CN101065684A

CN101065684A - 辐射剂量计

Info

Publication number: CN101065684A
Application number: CN200580040145.3A
Authority: CN
Inventors: P·阿加沃尔
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-11-23
Filing date: 2005-11-17
Publication date: 2007-10-31
Also published as: EP1817610A1; JP2008520999A; US20090146068A1; WO2006056916A1

Abstract

一种个人X光剂量计系统，包括便携式检测器(100)和阅读器设备(114)。该便携式检测器(100)包括编程的非易失性存储元件(102)的阵列(104)和用于将其上入射的部分X光辐射转化为UV辐射的闪烁器元件(106)。作为暴露到没有转化为UV辐射的X光辐射(112)的结果，一些存储元件(102)在它们的浮动栅极上将具有电荷，从而导致阈值电压(VT)中的对应偏移。在一段暴露时间之后，阅读器设备(114)从检测器(100)读取代表VT已经偏移的存储元件(102)的数量的数据，并且从而使用预定的校准曲线来确定用户已经受到的辐射剂量(122)。

Description

辐射剂量计

技术领域

本发明一般涉及辐射剂量计(radiation dosimeter)，尤其涉及用于确定用户所受到的辐射水平的方法和装置。

背景技术

电子个人剂量计由人员在潜在危险的环境中使用。这种环境的例子可能是医疗环境，其中放射线技师和相关人员可能暴露到对他们的健康有害的X光剂量中。为此，这样的人员通常需要佩戴或者携带电子个人剂量计，该剂量计用来检测辐射和提供关于该人员已经受到一段时间的辐射的量的指示。

检测设备是已知的，其中由于X光的能量在照片底版上导致的化学变化而检测到X光。但是，这样的设备不必具有足够长的使用寿命，或者有效和重复再用的能力。

美国专利号5,596,199描述了一种微剂量测定检测设备，该设备包括能够存储预定的内部电荷而不需要电源的非易失性存储器件的阵列。入射在非易失性存储器件上的每个辐射微粒在该器件的敏感体积之内生成电荷，并且改变所存储的内部电荷，改变的量是对应于由特定类型的辐射微粒沉积的能量的某个量。与关于该阵列中的非易失性存储器件的这种电荷变异对应的数据，被输入到定性分析设备，该设备将这样的数据转换为对入射辐射场的频谱分析。因而，所述的设备不仅能够检测到用户暴露到辐射，并且还能够将这样的暴露以剂量表征，剂量是能够描述入射辐射伤害用户健康的趋势的等级或相似测量。

但是，上述设备不仅不能在操作的检测阶段区分辐射的类型，并且还要求相对复杂的分析过程来确定暴露的水平和这样的暴露造成的潜在伤害。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于确定用户已经受到的辐射的水平的设备和方法，其与当前技术的装置相比在配置和操作方面更不复杂，并且给出用户暴露在一个或多个危险辐射类型中的快速和准确的指示。

依照本发明，提供了一种用于确定用户已经受到的辐射的水平的检测器，该设备包括多个非易失性存储元件、用于通过在其浮动栅极(floating gate)形成电荷来使得所述存储元件能够被编程的装置、使得作为暴露到辐射的结果已经经历阈值电压偏移的所述存储元件的数量能够被确定的装置，从而能够确定所述用户已受到的辐射剂量。

还是依照本发明，提供了一种用于上述检测器的阅读器设备，该阅读器设备包括用于以下用途的装置，将所述阅读器设备连接到所述检测器，和从那里接收代表作为受到辐射的结果而经历了阈值电压的偏移的存储元件的数量的数据，将所述数据与预定的校准数据比较，和从而确定用户已经受到的辐射的剂量。

本发明扩展到包括如上所述的检测器和阅读器设备的剂量计系统。

仍然依照本发明，提供了一种用于确定用户已经受到的辐射水平的方法，该方法包括：给用户提供如上所述的检测器，从那里获取代表作为受到辐射的结果而经历了阈值电压偏移的存储元件的数量的数据，将所述数据与预定的校准数据相比较，从而确定用户已经受到的辐射的剂量。

