CN112166348A - 用于测量高剂量率电离辐射的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种用辐射检测系统(RDS)来确定核辐射场即γ辐射场的剂量率(式(A))的方法，所述辐射检测系统包括闪烁体、光电探测器、放大器和脉冲测量电子设备，所述脉冲测量电子设备包括采样模数转换器，其中核辐射将其至少一些能量沉积在闪烁体中，从而在闪烁材料中产生激发态，所述激发态此后在光子发射下以衰减时间(τ)衰减，光探测器在发射电子下吸收所述光子，这些电子形成电流脉冲，所述电流脉冲被放大，以便可以进一步处理所得的电流信号以确定所测脉冲的电荷，该脉冲电荷与核辐射在闪烁体中沉积的能量成正比，其中电信号耦合到脉冲测量电子设备，而RDS具有用于光谱用途的限定的最大允许平均电流，在该最大允许平均电流之上，会减小限定所述放大器的放大率的放大器电压，以防止饱和和/或大电流损害放大器，所述方法包括以下步骤：—在超过最大平均电流时实质上减小施加到放大器的偏置电压，使得在测量期间流过的电流小于最大允许平均电流，—使用采样周期(Δ)将通过脉冲测量电子设备测得的模拟探测器输出电流信号数字化和微分，从而产生电流样本(iΔ)，—确定采样电流信号的方差Var(iΔ)，—确定采样电流信号的均方差Msd(iΔ)，所述均方差是平均电流的量度，—通过使用方程(I)确定平均能量(Eγ)，将非线性校正函数Z(η)应用于所述平均能量(Eγ)，所述校正函数校正闪烁体与组织等效理想闪烁体之间的效率，—通过使用方程(II)从电流样本(iΔ)确定能量补偿的剂量率(式(A))。
Description
技术领域
本发明涉及用辐射检测系统(RDS)来测量高剂量率电离辐射即γ辐射的方法和设备，所述辐射检测系统包括闪烁体、光电探测器、放大器和用于闪烁脉冲测量的电流数字化电路(脉冲测量电子设备)。
背景技术
在人类所处的环境中，剂量率
的测量特别重要。剂量率是量的度量，即人体组织吸收的核辐射的总能量。由于对包括γ辐射在内的电离辐射的吸收不仅仅取决于靶的大小，而且还取决于所述辐射与靶之间的相互作用的量，因此靶的组成是个问题，该靶在此处为闪烁体材料。所述相互作用的量一般与辐射能量有关，而该能量会随靶材而变化。因此，只要靶，例如RDS的闪烁体材料，不能提供与人体组织相同的相互作用特性，就不足以测量由所述γ辐射引起的所吸收的总能量以及探测器中的每秒相互作用次数。
此外还必须提到的是，相互作用会随辐射类型而变化。更具体地说，就最突出的辐射类型而言，靶中的α、β、γ和中子辐射诱发的能量沉积之间存在实质性差异。由于本发明仅涉及γ辐射探测器，因此至少在这种情况下，不需要进一步区分。
在测量γ辐射场的剂量率时，可以使用电离室、Geiger-Müller计数器或基于闪烁体的测量设备。
基于闪烁体的剂量率测量设备在现有技术中是已知的。它们通常包括与γ辐射相互作用的闪烁体材料，所述γ辐射与其他电离辐射一样，在所述闪烁体材料中产生激发态，然后这些激发态在光即光子的发射下以衰减时间τ衰减。发射的光量与辐射在闪烁体中沉积的能量成正比。
为了进一步处理该信息，将光电探测器连接到闪烁体，吸收光子并发射许多电子，其数量又所与吸收的光量，即与沉积在闪烁体材料中的能量成正比。这些电子形成极弱的电流，需要通过连接到光电探测器的放大器将其实质上放大。然后可以通过电子手段进一步处理所述放大器的输出信号，从而尤其可以确定由闪烁体材料中的γ辐射所沉积的能量。
