1到前端电子学14，及通过电源模块18为其供电。
金属腔体13例如可以为通过焊锡焊接在电子学线路板上，或通过密封胶粘接在线路板上，以与前端电子学14及电源模块18连接。
金属腔体13可以有效阻挡环境中的α射线和β射线，使得位于其内部的闪烁体11和光电转换器12能够被γ射线激发，从而使检测装置测得的γ射线辐射量更为准确。
在辐射量较高的环境中，闪烁体11和光电转换器12需要持续工作，发热较多，特别是当光电转换器12为半导体元件时，性能随温度的漂移更加明显。金属腔体13的良好导热性则可以使得其内部的闪烁体11和光电转换器12发出的热量以最快的速度散发到环境中，使仪器更稳定的工作。
此外，光电转换器12作为一种对可见光敏感的元件，要求不能有环境中的可见光照射到光电转换器12上，而金属腔体13则可以有效的阻挡环境中的可见光。
光电转换器12产生的电信号S1输出到前端电子学14中，前端电子学14将电信号S1转换为TTL电平(晶体管-晶体管逻辑电平)信号S2，并将S2输出到微处理器15中。
微处理器15连接前端电子学14和光电转换器12，接收前端电子学14输出的TTL电平信号S2及光电转换器12输出的电信号S1，根据TTL电平信号S2和电信号S1计算辐射剂量。
根据本发明的一个实施例，微处理器15包括模数转换模块，如图5所示，以TTL电平信号S2到达微处理器15的时刻为起始时刻T0，经过响应时间ΔT1后，该模数转换模块开始采集电信号S1的峰值C。已知电信号S1的峰值C出现时刻为T1，且满足T1-T0>tr>ΔT1，经过响应时间ΔT1后，再延迟ΔT2＝T1-T0-ΔT1时间，采集到的电压值作为用于计算的峰值C，可使峰值C更为精确。因C与γ射线的能量E成正比，从而可以获得更精确的γ射线的能量E。
微处理器15根据关于能量E的转换函数f(E)计算γ射线的辐射剂量。其中转换函数f(E)可以为现有技术中任何可通过射线能量E来计算辐射剂量的转换函数，在此不再赘述，以避免模糊本发明。
为了满足T1-T0>tr>ΔT1，因tr与闪烁体11的发光衰减时间相关，因此所选用的闪烁体11的发光衰减时间应与微处理器15的响应时间相匹配，从而获得更精确的射线能量E。输出模块17连接微处理器15，接收微处理器15输出的统计辐射剂量，对该统计辐射剂量进行输出，以指示其强弱。
输出模块17例如可以包括电子显示屏、声光报警模块等。输出模块17对辐射剂量的输出方式，例如可以声音、灯光、屏幕显示如计数率、剂量率等方式进行输出指示。当γ辐射量超过一个预设的阈值时，还可以通过振动、声音、屏幕显示等方式进行报警，但本发明不限于此。
温度采集模块16连接微处理器15，采集环境温度，并将采集到的温度反馈给微处理器15进行处理。
微处理器15接收到温度采集模块16采集到的温度后，根据该采集的温度控制与其连接的电源模块18为光电转换器12供电，以补偿温度效应。例如，微处理器15根据预先标定好的不同环境温度对应的不同增益改变电源模块18输出到光电转换器12的电压，对测量结果进行补偿。
壳体19将闪烁体11、光电转换器12、金属腔体13、前端电子学14、微处理器15、温度采集模块16、输出模块17及电源模块18进行封装，以对其进行保护。壳体19例如可以选用铝作为材料，厚度大于0.5mm。
壳体19具有防震防水功能，可以保护其内部元件。此外，壳体19对于α射线还具有截止功能，在α射线、β射线与γ射线混合的辐射场中，α射线会被壳体19截止，β射线被金属腔体13截止，这样保证了辐射转换模块只探测γ辐射量，增加了探测的准确度。
根据本发明的一个实施例，金属腔体13及其中的闪烁体11及光电转换器12可以被置于壳体19外，光电转换器12通过金属腔体13的引脚131分别与壳体19中的前端电子学14及电源模块18连接。因为金属腔体13对α射线也具有吸收的能力，将金属腔体13及其中的闪烁体11及光电转换器12置于壳体19外，金属腔体13可以分别截止α射线及β射线，以保证在混合辐射环境下，对γ射线的测量准确度。
