CN101454689A - 用于确定一种或多种辐射特性的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定一种或多种辐射特性的设备和方法，采用了包括一个或多个检测器单元的传感器，所述一个或多个检测器单元能够计数撞击到所述传感器上的、在预定能量范围内或预定能量范围之上的所述辐射的光子数或带电粒子数。

Description

用于确定一种或多种辐射特性的方法和设备

技术领域

本发明涉及剂量学领域。更具体地，它涉及一种用于确定一种或多种辐射特性的方法和设备，所述特性包括剂量、能谱、最大能量和/或其它特性。该方法和设备可用在用于确定剂量的设备中，例如用在个人剂量计或周围环境剂量计中，用在用于确定放射设备的射束剂量的设备中，用在用于确定飞行器中的剂量的设备中，用在用于确定入射辐射能谱的设备中。

背景技术

无源剂量计诸如薄膜剂量计、热致发光剂量计(TLD)以及辐射放光(RPL)剂量计在个人剂量学中是众所周知的。尤其是薄膜剂量计被广泛地使用。无源剂量计在暴露到用于进行测量的辐射后需要进行某种处理。在测量光密度之前，TLD例如需要显影阶段。无源剂量计能够以足够的精度确定法律规定的能量范围内的剂量。薄膜剂量计的一种优势在于它们紧凑并且轻便。薄膜剂量计还提供了确定入射辐射的平均入射角的可能性，这允许改进测量值的精度。通过将吸收体放置到辐射感光膜上而获得有关入射辐射能量的信息。平均能量的总精度是有限的：在20-120keV的能量范围内，精度为大约30keV(参见P.Ambrosi，光子能量和剂量率的测量，辐射防护剂量学(2004)，Vol.112，No4，pp.483-486[参考文献1])。被测能量的不确定性随着入射辐射能量的增加而增加。

与无源剂量计相反，有源个人剂量计能够实时确定剂量，并因此它们为用户提供有关剂量率数值的信息。有源个人剂量计使用了半导体检测器、闪烁检测器、盖革-米勒(Geiger-Mueller)计数器或电离室。带电离室的剂量计由在撞击辐射作用下放电的充电电容器组成。放电量被显示。在有源个人剂量计中使用的半导体检测器由硅、CdZnTe或HgGe制成。有源个人剂量计未提供有关入射辐射能量的信息。有的剂量计使用入射谱信息。有的剂量计，例如热电子公司的EPD Mk2剂量计，其具有一个或多个能量通道以增加剂量值的精确度。EPD Mk2具有一个用于软γ射线(20-60 keV)的能量通道和一个用于硬γ射线(50keV-5MeV)的通道。在参考文献[1]中解释了剂量值是从两个通道的组合中计算出来的。参考文献[1]指出市场上没有显示能量信息的有源个人剂量计。可从市场上买到的有源个人剂量计的入射辐射能量的能量范围位于10keV和10MeV之间。剂量值的相对误差在10-30％之间变化，参见参考文献[2]的第147页。可以找到一些可从市场上购买的有源个人剂量计的列表(T.Bolognese-Milsztajn等，用于单独监测的有源个人剂量计及其它的新进展，辐射防护剂量学(2004)，Vol.112，No.1，pp.141-168[参考文献2])。用于确定Hp的范围在15nSv-16Sv之间，参见[参考文献2]。一些公知的有源个人剂量计为：热电子EPD1，热电子Mk2，Dosiman，Dositec L36，MGP DMC 2000。所有这些剂量计都以积分模式工作，即它们在一个辐射周期中通过对大量撞击粒子释放在感光材料中的电荷求积分而获得剂量值。它们不单独分析由每一撞击粒子分别产生的信号，并且不依赖于入射辐射的能谱。

现有技术的讨论

WO02/063339公开了一种具有由半导体像素检测器阵列形成的X射线检测器的医学成像装置和设备。每个单独的检测器具有相连的电路和计数器。当X射线入射到检测器像素上时，在半导体中形成许多电子-空穴对。电荷转移到读取电路。在用X射线束照射物体时，通过同时读取与阵列像素相应的读数，人们获得了所述物体的图像。然而，未给出有关利用所述检测器和计数器电路进行剂量确定的信息。

德国专利申请DE 10 2005 026 757公开了用于谱学上的光子剂量确定的方法，其在本发明的优先权日之后被公布。该方法需要一个多通道分析仪，并因此不能在简单便携的设备中执行。

DE 197 30 242公开了另一种用于确定光子谱的方法。当使用多通道分析仪时，同样具有多通道分析仪的上述缺陷。当使用多个窗口鉴别器时，同一信号被这些鉴别器处理。由于产生电噪音，因此必须复制产生低能光子的输入信号。

WO 2005/008286公开了检测器阵列和计数器电路在剂量确定中的使用。然而，该文献没有描述如何来校准设备。通过长时间的积分来确定剂量率和剂量，并因此具有上面引用的积分型剂量计的缺陷。

本发明的一个目的是提供一种用于确定一种或多种辐射特性的方法和设备，具有高精度、高灵敏度和大的测量范围，涉及宽能量范围内的粒子通量密度，尤其是在辐射诊断范围内，在那里执行实时测量。本发明的又一目的是提供一种用于确定入射辐射的能量信息例如能谱或谱中的最高能量的方法和设备，从而可以以非常高的粒子通量密度执行测量。所述设备可以用在医学辐射设备例如X射线管的品质保证上，或者用在用于确定管电压峰值(测量kVp)的设备中。

发明内容

根据第一方面，本发明涉及一种用于确定一种或多种辐射特性的方法，利用了包括一个或多个检测器单元的传感器，所述一个或多个检测器单元能够计数撞击到所述传感器上的、在预定能量范围内或预定能量范围之上的所述辐射的光子数或带电粒子数，包括以下步骤：

执行校准操作，其包括以下步骤：

(i)产生辐射束k，所述辐射束产生已知的剂量D^k，所述辐射束为物理产生的或用模型模拟的；

(ii)确定包含在能量沉积范围[E_i，E｀_i]内的所述辐射束的计数N^k _i，所述确定通过实际测量或通过基于所述模型进行计算而获得；

(iii)对于一组不同的能量沉积范围[E_i，E｀_i]，从i＝1到i＝imax重复步骤(ii)；

(iv)对于一定范围的不同辐射束k，重复步骤(i)、(ii)和(iii)；

(v)通过解联立方程组确定因子L_i，对于所有的k，

D^k＝∑_i＝₁ ^i＝imaxL_i·N^k _i

将传感器置于待测辐射中，并通过测量能量沉积范围[E_i，E｀_i]内的计数N_i来确定沉积谱；

根据以下方程式来确定剂量：

D＝∑_i＝1 ^i＝imax L_i·N_i。

根据第二方面，本发明涉及一种用于确定一种或多种辐射特性的方法，利用了包括一个或多个检测器单元的传感器，所述一个或多个检测器单元能够计数撞击到所述传感器上的、在预定能量范围内或预定能量范围之上的所述辐射的光子数或带电粒子数，包括以下步骤：

