CN1033719C - 辐射探测器 - Google Patents

Abstract

一种监测核辐射的方法，包括取一氮杂质，浓度小于150ppm的金刚石辐射传感元件，该传感元件受到核辐射的作用，同时用选定波长或波长范围(最好在紫外或近紫外范围)的光激发传感元件，由该传感元件产生发射光。通常，该传感元件装在光纤的端部，光纤的另一端用来将激发光引至传感元件并将由传感元件产生的发射光引至光电倍增管。本发明包括实施此法的装置。

Description

本发明涉及监测核辐射的方法及监控核辐射的传感器和装置。

由经过选择的放射源的核辐射治疗诸如癌患者已属公知。为使这种治疗收到最大的效果并使副作用减至最小，重要的在于要监测释放的辐射剂量并确保将这种剂量送至正确的部位。

用Co⁶⁰源的辐射及电子束消毒医用制品以及处理食品以延长其贮存期也都是愈来愈成为公知的了，为使这类处置收到最大的效果，重要的在于要监测加到各制品或包装的辐射剂量，并确保加到包装内所有制品的剂量均在国际公认的限制以内。

本发明目的在于提供一种监测核辐射的方法，使在以核辐射治疗患者的情况下，能正确监测辐射剂量及确保将该剂量加到正确的部位，以及在将核辐射用于医用制品的消毒及处理食品的情形下，能正确监测加到各制品或包装的辐射剂量，并确保该剂量是在国际认可的范围内。

按照本发明，一种监测核辐射的方法包括：

取一氮杂质浓度小于150ppm的金刚石传感元件；

使该传感元件受到核辐射的作用；

用选定波长或波长范围的光激发该传感元件；

监测由该传感元件产生的发射光。

本法最好包括用同一光波导激发传感元件及监测从它所产生的发射光。

该光波导可为光纤，传感元件置于光纤的第一端，激发光加在光纤的第二端，所产生的发射光也在光纤的第二端受到监测。

光纤的第二端最好有一输入部分和一输出部分，激发光就加到输入部分，所产生的发射光则由输出部分监测。

所产生的发射光可穿过一滤光片，该滤光片透过与所产生的发射光相对应的频谱范围的光。

通过滤光片的发射光由光电倍增装置得到放大，给出一个与发光强度相对应的电信号，此电信号经处理，得到入射到传感器上的辐射强度的显示。

传感元件可用作体内辐射传感器，这种情况下，将其放在受到辐照的位置。

传感元件可放到患者体内，或放入人体的开口内。

传感器可放在已置于患者体内的第一探针或医用导管中。

可将至少一个核辐射源放到第二探针或导管中，第二探针或导管被放在患者体内，靠近第一探针或导管附近。

本法还可包括相对于传感元件调整放射源位置，从而得到总照射剂量和剂量特性曲线。

在本发明的又一实施例中，传感元件可设在被照射的物体上或附在其上。例如，可借助粘附剂将传感器附着在物体上。

本法可包括按规定的标准，根据所监测的由传感元件产生的发射光调整所加的核辐射和辐照时间，辐照强度或作用位置的步骤。

进而，按照本发明的监测核辐射的传感器包括：

一个选择其氮杂质浓度小于150ppm的金刚石辐射传感元件；

一个适于附着或固定到传感元件上的光波导，该光波导有一个可将选定波长或波长范围的光送入以激发传感元件的输入部分和一个可将来自传感元件所产生的发射光引至监测装置的输出部分。

光波导最好为光纤，具有固定到或装在传感元件上的连接位置处的第一端和分叉的第二端，形成传感器的输入部分和输出部分。

光纤可具有借助诸如胶粘剂或夹紧装置固定到或安装在传感元件上的连接位置处的第一端和分叉的第二端，以形成传感器的输入部分和输出部分。

按照本发明的又一实施例，监测核辐射的传感器包括：

一个选择氮杂质浓度小于150ppm的金刚石传感元件；

一个不透光的室确定一腔，传感元件就支撑于其中；

一个探头，它可与室内的腔相结合，包括至少一个具有输入部分和输出部分的光波导，输入部分可送入选择波长或波长范围的光，以激发传感元件；输出部分可将传感元件所产生的发射光引向监测装置。