在本发明的优选实施例中，所述检测器可以包括闪烁器元件，诸如掺杂的NaI或更高级的材料，这对于本领域技术人员是显而易见的，用于“捕获”一些入射的辐射并且将其转换为UV辐射。因而，在用于X光剂量计系统的检测器的情况下，闪烁器元件(其可以存储元件或屏幕的覆盖层的形式提供)“捕获”在其上入射的一些X光(和更高频的光子)辐射，并且将其转换为UV辐射。在本发明的更简单的版本中，没有提供闪烁器元件，X光剂量和所需的浮动栅极是大的，使得X光的主要量与浮动栅极交互，产生电荷和导致相应的阈值电压偏移。在这种情况下，可以提供滤波器元件用于只允许某种类型的辐射(或在预定频率之上的)到达非易失性存储元件。特别的，该滤波器可以包括UV滤波器，以阻塞UV辐射和允许更高频率的辐射(特别是X光辐射)通过以到达非易失性存储元件。但是，利用提供的闪烁器元件，较低比例的X光与浮动栅极存储元件交互，以便能够提供较小的浮动栅极体积，并且整个检测器可以制造得更小、较不复杂和较不昂贵。

在本发明的一个示例实施例中，所述非易失性存储元件可以阵列的形式提供，以便于制造和最优化集成电路模腔。

阅读器设备优选包括用于编程所述非易失性存储元件的装置，从而消除在这方面对任何附加硬件的需要。检测器设备优选包括用于使阅读器能够与之耦接的接口，以便与之进行硬布线的或无线的通信。在一个优选实施例中，阅读器设备被布置和配置用于从所述检测器设备读取数据，该数据代表由于暴露到辐射中其阈值电压已经偏移的存储元件的数目。校准数据有利的包括预定的校正曲线。

存储阵列的一部分可以用于存储数据，诸如关于预定的一个或多个用户的用户数据和/或表示一个或多个先前的读出操作的时间戳。

附图说明

本发明的这些和其它方面将参考这里所述的实施例加以阐述，并且变得显而易见。

将描述的本发明的实施例只作为例子，并且参考附图，其中：

图1是传统的IGFET设备的结构的横截面示意图；

图2是浮动栅极器件的结构的横截面示意图；

图3是示出依照本发明的示例性实施例的剂量计系统的主要部件的示意性结构图；

图4是示出依照本发明的示例性实施例的确定用户已经受到的辐射水平的方法的主要步骤的示意性流程图；

图5是示出由于X光剂量的作用被擦除的存储单元的比例的简图。

具体实施方式

参考附图中的图1，在一个传统的p沟道隔离栅场效应晶体管(IGFET)结构中，两个p型区域10、12分散到n型基底14以形成源极(S)和漏级(D)。隔离材料(例如SiO₂)层16已经沉积，金属的栅极18叠加在其上。

当传统IGFET的栅电极被修改以结合一个附加的金属隔离物“三明治”(浮动栅极)的时候，该新结构可以作为其中可能有半永久电荷存储而不需要电源的存储器件(即，非易失性存储器)。具有浮动栅极的IGFET的在图2中示出，其基本上是p沟道加强模式器件。该栅电极的结构象三明治般分层：隔离物I(1)，金属M(1)，隔离物(I)2，金属M(2)。

在浮动栅极晶体管中，电荷在浮动栅极上存储以改变其阈值电压，并且当电荷被移除时，该阈值电压返回其初始值。因而，浮动栅极被用作电荷存储区域，并且通过改变该栅极上俘获的电荷的数量，能够改变该器件的阈值电压，从而有效创建电压水平偏移。

参考附图3，依照本发明的示例实施例的X光剂量计检测器设备100包括多个非易失性浮动栅极存储元件102，这些存储元件以阵列104布置，并且优选形成在单个集成电路小片上和容纳在封装之内，以便附着或结合到用户的衣服或身体之内或之上。将理解，非易失性存储元件102的阵列104所覆盖的区域将依赖于预期用户受到的总的辐射剂量。提供闪烁器元件106，其布置和配置在输入辐射108和存储阵列104之间(部分或全部遮蔽存储阵列104)，以便“捕获”一些其上入射的X光辐射并且将之转化为UV辐射。提供了闪烁器元件106意味着入射到浮动栅极存储元件102上的X光剂量少，使得浮动栅极的体积可以减小，从而使得最终的检测器更小并且制造起来更不复杂和不昂贵。如本领域技术人员清楚的，闪烁器元件106可以包括，例如，掺杂的NaI或更多高级的材料，并且依赖于使用的材料可以有显著的厚度，也就是说1厘米的量级。