本发明公开的γ射线辐射量检测装置，通过金属腔体与壳体的设置，进一步去除了混合辐射环境中其他类型射线的影响，并通过闪烁体发光衰减时间与微处理器的响应时间匹配，提高了γ射线辐射量检测的准确度；通过闪烁体与光电转换器的匹配设计，节约了探测器面积，并提升了探测效率。
图4为本发明实施例的γ射线辐射量检测方法的流程图。如图4所示，该方法包括：
S1：在包含α射线、β射线及γ射线的混合辐射场中，截止α射线及β射线；
例如，当γ射线辐射量检测装置10位于包含α射线、β射线、γ射线的混合辐射场中时，当辐射轰击到该检测装置10时，α射线会被壳体19截止，β射线被金属腔体13截止，这样就保证了辐射转换模块只探测γ射线的辐射量，提高了对γ射线辐射量检测的准确度。
S2：接受γ射线照射，通过闪烁体产生可见光；
例如，闪烁体11受γ射线照射激发后，产生大量的可见光，其中光子数量与γ射线能量成正比。
S3：接受可见光照射，进行光电转换，产生电信号；
例如，光电转换器11如硅光电倍增管接受可见光照射后，进行光电转换，进一步将该可见光转换为与辐射量成正比的电信号。
闪烁体的发光衰减时间与电信号的脉冲上升时间成正比。
S4：对该电信号做放大成形处理后输出；
例如，该电信号被前端电子学14转换为TTL电平信号S2，并将S2输出到微处理器15中。
S5：对该处理后的电信号进行计算，以获得该γ射线的辐射剂量；
例如，微处理器15根据接收的该处理后的电信号计算该γ射线的辐射剂量。
根据本发明的一个实施例，微处理器15包括模数转换模块，如图5所示，以TTL电平信号S2到达微处理器15的时刻为起始时刻T0，经过响应时间ΔT1后，该模数转换模块开始采集电信号S1的峰值C。已知电信号S1的峰值C出现时刻为T1，且满足T1-T0>tr>ΔT1，经过响应时间ΔT1后，再延迟ΔT2＝T1-T0-ΔT1时间，采集到的电压值作为用于计算的峰值C，可使峰值C更为精确。因C与γ射线的能量E成正比，从而可以获得更精确的γ射线的能量E。
微处理器15根据关于能量E的转换函数f(E)计算γ射线的辐射剂量。其中转换函数f(E)可以为现有技术中任何可通过射线能量E来计算辐射剂量的转换函数，在此不再赘述，以避免模糊本发明。
为了满足T1-T0>tr>ΔT1，因tr与闪烁体11的发光衰减时间相关，因此所选用的闪烁体11的发光衰减时间应与微处理器15的响应时间相匹配，从而获得更精确的射线能量E。
S6：对外输出该辐射剂量；
例如，通过输出模块17以声音、灯光、屏幕显示等方式对该辐射剂量进行指示，当该辐射剂量超过一定阈值时，可以通过振动、声音、屏幕显示灯方式进行报警。
S7：当环境温度发送变化时，采集环境温度，根据该采集的环境温度，进行温度补偿。
例如，温度采集模块16探测采集温度，并将具体的温度输出该微处理器15。微处理器15根据预先标定好的不同环境温度对应的不同增益改变电源模块18输出到光电转换器12的电压，以对温度进行补偿。
本发明公开的γ射线辐射量检测方法，通过进一步去除了混合辐射环境中其他类型射线的影响，从而提高了γ射线辐射量检测的准确度。
以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施方式。应该理解，本发明不限于所公开的实施方式，相反，本发明意图涵盖包含在所附权利要求范围内的各种修改和等效置换。
Claims (11)
1.一种γ射线辐射量检测装置，其特征在于，包括：
闪烁体，所述闪烁体用于将所述γ射线的辐射能量转换为可见光；
光电转换器，所述光电转换器接收所述闪烁体输出的可见光，将所述可见光转换为电信号并输出；
金属腔体，所述闪烁体与所述光电转换器位于所述金属腔体中；
