CN109683187B - 基于层叠式探测结构的X/γ和β个人剂量当量测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于层叠式探测结构的X/γ和β个人剂量当量测量方法，采用层叠式结构解决X/γ和β混合场测量问题；所述层叠式结构采用两个Si‑PIN探测器堆叠而成，第一Si‑PIN探测器的前端采用第一金属材料改善β射线的能量响应，第一Si‑PIN和第二Si‑PIN探测器之间采用第二金属材料实现β射线的屏蔽以及改善第二Si‑PIN探测器在测量X/γ射线时的能量响应；第一Si‑PIN探测器负责探测β射线，第二Si‑PIN探测器负责探测X/γ射线，若两个Si‑PIN探测器同时有信息输出，则通过符合电路可判断为X/γ射线，同时去除第一Si‑PIN探测器通道在此时刻的计数。本发明方法准确高效地同时测量混合场中的X/γ射线和β射线个人剂量当量，也避免了传统仪器中测量X/γ射线和β射线过程中产生的相互干扰。
Description
技术领域
本发明涉及电离辐射测试技术领域，特别是一种基于层叠式探测结构的X/γ和β射线个人剂量当量测量方法。
背景技术
直读式个人剂量仪主要用于外照射(如X/γ射线和β射线)的个人剂量实时监测，其测量值(参照国家标准的相关限值)可用于对工作人员所接收的剂量进行限制。直读式个人剂量仪由于体积、功耗、成本等因素的限制，目前主要采用Si-PIN半导体作为核辐射探测器。由于部分辐射工作场所涉及到不同粒子类型的辐射，例如核电站厂区内部部分工作区域和核放射医学场所会涉及到X/γ射线和β射线混合场，个人剂量当量需要重点解决的一个问题是混合辐射场的同时测量问题。
由于Si-PIN探测器对X/γ射线和β射线都存在一定响应，Si-PIN探测器本身对X/γ射线和β射线进行鉴别的能力有限，普通Si-PIN探测器结构的X/γ射线和β射线剂量仪只能通过功能按键单独测量X/γ射线或β射线。当在混合场中测量时，Si-PIN辐射探测器会出现X/γ射线和β射线对各自探测单元的相互干扰情况。上述情况在实际工作中，经常出现的现象是当采用X/γ射线照射仪器时，β射线通道剂量指示值会有读数；当采用β射线照射仪器时，X/γ射线通道剂量指示值也会有读数。当在X/γ射线和β射线混合场中时，其仪器测量值与实际值将出现明显差异，影响工作人员所接收剂量的有效监测。
本发明为国家重点研发计划NQI专项(项目名称：进出口贸易突发性事件检测与应对技术研究，项目编号：2017YFF0211100)和国家重大科学仪器设备开发专项(项目名称：新型电离辐射检测仪器和关键部件开发及应用，项目编号：2013YQ090811)资金资助项目。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于层叠式探测结构的X/γ射线和β射线个人剂量当量测量方法，根据X/γ射线和β射线的穿透能力差异以及个人剂量仪器功耗、体积、成本等因素的限制，采用层叠式探测结构完成X/γ和β射线混合场中的个人剂量当量测量。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于层叠式探测结构的X/γ和β个人剂量当量测量方法，包括以下步骤：
步骤1：在第一Si-PIN探测器前端叠加第一金属材料，所述第一金属材料实现第一Si-PIN探测器避光以及后续第一前置放大器前端的弱信号放大电路的电磁屏蔽，实现在测量β射线时改善第一Si-PIN探测器的能量响应特性；所述第一Si-PIN探测器检测经第一金属材料过滤后的β射线；
步骤2：在第一Si-PIN探测器的后端叠加第二Si-PIN探测器，在第一Si-PIN探测器与第二Si-PIN探测器之间设置第二金属材料，所述第二金属材料实现β射线的全屏蔽以及改善第二Si-PIN探测器在测量X/γ射线时的能量响应；
