专利名称：组合式辐射剂量计和剂量率计的制作方法
组合式辐射剂量计和剂量率计背景技术辐射探测器在当今对于安全和防护应用都是必需的。对于安全应用，个人辐射探测器可被用来监控射线照射剂量率(rate of radiation exposure )和总 剂量。例如，便携式剂量率计(ratemeter)可以监控研究对象在辐射中的暴 露，并且如果射线照射率达到无法接受的水平就发出警报，另外便携式辐射 剂量计可以测量研究对象在一段时期内接受的累积的射线照射。传统上，剂 量剂量率计和剂量计的实施有很大的不同。例如， 一类剂量率计使用盖革-弥勒管(Geiger掘ller tube )来才笨测或计算电离辐射(iodzing radiation )穿 入盖革-弥勒管的剂量率。相反，剂量计可以简单地实施为在不透光箱体中 装有胶片并使该胶片显影，以对穿透箱体并辐照在胶片上的辐射量进行测 量。用于防护目的的辐射测量面临一系列不同的需求和关注。例如，探测可 能引起安全威胁的辐射源时，通常要求可感知相对较低水平辐射的能力，因 为带有放射性物质的装置可能被隐藏、屏蔽或与探测器分隔开。因此，与被 认为是人身安全不可接受的剂量率方面相比，从这样的安全威胁到达探测器 的辐射剂量率可能是低的。用于防护应用的辐射探测器因此可能需要比适于 安全应用的个人辐射剂量率计更为灵敏的量级。对个人辐射剂量率计和用于防护的便携式辐射探测器需求的不同导致 了针对这些探测器不同标准的采用。例如，最近为了改进本国防护安全的行 动导致了用来警报个人辐射探测器的ANSI标准N42.32和针对用于防护应 用的便携式辐射探测器的ANSI标准N42.33的出现。然而，在很多情况下， 除了用于探测安全威胁的便携式辐射探测器之外，安全人员或其他人员还想 拥有个人辐射剂量计和安全警报器。购买和携带两种辐射探测器的需求是昂 贵和府、烦的。发明内容按照本发明的一个方面， 一种辐射探测器能够利用多个测量通道，同时实现用于人身安全的剂量率和剂量的测量，并且还可以提供用于防护应用的 足够灵敏的辐射剂量率测量。在一个实施例中， 一种双通道辐射探测器具有 第一通道，该第一通道包括闪烁器和光电二极管。该闪烁器具有采样范围， 该范围以一定速率提供光子事件，该速率对用于防护应用的辐射测量所需的 准确度足够高。第二通道通过传感器提供宽测量范围，该传感器可由光电二 极管组成而不含闪烁器，以提供更低的计数率。因此，假如采用闪烁器，第 二通道能测量满计数水平的辐射。随着辐射剂量率变化，探测器在高灵敏度 通道和宽剂量率通道间自动转换时能连续对测得的辐射剂量率求积分来确 定累积的剂量。随后，当辐射剂量率或剂量高于各自的阈值时，探测器可给 出人身安全警报。此外，探测器每次能选择地只运行其中一个测量通道，以 节省便携式或手提探测器的电力。
图1和2是按照本发明实施例的多通道辐射探测器的方框图，本发明能测量人身安全警报水平和安全威胁探测水平的辐射。图3是按照本发明实施例的一种便携式辐射探测器的分解图。 在不同图片中同 一参考符号的使用表示相似或相同的元件。具体实^&方式按照本发明的一个方面， 一种辐射探测器可以包括多个通道，所述通道 允许实施用于人身安全的带警报的剂量计以及带有防护或安全应用所需的 警报和准确度的剂量率计。图1展示了按照本发明示范性实施例的一种辐射探测器100,该探测器 包括两个辐射测量通道110和120。测量通道110用于测量相对较低剂量率 下的辐射，例如，大约在1到4000(iR/h之间。相反，测量通道120被设计 用来测量高得多的剂量率下的辐射，例如，高到8或10R/h。在本发明的一 个特定实施例中，通道110在一定范围内测量辐射剂量率，该范围是IEEE 标准N42.32提出的探测和禁止放射性安全威胁所必需的；并且通道120用 于在IEEE标准N42.33提出的危险评估的宽动态范围下的测量。