CN1989422A - 闪烁探测器的稳定 - Google Patents

Abstract

本发明的主题是用于稳定由用来测量辐射、优选电离辐射的闪烁探测器通过在探测器中至少部分吸收的辐射而产生的并且依赖于探测器工作温度的信号的方法，其中从通过要测量的辐射本身产生的信号的信号形状中确定依赖温度的校准系数K。

Description

闪烁探测器的稳定

本发明涉及一种用于稳定由用来测量辐射、优选电离辐射的闪烁探测器通过在探测器中至少部分吸收的辐射而产生的并且依赖于探测器的工作温度的信号的方法，以及涉及一种用于测量辐射、优选电离辐射的探测器。

在现有技术中已知了相应的方法和探测器。闪烁探测器中的闪烁器吸收要测量的辐射，其中在闪烁器中产生激发状态。这种激发状态在发射光的情况下以衰变时间τ衰变，其中光量是衡量吸收的入射辐射的能量的尺度。该光被导向光电阴极，该光电阴极依赖于在那里吸收的光量发射电子，所述电子通常由光电倍增管增强。光电倍增管的输出信号因此是衡量吸收的辐射总能量的尺度。

已知，闪烁器的光输出依赖于其温度，使得正比于测量能量的输出信号也依赖于闪烁器的温度。由于常常不能在恒定的已知温度下运行闪烁探测器，因此由于温度波动显著损害了探测器的测量准确度。

按照已知的现有技术，通过在测量之前或之后实施的校准达到目的，其中所谓的校准源、也就是具有已知辐射能量的辐射源被用于校准。可替代地或者附加地也可以根据在已测量频谱中存在的已知能量的已知线实现校准。

这有这样的缺点，在校准时刻和测量时刻之间出现的温度波动导致附加的测量精确度。特别是在应用于变化无常的外部条件下、特别是在实验室外部使用的探测器中，加重了这种不利因素。此外正是在安全技术中(与经典的研究应用不同)常常以此为出发点，即在频谱中不存在足够的(事先)已知的能量线，因此首先必须分析测量的频谱，以便能够把确定的能量分配给各个测量线。这由于可能的错误分配而容易产生错误。此外，因为安全人员通常没有核物理知识，所以将测量频谱的各个线分配给确定的已知的能量也格外困难。

专利申请者因此研制了一种闪烁探测器和一种操作这种探测器的方法，在该闪烁探测器中在测量期间同时检测校正源的已知能量并且在测量期间连续或者以某种相对较短的间隔以校正源的已知辐射能量校正探测器。因此对于没有物理知识的人员也能够以较高准确度检测电离辐射的频谱。

可是在由校正源发出的辐射的能量范围内的辐射刚好被该校正源的辐射叠加并因此不被最佳地测量。相反地，如果不是连续地而是替代地仅仅以较大时间间隔对该探测器实施校正，那么虽然也可以测量在校正源的能量范围内的辐射，可是同时由于不可检测的温度变化而使能量分辨率变差。所以原则上很难能够在整个能量范围内、以及在校正源发出的辐射的范围内在较高灵敏度的情况下同时通过连续校正达到较高的能量分辨率。

另一个问题是，为了电离辐射测量的校正通常需要放射性的校正源，对于在安全技术中的应用该校准源最好是探测器的组成部分。这在生产相应探测器时要求较高的成本。基于不断提高的安全要求和尽可能地避免放射性材料的愿望，因此存在以下需求，即不使用放射性材料实施闪烁探测器的校正。

因此本发明基于这个任务，提供一种校准闪烁探测器的方法以及一种闪烁探测器，该闪烁探测器避免了已知现有技术的所描述的缺点并且在整个能量谱的连续测量中特别能够以较高的校正精度实现校正。本发明此外基于这个任务，即没有(放射性)校准源也能够校正用于测量电离辐射的闪烁探测器。

