CN111175804A - 一种脉冲辐射探测电路及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲辐射探测电路及装置，探测电路包括比较器、计数器、处理器、延时开关和模数转换器，比较器的输入端与射线转换器连接并根据脉冲辐射信号产生第二脉冲信号，计数器的输入端与比较器的输出端连接以获取计数数据，处理器的输入端与计数器的输出端连接以处理计数数据，延时开关的输入端与比较器的输出端连接以产生使能信号，模数转换器的输入端分别与射线转换器的输出端以及延时开关的输出端连接并根据使能信号接收脉冲辐射信号以产生脉冲辐射信号的累积值，处理器的输入端分别与延时开关、模数转换器的输出端连接以计算电离辐射的强度。本发明可同时测量强、弱电离辐射，兼具高灵敏度和高量程，反应迅速，测量结果准确。

Description

一种脉冲辐射探测电路及装置

技术领域

本发明涉及核辐射探测领域，更具体地涉及一种脉冲辐射探测电路及装置。

背景技术

随着电子工业及核技术的发展和广泛应用，人们接触到辐射的机会越来越多。辐射分为电磁辐射和电离辐射，电磁辐射大都对人体无害，电离辐射超出一定范围会对人体产生严重且不可逆的损害，因此，探测和防范电离辐射更加重要。

电离辐射包括连续辐射和脉冲辐射，连续辐射通常由放射源发出，持续时间长；脉冲辐射常见于X光医疗诊断、石油测井、直线加速器安检机等应用中，持续时间短但剂量率较高。电离辐射的强弱通常通过剂量率表示。剂量率用于反映单位时间内接受到的辐射剂量，单位为戈瑞/小时(Gy/h)。一般情况下，剂量率越大，辐射效应越显著，辐射场的强度越高。

对于电离辐射，通常通过监控发生电离辐射相关区域的剂量率的变化情况来判断电离辐射的危害程度。对于连续辐射的测量，由于放射源种类以及辐射剂量相对清晰稳定，采用匹配的辐射剂量检测仪等辐射探测装置进行监控即可。对于脉冲辐射的测量，由于脉冲辐射的照射时间短(通常几毫秒)并且通常剂量率较高，在进行监控时会遇到诸多问题。比如，医疗常用的CT的X光球管会连续开启几毫秒若干次，开启时剂量率可达到10Gy/h甚至更高。现有技术在进行这类脉冲辐射的测量时，通常采用热释光剂量片、高压电离室以及半导体探测器/盖格管/闪烁体探测器等进行测量，其中，热释光剂量片使用光物理方法进行辐射测量，热释光剂量片受辐照后再送往检测部门使用特殊设备进行数据读出，无法即时读数，使用较为麻烦；高压电离室虽然能够有效监控固定区域内的电离辐射，但是高压电离室一方面尺寸较大不易使用，另一方面其采用电流积分方法测量，测量周期较长，很难满足快速响应的测量需求；半导体探测器/盖格管/闪烁体探测器等是辐射测量常用的一些探测器，但通常情况下，这些探测器不能兼顾探测强脉冲辐射和弱脉冲辐射，对于强脉冲辐射(瞬时剂量率大于100mGy/h)，探测器优先需要满足高量程，对于弱脉冲辐射(瞬时剂量率不大于100mGy/h)，探测器优先需要满足灵敏度(灵敏度表示单位剂量率时输出的脉冲数量，一般用CPS/uSv/h或CPS/uGy/h描述，CPS为脉冲计数率)，比如，为了测量高剂量率，辐射探测装置的灵敏度往往较低；为了提高测量的灵敏度，探测器的探测上限往往较低，尤其是在脉冲辐射应用中，为了满足超高的量程上限(比如大于10Gy/h)需求，只能选用灵敏度较低的探测器，但如此低灵敏度的探测器又无法满足常规弱辐射场的测量需求，造成测量结果并不能真实反映脉冲辐射强弱的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种脉冲辐射探测电路及装置，从而解决现有技术中单一探测器无法兼顾测量强脉冲辐射和弱脉冲辐射的问题。

