一种直读式电子个人剂量仪的能量响应修正方法

摘要

本发明公开了一种直读式电子个人剂量仪的能量响应修正方法，包括以下步骤：采用复合屏探测技术、多通道采集技术以及通道比值法相结合的方式，完成个人剂量当量参数的准确测量；直读式电子个人剂量仪通过半导体探测器叠加不同厚度复合屏材料，在中能辐射场和

说明书

技术领域

本发明涉及电离辐射监测领域，特别涉及一种直读式电子个人剂量仪的能量响应修正方 法。

背景技术

个人剂量仪是用来监测X射线和gamma射线对人体照射时的剂量当量率和剂量当量的 电子仪器仪表，广泛应用于核电站、核潜艇、辐照站、海关、同位素应用、工业X射线、gamma 射线无损探伤、放射医疗、钴源治疗、gamma辐照、放射性实验室、核设施周围环境监测等 领域，对工作人员进行个人安全防护监测及放射性提示。个人剂量仪是智能型袖珍仪器，采 用功能较强的低功耗单片机技术制作而成，在测量范围内，可任意设置各种阈值报警值，并 发生声光报警及时提醒工作人员注意安全。仪器主要技术符合国家标准和国际标准，是目前 国内同类仪器中功能强、体积小、功耗低的佩带式袖珍仪器。

直读式电子个人剂量仪具有小型化、多功能、宽量程、实时测量、低功耗等特点，被广 泛应用于核电、反应堆、放射医学等辐射场所工作人员的个人剂量监测。Si-PIN半导体探测 器由于在灵敏度、体积、功耗、价格等方面具有优势，是直读式电子个人剂量仪系统的核心 关键部件之一。同时，由于Si-PIN探测器材料原子系数高于组织材料和灵敏层厚度低等因素 影响，该探测器很难形成带电粒子平衡条件。上述原因导致在50keV-1.25MeV能量范围内， Si-PIN探测器能量响应不一致，尤其在低能附近(小于100keV)响应值偏高。由于Si-PIN 探测器能量响应不一致，采用传统单通道计数的方法严重影响仪器的测量精度。

传统能响补偿材料相关参数可通过数值计算或蒙特卡洛模拟实现。能响补偿方法的核心 是设计出与Si-PIN探测器能量响应互补的材料组合，达到抵消Si-PIN探测器在低能段响应过 高的目的。该方法的难点是不易加工出批量满足条件的补偿材料，同时测量误差相对较大， 对Si-PIN探测器要求较高。

能谱测量则是通过测量探测器输出的脉冲幅度值，幅度信息代表射线能量，利用不同射 线能量对剂量的影响权重不同，达到能量响应修正的目的。此方法由于功耗、成本等因素影 响，不满足直读式电子个人剂量仪的基本要求。

本发明为国家重大科学仪器设备开发专项资金资助项目(项目名称：新型电离辐射检测 仪器和关键部件开发及应用，项目编号：2013YQ090811)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种直读式电子个人剂量仪的能量响应修正方法，该 方法采用复合屏探测材料和Si-PIN半导体探测器相结合的多通道探测系统，通过识别辐射场 射线能量特征的方式，完成直读式电子个人剂量仪的能量响应修正，提高个人剂量当量参数 的测量精度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种直读式电子个人剂量仪的能量响应修正方法，包括对辐射区域的放射工作人员核辐 射探测和对探测后得到的核辐射信息进行处理等步骤，具体步骤如下：

步骤1：采用多通道探测器探测核辐射区域，所述多通道探测器中每一个通道都包含厚度 不同的复合屏探测材料和Si-PIN半导体探测器；

步骤2：采用电荷灵敏放大器对经过复合屏探测材料和Si-PIN半导体探测器后形成的弱 电流信号进行放大处理，形成电压脉冲信号，电荷灵敏放大器在后端电路参数保持一致的情 况下，只需改变通道的复合屏探测材料厚度值，根据通道脉冲计数比值即可计算出辐射场射 线能量特征；

步骤3：采用正比放大器对电荷灵敏放大器的输出信号进行二次放大，采用甄别器对正比 放大器的输出信号进行脉冲整形，得到整形后的方波脉冲信号；

步骤4：对整形后的多通道脉冲信号进行计数，并完成多通道脉冲信号计数之间的通道比 值计算；

步骤5：采用标准辐射场刻度出通道比值与辐射场射线能量的对应关系，刻度点之间的能 量与通道比值关系通过多项式拟合或插值实现，通过通道比值即可识别辐射场射线特征能量；

