KR20210098474A - 방사선 구동식 고 선량률 및 고 선량 방사선 센서 - Google Patents

방사선 구동식 고 선량률 및 고 선량 방사선 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 교번하는 핫 및 콜드 접합으로 구성된, 제벡 효과를 제공하는 복수의 접합을 포함하는 장치를 제공한다. 장치는 콜드 접합이 입사 방사선에 대한 응답으로 핫 접합과 다른 열적 거동을 나타내도록 구성될 수 있다. 접합은 직렬로 연결될 수 있어서, 복수의 접합으로부터의 제벡 효과의 합이 입사 방사선에 응답하는 장치의 가열에 대한 민감하고 본질적으로 교정된 표시, 즉 방사선 자체에 대한 민감하고 본질적으로 교정된 표시를 제공한다.

Description

방사선 구동식 고 선량률 및 고 선량 방사선 센서
본 발명은 방사선 센서 분야, 구체적으로 방사선량 및 선량률(dose rate) 측정 분야에 관한 것이다.
방사선은 많은 방식으로 측정되고 추론된다. 방사선량은 생물학적 손상을 참조하기 위한 가장 일반적인 방법이다. 방사선량은 거의 직접 측정되지 않고, 어떤 다른 측정이나 어떤 다른 측정의 프로세싱에서 추론된다. 방사선량의 정의는 단위 질량 당 축적된 에너지(그램 당 에르그(ergs per gram))이다. 본 발명은 erg/g를 직접 측정할 수 있다.
오늘날 이용가능한 많은 센서는 신틸레이터(scintillator) 또는 반도체와 같은 대형 벌크 센서 또는 다른 방법을 사용하여 방사선량을 추론한다. 에르그/그램이 직접 측정되지 않는 이들 모두는, 생성된 플럭스, 광 또는 전하로부터 선량(erg/g)을 추정하기 위해 이온화 입자 상호작용이 제대로 확인될 필요가 있다는 점에서 불확실성을 유발할 수 있다. 이들 불확실성은 통상적으로 5% 이상이다. 이는, 기본 단면적 또는 상호작용 확률이 5% 넘게 인식되는 경우가 거의 없으며; 불확실성을 가진 이들 많은 상호작용을 포함하는 추론된 선량 또는 에너지 축적을 기본적인 물리적 상호작용 이상으로 계산할 수 없고 입력 값보다 더 확실한 선량 수를 도출할 수 없기 때문이다.
의료계에서 그 의미는 중요하다. 예를 들어, 문헌[The Int. Journal of Radiation Oncology, 1995년 7월 15일, Volume 32, Issue 4, Pages 1227-1237]에서, 1% 이내를 달성하는 것의 중요성이 강조되었다. 이는 삶과 죽음만큼의 차이를 의미할 수 있다.
그러므로, 선량 불확실성이 매우 낮은 센서에 대해 의료 및 산업적으로 유의한 요구가 존재한다. 기존 센서로 이러한 낮은 불확실성을 얻기 위해서는, 조사로 인한 온도 상승이 측정되어야 한다. 현재 상업적으로 또는 일반적으로 방사선량을 직접 측정하는 방식은 없다. 이는 많은 상황에서 온도 상승이 환경 온도 변화보다 훨씬 낮기 때문이다(1 만 내지 1 백만 배 더 작게 판독). 본 발명은 많은 실제 상황에서 이를 변경한다.
선량 및 선량률의 간접 측정을 제공하는 것 외에, 대부분의 방사선 센서는 감지 프로세스 동안 전력을 요구한다. 예를 들어, 이것은 전하를 스윕(sweep)하기 위해 포토튜브 또는 반도체에 전압 바이어스가 요구됨을 의미한다. 본원에 설명된 방법은 감지 엘리먼트에 전력을 요구하지 않는다.
투과 및 이온화 방사선 센서는 일반적으로 섬광 기반(발광), 또는 전하 수집 기반(가이거 뮬러 튜브, 비례 계수기 또는 반도체와 같은 가스 검출기)이다. 이들은 비교적 민감하며 트랜스듀서 엘리먼트(예를 들어, 포토튜브)에 전력을 공급하기 위해 능동 전자 장치를 요구한다.
적외선(IR) 또는 열 형태의 방사선의 경우, 초전기 또는 서모커플(thermocouple) 디바이스가 사용될 수 있다. 서미스터 또는 저항성 온도 센서와 같은 보다 민감한 열 디바이스는 일종의 부과된 바이어스를 갖고, 이는 전원을 필요로 하며, 항상 온(on) 상태이고 감지할 수 있는 방사선이 없을 때 전력을 요구한다. 이것은, 전기장 소스가 적용되고 저항의 변화가 전자적으로 측정되는 것을 의미한다.
초전기 또는 저항 디바이스의 경우, 디바이스가 사용되는 전체 시간 동안 전력이 요구되고, 교정 및 재현성이 문제가 될 수 있다. 특히 선량을 측정하는 수단으로서 방사선 투과로 예상되는 저온 변화에 대해 디바이스를 교정하기 위해 복잡한 프로세스, 및 복잡한 교정이 사용되어야 한다. 적분 선량의 전체 시간-종속 측정을 획득하기 위해 복잡한 아날로그 및 디지털 회로가 종종 요구된다.
엘리먼트의 제조는 방사선에 노출될 때 비전류(specific current)(또는 전압 변화)를 결정한다. 이들은 통상적으로 이온화 방사선 또는 감마 또는 중성자와 같은 투과 방사선에 사용되지 않는다.
본 발명의 구현예는 하기와 같은 방사선 측정을 위한 장치를 제공한다: (a) 제1 재료를 포함하는 복수의 제1 엘리먼트; (b) 제2 재료를 포함하는 복수의 제2 엘리먼트를 포함하고; (c) 복수의 제1 엘리먼트 및 복수의 제2 엘리먼트는 복수의 제3 및 제4 접합(junction)으로부터의 교번하는 접합을 포함하는 직렬로 연결된 복수의 제3 접합 및 복수의 제4 접합을 형성하도록 구성되고; 직렬의 제1 접합은 제1 전극과 전기 통신하고, 직렬의 최종 접합은 제2 전극과 전기 통신하고; (d) 복수의 제3 접합은 복수의 제4 접합과 입사 방사선에 대해 상이한 열 응답을 갖는다. 일부 구현예는 제1 및 제2 전극에 연결된 증폭기를 더 포함한다.
일부 구현예는 복수의 제4 접합보다 복수의 제3 접합에 더 큰 방사선 차폐를 제공하는 방사선 차폐부를 포함한다. 일부 구현예는 복수의 제3 접합과 열 연통하는 열 방산 엘리먼트를 포함한다. 일부 구현예는 복수의 제3 접합과 복수의 제4 접합 사이에 배치된 열 절연부를 포함한다.
일부 구현예에서, 복수의 제3 접합은 복수의 제4 접합과 상이한 열 특성을 갖는다. 일부 구현예는 복수의 제4 접합과 주변 요소 사이에 배치된 열 절연부를 포함한다. 일부 구현예에서, 제1 재료 및 제2 재료는 서로 접촉하여 배치될 때 제벡 효과(Seebeck effect)를 제공한다. 일부 구현예는 배경 온도 변동으로부터 투과 방사선 효과를 분리하는 것을 향상시키기 위해 제벡 효과의 가변성을 제공하는 제3 및 제4 재료를 포함한다.
일부 구현예는 열 절연 기판을 포함하고, 여기서 복수의 제3 접합은 기판의 제1 표면에 배치되고, 복수의 제4 접합은 기판의 제1 표면에 대향하는 제2 표면에 배치된다.