探头最好至少支承第一光纤，它具有可送入选定波长或波长范围光的输入部分和将光引至传感元件以激发之的输出部分；探头还支承第二光纤，它具有接收由传感元件所产生的发射光的输入部分和将该发射光引向监测装置的输出部分。

探头可包括一管状主体，第二光纤就轴向地配置于其中，还有若干个第一光纤围绕并平行于第二光纤而配置，使得来自第一光纤输出部分的光引至所用的传感元件外围的区域。同时，来自传感元件内部区域的发射光由所用的第二光纤内部所接收。

不透光室的腔可用一个膜来封闭。当探头与该腔接触时，探头的尖可穿透该膜。

不透光室可包括诸如粘附层的紧固装置，以将该室固定在一个表面上。

最好选择传感元件氮杂质浓度在10～150ppm之间；最好是在10至60ppm之间。

还可选择本传感元件具有0.1至10ppm范围内的硼浓度。

进而，按照本发明的监测核辐射的装置包括一个如上所述的传感器，一个用以产生选定的波长或波长范围的光的光源，以及可以接收来自该传感器的发射光的监测装置。

光源可包括电灯(如水银灯)、发光二极管(LED)或激光装置，它们给出紫外或近紫外范围的强输出。

监测装置可包括光电倍增管或者其它光放大装置。

光电倍增管可带有滤光片，它透过预先选定的与所期望从传感元件来的发射光相对应的波长范围的光，并截止从光源来的光。

最好选择滤光片透过波长在420到550nm之间的光。

最好滤光片通过波长在516至536nm之间的光。

本监测装置可包括放大装置，用来放大光电倍增装置的输出，还包括处理装置，用来得到入射到传感元件的辐射强度的显示。

图1a、1b和1c是本发明装置的一个实施例的示意图；

图2a和2b是另一实施例的示意图；

图3是本发明一般使用的金刚石传感元件在波长为420至550nm的范围内的发射光的强度分图；

图4是传感元件的发射光的强度随时间而减弱的特性图；

图5显示了经不同激发光源照射后的金刚石传感元件的发射光的相对强度(相对于金刚石传感元件的质量)与照射剂量的关系。

用核放射源照射患者的肿瘤存在许多问题。特别是那些辐射必须送到深处部位，而对所加的辐射剂量做体内测量是极为困难的。

图1a表示一个辐射传感器，由光纤12端部的一个小金刚石元件10所组成，所示的传感元件10有一平坦的接触面靠近或者邻近光纤的端部，以便在二者之间有良好的光传输。传感元件10的直径一般小于1毫米，光纤12的直径更细。传感元件可以机械地固定或夹在以光纤为基准的位置上，或者可用适当的胶粘剂或接合剂固定。

金刚石传感元件具有与热释光探测器用的传感元件相类似的特性。金刚石的氮杂质浓度小于150ppm，而且最好在10到150ppm之间。最佳的氮杂质浓度范围在10至60ppm之间。这种金刚石属于低到中等氮浓度类。比较理想的是，传感元件还包含浓度在0.1到10ppm之间的少量硼杂质，以改善传感器响应的直线性。

金刚石传感元件可选择天然金刚石，不过通常为用常规技术制成的金刚石。譬如，传感元件可以是人造金刚石晶体，或者可包含一层用化学汽相淀积(CVD)方法在基底上沉积结晶金刚石或多晶金刚石。后一种情况下，要得到具有易于附在光纤口端部的平面的传感元件，则相对地讲要容易些。

光纤的远离传感元件10的一端分叉成为输入部分14和输出都分10。输入部分14与能给出包含紫外辐射输出的水银灯18相连。输出部分16经滤色片22与光电倍增管20相连。光电倍增管20的输出经放大器24连到监测电路26。光纤可能相当长，譬如在25到50厘米之间，并可插入一中空的皮下探针28中，探针具有密封的端部以及大约为1毫米或更小的内径。为将传感器放入患者体内，将探针28插入到选定位置所需深度，然后可将传感器自探针的开口端送入其中。