执行校准操作，包括以下步骤：

(i)产生能量为E_k ^mono的单能辐射束，所述辐射束为物理产生的或用模型模拟的；

(ii)确定包含在一组能量沉积范围[E_i，E｀_i]内的所述辐射束的计数M_ik，所述确定通过实际测量或通过基于所述模型进行计算而获得；

(iii)通过将它们除以撞击粒子总数而归一化所述计数M_ik；

(iv)对于一定范围的不同单能辐射束E_k ^mono，从k＝1到k＝kmax重复步骤(i)、(ii)和(iii)；

将传感器置于待测辐射中，并通过测量能量沉积范围[E_i，E_i｀]内的计数N_i来确定沉积谱；

通过解联立方程组确定能谱N_k，对于所有的i，

N_i＝∑_k＝1 ^k＝kmax M_ik·N_k

其中，M_ik为在步骤(iii)中获得的归一化的计数。

在优选的实施例中，辐射特性是剂量值，并且该方法还包括以下步骤：

对于每个能量E_k ^mono，利用预定的转换系数C_k给出由单位流量产生的待测剂量，对于空气中的剂量，所述系数C_k为用于每单位流量的空气柯玛的ICRU系数K_k，或者用于深度为0.07mm的剂量的Hp(0.07)系数，或者用于深度为10mm的剂量的Hp(10)系数；

根据以下方程式来确定各剂量D，其中，A为所述传感器的表面积，

D＝∑_k＝1 ^k＝kmax C_k·N_k/A。

在以上根据本发明第一和第二方面的方法中，解联立方程组是通过估计法、最大似然法或者叠代法进行的。

根据第三方面，本发明涉及一种用于确定一种或多种辐射特性的方法，利用了包括一个检测器单元的传感器，所述检测器单元能够计数撞击到所述传感器上的、在一个或多个确定能量阈值之间或之上的所述辐射的光子数或带电粒子数，并适合于及时修改所述能量阈值，包括以下步骤：

(a)将所述检测器的一个或多个阈值设为选定值；

(b)在一段时间内计数所检测到的能量高于所述阈值的信号数；

(c)修改所述阈值；

(d)重复步骤(b)和(c)直到覆盖一个能量范围并获得谱。

根据第四方面，本发明涉及一种用于测量一个或多个辐射特性的设备，包括一个或多个检测器单元，每个检测器单元包括：

传感器，响应于撞击到所述传感器上的所述辐射的光子或带电粒子而产生电脉冲；

一个或多个鉴别器，每一个鉴别器都具有阈值并具有用于将所述电脉冲数值与所述阈值进行对比的装置，并响应于超过所述阈值的所述数值而产生信号；

计数器，与每一个所述鉴别器相连，用于计数所述信号数；

所述设备包括计算单元(3)，适合于从计数器的数据中计算所述辐射的所述特性，以及控制单元(2)，适合于及时修改所述阈值和/或用于每个检测器单元。

所述用于对比所述电脉冲数值的装置可以为用于将所述脉冲高度与所述阈值进行对比的装置。

所述用于对比所述电脉冲数值的装置还可以包括用于积分所述电脉冲的装置以及用于将积分值与所述阈值进行对比的装置。

所述辐射特性可以包括所述辐射的能谱、最大辐射能量或剂量。

可以在检测器单元上放置吸收材料层。

优选地，在一个或多个检测器单元上放置多层吸收材料，每层吸收材料都具有不同的厚度和/或包括不同的材料。

通过下文给出的非限定性的详细描述，本发明的其它特征、细节和优势将会变得显而易见。

附图说明

图1为本发明设备的示意性结构图。

图2为用在图1的设备中的检测器单元阵列和传感器层的透视图。

图3为用在本发明中的检测器的照片，根据图1的结构图制作并利用了图2的检测器单元阵列和传感器。

图4为可用于本发明的检测器单元的结构图。

图5为在检测器单元阵列中设置8个能量沉积阈值的实施例。

图6为在检测器单元阵列中设置能量沉积阈值的另一实施例。

图7为由Medipix2芯片和700微米厚的硅传感器层组成的检测器装置在40keV能量的光子辐射下的响应函数。

图8显示了高出采用扫描方法利用Medipix2芯片-传感器设备测量的一系列能量沉积阈值的计数，这在来自带钨阳极的X射线管的光子在40kV电压的辐射下进行。

图9显示了从利用扫描方法测量中得到的沉积谱，在来自带钨阳极的X射线管的光子在40kV电压的辐射下进行。

图10显示了模拟的入射和重构能谱，入射X射线谱来自于具有80kV电压和钨阳极的管。

图11显示了校准所有检测器单元的计数和，采用了具体的实例以及参考剂量计在带钨阳极的X射线源在不同管电压的辐射下进行测量。

图12显示了不同吸收体在计数检测器单元装置上的位置。

图13为参考剂量计的测量值，其与Medipix2芯片-传感器组合的所有检测器单元的计数之和相关，在来自钨管的X射线在40kV管电压的辐射下进行。

具体实施方式

下面，我们来区分称为能量沉积谱或简称为沉积谱的沉积能谱和称为能谱的入射粒子能谱。

图1

本发明的设备包括至少一个检测器单元以及其它的组件。如在下面将要看到的，使用多个所述的检测器单元提供了许多优势。有可能使用通过所有检测器单元的传感器。这就是实施例的情况。

检测器单元包括下面的组件(部分可选的)：

·吸收体(可选的)；

·传感器；

·收集装置(可选的)；

·转换器；

·放大器(可选的)；

·鉴别器和(可选的)积分器；

·计数器。

设备的组件包括：

·计算单元2；

·传输单元3(可选的)；

·存储单元4(可选的)；

·控制单元5；

·供电单元6；

·显示器7(可选的)；

·外壳8；

传输单元3、存储单元4或显示器7中的至少一个是必需的。

图1显示了根据本发明的设备。检测器单元的阵列1被设置成用于接收辐射。入射的主方向垂直于制图平面。现在详细描述组件：

吸收体

使用吸收体9是可选的。吸收体(未显示在图1中)位于阵列1或其部分上。为确保检测器单元如电极操作所需的材料不被视为吸收体。外壳也不被视为吸收体。吸收体可位于传感器的前面(在辐射入射的主方向观看)。使用不同的材料和厚度是可能的。粒子的吸收取决于它们的能量、吸收体的材料和粒子类型。因此，能谱以材料、厚度和粒子类型相关的方式被修正。位于不同吸收体后面的检测器单元的信号可以被用于确定不同粒子类型的剂量贡献，或者获得有关入射谱的能量信息。通过分析在吸收体下的阴影区域的检测器单元的信号，吸收体可以被用于确定平均入射角。如果测量的谱或确定的剂量值可以利用该平均入射角，则进行修正。为此，有必要将几个检测器单元放置到吸收体边缘的下方。吸收体可以以在几个方向都围绕着传感器或检测器单元的方式来放置。

传感器

传感器层10为材料体积(material volume)，其中，入射光子或带电粒子例如电子、正电子或α粒子以电子/空穴对或激发能的形式沉积能量。传感器的材料可以为半导体(例如硅、GaAs或Cd(Zn)Te)或闪烁体。如果使用了半导体，入射粒子在传感器中产生被施加电场分开的电子/空穴对。该电场由施加到半导体的电极上的电压产生。如果使用了闪烁体，原子的激发能被转换为闪烁光。

收集单元

如果使用了闪烁传感器，有可能利用光导或波长移动器来收集并传输闪烁光到转换器。

转换器

当使用半导体传感器时，该转换器为位于半导体传感器内或上的电极。转换器将在施加的电场中漂移到电极的电子或空穴转换为电脉冲。该脉冲或电荷在其持续期间流动的强度取决于传感器中的能量沉积。当使用闪烁传感器时，有必要将闪烁光转换为电脉冲。这可以例如通过光电二极管或光子-雪崩二极管或其它工具将光转换为电脉冲而实现。

