CN112912771A - 包括有机闪烁体的辐射检测器 - Google Patents
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Abstract
一种辐射检测器包含印刷电路板和可操作地连接到所述印刷电路板的检测器组合件。所述检测器组合件包含硅光电倍增管以及施加于所述硅光电倍增管的表面的有机闪烁剂涂层。反射箔覆盖所述有机闪烁体涂层。光密封盖紧固到所述印刷电路板，使得所述硅光电倍增管和所述有机闪烁剂被囊封于所述光密封盖内。
Description
相关申请的交叉引用
本申请案要求2018年10月23日提交的第62/749,223号美国专利申请案的优先权权益，所述美国专利申请案为了所有目的特此以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开的各方面大体上涉及辐射检测器，且更具体地说，涉及使用有机闪烁体涂层的辐射检测器。
背景技术
例如在剂量计中实施的那些辐射检测器已知用于确定危险环境中的辐射水平，这有助于保护用户免于暴露于此类辐射。
能够测量γ辐射的个人辐射检测器(Personal Radiation Detector，PRD)是已知的且用以通过在～50keV到3MeV的宽光子能量范围中以高精度测量剂量率来警示用户暴露于危险的辐射水平。然而，PRD实施例对于大体上称为“高剂量率”辐射的测量可能具有限制。
一些PRD实施例利用pin二极管和Geiger-Müller检测器。Geiger-Müller检测器以近似500V的高电压操作且需要能量滤波器。Geiger-Müller检测器覆盖至多10Sv/h的宽剂量率范围且提供角度和能量补偿。Geiger-Müller检测器的管通常是手动吹塑的玻璃，且因此具有长前置时间、脆弱性、增加的成本和生产量限制。此类管的生产中涉及的制造公差导致性能变化和质量问题。额外问题包含从管的可能的气体泄漏和玻璃管自身的损坏。
PRD大体上利用由穿过闪烁材料的辐射产生的原子或分子激励。后续的去激励产生光的光子，可测量所述光子以得到通过辐射在检测器中沉积的能量的指示。举例来说，检测器可包含耦合到光电倍增管的闪烁材料。当检测器暴露于辐射时，闪烁材料被激发，产生可见光的光子。此光随后照在光电倍增管上，所述光电倍增管放大结果且产生可测量的信号。
将需要提供一种减少或克服先前已知装置中固有的一些或全部困难的PRD。鉴于某些实施例的以下公开内容和详细描述，本领域技术人员(即，在所属技术领域知识渊博且经验丰富的人员)将显而易见特定目标和优点。
发明内容
根据第一方面，一种辐射检测器包含印刷电路板和可操作地连接到所述印刷电路板的检测器组合件。所述检测器组合件包含硅光电倍增管以及施加于所述硅光电倍增管的表面的有机闪烁剂涂层。反射箔覆盖有机闪烁体涂层。光密封盖紧固到印刷电路板，使得硅光电倍增管和有机闪烁剂被囊封于所述光密封盖内。
根据另一方面，一种制造辐射检测器的方法包含：在滴管中组合掺杂聚乙烯甲苯有机闪烁体和溶剂；将溶解的聚乙烯甲苯有机闪烁体和溶剂分配到检测器组合件的表面上，所述检测器组合件包含定位于印刷电路板上的光电倍增管；在真空烘箱中加热检测器组合件以使得溶剂蒸发；以至少一个清漆层涂覆所述检测器组合件；以及在所述闪烁体上施加光学反射器。
此类检测器可以用于放射量测定应用中和用于第一响应者的装置(事故情况中的分析)或环境剂量当量探针中。
根据某些实施例的以下详细公开内容及其附图并根据权利要求书，将进一步理解此处公开的这些和额外特征和优点。
附图说明
根据结合附图进行的说明性实施例的以下详细描述，将更全面地理解本发明的实施例的前述和其它特征和优点，在附图中：
图1是辐射检测器的示意性俯视图。
图2是图1的辐射检测器的示意性仰视图。
图3是图1的辐射检测器的局部剖视立面图。
图4是图1的辐射检测器的检测器组合件的立面图，示出其中滴管将有机闪烁体和溶剂分配到光电倍增管上。
图5是图4的检测器组合件的立面图，示出在溶剂已蒸发且有机闪烁体已固化之后的情形。
图6是图4的检测器组合件的立面图，示出其中光学反射器紧固到闪烁体。