步骤6：采用标准辐射场刻度出每个能量段条件下，即47.9keV、65.0keV、83.1keV、 100.0keV、117.7keV、164.0keV、207.5keV、661.6keV、1250.0keV共9个能量段下，各 通道计数与标准剂量之间的转换修正因子，进一步结合标准辐射场的能量特征值直接刻度出 探测系统关键部件通道比值与辐射场射线能量的对应关系，求得探测器在各能量条件下的计 数-剂量当量转换因子；

步骤7：用计数-剂量当量转换因子与测量过程中的脉冲计数值相乘得到该时刻下的剂量 当量值；

步骤8：通过重复步骤5至步骤7得到精确的剂量当量值，根据最终的剂量当量值并归一 至¹³⁷Cs处的参考值，完成能量响应的修正测量。

根据上述方案，所述能量响应修正为：在每组能量点下，剂量当量测量值与剂量当量标 准值的比值除以¹³⁷Cs处能量点下的剂量当量测量值与剂量当量标准值的比值，得到每组能量 点下参考¹³⁷Cs处能量响应，不同能量点下的能量响应值形成一条曲线，此曲线即为所述直读 式电子个人剂量仪修正后的能量响应曲线。

根据上述方案，还采用金属铝材料对探测器进行屏蔽处理，X或gamma射线穿过屏蔽材 料后进入复合屏探测材料并转换为Si-PIN半导体探测器可接收的可见光信号。

根据上述方案，所述复合屏探测材料设计利用射线的指数衰减原理，公式推导出双通道 脉冲计数比值的自然对数与复合屏探测材料线性衰减系数存在一定关系，线性衰减系数是射 线能量的函数。

根据上述方案，所述标准辐射场为采用X光机中能辐射场，其建立在X光机装置上，包 括60kV、80kV、100kV、120kV、150kV、200kV和250kV条件下的窄谱系列辐射场， 和¹³⁷Cs、⁶⁰Co辐射防护实验室提供的标准辐射场，相关标准值则通过PTW球型电离室测量 得到，通过刻度方法简化需要考虑复合屏探测材料、Si-PIN半导体探测器和后续电路参数等 引起的仪器一致性问题。

根据上述方案，所述信息处理中包括电源管理模块、红外通信IC、LCD显示屏外围辅助 器件和MSP430微处理器，所述MSP430微处理器首先对探测系统关键部件输出脉冲进行计 数处理，然后在50keV至1.25MeV能量范围内，调用核信号处理算法完成能量响应修正和 辐射场能量信息计算处理，相关结果通过LCD显示屏显示或者使用红外通信IC上传至计算 机，从而对信息进行后续步骤处理。

根据上述方案，还包括存储过程，即将通道比值与射线能量的对应关系、计数-剂量当量 转换因子存储于flash存储单元，以备后续实际应用中辐射场能量特征信息和能量响应修正计 算之用。

根据上述方案，所述通道比值与射线能量的对应关系所依赖的线性衰减系数由公式 μ₁(E)＝ln(DM₂/DM₁)/(T₁-T₂)表示，其中，μ₁(E)为线性衰减系数，T₁、T₂分别为不同复 合屏探测材料的厚度，E为粒子能量，DM₁和DM₂分别为经过复合屏探测材料后Si-PIN半导 体探测器探测到的粒子数。

根据上述方案，在50keV至1.25MeV能量范围内，完成直读式电子个人剂量仪的能量 响应修正。

根据上述方案，所述探测器通道为2个或者2个以上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本方法采用复合屏探测材料和Si-PIN半导体探 测器相结合的多通道探测系统，对辐射区域的电离辐射进行测量，避免了采用单一通道进行 测量的不足，通过采用多通道探测的方式，根据通道比值与射线能量信息的对应关系，最终 将通道计数与计数-剂量当量转换因子转换成标准剂量当量，完成能量响应修正，提高了个人 剂量当量参数的测量精度，适用于多种需监测电离辐射的场所。