放大器

转换器的电脉冲信号可以被电路放大。

积分器和鉴别器

如果在脉冲期间电荷在转换器中流动是粒子沉积能量的一种好量度，放大器或转换器的信号被电路积分并且最少与鉴别器的一个可调阈值进行比较。如果转换器中的脉冲高度为粒子沉积能量的一种更好量度，放大器或转换器的信号不被积分，并且脉冲高度最少与鉴别器的一个可调阈值进行对比。如果超过阈值的话，在鉴别器的输出端出现脉冲。如果应当使用几个阈值的话，它可以具有在转换器、放大器或积分器的输出端产生信号复本的优势，以便将一个粒子产生的信号与不同的阈值几乎同时进行对比。鉴别器以允许递增计数器或者转换计数器状态的方式连接到计数器，以便之后可以确定登记的粒子数。下面，为了简便，我们假定对于每个登记事件，每个计数器增加1。因此，每个计数器都计数这样的事件数，所述事件具有的能量沉积范围通过鉴别器阈值来定义，或者大于鉴别器阈值。i^th阈值的水平E_i相应于传感器中的某种数量的能量沉积。该阈值E_i与脉冲高度或脉冲积分的相关性可以通过模拟确定，或者在具有已知粒子能量的辐射入射下进行测量。如果每个检测器单元仅使用一个阈值，有可能每个检测器单元仅采用一个计数器工作。该计数器计数在传感器中的能量沉积大于E₁的所有事件。我们用N₁标记这些事件数。如果在检测器单元的鉴别器中使用两个阈值E₁<E₂，两个计数器可以这样与鉴别器相连，即，一个计数器计数能量沉积大于E₁的所有事件N₁，并且另一个计数器计数能量沉积大于E₂的所有事件N₂。能量沉积范围[E₁；E₂]内的事件数是N₁和N₂之间的差：N₁，₂＝N₁-N₂。

如果使用三个阈值E₁<E₂<E₃并且有三个计数器，如果沉积的能量高于相应的阈值则进行计数，以便在一特定的测量时间后，计数器显示数值N₁，N₂，N₃，能量沉积范围[E₁；E₂]内的事件数N_1，2被计算为N₁-N₂。能量沉积范围[E₂；E₃]内的事件数N_2，3被计算为N₂-N₃，并且能量沉积大于E₃的事件数被计算为N_3，4：＝N₃。如果每个检测器单元使用三个以上的阈值，该序列的随后组分N_i，i+1以类似的方式计算。

该操作原理在下面被称为超越法，其中，如果超过相应的阈值则增加计数，与是否超过鉴别器的其它阈值无关。如果仅使用一个阈值，该方法也将被称为超越法。

如果检测器单元具有两个鉴别器，阈值E₁<E₂，在某测量时间后显示数值N_1，2的计数器可以以这样的方式与鉴别器相连，其中，能量沉积不得不超过E₁但必须不超过E₂，以便增加计数值N_1，2。在这种情况下，计数值N_1，2为能量沉积范围[E₁；E₂]中的事件数。该操作原理在下面将被称为窗口方法，其中，如果超过相应的阈值且未超过某一更高的阈值则增加计数。

有可能实现将超越法和窗口方法组合起来的电路。用于所有可用电路的特性是有可能在某测量时间后得到能量沉积范围[E_i；E_i+1]内的事件数，这是通过将计数值相减N_i，i+1：＝N_i-N_i+1或者直接使用窗口方法N_i，_i+1中的计数值。优选地，选择阈值或窗口以便能量范围重叠最小。如果仅有一个鉴别器阈值是可用的，通过在某时间用恒定的阈值E_i测量，并且随后用改变了的阈值Ei+1进行新的测量，可以获得系列N_i，i+1。为了简便，我们假定E_i+1>E_i。

为了获得必要的系列N_i，i+1，不得不从在随后的更高阈值处取得的计数值中减去在一个阈值处取得的计数值。该操作方法在下面将被标记为扫描方法，其中，通过在不同阈值处进行随后的测量而获得系列N_i，i+1。扫描方法可以和超越法或窗口方法结合。通过使用多通道分析器确定系列N_i，i+1在原理上是可能的。使用所述多通道分析器电子装置的缺点是，用于确定属于事件的能量沉积范围的时间太长，使得粒子通量密度的最大值强烈地受到限制，引起***的动态范围减小。

计算单元

检测器单元的计数器连接到计算单元，其优选作为集成电路而实现。计算单元允许对从计数器传输的计数值执行数学运算。计算单元使用了下面描述的一种措施计算剂量值，或者从一个或几个检测器单元的计数值中获得能量信息。使用的措施例如取决于鉴别器和计数器的操作原理以及所需的精度。为了确定剂量率数值或粒子通量，在计算中有必要包括有关测量时间的信息。整个***因此含有产生或计数时间信号的电路。也有可能在***中包括计算部分时间的电路，其中，计数器能够登记事件。计算单元可以在计算剂量值或剂量率数值期间执行所谓死时间的修正。优选地，***用时间量作为用于计算剂量率数值的基础，其中，检测器单元能够登记事件。

传输单元

传输单元3为一种电路，其将鉴别器的脉冲、计数值或者计算单元计算的数值传输到存储单元4、显示器7或不属于***但用于后处理、分析、保存或显示的设备。这可以通过电线或通过无线通讯而实现。

存储单元

存储单元4可以用电、光或磁的方式来储存鉴别器的信号、计数值、计算单元的计算值或者时间信息。

显示器

计算单元计算的数值或者有关***状态的信息可以显示在显示器7中。如果***可以使用或者如果出现错误的话可以通知用户。显示器可以显示能量信息或者剂量值以通知用户。显示器7的可能实施方式为常用的液晶监测器或液晶显示器。

控制单元

控制单元为向检测器单元、计算单元、传输单元、存储单元、显示器7和供电单元6提供电信号的电路，用于其调节或控制或同步，并且最终含有用于时间测量的电路。

供电单元

供电单元6可以用电池、电流变压器或连到外部电源的电线而实现。电源6确保为所有的电路和检测器单元供应电量。

外壳

外壳8容纳设备的所有部件。其一个目的是保护设备不受环境的干扰，并且保护用户。最后，外壳具有一些窗口，其允许粒子通过而到达传感器。

确定能谱或剂量值的目的可以利用不同的组合得以实现，特征在于例如吸收体的数量和类型、检测器单元的数量和类型、检测器单元中区分和计数的方法、传感器的类型和尺寸以及用于分析检测器单元数据所使用措施的类型。在本发明中描述的用于确定能谱并最终利用能谱计算剂量值的所有装置不得不在第一步测量沉积谱，利用不同的或变化的鉴别器阈值来取样。不使用先前确定的能谱来确定剂量值也是可能的。有可能从计数值中猜测剂量值。下面描述这些测量。

入射辐射的最大粒子能量可以很容易获得，作为最高能量范围[E_j；E_j+1]内的范围限制的平均值，最高能量范围[E_j；E_j+1]已经登记了完全不同于零的事件数N_i，j+1。能量沉积和检测效率通常取决于粒子的入射角。为了确定因子或相关曲线而执行的模拟或测量，其实际上是在下面描述的分析测量中，应当在不同的入射角下执行，或者具有类似于辐射角分布的角分布，其特性应当采用设备进行测量。