일부 구현예에서, 복수의 제4 접합은 진공 상태에 있다. 일부 구현예에서, 열 방산 엘리먼트는 콜드 플레이트(cold plate)를 포함한다. 일부 구현예에서, 열 방산 엘리먼트는 히트 싱크(heat sink)를 포함한다. 일부 구현예에서, 복수의 제3 접합은 복수의 제4 접합보다 낮은 열 용량을 갖는다. 일부 구현예에서, 복수의 제3 접합은 복수의 제4 접합보다 작다.
일부 구현예에서, 접합은 기판으로 장착되고, 여기서 복수의 제3 접합은 기판의 제1 영역에 배치되고, 복수의 제4 접합은 기판의 제2 영역에 배치되고, 여기서 제1 영역은 제2 영역과 구별된다. 일부 구현예에서, 접합은 2-차원 어레이로 배치된다. 일부 구현예에서, 접합의 총 수는 적어도 100개이다. 일부 구현예에서, 접합의 총 수는 적어도 1,000개이다. 일부 구현예에서, 접합의 총 수는 적어도 10,000개이다. 더 많은 수의 접합이 또한 본 발명의 범위 내에 있다. 접합의 수는 제작 고려 사항 및 원하는 성능(예를 들어, 감도)에 기반하여 선택될 수 있다.
일부 구현예에서, 제1 재료는 비스무트, 셀레늄, 실리콘 및 Pbi5Ge37로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 일부 구현예에서, 제2 재료는 제1 재료를 제외한 비스무트, 셀레늄, 실리콘 및 Pbi5Ge37로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
본원에 설명되고, 또한 서모파일 디바이스(thermopile device)로서 설명된 무전원 디바이스는 매우 높은 동적 범위를 나타내고, 빠른 시간 응답을 가지며, 크기가 작고, 사용 가능한 다른 기술보다 더 정확한 선량을 직접 판독할 것이다. 단점은, 본 방법이 상대적인 의미에서 매우 민감하지 않다는 것이고, 예를 들어 매우 낮은 선량률은 다수의 배경 요소 내에서 측정할 수 없다. 또한 다른 대형 검출기들이 훨씬 더 민감하다. 그러나, 많은 중요한 용도에서, 이 기술은 정확도, 타이밍 및 동적 범위에서 상당한 이득을 제공한다.
첨부된 도면은 본 발명의 잠재적인 구현예의 명세서 및 실시의 양태를 형성한다. 첨부된 도면은 구현예를 예시하고 예로서 역할을 하는 것으로 이해된다. 첨부된 도면은 본 발명을 제한하려는 것으로 의미되지 않는다. 예를 들어, 제3 제벡 재료의 중간 섹션이 핫 측(hot side) 및 콜드 측(cold side) 사이에 삽입되어 추가적인 접합을 이루고 해석의 명확성을 추가할 수 있다. 이것은 예시로 도시되지 않는다.
도 1은 후키시마 이벤트(Fukishima event)와 유사한 시간 영역 맥락에서의 효과의 예시이다.
도 2는 본 발명과 관련된 몇 가지 기본적인 물리적 파라미터를 예시한다(omega.com에서).
도 3은 단일 접합 대 10,000개-접합 서모커플(다중 접합 서모커플은 서모파일로서 정의됨)로부터의 임펄스 전압 측면에서 디바이스 동작에 대한 측정 범위뿐만 아니라 총 선량 및 선량률과 비교된 관심 방사선 이벤트를 예시한다.
도 4a는 기본적인 다중-접합 서모파일 개념을 예시한다. 도 4bc의 B는 표면 상의 리소그래피 프로세스를 사용하여 제작될 서모파일에 대한 설계에 기반한 서모파일 방사선 센서에 대한 구성을 예시한다. 도 4bc의 C는 100개의 단위의 서모파일에 대한 평평한 구현예를 도시한다.
도 5는 관통-홀 비아 구성으로 구축된 파일 구성(pile configuration)의 예시적인 구현예의 개략도를 제공한다. 핫 접합과 콜드 접합은, 투과 방사선이 각각의 접합을 다르게 비추거나 각 접합이 열을 다르게 유지하도록 분리될 수 있다.
도 6은 콜드 접합이 중앙에 위치된 표면 패턴화된 서모커플 접합 어레이의 예시적인 구현예의 개략도이다. 콜드 접합은 텅스텐과 같은 높은 Z, 고밀도 플레이트에 의해 방사선으로부터 차폐되어 콜드 접합에서의 선량을 감소시켜 재료 선택 및 기하학적 구조만으로 달성될 수 있는 것보다 투과 방사선으로부터의 응답을 향상시킨다. 이것은 또한 도 4의 기하학적 구조로 구현될 수 있다.
도 7은 관통-홀 비아 설계를 사용하여 투과 방사선량의 콤팩트 측정을 위한 수동 엘리먼트 서모파일 설계의 개략도이다.
도 8은 의사 또는 의료인의 손이 방사선 장에 있을 수 있는 형광 투시법과 같은 절차를 수행하는 의사 또는 의료인을 지원하기 위해 링으로 구성될 수 있는 서모파일 레이아웃 중 하나의 개략도이다.
도 9는 예시적인 구현예의 개략도이다.
본 발명은 방사선 센서, 구체적으로 방사선량 및 선량률의 측정을 제공하는 센서에 관한 것이다. 일반적으로 사용되는 기타 방사선 센서, 예를 들어, 반도체, 신틸레이터, 비례 또는 애벌런치(avalanche) 가스 센서, 열발광 검출기 등은 방사선량을 결정하기 위해 일종의 복잡한 변환을 사용한다. 본 발명의 구현예는 직접적인 기본 파라미터(예를 들어, 열전 접합(단일 유닛 또는 서모파일(다중 유닛)) 디바이스에서의 제벡 효과)를 사용할 수 있다. 이 효과는, 투과 및 이온화 방사선을 감지할 때 활용될 수 있고, 디바이스에서 배경 온도 변화를 고려하여 전력이 공급되지 않는 디바이스가 될 수 있고 기본 물리학을 기반으로 직접 NIST-교정이 가능할 수 있다. 본 발명의 구현예는 1% 이상의 정밀도 및 정확도를 제공할 수 있는데, 이는 본 발명의 구현예가 종래 기술 디바이스에서 요구되는 바와 같이 X 선 소스 및 스펙트럼의 변환 또는 모델링 없이 선량과 직접 관련될 수 있기 때문이다. 종래 기술 디바이스는 에너지/질량이 직접 측정되지 않기 때문에 변환 및 모델링을 요구한다. 대부분의 상호작용률은 5% 이상의 불확실성을 가지며 상호작용 파라미터 및 모델링 오류의 추가 효과로 인해 얻는 총 불확실성은 사람들을 위험에 빠뜨릴 만큼 정확도를 떨어뜨릴 수 있다.
의료 애플리케이션은 종종 주변 요소의 측정뿐만 아니라 서모파일 출력의 저잡음, 고이득 증폭 둘 모두에서 정밀도를 요구한다. 대부분의 X 선 기계에서 사용되는 것과 같은 짧은 펄스 X 선 소스는 직접 열 배경 측정뿐만 아니라 핫 접합 및 콜드 접합 근처의 방사선 차폐를 통해 측정하고자 하는 방사선으로부터 환경 영향을 판별하게 한다. RTD 또는 서모파일 솔루션에 대해 특정 요건이 요구되기 때문에, 전력이 공급되는 디바이스가 사용되거나 사용되지 않을 수 있다. 소스 에너지에 따라, 차동 차폐 또는 더 긴 리드가 핫 접합과 콜드 접합을 분리하는 데 사용될 수 있다. 핫 접합과 콜드 접합 사이의 분리는 투과 방사선을 측정하는 데 중요하고; 이 분리는 전극 사이에서 보여지는 온도 차이를 최대화하는 데 도움을 준다. 일부 조건 하에서, 다른 크기의 접합과 열 특성을 갖는 것으로 충분하지만, 방사선으로 인한 온도 상승을 가장 잘 측정하기 위해, 하나의 접합이 전혀 방사되지 않으면, 이에 따라 차폐되는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 설계에 의해, 재료는 센서 엘리먼트에 걸쳐 열 구배를 획득하고 유지하는 방법을 결정할 수 있다. 설계에 의해, 본 출원인은 콜드 플레이트, 높은 열 용량의 콜드 접합을 가지며, 핫 측은 낮은 열 용량과 높은 등가 열 질량(예를 들어, 진공)을 갖는다. 또 다른 구현예는 비아를 갖는 관통 홀 설계만을 사용하기 위한 보다 부드러운 X 선(예컨대 치과, 공칭적으로 20 keV)을 위한 것이다. 본 출원인은 고 에너지 투과 방사선에 대한 다수의 설계를 설명한다. 방법의 선택은 특정 애플리케이션에 대한 특정 비용/이익 분석에 따를 것이다. 그러나, 기본적인 발명은 언급된 애플리케이션 각각에서 작동할 수 있다.
