CN1256416A - 一种能对电离辐射总剂量进行测量的新型固体剂量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能对电离辐射总剂量进行测量的新型固体剂量仪,其硬件由PMOS探头、辐照敏感物理参量—阈电压漂移的测量电路、PMOS探头的加偏电路和电源四部分构成。其软件由PMOS探头的温度特性测量、电路的温度补偿设计、探头的辐照偏置方式选择、辐照响应标定技术四部分组成。该剂量仪硬件电路简单、可微型化。是特别适用于航天探测、放射医疗、核工业等要求远距离实时监测总剂量的领域。也是国内开始首次应用于航天卫星环境探测的新技术。

Description

一种能对电离辐射总剂量进行测量的新型固体剂量仪

本发明属于一种新型电离辐射总剂量测量技术。尤其是涉及航天卫应用。

它是利用PMOS场效应晶体管(以下称PMOS探头)受到电离辐照后，其栅氧化层中感生的氧化物电荷和硅-二氧化硅界面态的增加将引起器件表面电势的变化，并且这种变化与其吸收的辐射累积剂量有近似线性关系的原理，进行累积辐射剂量的测量，是一种相对辐射剂量测量技术，

PMOS剂量仪的研究应用国外开展较早，从80年代至今，国外多次在卫星上采用PMOS剂量仪进行了成功的搭载飞行探测应用，并且开始发展用于个人剂量监测、医用放射治疗剂量监测、核工业设备和辐射消毒剂量监测等领域的一系列灵敏度不同的辐射剂量仪。近年来，PMOS剂量仪在微型化、与其它电路混合设计以及制造工艺、应用技术方面不断有新的研究进展。成为人们较为关注的研究目标。

目前，在PMOS探头的温度特性、电荷记录长久稳定性、高灵敏度、响应线性度以及响应测量技术等方面的应用技术改进和探头质量提高仍在不断深入研究。

在国内，我们对PMOS剂量仪的研制、开发工作起步于90年代初。是国内唯一和最早对国外此项技术进行跟踪研究的单位，由于PMOS剂量仪的很多关键应用技术无法从国外文献中获取，因而，我们从pMOS器件的工艺变量到各种条件下的辐射响应特性入手，进行了大量的研究分析工作，取得了很多卓有成效的结果。根据获得的研究结果，设计研制出了航天卫星专用PMOS剂量仪电路，采用和建立了温度补偿方法和标定方法。

本发明的目的在于一种能对电离辐射总剂量进行测量的新型固体剂量仪，其硬件由PMOS探头、辐照敏感物理参量—阈电压漂移的测量电路、PMOS探头的加偏电路和电源四部分构成。其软件由PMOS探头的温度特性测量、电路的温度补偿设计、探头的辐照偏置方式选择、辐照响应标定技术四部分组成。

该剂量仪特点：测量的实时性、低功耗、测量精度高(可达10％)、硬件电路简单、可微型化。是特别适用于航天探测、放射医疗、核工业等要求远距离实时监测总剂量的领域。也是国内开始首次应用于航天卫星环境探测的新技术。也是其它测量方法，如：CaF2：Mn TLD，p-i-N二极管，尼龙薄膜等无法相比和替代的。同时，其剂量测量精度也不低于上述几种固体剂量仪。

本发明所述一种能对电离辐射总剂量进行测量的新型固体剂量，其硬件由PMOS探头、辐照敏感物理参量—阈电压漂移的测量电路、PMOS探头的加偏电路和电源四部分构成。其软件由PMOS探头的温度特性测量、电路的温度补偿设计、探头的辐照偏置方式选择、辐照响应标定技术四部分组成。该仪器的阈电压漂移测量电路包括了由运算放大器构成的恒流回路(1)，由运算放大器构成的采样隔离跟随器(3)，由运算放大器构成的阈电压及阈电压漂移算法电路(4)，和由可调三端稳压器构成的PMOS探头初值基准电压电路(5)；探头加偏电路(2)由开关与提供恒流的运算放大器构成。阈电压漂移测量电路是采用反馈自稳定技术，利用运算放大器的高开环增益，与PMOS探头构成一恒流回路，实现在PMOS探头的源-漏间通过一选取的恒定工作电流，工作电流一般选10微安、20微安。阈电压漂移算法电路能够包括另一种温度补偿设计，即热敏电阻组件对PMOS阈电压初值的温度补偿法。将可调三端稳压器构成的PMOS探头初值基准电压电路(5)中的调压电阻改为符合要求B值的热敏电阻组件，即实现了对剂量仪的温度补偿设计。