步骤3：当采用第一Si-PIN探测器测量β射线的个人剂量当量时，假定第二Si-PIN探测器对β射线没有响应，微控制单元MCU利用第一Si-PIN探测器得到的原始信号，再经过第一Si-PIN探测器后端测量电路形成的脉冲信号进行β射线的个人剂量当量计算；所述第一Si-PIN探测器后端测量电路包括依次连接的第一前置放大器、第一正比例放大器和第一甑别器；所述第一甑别器输出的脉冲信号进入微控制单元MCU的第一计数器，进而计算β射线的个人剂量当量；
步骤4：当采用第二Si-PIN探测器测量X/γ射线的个人剂量当量时，微控制单元MCU利用第二Si-PIN探测器得到的原始信号，再经过第二Si-PIN探测器后端测量电路形成的脉冲信号进行X/γ射线的个人剂量当量计算；所述第二Si-PIN探测器后端测量电路包括依次连接的第二前置放大器、第二正比例放大器和第二甑别器；所述第二甑别器输出的脉冲信号进入微控制单元MCU的第二计数器，进而计算X/γ射线的个人剂量当量。
进一步的，若存在以下情况：存在X/γ射线会与第一Si-PIN探测器相互作用，并经过第一Si-PIN探测器和第二Si-PIN探测器之间的第二金属材料衰减而不与第二Si-PIN探测器相互作用，干扰β射线个人剂量当量的测量；则通过降低第一Si-PIN探测器的灵敏层厚度值或提高第一甄别器阈值去除此种情况的影响。
进一步的，若存在以下情况：存在X/γ射线会与第一Si-PIN和第二Si-PIN探测器同时相互作用，即第一Si-PIN探测器和第二Si-PIN探测器对X/γ射线都存在响应；则通过符合电路对第一Si-PIN探测器和第二Si-PIN探测器形成的脉冲信号进行处理，符合电路形成的方波信号单独进入微控制单元MCU单独的第三计数器；
微控制单元MCU的三路计数器分别对第一Si-PIN探测器所探测的β射线形成的脉冲信号、第二Si-PIN探测器所探测的X/γ射线形成的脉冲信号、第一Si-PIN探测器和第二Si-PIN探测器的X/γ射线经符合电路形成的脉冲信号进行计数处理；微控制单元MCU的第二计数器完成X/γ射线的个人剂量当量测量；微控制单元MCU的第三计数器记录X/γ射线经符合电路形成的脉冲信号；微控制单元MCU第一计数器减去第三计数器的值，去除X/γ射线对第一计数器的影响，最终完成β射线的个人剂量当量测量。
进一步的，在第一Si-PIN探测器前端叠加的第一金属材料为Al。
进一步的，在第一Si-PIN探测器与第二Si-PIN探测器之间设置的第二金属材料为Cu或Pb。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的层叠式结构采用两个Si-PIN探测器堆叠而成，其中，第一Si-PIN探测器的前端采用第一金属材料改善β射线的能量响应；第一Si-PIN探测器和第二Si-PIN探测器之间则采用第二金属材料实现β射线的全屏蔽以及改善第二Si-PIN探测器在测量X/γ射线时的能量响应。第一Si-PIN探测器负责探测β射线，第二Si-PIN探测器负责探测X/γ射线。如果两个Si-PIN探测器同时有信息输出，则通过符合电路可判断为X/γ射线，同时去除第一Si-PIN探测器经其后端测量电路的计数。本发明有效解决了X/γ射线和β射线形成的混合辐射场中关于个人剂量当量测量的问题，采用一个探测器(层叠式结构)即可准确高效地同时测量混合场中的X/γ射线和β射线个人剂量当量，无需传统仪器中的切换进行测量，也避免了传统仪器中测量X/γ射线和β射线过程中产生的相互干扰。
附图说明
图1本发明基于Si-PIN探测器的X/γ和β射线个人剂量当量测量原理图。
具体实施方式
下面通过附图和具体实施方式对本发明进行详细的说明。本发明主要实现X/γ射线和β射线形成的混合场中的个人剂量当量测量问题，其实现原理主要是利用X/γ和β射线的穿透能力差异(β射线穿透能力弱，X/γ射线穿透能力强)，通过在两个Si-PIN探测器前端叠加不同的衰减材料，并结合层叠式探测结构实现X/γ和β混合场中的个人剂量当量测量。