图1b中所表示的第二探针30靠近探针28附近。探针30中插有包含细铝丝或钢丝32的核放射源丝，沿着细丝的长度方向间隔地带有多个放射源34。例如，放射源34可由铱(同位素I¹⁹²)组成，这是β和γ源。每个源34的直径约为0.5毫米，长为几毫米。使用时，在任何时刻都可插入几个带放射源的探针，比如在一个部位处可使用多达18个探针。通常应将源丝以预定的次序插入所选定的探针中。

图1c表示图1b结构的变型。在这种结构中，探针30是一样的，但细铝丝或钢丝32的端部带有单独一个放射源34。使用时，将探针30插入患者体内，将若干个带有辐射传感元件10的探针28按预定的排列方式插在它周围。将放射源34完全插入探针30中或插到一个预定的深度，然后定时地分阶段抽出，使其沿着探针30的长度方向上预定的点维持一希选定的停留时间，于是，就施加了预定的辐射剂量，它具有所需的剂量曲线。处在探针28内的传感元件10围绕着探针30，可以精确地监测所加的剂量。换句话说，可以监测瞬时测得的剂量，并改变探针30的位置，和/或改变放射源34在探针30中的位置，得到所需的总剂量和剂量曲线。通常要计算这种剂量和讲量曲线，以便使患者体内的肿瘤或者其它靶区受到预定剂量的辐照。

也可使用柔韧的医用导管代替坚硬的探针28和30来容纳辐射传感元件10和放射源34。在某些应用中，使用柔韧导管可能更好些。

金刚石传感元件受到来自邻近的辐照探针中放射源丝的放射性的作用。因而，该传感元件可用来实时地监测一个特定部位的辐照剂量。如果此传感元件受到紫外光照(或者可能的话受到其它波长光的照射)作用，那么它就要被激发以发射光，发光的强度和光谱都与入射到传感元件的辐射强度及类型有关。这样，为了监测的选定的部位的辐射强度，用来自灯13的光照射传感元件一段预定的时间，再经光纤的输出部分及滤光片22将由传感元件产生的发射光送至光电倍增管20。滤光片22透过516至536nm范围内的发射光，当用波长接近296nm的紫外光激发传感元件时，其发射谱在420至550nm范围内表现很强的发光。当然，也可以使用具有在420到550nm范围内稍微不同的透过带宽的滤光片，滤光片的用途在于透过金刚石传感元件发射的光，而不透激发光。图3表示发明中所用的金刚石传感元件的响应特性，它是经γ辐射照射后，由296nm的紫外光激发的。图4表示对于各种辐照时间传感元件的响应特性。

可将光电倍增管的输出送至放大器24，再送到监测电路26，以便进一步处理。监测电路26可以简单地是一显示器，在任何特定时刻给出入射到传感器元件10上的辐射强度的显示。不过，在较为复杂的装置中，监测电路26包括带辅助存储器的处理电路，用以记录作为时间函数的测得的辐射水平。这种装置可有多条输入通道，接收多个传感器的输出。这种装置还可给出输出以直接或间接地控制对患者的辐照。

可用紫外激光器、发光二极管(LED)或其它光源代替水银灯18。任何能从照射的金刚石传感元件激发有用的发射光的光源均可使用。最好选择波长在296nm左右的紫外光，不过也可使用波长小于约400nm的近紫外范围的光。某些情况下还可使用可见光。图5表示使用两个不同的激发光源自被照射的金刚石传感元件发射的光强(相对于金刚石传感元件的质量)。图5中左边的曲线表示传感器对波长为405nm的近紫外光的响应，而右边的曲线表示传感器对波长为206nm的紫外光的响应。较长波长的光与金刚石传感器中的浅层陷阱相互作用，所有的载体陷阱均由较小辐照剂量所引起，而较短波长的光激发强辐射剂量所引起的深层陷阱载体。两种情况都可看到辐射剂量与发射的光强之间的关系在很宽的范围内基本都是线性的。一般地说，激发光源应当产生比期望由传感器发射的光波长短的光。光电倍增管20及与之相连的滤光片22可由其它光敏装置所代替。