下面描述了检测器单元装置的一些实施方式。也详细描述了用于确定能谱或剂量值的措施。首先描述了几个计数检测器单元的装置。

图2

作为检测器单元阵列1，如图2所示，我们使用了Medipix2芯片和700μm厚的硅传感器层。Medipix2芯片和传感器层的有源区为边长大约14mm的正方形。Medipix2芯片包括256×256个电子单元的阵列，每个单元包括鉴别器和计数器电子元件。传感器层设置在具有256×256个电极的底边上，其通过隆焊点与Medipix2芯片的相应单元接触。两个隆焊点之间的距离是55μm。导电层覆盖传感器层10上面的整个区域并形成上电极。为获得通过传感器层10的电场，大约50V的电压被施加在传感器层的上下电极之间。该电压由供电单元6施加。单个Medipix2单元与传感器层10的组合刚好直接位于其上，由隆焊点连接起来形成检测器单元。如果辐射指向传感器层10，所述辐射的单光子或单电子可能在传感器层中沉积能量。结果该单光子或电子产生了大量电子-空穴对并被施加的电场彼此分离。电子和空穴的数量取决于撞击光子或电子的能量。电子或空穴移向传感器层下面的电极。电流流入Medipix2芯片电子单元的输入电极。电流脉冲被积分并且与可调阈值V_thr，低进行对比。如果积分的电流脉冲超过阈值，则增加检测器单元电子元件的计数。计数器在两个读数循环之间最多能计数8000个事件。Medipix2芯片的电子单元具有额外施加一个上阈值V_thr，高的可能性。如果满足V_thr，低<V_thr，高的条件，计数器计数能量沉积位于相应的阈值V_thr，低和V_thr，高之间的事件数。这意味着在这种情况下，检测器单元在窗口方法中操作。能量精度为大约1keV。检测器单元由Medipix2电子元件的256×256单元之一、隆焊球和位于连接到隆焊球和传感器层上面的电极之间的传感器组成。在该实施例中，计数检测器单元装置由256×256个检测器单元组成。

图3

图3为Medipix2-传感器组合的照片，并且显示出整个装置具有非常紧凑的设计。所述组合能够设计非常紧凑的剂量计。

利用几个检测器单元的方法和设备

每个检测器单元设有至少一个鉴别器以及至少一个计数器。例如，有可能将检测器单元设置成如行和列组成的矩阵。计数器可以串行或并行读取。计数值可以在计算单元中被处理。控制单元中的电路确保了计数器能够以定义的时间方式计数，或者在良好限定的时间内限制计数。

使用几个检测器单元的一个优势是，采用小有效面积的单个检测器单元，可以处理非常高的粒子通量密度。这导致涉及到粒子通量密度并因此涉及剂量值的测量范围具有高上限。在整个装置的给定有效面积内使用几个检测器单元，减少了由于在检测器单元中产生的脉冲暂时重叠而引起的计数损失，这是因为一个检测器单元的个别速率小于入射粒子的整个速率。例如，通过使用多个检测器单元，并且通过检测器单元的特性来计数能量沉积在由鉴别器阈值限定的范围内的粒子，在医疗设备的直接射束中测量能谱并且不减少用于测量的粒子通量的可能性是公开的。将来，在医学诊断中，像素化的计数半导体检测器将被用作成像检测器。将来，将有可能直接利用成像检测器确定施加的剂量值。我们发明的措施可应用于采用这些成像检测器本身的信号进行剂量计算。今天，这些成像检测器仅达到几平方厘米的有效面积。因此，合理地设计具有像素化的检测器的专用设备，用于短期或中期确定能量信息或剂量值，以改进剂量估计的精度和灵敏度，或者便于测量能量信息。

传感器的材料也可以是闪烁体，在相关的能量范围内具有高检测效率。检测器单元的传感器应当被光学分离，并且耦合到光敏半导体电子元件上，象上述转换器那样工作。鉴别器和计数器-逻辑器可以作为集成电路来实现。关于可达到的精度、紧密度、测量范围以及灵敏度，使用像素化的计数半导体检测器具有一些优势。具有与所需的显影时间相应的优势，这是因为已经存在这样一个可利用的检测器，其可以被用在用于确定能量信息或剂量值的设备中。该检测器包括与硅、GaAs或Cd(Zn)Te的传感器层组合的Medipix2芯片。如果对低能光子使用厚传感器层或者具有核的高有效电荷的半导体材料，则光子的效率很高。由于尺寸小，所述检测器可以很容易用在个人剂量计中。像素化的计数半导体检测器经受着被称为电荷共享的影响，特别是在小检测器单元尺寸时。小检测器单元尺寸为用于粒子通量密度测量的高上阈值的基础。在电荷共享的影响下，入射粒子释放在传感器层中的电子/空穴分布有时被一个以上的检测器单元登记。该影响的主要来源是由于扩散而加宽了在所有方向的漂移分布。该加宽有时导致信号高出一个以上像素的转换器中的阈值。因此，一个粒子有时在一个以上的检测器单元中被计数。而且，能量沉积有时分布在几个检测器单元上。因此，在一个检测器单元中的能量沉积值不反映沉积的总能量。在使用闪烁体材料作为传感器的情况下，相邻检测器单元之间的光学串扰引起类似的问题。

因此，用于确定能量信息或剂量值的方法应当修正电荷共享或光学串扰的效果，以增加精确度。我们发明了一种方法，其修正这些效果的影响。该方法的基本思想是将测量的沉积谱当作由几个单能辐射入射引起的沉积谱的线性组合。我们将测量的离散形式的沉积谱标记为N_i，i+1。N_i，i+1为在能量沉积范围[E_i；E_i+1]内计数的事件数，其中，E_i<E_i+1。

能量E_j ^mono的单能辐射的沉积谱将被标记为M_ij。M_ij为i的一个系列。能量沉积谱M_ij通过除以用在模拟或单能辐射下的测量中的粒子数而被归一化。指数i描述了沉积谱中的位置。指数j为主能量E_j ^mono的指数。M_ij为能量为E_j ^mono的入射粒子引起在沉积范围[E_i；E_i+1]中的计数事件的概率。如果存在能量沉积范围i_max，则最少应当是相同数目的被测量或模拟的不同沉积谱，然而，对于每个范围，优选该范围内最少存在一个主能量E_j ^mono。存在被测量或模拟的j_max沉积谱。如果i_max＝j_max，对于所有的i，主能量E_i ^mono可以被选为(E_i+1+E_i)/2。E_i ^mono也可以被选为入射辐射范围[E_i；E_i+1]内的预期能量分布的平均权重值，检测效率在该范围内。其特性将采用设备来确定的测量沉积谱N_i，i+1可以写成：

$N_{i,i+1}=\underset{j=1}{\overset{j_{\max }}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}_{\mathrm{ij}}\&CenterDot;{\stackrel{\&OverBar;}{N}}_j.$

级数N_j为入射粒子能量的预期谱的近似。这意味着N_j为用接近E_j ^mono的能量撞击到传感器上的粒子数。级数N_j为离散形式的入射辐射的预期能谱。通过确定M_ij，检测效率已经包含在M_ij中，并因此对于最后的不完全检测效率，N_j已经被修正。作为i中的级数的N_i，i+1和作为j中的级数的N_j，可以被看做矢量N的组分，并且

和M_ij分别被看作矩阵M的组分，它可以写为： $\stackrel{\&OverBar;}{N}=\stackrel{\&OverBar;}{M}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&OverBar;}{N}}.$

矢量为离散形式的入射辐射的预期能谱，并可以通过矩阵求逆或通过估计法如最大似然法来计算。因此，入射辐射的能谱被测量。采用该重构算法，修正了类似于电荷共享或光学串扰对重构能谱的作用影响。本发明确定入射辐射能谱的任务因此被解决了，并且以足够的精确度来估计能谱。

重构入射能谱的另一方法是首先将沉积谱中的最高能级(bin)j中的计数与相应能量E_j ^mono的归一化响应函数相乘。能级j中的能量响应函数为预期能谱贡献了能级j中的计数。随后从能级i中的计数减去能级i中的E_j ^mono的相乘响应函数的数值。对于所有的i<j，执行这个减法。因此，在减法后，消除来自更高能级的能量粒子在能级(j-1)中的计数。对能级(j-1)能量的响应函数随后贡献了在该能级(j-1)中相减的结果。对能级(j-1)能量的响应函数随后与该相减的结果相乘。在所有的能级i<(j-1)中，从已经修正的计数中减去该相乘的响应函数值，导致对能量E_j-2 ^mono的贡献。接连地反复执行该过程。在该过程的每个步骤中，能级中剩余的计数减少。最后，确定所有响应函数的贡献和这样的能谱。