本发明提供一种脉冲辐射探测电路，所述探测电路包括比较器、计数器以及处理器，所述比较器的输入端与射线转换器连接并根据所述射线转换器发送的脉冲辐射信号产生第二脉冲信号，所述计数器的输入端与所述比较器的输出端连接，所述计数器根据所述第二脉冲信号获取计数数据，所述处理器的输入端与所述计数器的输出端连接以处理所述计数数据，其特征在于，所述探测电路还包括：延时开关以及模数转换器，所述延时开关的输入端与所述比较器的输出端连接，所述延时开关根据所述第二脉冲信号产生使能信号；所述模数转换器的输入端分别与所述射线转换器的输出端以及所述延时开关的输出端连接，所述模数转换器根据所述使能信号接收所述脉冲辐射信号并产生脉冲辐射信号的累积值，所述处理器的输入端分别与所述延时开关的输出端以及所述模数转换器的输出端连接，所述处理器根据所述累积值计算电离辐射的强度。

根据本发明的一个实施例，所述射线转换器包括闪烁晶体以及与所述闪烁晶体耦合的光电转换器件，所述闪烁晶体用于将电离辐射射线转换为可见光信号，所述光电转换器件用于将所述可见光信号转换为脉冲辐射信号。

根据本发明的一个实施例，所述比较器通过预设的阈值将所述脉冲辐射信号转换为第二脉冲信号。

根据本发明的一个实施例，所述脉冲辐射信号为电脉冲信号。

根据本发明的一个实施例，当第二脉冲信号的宽度大于三个脉冲辐射信号对应的宽度时，所述延时开关触发并产生所述使能信号。

根据本发明的一个实施例，所述第二脉冲信号为方波脉冲信号。

根据本发明的一个实施例，所述使能信号为一电平信号。

根据本发明的一个实施例，所述累积值为一个周期内的所述脉冲辐射信号的累计电压值。

根据本发明的一个实施例，所述处理器通过以下公式计算电离辐射的强度：

DoseRate＝k*ΣA，

其中，DoseRate为剂量率，k为常数，A为单个所述脉冲辐射信号的幅值。

根据本发明的一个实施例，所述处理器为MCU。

根据本发明的一个实施例，所述模数转换器采集的累积值大于(采集周期/脉冲宽度)×2。

本发明还提供一种脉冲辐射探测装置，所述探测装置包括射线转换器以及权利要求1-11中任一项所述的脉冲辐射探测电路，所述射线转换器的输出端与所述比较器的输入端连接，所述射线转换器接收电离辐射并将电离辐射射线转换为脉冲辐射信号。

本发明提供的脉冲辐射探测电路及装置，解决了单一脉冲辐射探测器无法同时测量强脉冲辐射场和弱脉冲辐射场的问题，不仅具有高灵敏度的优点，而且具有高量程的优点。另外本发明还可以实时获取脉冲辐射的剂量率数据，测量周期短，反应迅速，测量结果准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明一个实施例的脉冲辐射探测电路的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的脉冲辐射探测电路的脉冲辐射信号与比较器输出信号的比较示意图；

图3是根据本发明一个实施例的脉冲辐射探测电路的脉冲辐射信号堆积时的转换示意图；

图4是根据本发明一个实施例的脉冲辐射探测电路的信号处理流程示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。

需要说明的是，当部件/零件被称为“设置在”另一个部件/零件上，它可以直接设置在另一个部件/零件上或者也可以存在居中的部件/零件。当部件/零件被称为“连接/联接”至另一个部件/零件，它可以是直接连接/联接至另一个部件/零件或者可能同时存在居中部件/零件。本文所使用的术语“连接/联接”可以包括电气和/或机械物理连接/联接。本文所使用的术语“包括/包含”指特征、步骤或部件/零件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、步骤或部件/零件的存在或添加。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任意的和所有的组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，而并不是旨在限制本申请。