본 발명의 구현예는 선량 및 선량률에 대한 모니터뿐만 아니라 방사선 자체-구동 트리거를 제공한다. 이는 수동 신호 적분기 및 진폭 유지 용량으로서 사용할 수 있다. 이것은 저전력 회로뿐만 아니라 본질적으로 방사선에-강한 능력을 가능하게 할 수 있다. 신호의 생존을 위해 전자 장치가 오프인 동안 선량은 잠시 동안 저장될 수 있다. 일반적으로 높은 선량에서, 전자 장치는 고장이 나거나 시스템 생성 EMP가 성능에 영향을 미칠 것이다. 본 발명의 구현예는 대부분의 지상 환경과 비교하여 정상 속도, 높은 선량률 및 극도로 높은 선량률 환경에서 동작을 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 구현예는 별개의 감마선 및 중성자 방사선뿐만 아니라, 전체 선량에 대한 방사선 선량률 및 선량의 확대된 범위에 대해 정확하고 콤팩트하고, 저렴한 저전력 선량률 및/또는 선량 검출기로서 동작할 수 있는 전자 회로의 제작, 조립, 동작을 제공한다. 예시적인 회로 구현예는 중간 총 선량 및 일반적으로 즉각적인 방사선 이벤트로서 분류되는 높은 선량률 둘 모두에 대해 작동한다. 이것이 어려움의 원인이다: 배경 방사선량은 600 mrad/년이고 LD 50/30은 600 rads이다. 1 rad의 방사선량의 정의는 또한 0.01 Gy 또는 0.01 J/kg이라 칭해지는 100 erg/g이다. 예시적인 회로 구현예는 부과된 방사선 이벤트와 동일하지 않은 시간 영역에서 열적 배경 변동을 보상하는 엘리먼트를 가질 수 있다. 서모커플 재료의 기본 물리적 파라미터에 의존하기 때문에, 디바이스는 본질적으로 NIST 표준에 따라 추적할 수 있다. 다른 기술과 달리, 본 발명의 구현예는 매우 방사선이 강할 수 있고(고 선량에 대해 민감하지 않음) 판독 전자 장치는 센서 근처에 있거나 센서로부터 멀리 떨어져 있을 수 있다. 이는 응답을 판독하는 데 사용되는 전자 장치의 동작 요건 또는 콘셉트 및 감도에 응답할 수 있다.
감지 엘리먼트가 신틸레이터와 같은 체적 센서가 아닌, 바이메탈 접합으로서 구현될 수 있기 때문에, 디바이스는 작을 수 있고, 이미징용 어레이로 만들어져 의료 선량을 즉시 정확하게 진단할 수 있다. 이는, 투과 방사선이 우려되거나 모니터링될 필요가 있는 대부분의 환경에서 작동할 뿐만 아니라 사고 또는 악의적인 행위를 진단하는 데 사용할 수 있다.
본 발명의 구현예는 총 선량을 측정하는 명확한 방식인 알려진 열 용량으로 나눈 온도의 직접 측정을 제공한다. 잘 알려진 제벡 효과로 전압을 제공하는 서모커플을 사용하는 것은 물리적 상수와 직접 연관된 온도를 제공하고 그러므로 NIST 표준으로 완전히 추적할 수 있다. 센서 엘리먼트 자체는 전력이 공급되지 않고 완전히 수동적일 수 있다.
제벡 효과는 에르그/그램 또는 방사선량을 직접 측정하는 데 사용될 수 있다. 일반적인 방사선량은 피코볼트(pV) 변화를 가질 것이고 현재 전자 장치로 측정될 수 있는 것보다 훨씬 더 작기 때문에 단일 접합에 대한 방사선을 측정하는 데 일반적으로 사용되지 않는다. 또한, 정상 접합에서, 2개의 단부는 제벡 효과를 측정하기 위해 다른 온도에 있어야 한다. 접합이 서로 가까울 때 투과 방사선으로 인해, 최신 기술은 의학적으로 관련된 선량률에서 의미있는 방사선-의존 온도 변화를 유도하는 방식을 현재까지 결정하지 못했다. 또한, 배경 열 온도 변화가 제벡 효과를 지배하여, 방사선으로 인한 신호가 잡음 측정보다 훨씬 적을 것이다.
본 발명의 구현예는 이들 모든 장애물을 극복할 수 있다. 구현예는 열전 효과를 사용하여 현재 최신 기술에 비해 성능을 개선하고 현재 실행 불가능한 측정을 가능하게 한다. 본 출원인은 수동 설계만을 도시하지만, 저항(또는 능동) 타입이 또한 본 발명의 범위 내에 있다. 이러한 설계는 출력을 신뢰하기에 충분한 수준의 전류 및 전압의 제어를 요구한다. 절충점은 감도와 비용 대 정확도에 있을 것이다.
구현예는 배경에서 열 드리프트를 정정하는 기술뿐만 아니라 신호 향상을 결합하여 단일 엘리먼트 사용에 비해 증폭 요건을 감소시킨다. 또한, 이것은 전력이 공급되지 않는 센서 엘리먼트로 확대될 수 있고, 이때 전력이 공급되지 않은 신호는, 주 전원이 턴 온될 때까지 유지된다. 이 특징은, 측정이 여전히 이루어질 수 있도록 조사가 정상 동작 레벨을 초과하는 동안 전자 장치가 꺼져 있게 할 수 있다. 이는, 대부분의 전자 장치가 방사선 또는 SGEMP(Signal Generated Electromotive Pulse) 손상으로 인해 고장날 수 있는 즉각적이거나 강렬한 방사선 펄스를 통한 동작에 중요할 수 있다. 신호의 증폭 및 저장은 여전히 요구될 수 있다. 이들 특징은 우주 기반뿐만 아니라 지상 환경에 적합할 수 있다. 후키시마 이벤트와 유사한 시간 영역 맥락에서의 효과는 도 1에 예시된다. 이벤트가 수평축이므로 방사선 선량률의 로그(log)는 수직축 및 시간의 로그이다. 신호는 처음에 배경 선량률에서 시작한다. 이벤트가 발생한 후, 신호는 급격히 상승한다. 이러한 급격한 상승은 기존 전자 장치가 고장나도록 유도할 수 있고 기존 장비를 중단시킬 수 있다. 이어서, 신호는 이벤트 이후 시간이 지남에 따라 지연된 감쇠 부분을 갖는다. 많은 센서를 압도하고 잠재적으로 손상시킬 수 있을 만큼 강한 방사선 버스트가 있을 것이다. 낮은 레벨에서, 이와 동일한 일이 의료용 X 선 동안 발생하고 다양한 절차가 빠르게 진행될 수 있고 일부는 더 오래 걸릴 수 있다. 도시된 점선은 온도 배경의 변화를 나타내고; 배경 온도 변동이 알려져 있고 수정될 수 있는 한, 차이는 투과 방사선량의 직접적인 측정인 데, 이는 제벡 계수의 역비를 열 용량 곱하기 전압으로 나눈 값이 erg/g이기 때문이다. 이것이 선량의 직접적인 측정이다. 또한 도면에 도시된 효과는 또한 테러리스트 핵 이벤트에서 멀리 떨어진 CAT 스캔 및 신호에 해당한다.