该剂量仪软件中的零温度系数电流的确定是通过对PMOS探头的温度特性测量获得的，其方法如下：

a.依照PMOS剂量仪应用环境温度范围(通常为：-20℃-80℃)，选取三个以上的温度(含两端温度)，在各个温度下测得一组I-V曲线(I-V测量可采用专用I-V测量仪或任一具备电压扫描、电流测量(最小可测量电流至少为10^-9A)的仪器完成)。绘出测得的I-V曲线组，找出曲线交叉点对应的电流即为该测量探头的零温度系数电流；

b.利用PMOS剂量仪阈电压漂移测量电路或其它可测量PMOS探头阈电压的通用测量仪器，通过从10微安起逐渐增大工作恒定电流，然后在变化温度环境下进行阈电压监测，找出阈电压随温度变化最小的工作电流即为零温度系数电流。

软件中热敏电阻组件阈电压初值的温度补偿法是通过以下步骤完成的：

首先依照PMOS剂量仪应用环境温度范围(通常为：-20℃-80℃)，选定三个及以上温度点(含两端温度)，测定出相应的PMOS探头初始(未辐照过)阈电压，例如V_T(-20℃)、V_T(25℃)、V_T(80℃)。

其次依据基准电压电路(5)的输出电压(V_R)与可调电阻(R_T)的关系，V_R＝f(R_t)。

以V_T代入上式中V_R得到各温度点对应的电阻测得电阻阻值R_-20℃、R_25℃、R_{80 ℃}。

然后在根据所得到的不同温度点的电阻阻值R_-20℃、R_25℃、R_80℃。可得到所需热敏电阻组件的B值。

根据所需B值的热敏电阻组件，并将其替代PMOS剂量仪基准电压电路中的调压电阻，即完成了对PMOS探头的温度补偿措施。

软件中PMOS探头的辐照偏置方式选择是根据剂量仪设计要求的灵敏度大小、响应线性度、功耗限制、稳定性要求而定，这是由于辐照偏置对上述指标的影响规律不同的原因。软件中PMOS探头在应用前的标定技术包括辐照源的选取、辐照剂量的确定和标定辐照剂量率选取。其主要以1.25MeV、1.17MeV的γ射线为标定源。采用的标定剂量率小于某一定值时，能较好模拟空间低剂量率辐射环境；

辐照剂量的确定有两种：一是用标定过的钴源(Co⁶⁰Υ)进行辐照，辐照剂量可通过对时间的精确测量确定。二是用X光源或电子束等辐照源标定，采用热释光片(TLD)同时辐照，用量热计对其进行刻度的方法。

参见附图

图1为本发明PMOS剂量仪电路原理框图

图2为本发明PMOS探头加偏电路

剂量仪硬件主要完成对PMOS探头辐照时加偏置和测量时采集阈电压漂移信号的功能。剂量仪的软件则是以完善PMOS剂量仪整机性能，实现高稳定性、高测量精度、低温度效应并最终取得探头的响应标定曲线为目的，以及在剂量仪应用前对测量电路进行工作状态调整(确定探头辐照偏置、工作恒流、基准电压)。

实施例1：

选择采用“零温度系数电流”补偿法，选择V_T辐照偏置模式。

首先测定“零温度系数电流”，将剂量仪工作恒流电路(1)调节为此电流。加偏电路(2)的开关可去掉，直接将原开关的刀端接到仪器电源+12V端。然后进行PMOS探头的辐照响应曲线标定。