因此，探测 器100的一个实施例同时符合IEEE标准的N42.32和N42.33。在图示的实施例中，测量通道110包括高灵敏度传感器112、前置放大器或电荷放大器(charge amplifier) 114、鉴别器(discriminator) 116和计数 器J18。高灵敏度传感器112可以通过使用传统的传感系统实现，该系统包 括但并不限于盖革-弥勒管、固态探测器或闪烁探测器(scintillation detector )。 当辐射穿透并与传感器112相互作用时，传感器112产生电荷或信号。放大 器114随后放大或转换来自传感器112的电荷或信号，以产生具有适于鉴别 器116和计数器118运行的电压的电信号。鉴别器116对来自放大器114的 信号滤波以减少或消除电子噪声并且产生包含脉沖的信号，该脉冲在到鉴别 器16的输入信号高于阈值电压时产生。计数器118对来自鉴别器116的信 号中的脉冲进行计数。可以通过将传感器112暴露到来自放射性源的辐射下来标定测量通道 110,该放射性源被放置用来提供已知的辐射剂量率，然后通过已知辐射剂 量率对测量的计数剂量率的比值确定换算因子。之后，在特定时间内计数器 18的脉沖计数和换算因子的乘积表示出未经能量修正(energy correction) 的辐射剂量率。或者，经能量修正过的辐射剂量率测量可能通过考虑来自鉴 别器16输出信号的每个脉冲的量级来获得。测量通道120可以通过与测量通道110中采用的测量技术相同或不同的 测量技术来实现，但与能被测量通道110准确测得相比，测量通道120通常 能测量更高的辐射剂量率并且有更宽的测量范围。在图1的实施例中，测量 通道120包括宽量程(wide range)传感器122、前置放大器或电荷放大器 124、鉴别器126和计数器128。当辐射与传感器122相互作用时，宽量程传 感器122产生电荷或信号，但是为了提供更宽的测量范围，在暴露至相同辐 射水平时，选择传感器122来提供比高灵敏度传感器112更低的脉冲率。这 可如此实现例如，通过在传感器122中采用比传感器112中的传感系统更 小或更低效的传感系统，或者采用不同类型的传感器，比如在传感器122中 采用盖革—弥勒管、在传感器112中采用闪烁器。测量通道120中的前置放大器或电荷放大器124、鉴别器126和计数器 128基本按照与以上描述的测量通道110中放大器114、鉴别器116和计数 器118相同的方式运行，并且测量通道120可以按与测量通道110相同的方 式标定。但是，因为传感器122对辐射的灵敏度比传感器112低，对于相同 辐射剂量率，计数器128的计数率(count rate )将低于传感器118的计数率， 并且因此对计数器128计数率的换算因子将小于对计数器118计数率的换算因子。探测器100中的电路可以以用户控制的方式处理来自测量通道110和120的计数信号，以提供辐射剂量率和剂量的测量以及安全警报。在图1的 实施例中，探测器100包括与测量通道110和120以及用户界面硬件140连 接的控制单元130。控制单元130包括专用电路、通用微处理器或微控制器、 或者实现探测器IOO所需功能的前述二者的结合。特别地，控制单元130能 实现的功能包括为辐射剂量率测量选择测量通道IIO和120中之一；根据 选定的通道1]0或120的计数率确定当前辐射剂f率；将测量的辐射剂量率 对时间求积分以确定累积的剂量；对用户界面硬件140进行操作，以提供测 量结果和/或在辐射剂量率或剂量达到警报阈值水平时发出警报，并且监视用 户界面硬件，以接受用户发出的指令。剂量率单元132,其可在硬件、软件或二者结合中实现，该单元根据从 计数器118和128测量的计数率确定辐射剂量率，并且能选择采用测量通道 110还是120。