CN106093998B - 高能射线探测模组及包括其穿戴式设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及辐射检测技术领域，公开了一种高能射线探测模组及包括其的穿戴式设备。该高能射线探测模组包含光电PIN探测器、基板和屏蔽罩。PIN探测器位于屏蔽罩与基板形成的空间内，屏蔽罩在PIN探测器所在位置预留有探测窗口，PIN探测器用于检测从探测窗口进入的高能射线，转换成电流信号。与现有技术相比，本发明不仅可极大地减小设备体积，而且能够准确地检测出高能射线及其剂量，从而进一步提高高能射线检测的便捷性。

Description

高能射线探测模组及包括其穿戴式设备

技术领域

本发明涉及辐射检测技术领域，特别涉及一种高能射线探测模组及包括其的穿戴式设备。

背景技术

目前，核科学技术已广泛应用于国防、工业、能源、医疗等领域，并带来了巨大的经济效益和社会效益，但同时人们接触各种辐射并受其威胁的机会也在不断增加。因此，辐射安全的问题一直备受关注。

辐射检测技术的快速发展使得人们可以快速识别出辐射的强度，便于采取有效的安全防护措施。但是传统的盖革计数器、光电倍增管以及闪烁探测器设备体积较大，操作复杂，价格昂贵，极大地限制了其推广应用。

随着人们对辐射安全的关注度不断提高，人们迫切希望高能射线的检测能够更加方便。因此，如何进一步减小高能射线探测设备的体积，以及进一步降低高能射线探测设备的制造成本成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高能射线探测模组及包括其的穿戴式设备，其不仅可极大地减小设备体积，而且能够准确地检测出高能射线及其剂量，从而进一步提高高能射线检测的便捷性。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种高能射线探测模组，包含：光电PIN探测器、基板和屏蔽罩；所述PIN探测器位于屏蔽罩与基板形成的空间内，所述屏蔽罩在PIN探测器所在位置预留有探测窗口；所述PIN探测器用于检测从所述探测窗口进入的高能射线，转换成电流信号。

本发明的实施方式还提供了一种穿戴式设备，所述穿戴式设备集成了上述的高能射线探测模组。

本发明实施方式相对于现有技术而言，通过集成较少数量的光电PIN探测器，并利用其将检测到的高能射线转换成电流信号，从而十分方便地实现了对高能射线的检测；并且，通过将光电探测器置于屏蔽罩内，可极大程度地屏蔽掉干扰射线(例如:可见光)，由于在屏蔽罩上预留探测窗口，使得光PIN电探测器通过预留的探测窗口捕获高能射线，从而实现对高能射线的准确检测。进一步地，通过将高能射线探测模组集成至智能设备或穿戴式设备，使得用户无论走到哪里，均可根据实际需要，利用智能设备或穿戴式设备的显示屏或者报警器获取当前环境中的高能射线粒子剂量，从而方便地为用户提供环境安全系数参考。

另外，所述高能射线探测模组还包含ASIC处理芯片；所述ASIC处理芯片用于对所述PIN探测器输出的电流信号进行放大，并转换成电压信号；所述电压信号进行脉冲成形和滤波处理，并对脉冲幅度进行甄别，输出数字信号，供后续电路处理。通过集成ASIC处理芯片，对PIN探测器输出的电流信号进行放大，极大地提高了信噪比，再将放大的电流信号转换成电压信号，进而对得到的电压信号进行脉冲成形和滤波处理，然后对脉冲幅度进行甄别，可十分有效地提取高能射线强度信号，最后经数模转换，输出高能射线辐射强度的数字信号，从而极大地提高了探测模组的实用性。

另外，所述ASIC处理芯片包括硅衬底，硅衬底上制作有电流放大器、电流电压转换器、脉冲成形和比较器。通过将电流放大器、电流电压转换器、脉冲成形和比较器集成在一片硅衬底上，进一步提高探测模组的集成度，使得该高能射线探测模组的整体体积更加小巧，便于推广使用。

