一种基于铯铜碘闪烁体的辐射剂量测量装置及方法与流程

1.本发明涉及一种辐射剂量测量装置及方法，具体涉及一种基于铯铜碘闪烁体的辐射剂量测量装置及方法。


背景技术：

2.辐射剂量是指电离辐射授于物质或组织的能量(吸收剂量)。理论上，受照射的物质中所产生的某种效应只要与吸收的辐射能量具有确定的关系，就可用于测定辐射剂量，如电离、发热、发光(激发)等各种物理变化，氧化还原、裂解、聚合、交联、变色、粘度变化等许多化学变化或由此引起体系的物理性质的变化。辐射剂量包括照射量、比释动能、吸收剂量和剂量当量等。
3.常用γ辐射剂量测量方法主要分为量热法、化学法、电离法和热释光法。量热法可直接测定吸收剂量，适合做基准/标准装置，但装置系统复杂、技术要求高，不适用于常规剂量测量；化学法是一种被动剂量测量方法，常采用水溶液体系，测量范围宽、测量上限高(达万gy量级)，适用于高剂量测量；热释光法灵敏度高，测量范围跨6～7个量级，测量下限达μgy，主要用于个人剂量和环境剂量测量，是一种被动测量方法，无法实时给出测量结果；电离法精度高，稳定性好，易操作，是一种通用吸收剂量测量方法，在放射治疗和辐射防护领域常作为标准使用，但电离室需外加电场，且受环境温度/气压影响。
4.γ辐射剂量，根据剂量率大小，一般分为环境级、防护级、治疗级和加工级四个等级，不同等级剂量率范围和参数参见下表：
5.表1光子外照射剂量率分级
6.级别剂量率基本量校准量现场环境级10ngy/h～10mgy/hdadada防护级10μsv/h～10sv/hkah
*
(d),h’(d),h
p
(d)h
*
(d),h’(d),h
p
(d)治疗级10mgy/h～10kgy/hkaka，dwka，dw加工级10gy/h～10mgy/hdadada7.现有技术中，测量治疗级γ剂量率最常用的装置是石墨空腔电离室，具有高灵敏度、高精密度特点，常作为γ辐射剂量(治疗水平)的标准计量器具使用。石墨空腔电离室测量γ射线剂量是基于气体的电离效应，需要外加电场形成稳定的电离电流，电压较高，一般为
±
500v左右。其缺点在于，测量时，空腔与环境相通，气体质量受环境温度和气压影响，测量结果需对环境温度/气压进行修正，使得测量过程复杂，技术要求高，且测量结果准确性易受影响。研究发现，低维(零维、一维、二维、三维)卤化物钙钛矿具有高等效原子序数和高光产额(高于2万光子/mev)的优异特性，有望在伽马剂量监测领域发挥巨大作用。


技术实现要素：

8.本发明的目的是解决目前常用测量γ辐射剂量技术存在装置复杂、技术要求高、不适于常规剂量测量、无法实时给出测量结果以及测量结果易受气压、温度、湿度等环境影
响的技术问题，而提供一种基于铯铜碘闪烁体的辐射剂量测量装置及方法。
9.本发明的构思是：采用大尺寸块状铯铜碘单晶作为γ射线闪烁体，与γ射线相互作用，实现γ射线有效衰减和能量吸收，产生荧光信号。将光电转换器件设置在铯铜碘单晶闪烁体发光光路上，通过光电转换器件的光电效应将光信号转换为电信号，再用测量单元收集、记录电信号，实现γ射线辐射剂量的测量。
10.本发明的技术解决方案是：
11.一种基于铯铜碘闪烁体的辐射剂量测量装置，其特殊之处在于：包括铯铜碘单晶闪烁体、设置在铯铜碘单晶闪烁体发光光路上的光电转换器件以及与光电转换器件电信号输出端通过信号电缆连接的测量单元；
12.所述铯铜碘单晶闪烁体用于将γ射线的辐射剂量转换为荧光信号；
13.γ射线照射铯铜碘单晶闪烁体产生相互作用并发射出荧光信号，光电转换器件接收荧光信号并将荧光信号转换为电信号，测量单元将光电转换器件中的电信号进行记录。