종래의 고 선량 센서는 선량 측정을 위해 능동 회로 측정 및 전하 감쇄(반도체)를 사용한다. 종래의 고 선량 센서는 고 선량으로 포화되고 복잡한 교정을 필요로 한다. 이것의 변형은 신틸레이터, 가이거-뮬러 튜브(가스 애벌런치) 및 반도체 센서를 포함하여 현재 사용중인 대부분의 센서에 적용된다.
서모커플 양단에서 고유 전압 강하를 사용하는 것은, 측정된 응답이 알려진 열전 효과(제벡 효과)를 제공하는 온도에 대한 금속의 서로 다른 고유 응답 때문이라는 것을 의미한다. 이것은, 센서가 본질적으로 교정되고 전력이 공급되지 않으며 어떠한 외부 이득이나 변환 없이도 재료의 기본 물리적 파라미터에 의해 효과가 결정되는 것을 의미한다. 온도를 알려진 비열 용량으로 나눈 직접 측정(예를 들어, erg/kg-K)은 erg/kg 또는 erg/gram 측면에서 정의되는 총 선량을 측정하는 명확한 방식이다. 잘 알려진 제벡 효과로 전압을 제공하는 서모커플을 사용하는 것은 물리적 상수와 직접 연관된 온도를 제공하고 그러므로 NIST 표준으로 완전히 추적할 수 있다. 선량은 선량=dt=Cp/Sb*dV에 따라 확인될 수 있고, 여기서 선량은 rads 단위의 선량이고, Cp는 erg/K-kg 단위의 비열 용량이고, 제벡 계수(Sb)는 단위 온도 당 전압 변화(dV)(uV/K)이다. 이어서, 정확도에 대한 비결은 열 용량, 제벡 계수 및 전압 변화를 아는 것이다. 2개의 재료 상수 및 전압 변화가 알려져 있고 정확하게 측정될 수 있다.
단위에 대한 설명. 본 출원인은 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 단위를 사용하고 일반적으로 사용되는 단위를 유지하려고 한다. 본 출원인은 독자가 단위를 변환할 수 있을 만큼 분야에 충분히 잘 정통하다고 가정한다.
이 시스템은 중간 방사선량 및 선량률의 '골드 표준' 측정을 제공할 수 있고, 이는 저전력 패키지에서 NIST-레벨 문서화된 선량 및 선량률 측정을 의미한다. 2개 이상의 다른 타입의 서모커플(예를 들어 R 및 K-타입; 다른 타입이 또한 유용함)을 열-절연 패키지에 배치하고 환경 온도 조정을 위한 배경 신호가 감산될 수 있다. 서모커플은 다른 차동 감도와 열 용량을 제공한다. 방사선 장의 존재 시, 응답은 달라지고 방사선 신호의 존재 시 감산된 신호는 유닛의 열 응답 시간 기간에 걸쳐 방사선 단독으로부터의 가열을 반영한다. 대부분의 경우 고 이득 증폭은 방사선으로부터 작은 가열 효과를 보는 데 사용될 수 있다. 선량이 그램 당 에너지로서 정의되기 때문에 온도 상승은 선량을 직접 결정한다.
선량률이 직접 디지털 조작을 하기에 너무 높으면, 예를 들어 프로세싱 전자 장치가 해당 선량률의 방사선에 의해 비활성화되면, 기술 분야에 알려진 것과 같은 수동 샘플 및 홀드 회로가 사용될 수 있어서, 필요한 신호 기록기는 이벤트 동안 턴 오프되고(이것은 실리콘 정류기 회로로 일상적으로 행해짐) 선량이 허용가능한 레벨로 감소되면 복원될 수 있다. 디지털 전자 장치가 턴 온될 수 있을 때, 신호가 포착되고 완전한 프로세싱을 위해 유선 또는 무선 수단을 통해 추출될 수 있다.
환경 온도의 변화, 1분, 1시간, 1일 또는 1년 동안의 정상적인 온도 변화는 측정해야 하는 방사선의 선량과 비교하여 매우 클 수 있고 본 발명의 구현예는 아래 방정식에 설명된 바와 같은 차동 성능의 제2 서모파일 어레이를 사용하거나 다른 열 센서를 사용하여, 이들 변동을 감산하거나 그렇지 않으면 수정하기 위해 제공한다.
구현예는 2개 이상의 상이한 유닛을 사용하여 온도의 환경 변동을 보정하여 정상적인 배경 온도 드리프트를 보정하고 방사선과 관련된 가열 엘리먼트를 분리할 수 있다.
바이메탈 접합의 전압 강하 또는 EMF(기전력)는 잘 알려져 있다. 이러한 자료의 개요에 대해, https://www.iomega.com/techref/pdf/z016.pdf에서 가져온 도 2를 참조한다. 음영 영역은 쌍을 이룬 서모커플 재료에 대한 우수한 선택의 2개의 예를 나타낸다. 주어진 바이메탈 접합에 대한 간단한 모델은 전압 강하, 또는 접합에 대한 상대적인 제벡 효과를 가지며, 다음과 같이 표현된다:
Figure pct00001
여기서, 시간(t)의 함수로서 i번째 바이메탈 접합의 전압 강하(Vi(t))는 금속의 제벡 효과(Si[V/K])와 온도의 곱이다. 본 설명과 관련된 재료의 일부 물리적 파라미터에 대해 도 2를 참조한다. 서모커플 접합의 수와 증폭기 이득, 그리고 이들 디바이스가 모든 애플리케이션에 얼마나 유용한 지 결정할 아날로그-디지털(A/D) 변환기 사이에 절충점이 있다. 본 출원인은 도 3에서 몇몇 간단한 예를 제공한다. A/D 변환기를 사용하여, 10-9 V 초과의 감도를 제공하는 증폭기 조합(어렵지만 달성가능하고; 10-12 V 초과가 행해짐)에 주목한다. 디바이스는 일상적인 X 선, 감마 나이프(knife) 및 핵 이벤트에 대한 선량을 측정하는 능력을 제공할 것이다. 더 많은 애플리케이션을 가능하게 하는 이 설계에 대한 변형은 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
온도는 환경 성분과 방사선-유도 온도 변화의 합 또는 T(t)= Te(t)+Trad(t)로서 고려될 수 있다. 환경 온도는 절연 또는 다른 설계 특징에 의해 시간에 따라 느리게 가변하도록 이루어질 수 있고, 방사선으로 인한 Trad,i(t)는 선량[cGy 또는 rads]과 관련되고 다음에 의해 제공된다:
Figure pct00002
여기서 R(t)는 선량이고 Ci는 i번째 서모커플의 열 용량([cal/g-K])이다. Te(순간 디바이스 온도 또는 환경 온도)는 또한, 이것이 i-방정식과 i-언노운(unknown)의 시스템이기 때문에 동시에 풀 수 있다. 이것은 저전력 디바이스에서 투과 방사선과 열 방사선 둘 모두에 대해 강력한 기법을 제공한다. 이것은 매우 작은 수이고, 예를 들어, C=0.1 cal/g-K의 단일 접합은 2.4e-7K의 온도 변동을 가질 것이라는 것에 주목한다. 10 uV/K 접합으로 1 rad 단계 변화를 얻고 어떠한 열 확산 효과도 2.4e-12 V(또는 2.4 pV) 측정을 요구하지 않을 수 있다.