对于许多应用而言，使用无机材料如NaI(Tl)晶体是有利的，因为它们包含具有高Z值的原子，因此能够吸收更多的γ辐射，包括具有更高能量的γ辐射，因为光效应在这里是主要的核反应。特别是对于具有决定性的能量分辨率的光谱设备，闪烁体材料主要由无机晶体制成。
然而，那些无机材料不是与组织等效的理想闪烁体，也就是说，相互作用和沉积在材料中的能量与人体组织中的能量沉积不同。如上所述，由于该差异尤其取决于γ辐射的能量，因此仅知道计数率和所沉积的总能量是不够的，而还必须确定单个脉冲的能量。为了确定这种带有无机闪烁体的探测器的剂量率，还必须应用校正函数Z(Eγ)，以校正与人体组织相比所用闪烁体材料的不同相互作用特征。
为了确定所测量的相互作用事件的能量，必须清楚地区分单个闪烁脉冲。一旦这种光谱探测器中的计数率增加到超过一定水平，众所周知的脉冲堆积效应就会增加，也就是说，在先前事件的光衰减结束之前，光谱材料中又触发新事件，因此它变得越来越难以并最终不可能区分开不同的事件，因此无法测量脉冲能量。在闪烁体中，如此高的脉冲速率通常约为每秒100,000或更多个事件。
另外，从光电探测器输出的电流增加到超过可接受的值，即超过最大允许平均输出电流，因此在基于PMT的探测器系统中，必须关闭放大器各自的PMT，以防止饱和和/或大电流损害放大器。不能超过此最大允许平均输出电流。它是任何RDS的属性。简单地减小施加到放大器的电压从而减小放大率并不能解决问题。这不仅是因为能量分辨率降低，而且还因为堆积问题仍未解决。
因此，在实际应用中，一旦测得的计数率(结果是测得的平均允许输出电流)超过一定水平，就有必要关闭闪烁体，使得有必要使用附加的探测器来测量更高的剂量率。在现有技术中，这通常是Geiger-Müller计数器。
在现有技术中还已知使用有机闪烁体材料，例如标准的塑料闪烁体，这些材料的吸收行为更接近人体组织。这种标准的塑料闪烁体材料确实包含具有相当低Z值的原子，因此主要的核相互作用不再是光效应即材料中辐射能的完全吸收，而是康普顿散射，其中仅部分辐射能被沉积在闪烁材料中。因此，确定总辐射能量极为困难，从而限制了这种材料在光谱设备中的使用。
当使用在γ辐射的吸收方面与组织等效的方式制成的有机材料时，确定探测器材料中单个事件的能量就不再那么重要，因为吸收行为已十分类似于人体组织，但是即使这样，能够进行校正也是有好处的。在RDS中用塑料闪烁体材料进行的这种设置将允许更好地确定高剂量率，而代价是能量分辨率明显变差，从而限制了这种探测器在光谱应用中的使用。
发明目的
本发明的目的是克服这些限制，并提供一种用于测量高剂量率的电离辐射即γ辐射的方法和设备，该方法和设备使用任何种类的适合于光谱学应用的闪烁体材料，但无需附加的探测器来确定高剂量率。
发明内容
该问题通过权利要求中描述的方法和设备来解决。更具体地，它通过一种用辐射检测系统(RDS)确定核辐射即γ辐射的剂量率
的方法来解决，该辐射检测系统包括闪烁体、光电探测器、放大器和脉冲测量电子设备，所述脉冲测量电子设备包括采样模数转换器(ADC)。γ辐射与闪烁体发生部分反应，从而γ量子可以例如被吸收或散射，从而其全部或至少一些能量沉积在闪烁体中，从而在闪烁材料中产生激发态。之后，那些激发态在光子发射下以衰减时间τ衰减。优选地选择衰减时间τ足够长以允许由ADC采样的闪烁材料。采样周期应明显短于闪烁衰减时间。它不应超过闪烁衰减时间的50％，并且优选地应小于所述衰减时间的5％。