本发明使得可对加给患者的辐射剂量做精确的体内监测，即使将辐射加到患者体内较深的部位。金刚石传感元件良好的组织等价性改善了辐射测量的可靠性。

本发明的各种其它应用都是可能的。譬如，本发明的传感器可用于塑料加工以及食品包装/处理的应用中。在这些情况中，热读出是不实际的，在塑料加工情况下还涉及到高放射性等级(10000戈瑞)在核动力工业中，本发明的传感器可用来测量停堆期间或运行中的辐射等级。这里的传感器中不用电导体以及光纤耐照射都是有价值的。本发明的探测器尺寸小，使用方便以及它们适于进行现场显示，这些都使本发明的探测器可用于对泄漏的放射性示踪。

图2a和2b表示本发明的第二个实施例。图2a表示一个探测头或探针，它包括一个外部金属管30，沿着管子内表面轴向地布置有一套光纤32。光纤32与一输入光纤34相连，可将来自水银灯36或者类似光源的选定波长的光送给光纤34。此探头还包括一个进一步容纳光纤40的中央金属管38。图中光纤40在探头的最左端处有一输入部分，还有一个输出部分42，它把由输入部分测得的光引至光电倍增管44或类似的装置中。

正如图1a、1b和1c的实施例那样，光电倍增管装有滤光片46并向放大器48及监测电路50给出一个输出。

图2b表示一个传感元件。该传感器有一不透光的室52，它下带有一层双面胶粘带或者其它的胶粘材料54，以将该传感器固定在要辐射的物品或包装物上。传感器内部是一个具有平的上表面且直径一般小于1毫米的金刚石传感元件56。在其它方面，传感元件56与图1a的传感元件10相类似。传感器室的顶部58由可被探测器尖端穿透的橡胶制成。本传感器可像一个钮扣电池那样小。

使用本传感器时，用双面胶粘带54将其附着于选定的产品或包装物上。辐照处理之后，将探测器或探头的尖端压入保护传感元件56的橡胶部分58中，使探头的端部靠紧传感元件。使灯36工作，经光纤32的输出端照明传感元件56一段预定的时间，则传感元件产生的发射光由光纤40的输入端所测得，再经其输出部分42，经滤光片46送至光电倍增管44。

在一个相对地简单些的装置方案中，监测电路50可以简单地为一显示器，给出被传感元件56所接收的辐射剂量的显示。不过，在比较复杂的装置方案中，可将监测电路50构成使测量的辐照剂量与条型码阅读器和输入信号有关，从而使辐量剂量与由条型码所标志的特定物品或包装相关连，以便进行质量控制。

该实施例特别适于监测强放射性剂量，比如用于辐射消毒业及辐照处理业中。小型传感器52可用来监测加到物品的选定部位(无论在其表面亦或内部)的辐照剂量。使用波长为296nm的激发光可进入金刚石传感元件内较深的陷获能级，这种能级主要对强放射性剂量灵敏。金刚石的原子序数为6，这就使得所描述的这类传感器特别适用于监测加于低原子序数的材料或制品，如皮下注射器、食品及某些医药制品的照射剂量。

Claims (25)

1.一种监测核辐射的方法，包括：

取一个氮杂质浓度小于150ppm的金刚石辐射传感元件，并将之置于一光纤的第一端；

将该传感元件置于被监测物体之上，或靠近该被监测物体的地方；

使该传感元件和该物体接受核辐射；

其特征在于：

通过所述光纤的第二端将激发光加于所述传感元件，该激发光的波长范围短于由所述传感元件所发射的光的波长；

使所述传感元件发射的光通过一滤光片，该滤光片拒绝较短波长的激发光；

在所说光纤的第二用光电倍增器监测发自传感元件的经过滤的光，以提供对应于光发射强度的电子信号，处理该电子信号以导出入射于所述传感元件的辐射强度的显示。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述传感元件插入被插入患者体内的第一探针或医用导管内。