이것을 원근법으로 나타내기 위해 도 3을 참조한다. 도 3은, 방사선 센서가 응답해야 할 수 있는 이벤트와 관련되고 디바이스 설계 측면에 대해 접합 수와 같은 엔지니어링 파라미터를 설정한다. 1e-4 볼트를 측정하는 것은 상대적으로 쉽고 약간의 수고와 비용으로 1e-12 V를 측정할 수 있다(1 pV는 수고가 필요하나 측정 가능함). 이는, 이런 추정에서, 10,000개의 엘리먼트 어레이가 공칭 200 uV 신호로 의료용 X 선에서 선량을 정확하게 측정하는 것을 가능하게 하는 디바이스라는 것을 의미한다. 감마 나이프 조사의 측정은 더 많은 접합, 더 많은 신호 증폭/잡음 감소, 또는 이들의 조합으로부터 이득을 얻을 수 있다. 패치 클램프와 함께 사용되는 시스템과 같은 시스템은 피코암페어를 직접 측정할 수 있다.
또한 약 100 ns의 종래의 X 선을 전달하기에 충분히 밝은 X-선 소스를 개발하려는 노력이 있다. 핀치 또는 조밀한 플라즈마 초점에서 이러한 타입의 X-선 소스를 사용하면, 등가 신호는 1 mV 이상이다.
누군가가 과다투여받거나 손상되기 전에 치명적 장비를 종료하기 위해 조직에 대한 손상 선량의 즉시 측정이 이루어지고 이미지화될 수 있다. 이러한 타입의 회로는 의료 비극을 방지할 수 있다.
모든 디바이스가 열 확산의 영향을 받는 것에 주목한다. 통상의 기술자는 이들의 사용의 이들 효과를 모델링하고 설명할 수 있다. 도면들은 이를 처리하고 짧은 펄스 또는 긴 펄스를 설계하는 다양한 방식을 예시하고, 이때 긴 펄스는 1초 초과이고 짧은 펄스는 나노초 정도이다. 밀리초보다 짧은 펄스는 감지 엘리먼트에서 멀리 떨어진 열 확산에 대해 큰 보정을 필요로 하지 않을 수 있다.
하나 초과의 접합 타입을 사용하는 것은 구현예가 하나 초과의 접합 타입에서 열 및 방사선 효과를 차동적으로 측정하게 한다. 열 용량이 다르기 때문에, 전압 측정을 제어하는 방정식은 투과 방사선으로 인한 환경 온도 변화와 별도로 환경 온도 변화를 결정하기 위해 파싱(parse)될 수 있다. 도 4a는 예시적인 간단한 서모커플 및 파일 구성을 도시한다. 제1 재료(51) 및 제2 재료(52)는 함께 각각의 중첩 영역(41, 42)에 하나씩 복수의 서모커플을 형성한다. 서모커플은, 예로서 서모커플 사이에 열 절연부를 배치함으로써; 콜드 플레이트, 히트 싱크(heat sink), 또는 다른 열 관리 시스템과 통신하는 교번 서모커플을 배치함으로써; 입사 방사선으로부터 교번 서모커플을 차폐함으로써; 교번 서모커플이 다른 열 용량 또는 전도도를 가지도록 서모커플을 만듦으로써, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 방사선에 노출된 후 다른 온도를 경험하도록 구성될 수 있다.
일련의 서모커플은 서모커플 측정 접합(44, 45)과 통신한다. 접합은 통상적으로 증폭기, 및 아날로그-디지털 변환기(A/D)로 구성된 회로와 통신하고 입력 및 출력 전극은 회로를 완성한다. A/D 변환기의 전압 출력은 저장 매체로서 오실로스코프, 차트 기록기 또는 전자 아날로그에 의해 판독된다. 이들 모든 기능은 단일 칩 또는 FPGA(Floating-Point Gate Array)에 포함될 수 있다. 랩잭(Labjack) 및 내셔널 인스트루먼트(National Instrument) 장비는 적합한 장비의 예이고, 통상의 기술자에게 알려진 많은 옵션이 있다. 통상의 기술자는 또한 맞춤형 내장 회로를 사용하는 구현을 인식할 것이다.
본 발명은 핵 법의학 분야 또는 1 차 전자 장치가 포화되거나, 작동하지 않거나, 재설정될 필요가 있거나 다른 이유로 신뢰할 수 없는 상황에서 특히 유용하다. 본 출원인은 Cortex-M0 프로세서와 회로 디지털화 회로의 비교적 짧은 턴 온 시간을 사용하고 몇 가지 데이터 포인트(즉, (예를 들어, 1 us, 100 us, 1 ms, 10 ms)의 필터 컷오프 미만의 시간에서의 선량)를 제공하기 위해, 회로에 전력이 공급된 후, 서모파일 어레이의 출력을 저항성-용량성 회로의 병렬 세트에 연결하여 출력 전류를 수동적으로 시간-필터링된 회로에 저장하고 이어서 전압을 판독한다. 이 경우, 서모파일 출력(예를 들어, 0.1 V)이 회로의 프로세싱 엘리먼트를 트리거하는 데 사용될 때까지, 전체 회로는 전력이 꺼지거나 매우 낮은 전력일 수 있다. SCR(실리콘 정류기 회로)은 민감한 회로의 전력을 끄고 설정된 시간 기간 후에 전력을 켜기 위해 사용된다(Aquilagroup.com 참조). 서모파일을 수동 전압 생성기로서 사용하면, 회로는 장기간 동안 꺼지고 이어서 판독 프로세스를 턴 온하도록 트리거되어 더 낮은 전력 사용을 허용할 수 있다.
본 발명의 구현예는 열적으로 활성화된 엘리먼트의 어레이를 사용하여 각각의 연속적인 접합에 소량의 전압을 추가한다. 본 발명은 연속적인 접합을 투과 방사선과 함께 사용하고 연속적인 접합을 이미 논의된 많은 애플리케이션에 적용할 수 있을 것이다. 이것은, 환경 변화로부터의 배경 보정에 대해 설명되고 온도 차이를 제공하기 위해 설명된 방법을 포함하여 대형 어레이, 예를 들어 100개 내지 1,000,000개 이상의 접합을 제작하는 것을 의미한다. 본 출원인은 도면들에 표시된 것과 같은 설계(대형 및 소형 전극, 높고 낮은 전도도 재료, 높고 낮은 열 용량 재료)를 사용하여 핫 전극과 콜드 전극 사이의 온도 차이를 확대하고, 투과 및 이온화 방사선을 핫 전극과 콜드 전극 둘 모두의 가열로부터 물리적으로 분리하기 위해 차폐 및 거리를 사용할 수 있다.
도 4bc의 B는 예시적인 표면 제작 시스템을 예시한다. 입력 전극(44)은 제1 재료(51)와 접합을 형성하는 제2 재료(52)에 연결된다. 재료는 표시된 영역에서 겹치고, 접합은 재료가 겹치는 영역에서 접촉할 때 재료에 의해 형성된다. 콜드 접합(41)은 작은 열 질량으로 작다. 핫 접합(42)은 도 4bc의 B에 도시된 바와 같이 더 많은 열 질량으로 크다.
도 4bc의 C는 접합 당 상대적으로 작은 온도 상승을 정량화가능한 레벨로 상승시키기 위해 직렬로 만들어진 많은 접합을 도시한다. 도 4bc의 C의 디바이스는 도 4bc의 B의 디바이스를 반복함으로써 만들어질 수 있다. 도면의 예는 812개의 단위 패턴이다. 접합들은 입력 전극 패드(45)와 출력 전극 패드(46) 사이에 전기적으로 직렬로 연결된다. 본 출원인이 (예를 들어, 재료(51 및 52)를 사용하여) 대략적으로 동일하지만 다른 재료이고, 설계에 의해 열 배경에 대해 응답이 다른 2개의 시스템을 구축할 때, 배경 결과를 분리하고 총 온도 중 투과 또는 이온화 방사선 성분을 획득할 수 있다. 이러한 복잡성이 항상 필요하지 않지만, 열 배경 잡음 초과의 투과 방사선으로부터 신호를 가져오는 데 도움이 될 수 있다.