然后，所发射的光子在电子发射下被光电探测器吸收，这些电子形成电流脉冲，其随后被放大以便可以进一步处理所得的电流信号，以确定所测脉冲的电荷，该脉冲电荷与核辐射在闪烁体中沉积的能量成正比。电放大器的输出信号通过AC或DC耦合而耦合到脉冲测量电子设备。
RDS具有用于光谱用途的限定的最大允许平均输出电流，在该最大允许平均输出电流之上，会减小限定所述放大器的放大率的放大器电压，以防止饱和和/或大电流损害放大器。该最大允许平均输出电流取决于所用放大器的类型。
所要求保护的方法包括以下步骤：在超过最大平均输出电流时实质上减小施加到放大器的偏置电压。所述偏置电压的减小导致放大率的减小，并因此导致平均输出电流值的减小。减小所述偏置会使得在测量期间流过的电流小于最大允许平均输出电流。
所测量的探测器输出信号是模拟信号，通过脉冲测量电子设备使用采样周期Δ将其数字化和微分，从而产生电流样本iΔ。下一步，从采样电流样本iΔ确定采样电流信号的方差Var(iΔ)。此外还确定采样电流信号的均方差Msd(iΔ)，所述均方差信号是平均电流的量度。
然后，通过使用方程
来确定平均能量Eγ。由于闪烁体在吸收γ辐射能量方面的行为与实际组织不同，因此必须将非线性校正函数Z(η)应用于所述平均能量Eγ，η是每个脉冲的平均能量的度量。所述校正函数确实校正了闪烁体与组织等效理想闪烁体之间的效率。包括有机材料的闪烁体(如塑料闪烁体)组织等效理想闪烁体更为相似，而使用无机闪烁体材料会导致更大的差异，因此尤其是吸收的γ辐射能量以及闪烁体的材料和尺寸的函数的校正更为重要。
最终，能量补偿的剂量率
是通过使用方程
从电流样本iΔ确定。
当所使用的闪烁体包括无机闪烁材料时，所要求保护的方法产生甚至更好的结果。如果所使用的放大器是从光电倍增管(PMT)和电子倍增器中选择的，则也是有利的。
也可以使用RDS，其中将光探测器和放大器组合在一个设备中，二者选自雪崩光电二极管和硅光电倍增器。
利用本发明的方法，脉冲测量电子设备可以通过AC耦合或DC耦合而耦合到放大器输出。
还要求保护的是一种辐射检测系统(RDS)，包括闪烁体、光电探测器、放大器和脉冲测量电子设备，所述脉冲测量电子设备包括模数转换器。如上所述，核辐射将其至少一些能量沉积在闪烁体中，从而在闪烁材料中产生激发态，所述激发态此后在光子发射下以衰减时间τ衰减。在发射电子时，光探测器至少部分吸收光子，这些电子形成电流脉冲，所述电流脉冲被放大，以便可以进一步处理所得的电流信号以确定所测脉冲的电荷，该脉冲电荷与核辐射在闪烁体中沉积的能量成正比。电流信号耦合到脉冲测量电子设备，而RDS具有用于光谱用途的限定的最大允许平均输出电流，在该最大允许平均输出电流之上，会减小限定所述放大器的放大率的放大器电压，以防止饱和和/或大电流损害放大器。根据本发明，该RDS能够执行根据权利要求1的方法。
辐射检测系统(RDS)使用闪烁体并且所述闪烁体包括无机闪烁材料是有利的。从光电倍增管(PMT)和电子倍增器中选择RDS的放大器则更加有利。
光电探测器和放大器也可以组合在一个设备中，二者可以是雪崩光电二极管或硅光电倍增器。
脉冲测量电子设备可以通过AC耦合或DC耦合而耦合到放大器输出。