如果因子K_i早期通过测量或模拟而被确定的话，沉积在物质例如空气或组织中的剂量D可以从确定的入射粒子能谱N_j中计算。因子可以利用能量E_j ^mono在模拟或测量中确定。剂量为能量范围在谱中的剂量贡献之和：

$D=\underset{i=1}{\overset{i_{\max }}{\mathrm{\&Sigma;}}}{K}_i\&CenterDot;{\stackrel{\&OverBar;}{N}}_i$

剂量率数值可以通过除以测量时间而确定，也可以由设备确定。以足够的精确度确定剂量值的任务因此被解决了。

也有可能不采用先前确定的沉积谱直接确定剂量值。在该方法中，在沉积谱N_i，i+1的每个能级中的计数乘以因子L_i。因子L_i在测量前通过模拟或测量而确定，利用了对预期能谱形式的估计。优选地，测量或模拟的谱形式类似于或等于预期的能谱形式。剂量被确定为：

$D=\underset{i=1}{\overset{i_{\max }}{\mathrm{\&Sigma;}}}{L}_i\&CenterDot;N_{i,i+1}.$

该方法为估计剂量值，并且不象上述方法一样准确。沉积谱中的信息，例如最大粒子能量，可以被用于确定比L_i更加准确的某些因子L_m。剂量将会是：

$D=\underset{m=1}{\overset{m_{\max }}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\stackrel{\&OverBar;}{L}}_m\&CenterDot;N_{m,m+1}.$

有可能增加剂量值或能量信息的确定精确度。为此，首先以较大的范围取样能谱。接着，计算鉴别器的阈值，并且随后以更详细的方式来取样能谱的方式应用，能量范围位于相应的能量区域内。这样，有可能为未知谱获得更高的精确度。

有可能使用不在传感器和辐射源之间放置吸收体的装置。为了扩大能量测量范围，为了扩大有关粒子通量密度的动态范围，为了确定来自不同类型的粒子的能谱或剂量贡献，或者为了测量平均入射角，有可能将一个或几个吸收体放置在传感器之间，并且入射辐射位于装置的几个位置上。下面，我们解释利用不同的鉴别器阈值调节策略的一些方法以及采用吸收体以及未采用吸收体时使用的单独计数分析的方法。

不利用吸收体的方法和设备

在简单的实施形式中，每个检测器单元具有带可调阈值的鉴别器以及用于计数脉冲的计数器(如果它们超过阈值的话)。

在可想象的装置中存在两种用于鉴别器阈值的调节策略。首先，所有的检测器单元可以利用相同高度的鉴别器阈值工作。第二，可以形成检测器单元组，其中，一组内的检测器单元具有相同的鉴别器阈值，但不同组具有不同的阈值。

对于装置中的所有检测器单元具有统一的阈值

阈值首先被设定成尽可能低。在入射辐射的能谱中可以发现该数值的方向。为获得沉积谱，采用所有的检测器单元对超过阈值的事件计数某一时间。在该时间后，读取所有的计数，并且在计算单元中将所有的计数值相加。因此，人们可获得N₁。对于所有的检测器单元，鉴别器阈值随后被增加。对于新的测量时间，所有的检测器单元计数超过新阈值的事件。读取所有的计数并将计数值相加给出N₂。阈值逐步被增加ΔE，直到最高的合理数值，这取决于入射辐射。在每个步骤后，计数器确定超过阈值的事件数，并随后读取以及将计数相加。如果所有的检测器单元在某鉴别器阈值E_i+1处的数值之和N_i+1从位于先前的更低阈值E_i处的数值之和N_i中减去，人们获得能量沉积范围[E_i；E_i+1]内的事件数。采用该使用扫描方法的方法，人们可以利用上述措施来重构入射粒子能谱，或者确定剂量值。如果检测器单元有能力在能量沉积窗口中计数事件，则可以应用类似的方法。在该方法中，窗口在能谱中改变，例如范围宽度被固定，但改变范围下边界，如同为改变一个阈值所描述的。

谱中的最大能量，其例如在X射线装置中相应于最大管电压，可以很容易从测量的沉积谱中提取出来。最大能量用最高范围的范围边界E_i，E_i+1的平均值来估计，其显示了大大不同于零的多个计数N_i，i+1。

利用不同组的检测器单元，在每组中具有统一的阈值但组之间具有不同的阈值

利用该阈值调节策略，人们在每组检测器单元中设定统一的阈值，并且在不同的组中设置不同的阈值。阈值不随时间而改变。可以由检测器单元的连续面积形成一组。所述组的选取(位置、面积和阈值)取决于检测器单元的类型、粒子的类型和能量、整个装置的几何布置以及计数器的读取原理。图5显示了在检测器单元阵列中有8个能量沉积阈值的装置的实施例，其中，鉴别器以超越法工作。图6显示了在检测器单元阵列中的能量沉积阈值装置的另一实施例，其中，鉴别器以窗口方法工作。尽管能量范围被表示为连续的(即范围的上阈值等于下一能量范围的下阈值)，但这不是一个必要条件。能量范围不需要具有相同的宽度，并且可以为了优化测量而进行选择。

利用该策略有可能同时测量所有沉积范围中的事件数。在读取计数后，对于所有的区域，将在组内计数的事件单独相加。如果在组内应用了阈值E_i，在超越法中相加的结果是N_i，给出了能量沉积大于E_i的事件数。具有阈值E_i+1的组给出了数目N_i+1。假定当E₁<E₂<E_i+1时，不存在具有阈值为E₂的范围。能量沉积范围[E_i；E_i+1]内的事件数为：N_i，i+1＝N_i-N_i+1。通过在计数检测器单元装置上的这种阈值分布，在其所有的能级中同时测量沉积谱。利用上述方法，可以重构入射辐射能谱并且可以计算剂量值。如果检测器单元具有鉴别器单元，其能够计数能量沉积范围内的事件，则可应用相似的方法。在由一组检测器组成的组中，选择特定的能量沉积窗口，并且不同的区域具有不同的窗口。谱中的最大能量，例如在X射线装置中其相应于最大管电压，可以很容易从测量的沉积谱中提取出来。最大能量通过具有最高范围边缘的组的范围边缘E_i，E_i+1的平均值来估计，其显示了大量计数N_i，i+1大大不同于零。

没有必要使每组包括相同数目的检测器单元。优选地，组的面积适合于鉴别器的工作原理(超越法或窗口方法)。为了以最佳方式利用整个装置的面积，如统计误差最小，较好地是在不同的组中使用不同数目的检测器单元。这考虑到检测效率正常地随着入射粒子能量而改变，并且确保最大计数值不在计数器的两次读数之间。在选择组的面积时，应当考虑检测效率与能量和能量的预期谱分布之间的相关性。如果使用了半导体检测器单元装置，优选地，具有较高阈值的组比具有较低阈值的组包括更多的检测器单元。