根据本发明利用按照独立权利要求的特征部分的探测器解决这个任务。

据此，直接从通过要测量的辐射本身所产生的信号的信号形状中确定依赖于温度的校准系数K。在该方法的一个优选实施形式中选择与脉冲波形参数P成预知比例的校准系数K，其中通过分析已记录的探测器信号的形状获得脉冲波形参数P，其中所选择的探测器信号依赖于在闪烁探测器中产生的闪烁光的衰变时间常数τ。对此从至少一个下面的参量中确定脉冲波形参数P证明是有益的：探测器的单极形成的输出信号的到达峰值时间，探测器的单极形成的输出信号的上升时间和/或在探测器的双极形成的输出信号的信号开始和过零点之间的时间。

以下面的方法步骤确定校准系数K证明是有益的：从通过在探测器中辐射的至少部分吸收中产生的、并且以衰变时间常数τ衰变的受激状态中产生电荷信号L，确定电荷信号L的基本上正比于衰变时间常数τ的上升时间，并且从电荷信号L的上升时间中确定校准系数K。可替代地，可以从最初获得的信号中产生电流信号S，使得电流信号S的长度和衰减时间基本上正比于衰变时间常数τ。然后从电流信号S的长度或衰减时间的参数中确定校准系数K。

电子上可以借助于信号处理确定脉冲波形参数P。可是进行数字信号处理是特别有益的，其中数字采样电荷信号L和/或电流信号S是有益的，其中优选以在1和1000MHz之间的采样速率、特别优选以在5和100MHz之间的采样速率并且最好优选以10至25MHz的采样速率进行采样。如此特别有益地数值地产生脉冲波形参数P。

此外，非常有利的是，借助于由脉冲波形参数P形成的预先确定的数学函数来确定用于稳定已测量信号的校准系数K，其中预先确定的函数有益地最好是线性或多项式的。在此，预先确定的函数可以可读地存储在探测器中。但是，用于稳定已测量信号的校准系数K与预先确定的校准表联系起来也是可能的，该校准表包含脉冲波形参数P。该校准表可读地存储在探测器中是有益的。于是，在实时测量期间在该方法的一个特别优选的方案中根据脉冲波形参数P确定校准系数K。

此外公开了一种用于测量辐射、优选电离辐射的探测器，在该探测器中以上面描述的方法稳定与辐射能量基本成正比的输出信号。

本发明的主题也是一种用于测量辐射、优选电离辐射的探测器，其具有至少一个至少部分吸收要测量的辐射的介质以及用于把由介质吸收的辐射能量转换为电荷的装置，其中电荷至少部分正比于辐射能量或至少与已吸收的辐射能成预先确定的比例。该探测器此外具有用于确定与介质的衰变时间常数τ基本成固定关系的校准系数K的装置和用于借助于校准系数K稳定探测器的与辐射能基本上成正比的输出信号的装置。

探测器具有如下用于确定校准系数K的装置是有益的：用于确定电荷信号L上升时间，优选通过把电荷信号L转换为电流信号S、优选通过微分、并且确定电流信号S的正比于电荷信号L的上升时间的衰减时间的装置，其中电荷信号L的上升时间是衡量在吸收辐射能的介质中受激状态的衰变时间常数τ的尺度；以及用于根据电荷信号L的上升时间来确定与介质的衰变时间常数τ基本成固定关系的校准系数K的装置。

优选闪烁晶体用作吸收辐射的介质，优选碘化钠(NaI)、钨酸镉(CWO)、碘化铯(CsI)、锗酸铋(BGO)或特别优选氯化镧(LaCl₃)或溴化镧(LaBr₃)。

用于把由介质吸收的并且至少部分正比于辐射能的能量转换为电荷的装置优选具有光探测器、例如光电倍增管，所述光探测器具有带有耦合光电倍增器的光电阴极，或光电二极管、特别优选具有耦合的电荷灵敏的前置放大器，或混合光电倍增管或雪崩光电二极管，其中在一个实施形式中借助于脉冲形成电路和放大器电路把电荷转换为电流信号S。对此可以测量在双极变形信号的两个定义时刻之间的时间t，优选在信号的上升沿的达到完全高度三分之一的时刻和在其上信号高度为0伏的时刻之间的时间，其中如此测量的时间t是衡量衰变时间常数τ的尺度。双极信号S的过零点的时间也表示为t_ZC。