通道选择可依据计数器118和/或128的一者或两者的计数。 特别地，对于低水平背景辐射，剂量率单元132能够从高灵敏度通道110周 期地读取计数，例如，通过每秒1次读取并重置计数器1]8。自前次读取以 来的计数变化量与自前次读取以来的时间之间的比值表示出计数率，剂量率 单元132能将该计数率换算成辐射剂量率，例如，通过与在标定过程中获得 的用于通道l]O的换算因子相乘来换算。对于高水平辐射，当在进入计数器 118的信号中的脉冲总是彼此重叠时，测量通道110中的计数变得"饱和"。 传统的光电二极管和关联的放大电路获得的典型最小脉沖宽度大约是lO(is (FWHM:最大半振幅全宽度)，因此计数率大约等于或大于100kcps可能 并不可靠。当来自计数器118的计数率高于阈值水平时，剂量率单元132能 够利用来自测量通道120的计数，该测量通道由于传感器122的效率而提供 较低的计数率。类似地，当来自测量通道120的计数率低于阈值水平时，探 测器100能够自动地从测量通道120切换回测量通道110。这种从一个测量 通道110或120到另 一通道120或110的自动切换能够在宽范围内提供准确 的测量，并且对可以看到通过用户界面硬件140显示的剂量率测量的用户来 说直接明了。按照本发明的又一方面，控制单元130可以自动地使不用的测量单元 110或120失效(deactivate )。特别地，控制单元130能够切断给一个测量单元110或120的电力，以在另一测量通道120或IIO提供更加准确的剂量率 测量结果时，保存便携式探测器中电池的电力。图1中的控制单元130,还包括剂量单元134。剂量单元134能够通过 对从剂量率单元132而来的剂量率测量结果进行积分来确定辐射剂量。积分 可以简单地通过累积加权的计数率或辐射剂量率来实现。例如，如果辐射剂 量率测量以一恒定频率执行，则累积的剂量依赖于测量的剂量率的总和。或 者，每个测得的计数率可与一因子相乘，该因子依赖于源测量通道110或120 以及自上 一 个计数率测量值以来的时间。累积的剂量值可以被储存在非易失 存储器中，以便在探测器100关掉或探测器100的电力源被移开时保存累积 的剂量值。控制单元130能够指导用户界面硬件140以产生听觉的、视觉的 或者触觉的警报，从而吸引用户对高累积剂量的注意。如前文解释的图1包括两个测量通道110和120以及诸如控制单元130 和界面硬件140这样的的共享电路。在本发明的其他实施例中，多个测量通 道可以共享更多或更少的电路。例如，如果提供有适当的多路转换或选择电路，则放大器114、鉴别器116以及计数器118中的一些或全部可以被多测 个量通道共享。图2是具有测量通道210和220的探测器200，该通道包括示范性辐射 传感器。更为特定地，在高灵敏度测量通道210中的辐射传感器包括闪烁器 211和光传感器212。可以用响应例如a射线、卩射线、丫射线、中子或者放 射性物质的其他发射物的电离辐射而发出波长可被检测到的光或电磁辐射 的任何材料来制作闪烁器211 。在一个特定实施例中，闪烁器211是大约3cm3 的碘化铯(CsI)晶体。可利用例如光电二才及管或光电倍增管(photomultiplier tube)实现的光传感器212,所述传感器被放置为感知与光进入闪烁器211 时电离辐射所产生光发射相应的光子事件(photon event)。因此，传感器212和计数器118的电压的电信号。测量通道220采用传感器222来获得更宽的测量范围，该传感器具有低 得多的辐射捕获和探测速率。例如，传感器222可包括光电二极管，而不含 闪烁器。每次入射辐射引起光电二极管中的光电效应时，光电二极管将产生 电荷运动。与高品质(high-Q)闪烁器211相比，光电二极管通常具有小 得多的体积/面积和低得多的辐射吸收效率，因此当传感器222只用光电二极管实现时，对固定的辐射水平来说，它以比闪烁器211小的频率产生脉沖。