도 5는 본 발명의 구현예의 열 전달 양태를 예시한다. 제1 재료(51) 및 제2 재료(52)는 열 저항 재료 기판(53)의 일 측 또는 양 측에 서모커플을 형성하는 데 사용될 수 있다. 재료가 겹쳐지는 각각의 영역에 접합이 존재하도록 재료가 겹쳐진다. 열 플럭스(flux)(q")는 접합들을 빠져나간다. 동작 시, 더 큰 핫 접합(43)은 더 작은 콜드 접합(41)보다 더 큰 열 용량을 가지며, 접합이 가열되거나 냉각됨에 따라, 결과적인 온도 차동은 서모커플 어레이의 단부 사이에 전압 차동을 유발할 것이다. 이것은 공칭 200 keV 미만의 광자에 대해 매우 합리적이다. 이것은 흉부 X 선 및 더 낮은 에너지에 적절하다. 전체 시스템은 매우 작을 수 있다. 도시된 디바이스는 출력 전극(도시되지 않음)에 대해 다수 단계 동안 반복될 수 있다. 방사선-차폐 재료는, 입사 방사선으로부터 콜드 접합들을 차단하도록 선택적으로 배치되어, 온도 차동에 더 기여할 수 있다.
2개의 접합이 동일한 온도에 있으면, 제벡 효과 또는 측정할 전압이 없다는 것에 주목한다. 이들 예는 다음 각각의 경우에 대한 구현예를 보여준다. 핫 및 접합에서의 방사선 장이 다른 경우나 냉각을 향상시키기 위해 다른 재료가 사용되는 경우가 크게 구분되고, 또는 한쪽 끝은 높은 열 용량이고 다른 쪽 끝은 열 포집 또는 낮은 열 용량인 경우.
단일 접합에서 매우 낮은 신호의 문제는 많은 접합을 직렬로 배치함으로써 극복될 수 있고, 다양한 제작 스타일들에 대해 도 4bc의 C 및 도 6, 도 7, 도 8을 참조한다. 그러나, 열 효과는 다수의 접합을 갖는 현재의 박막 또는 MEM 시스템에서 수행되는 바와 같이는 행해질 수 없는 방식으로 보상되어야 한다. 도 6 내지 도 8은 적절한 신호를 생성하고 투과 방사선의 효과를 보정할 수 있는 예시적인 구현예의 개략도를 제공한다.
도 4bc의 B 및 도 4bc의 C는 대량의 서모커플 어레이를 만들기 위한 표면 도금/코팅 프로세스를 예시한다. 도 6a(개략도, 단면) 및 도 6b(사시도)는 투과 방사선과의 전압 차를 발생시키기 위해 적절한 신호를 생성하고 제어된 열 용량 및 '핫' 및 '콜드' 측 상의 접합 파라미터를 사용하여 투과 방사선의 효과를 보정할 수 있는 관통-홀 비아 제작을 사용하는 예시적인 구현예를 예시한다. 기판(53)은 구리 또는 2개의 재료(51, 52)로 채워진 홀을 갖는 절연체를 포함한다. 도 6a에서, 2개의 재료로 만들어진 엘리먼트의 수직 부분은 기판의 비아에 해당한다. 비아가 구리 또는 다른 전도성 재료로 채워지면, 재료(51 또는 52)는 구리로 채워진 비아의 단부에 배치된다. 기판(53)은 센서의 다른 엘리먼트로부터 전기적으로 분리된 열전 냉각기와 같은 온도-제어 표면일 수 있다. 엘리먼트는 직렬 레이아웃의 제1 전극(44) 및 최종 전극(45)까지 전기 직렬로 연결된다. 이어서, 제1 전극과 최종 전극은 판독 전자 장치(도시되지 않음)에 커플링된다. 판독 전자 장치는 필요한 경우 필터 세트, 증폭기, 필요한 경우 임피던스 매칭 회로, 및 이어서 아날로그-디지털 판독 및 저장부를 포함할 것이다. 저장 후, 데이터를 프로세싱하고 자신의 최종 분석 스테이지로 추출할 것이다. 도시된 배열은 전체적으로 직렬로 연결된 센서 어레이의 단일 행 또는 열을 포함할 수 있다. 각 행 또는 열의 접합 수는 도면에 도시된 수보다 많거나 적을 수 있다. 통상의 기술자는 여전히 대안적인 핫 접합 및 콜드 접합을 생성하는 엘리먼트의 다른 기하학적 배열을 인식할 것이다.
원하는 온도 차동을 가능하게 하기 위해, 방사선 차폐부는 콜드 접합에 도달하는 방사선을 감소시키도록 배치될 수 있다. 핫 접합은 절연체, 예를 들어 진공과 연통하게 배치될 수 있다. 콜드 접합은 콜드 플레이트, 히트 싱크, 또는 다른 열 방산 피처(feature)와 연통하게 배치될 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 핫 접합은 콜드 접합보다 큰 열 용량을 제공하기 위해 더 크게 만들어질 수 있다. 이들 기법의 조합이 또한 사용될 수 있다.
도 7의 구현예는 다른 레이아웃을 갖는 도 4의 디바이스와 같이 제작된 디바이스를 포함한다. 콜드 플레이트(71)는 예를 들어 아래에 콜드 접합(41)을 포함하는 영역의 상단 또는 아래에 콜드 접합(41)과 연통하게 배치될 수 있다. 콜드 플레이트(71)는 열 저항 재료의 제1 측에서 서모커플 재료와 접촉한다. 열 저항 재료의 다른 측은 진공 상태에 있으므로, 핫 접합은 입사 방사선으로 인해 열을 쉽게 방산할 수 없다. 접합은 열 전도성이지만 전기적으로 절연된 기판(73) 상에 장착된다. 위(도면에서, 또한 아래 또는 주변에 있을 수 있음)의 콜드 접합은 방사선 차폐부(75)이다. 서모커플은 콜드 접합이 서로 가까이 있도록 기판의 표면에 배치되어, 콜드 플레이트 또는 다른 열 방산 엘리먼트와 효율적인 열 연통을 가능하게 한다. 이것은 재료의 열 용량 차이에 기반하여 핫 접합에서 콜드 접합까지의 온도 차이를 향상시킨다.
이러한 어레이는 또한 서로의 상부에 적층될 수 있고, 예를 들어 2개의 어레이는 콜드 플레이트의 각각의 측 상에 하나씩 배치되어, 측정에 기여하는 접합의 수를 증가(예를 들어, 2 배화)시킬 수 있다. 다양한 재료의 두께와 특성은 온도 응답이 의도된 선량률 및 애플리케이션에 적합하도록 선택될 수 있어서, 전체 장치가 완전히 수동적이도록 한다(능동 냉각 또는 가열을 요구하지 않음). 구현예는 모든 방향으로부터의 방사선에 민감하다. 이 구현예는 소형 디바이스로 구현될 수 있고, 종래의 기계 가공 및 조립 방법으로 또는 MEM 및 미세제작 기법을 사용하여 제조될 수 있다. 콜드 측 근처의 더 얇은(예를 들어, 10x) 서모커플 접합은 콜드 소스와 빠르게 평형을 이루도록 만들어질 수 있다. 진공 측의 두꺼운 접합은 열을 더 오래 유지하여 시간 응답을 연장할 수 있다. 단일 접합은 10 M Rad/s 선량 환경에서 우수한 신호 대 잡음을 제공할 것이다. 10^4 접합은 1e3 rad/s 이상의 환경에서 잘 작동할 것이다. 도 4 및 도 7 둘 모두의 설계는 핫 접합과 콜드 접합 사이의 거리를 수 센티미터로 만들도록 재구성될 수 있다. 웨이퍼가 4 인치 내지 12 인치 직경으로 만들어지기 때문에, 적절한 분리를 통해 어느 하나의 설계(평면 또는 관통-홀)의 변형이 만들어져 10 MeV 초과의 광자 에너지 또는 다른 투과 방사선에 유용한 차폐를 제공할 수 있다. 예를 들어, 콜드 접합과 핫 접합 사이에 수 cm 거리를 갖는 웨이퍼가 만들어지고 차폐를 제공할 수 있다. 이들 예는 고 에너지 물리학, 관성 밀폐 물리학 및 펄스 전력 환경에서 유용할 수 있다. 이 거리는 설계를 수 MeV의 광자 에너지로 확장하고 극도의 투과 방사선을 위해 차폐를 제공할 수 있고, 이는 핵 법의학, 실험실 작업 및 레이저, 펄스 전력 또는 빔을 사용한 기초 과학 연구에 유용하다.