3.如权利要求2所述方法，特征在于，将至少一个核放射源置于第二探针或医用导管内，第二探针或导管被插入于患者体内，靠近所述第一探针或医用导管。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，包括按照规定的标准，根据所监测的由传感元件所产生的发射光调整所加给的核辐射的辐照时间、辐照强度及作用部位的步骤。

5.一种如权利要求4所述的方法，其特征在于，它还包括调整至少一个放射源相对于所述传感元件的位置，以得到所需要的总照射剂量和剂量特性曲线的步骤。

6.一种监测核辐射的装置，包括：

一个金刚石辐射传感元件，其氮杂质浓度小于150ppm，和

一个适于附着于或靠按近于传感元件的光波导；

其特征在于：该光波导具有接收激发传感元件的选定波长范围的光的输入部分，该选定波长或波长范围短于传感元件所发射光的波长，和能将由传感元件产生的发射光引至监测装置的输出部分；

该装置还包括：

一个滤光片，它拒绝较短波长的激发光，并让发自所述传感元件的光通过；

一个光电倍增器，用以放大经过滤的发射光，并提供一个对应于发射光的强度的电子信号；和

一个处理电路，用以将所述电子信号转换为入射到所述传感元件上的辐射强度的显示。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光波导为一光纤，光纤的第一端固定于或靠近装在传感元件的接触部位，光纤的第二端分叉，形成传感器的输入部分和输出部分。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述传感元件以粘接方式固定到光纤的第一端。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述传感元件和光纤的第一端由机械夹紧装置接触安装在一起。

10.一种监测核辐射的装置，包括：

一个金刚石辐射传感元件，其氮杂质浓度小于150ppm；

其特征在于，该装置还包括：

一个不透光的室确定一空腔，传感元件支承于腔内；

一个可与室内的腔相连接的探头，探头包括至少一个光波导，光波导具有可接受波长或波长范围短于传感元件所发射的光的波长或波长范围的光的输入部分，以激发该传感元件和可将由传感元件产生的发射光引至监测装置的输出部分；

一个滤光片，它拒绝波长较短的激发光，并让传感元件所发射的光通过；

一个发光电倍增器，用以放大被过滤的发射光，并提供一个对应于发射光的强度的电子信号；和

一个处理电路，用以将所述电子信号转换为入射到所述传感元件上的辐射强度的显示。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述探头支承着至少一个第一光纤，它具有中接收选定波长或波长范围的光的输入部分和将此光引至传感元件上并将之激发的输出部分，探头示支承着第二光纤，它具有可接收由传感元件产生的发射光的输入部分和将此发射光引到监测装置的输出部分。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述探头包括一管状主体，沿着主体的轴向布置有第二光纤，在第二光纤周围并与之平行地布置着多个第一个光纤，从而将来自第一光纤输出部分的光引至使用中的传感元件的外部区域，而来自传感元件内部区域的发射光由使用中的第二光纤输入部分所接收。

13.如权利要求10或11所述的装置，其特征在于，所述不透光室的腔由薄膜封闭，当探头与腔相连时，探头的尖端可穿过该薄膜。

14.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述不透光的室包括将该室固定到一个表面上的紧固装置。

15.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述金刚石传感元件具有10至150ppm的氮杂质浓度。

16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述传感元件有10至60ppm的氮杂质浓度。

17.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述传感元件具有0.1至10ppm范围内的硼浓度。

18.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括一光源，用以产生具有选定波长范围的光。

19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述光源提供紫外或近紫外范围内的强输出。

20.如权利要求19所述装置，其特征在于，所述光源为水银灯、发光二极管或激光装置。

21.一种如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述滤光片透过波长在420至550nm的光。

22.一种如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述滤光片透过波长在516至536nm的光。

23.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述金刚石传感元件具有10至150ppm的氮杂质浓度。

24.如权利要求10所述的装置，其特征在于，还包括一光源，用以产生具有选定波长范围的光。

25.一种如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述滤光片透过波长在420至550nm的光。

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