附图说明

图1是本发明一种直读式电子个人剂量仪的能量响应修正方法采用的探测装置结构示意 图。

图2是本发明所采用探测装置的探测部件结构示意图。

图3是本发明中射线平均能量与通道比值关系曲线图。

图4是本发明中探测部件在各能量下的计数与计数-剂量当量转换因子关系曲线图。

图5是本发明采用通道比值法的能量响应与采用单通道的能量响应对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。尽管本发明将结合一些具 体实施方式进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反， 对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

本发明采用识别辐射场特征能量的方法，完成直读式电子个人剂量仪的能量响应修正。 该方法采用复合屏探测技术、多通道采集技术以及通道比值法相结合的方式，在50keV-1.25 MeV能量范围内，实现个人剂量当量Hp(10)参数的准确测量。直读式电子个人剂量仪通过半 导体Si-PIN探测器叠加不同厚度的复合屏材料。首先在中能X光机标准辐射场和¹³⁷Cs、⁶⁰Co 辐射防护标准实验室，完成Si-PIN探测器通道比值与射线能量信息，通道计数转换成标准剂 量的刻度工作。然后将相关刻度系数置入仪器内部存储单元，建立通道比值与射线能量信息 和射线能量与计数-剂量当量转换因子的关系表。在实际应用中，首先通过探测器输出的脉冲 数计算通道比值，然后通过查表完成辐射场能量特征信息识别，最后查表完成仪器个人剂量 当量测量。在50keV-1.25MeV能量范围内采用本方法即可完成直读式电子个人剂量仪的能 量响应修正。

如图1所示，本发明的实现主要由核探测系统关键部件1和基于微处理器的核信号处理 平台2两个单元组成。核探测系统关键部件1包括复合屏探测材料4和多通道探测器系统5， 所述核探测系统关键部件1实现射线信号的计数脉冲转换。基于微处理器的核信号处理平台 2包括探测器刻度数据存储6、辐射场特征能量识别7和探测器能量响应修正8三个单元，所 述核信号处理平台2对多通道脉冲信号进行计数处理，并通过核心算法完成多通道脉冲计数 的通道比值，查表得出辐射场能量特征信息和通过该能量条件下通道计数转换成剂量当量值。

具体的，本发明提供的一种直读式电子个人剂量仪的能量响应修正方法，包括对辐射区 域的放射工作人员核辐射探测和对探测后得到的核辐射信息进行处理等步骤，详细步骤如下：

步骤1：采用多通道探测器探测核辐射区域，所述多通道探测器中每一个通道都包含厚度 不同的复合屏探测材料和Si-PIN半导体探测器；

步骤2：采用电荷灵敏放大器对经过复合屏探测材料和Si-PIN半导体探测器后形成的弱 电流信号进行放大处理，形成电压脉冲信号，电荷灵敏放大器在后端电路参数保持一致的情 况下，只需改变通道的复合屏探测材料厚度值，根据通道脉冲计数比值即可计算出辐射场射 线能量特征；

步骤3：采用正比放大器对电荷灵敏放大器的输出信号进行二次放大，采用甄别器对正比 放大器的输出信号进行脉冲整形，得到整形后的方波脉冲信号；

步骤4：对整形后的多通道脉冲信号进行计数，并完成多通道脉冲信号计数之间的通道比 值计算；

步骤5：采用标准辐射场刻度出通道比值与辐射场射线能量的对应关系，刻度点之间的能 量与通道比值关系通过多项式拟合或插值实现，通过通道比值即可识别辐射场射线特征能量；

步骤6：采用标准辐射场刻度出每个能量段条件下，即47.9keV、65.0keV、83.1keV、 100.0keV、117.7keV、164.0keV、207.5keV、661.6keV、1250.0keV共9个能量段下，各 通道计数与标准剂量之间的转换修正因子，进一步结合标准辐射场的能量特征值直接刻度出 探测系统关键部件通道比值与辐射场射线能量的对应关系，求得探测器在各能量条件下的计 数-剂量当量转换因子；