14.进一步地，所述光电转换器件采用半导体异质结器件或光电管，且半导体异质结器件工作模式为零偏压的自给能模式，所述γ射线的辐射剂量的剂量率水平为治疗级别及以上；
15.或者，所述光电转换器件采用光电倍增管，所述γ射线的辐射剂量的剂量率水平为环境级别或防护级别。
16.进一步地，所述铯铜碘单晶闪烁体为未掺杂铯铜碘单晶cs3cu2i5或掺杂的铯铜碘单晶cs3cu2i5:x，x为金属掺杂元素。
17.进一步地，所述掺杂的铯铜碘单晶闪烁体为掺tl的铯铜碘单晶cs3cu2i5:tl或掺na的铯铜碘单晶cs3cu2i5:na。
18.进一步地，还包括屏蔽壳；所述屏蔽壳内用于放置铯铜碘单晶闪烁体和光电转换器件，屏蔽壳侧壁上设置有信号电缆通过的通孔。
19.进一步地，所述铯铜碘单晶闪烁体与光电转换器件紧密接触。
20.进一步地，所述测量单元为台式电源、静电计和幅度分析器中的任一种。
21.进一步地，所述铯铜碘单晶闪烁体的直径为φ3～50mm，厚度为1～100mm；所述半导体异质结器件的尺寸为3
×
3～50
×
50mm2。
22.一种基于铯铜碘闪烁体的辐射剂量测量方法，基于上述的一种基于铯铜碘闪烁体的辐射剂量测量装置，其特殊之处在于，包括以下步骤：
23.s1)获取测量装置的剂量响应线性函数的截距和斜率
24.s1.1)将测量装置安装好，使铯铜碘单晶闪烁体位于已知剂量率的γ辐射场中，开启伽马放射源，使γ射线照射铯铜碘单晶闪烁体，通过测量单元记录得到电信号；
25.s1.2)达到设定时间后，关闭伽马放射源；
26.s1.3)通过以下公式，利用已知剂量率和对应电信号得到截距a和斜率b：
27.y＝a bx
28.x为剂量率，单位：gy/h；
29.y为电流，单位：na；
30.a和b分别为剂量响应线性函数的截距和斜率；
31.s2)使铯铜碘单晶闪烁体位于待测辐射剂量率的γ辐射场中，开启伽马放射源，使
γ射线照射铯铜碘单晶闪烁体，通过测量单元记录得到电信号；
32.s3)达到设定时间后，关闭伽马放射源；
33.s4)利用步骤s1.3)中的公式以及截距和斜率，通过步骤s2)得到的电信号计算得到待测辐射剂量率。
34.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
35.1、本发明测量装置采用高发光产额的铯铜碘单晶，能量转换效率高，可实现γ射线的高探测效率。此外，铯铜碘单晶闪烁体和光电转换器件等核心部件性能不受环境温度、湿度及气压的影响，故本发明装置的γ辐射剂量测量结果可摆脱环境温度、湿度和气压的影响。
36.2、本发明测量装置，选用的铯铜碘单晶闪烁体，安全无毒性，使用方便。
37.3、本发明一种γ辐射剂量测量装置，仅由铯铜碘单晶闪烁体、光电转换器件、测量单元、信号电缆组成，原理简单、结构紧凑、简单便携、成本低。
38.4、本发明测量装置，通过选择合适的光电转换器件可实现不同级别的γ辐射剂量测量。
39.5、本发明测量装置，测量治疗级别γ辐射剂量时，采用半导体异质结器件，在无需外加偏压的自给能模式下工作，即可实现高效率的光电信号转换，可解决外加电场使灵敏度不稳定，进而导致测量结果不准确及高能耗问题。
40.6、本发明测量装置，测量治疗级别辐射剂量时，选择半导体异质结器件和铯铜碘(cs3cu2i5)闪烁体等组成的γ辐射剂量探测器，可实现大动态响应范围，暗电流不高于3pa，理论探测限低于10.2mgy/h，在10mgy/h～10kgy/h范围，测量装置信号电流与剂量率成线性响应，线性相关系数不低于0.9999，测量范围跨7个量级以上。