图7是图1的辐射检测器的印刷电路板的组件进行交互以产生剂量测量值的示意图。
图8是图1的辐射检测器的替代实施例的局部剖视立面图。
图9是图1的辐射检测器的替代实施例的局部剖视立面图。
上文所提及的附图不一定按比例绘制，应当理解为提供特定实施例的表示，并且本质上仅是概念性的且说明所涉及的原理。附图中描绘的辐射检测器的一些特征相对于其它特征已被放大或变形，以便于解释和理解。相同附图标记在图式中用于各种替代实施例中展示的类似或相同组件和特征。本文所公开的辐射检测器将具有部分地由预期应用和其使用环境确定的配置和组件。
具体实施方式
在以下根据本公开的各种实例结构的描述中，参考形成该描述一部分的附图，并且其中以说明方式示出根据本公开的各种结构。此外，应理解，在不脱离本公开范围的情况下，可以采用部件和结构的其它特定布置，可以进行结构和功能更改。另外，虽然例如“顶部”和“底部”等空间术语可以用于本说明书以描述本公开的各种实例特征和元素，但是这些术语是为了方便起见在本文使用，例如，基于示出在附图中实例取向和/或在典型使用中的取向。在本说明书中无一者应当解释为需要特定结构的三维或空间取向以便落入本公开的范围内。
参看图1，辐射检测器10包含印刷电路板12。印刷电路板12可以容纳各种电子组件，包含例如温度传感器、微控制器、放大器、偏置产生器和比较器。考虑到本公开的益处，用于印刷电路板12的其它合适的组件对所属领域的技术人员将变得容易地显而易见。
检测器组合件14以已知方式可操作地连接到印刷电路板12。印刷电路板12包含电缆16，其可以是例如扁平电缆，用以提供进出印刷电路板12的电力和数据传输。电缆16可以经由例如UART、SPI或I2C提供与印刷电路板12的数字数据通信。在一些替代实施例中，电缆16可以事实上是已知构造的板到板连接器。
如图3所示，检测器组合件14包含光电倍增管18，所述光电倍增管在印刷电路板12上且可操作地连接到所述印刷电路板。在某些实施例中，光电倍增管18可以是硅(Si)光电倍增管。
呈涂层形式的对γ和/或β辐射敏感的闪烁剂20直接施加于光电倍增管18的上部表面。在某些实施例中，闪烁剂20包括作为涂层施加的有机闪烁体材料，例如掺杂聚乙烯甲苯(PVT)的涂层。示例性掺杂PVT产品包含由俄亥俄州希拉姆市的Saint-Gobain Crystals公司提供的BC-400和BC-404；以及由德克萨斯州甜水镇的Eljen Technology公司提供的EJ-296。应了解闪烁体20还可以含有二甲苯。
光学反射器22定位于闪烁体20上且用以防止光发射到除朝向光电倍增管18外的任何地方。因此，光学反射器22使离开闪烁剂20的光朝向光电倍增管18反射回。另外，光学反射器22可以产生额外电子，进而改善检测器10的性能。光学反射器22可以由薄反射金属箔形成，例如铝溅镀聚酯薄膜。光学反射器22也可以是无金属膜，例如聚合物膜。示例性聚合物膜是可购自明尼苏达州圣保罗市的3M公司的DF200MA。在某些实施例中，光学反射器22的厚度可为近似20μm与近似250μm之间。
由于光电倍增管18的光敏度，光电倍增管18周围的区是光密封的，以防止环境光影响检测器10的性能。光密封盖24围绕检测器组合件14的外围紧固到印刷电路板12的上部表面26。应了解在某些实施例中，光密封盖24可以此方式紧固到印刷电路板12以便完全覆盖整个印刷电路板12。然而，在一些实施例中，光密封盖24可包含由金属化聚酯薄膜、薄金属箔或例如光学反射器22的那些其它相似材料构成的薄“进入窗”，其中所述进入窗还具有使γ和β辐射能够通过的尺寸和取向。光密封盖24可以由例如黑色条带、铝条带或铜条带形成。
在某些实施例中，光电倍增管18具有近似3mm的宽度和近似3mm的深度。可增加光电倍增管18的表面积以实现更高的检测器灵敏度，或可减小表面积到近似1mm2以实现更紧凑的检测器组合件。检测器组合件14可以具有近似2mm与近似5mm之间的高度H、近似10mm与近似25mm之间的长度L，以及近似10mm与近似25mm之间的深度D(此处未图示)。因此，此检测器组合件提供可适于个人可穿戴式装置的紧凑形状因子。