另外，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图1是根据本发明一个实施例的脉冲辐射探测电路的结构示意图，由图1可知，本发明提供的脉冲辐射探测电路包括射线转换器1、比较器2、计数器3以及处理器4，其中，比较器2的输入端与射线转换器1的输出端连接，计数器3的输入端与比较器2的输出端连接，处理器4的输入端与计数器3的输出端连接。进一步地，该脉冲辐射探测电路还包括延时开关5和模数转换器6，其中，延时开关5的输入端与比较器2的输出端连接，延时开关5的输出端与处理器4的输入端连接，模数转换器6的输入端分别与射线转换器1的输出端和延时开关5的输出端连接，模数转换器6的输出端与处理器4的输入端连接。

射线转换器1用于接收待测的电离辐射射线并将电离辐射射线转换为脉冲辐射信号，电离辐射射线可以包括X射线、伽马射线、质子射线以及中子射线等。射线转换器1可以进一步包括闪烁晶体以及与闪烁晶体耦合的光电转换器件，其中，闪烁晶体用于将电离辐射射线转换为可见光信号，光电转换器件用于将可见光信号转换为脉冲辐射信号，脉冲辐射信号进一步通过匹配的电子学读出系统/电路输出。脉冲辐射信号优选地为电脉冲信号的形式。射线转换器1优选地还可以采用半导体探测器、盖革计数管、闪烁体探测器等电离辐射探测器。

比较器2用于接收脉冲辐射信号并将脉冲辐射信号转换为第二脉冲信号，比如，第二脉冲信号可以为方波信号，该方波信号实际上可以为一个高电平信号，方波信号的脉冲宽度与单个脉冲辐射信号的宽度保持一致，从而便于对脉冲辐射信号进行计数。

计数器3用于接收第二脉冲信号并对第二脉冲信号进行计数。

处理器4用于接收计数器3的计数数据并根据计数数据计算剂量率，通常电离辐射的强弱与剂量率成正比，剂量率用DoseRate表示并且与计数数据成正比，因此通过计数数据可以准确反映电离辐射的强弱。

通常情况下，当电离辐射强度较弱时，射线转换器1接收到电离辐射后输出的脉冲辐射信号是离散的，由于同一射线转换器1的脉冲辐射信号的宽度波动范围较小，比较器2将脉冲辐射信号转换为第二脉冲信号后可以直接发送至计数器3进行计数，然后通过处理器4转换为辐射强度信息。当电离辐射较强时，射线转换器1接收到电离辐射后输出的脉冲辐射信号的密度会提高，导致出现脉冲辐射信号堆叠的现象，此时比较器2将脉冲辐射信号转换为第二脉冲信号后的计数率会随着辐射强度的增加而降低，无法使用第二脉冲信号直接进行计数，这正是现有技术的探测器在满足高灵敏度要求时无法实现强电离辐射测量的原因。当出现脉冲辐射信号堆叠时，比较器2输出的第二脉冲信号的幅值依然与辐射强度成正比，此时比较器2输出的第二脉冲信号的宽度比较宽，优选地，当第二脉冲信号的宽度大于三个脉冲辐射信号对应的宽度时，触发延时开关5。

延时开关5用于接收第二脉冲信号并根据第二脉冲信号的宽度判断是否触发使能信号，比如，当第二脉冲信号的宽度大于三个脉冲辐射信号的宽度时，触发使能信号，否则不触发使能信号。

模数转换器6用于根据使能信号接收脉冲辐射信号并测量这些脉冲辐射信号幅值的累积值，由于此时的脉冲辐射信号为堆叠信号，模数转换器6实际接收到的是脉冲辐射信号幅值的累积值，比如当脉冲辐射信号为电脉冲辐射信号时，该累积值即为各个堆叠的脉冲辐射信号的电压值之和，这是因为发生堆叠后脉冲辐射信号的电压累积值依然与辐射强度成正比，将该累计值进一步转换为辐射强度即可。

处理器4进一步地可以根据使能信号接收来自于模数转换器6的累积值，处理器4进一步根据该累积值计算脉冲辐射信号堆叠时的辐射强度信息。具体地，处理器4可以根据以下公式计算辐射强度：

DoseRate＝k*ΣA，

其中，DoseRate表示剂量率，k表示转换参数，当探测器、射线转换器和电路确定后，k可以采用标准辐射场进行标定获取，ΣA表示模数转换器6所采集的累积值数据，A表示单个脉冲辐射信号的幅值。