一是用标定过的钴源(Co⁶⁰Υ)进行辐照，辐照剂量可通过对时间的精确测量确定，标定可获得PMOS探头阈电压漂移与辐照剂量的响应关系。二是用X光源或电子束等辐照源标定，一般采用热释光片(TLD)同时辐照，用量热计对其进行刻度的方法。具体地讲，就是在标定过的钴源(Co⁶⁰Υ)辐照热释光片(TLD)，用量热计对其进行刻度，再用同批次的热释光片(TLD)和PMOS探头同时在X光源或电子束源下辐照，从而可根据TLD在量热计的读数确定出辐照的总剂量。最终也可获得PMOS的阈电压漂移与总电离剂量的响应关系。

将标定过的同批次PMOS探头按相应管脚联接在测量电路中，打开剂量仪电源，置该探头于辐射环境中时，测量电路会测得其阈电压漂移量。该漂移量即对应于测量时刻的辐照总剂量。剂量值可从标定的响应关系曲线得到。

实施例2：

采用热敏电阻温度补偿法，选择V_T辐照偏置模式。

将可调三端稳压器构成的PMOS探头初值基准电压电路(5)中的调压电阻改为符合要求B值的热敏电阻组件，其步骤如下：

首先依照PMOS剂量仪应用环境温度范围(通常为：-20℃-80℃)，选定三个及以上温度点(含两端温度)，测定出相应的PMOS探头初始(未辐照过)阈电压，例如V_T(-20℃)、V_T(25℃)、V_T(80℃)。

其次依据基准电压电路(5)的输出电压(V_R)与可调电阻(R_T)的关系，V_R＝f(R_t)。

例如本发明中V_R＝1.25(1+R_t/240)分别将V_T(-20℃)、V_T(25℃)、V_T(80℃)代入上式的V_R中，可算出与上述各温度点对应的电阻阻值R_-20℃、R_25℃、R_80℃。

然后根据以上步骤中得到的不同温度点的电阻阻值R_-20℃、R_25℃、R_80℃。可得到所需热敏电阻组件的B值。

再采用一定的方法构成所需B值的热敏电阻组件，并将其替代PMOS剂量仪基准电压电路中的调压电阻，即完成了对PMOS探头的温度补偿措施。然后进行PMOS探头的辐照响应曲线标定。

一是用标定过的钴源(Co⁶⁰Υ)进行辐照，辐照剂量可通过对时间的精确测量确定，标定可获得PMOS探头阈电压漂移与辐照剂量的响应关系。二是用X光源或电子束等辐照源标定，一般采用热释光片(TLD)同时辐照，用量热计对其进行刻度的方法。具体地讲，就是在标定过的钴源(Co⁶⁰Υ)辐照热释光片(TLD)，用量热计对其进行刻度，再用同批次的热释光片(TLD)和PMOS探头同时在X光源或电子束源下辐照，从而可根据TLD在量热计的读数确定出辐照的总剂量。最终也可获得PMOS的阈电压漂移与总电离剂量的响应关系。

将标定过的同批次PMOS探头按相应管脚联接在测量电路中，打开剂量仪电源，置该探头于辐射环境中时，测量电路会测得其阈电压漂移量。该漂移量即对应于测量时刻的辐照总剂量。剂量值可从标定的响应关系曲线得到。

Claims (8)

1、一种能对电离辐射总剂量进行测量的新型固体剂量仪，其特征在于，其硬件由PMOS探头、辐照敏感物理参量—阈电压漂移的测量电路、PMOS探头的加偏电路和电源四部分构成。其软件由PMOS探头的温度特性测量、电路的温度补偿设计、探头的辐照偏置方式选择、辐照响应标定技术四部分组成。

2、根据权利要求1所述的一种能对电离辐射总剂量进行测量的新型固体剂量仪，其特征在于，该仪器的阈电压漂移测量电路包括了由运算放大器构成的恒流回路(1)，由运算放大器构成的采样隔离跟随器(3)，由运算放大器构成的阈电压及阈电压漂移算法电路(4)，和由可调三端稳压器构成的PMOS探头初值基准电压电路(5)；探头加偏电路(2)由开关与提供恒流的运算放大器构成。