将理解，在本领域中有许多不同类型的非易失性浮动栅极存储器，并且本发明将不受限于这个方面。例如，可以使用闪存或SONOS(半导体-氧化物-氮化物-氧化物-半导体)存储器，其中可以在栅极结构的氮化物层俘获电荷。

还提供接口电路110，以使得检测器100能够与外部的阅读器设备对接，从而最小化该检测器单元的复杂度(通过消除在检测器单元中结合阅读器功能的需要)。

另外参考附图4，在步骤200，对非易失性存储器102的阵列104编程，以使得所有的存储元件102在浮动栅极上具有一电荷。对浮动栅极存储元件编程可以定义为增加该器件的浮动栅极上俘获的电子数目，而对其解编程或擦除是恰好相反的操作。有多种方法通常用来执行这些过程。一种这样的方法，称为Fowler-Nordheim隧道效应法，通过建立穿过栅极氧化物的强大的场来实现，该场使得电子能够隧穿该氧化物。如本领域技术人员公知的，这种编程和擦除的两个主要准则是保证所述的场强高得足以激活隧道效应，同时保证该场强足以低的阻止氧化物破坏。

另一个编程方法称为热电子注射，其涉及设置穿过器件的V_DS偏压和V_GS偏压。这些条件使得电子能够隧穿沟道，以便隧穿接近漏级的栅极氧化物。

其它方法对本领域技术人员是显而易见的，并且本发明不必受限于这个方面。对非易失性存储元件的编程可以通过使用阅读器设备114来执行(下文对此解释)，但是这不是必须的。可以为此目的提供分离的装置。

在步骤202，一旦已经编程，检测器设备100可以附着到用户的衣服上，例如与传统的剂量计设备类似。或者，该检测器设备可以结合到特殊封装里，以便结合到用户的衣服中。应理解，在任何情况下，不需要电池或其它的电源。

当用户暴露到X光辐射，X光112将穿透滤波器106以到达非易失性存储元件102，导致在一些浮动栅极上的电荷被移除，从而导致在相应的存储元件102中阈值电压发生对应的偏移。对于给定的暴露时间，只有一些浮动栅极可能被Vt(阈值电压)偏移，因为在闪烁器元件106中的X光的随机吸收过程(闪烁器元件也可以称为“吸收转化器”或“荧光体”材料)。随着入射X光的能量变高，吸收长度变大，例如在10Kev，该吸收长度在例如有机玻璃(Perspex)或PMMA中大约为10mm。结果，吸收“事件”不得不视为吸收体中的随机过程。有效的闪烁器每当吸收X光就产生许多光子，并且具有很少自吸收。

在某个暴露时间段之后，在步骤204，可以通过接口110和116将检测器100连接到阅读器114。阅读器114包括电源118，用以提供电能从而读取由于暴露到X光的结果而经历阈值电压偏移的器件102的数目(步骤206)。在一个示例实施例中，还可以提供装置来测量各阈值电压偏移的量，但这不是必须的。基本上，阈值电压偏移的程度可以通过测量具有给定Vgs的器件电流Ids中的变化来测量；并且在浮动栅极器件中，在浮动栅极上的电荷通过增量Vt＝(t*Q)/ε与阈值电压中的变化相关联，其中Q是浮动栅极上的电荷，t和ε分别是栅极氧化物厚度和介电常数。原则上，存储器中的每个器件必须一个一个读出，并且电流被放大和与在一些固定的电阻器上的电压降比较(在非常原始的版本中)。但是，在许多嵌入式存储过程中，对这样的非易失性存储器件的读出是标准的。读出该芯片的另一种方法是，制造两个相同的芯片，一个芯片经受X光和UV光，另一个封装在铅中(因而阻挡了所有的入射辐射)，从而后一个芯片充当“控制阵列”，然后可以在剂量计芯片和屏蔽的芯片之间比较各个MOS晶体管的电流。本领域技术人员将理解，在任何情况下，读出非易失性存储器的过程是相当快的，即对于很多兆的像素在＜1秒的量级。