利用吸收体的方法和设备

将吸收体放置到计数检测器单元装置上可以被用作单独的方法或与上述方法结合起来，而上述方法不需要吸收体。放置吸收体与上述利用阈值或窗口随空间或时间变化的方法结合提供了改进***精确度、扩展测量范围或者确定能谱或不同类型粒子的剂量值贡献的可能性。在特定的环境下，使用吸收体可以导致增加固定区域的统计误差和整个装置的测量时间。将吸收体放置在许多检测器单元装置上是简单可能的，这是因为装置可以被制造成薄片。谱的低能部分比谱的高能部分衰减更强烈。入射粒子在吸收体中损失了某种数量的能量，这取决于吸收体的材料、吸收体的厚度、粒子类型、能量和入射角。辐射场以特征方式被吸收体改变。利用如ROSI[4]软件包的程序可以测量或模拟吸收体对辐射的影响。例如，通过对具有足够厚度的吸收体材料的特定选择，有可能吸收具有低范围的粒子，例如α-或β-粒子。因此，位于该吸收体后面的检测器单元不登记这些粒子的剂量值贡献。因此，有可能单独确定某种粒子类型的剂量贡献。混合辐射场的剂量值通过将所有相关粒子类型的剂量贡献相加而确定。

在一种可能的实施形式中，由不同的材料和厚度组成的吸收体的几个薄层板被放置到多个计数检测器单元装置上，其中，位于每个吸收体后面的检测器单元组成了不同的组，每个组内具有统一的鉴别器阈值。因此，有可能在所有的能量能级中同时测量位于吸收体后的沉积谱。也有可能将几个具有不同材料和不同厚度的吸收体薄层板放置到多个计数检测器单元装置上，并且利用位于具有相同阈值的一个吸收体后的所有检测器单元的鉴别器。利用扫描方法同时改变一个吸收体或所有吸收体后面的阈值，可以确定每个吸收体后面的沉积谱。

吸收体后的能谱可以采用上述方法重构，利用了在每个能量沉积能级内的计数。认识到辐射能够穿过吸收体，有可能计算入射谱，这是因为有可能通过测量或模拟确定吸收体对已知谱的影响。在已知入射谱的条件下，那些模拟的或测量的谱可以和在吸收体后测量的重构谱对比，并因此可以确定入射谱。使用几个不同的吸收体改进了所述计算的质量。此外，为了估计剂量值而利用装置上的吸收体进行测量是可能的。位于每个吸收体后的所有检测器单元采用一个不随着时间而改变的阈值操作。计算单元将位于所有吸收体后面的所有检测器单元的计数值分别相加。对于吸收体k，来自吸收体k后面的所有检测器单元的登记事件数为N_k ^吸收体。为所有的k_max吸收体确定该数目。该数目正比于穿过吸收体的粒子通量密度，并因此对于固定形式的入射谱和固定的粒子类型以及固定的入射角，正比于入射辐射的曝光。撞击到整个装置上的辐射剂量值D可以利用某因子K_k来估计。这些因子在测量前通过利用入射谱的测量或模拟而被确定，该入射谱类似于其特性应当被测量的谱。

它是：

也有可能以类似的方式使用上述方法确定来自薄膜剂量计的剂量值、确定粒子类型、能谱和剂量值。为了将它们的原理转移到多个计数检测器的装置上，人们不得不将吸收体后的检测器单元中的被计数事件数目看作吸收体后面的薄膜的变黑。需要进行分析的被计数事件对粒子类型、粒子能量吸收体(类似于变黑)的相关性不得不通过模拟或在具有已知辐射的辐射下测量来确定。使用多个计数检测器单元装置避免了薄膜剂量计由于其变黑和模糊饱和而引起的问题。也有可能通过将吸收体放置到装置上利用多个计数检测器单元装置来确定平均入射角。为了确定该角度，不得不检查吸收体边缘下的检测器单元中的事件。吸收体优选圆柱形。由于背离垂直入射而修正剂量值可以利用检测效率或能量沉积对入射角的已知相关性而进行。

采用单个计数检测器单元的方法和设备

如果在装置中仅使用一个检测器单元，不利用上面解释的吸收体进行测量也是可能的。为了确定沉积谱，检测器单元不得不利用改变的阈值或窗口及时操作(扫描方法)，或者同时利用几个不同的阈值或窗口操作，或者采用多通道分析器操作。用于确定入射辐射的能谱或剂量值的测量可以如上述那样应用。

具体实施例

作为一种具体的实施例，我们使用了Medipix2芯片和700μm厚的硅传感器层组合。Medipix2芯片和传感器层组合的有源区域为边长大约14mm的方形。Medipix2芯片包括256×256个具有鉴别器和计数器电子元件的电子单元。传感器层在通过隆焊点与Medipix2芯片连接的一面上具有256×256个电极(变压器)。两个隆焊点之间的距离是55μm。相对面上的电极作为连续电极而实现。为了获得电场，将大约250V的电压施加到传感器层的电极上。该电压通过供电单元6来施加。图2显示了像素化的检测器的示意图，如果将Medipix2芯片的电子单元和变压器电极上的传感器的组合视为一个单检测器单元的话，则像素化的检测器为多个计数检测器单元的装置。图3为Medipix2传感器组合的照片，并显示了整个装置具有非常紧凑的设计。所述组合能够设计非常紧凑的剂量计。

如果光子或电子在传感器中沉积能量，则产生许多电子和空穴，并且被施加的漂移场彼此分离。电子或空穴朝向传感器的通过隆焊点与Medipix2芯片接触的那个面上的电极漂移。电流流入Medipix2芯片像素-电子元件的输入电极。脉冲被积分并与可调阈值V_thr，低进行对比。如果脉冲超过阈值，则增加检测器单元的电子元件的计数。在两次读取循环之间，计数器最多能够计数8000个事件。Medipix2芯片的电子单元有可能额外施加上阈值V_thr，高。如果满足V_thr，低<V_thr，高的条件，计数器登记沉积能量在相应的阈值V_thr，低和V_thr，高之间的事件。这就意味着在这种情况下，检测器单元在窗口方法中操作。能量精确度为大约1keV。

检测器单元由Medipix2的256×256个单元之一、隆焊球和位于连接到隆焊球的电极和传感器层上面之间的传感器形成。在该实施例中，计数检测器单元装置由256×256个检测器单元组成。图1显示了用于在紧凑的设备中测量入射辐射的能量信息或剂量值的整个装置的原理。在例如由塑料制成的外壳8内设置并电连接有：例如作为Medipix2芯片和硅传感器层的组合而实现的计数检测器单元阵列1，计算单元2，传输单元3，存储单元4，控制单元5，供电单元6和显示器7。显示器7例如可以作为液晶监测器或液晶显示器实现，并且可以显示有关***状态、能量信息或剂量值的信息。

电压之间的关系，其作为Medipix2芯片的鉴别器处的阈值而被施加，并且相应的能量沉积可以很容易被确定，例如通过采用放射源进行校准。下面，供选地，阈值电压可以被视为能量沉积值。作为例子，装置的检测器单元被分为8组，从而，一组中的所有检测器单元采用相同的阈值调节值来操作。有可能选择较少的组数。我们举例性地解释用于8个组的调节测量。首先，我们描述用于调节Medipix2芯片的鉴别器阈值的策略，其中，所有的鉴别器以超越法工作。对于在芯片检测器单元上的任意几何分布的下阈值，Medipix2芯片允许最多调节8个不同的阈值。选择8组检测器单元。每组都被1和8之间的一个整数i明确地识别。不得不定义其中能量信息或剂量值应当被测量的能量范围[E₁；E₈]。该能量范围可以始于高于电子元件噪音的最小可能阈值。在该例子中，人们可以选择4keV作为最小阈值。上阈值可以为入射辐射谱中的最高能量。如果检测来自X射线管的辐射，该最大值对应于管电压乘以电子的电荷。