另外，所述PIN探测器对应探测窗口的正上方贴合有一介质层，所述介质层的上表面与所述屏蔽罩保持一致的高度。通过在探测窗口的正上方贴合一介质层，可有效透过高能射线，并进一步屏蔽掉可见光，从而提高高能射线检测的准确性。

另外，所述介质层的材料为钹或铝。钹或者铝均可以有效地透过高能射线，并且可以屏蔽可见光，进一步提高高能射线检测的准确性。

另外，所述PIN探测器是光电二极管。通过对光电二极管进行特殊处理，例如是衬底的高能度掺杂，隔离二氧化薄膜的生长参数与厚度控制，以及PIN探测器的封装与屏蔽结构等，使之可灵敏地响应高能射线。

另外，所述高能射线探测模组还包含电源管理电路；所述电源管理电路为所述PIN探测器提供反向偏压。通过电源管理电路为PIN探测器提供反向偏压可以有效保证PIN探测器检测的灵敏度。

另外，所述高能射线探测模组以邮票孔或球型封装BGA形式引出信号线。通过邮票孔或者球型BGA封装形式引出高能射线探测模组的信号线，可方便地实现大规模、批量化生产，进一步降低成本。

另外，所述高能射线探测模组还包含处理器MCU；所述MCU用于对所述ASIC处理芯片输出的数字信号进行标定，并输出有效的射线粒子剂量数据。通过MCU对ASIC处理芯片输出的数字信号进行标定，并输出有效地射线粒子剂量数据，使得用户能十分方便地得知当前环境含有高能射线的情况。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的高能射线探测模组的结构示意图；

图2是根据本发明第一实施方式的对光电二极管施加反向偏置电压时PN结内建电场形成暗电流的结构示意图；

图3是根据本发明第一实施方式的光电二极管在高能射线照射时形成光电流的结构示意图；

图4是根据本发明第一实施方式的高能射线探测模组的电路图；

图5是根据本发明第二实施方式的高能探测模组的结构示意图；

图6是根据本发明第二实施方式的高能射线探测模组的电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种高能射线探测模组，该高能射线探测模组采用光电PIN探测器进行高能射线检测。如图1所示，高能射线探测模组包含：PIN探测器1、基板2、屏蔽罩4。PIN探测器1位于屏蔽罩4与基板2形成的空间内，屏蔽罩4在PIN探测器1所在位置预留有探测窗口，并且PIN探测器1用于检测从探测窗口进入的高能射线，并将检测到的高能射线转换成电流信号。

具体地说，基板2上设有PIN探测器1，光电PIN探测器1呈阵列排列，基板2上布置有PIN探测器1的一侧设有屏蔽罩4，屏蔽罩4用于将PIN探测器1与外界隔离。并且，屏蔽罩4在PIN探测器1所在位置预留有探测窗口,使得穿过该探测窗口的高能射线直接入射到PIN探测器1上。

值得一提的是，屏蔽罩4例如可以采用不锈钢材质制作成矩形罩体焊接于基板2上。屏蔽罩4用于屏蔽电磁干扰和周围的各种热噪声干扰，使得检测结果更精确。然而，此种举例仅是帮助理解，任何可以实现本发明的屏蔽罩及其安装方式均在本发明的保护范围内。

此外，PIN探测器1对应探测窗口的正上方贴合有一介质层3，该介质层3的上表面与屏蔽罩4保持一致的高度。本实施方式类似于在屏蔽罩4上开了一个窗口，在实际应用中，该介质层的材料可以采用钹或铝。也就是说，在屏蔽罩4上开设钹窗口或铝窗口，从而可以屏蔽一般的可见光，更好地通过高能射线，使得高能射线的收集更精确。

需要说明的是，PIN探测器1可以采用光电二极管。该光电二极管实际上是加了反向偏置电压的PN结。而高能射线探测模组还包含电源管理电路，其可以为PIN探测器提供反向偏压。