前端电子学，所述前端电子学通过所述金属腔体连接所述光电转换器，接收所述金属腔体中的所述光电转换器输出的电信号，将所述电信号转换为TTL电平信号并输出；
微处理器，所述微处理器接收所述TTL电平信号和所述电信号，根据所述TTL电平信号和所述电信号计算所述γ射线的辐射剂量；以及，
输出模块，所述输出模块连接所述微处理器，对外输出从所述微处理器模块接收的所述γ射线的辐射剂量；
其中所述闪烁体的发光衰减时间与所述电信号的脉冲上升时间成正比；
其中根据所述TTL电平信号和所述电信号计算所述γ射线的辐射剂量包括：以所述TTL电平信号到达所述微处理器的时间为起始时间T0，经过响应时间ΔT1后，所述微处理器开始采集所述电信号的峰值，将再延迟ΔT2后采集到的值作为所述电信号的峰值；所述微处理器根据采集到的所述电信号的峰值，计算所述γ射线的辐射剂量；其中，ΔT2＝T1-T0-ΔT1；T1为已知的所述电信号的峰值的出现时间，且T1-T0>tr>ΔT1，tr为所述电信号的脉冲上升时间。
2.根据权利要求1所述的γ射线辐射量检测装置，其中所述检测装置还包括：
温度采集模块，所述温度采集模块连接所述微处理器，用于将所采集的环境温度反馈给所述微处理器；以及，
电源模块，所述电源模块连接所述微处理器，并通过所述金属腔体连接所述光电转换器；
其中，所述微处理器根据所述环境温度控制所述电源模块为所述光电转换器供电，以补偿温度效应。
3.根据权利要求2所述的γ射线辐射量检测装置，其中所述检测装置还包括：壳体，所述壳体将所述闪烁体、所述光电转换器、所述金属腔体、所述前端电子学、所述微处理器、所述输出模块、所述温度采集模块及所述电源模块封装在所述壳体中。
4.根据权利要求2所述的γ射线辐射量检测装置，其中所述检测装置还包括：壳体，所述壳体将所述前端电子学、所述微处理器、所述输出模块、所述温度采集模块及所述电源模块封装在所述壳体中；其中，所述光电转换器通过所述金属腔体及所述壳体连接所述前端电子学及所述电源模块。
5.根据权利要求3或4所述的γ射线辐射量检测装置，其中所述壳体用于截止α射线。
6.根据权利要求1所述的γ射线辐射量检测装置，其中所述金属腔体用于截止β射线。
7.根据权利要求1所述的γ射线辐射量检测装置，其中所述光电转换器为硅光电倍增管。
8.根据权利要求7所述的γ射线辐射量检测装置，其中所述闪烁体使用高反光材料包裹，仅留出一块出光部分与所述硅光电倍增管匹配。
9.根据权利要求1所述的γ射线辐射量检测装置，其中所述金属腔体的材料为铝；所述金属腔体的厚度大于等于能量为所述γ射线辐射量检测装置的探测能量上限的β射线在铝中的平均射程。
10.一种γ射线辐射量检测方法，其特征在于，包括：
在包含α射线、β射线及γ射线的混合辐射场中，截止所述α射线及所述β射线；
接受所述γ射线照射，通过闪烁体产生可见光；
接受所述可见光的照射，进行光电转换，产生电信号；
将所述电信号转换为TTL电平信号，并输出；
根据所述TTL电平信号和所述电信号计算所述γ射线的辐射剂量；以及，
对外输出所述γ射线的辐射剂量；
其中所述闪烁体的发光衰减时间与所述电信号的脉冲上升时间成正比；
其中根据所述TTL电平信号和所述电信号计算所述γ射线的辐射剂量包括：以所述TTL电平信号到达时间为起始时间T0，经过响应时间ΔT1后，开始采集所述电信号的峰值，将再延迟ΔT2后采集到的值作为所述电信号的峰值；根据采集到的所述电信号的峰值，计算所述γ射线的辐射剂量；其中，ΔT2＝T1-T0-ΔT1；T1为已知的所述电信号的峰值的出现时间，且T1-T0>tr>ΔT1，tr为所述电信号的脉冲上升时间。
11.根据权利要求10所述的γ射线辐射量检测方法，其中所述方法还包括：
当环境温度发送变化时，采集环境温度，根据所述采集的环境温度，进行温度补偿。
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