发明人发现，不需要精确地测量γ辐射与闪烁体材料之间相互作用的单个事件的能量，因为统计学方法与数字信号处理的组合应用，在以足够高的采样率将放大器输出信号数字化时，能提供足够的信息以获得剂量率
该足够高的采样率即采样间隔长度短于闪烁体材料的光衰减时间τ，使得采样间隔最大为闪烁衰减时间的50％，优选小于该衰减时间的5％。
具体实施方式
图1示出了这种RDS 1的一般设置。在光子发射下，闪烁体2吸收γ辐射。它们在电子4的发射下被光电探测器3吸收，然后被PMT 5放大。来自PMT阳极6的输出信号以高采样率被数字化，并由所附接的测量电子设备(未显示)进一步评估。
图2显示了用PMT作为放大器在RDS阳极处测得的平均电流的仿真，其与计数率成正比。在这种设置中，测量电子设备通过DC耦合连接到所述阳极。可以看出，计数率1,000Mcp(每秒百万计数)时的电流远高于仅100Mcp和10Mcp时的电流。在图中几乎看不到仅以1Mcp的计数率测量的电流。
类似地，图3显示了相同的设置，但测量电子设备通过AC耦合而耦合到PMT的阳极。使用AC耦合时，平均电流显然为零。但是，电流波动差别很大，可以再次看到1,000、100、10和1Mcp的计数率。在此，相关性不是线性的，因为电流波动随平均DC电流的平方根而变化。
当确定剂量率
时，通常可以应用依赖于平均测量能量的非线性校正函数Z(η)，η是每个脉冲的平均能量的量度。该函数足以补偿平均电流的剂量率误差，并应能校正实际探测器与组织等效探测器之间的效率差异。最终，剂量率可以如下计算，λ表示计数率：
由于函数Z(η)是已知的，或者至少可以很容易地根据RDS中使用的每个闪烁体来确定，因此确定剂量率值需要确定两个参数：辐射源的平均能量和平均电流，它们可以根据计数率和脉冲的平均能量来计算。
进一步的计算表明，采样电流信号iΔ的均方差Msd是平均电流的量度：
Msd(iΔ)＝λE(iv)＝λη (方程2)
通过将电流方差Var(iΔ)除以其均方差Msd(iΔ)来获取平均能量Eγ：
因此，可以从测量和采样的电流数据iΔ确定实际的能量补偿剂量率，如下所示：
此方法适用于任何种类的闪烁体材料，包括无机闪烁体晶体，例如NaI(Tl)、CsI(Tl)、CsI(Na)、LaBr3、CLYC、CLLB、CLLBC、CdWO3、LYSO、NaI(Tl,6Li)、Gd3Al2Ga3O12，它们通常在光谱仪中用于鉴定放射性核素。由于不需要直接测量脉冲能量，因此该方法还可以用于所有脉冲堆积情况，并减少光电探测器-放大器组合的放大率。因此，有可能确定高剂量率，即由于高计数率而导致根据现有技术中已知的方法操作时将导致RDS放大器关闭的剂量率。
由于本发明要求保护的方法允许使用具有闪烁体材料的标准RDS并利用高采样率来测量高剂量率，因此不再需要提供像Geiger-Müller计数器这样的附加探测器或用于此测量的电离室。因此，这种探测器的设置更加容易，从而减少了材料、复杂性和成本。这在便携式放射性核素鉴定设备(RID)中具有特殊优势，因为它们必须尽可能简单轻便，以提高坚固性和可靠性，同时降低成本。
Claims (12)
1.一种用辐射检测系统(RDS)来确定核辐射场即γ辐射场的剂量率
