CN111221021A

CN111221021A - 一种辐射剂量测量方法与装置

Info

Publication number: CN111221021A
Application number: CN201910978162.5A
Authority: CN
Inventors: 耿长冉; 叶黄锋; 汤晓斌; 田锋; 韩阳
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2020-06-02

Abstract

本发明公开一种辐射剂量测量方法与装置，其中测量方法包括：射线与两根并排排列、长度不等的光纤的探头分别作用，产生第一切伦科夫辐射和第二切伦科夫辐射；辐射信号由光纤本身传送到传感器；光信号先后被转换为电信号、数字信号；计算机将第一切伦科夫辐射与第二切伦科夫辐射的数字信号相减，得到测量区域的信号；根据切伦科夫辐射信号与辐射剂量间的关系，实现辐射剂量的测量。本发明实现了辐射剂量的快速、准确、实时测量，对核技术应用尤其是医学应用具有重要的价值。

Description

一种辐射剂量测量方法与装置

技术领域

本发明涉及核辐射探测领域，尤其涉及一种辐射剂量测量方法与装置。

背景技术

目前，国内外已经对辐射的剂量测量方法进行了很多研究，比较常用的包括电离室、热释光剂量计和闪烁体光纤剂量计。应用电离室测量辐射剂量时，需要避免电离室的角度响应依赖性，且需要对读数进行复杂的校正才能实现剂量测量，过程繁琐。热释光剂量计使用前需要刻度标定，标定和读出过程繁琐且依赖于热源，无法实时读取数据，并只能在亚厘米量级测量剂量，空间分辨率较低。闪烁体光纤剂量计中的闪烁晶体在高温高电离密度下存在猝灭效应及经过光纤输出的信号中含有切伦科夫噪声信号，影响了闪烁体光纤剂量计测量的准确性，限制了其对辐射剂量测量的应用。这些方法和装置都无法实现辐射剂量的快速、准确、实时测量。

发明内容

为了解决上述技术问题，实现辐射剂量的快速、准确、实时测量，本发明提供一种基于光纤的辐射剂量测量方法和装置。

本发明一方面提供一种辐射剂量测量方法，包括：步骤1、射线与两根并排排列、长度不等的光纤的探头分别作用，产生第一切伦科夫辐射和第二切伦科夫辐射，两根光纤探头长度差的部分为测量区域；步骤2、所述第一切伦科夫辐射和所述第二切伦科夫辐射由光纤本身传送到传感器；步骤3、所述传感器通过测量所述第一切伦科夫辐射和第二切伦科夫辐射的光谱和强度，将其转换成电信号，之后进入数据采集单元，转换为数字信号；步骤4、将所述第一切伦科夫辐射与第二切伦科夫辐射的数字信号相减，得到所述测量区域的信号；步骤5、根据公式D＝k*Count，实现辐射剂量的测量，其中D为辐射剂量，Count为切伦科夫辐射信号，k为转换系数。

进一步，所述光纤为具有芯层/包层结构的阶跃多模塑料光纤。

进一步，所述探头端面涂有或包覆反射材料。

更进一步的，所述反射材料为TiO₂或白色反射带。

本发明的另一方面提供一种辐射剂量测量装置，包括：两根并列排列的长度不等的光纤，有长度差的一端作为与射线作用的探头，另一端连接传感器；传感器，用于收集光纤探头与射线作用产生的第一切伦科夫辐射和第二切伦科夫辐射，并转换为电信号；数据采集单元，用于将所述电信号转换为数字信号；以及计算机，对所述第一切伦科夫辐射和第二切伦科夫辐射的数字信号进行处理，计算得到辐射剂量。

进一步的，所述数据采集单元位于计算机内部。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

(1)在其他类型光纤剂量计中，切伦科夫辐射被当作一种噪声信号，需要采取其他方法将其去除。本发明利用辐射与光纤相互作用产生的切伦科夫辐射作为测量对象，由于其与辐射剂量间存在一定的响应关系，因此可以通过测量切伦科夫辐射实现辐射剂量的测量。同时，由于本发明中对长度取差值得到有效测量区域，排除了噪声干扰，可以实现更准确的剂量测量。

(2)本发明实现辐射剂量测量依赖于辐射与光纤作用后在光纤中产生的切伦科夫辐射，这是一种瞬发辐射，因而可以实现辐射剂量的实时测量。

(3)由于光纤的直径较小，通常在毫米和亚毫米量级，本发明可以实现高空间分辨率的辐射剂量测量，测量精度可以达到毫米量级，基本即为光纤直径尺度。

(4)相较于传统的热释光或光释光剂量计中需要添加敏感材料和对两段光纤连接，本发明无需对塑料光纤再进行掺杂、耦合闪烁物质等任何处理，探头与光导光纤为同一根光纤，极大地减小了工作量和复杂度，提高了实用性和便利性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例辐射剂量测量方法的流程图；