然后，处理装置120采用预定的但是普遍的校准曲线，从V_T偏移的存储元件102的数目来确定用户已经受到的总的X光剂量(步骤208)。为了将被擦除的存储单元的数目转化为X光暴露剂量，上述的校准曲线是必须的。这样的曲线至少依赖于以下所有因素：闪烁器材料，闪烁器体积，检测器封装的吸收性能，在UV光和浮动栅极之间的耦合，浮动栅极氧化物厚度和渗透性，栅极长度和宽度，“像素”(即非易失性存储元件)的电源电压和强度和大小。可以通过将剂量计设备暴露到已知剂量的X光并且测量被擦除的单元的数目作为剂量的函数，来确定该曲线，在图5中提供了这样的曲线的简图作为例子，该图示出了阈值X光剂量A(在此存储单元开始被擦除)和饱和剂量B(当所有存储单元已经被擦除)。

另外，存储阵列104的部分可以用来存储数据，诸如用户信息或者表示关于检测器100执行的前一次读出操作的时间戳。

最后，可以将检测器阵列重置(在步骤210)，以备以后再用，通过首先擦除阵列104的所有非易失性存储元件102(使得在各浮动栅极上的所有电子都被移除)，随后象以前一样在所有浮动栅极上放置电子。该重置过程可以由阅读器114来再次执行。

应该认识到上述实施例是为了说明而不是限制本发明，本领域技术人员将能够设计许多替代实施例而不偏离随附权利要求所定义的本发明的范围。在权利要求中，括号中的任何参考符号不视为限制权利要求。词“包括”、“包含”等不排除在任何权利要求或说明书中作为整体列出的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。对元件的单数引用不排除对该元件的复数引用，反之亦然。本发明可以通过包括若干不同元件的硬件或适当编程的计算机来实现。在列举若干装置的设备权利要求中，若干这样的装置可以实现为一个和相同的硬件项。在相互不同的从属权利要求中列出某些措施的事实并不意味着不能使用这些措施的组合获益。

Claims

1.一种用于确定用户已经受到的辐射水平的检测器(100)，该设备包括多个非易失性存储元件(102)、用于通过在其浮动栅极形成电荷来使得所述存储元件(102)能够被编程的装置(110)、使得作为暴露到辐射(112)的结果已经经历阈值电压偏移的所述存储元件的数量能够被确定的装置(110)，从而能够确定所述用户已受到的辐射剂量(122)。

2.依照权利要求1所述的检测器(100)，其中所述非易失性存储元件(102)以阵列(104)的形式提供。

3.依照权利要求1所述的检测器(100)，包括闪烁器元件(106)，其用于将其上入射的部分高频辐射转化为UV辐射。

4.依照权利要求1所述的检测器(100)，还包括滤波器，其用以只允许某种类型的辐射或者在预定频率之上的辐射到达所述非易失性存储单元(102)。

5.依照权利要求1所述的检测器(100)，其中所述多个非易失性存储元件(102)的一部分用于存储数据，包括与预定的一个或多个用户相关的用户数据和/或表示一个或多个先前的读出操作的时间戳。

6.依照权利要求1所述的检测器(100)，包括接口(110)，使得阅读器(114)能够与之耦接以便与之进行硬布线或无线的通信。

7.一种与依照权利要求1的检测器(100)一起使用的阅读器设备(114)，该设备包括装置(116)，其用于将所述阅读器设备(114)连接到所述检测器(110)，和从那里接收代表作为受到辐射的结果(112)而经历了阈值电压的偏移的存储元件(102)的数量的数据，将所述数据与预定的校准数据比较，和从而确定用户已经受到的辐射的剂量(122)。

8.依照权利要求7所述的阅读器设备(114)，还包括用于编程所述非易失性存储元件(102)的装置。

9.依照权利要求7所述的阅读器设备(114)，布置和配置为从所述检测器(100)读取代表作为受到辐射的结果(112)而阈值电压发生偏移的存储元件(102)的数量的数据。

10.依照权利要求7所述的阅读器设备(114)，其中所述校准数据包括预定的校准曲线。

11.一种包括依照权利要求1所述的检测器(100)和依照权利要求7所述的阅读器设备(114)的剂量计系统。

12.一种依照权利要求11所述的X光剂量计系统。

13.一种依照权利要求12所述的X光剂量计系统，其中所述检测器(100)包括闪烁器元件(106)，用以将一部分在其上入射的X光辐射转化为UV辐射。

14.一种确定用户已经受到的辐射的水平的方法，该方法包括，给用户提供依照权利要求1所述的检测器(100)，从那里获取代表作为受到辐射的结果(112)而经历了阈值电压的偏移的存储元件(102)的数量的数据，将所述数据与预定的校准数据比较，和从而确定用户已经受到的辐射的剂量(122)。