步骤7：用计数-剂量当量转换因子与测量过程中的脉冲计数值相乘得到该时刻下的剂量 当量值；

步骤8：通过重复步骤5至步骤7得到精确的剂量当量值，根据最终的剂量当量值并归 一至¹³⁷Cs处的参考值，完成能量响应的修正测量。

所述能量响应修正为：在每组能量点下，剂量当量测量值与剂量当量标准值的比值除以 ¹³⁷Cs处能量点下的剂量当量测量值与剂量当量标准值的比值，得到每组能量点下参考¹³⁷Cs 处能量响应，不同能量点下的能量响应值形成一条曲线，此曲线即为所述直读式电子个人剂 量仪修正后的能量响应曲线。

核探测系统关键部件1结构如图2所示，包含复合屏探测材料4和多通道探测器系统， 所述多通道探测器系统由Si-PIN半导体探测器、电荷灵敏放大器、正比放大器和甄别器组成， 实现射线信号的脉冲计数转换。

核探测系统关键部件1整体采用金属Al屏蔽材料进行密封处理，起到避光和防电磁辐射 作用。X或gamma射线穿过屏蔽材料后进入复合屏探测材料4并转换为Si-PIN半导体探测 器可接收的可见光信号。电荷灵敏放大器对Si-PIN半导体探测器的弱电流信号进行放大处理， 形成电压脉冲信号。二级放大器和甄别器对电荷灵敏放大器输出信号进行二次放大和脉冲整 型输出处理。核探测系统关键部件1采用多通道设计原理，其与核信号处理单元连接，主要 包括电源、地以及脉冲信号输出三个部分。

所述复合屏探测材料4设计利用射线的指数衰减原理，公式推导出双通道脉冲计数比值 的自然对数与复合屏探测材料4线性衰减系数存在一定关系，同时，已知线性衰减系数是射 线能量的函数。

基于微处理器的核信号处理算法单元实现平台包括电源管理模块、红外通信IC、LCD显 示屏3外围辅助器件和MSP430微处理器，所述MSP430微处理器首先对核探测系统关键部 件1输出脉冲进行计数处理，然后在50keV至1.25MeV能量范围内，调用核信号处理算法 完成能量响应修正和辐射场能量信息计算处理，相关结果通过LCD显示屏显示或者使用红外 通信IC上传至计算机，从而对信息进行后续步骤处理。

本发明提供的直读式电子个人剂量仪的能量响应修正方法还包括存储过程，即将通道比 值与射线能量的对应关系、计数-剂量当量转换因子存储于flash存储单元，以备后续实际应 用中辐射场能量特征信息和能量响应修正计算之用。所述通道比值与射线能量的对应关系所 依赖的线性衰减系数由公式μ₁(E)＝ln(DM₂/DM₁)/(T₁-T₂)表示，其中，μ₁(E)为线性衰减 系数，T₁、T₂分别为不同复合屏探测材料的厚度，E为粒子能量，DM₁和DM₂分别为经过复 合屏探测材料后Si-PIN半导体探测器探测到的粒子数。在50keV至1.25MeV能量范围内， 完成直读式电子个人剂量仪的能量响应修正。

图2为EPD采用双通道比值法设计的原理示意图，其中，CM₁和CM₂为复合过滤材料， 厚度分别为T₁和T₂，线性衰减系数为μ₁(E)和μ₂(E)；D₁和D₂为Si-PIN探测器，灵敏层厚 度为T₃，线性衰减系数为μ₃(E)。探测器与复合过滤材料的面积为S，CM₁和D₁组成通道 1(CH₁)，CM₂和D₂组成通道2(CH₂)。

假设辐射场在探测器位置处的粒子注量为D_S，粒子能量为E，忽略散射线的影响，经过 复合过滤材料后探测器探测到的粒子数为DM₁和DM₂；假设与探测器作用的粒子都被后续电 路记录，复合屏探测材料4设计利用射线指数衰减规律，则存在着如下关系：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{DM}}_1=D_s{e}^{-{\mu }_1\left(E\right)T_1}(1-e^{-{\mu }_3\left(E\right)T_3})S\\ {\mathrm{DM}}_2=D_s{e}^{-{\mu }_2\left(E\right)T_2}(1-e^{-{\mu }_3\left(E\right)T_3})S\end{array}\right)---\left(1\right)$

μ₁(E)T₁-μ₂(E)T₂＝ln(DM₂/DM₁)(2)

当取μ₁(E)等于μ₂(E)时，公式(2)进一步简化为公式(3)。

μ₁(E)＝ln(DM₂/DM₁)/(T₁-T₂)(3)