41.7、本发明测量装置，测量治疗级别辐射剂量时，选择半导体异质结器件和铯铜碘(cs3cu2i5)闪烁体等组成的γ辐射剂量探测器，与传统闪烁体探测器采用光电倍增管相比，不需要高压电源、分压器等，结构简化，且半导体异质结器件价格远低于光电倍增管，其测量装置的制造成本大幅下降。
42.8、本发明测量装置，可对铯铜碘(cs3cu2i5)进行掺杂增强初始材料性能，进一步提高光产额，提高灵敏度，尤其有利于弱信号的测量。其中，掺tl(铊)的铯铜碘单晶(cs3cu2i5:tl)对辐射致光产额的提高表现明显。
43.9、本发明测量装置，将铯铜碘单晶闪烁体和光电转换器件放置在屏蔽壳内，可降低电磁干扰。
44.10、本发明测量装置，铯铜碘单晶闪烁体与光电转换器件紧密接触设置，紧密接触时传输效率高，灵敏度较高。
45.11、本发明测量装置中铯铜碘单晶闪烁体为直径φ3～50mm，厚度1～100mm的单晶，测量结果准确且该尺寸范围易于制备，成本低。
46.12、本发明测量方法，操作简单，测量过程快速高效，其测量范围跨7个量级，测量结果准确可靠，具有优异的剂量响应线性，线性相关系数大于0.9999。
附图说明
47.图1为本发明一种基于铯铜碘闪烁体的辐射剂量测量装置的结构示意图；
48.图2为本发明一种基于铯铜碘闪烁体的辐射剂量测量装置的工作原理图；
49.图3为本发明一种基于铯铜碘闪烁体的辐射剂量测量装置实施例的结构示意图；
50.图4为本发明一种基于铯铜碘闪烁体的辐射剂量测量方法得到的剂量响应线性拟合曲线图。
51.附图标记为：
52.1-铯铜碘单晶闪烁体，2-光电转换器件，3-测量单元，4-屏蔽壳。
具体实施方式
53.下面通过附图和实施例对本发明进行清楚详细的描述。
54.本发明属于闪烁探测器的范畴，测量原理是通过闪烁体光总输出的平均电流测量剂量。闪烁体分无机闪烁体和有机闪烁体。无机闪烁体有nai(tl)、csi(tl)、csi(na)、zns(ag)、labr3(ce)等。有机闪烁体大部分是芳香族碳氢化合物。常用无机闪烁体有nai(tl)、csi(na)、labr3(ce)，其优点是发光效率较高，常温使用，缺点是在空气中都易潮解，需密封防潮。有机闪烁体发光衰减时间短，光产额低，且为低原子序数原子，适合测量β射线和中子，与γ射线作用几率小，用于γ射线测量的传统闪烁探测器系统是由碘化钠闪烁体或碘化铯闪烁体、光导、光电倍增管、高压电源、分压器和测量单元等组成，适合低剂量率测量。工作时，光电倍增管工作高压在600v～1500v，串联电阻分压器供电，光转换效率和增益易随着工作偏压变化而变动，造成探测器的响应灵敏度不稳定。而本发明选用高发光产额的铯铜碘单晶闪烁体与无需外加偏压的半导体异质结器件进行组合，可很好的避免高工作偏压使响应灵敏度不稳定的问题，同时降低了能耗。
55.铯铜碘(cs3cu2i5)单晶是一种零维(0d)钙钛矿闪烁体，它的发光机理是通过自陷激子发射，具有诸多优异发光特性，包括可实现辐射蓝光发射(发光中心为440nm)、具有大斯托克斯位移(约120nm)、高等效原子序数、高发光产额(32000光子/mev)、自吸收小、发光衰减时间较长(约900ns)等。铯铜碘(cs3cu2i5)单晶的发射光谱位于可见光范围，与光电转换器件的光谱响应匹配性好，有利于光电转换效率的提升；同时，铯铜碘单晶所含cs、i原子为高原子序数原子，与γ射线作用几率高；铯铜碘单晶密度(4.51g/cm3)大，对γ射线的阻止本领强，将铯铜碘单晶作为γ辐射剂量测量的闪烁体，能量转换效率高，可实现γ射线的高探测效率。此外，铯铜碘单晶闪烁体是透明质固态材料，具有不易潮解、稳定性强不易受气压、温度、湿度等环境影响的特点。因此，铯铜碘(cs3cu2i5)单晶是用作稳态γ辐射剂量测量的优选材质。