通常情况下，模数转换器6具有采集周期，该采集周期可以根据实际要满足的脉冲辐射场的情况进行修改，比如，该采集周期可以设置为1ms，处理器4获取该1ms内的累积值以后将其转换为剂量率，即辐射强度信息。优选地，模数转换器6采集的累积值应大于(采集周期/脉冲宽度)×2。

图2是根据本发明一个实施例的脉冲辐射探测电路的脉冲辐射信号与比较器2输出信号的比较示意图，由图2可知，当辐射强度较弱时，射线转换器1接收到电离辐射后，其输出的脉冲辐射信号是离散的，即相邻两个脉冲辐射信号S1、S2之间没有交集，此时，比较器2直接将脉冲辐射信号S1、S2转换为第二脉冲信号S1'、S2'，在图2的实施例中，该第二脉冲信号为数字方波脉冲信号(又称为方波信号)，数字方波脉冲信号的宽度(即t1～t2或者t3～t4之间的间距)和超过比较器2阈值的脉冲辐射信号的宽度一致，比较器2输出的数字方波脉冲信号直接发送给计数器3实现计数，最后由处理器4将计数数据转换为辐射强度信息。

图3是根据本发明一个实施例的脉冲辐射探测电路的脉冲辐射信号堆积时的转换示意图，由图3可知，当发生脉冲辐射信号堆积时，射线转换器1接收到电离辐射后，其输出的脉冲辐射信号是连续不断的，即相邻两个脉冲辐射信号S1、S2之间有交集，此时，脉冲辐射信号的密度提高导致比较器2输出的方波脉冲的计数率随着辐射强度的增加而降低，已无法使用计数的方式进行测量。但是此时，比较器2转换的脉冲辐射信号的数量仍与辐射强度成正比，即脉冲堆叠后的第二脉冲信号S的幅值依然与辐射强度成正比，因而可以通过测量第二脉冲信号S的幅值间接测量辐射强度。比如，当脉冲辐射信号为电脉冲信号时，第二脉冲信号S的幅值可以为电流值，当发生脉冲堆叠时，比较器2输出的第二脉冲信号S的高电平时间增加，导致延时开关5触发使能信号。

图4是根据本发明一个实施例的脉冲辐射探测电路的信号处理流程示意图，由图4可知，本发明提供的脉冲辐射探测电路在工作时，射线转换器1首先将电离辐射射线转换为脉冲辐射信号，比较器2将脉冲辐射信号转换为第二脉冲信号并判断是否发生脉冲堆叠现象；当未发生脉冲堆叠时，计数器3直接根据第二脉冲信号进行计数并将技术数据发送至处理器4，处理器4根据计数数据计算辐射强度；当发生脉冲堆叠时，触发延时开关5，延时开关5同时向模数转换器6和处理器4发出触发信号，模数转换器6接收使能信号号开始采集脉冲辐射信号的累积值，处理器接收到使能信号后接收累积值并根据累积值计算辐射强度。

下面结合一个具体实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。当射线转换器采用相互耦合的BGO闪烁晶体和SiPM时，对于Cs-137其灵敏度为100CPS/μGy/h，脉冲辐射信号的宽度为1uS，测量所得的不同计数率如下表所示：

由上表可知，采用计数方式进行测量时，随辐射强度的增加，测量计数率值CPS₂呈现非线性，其并不随辐射强度等比例增加，这是因为脉冲辐射信号发生了堆叠，多个脉冲辐射信号堆积在一起变为一个脉冲，引起了测量的偏差非线性。当采用本申请提供的脉冲辐射探测电路进行采集后，相应的计数率如下表所示：

辐射强度(uGy/h)	理论计数率(CPS<sub>1</sub>)	测量计数率(CPS<sub>2</sub>)
			10	1k	1K
100	10k	10k
			1000	100k	100k
5000	500k	500k
			8000	800k	798k
10000	1000k	996k
			15000	1500k	1492k

通过上表可以发现，本申请提供的脉冲辐射探测电路所测量的计数率基本与理论计数率保持了一一对应，即采集结果与辐射强度保持了线性对应的关系，既能够保证同一探测器的灵敏度又能够满足高量程的测量需要。

