低功耗、宽量程、高精确的便携式X、γ剂量率仪研制

摘要

核技术在近年的飞速发展为人们带来了更清洁的能源，更便捷的工业探伤方法，更先进的辐射加工产品，更精确的医学诊断以及更有效的治疗手段。核技术走进生活服务人类，但也将核辐射的安全隐患带到了大众身边。便携式剂量率仪使用便捷，广泛的应用在医院、边防、核电站等场所。目前，市场上的主流便携式剂量率仪仍以盖革管作为辐射探测器，其灵敏度、剂量率测量范围、能量响应等性能均不够理想。而市场上采用闪烁体探测器的便携式剂量率仪又因为功耗较高，无法长时间巡检使用；且受限于闪烁体探测器的高计数率，仪器的量程及其有限，无法满足在不同放射性强度下的核技术领域的应用。
　　本课题设计了一款低功耗、宽量程、高精度的便携式剂量率仪。仪器定位于防护级剂量当量率仪。设计采用小体积YSO闪烁晶体耦合SiPM作为探测器，剂量当量率测量范围为1μSv/h~100 mSv/h，覆盖所有防护级仪器常用量程。并在扩宽仪器使用量程的同时仍有足够的灵敏度，使仪器可以对剂量率突变做出快速响应。在功耗方面，创新性的提出了自然本底测量模式和高精确测量模式相互切换的方法，在自然本底状态下功耗极低，待机时长可达2000小时，满足核电站等对待机时长要求较高场所的应用。针对减小闪烁体体积带来的能量响应变差的情况设计了分段能量参数积分计算的能量响应方法，在不损失计数率的情况下完成能量信息的采集。为了增加测量精度，本文通过实验的方式讨论了SiPM的增益与温度的关系，结合SiPM增益与其工作电压的关系，设计并实现了剂量率仪实时温度校正的方法。
　　标准辐射场实验证明，本文设计的便携式剂量当量率仪样机量程覆盖1μSv/h~100 mSv/h。其相对固有误差、能量响应、待机时长、温度响应等关键指标均优于或等同国外优秀产品，且样机已通过计量院的检定。

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1. 绪论

1.1. 课题背景与意义

1.2. 国内外研究现状

1.3. 课题设计需求与目标

1.4. 全文安排

2. 辐射探测的理论基础

2.1. 射线及其基本效应

2.2. 常见探测手段

2.3. 辐射剂量学常用术语

3. 仪器设计与实现

3.1. 系统硬件框架设计

3.2. 探测器结构设计

3.3. 信号获取模块设计

3.4. 能量响应校正

3.5. 温度校正

3.6. 系统低功耗设计

3.7. 仪器功能与操作流程设计

3.8. 样机实现

4. 样机评估与性能测试

4.1. 相对固有误差测试

4.2. 能量响应测试

4.3. 温度响应测试

4.4. 待机时长测试

4.5. 剂量院检定结果

5. 总结与展望

5.1. 总结

5.2. 展望

致谢

参考文献

附录 主要缩略词表