现将与图4-6结合描述用以产生检测器组合件14的过程。如图4中所示出，用于形成闪烁体20的有机闪烁体材料在滴管30中与溶剂28组合。在某些实施例中，所述溶剂可以是例如二甲苯。随后将用于形成闪烁剂20和溶剂28的组合有机闪烁体材料从滴管30分配到光电倍增管18的表面上。
随后在真空烘箱(未图示)中加热检测器组合件14，其中溶剂将蒸发且闪烁剂20将固化在光电倍增管18上，如图5所示。在某些实施例中，将检测器组合件14加热到近似50℃。应了解在某些实施例中，检测器组合件14可以不在真空烘箱中加热，且可以在室温下干燥。本领域的技术人员将了解，将考量在固化循环期间闪烁剂20的收缩以匹配所需厚度。
可通过多次涂覆光电倍增管18的表面来改变闪烁剂20的厚度。通过改变放置于光电倍增管18上的闪烁体20的厚度，可改变检测器10的灵敏度。在某些实施例中，闪烁剂20的厚度可为近似50μm与近似1000μm之间。
随后可以将清漆层32施加到闪烁体20的表面，且随后将光学反射器22放置于清漆层32上，这帮助光学反射器22粘附到闪烁体20。本领域的技术人员将了解，光学反射器22和闪烁体20的粘合应当不含气隙或其它不一致性，以防止均匀性差异。
辐射检测器10以已知方式工作以提供光闪烁，可以响应于γ和/或β辐射检测所述光闪烁作为来自闪烁剂20的光脉冲，其由光电倍增管18转换为电信号，如图7中所图示。图7仅示出检测器组合件14的单个实施方案，然而所属领域的技术人员将了解检测器10可包含检测器组合件14的多个实施方案，其可以有用于例如检测β辐射的一些应用。可以通过由光电倍增管18响应于由光学反射器22反射的光脉冲而产生的额外电子来补充此检测影响。
检测器10受定位于印刷电路板12(此处未图示)上的微控制器34控制。检测器10还可以包含电容性滤波器36以抑制电磁干扰和静电放电。如上所述，检测器10可包含温度传感器38。32V偏置电压产生器40提供到检测器组合件14的电压以及用于阈值电压产生器44的参考电压42。阈值电压产生器44可以具有四个通道以提供四个参考信号。
随后使用比较器46将来自阈值电压产生器44的参考信号与来自检测器组合件14的四个通道的信号进行比较，且将信号的脉冲形状进行比较以基于检测到的γ射线产生信号。
图8中示出检测器10的另一实施例。在此实施例中，未通过检测器组合件14周围的光密封盖24提供光密封。在此实施例中，光密封容器或罐48包围检测器10。在某些实施例中，容器48可以由例如铝的金属形成，其例如具有开放的末端以允许容器48在组合件上方滑动。容器48的开放末端50以密封剂52封闭，所述密封剂在电缆16退出容器48的开放末端50时包覆且包围所述电缆。密封剂52可以是例如黑色硅树脂。在一些实施例中，密封剂52是室温硫化(RTV)硅树脂。
因此，整个检测器10被包覆于容器48内，进而防止环境光影响检测器10的性能。容器48也可以被构造成将也可由检测器组合件14检测到的β辐射滤波，以及提供电磁干扰(EMI)屏蔽。一些实施例还可以包含由将β辐射滤波的塑料(例如，2-3mm厚)构成的能量滤波器。然而，如同密封盖24，容器48的一些实施例可包含薄进入窗，所述薄进入窗以合适的材料构造且具有使γ和/或β辐射能够通过的尺寸和定向。
图9中示出另一实施例。类似于图8的实施例，光密封容器或罐48包围检测器10。在检测器10定位于容器48内部之后，将密封剂52插入到容器48中以将检测器10完全包覆于密封剂52内。密封剂52可以是黑色硅树脂，例如室温硫化(RTV)硅树脂或环氧树脂。
如本文所公开的辐射检测器10提供大小和重量紧凑的剂量计，所述剂量计可以高效且有成本效益的方式制造，并且可用于至多约30Sv/h的高γ剂量率。另外，辐射检测器10具有低的最大电压，进而提供比具有高电压的那些剂量计更安全的剂量计。在某些实施例中，辐射检测器10具有近似34V的最大电压，其显著小于现有技术的典型Geiger-Müller管检测器。通过近似34V的最大电压，辐射检测器10可遵守UL913和相似的安全标准，这对于Geiger-Müller管的500V供应电压是不可能的。检测器10也不需要高精度金属能量滤波器。