在可替代的实施例中，测量通道220可利用比闪烁器211小的闪烁器(未示 出)。测量通道220的其余部分与控制单元130和界面硬件140如上文关于 图1所述地运行。探测器100和200优选地构建为用户可穿戴或携带的便携式设备。图3 是按照本发明一个实施例的个人辐射探测器300的分解图。探测器300总尺 寸约为125mm x 68mm x 35mm,且包括可由耐用的轻体材料例如塑料制成 的外部壳体。在图示的实施例中，探测器300的壳体包括可拆卸背部310, 壳体基部312，电池盖314以及抗震装置340。位于背部310上的夹片316 允许探测器300被夹在或穿戴在用户衣服上。探测器300的电部件包括电池320、主电路板322、网络板324、高灵敏 度辐射传感器326、宽量程辐射传感器328以及显示器330。主电路板322 可包括例如上文所述的控制单元130这样的电路。显示器330，作为界面硬 件的一部分，可以是液晶显示器或者其他能显示测量结果的显示器，并且网 络板324可实现例如蓝牙这样的无线通讯协议，以允许:探测器300和其他设 备的网络通讯。图3中的辐射传感器326和328与图1中的测量通道110和120或图2 中的测量通道210和220相对应。特别地，辐射传感器326对低范围测量有 高灵敏度并且包括用于较低辐射剂量率的闪烁器、光电二极管和前置放大 器。辐射传感器328具有较低的灵敏度但较宽的测量范围，用于感知较高水 平的辐射，并且可包括光电二极管但不含闪烁器。尽管关于特定实施例对本发明进行了描述，该描述只是本发明应用的一 个例子而不应仅限于此。例如，虽然以上所述实施例采用两个测量通道以对 剂量率和剂量扩大测量范围，如果必要或者希望改善准确度和进一步扩展应用测量范围，可以类似地采用三个或者更多测量通道。>^开的实施例特征的 各种其他改进和结合都在如下权利要求限定的本发明范围之内。
权利要求
1、一种辐射探测器，包括辐射传感系统，包括第一测量通道和第二测量通道，其中，所述第二测量通道具有与第一测量通道不同的测量灵敏度；剂量率单元，可操作地与所述第一测量通道和所述第二测量通道连接，其中，所述剂量率单元确定辐射剂量率；和剂量单元，可操作地与所述第一测量通道和所述第二测量通道连接，其中，所述剂量单元确定辐射剂量。
2、 如权利要求1所述的探测器，其中，所述剂量率单元根据测量信号 确定辐射剂量率，所述测量信号从包括来自所述第一测量通道的第一信号和 来自所述第二测量通道的第二信号在内的一系列信号中选出。
3、 如权利要求2所述的探测器，其中，所述第一信号是指利用所述第 一测量通道得到的第一计数，并且所述第二信号是指利用所述第二测量通道 得到的第二计数。
4、 如权利要求2所述的探测器，其中，所述剂量率单元在辐射剂量率 由所述第一信号确定的第一;^莫式下运行，并且在辐射剂量率由所述第二信号 确定的第二模式下运行。
5、 如权利要求4所述的探测器，其中，当被确定的辐射剂量率升高至 超过阈值水平时，所述剂量率单元本身从所述第一模式切换至所述第二模 式。
6、 如权利要求5所述的探测器，其中，当被确定的辐射剂量率下降至 低于阈值水平时，所述剂量率单元本身从所述第二模式切换回所述第一模式。
7、 如权利要求4所述的探测器，其中，当所述剂量率单元在所述第一 模式下运行时，供给所述第二测量通道的电力被切断，并且当所述剂量率单 元在所述第二模式下运行时，供给所述第一测量通道的电力被切断。
8、 如权利要求1所述的探测器，其中，在确定辐射剂量时，所述剂量 单元通过由测量信号确定的量重复地增加累积的辐射剂量，所述测量信号从 包括来自所述第一测量通道的第一信号和来自所述第二测量通道的第二信 号在内的一系列信号中选出。