本发明中X/γ射线和β射线个人剂量当量测量采用层叠式探测结构，其实现结构如图1所示，主要包括第一金属材料，例如Al(在厚度比较薄的情况下，可以采用Cu)、第一Si-PIN探测器以及后端测量电路、第二金属材料，例如Cu或Pb、第二Si-PIN探测以及后端测量电路组成。
当测量β射线时，可认为第二个Si-PIN探测器对β射线没有响应，则微控制单元利用第一个Si-PIN探测器形成的脉冲信号进行β射线的剂量计算。在仪器外壳正面第一Si-PIN探测器正上方开通孔，并在通孔处安装Al第一金属材料在仪器外壳上；采用第一金属材料实现第一Si-PIN探测器避光和第一前置放大器前端的弱信号放大电路的电磁屏蔽，也实现在测量β射线时改善第一Si-PIN探测器的能量响应特性。第一Si-PIN探测器后端测量电路包括第一前置放大器、第一正比例放大器和第一甑别器。第一甑别器形成的脉冲信号同时进入符合电路(在存在X/γ射线与第一Si-PIN探测器和第二Si-PIN探测器同时相互作用时)和微控制单元MCU的第一计数器(经第一计数器通道)。
当测量X/γ射线时，X/γ射线需经过Al等第一金属材料，第一Si-PIN探测器和Cu或Pb第二金属材料后达到第二Si-PIN探测器。Cu或Pb第二金属材料的作用是进一步屏蔽β射线对第二Si-PIN探测器的影响和改善第二Si-PIN探测器在探测X/γ射线时的能量响应。
第二Si-PIN探测器后端测量电路包括第二前置放大器、第二正比例放大器和第二甑别器。第二甑别器形成的脉冲信号同时进入符合电路(在存在X/γ射线与第一Si-PIN探测器和第二Si-PIN探测器同时相互作用时)和微控制单元MCU的第二计数器(经第二计数器通道)。
X/γ射线与第一金属材料、第一个Si-PIN探测器、第二金属材料和第二个Si-PIN探测器相互作用过程中，会出现如下情况：1)一部分X/γ射线会与第一Si-PIN探测器相互作用，并经过第一Si-PIN探测器和第二Si-PIN探测器之间的Cu或Pb等第二金属材料衰减而不与第二Si-PIN探测器相互作用；2)一部分X/γ射线会直接穿过第一Si-PIN探测器并与第二Si-PIN探测器相互作用；3)一部分X/γ射线射线则会与第一Si-PIN和第二Si-PIN探测器同时相互作用。其中，X/γ射线在第一Si-PIN探测器只损失一部分能量再经过Cu或Pb第二金属材料衰减后与第二Si-PIN探测器相互作用，上述相互作用间隔时间远小于脉冲放大形成的时间，故认为是同时相互作用。
其中，情况1)会严重干扰β射线剂量的测量，可通过降低第一Si-PIN探测器的灵敏层厚度值(选择灵敏层厚度小的探测器和降低探测器偏置电压值)和提高第一甄别器阈值来去除影响。在情况2)中，X/γ射线被第二Si-PIN探测器正确的进行测量，通过第二计数器微控制单元MCU进行计数。在情况3)中，由于第一Si-PIN探测器和第二Si-PIN探测器对X/γ射线都存在一定响应，本发明中采用符合电路对第一Si-PIN探测器和第二Si-PIN探测器形成的脉冲信号进行处理。符合电路则采用两个逻辑与门进行处理，只有当第一甑别器和第二甑别器同时为高电平时，符合电路输出逻辑高电平。符合电路形成的方波信号单独进入微控制单元MCU的第三计数器(经第三计数器通道)进行计数。
微控制单元MCU采用独立的三路计数器实现第一甑别器、第二甑别器和符合电路输出的脉冲进行计数处理。当在计算β射线的个人剂量当量时，采用第一计数器的计数值减去第三计数器的计数值，去除X/γ射线对第一Si-PIN探测器的影响，并将结果再乘以β射线的刻度系数转换即可计算出β射线的剂量值。当在计算X/γ射线的个人剂量当量值时，采用第二计数器的计算值并乘以X/γ射线的刻度系数转换即可计算出X/γ射线的剂量值。