在另一个实施形式中实现数字信号处理，其中优选以在1和1000MHz之间的采样速率、特别优选以在5和100MHz之间的采样速率并且最好优选以10至25MHz的采样速率进行数字信号采样。

在如此采样之后在探测器中通过数字信号处理优选确定电流信号S的指数下降沿的参数，该参数是衡量衰变时间常数τ的尺度。证明有利的是，以校正表调整与衰变时间常数τ成正比的参数并且利用由此产生的值校准已测量的信号，以便校准测量值并且由此稳定探测器。

在此，在探测器的电输出端上、通常也就是在光电倍增管的输出端上可测量的电荷q如下式依赖于另外的量：

q＝E*w_scnt(T)*ε_opt*S_phk(λ，T)*V_PMT(U_A，T，N，Hist)

其中E代表要测量的粒子能量，w_scnt代表在闪烁器中的光输出，ε_opt代表在闪烁器的光电阴极上光采集的光学效率，S_phk代表直接耦合在闪烁器上的光电阴极的灵敏度，并且V_PMT代表光电倍增管的固有增益。已表明，光输出依赖于闪烁器的温度T_S并且光电阴极的灵敏度依赖于光电阴极的温度T_F，其中光电阴极大多数直接与闪烁器热联系，从而仅仅考虑共同温度T＝T_F＝T_S，其中光电阴极的灵敏度附加还是波长λ的函数。

光电倍增管的固有增益V_PMT依赖于探测器历史Hist的工作电压U_A、温度T、计数速率N和非线性效应。这种依赖关系在下面不再探讨。

从J.S.Schweitzer和W.Ziehl，IEEE Trans.Nucl.Sci.NS-30(1)，380(1983)中已知，受激状态的衰变时间常数τ依赖于晶体温度。本发明从现在起第一次利用这种效应，在该效应中本发明识别与衰变时间常数τ成固定关系的量。利用本方法从这些量中确定在连续测量期间的晶体温度T和/或校准系数K，借助于所述晶体温度和/或校准系数可以稳定探测器。

这方面的特点是，不仅可以实现在连续测量期间在线稳定，而且从要测量的信号本身的形状中推导出校准系数K，使得不需要用于稳定的放射性校准源。

因此该方法由于连续稳定可能性而原则上比已知具有校准源的方法更准确。同时不需要校准源，使得不使用放射性材料并且附加地也提供在要测量辐射的能带内的完全分辨率，否则在该能带内出现校准源的信号并且妨碍较低剂量的测量。

下面根据图1到5阐述实施例。

图1示出了具有光电倍增管的闪烁探测器的示意结构；

图2a示出了关于时间的光辐射，图中显示针对具有不同衰变时间常数的但带有相同光量(能量)的两个事件；

图2b示出了图2a的两个事件的电荷信号L(t)；

图2c示出了圈2a的两个事件的电流信号S(t)；

图2d示出了图2a的两个事件的双极信号B(t)；

图2e示出了图2a的两个事件的单极信号U(t)；

图2f示出了事件序列的、具有和没有RC放电的电荷信号L(t)；

图3示出了¹³⁷Cs源的能量谱，在不同温度下接收；

图4示出了过零点时间谱，与图3的能量谱同时接收；

图5a示出了作为探测器系统温度函数的平均过零点时间<t_ZC>；

图5b示出了作为探测器系统温度函数的、在根据图3的能量谱中662-keV峰值的位置；

图5c示出了作为平均过零点时间<t_ZC>的函数在能量谱中662-keV峰值的位置；

图5d示出了作为平均过零点时间<t_ZC>的函数的校准系数K。

图1示范性示出了闪烁探测器100的示意结构。示出了闪烁晶体110、光电阴极120和光电倍增管130。辐射由闪烁晶体至少部分地吸收并且在那里产生受激状态，所述受激状态在发射光子的情况下衰变。这些光子撞击光电阴极120，光电阴极依赖于射入的光量发射电子，电子在光电倍增管130中又倍增。然后进一步处理光电倍增管130的输出信号，以便最后获得探测器的、与吸收的辐射能一致的输出信号，该信号在分析电路140中进一步被处理。