9、 如权利要求8所述的探测器，其中，所述第一信号是指利用所述第 一测量通道得到的第一计数，并且所述第二信号是指利用所述第二测量通道 得到的第二计数。
10、 如权利要求8所述的探测器，其中，所述剂量单元在累积的辐射剂 量通过由第一信号确定的量而增加的第一模式下运行，并且在累积的辐射剂 量通过由第二信号确定的量而增加的第二模式下运行。
11、 如权利要求10所述的探测器，其中，当被确定的辐射剂量率升高 至超过阈值水平时，所述剂量单元本身从所述第一模式切换至所述第二模 式。
12、 如权利要求11所述的探测器，其中，当被确定的辐射剂量率下降 至低于阈值水平时，所述剂量单元本身从所述第二模式切换回所述第一模 式。
13、 如权利要求10所述的探测器，其中，当所述剂量单元在所述第一 模式下运行时，供给所述第二测量通道的电力被切断，并且当所述剂量单元 在所述第二模式下运行时，供给所述第一测量通道的电力被切断。
14、 如权利要求1所述的探测器，其中，所述第一测量通道包括闪烁器 和光传感器。
15、 如权利要求14所述的探测器，其中，所述第二测量通道包括闪烁 器和光传感器。
16、 如权利要求14所述的探测器，其中，所述第二测量通道的辐射传 感部分包括光电二极管。
17、 如权利要求14所述的探测器，其中，所述第二测量通道包括盖革-弥勒管。
18、 如权利要求1所述的探测器，还包括控制系统，其可操为在所述剂 量率单元识别出超过阈值剂量率的辐射剂量率时和在所述计量单元识别出 超过阈值剂量的总剂量时发出警报。
19、 如权利要求1所述的探测器，其中，所述探测器可操作在所述第一 测量通道起作用以及供给所述第二测量通道的电力被切断的第 一模式下，并 且可搡作在所述第二测量通道起作用以及供给所述第一测量通道的电力被 切断的第二模式下。
20、 如权利要求1所述的探测器，其中，所述剂量率单元和所述剂量单元包括由处理器执行的软件。
21、 一种用于监测辐射的方法包括利用探测器内的第 一测量通道测量辐射剂量率；响应测得的超过阈值水平的辐射剂量率，利用探测器内的第二测量通道 测量辐射剂量率，所述第二测量通道具有与所述第 一测量通道不同的灵敏 度；并且响应测得的低于阈值水平的辐射剂量率，利用所述第一测量通道测量辐射剂量率。
22、 如权利要求21所述的方法，还包括响应超出阈值剂量率的辐射剂量率而发出警报； 对测得的辐射剂量率积分，以确定辐射剂量；并且 响应超出阈值剂量的辐射剂量而发出警报。
23、 如权利要求21所述的方法，还包括当利用所述第二测量通道测量辐射剂量率时，停止所述第一测量通道中 的电力消耗；并且当利用所述第一测量通道测量辐射剂量率时，停止所述第二测量通道中 的电力消耗。
24、 如权利要求21所述的方法，其中利用所述第一测量通道测量辐射剂量率包括对辐射射中闪烁器时产生 的脉冲计数；并且利用所述第二测量通道测量辐射剂量率包括对辐射直接射中光电二极 管时产生脉冲计数。
全文摘要
一种辐射探测器(100，200)可同时实现用于人身安全的剂量率和剂量测量，并且还可以提供用于防护应用的足够灵敏的测量。在一个实施例中，辐射探测器(100，200)具有第一测量通道(110，210)以及第二测量通道(120，220)，该第二测量通道(120，220)可测量将使第一测量通道(110，210)满量程水平的辐射。该探测器能自动地在高低灵敏度通道之间转换，同时连续对测得的辐射剂量率求积分来确定累积的辐射剂量。该探测器还可以通过自动切断不用的测量通道保存电力，并且还可在辐射剂量率或剂量达到相应警报阈值时，提供人身安全警告。
文档编号G01T1/20GK101258421SQ200680032878
公开日2008年9月3日 申请日期2006年8月24日 优先权日2005年8月25日
发明者奚庆中, 王玉中 申请人:Rae系统股份有限公司