以下描述光电二极管的工作流程，来说明光电二极管是如何将接收到的高能射线转换成电流信号的。本实施方式通过对光电二极管做特殊处理，使其可灵敏地响应于高能射线，而屏蔽一般的可见光，保证了检测的准确性。如图2所示，在无射线条件下，若给光电二极管的PN结施加一个适当的反向电压，则该反向电压加强了内建电场，使得PN结的空间电荷区拉宽，势垒增大，流过PN结的电流(亦称反向饱和电流或暗电流)很小，因为暗电流是由少数载流子的漂移运动形成的。

如图3所示，当光电二极管吸收了一定量的高能射线，则在PN结结区内产生由射线激发的载流子(称作光生载流子)，光生载流子将PN结的内建电场E拉开，光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，于是在外加电场的作用下形成了以少数光生载流子漂移运动为主的光电流。显然，光电流比无射线时的暗电流大得多。并且射线剂量越大，在同样条件下产生的光生载流子越多，光电流亦越大；反之，则光电流愈小。因此，当高能射线入射到光电二极管的敏感表面上时，会在PN结的整个耗尽区附近引起受激跃迁现象，从而产生电子空穴对。产生的电子空穴对在外部电场作用下定向移动，被电极收集产生电流。

此外，该高能射线探测模组还包含ASIC处理芯片5。其中，PMU电源管理模块6连接于ASIC，用于对其提供电能。ASIC处理芯片包括硅衬底，硅衬底上制作有电流放大器、电流电压转换器、脉冲成形和比较器。通过采用超大规模集成电路技术(Very Large ScaleIntegration,简称VLSI)，使得整个ASIC处理芯片的封装体积可以极大地减小，而批量化生产更可使得硬件成本极低。并且，高能射线探测模组可以采用邮票孔或球型封装BGA形式引出信号线。邮票孔封装以及球型BGA封装形式均十分适用于模块封装，并且该两种引脚封装形式生产效率高。具体地说，电流放大器CSA用于对PIN探测器输出的电流信号进行放大，电流电压转化器将放大后的电流信号转换成电压信号，而脉冲成形PS滤波器用于将转换得到的电压信号进行脉冲成形、滤波处理，比较器COMP通过对得到的脉冲幅度进行甄别，最后A/D模数转换器将比较后的模拟信号转换成数字信号输出。

与现有技术相比，本实施方式的高能射线探测模组可以集成在指甲盖面积大小的芯片上，使得其能方便地搭载于各种便携式设备上，检测十分方便；并且，由于屏蔽罩的屏蔽作用以及探测窗口的高能射线专用透过通道，使得其屏蔽性能较好，可极大地提高高能射线检测的精确度。

本发明的第二实施方式涉及一种高能射线探测模组，本实施方式在第一实施方式基础上做了进一步改进，其改进之处在于：在第二实施方式中，高能射线探测模组还包含处理器MCU7，通过MCU7对ASIC处理芯片输出的数字信号进行标定，从而可以输出有效的射线粒子剂量数据。

如图5、6所示，高能射线探测模组包含：PIN探测器1、基板2、ASIC处理芯片5、PMU电源管理电路6、以及MCU7。其中，光电PIN探测器、ASIC处理芯片以及PMU电源管理电路的结构及用途同第一实施方式，在此不再赘述。MCU连接于ASIC处理芯片和PMU电源管理电路。PMU电源管理电路用于给MCU提供电源。MCU用于对ASIC处理芯片输出的高能射线辐射强度的数字信号进行标定，并输出有效的射线粒子剂量数据。通过输出高能射线粒子剂量数据可以给予用户更清晰的提醒，便于用户采取更合适的防护措施。

需要说明的是，可以通过以下方式对从ASIC接收到的数字信号进行高能射线粒子有效剂量的标定：

将系统放置于标定环境中，利用标准的放射性辐射源，在防辐射的标定室内，通过机械手控制辐射源的辐射剂量、辐射距离、环境温度等参数，读取系统的AD值，作为标准数据库参数，完成剂量与距离、时间、温度等的关系曲线。