运用从本公开获得的知识，本领域的技术人员将识别到，在不脱离本公开的范围的情况下，可在获得这些和其它优点的过程中对所公开设备和方法作出各种改变。由此，应理解，本文所述的特征易于被修改、变更、改变或替换。例如，明确地预期以基本上相同的方式执行基本上相同的功能以实现相同结果的那些要素和/或步骤的所有组合都在本文描述的实施例的范围内。从一个所描述实施例到另一所描述实施例的元件的替换也是被充分预期和考虑的。本文中说明并描述的特定实施例仅出于说明性目的，且不限制如所附权利要求书中阐述的实施例。其它实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。应当理解，前述描述仅是为了清晰起见而提供，并且仅仅是示例性的。本公开的精神和范围不限于以上实例，而是由以下权利要求书涵盖。上文所引用的所有公开和专利申请出于所有目的而以相同程度以全文引用的方式并入本文中，其引用程度如同每一个别公开或专利申请被具体地且个别地指定以如此引用的方式并入一般。
Claims (18)
1.一种辐射检测器，包括：
印刷电路板；以及
检测器组合件，所述检测器组合件可操作地连接到所述印刷电路板且包括：
硅光电倍增管；
有机闪烁剂涂层，所述有机闪烁剂涂层施加于所述硅光电倍增管的表面；
反射箔，所述反射箔覆盖所述有机闪烁体涂层；以及
光密封容器，所述光密封容器包围所述印刷电路板以使得所述硅光电倍增管和所述有机闪烁体被囊封于所述光密封容器内。
2.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中所述有机闪烁体涂层由掺杂聚乙烯甲苯形成。
3.根据权利要求1所述的辐射检测器，还包括电缆，所述电缆可操作地连接到所述印刷电路板且被配置成对所述印刷电路板供应电力且提供与所述印刷电路板的数字数据通信。
4.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中所述光密封容器由金属形成。
5.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中所述光密封容器由铝形成。
6.根据权利要求1所述的辐射检测器，还包括所述印刷电路板上的温度传感器。
7.根据权利要求1所述的辐射检测器，还包括所述印刷电路板上的偏置电压产生器。
8.根据权利要求1所述的辐射检测器，还包括所述印刷电路板上的多个比较器。
9.根据权利要求1所述的辐射检测器，还包括所述印刷电路板上的微控制器。
10.根据权利要求1所述的辐射检测器，还包括所述印刷电路板上的电容性滤波器。
11.一种制造辐射检测器的方法，包括以下步骤：
在滴管中组合有机闪烁剂与溶剂；
将所述有机闪烁剂和溶剂分配到检测器组合件的表面上，所述检测器组合件包含定位于印刷电路板上的光电倍增管；
在真空烘箱中加热所述检测器组合件以使得所述溶剂蒸发；
以至少一个清漆层涂覆所述检测器组合件；以及
在所述闪烁体上施加光学反射器。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述有机闪烁体是掺杂聚乙烯甲苯。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述溶剂是二甲苯。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述光学反射器是反射箔。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述光学反射器是无金属膜。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述光学反射器是聚合物膜。
17.根据权利要求11所述的方法，其中所述检测器组合件被加热到近似50℃。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述光电倍增管上的所述有机闪烁剂具有近似50μm与近似1000μm之间的厚度。
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