本申请还提供了一种脉冲辐射探测装置，该探测装置可以包括上面实施例中描述的脉冲辐射探测电路以及与脉冲辐射探测电路连接的其它必要探测元件。探测装置中的射线转换器、比较器、计数器、处理器、延时开关以及模数转换器等可以与上述各实施例中实现基本相同的功能或作用，关于其它探测元件的详细描述可以参照现有技术中的相关描述，在此不再赘叙。

通过本申请实施例提供的脉冲辐射探测装置，可以同时测量强脉冲辐射场和弱脉冲辐射场，不仅具有高灵敏度的优点，而且具有高量程的优点，还可以实时获取脉冲辐射的剂量率数据，测量周期短，反应迅速，测量结果准确。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化，比如射线转换器可以采用液体闪烁体、塑料闪烁体、正比计数管等输出为脉冲电流信号的探测器；模数转换器的功能可以通过诸如电荷积分放大器后再进行模数转换采集等方式进行；计数器与处理器集成为一体等。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (12)

1.一种脉冲辐射探测电路，所述探测电路包括比较器、计数器以及处理器，所述比较器的输入端与射线转换器连接并根据所述射线转换器发送的脉冲辐射信号产生第二脉冲信号，所述计数器的输入端与所述比较器的输出端连接，所述计数器根据所述第二脉冲信号获取计数数据，所述处理器的输入端与所述计数器的输出端连接以处理所述计数数据，其特征在于，所述探测电路还包括：

延时开关，所述延时开关的输入端与所述比较器的输出端连接，所述延时开关根据所述第二脉冲信号产生使能信号；以及

模数转换器，所述模数转换器的输入端分别与所述射线转换器的输出端以及所述延时开关的输出端连接，所述模数转换器根据所述使能信号接收所述脉冲辐射信号并产生脉冲辐射信号的累积值，所述处理器的输入端分别与所述延时开关的输出端以及所述模数转换器的输出端连接，所述处理器根据所述累积值计算电离辐射的强度。

2.根据权利要求1所述的脉冲辐射探测电路，其特征在于，所述射线转换器包括闪烁晶体以及与所述闪烁晶体耦合的光电转换器件，所述闪烁晶体用于将电离辐射射线转换为可见光信号，所述光电转换器件用于将所述可见光信号转换为脉冲辐射信号。

3.根据权利要求1所述的脉冲辐射探测电路，其特征在于，所述比较器通过预设的阈值将所述脉冲辐射信号转换为第二脉冲信号。

4.根据权利要求1所述的脉冲辐射探测电路，其特征在于，所述脉冲辐射信号为电脉冲信号。

5.根据权利要求1所述的脉冲辐射探测电路，其特征在于，当第二脉冲信号的宽度大于三个脉冲辐射信号对应的宽度时，所述延时开关触发并产生所述使能信号。

6.根据权利要求1所述的脉冲辐射探测电路，其特征在于，所述第二脉冲信号为方波脉冲信号。

7.根据权利要求1所述的脉冲辐射探测电路，其特征在于，所述使能信号为一电平信号。

8.根据权利要求4所述的脉冲辐射探测电路，其特征在于，所述累积值为一个周期内的所述脉冲辐射信号的累计电压值。

9.根据权利要求8所述的脉冲辐射探测电路，其特征在于，所述处理器通过以下公式计算电离辐射的强度：

DoseRate＝k*ΣA，

其中，DoseRate为剂量率，k为常数，A为单个所述脉冲辐射信号的幅值。

10.根据权利要求1所述的脉冲辐射探测电路，其特征在于，所述处理器为MCU。

11.根据权利要求1所述的脉冲辐射探测电路，其特征在于，所述模数转换器采集的累积值大于(采集周期/脉冲宽度)×2。

12.一种脉冲辐射探测装置，其特征在于，所述探测装置包括射线转换器以及权利要求1-11中任一项所述的脉冲辐射探测电路，所述射线转换器的输出端与所述比较器的输入端连接，所述射线转换器接收电离辐射并将电离辐射射线转换为脉冲辐射信号。

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