随着受激状态的衰变产生光辐射并因此基本呈带有衰变时间常数τ的指数。图2a至2e给出了具有不同衰变时间常数(τ_A＝100ns、τ_R＝150ns)的两个事件的计算机仿真的光辐射和后面的信号处理。

在图2a中示出了光辐射的时间曲线。在电荷信号L(t)中反映了全部直到时刻t聚集的电荷q(图2b)。在光脉冲衰变(在图2b中：大约在1000ns之后)之后电荷信号L(t)的高度是衡量全部发射的光子数目的尺度并因此是要测量的能量E的衡量尺度，电荷信号L的上升沿的陡度反映了闪烁材料的衰变时间常数。

正如从图2f中看出的，多个互相跟随的信号导致，电荷信号持续上升(曲线“没有RC放电”)。由于技术原因电荷信号因此通常经过具有电学时间常数Θ的RC单元进行回调(zurueckfuehren)，该时间常数大于τ(曲线“具有RC放电”)。可是这种回调对于后面的讨论原则上无关紧要，因此在图2b中为了清楚明显而放弃了这些细节。

通过对电荷信号L(t)微分，优选电子地以传统的脉冲形成电路和放大器电路，并由此获得电流信号S(t)(图2c)，可以电子地近似再现光辐射的时间曲线。可以从电流信号S(t)的形状或长度中提取关于衰变时间常数τ的信息。

通过连续的积分步骤和微分步骤、主要是电子地以传统的脉冲形成电路和放大器电路实现，可以再度以双极信号B(t)(图2d)或以单极信号U(t)(图2e)形成原始的电荷信号或电流信号。

从图2d明显看出，在双极信号B(t)中过零点时刻依赖于衰变时间常数τ。以过零点探测器可以非常准确地测量过零点时间。过零点时间不依赖于信号幅度并因此不依赖于已检测的粒子能量以及不依赖于信号放大的偏移。

图2e以实例演示，通过时间常数τ不仅确定单极信号U(t)的上升时间而且也确定到达峰值时间(在该时刻达到信号最大值)。可以用根据现有技术的电路来测量这些参数。

可以使用所有上面描述的方法，以便从探测器信号的形状中确定衰变时间常数τ、或由此校正的闪烁晶体的温度、或依赖于温度的校准系数K，该校准系数用于稳定探测器。后面描述的实施例围绕具体情况演示该原理：

包括具有耦合的光电倍增管的NaI(T1)晶体的闪烁探测器暴露于放射性辐射。根据图2d双极形成光电倍增管的信号并随后以f_sampl＝25MHz的采样速率数字采样光电倍增管的信号。对于每个已探测的信号确定过零点时间t_ZC这是通过如下步骤实现的：

■时刻t₁，在该时刻信号前沿达到信号最大值的三分之一，

■时刻t₂，在该时刻信号与零线相交，并且最后

■从各个采样点数值地计算出差值t_ZC＝t₂-t₁。

通过适当的数值方法，在所示的情况中通过在各个取样时刻之间的线性内插，能够以不确定度Δt确定过零点时间t_ZC该不确定度Δt远远小于取样间隔(Δt＜＜1/f_sampl)。

双极信号的最大值被作为是衡量能量E的尺度。

在测量期间除了通过参数E的脉冲幅度分析产生的能量谱外也记录通过参数t_ZC的脉冲幅度分析产生的过零点时间谱。

图3给出了用探测器在¹³⁷Cs源在不同温度下辐射期间记录的能量谱。

图4给出了同时被该系统记录下的过零点时间谱。

在图5a中示出了作为探测器系统的所属温度的函数的平均过零点时间<t_ZC>，该平均过零点时间通过计算各个过零点时间谱的重心来确定。<t_ZC>明确地与探测器系统的温度相关联。正如期望的并且已知的，能量谱中662-keV峰值的位置也依赖于温度(图5b)。这种效应必须通过校准系数K补偿。为此662-keV峰值位置首先可以表示为参数<t_ZC>的函数。图5c示出，如此创建该函数，使得根据<t_ZC>可以明确预知662-keV峰值位置X₆₆₂。