定义了最小下阈值的电压V_thr，低被设定为E₁。可以为Medipix2设定的电压V_THS被设定为(E₈-E₁)。对于组i的每个检测器单元，二进制编码的整数i被用于设置下阈值的3个阈值调节位的值(在图4称为“3位下阈值”)。鉴别器的电子元件因此采用下阈值E_i＝E₁+(i-1)·V_THS/7操作。在一组的所有检测器单元中设置相同的i值。在该例子中，具有阈值E₈的组计数能量沉积大于E₈的所有事件。因此，在该例子中有可能得到7个能量沉积范围，其具有确定的边缘。图5举例显示了下阈值在Medipix2芯片上的可能分布。各组不需要由相同数量的检测器形成。它们不一定为矩形。如果具有较高阈值的组比具有较低阈值的组具有更多检测器单元的话，这可能会导致有优势的，例如较低的统计误差。为了获得作为沉积范围[E_i；E_i+1]中的一系列计数的沉积谱，对于每个组，将一组中检测器单元的所有计数单独相加。对于所有的组都这样做。在组i中，相加的结果是N_i，并且在组i+1中，相加的结果是N_i+1。具有能量沉积范围[E_i；E_i+1]内的事件数量随后是N_i，i+1＝N_i-N_i+1。如果对于直到7的所有的i都这样做，则我们获得了能量沉积谱作为级数N_i，i+1。N₈为具有能量沉积高于E₈的事件数。

现在，我们描述Medipix2芯片的鉴别器阈值的一种不同调节策略，从而，所有的检测器单元在窗口方法中操作。Medipix2芯片支持在检测器单元装置上的任意几何分布中8个不同下阈值和上阈值同时操作。选择8组检测器单元。用1到8之间的一个整数i明确地识别每个组。不得不定义应当确定能量信息或剂量值的能量范围[E₁；E₉]。该能量范围可以始于高于电子元件噪音的最小可能阈值。在该例子中，人们可以选择4keV作为最小阈值。上阈值可以为入射辐射谱中的最高能量。如果检测来自X射线管的辐射，该最大值对应于管电压乘以电子的电荷。

定义最小下阈值的电压V_thr，低被设定为E1。可以为Medipix2设定的电压V_THS被设定到(E₈-E₁)。对于组i中的每个检测器单元，二进制编码的整数i被用于设定下阈值的3阈值调节位的数值(在图4中称为“3位下阈值”)。鉴别器的电子元件因此利用下阈值E_i＝E₁+(i-1)·V_THS/7操作。在一组的所有检测器单元中设定相同的i值。此外，定义最小上阈值的阈值V_thr，高被设定为V_thr，低+V_THS/7。对于组i中的每个检测器单元，二进制编码的整数i用于设定上阈值的3阈值调节位的数值(在图4中称为“3位高阈值”)。鉴别器的电子元件因此在窗口方法中操作，下阈值为E_i＝E₁+(i-1)·V_THS/7并且上阈值E_i+1＝E₁+i·V_THS/7。因此，我们具有8个在检测器单元装置上定义的能量范围。测量范围[E1；E9]被分为8个相互连接的非重叠范围。为了获得沉积谱，对于所有的组，将在每组的所有计数器中登记的事件数独立相加。在组i中，我们得到N_i，i+1作为能量沉积范围[E_i；E_i+1]内的事件数。因此，我们获得了能量沉积谱作为i中的级数N_i，i+1。图6举例显示了组的一种可能选择，用数字i、下阈值和上阈值来描述。各组不一定由相同数量的检测器组成。各组不一定为矩形。如果具有较高阈值的组比具有较低阈值的组有更多检测器单元形成的话，则这一点可能是有优势的，例如较低的统计误差。在该实施例中，也有可能使用扫描方法。在该方法中，为所有的检测器单元相同地设置阈值并且逐步增加。在两个步骤之间读取计数。对于所有的读取循环，单独将读取的所有计数值相加。图8举例显示了如果装置被来自钨管的X射线照射的话，相加的计数值和用于该读取循环的阈值之间的相关性。如果计算出对于一个阈值相加的计数值和对于下一个较高阈值相加的计数值之间的差别，则得到沉积谱。图9显示了从图8计算的沉积谱。

现在，描述用于确定剂量的方法实施例。该方法在上面以更概括的方式进行了描述。装置用来自钨管的X射线照射。对于所有的检测器单元，下阈值被设定为4keV。所有的检测器单元以超越法操作。用A代表检测器单元的数量。为了校准通过这样布置形成的剂量计，对于不同的管电压，测量了整个装置的相加的计数值N_总与作为参照的利用剂量计登记的剂量D_参照之间的相关性。二者都位于辐射源的主射束中。对于该校准，使用的管电压为40kV，60kV，80kV，100kV，120kV。比值D_参照/N_总给出了取决于管电压并因此取决于最大粒子能量的上述因子L。图11显示了测量的相关性。通过数学标准测量将分析函数拟合到这些数值。利用该函数，对于任何已知的管电压，对于给定的阳极材料，有可能以高精确度计算因子L。图11中的数据的线性回归得到L[nSv]＝3.76·10^-5·U[kV]+5.17·10^-3[nSv]。通过相乘测量的N_总和在该能量范围内的平均值L，剂量随后可以利用装置来确定，而没有进一步使用参考剂量计，并且不需要知道管电压。在该例子中，假定管电压在40kV和120kV之间改变，确定剂量值的精确度达到了-15％直到+23％。

如果形成具有不同阈值的8个组，如图5所示，则采用该装置可以实现改进的剂量计。例如，可以使用下面的阈值：E₁＝4keV，E₂＝24keV，E₃＝44keV，E₄＝64keV，E₅＝84keV，E₆＝104keV，E₇＝124keV以及E₈＝144keV。用A_i代表组i中的检测器单元数。如果用X射线照射装置，用j代表未显示大大高于零的计数的组数。以伏特来估计的管电压U_max为(E_j-1+E_j)/2，从而，使用电子伏特作为能量的单位。从图11的曲线中可以计算因子L的值，作为L(U)在U_max处的数值。将该因子乘以在校准中使用的检测器单元数A，并且除以组1中的检测器单元数A₁。剂量通过D＝L·A/A₁·N₁确定，其中，N₁为组1中的计数值之和。利用该方法，在管电压在40-120kV之间改变的条件下确定的剂量精确度为-3.6％到+6.3％。图13和14显示了另外的测量值，其允许确定计数和施加的剂量值之间的相关性。

作为用于确定能谱的重构方法的原理证据，该方法通过将测量的能量沉积谱分解在单能辐射响应函数的线性组合中，我们模拟了利用带钨阳极的X射线管照射Medipix2芯片和700μm厚硅传感器层的装置，并且在蒙特卡洛(Monte-Carlo)模拟中，管电压为80kV。利用上面提到的一种数学方法，从模拟的沉积谱中重构入射能谱。图7举例显示了装置对能量为40keV的光子的响应函数。

对于能量在诊断放射学能量范围内的光子，关于与可从市场购买的有源剂量计相比可能适合处理的剂量率，现在给出了该实施例具有较大的动态范围的证据。我们假定硅传感器具有的厚度为1000μm，其在技术上是可行的。

关于剂量速率的测量范围的上阈值受到最大计数值的限制，最大计数值可以在两个读取循环之间在计数器中累计。当前，可以用30Hz的频率读取Medipix2芯片的计数器。有可能实现更高的读取频率。不记录事件的空载时间为300微秒。因此，在一秒内，在999.7毫秒期间计数是可能的。因此，在下面的计算中忽略空载时间。在计数期间，计数器可以最多登记8000个事件。包括256×256个检测器单元的整个装置因此能够计数到7.85*10⁹个光子/秒，从而，我们保守地假定由于电荷共享，平均计数/光子为2。因此，装置在一个小时内可以计数到2.83*10¹³个光子。如果将测量1nSv的个人当量剂量H_p(10)，在该例子中，3101个光子将撞击到传感器区域上。2822个光子将被检测器单元装置登记。因此，我们大约计算H_p(10)＝10Sv/h的最大剂量速率。在装置中，一个检测器单元的计数速率将是大约240kHz，其在处理脉冲时不引起问题。在参考文献[2]中为有源剂量计列出的有关剂量率的测量值的最高上限仅为1Sv/h。这表明在该实施例中，装置的测量范围比可从市场上购买的剂量计的测量范围高出很多。