运用通道比值法求解辐射场射线的能量信息，需通过公式(3)计算出材料的线性衰减系 数，进一步通过查表求解出射线能量信息。线性衰减系数与能量的关系可以通过两者的关系 曲线求得，两者在取值范围内是一一对应关系，μ₁(E)的选择尽量满足单调函数特征。实际 应用中还需考虑探测器灵敏度下限，仪器测量范围等技术指标，本发明中的复合屏主要由Al、 Cu和闪烁材料组成。

探测器刻度数据存储部分是考虑过滤材料、探测器和后续电路参数等可能引起的仪器一 致性问题。采用标准辐射场进行刻度可进一步简化数学模型，可克服复合材料中如尺寸，密 度等材料不确定属性问题。

刻度辐射场包括中低能标准辐射场，其建立在X光机装置上，包括60kV，80kV，100kV， 120kV，150kV，200kV和250kV窄谱系列辐射场。辐射防护水平辐射场选择¹³⁷Cs和⁶⁰Co同 位素辐射源，相关标准值则通过PTW球型电离室测量得到。标准辐射场能量特征分别为 47.9keV、65.0keV、83.1keV、100.0keV、117.7keV、164.0keV、207.5keV、661.0keV、1250.0keV 共9个能量段。利用X光机中能辐射场和¹³⁷Cs、⁶⁰Co辐射防护实验室提供的标准辐射场，通 过刻度方法可简化需要考虑过滤材料、探测器和后续电路参数等引起的仪器一致性问题。

通过标准辐射场提供能量信息值和标准剂量值，首先刻度出通道比值与辐射场能量的关 系值，如图3所示，再刻度出每个能量段下，核探测系统关键部件1各通道脉冲计数值与剂 量的转换因子，如图4所示，相关因子置入核信号处理平台的探测器刻度数据存储单元。

核信号处理平台2首先对核探测系统关键部件1的通道计数求出通道比值，通过通道比 值查表核信号处理平台2中的探测器刻度数据存储单元相关刻度因子，通过道比值与辐射场 能量的关系，求出辐射场特征能量信息值，并通过LCD显示和红外通信接口传到计算机。通 过查表求出的辐射场能量信息，再通过探测器刻度数据存储单元查表求出通道计数和剂量当 量的转换因子，通过查表求出的转换因子乘以当前时刻的计数值即可求出修正后的剂量当量 值，相关结果通过LCD显示和红外通信接口传到计算机做进一步处理。

图3为射线能量与通道比值关系图，从图中可知，虽然射线平均能量与通道比值不是线 性或指数关系，但两者呈一一对应关系，满足公式(3)的基本要求。刻度点之间的能量与通 道比值关系可通过多项式拟合或插值实现。通过图3的关系曲线，运用通道比值即可识别辐 射场射线的平均能量特征值。

表1是采用本发明后个人剂量当量修正测量结果。从表1中结果可知，采用多通道比值 法，完成直读式电子个人剂量仪的剂量当量修正，较传统单通道方法在测量精度上具有明显 提高。如图4所示，其为射线能量和计数-剂量当量转换因子的关系曲线图，通过该曲线即可 完成个人剂量当量参数的准确测量。

表1通道比值法修正测试值

图5为采用单通道和采用通道比值法修正后的能量响应图，从图中可知，修正后能量响 应(归一至¹³⁷Cs)近似于一条水平直线(介于0.94-1.03之间)，能量响应与¹³⁷Cs参考辐射 源(662.0keV)响应之差优于±6％，满足国标和检定规程中个人剂量当量±30％的测量要求。

本发明提出采用复合屏探测技术、多通道采集技术以及通道比值相结合的方法，通过识 别辐射场射线能量信息的方式，完成直读式电子个人剂量仪的能量响应修正，可提高个人剂 量当量参数的测量精度。本发明采用通道比值法在仪器结构、测量准确度以及性能扩展等方 面具有明显优势。

以上具体实施方式和附图仅为本发明之常用实施例。显然，在不脱离权利要求书所界定 的本发明精神和发明范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术人员应该理解， 本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则的前提下在形式、结构、 布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露之实施例仅用于说明 而非限制，本发明之范围由后附权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前之描述。