도 8의 구현예는 도 6a 및 도 6b의 디바이스와 같은 디바이스를 포함하고 이 예시적인 구현예에서 상기 디바이스는 더 많은 투과 방사선 및/또는 환경적 영향에 대한 더 높은 레벨의 판별을 위해 설계되고, 방사선 차폐(81)가 추가된다. 차폐는 텅스텐과 같은 Hi-Z, 고밀도 재료를 포함하고, 콜드 접합을 위한 차폐를 제공할 수 있다. 이 구현예는 또한 투과 방사선량의 기계 모니터링(의료용 X 선 또는 시뮬레이션 과학, 실험실 실험 등) 측정에 적합할 수 있다. 이 구현예는 소형 디바이스로 구현될 수 있고 종래의 기계 가공 및 조립 방법으로 또는 MEM 및 미세제작 기법을 사용하여 제조될 수 있다. 도시된 예는 또한 높은 감도를 위해 직렬로 연결된 접합의 어레이에서의 단일 행 또는 열을 포함할 수 있다. 수소 또는 다른 원자 번호가 낮은 재료는 또한 중성자 검출에 사용될 수 있다.
단일 접합은 10 M Rad/s 선량 환경에서 우수한 신호 대 잡음을 제공할 수 있다. 특정 용도는 필요한 접합 수를 정의할 수 있고 높은 동적 범위를 생성하기 위해 그 수는 가변될 수 있다.
도 9는 링 스케일 유닛에 대한 예시적인 구현예 및 패키징의 예시이다. 이러한 타입의 유닛은 블루투스 또는 다른 송신기에 서모파일 및 저 이득 증폭기를 사용하는 의료 선량 기록에 적합할 수 있다. 일 예는, 40Х40 어레이의 서모커플이 5Х4Х1 mm 디바이스에 맞을 수 있고 소형 배터리는 송신기와 증폭기(또는 얇은 전력선)에 전력을 제공하여 데이터를 추출할 수 있다. 본원에 설명된 바와 같은 파라미터를 갖는 양면 구성에서, 이 구현예는 광자 에너지가 200 keV 미만의 시간 분해된 선량 측정에 적합한 링을 만드는 3,200개의 접합을 보유할 수 있다. 12,000개의 접합이 실현 가능할 수 있다. 간단한 배터리 시스템으로 현재 사용 가능한 전자 장치를 사용해 3시간 동안 동작할 수 있다. 이 기술은, 센서 자체가 근본적인 제벡 현상과 연관되어 있고 VCSEL(또는 다른 광원) 또는 칩에 구축된 열 히터를 추가하여 언제든지 전체 전기 경로가 교정될 수 있기 때문에 의료 선량 기록에 적합하다. 이러한 방식으로, 전체 시스템은 교정되고 물리적 현상과 연관될 수 있다. 이 교정 방법은 다른 경쟁자인 TLD(열발광 검출기) 또는 OSL(Optically Stimulated Luminescence)의 교정보다 더 나은 교정을 도출한다.
도 9는 링 스케일 유닛에 대한 예시적인 구현예 및 패키징의 예시이다. 예시적인 링(91)은 3Х4 mmХ2 mm이고 송신기 및 배터리를 포함할 수 있다. 링(91)에는 열전 냉각기(92)가 장착된다. 이 링은 의료 전문가, 응급 구조대 등이 착용할 수 있다. 이러한 타입의 유닛은 블루투스 또는 다른 송신기에 서모파일 및 저 이득 증폭기를 사용하는 의료 선량 기록에 적합할 수 있다. 이 기술은, 센서 자체가 근본적인 제벡 현상과 연관되어 있고 VCSEL(또는 다른 광원) 또는 칩에 구축된 열 히터를 추가하여 언제든지 전체 전기 경로가 교정될 수 있기 때문에 의료 선량 기록에 적합하다. 이러한 방식으로, 전체 시스템은 교정되고 물리적 현상과 연관될 수 있다.
링에 있는 엘리먼트와 유사한 엘리먼트인 센서 어레이(접합만이 아님)를 타일링하여 만듦으로써, 많은 감지 엘리먼트 시트는 유연한 이미징 어레이를 만들 수 있다. 이러한 방식으로, 디바이스는 동일한 탁월한 정확도로 적시에 방사선량을 이미지화하는 데 사용될 수 있다. 이 타입의 유닛은 이미징 형식의 의료 선량 기록에 적합하다.
본원에 설명된 예시적인 구현예는 보조 전압 증폭 없이 사용될 수 있다. 10,000개의 접합으로도, 신호 레벨이 작을 수 있다. 그러나, 단일 접합 E 및 T-타입을 100x 내지 10,000x 이득의 유용한 신호로 성공적으로 증폭하는 데 사용될 수 있는 예를 들어 엘리게이터 테크놀로지 USB-PBP-S1 및 랩 잭 T7과 같은 상용 증폭기가 부스팅될 수 있다. 이 이득은 보상하기 어려운 열 레벨 DC 전압을 발생시켰다. 서모파일 설계는 이 문제를 해결할 것이다. 증폭 스테이지에서의 열 잡음 배경은 가장 큰 잡음 문제였다. 더 큰 게이트 또는 본질적으로 방사선에 덜 민감한 HBT 전자 장치를 갖는 더 낮은 이득 증폭기와 함께 이들 직렬 접합을 사용하여, 본 출원인은 용량 차단 및 다른 기법으로, 신호를 볼트 범위로 부스팅하고 열적 배경뿐만 아니라 능동 아날로그 전자 장치의 방사선으로 인한 기생 결함을 억제하기 위해 이득을 이용할 수 있다.
서모파일의 직접 또는 증폭 전압은 방사선 펄스의 가장 높은 지점 동안 회로를 오프함으로써 높은 환경의 방사선 손상 및 전력 부하를 간단히 감소시키는 수동 또는 능동 엘리먼트를 사용하는 다운라인 디지털 또는 아날로그 회로를 턴 온하거나, 트리거하는 데 사용될 수 있다.
감지 엘리먼트는 프로세싱 전자 장치와 함께 배치되거나 전자 장치에 감소된 방사선 신호를 제공하기 위해 물리적으로 분리되고; 샘플 및 홀드는 조립된 디바이스의 동작 개념에 추가적인 유연성을 제공하는 신호에 배치될 수 있다(예를 들어, 전장 대 수술실 등).
하나의 애플리케이션에서, 군인은 핵무기, 사고 또는 테러 사건으로 인한 핵 영향에 노출될 수 있고 부상자 분류 정보를 제공하기 위한 툴이 필요하다. 그러므로, 회로는 유용한 판독을 제공하고 약 10 Mrad/분(예를 들어, 1 Mrad/min*1 ms-burst=17 rads)을 견딜뿐만 아니라 정확한 선량 판독을 제공해야 한다. 구현예는 현장에서 실시간 정확한 판독을 제공하기 위해 다소 방사선 경화된 회로와 커플링된 감지 회로로서 간단한 아날로그 회로의 사용을 허용한다. 이것은 2개의 문제를 해결한다: (1) 생물학적 체제에 유용한 센서 및 (2) 필요한 선량 및 선량률에 둔감한 판독. 이러한 디바이스에 대한 다른 일반적인 요구 사항은 의료 상황에서 수술 중 및 수술 후의 두 경우 모두에 환자뿐만 아니라 직원 양측을 보호하고 모니터링하는 것이다.