的方法，所述辐射检测系统包括闪烁体、光电探测器、放大器和脉冲测量电子设备，所述脉冲测量电子设备包括模数转换器，其中所述核辐射将其至少一些能量沉积在所述闪烁体中，从而在所述闪烁材料中产生激发态，所述激发态此后在光子发射下以衰减时间τ衰减，所述光探测器在发射电子下吸收所述光子，这些电子形成电流脉冲，所述电流脉冲被所述放大器放大，以便可以进一步处理所得的电流信号以确定所测脉冲的电荷，该脉冲电荷与所述核辐射在所述闪烁体中沉积的能量成正比，其中所述电信号耦合到所述脉冲测量电子设备，而所述RDS具有用于光谱用途的限定的最大允许平均电流，在所述最大允许平均电流之上，会减小限定所述放大器的放大率的放大器电压，以防止饱和和/或大电流损害所述放大器，其特征在于
所述方法包括以下步骤：
-在超过所述最大平均电流时实质上减小施加到所述放大器的偏置电压，使得在测量期间流过的电流小于所述最大允许平均电流，
-使用采样周期Δ将通过所述脉冲测量电子设备测得的模拟探测器输出电流信号iv数字化和微分，从而产生电流样本iΔ，
-确定所述采样电流信号的方差Var(iΔ)，
-确定所述采样电流信号的均方差Msd(iΔ)，所述均方差是平均电流的量度，
-通过使用方程
来确定平均能量Eγ，
-将非线性校正函数Z(Eγ)应用于所述平均能量Eγ，所述校正函数校正所述闪烁体与组织等效理想闪烁体之间的效率，
-通过使用方程
从电流样本iΔ确定能量补偿的剂量率
2.根据先前权利要求所述的方法，所用的闪烁体包括无机闪烁材料。
3.根据先前权利要求中的一项所述的方法，所用的放大器选自光电倍增管(PMT)和电子倍增器。
4.根据权利要求1或2所述的方法，使用其中所述光电探测器和所述放大器组合在一个设备中的RDS，所述光电探测器和所述放大器选自雪崩光电二极管和硅光电倍增器。
5.根据先前权利要求中的一项所述的方法，其中所述脉冲测量电子设备通过AC耦合而耦合到放大器输出。
6.根据先前权利要求1-4中的一项所述的方法，其中所述脉冲测量电子设备通过DC耦合而耦合到放大器输出。
7.一种辐射检测系统(RDS)，包括闪烁体、光电探测器、放大器和脉冲测量电子设备，所述脉冲测量电子设备包括模数转换器，其中核辐射将其至少一些能量沉积在所述闪烁体中，从而在所述闪烁材料中产生激发态，所述激发态此后在光子发射下以衰减时间τ衰减，所述光探测器在发射电子下吸收所述光子，这些电子形成电流脉冲，所述电流脉冲被放大，以便可以进一步处理所得的电流信号以确定所测脉冲的电荷，该脉冲电荷与所述核辐射在所述闪烁体中沉积的能量成正比，其中所述电信号耦合到所述脉冲测量电子设备，而所述RDS具有用于光谱用途的限定的最大允许平均电流，在所述最大允许平均电流之上，会减小限定所述放大器的放大率的放大器电压，以防止饱和和/或大电流损害所述放大器，其特征在于所述RDS能够执行权利要求1所述的方法。
8.根据先前权利要求所述的辐射检测系统(RDS)，其中所述闪烁体包括无机闪烁材料。
9.根据先前权利要求7或8中的一项所述的辐射检测系统(RDS)，其中所述放大器选自光电倍增管(PMT)和电子倍增器。
10.根据先前权利要求7或8中的一项所述的辐射检测系统(RDS)，其中所述光电探测器和所述放大器组合在一个设备中，选自雪崩光电二极管和硅光电倍增器。
11.根据先前权利要求7-10中的一项所述的辐射检测系统(RDS)，其中所述脉冲测量电子设备通过AC耦合而耦合到放大器输出。
12.根据先前权利要求7-10中的一项所述的辐射检测系统(RDS)，其中所述脉冲测量电子设备通过DC耦合而耦合到放大器输出。
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