值得一提的是，本实施方式中的高能探测模组还可以包含显示屏和/报警器。显示屏和/报警器分别连接于MCU和PMU电源管理模块。PMU电源管理模块用于给显示屏和/报警器提供电源，而MCU用于输出控制信号给显示屏和/报警器，该控制信号用于控制显示屏显示检测出的经标定的高能射线粒子剂量，或者用于控制报警器根据检测出的高能射线粒子剂量发出报警信号。

本发明的第三实施方式涉及一种智能设备，其包含如第一、二实施方式所述的高能射线探测模组。具体地说，可以将高能射线探测模组集成至智能设备内部。比如，可以在智能设备的背面，设置与探测窗口一致的高能射线入射口，从而将高能射线探测模组整体置入智能设备内部。为了更好地保护探测窗口的介质层，还可以在介质层的表面贴附一层高透光防水保护层，例如石墨烯层。通过将高能射线探测模组集成至智能设备，例如智能手机。用户无论走到哪里，均可根据实际需要，利用智能设备自置的显示屏或者报警器获取当前环境中的高能射线粒子剂量。

本发明的第三实施方式涉及一种穿戴式设备，其包含如第一、二实施方式所述的高能射线探测模组。值得一提的是，本实施方式高能射线探测模组的基板可以采用柔性基板，其可使得该高能射线探测模组整体能够良好地贴附于起伏的表面。比如，具有柔性基板的高能射线探测模组整体可以安装于肩章或者胸章内，并在肩章或者胸章表面设置探测窗口，更可在探测窗口介质层表面贴附高透光保护层，例如石墨烯层。由此可见，本实施方式具有极强的便携性，随身携带，使用非常方便。

此外，通过将高能射线探测模组集成至穿戴式设备，例如智能手环，用户无论身处何种环境，均可根据实际需要，利用穿戴式设备自置的显示屏或者报警器获取当前环境中的高能射线粒子剂量，从而方便地为用户提供环境安全系数参考。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种高能射线探测模组，其特征在于，应用于穿戴式设备，所述高能射线探测模组包含光电PIN探测器、基板和屏蔽罩；所述PIN探测器位于屏蔽罩与基板形成的空间内，所述屏蔽罩在PIN探测器所在位置预留有探测窗口；

所述PIN探测器用于检测从所述探测窗口进入的高能射线，转换成电流信号；

所述高能射线探测模组还包含ASIC处理芯片；

所述ASIC处理芯片用于对所述PIN探测器输出的电流信号进行放大，并转换成电压信号；将所述电压信号进行脉冲成形和滤波处理，并对脉冲幅度进行甄别，输出数字信号，供后续电路处理；

所述高能射线探测模组还包含处理器MCU；

所述MCU用于对所述ASIC处理芯片输出的数字信号进行标定，并输出有效的射线粒子剂量数据。

2.根据权利要求1所述的高能射线探测模组，其特征在于，所述ASIC处理芯片包括硅衬底，硅衬底上制作有电流放大器、电流电压转换器、脉冲成形和比较器。

3.根据权利要求1所述的高能射线探测模组，其特征在于，所述PIN探测器对应探测窗口的正上方贴合有一介质层，所述介质层的上表面与所述屏蔽罩保持一致的高度。

4.根据权利要求3所述的高能射线探测模组，其特征在于，所述介质层的材料为钹或铝。

5.根据权利要求1所述的高能射线探测模组，其特征在于，所述PIN探测器是光电二极管。

6.根据权利要求5所述的高能射线探测模组，其特征在于，所述高能射线探测模组还包含电源管理电路；

所述电源管理电路为所述PIN探测器提供反向偏压。

7.根据权利要求1所述的高能射线探测模组，其特征在于，所述高能射线探测模组以邮票孔或球型封装BGA形式引出信号线。

8.一种穿戴式设备，其特征在于，所述穿戴式设备上集成了如权利要求1至7任意一项所述的高能射线探测模组。