3、根据权利要求2所述的一种能对电离辐射总剂量进行测量的新型固体剂量仪，其特征在于，阈电压漂移测量电路是采用反馈自稳定技术，利用运算放大器的高开环增益，与PMOS探头构成一恒流回路，实现在PMOS探头的源-漏间通过一选取的恒定工作电流，工作电流一般选10微安、20微安。

4、根据权利要求2所述的一种能对电离辐射总剂量进行测量的新型固体剂量仪，其特征在于：阈电压漂移算法电路能够包括另一种温度补偿设计，即热敏电阻组件对PMOS阈电压初值的温度补偿法。将可调三端稳压器构成的PMOS探头初值基准电压电路(5)中的调压电阻改为符合要求B值的热敏电阻组件，即实现了对剂量仪的温度补偿设计。

5、根据权利要求1所述的一种能对电离辐射总剂量进行测量的新型固体剂量仪，其特征在于，软件中的零温度系数电流的确定是通过对PMOS探头的温度特性测量获得的，其方法如下：

a.依照PMOS剂量仪应用环境温度范围(通常为：-20℃-80℃)，选取三个以上的温度(含两端温度)，在各个温度下测得一组I-V曲线(I-V测量可采用专用I-V测量仪或任一具备电压扫描、电流测量(最小可测量电流至少为10^-9A)的仪器完成)。绘出测得的I-V曲线组，找出曲线交叉点对应的电流即为该测量探头的零温度系数电流；

b.利用PMOS剂量仪阈电压漂移测量电路或其它可测量PMOS探头阈电压的通用测量仪器，通过从10微安起逐渐增大工作恒定电流，然后在变化温度环境下进行阈电压监测，找出阈电压随温度变化最小的工作电流即为零温度系数电流。

6、根据权利要求1所述的一种能对电离辐射总剂量进行测量的新型固体剂量仪，其特征在于，软件中热敏电阻组件阈电压初值的温度补偿法是通过以下步骤完成的：

首先依照PMOS剂量仪应用环境温度范围(通常为：-20℃-80℃)，选定三个及以上温度点(含两端温度)，测定出相应的PMOS探头初始(未辐照过)阈电压，例如V_T(-20℃)、V_T(25℃)、V_T(80℃)。

其次依据基准电压电路(5)的输出电压(V_R)与可调电阻(R_T)的关系，V_R＝f(R_t)。

以V_T代入上式中V_R得到各温度点对应的电阻阻值R_-20℃、R_25℃、R_80℃。

然后再根据所得到的不同温度点的电阻阻值R_-20℃、R_25℃、R_80℃。可得到所需热敏电阻组件的B值。根据所需B值的热敏电阻组件，并将其替代PMOS剂量仪基准电压电路中的调压电阻，即完成了对PMOS探头的温度补偿措施。

7、根据权利要求1所述一种能对电离辐射总剂量进行测量的新型固体剂量仪，其特征在于，软件中PMOS探头的辐照偏置方式选择是根据剂量仪设计要求的灵敏度大小、响应线性度、功耗限制、稳定性要求而定，由于辐照偏置对上述指标的影响规律不同的原因。

8、根据权利要求1所述的一种能对电离辐射总剂量进行测量的新型固体剂量仪，其特征在于，软件中PMOS探头在应用前的标定技术包括辐照源的选取、辐照剂量的确定和标定辐照剂量率选取。其主要以1.25MeV、1.17MeV的γ射线为标定源。采用的标定剂量率小于某一定值时，能较好模拟空间低剂量率辐射环境；

辐照剂量的确定有两种：一是用标定过的钴源(Co⁶⁰Υ)进行辐照，辐照剂量可通过对时间的精确测量确定。二是用X光源或电子束等辐照源标定，采用热释光片(TLD)同时辐照，用量热计对其进行刻度的方法。

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