Claims (5)
1.一种基于层叠式探测结构的X/γ和β个人剂量当量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在第一Si-PIN探测器前端叠加第一金属材料，所述第一金属材料实现第一Si-PIN探测器避光以及后续第一前置放大器前端的弱信号放大电路的电磁屏蔽，实现在测量β射线时改善第一Si-PIN探测器的能量响应特性；所述第一Si-PIN探测器检测经第一金属材料过滤后的β射线；
步骤2：在第一Si-PIN探测器的后端叠加第二Si-PIN探测器，在第一Si-PIN探测器与第二Si-PIN探测器之间设置第二金属材料，所述第二金属材料实现β射线的全屏蔽以及改善第二Si-PIN探测器在测量X/γ射线时的能量响应；
步骤3：当采用第一Si-PIN探测器测量β射线的个人剂量当量时，假定第二Si-PIN探测器对β射线没有响应，微控制单元MCU利用第一Si-PIN探测器得到的原始信号，再经过第一Si-PIN探测器后端测量电路形成的脉冲信号进行β射线的个人剂量当量计算；所述第一Si-PIN探测器后端测量电路包括依次连接的第一前置放大器、第一正比例放大器和第一甑别器；所述第一甑别器输出的脉冲信号进入微控制单元MCU的第一计数器，进而计算β射线的个人剂量当量；
步骤4：当采用第二Si-PIN探测器测量X/γ射线的个人剂量当量时，微控制单元MCU利用第二Si-PIN探测器得到的原始信号，再经过第二Si-PIN探测器后端测量电路形成的脉冲信号进行X/γ射线的个人剂量当量计算；所述第二Si-PIN探测器后端测量电路包括依次连接的第二前置放大器、第二正比例放大器和第二甑别器；所述第二甑别器输出的脉冲信号进入微控制单元MCU的第二计数器，进而计算X/γ射线的个人剂量当量。
2.如权利要求1所述的基于层叠式探测结构的X/γ和β个人剂量当量测量方法，其特征在于，若存在以下情况：存在X/γ射线会与第一Si-PIN探测器相互作用，并经过第一Si-PIN探测器和第二Si-PIN探测器之间的第二金属材料衰减而不与第二Si-PIN探测器相互作用，干扰β射线个人剂量当量的测量；则通过降低第一Si-PIN探测器的灵敏层厚度值或提高第一甄别器阈值去除此种情况的影响。
3.如权利要求1或2所述的基于层叠式探测结构的X/γ和β个人剂量当量测量方法，其特征在于，若存在以下情况：存在X/γ射线会与第一Si-PIN和第二Si-PIN探测器同时相互作用，即第一Si-PIN探测器和第二Si-PIN探测器对X/γ射线都存在响应；则通过符合电路对第一Si-PIN探测器和第二Si-PIN探测器形成的脉冲信号进行处理，符合电路形成的方波信号单独进入微控制单元MCU单独的第三计数器；
微控制单元MCU的三路计数器分别对第一Si-PIN探测器所探测的β射线形成的脉冲信号、第二Si-PIN探测器所探测的X/γ射线形成的脉冲信号、第一Si-PIN探测器和第二Si-PIN探测器的X/γ射线经符合电路形成的脉冲信号进行计数处理；微控制单元MCU的第二计数器完成X/γ射线的个人剂量当量测量；微控制单元MCU的第三计数器记录X/γ射线经符合电路形成的脉冲信号；微控制单元MCU第一计数器减去第三计数器的值，去除X/γ射线对第一计数器的影响，最终完成β射线的个人剂量当量测量。
4.如权利要求1所述的基于层叠式探测结构的X/γ和β个人剂量当量测量方法，其特征在于，在第一Si-PIN探测器前端叠加的第一金属材料为Al。
5.如权利要求1所述的基于层叠式探测结构的X/γ和β个人剂量当量测量方法，其特征在于，在第一Si-PIN探测器与第二Si-PIN探测器之间设置的第二金属材料为Cu或Pb。
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