56.本发明一种基于铯铜碘闪烁体的辐射剂量测量装置，如图1所示，包括铯铜碘单晶闪烁体1、设置在铯铜碘单晶闪烁体1发光光路上的光电转换器件2以及与光电转换器件2电信号输出端通过信号电缆连接的测量单元3。
57.铯铜碘单晶闪烁体1是一类新型的钙钛矿闪烁体材料，其发光机理是自陷激子发射，可实现辐射蓝光发射(发光中心在440nm)、大斯托克斯位移(约120nm)，同时，铯铜碘单晶闪烁体1具有高发光产额(约32000光子/mev)，所含cs、i原子为高原子序数原子，与γ射线作用几率高；密度大(为4.51g/cm3)，对γ射线的阻止本领强，可实现γ射线的高探测效率。铯铜碘单晶闪烁体1的发射光谱位于可见光范围，与光电转换器件的光谱响应匹配性好，可实现高光电转换效率。铯铜碘单晶闪烁体1发光衰减时间较长，约为900ns，作为一种
新型闪烁体材料，将其与光电转换器件结合组成测量装置，可很好的用于稳态x或γ辐射剂量测量。本发明中，主要以γ辐射剂量测量进行说明。此外，铯铜碘单晶闪烁体1是透明质固态材料，不易吸湿，不潮解，具有良好的空气稳定性，可避免现有技术中辐射剂量测量结果易受气压、温度、湿度等环境影响的技术问题。
58.本发明中铯铜碘单晶闪烁体1可为掺杂的铯铜碘单晶(cs3cu2i5:x)或未掺杂的铯铜碘单晶(cs3cu2i5)，根据作用对象的强度进行选择。对于普通强度γ辐射的测量使用未掺杂的铯铜碘单晶(cs3cu2i5)即可，未掺杂的铯铜碘单晶(cs3cu2i5)其光产额为32000光子/mev左右；对于辐射强度较小的γ辐射的测量可通过相应的金属元素掺杂，提高闪烁体的光产额，进而提高闪烁体测量的灵敏度，比如掺tl(铊)的铯铜碘单晶(cs3cu2i5:tl)其光产额可高达90000光子/mev。铯铜碘单晶闪烁体的直径为φ3～50mm，厚度为1～100mm，单晶尺寸太小，测量信号弱，信噪比无法满足测量要求；单晶尺寸太大，其制备难度大，成本高。本实施例优选铯铜碘单晶闪烁体的直径为φ25mm，厚度为20mm。
59.光电转换器件2设置于铯铜碘单晶闪烁体1的发光光路上，用于接收铯铜碘单晶闪烁体1的荧光信号，将光信号转换为电信号，并与测量单元3连接。铯铜碘单晶闪烁体1与光电转换器件2之间可接触设置也可不接触设置，优选为紧密接触设置，因为紧密接触时传输效率相对较高，其他实施例中，在强γ辐射场中，铯铜碘单晶闪烁体1与光电转换器件2之间也可成一定角度放置(20
°
～70
°
)，成角度设置时灵敏度将会根据角度的大小相应降低，角度越大灵敏度降低越多，因为张角越大，光电转换器件接收到闪烁体的光信号越少，相应光电转换效率越低。
60.本发明装置可用于不同级别的γ辐射剂量率测量。使用时，需要针对γ辐射剂量率水平级别选择合适的光电转换器件2。比如，当γ辐射剂量率水平为环境级别或防护级别时，辐射剂量率小，信号较弱，光电转换器件2可选用光电倍增管；当γ辐射剂量率水平为治疗级别及以上时，辐射剂量率较大，信号较强，光电转换器件2可采用半导体异质结器件或光电管。
61.本发明装置实施例主要针对治疗级别的γ辐射剂量率水平进行详细的说明，且光电转换器件2选用半导体异质结器件，半导体异质结器件的尺寸为3