借助于校准系数

K(<t_ZC>)＝X₆₆₂(350ns)/X₆₆₂(<t_ZC>)

可以如此校准当前的峰值位置，使得

K(<t_ZC>)*X₆₆₂(<t_ZC>)＝X₆₆₂(350ns)＝const

适用-已校准的峰值位置不依赖于<t_ZC>并因此不依赖于探测器系统的温度。对于具体的探测器系统得出校准系数K，其在图5d中示出。对于每个探测器应单独地确定该函数。

在测量期间从已测量信号本身的信号形状中确定的、且尽可能不依赖于已测量辐射能E的校准系数K比如可以存放在探测器的表中，从而可以根据已经在表中存储的数据实现所述稳定。正如上面示范性给出的，函数化地获得所述依赖性，将该函数存储在探测器中、并且通过应用该函数实施稳定同样是可能的。

在另外的实施形式中可以选择根据图2c的信号上升时间t_r作为脉冲波形参数P。但是，具有与衰变时间τ可确定的依赖性的所有另外的参数也适合于根据本发明的方法。

如果不是模拟而是数字实现信号处理，则特别存在多样的可能性。为此在本发明的一个实施形式中以25MHz的采样速率对光电倍增管或电荷灵敏的前置放大器的输出信号进行数字采样。测量证明，该采样速率已经足够，以便达到足够准确的结果。

与模拟信号相比，数字信号在技术上更简单并且低廉地的被分析。因此例如可以放弃转换为双极信号(所述双极信号的过零点时间可以模拟地简单加以确定)，因为也可以直接从光电倍增管的数字输出信号中获得同样好的适当脉冲波形参数。此外，如果测量信号已经数字存在，则这有利于已测量信号的进一步处理和例如以多信道分析器VKA进行的分析。

该实施例、特别是图5a示出，尤其是在从-15℃到+55℃的感兴趣的温度范围内脉冲波形参数t_ZC与晶体温度的依赖性足够明确。

然而，本发明方法不仅可以应用于探测器。因为脉冲波形参数P也总是衡量晶体温度T的尺度，所以温度计也可以按照该方法进行工作。一般情况下本来存在的背景辐射作为辐射源足够了。由于测量不依赖于辐射能量，不需要稳定被测量的能量。

这种温度计的优点是，在测量位置不需要超过本来存在的背景辐射的能量供给以驱动温度计，不会由于测量本身影响要测量的对象的温度。

在探测器本身中这类温度测量可以用于校准另外的元件，它们也可以在探测器之外被使用。

Claims (25)

1.用于稳定由用来测量辐射、优选电离辐射的闪烁探测器通过在探测器中至少部分吸收的辐射而产生的、并且依赖于探测器运行温度的信号的方法，其中从通过要测量的辐射本身产生的信号的信号形状中确定依赖于温度的校准系数K。

2.按照权利要求1的方法，其中选择与脉冲波形参数P成预先确定的比例的校准系数K，其中通过分析已记录的探测器信号的形状获得脉冲波形参数P，其中所分析的探测器信号依赖于在闪烁探测器中产生的闪烁光的衰变时间常数τ。

3.按照权利要求2的方法，其中从至少一个下面的参量中确定脉冲波形参数P：

●探测器的单极形成的输出信号的长度；

●探测器的单极形成的输出信号的上升时间；

●在探测器的双极形成的输出信号的信号开始和过零点之间的时间。

4.按照上述权利要求之一的方法，其中以如下方法步骤确定校准系数K：

●从在探测器中通过至少部分吸收辐射而产生的、并且以衰变时间τ衰变的受激状态中产生电荷信号L，

●确定电荷信号L的基本上与衰变时间τ成正比的上升时间，

●根据电荷信号L的上升时间确定校准系数K。

5.按照权利要求1至3之一的方法，其中以如下方法步骤确定校准系数K：

●产生电流信号S，使得电流信号S的长度和衰减时间基本上与衰变时间τ成正比，

●根据电流信号S的长度或衰减时间的参数确定校准系数K。

6.按照上述权利要求之一的方法，其中借助于信号处理在电学上产生脉冲波形参数P。

7.按照上述权利要求之一的方法，其中在电学上对电荷信号L和/或电流信号S进行数字采样，其中优选以在1MHz和1000MHz之间的采样速率、特别优选以在5MHz和100MHz之间的采样速率并且最好优选在10MHz至25MHz之间的采样速率进行采样，并且数字化地进行进一步的信号处理。