现在估计用于测量积分剂量值的计数检测器单元装置的测量范围，如在人体剂量计中一样。积分剂量值的测量范围的上阈值受到最大计数的限制，该最大计数可以在计数器和计算单元中被处理。从上面给出的对最大剂量率的估计中，很明显看出测量几百个Sv的最大积分剂量值不是技术问题。现在估计测量范围的下阈值。在辐射场中，其沉积1nSv的个人当量剂量Hp(10)(括号内，我们为Hp(0.07)指出相应的数值)，光子能量为15keV，大约3101(632)个光子撞击到Medipix2-传感器装置上。在这些光子中，大约2822(576)个光子将被登记和计数。在该例子中，用于确定个人当量剂量值的相对统计误差因此大约为1.9(4.2)％。在100keV光子能量下，用于确定个人当量剂量值H_p(10)(H_p(0.07))的统计精度可以被估计到9.0(8.7)％。在测量H_p(10)时，参考文献[2]中列出的有源剂量计的最大测量范围仅为15nSv到16Sv(利用EPD Mk2实现)。因此，证明了本发明的剂量计比可从市场上购买的剂量计具有更大的测量范围，从而扩展测量范围是很容易的，增加了装置的有效面积。这可以通过在一个个人剂量计中利用几个Medipix2芯片和传感器层装置而进行。

图12举例显示了计数检测器单元装置的视图，吸收体1-6放置到装置上。在我们例举的以Medipix2-传感器组合作为计数检测器单元装置中，这一点很容易实现。主入射方向垂直于制图平面。例如，可以使用下面的材料：

·1号：塑料，例如PMMA，1mm厚度

·2号：铜；0.05mm厚度

·3号：铜；0.5mm厚度

·4号：铜；1.2mm厚度

·5号：铅；0.7mm厚度

·6号：铜；2mm厚度

吸收体6可以被用于确定平均入射角。

通过利用本发明的方法和设备，考虑到剂量和粒子通量密度、大动态范围、更高的线性和通过确定入射辐射的能谱增加测量的剂量值精确度的可能性，人们可以以更好的灵敏度实时测量剂量、剂量率、能谱。确定入射能谱大大改进了剂量值的精确度，尤其是散射。

Claims (11)

1、一种用于确定一种或多种辐射特性的方法，利用了包括一个或多个检测器单元的传感器，所述一个或多个检测器单元能够计数撞击到所述传感器上的、在预定能量范围内或预定能量范围之上的所述辐射的光子数或带电粒子数，包括以下步骤：

执行校准操作，其包括以下步骤：

(i)产生辐射束k，所述辐射束产生已知的剂量D^k，所述辐射束为物理产生的或用模型模拟的；

(ii)确定包含在能量沉积范围[E_i，E`_i]内的所述辐射束的计数N^k _i，所述确定通过实际测量或通过基于所述模型进行计算而获得；

(iii)对于一组不同的能量沉积范围[E_i，E`_i]，从i＝1到i＝imax重复步骤(ii)；

(iv)对于一定范围的不同辐射束k，重复步骤(i)、(ii)和(iii)；

(v)通过解联立方程组确定因子L_i，对于所有的k，

D^k＝∑_i＝1 ^i＝imaxL_i·N^k _i

将传感器置于待测辐射中，并通过测量能量沉积范围[E_i，E`_i]内的计数N_i来确定沉积谱；

根据以下方程式来确定剂量：

D＝∑_i＝1 ^i＝imaxL_i·N_i。

2、一种用于确定一种或多种辐射特性的方法，利用了包括一个或多个检测器单元的传感器，所述一个或多个检测器单元能够计数撞击到所述传感器上的、在预定能量范围内或预定能量范围之上的所述辐射的光子数或带电粒子数，包括以下步骤：

执行校准操作，包括以下步骤：

(i)产生能量为E_k ^mono的单能辐射束，所述辐射束为物理产生的或用模型模拟的；

(ii)确定包含在一组能量沉积范围[E_i，E`_i]内的所述辐射束的计数M_ik，所述确定通过实际测量或通过基于所述模型进行计算而获得；

(iii)通过将它们除以撞击粒子总数而归一化所述计数M_ik；

(iv)对于一定范围的不同单能辐射束E_k ^mono从k＝1到k＝kmax重复步骤(i)、(ii)和(iii)；

将传感器置于待测辐射中，并通过测量能量沉积范围[E_i，E_i`]内的计数N_i来确定沉积谱；

通过解联立方程组确定能谱Nk，对于所有的i，

N_i＝∑_k＝1 ^k＝kmaxM_ik·N_k。

3、根据权利要求2的方法，其中，所述的辐射特性为剂量，并包括以下步骤：

对于每个能量E_k ^mono，利用预定的转换系数C_k给出由单位流量产生的待测剂量，对于空气中的剂量，所述系数C_k为用于每单位流量的空气柯玛的ICRU系数K_k，或者用于深度为0.07mm的剂量的Hp(0.07)系数，或者用于深度为10mm的剂量的Hp(10)系数；

根据以下方程式来确定各剂量D，其中，A为所述传感器的表面积，

D＝∑_k＝1 ^k＝kmaxC_kN_k/A。

4、根据前述任一项权利要求的方法，其特征在于：解联立方程组的步骤通过估计法、最大似然法或者叠代法进行。

5、一种用于确定一种或多种辐射特性的方法，利用了包括一个检测器单元的传感器，所述检测器单元能够计数撞击到所述传感器上的、在一个或多个确定能量阈值之间或之上的所述辐射的光子数或带电粒子数，并适合于及时修改所述能量阈值，包括以下步骤：

(a)将所述检测器的一个或多个阈值设为选定值；

(b)在一段时间内计数所检测到的能量高于所述阈值的信号数；

(c)修改所述阈值；

(d)重复步骤(b)和(c)直到覆盖一个能量范围并获得谱。

6、一种用于测量一个或多个辐射特性的设备，包括一个或多个检测器单元，每个检测器单元包括：

传感器，响应于撞击到所述传感器上的所述辐射的光子或带电粒子而产生电脉冲；

一个或多个鉴别器，每一个鉴别器都具有阈值并具有用于将所述电脉冲数值与所述阈值进行对比的装置，并响应于超过所述阈值的所述数值而产生信号；

计数器，与每一个所述鉴别器相连，用于计数所述信号数；

所述设备包括计算单元(2)，适合于从计数器的数据中计算所述辐射的所述特性，以及控制单元(5)，适合于及时修改所述阈值和/或用于每个检测器单元。

7、根据权利要求6的设备，其特征在于：所述用于对比所述电脉冲数值的装置为用于将所述脉冲高度与所述阈值进行对比的装置。

8、根据权利要求6的设备，其特征在于：所述用于对比所述电脉冲数值的装置包括用于积分所述电脉冲的装置以及用于将积分值与所述阈值进行对比的装置。

9、根据前述任一权利要求的设备，其中，所述辐射特性包括所述辐射的能谱或最大辐射能量或剂量。

10、根据权利要求7-9中任一项的设备，其中，在检测器单元上放置吸收材料层。

11、根据权利要求10的设备，其中，在一个或多个检测器单元上放置多层吸收材料，每层吸收材料都具有不同的厚度和/或包括不同的材料。

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