×
用半导体异质
×
50mm2。选用半导体异质结器件作为光电转换器件2有以下几个优点：1)半导体异质结器件可对300～600nm的可见光实现高效光电转换，即高量子效率；2)可在自给能模式下工作，无需外加偏压，即可实现光电信号的高效转换，同时有利于操作步骤简化、能耗降低和用电安全性；3)半导体异质结器件在自给能模式下工作，其电荷收集效率(cce)是在电压为20v～100v模式下工作的85％，实现了γ射线的高探测效率；4)可实现高信噪比，半导体异质结器件100v时，暗电流为10～5000na，0v时暗电流不高于3pa，采用零偏压测量γ剂量时可实现高信噪比；5)半导体异质结器件在自给能模式下工作，暗电流在pa级，与100v偏压相比，暗电流下降了20～400倍，可极大拓展γ剂量测量范围的下限，理论探测限低于10.2mgy/h，实现大动态响应范围，在10mgy/h～10kgy/h范围，测量装置信号电流与剂量率成线性响应，如图4所示，线性相关系数不低于0.9999，测量范围跨7个量级以上；6)半导体异质结器件对光不敏感，无需避光操作，提高了操作便利性。
62.测量单元3用于记录光电转换器件2的电信号，可选用台式电源、静电计或者幅度分析器。
63.为了降低电磁干扰，在其他实施例中还设置了屏蔽壳4，屏蔽壳4为铜材质，侧面有两处信号电缆通孔。如图3所示，铯铜碘单晶闪烁体1和光电转换器件2放置在屏蔽壳4内，屏蔽壳4侧壁上设置有用于光电转换器件2的信号电缆通过的通孔。
64.本发明装置的原理，如图2所示：采用新型钙钛矿铯铜碘单晶材料作闪烁体放置在γ辐射场中，γ射线照射铯铜碘单晶闪烁体1产生相互作用，发生光电效应/康普顿效应/电子对效应，产生次级高能电子，次级高能电子与铯铜碘闪烁体中的电子碰撞，产生导带电子，退激时导带电子和价带空穴发生辐射复合，发射荧光信号，光电转换器件2接收荧光信号并将光信号转换为电信号，测量单元3将光电转换器件2中电信号进行记录，通过以下公式，利用测量得到的电信号反推得到γ辐射剂量信息。
65.y＝a bx
66.x为剂量率，单位：gy/h；
67.y为电流，单位：na；
68.a和b分别为剂量响应线性函数的截距和斜率。
69.本发明γ辐射剂量测量装置，具有测量范围宽、跨7个量级、剂量响应呈线性，重复性好，不受温度、湿度、气压等环境因素影响等优点。
70.本发明还提供了一种利用上述装置测量γ辐射剂量的方法，包括以下步骤：
71.s1)获取测量装置的剂量响应线性函数的截距和斜率
72.s1.1)将测量装置安装好，使铯铜碘单晶闪烁体1位于已知剂量率的γ辐射场中，开启伽马放射源，使γ射线照射铯铜碘单晶闪烁体，通过测量单元记录得到电信号；
73.s1.2)达到设定时间后，关闭伽马放射源；
74.s1.3)通过以下公式，利用已知剂量率和对应电信号作剂量响应线性函数拟合，得到截距a和斜率b：
75.y＝a bx
76.x为剂量率，单位：gy/h；
77.y为电流，单位：na；
78.a和b分别为剂量响应线性函数的截距和斜率；
79.如图4所示，本实施例中截距a和斜率b分别是0.048和2.45，线性相关系数为0.9999。
80.s2)使铯铜碘单晶闪烁体1位于待测辐射剂量的γ辐射场中，开启伽马放射源，使γ射线照射铯铜碘单晶闪烁体，通过测量单元记录得到电信号；
81.s3)达到设定时间后，关闭伽马放射源；
82.s4)利用步骤s1.3)公式以及截距和斜率，通过步骤s2)电信号计算得到待测辐射剂量率。