8.按照上述权利要求的方法，其中数值地产生脉冲波形参数P。

9.按照上述权利要求之一的方法，其中借助于预先确定的数学函数根据脉冲波形参数P来确定用于稳定被测量的信号的校准系数K。

10.按照上述权利要求的方法，其中预先确定的函数基本上是线性的。

11.按照权利要求9的方法，其中预先确定的函数基本上是多项式。

12.按照权利要求9至11之一的方法，其中预先确定的函数可读地存储在探测器中。

13.按照上述权利要求之一的方法，其中用于稳定被测量的信号的校准系数K与预先确定的校正表建立联系，所述校正表包含脉冲波形参数P。

14.按照上述权利要求的方法，其中，预先确定校正表并且将校正表可读地存储在探测器中。

15.按照上述权利要求之一的方法，其中在测量期间实时地根据脉冲波形参数P确定校准系数K。

16.用于测量辐射、优选电离辐射的探测器，具有

●至少部分吸收要测量的辐射的介质，

●用于把由介质吸收的辐射能转换为电荷的装置，其中所述电荷至少部分正比于辐射能，

●用于确定与介质的衰变时间τ基本成固定关系的校准系数K的装置，

●用于借助于校准系数K稳定探测器的基本上与辐射能成正比的输出信号的装置。

17.按照上述权利要求的探测器，具有如下用于确定校准系数K的装置：

●用于优选通过把电荷信号L转换为电流信号S、优选通过微分、确定电荷信号L的上升时间并确定电流信号S的与电荷信号L的上升时间成正比的衰减时间的装置，其中电荷信号L的上升时间是衡量在吸收辐射的介质中受激状态的衰变时间τ的尺度，

●用于根据电荷信号L的上升时间确定基本上与介质的衰变时间τ成固定关系的校准系数K的装置。

18.按照权利要求16至17的探测器，其中吸收要测量辐射的介质具有闪烁晶体，优选碘化钠(NaI)、钨酸镉(CWO)、碘化铯(CsI)、锗酸铋(BGO)、氯化镧(LaCl₃)或溴化镧(LaBr₃)。

19.按照上述权利要求的探测器，其中用于把由介质吸收的并且至少部分与辐射能成正比的能量转换为电荷的装置具有光探测器，例如光电倍增管，所述光探测器包括带有耦合的光电倍增器的光电阴极或者包括光电二极管、特别优选带有耦合的电荷灵敏的前置放大器，或者包括混合光电倍增管或雪崩光电二极管。

20.按照上述权利要求16至19之一的探测器，其中借助于脉冲形成电路和放大器电路把电荷转换为电流信号S。

21.按照上述权利要求的探测器，其中测量在双极变形信号的两个定义时刻之间的时间，优选在该信号上升沿的在其上信号达到完全高度的三分之一的时刻和在其上信号幅度为0伏的时刻之间的时间，其中如此测量的时间是衡量衰变时间τ的尺度。

22.按照上述权利要求之一的探测器，其中数字化地采样电信号，其中优选以在1MHz和1000MHz之间的采样速率、特别优选以在5MHz和100MHz之间的采样速率并且最好优选以在10MHz和25MHz之间的采样速率进行采样，并且数字化地进行进一步的信号处理。

23.按照上述权利要求的探测器，在该探测器中通过数字信号处理来确定电流信号S的指数下降沿的参数，所述参数是衡量衰变时间τ的直接尺度。

24.按照上述权利要求之一的探测器，在该探测器中利用校正表补偿与衰变时间τ成正比的参数并且利用所得到的值校准已测量的信号，以便校准测量值。

25.用于测量辐射、优选电离辐射的探测器，在该探测器中以按照权利要求1至15之一的方法稳定基本上与辐射能成正比的输出信号。

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