낮은 에너지 방사선의 경우, 효과는 본질적으로 표면 효과이므로, IR 방사선에 저항성 및 서모커플 어레이를 사용한다. 본 발명은 또한 고 에너지 및 투과 방사선에 적합하다. 이것은, 정확한/정상적인 사용에서 제벡 효과가 접합 와이어의 일 단부에 콜드 접합 또는 기준 온도를 요구하기 때문에 이들 센서 엘리먼트의 사용을 복잡하게 한다. 알려진 시간 마커 또는 트리거가 제공될 수 있는 경우와 같은 일부 상황들의 경우, 이를테면 긴 케이블(길이가 몇 cm일 수 있고 웨이퍼에 구축될 수 있음)이 방사선 소스로부터 멀어지게 접합을 이동시키는 데 사용될 수 있는 짧은 방사선 버스트(burst)의 경우, 간단한 배경 빼기 기법은 열 드리프트를 보정하는 데 사용될 수 있다. 다른 용도의 경우, 센서와 기준 백 플레이트는 동일한 방사선 장을 보게 될 것이고; 본 출원인은 매우 다른 열적 열 용량을 갖는 재료의 백플레이트를 사용하여 이를 관리한다.
센서가 강한 방사선 버스트에 사용되기 때문에, 배경 변화로 인한 비선형 효과는 많은 측정에 필요하지 않다. 그러나, 가장 정확한 측정을 위해, 온도 및 상대적 습도 둘 모두의 환경 변화에 대한 보정은 높은 정확도로 이루어질 수 있다. 시장에는 필요한 정확도를 갖춘 많은 게이지가 있고, 하나의 예는 랩잭(Labjack)에서 판매되는 EI-1050이고, 기준 온도 및 습도는 수정될 수 있고 간단한 선형 또는 더 높은 차수 맞춤은 배경 변화를 조정하는 데 사용될 수 있는 반면, 배경 변화로부터의 신호의 변동은 보정될 수 있다. 이의 간단한 예는 여러 온도(DB(T,t))에서 등가 선량 측정 곡선을 획득하는 것이고, 여기서, DB는 추론된 선량이고, t는 시간이고, T는 외부 선량이 제공되지 않은 온도이다. 이어서, DT(
Figure pct00003
,t)=D(
Figure pct00004
)+DB(T)-DB(T0). T0은 기준 온도이고, DT(
Figure pct00005
,T)는 배경 온도 변화에 대해 정정된 플럭스에서 온도 보정된 선량이고,
Figure pct00006
는 플럭스이고, D(
Figure pct00007
)는 온도 보정 없는 추론된 시간 의존 선량이다. 동일한 프로세스는 상대 습도로 인한 모든 변화를 보정하는 데 사용될 수 있다.
본 발명은 다양한 예시적인 구현예와 관련하여 설명되었다. 상기 설명이 단지 본 발명의 원리의 적용의 예시이고, 그 범위가 명세서에 비추어 본 청구범위에 의해 결정된다는 것이 이해될 것이다. 본 발명의 다른 변형 및 수정은 통상의 기술자에게 명백할 것이다.

Claims (25)

  1. 방사선 측정용 장치로서,
    (a) 제1 재료를 포함하는 복수의 제1 엘리먼트;
    (b) 제2 재료를 포함하는 복수의 제2 엘리먼트를 포함하고,
    (c) 상기 복수의 제1 엘리먼트 및 상기 복수의 제2 엘리먼트는 복수의 제3 및 제4 접합(junction)으로부터의 교번하는 접합을 포함하는 직렬로 연결된 상기 복수의 제3 접합 및 상기 복수의 제4 접합을 형성하도록 구성되고; 직렬의 상기 제1 접합은 제1 전극과 전기 통신하고, 상기 직렬의 최종 접합은 상기 제2 전극과 전기 통신하고;
    (d) 상기 복수의 제3 접합은 상기 복수의 제4 접합과 입사 방사선에 대해 상이한 열 응답을 갖는, 방사선 측정용 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극에 연결된 증폭기를 더 포함하는, 방사선 측정용 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 제4 접합보다 상기 복수의 제3 접합에 더 큰 방사선 차폐를 제공하는 방사선 차폐부를 포함하는, 방사선 측정용 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 제3 접합과 열 연통하는 열 방산 엘리먼트를 포함하는, 방사선 측정용 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 제3 접합과 상기 복수의 제4 접합 사이에 배치된 열 절연부를 포함하는, 방사선 측정용 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 제3 접합은 상기 복수의 제4 접합과 상이한 열 특성을 갖는, 방사선 측정용 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복수의 제4 접합과 주변 요소 사이에 배치된 열 절연부를 포함하는, 방사선 측정용 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 재료 및 상기 제2 재료는 서로 접촉하여 배치될 때 제벡 효과(Seebeck effect)를 제공하는, 방사선 측정용 장치.
  9. 제1항에 있어서, 열 절연 기판을 포함하고, 상기 복수의 제3 접합은 상기 기판의 제1 표면에 배치되고, 상기 복수의 제4 접합은 상기 기판의 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면에 배치되는, 방사선 측정용 장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 복수의 제4 접합은 진공 상태에 있는, 방사선 측정용 장치.
  11. 제4항에 있어서, 상기 열 방산 엘리먼트는 콜드 플레이트(cold plate)를 포함하는, 방사선 측정용 장치.
  12. 제4항에 있어서, 상기 열 방산 엘리먼트는 히트 싱크(heat sink)를 포함하는, 방사선 측정용 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 복수의 제3 접합은 상기 복수의 제4 접합보다 낮은 열 용량을 갖는, 방사선 측정용 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 복수의 제3 접합은 상기 복수의 제4 접합보다 작은, 방사선 측정용 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 접합은 기판으로 장착되고, 상기 복수의 제3 접합은 상기 기판의 제1 영역에 배치되고, 상기 복수의 제4 접합은 상기 기판의 제2 영역에 배치되고, 상기 제1 영역은 상기 제2 영역과 구별되는, 방사선 측정용 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 접합은 2-차원 어레이로 배치되는, 방사선 측정용 장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 접합의 총 수는 적어도 100개인, 방사선 측정용 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 접합의 총 수는 적어도 1,000개인, 방사선 측정용 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 접합의 총 수는 적어도 10,000개인, 방사선 측정용 장치.
  20. 제1항에 있어서, 상기 제1 재료는 비스무트, 셀레늄, 게르마늄, 실리콘 및 Pbi5Ge37로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 방사선 측정용 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제2 재료는 적절한 고 제벡-효과 재료 또는 저 제벡-효과 재료로 구성된 그룹으로부터 선택되고, 일부 예로서 상기 제1 재료를 제외한 비스무트, 셀레늄, 실리콘, 게르마늄 및 Pbi5Ge37를 들 수 있는, 방사선 측정용 장치.
  22. 제3항에 있어서, 상기 복수의 제3 접합과 열 연통하는 열 방산 엘리먼트를 포함하는, 방사선 측정용 장치.
  23. 제3항에 있어서, 상기 복수의 제3 접합과 상기 복수의 제4 접합 사이에 배치된 열 절연부를 포함하는, 방사선 측정용 장치.
  24. 제22항에 있어서, 상기 복수의 제3 접합과 상기 복수의 제4 접합 사이에 배치된 열 절연부를 포함하는, 방사선 측정용 장치.
  25. 제1항에 있어서, 상기 접합은 3-차원 어레이로 배치되는, 방사선 측정용 장치.
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