图2为图1实施例中光纤内产生的切伦科夫辐射强度与光纤照射长度的比例关系图；

图3为本发明另一实施例辐射剂量测量装置示意图；

图4为图1实施例中光纤探头的测量方法示意图；

图5为图1实施例中光纤探头测量的切伦科夫光子数与剂量关于深度的响应关系。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

方法实施例

如图1所示，本实施例描述的一种辐射剂量测量方法，具体包括：

S1、由于对于电子束或光子束照射，光纤内产生的切伦科夫辐射强度与光纤照射长度成正比，与光纤直径成二次方关系，故测量前需选择合适的光纤直径和测量区域大小。为了通过相减抵消本底噪声干扰，本实施例中采用两根长度不相等的紧密并排排列的光纤，将有长度差的光纤探头放入辐射的射野中，射线与两根光纤的探头部分分别作用产生第一切伦科夫辐射第二切伦科夫辐射。

光纤为具有芯层/包层结构的阶跃多模塑料光纤，芯层和包层的材料分别是聚甲基丙烯酸甲酯树脂(PMMA)和含氟聚合物。芯层折射率为1.49，包层折射率为1.40。探头部分涂有或包覆着反射材料，在一些实施方式中，反射材料为TiO₂或白色反射带，可实现本发明目的的反射材料不仅限于此，还可以是其他反光材料。

S2、两根光纤除探头部分外，其他部分为光导光纤，作为切伦科夫辐射的传输通道，将第一切伦科夫辐射和第二切伦科夫辐射传送到传感器。

传统的热释光或光释光剂量计中需要添加敏感材料和对两段光纤连接，本实施例无需对塑料光纤再进行掺杂、耦合闪烁物质等任何处理，光纤探头与光导光纤为同一根光纤，极大地减小了技术方案实施的工作量和复杂度，提高了实用性和便利性。

进一步的，光纤探头端面使用多种抛光垫以规则的顺序进行抛光，以便更好地利用端面反射材料增加光的利用率，减少光损失。塑料光纤由黑色聚乙烯包裹，以防止外部光噪声的干扰。

S3、传感器通过测量第一切伦科夫辐射和第二切伦科夫辐射的光谱和强度，将固定时间间隔内的切伦科夫辐射信号转换成电信号，电信号再被数据采集单元转换为数字信号，数字信号随后被送至计算机。

在一些实施方式中，数据采集单元位于计算机内部。

S4、计算机将第一切伦科夫辐射与切伦科夫辐射的数字信号相减，得到测量区域的信号；所述测量区域即是光纤探头一端两根光纤的长度差的部分。

S5、根据切伦科夫辐射信号与辐射剂量间的关系，实现辐射剂量的测量。

装置实施例

如图3所示，一种辐射剂量测量装置包括：

1)两根并列排列的长度不等的光纤，有长度差的一端作为与射线作用的探头，其余部分作为光导光纤，用于传输光信号，光导光纤另一端连接传感器。

两根光纤构成的平面与射线入射方向垂直，如图4所示，由于光纤直径较小，当两根光纤紧邻放置时，可以认为两根光纤受到了相同的辐射场照射。当光纤探头位于辐射场中时，对于两根光纤的相同长度部分，可以认为其接受了相同的剂量照射，产生的切伦科夫辐射也相同。而对于两根光纤的长度差Δx部分，只有长光纤中有剂量沉积及切伦科夫辐射的产生。因此通过两根光纤的切伦科夫辐射信号相减的方式，可以得到光纤长度差Δx部分的切伦科夫辐射信号，即光纤探头的测量区域的切伦科夫辐射信号。如图5所示，实验结果表明，对于所有深度，测量区域产生的切伦科夫光子数、测量端测量的切伦科夫光子束与剂量存在良好的响应关系。

2)传感器，用于收集光纤探头与射线作用产生的第一切伦科夫辐射和第二切伦科夫辐射，并转换为电信号；传感器可测量波长范围在200和925nm之间，峰值敏感波长在400nm左右，且在峰值敏感波长处能够提供至少70％的量子效率。传感器能够同时对2个或2个以上的信号进行测量，以同时得到两根光纤的信号，实现辐射剂量的准确、实时测量。传感器与光导光纤通过标准连接器进行连接，以便减小切伦科夫辐射的接入损耗。

3)数据采集单元，用于将传感器输出的电信号转换为数字信号。

4)计算机，对第一切伦科夫辐射和第二切伦科夫辐射的数字信号进行处理，并根据切伦科夫辐射信号与辐射剂量间的关系，计算得到辐射剂量。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims

1.一种辐射剂量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、射线与两根并排排列、长度不等的光纤的探头分别作用，产生第一切伦科夫辐射和第二切伦科夫辐射，两根光纤探头长度差的部分为测量区域；

步骤2、所述第一切伦科夫辐射和所述第二切伦科夫辐射由光纤本身传送到传感器；

步骤3、所述传感器通过测量所述第一切伦科夫辐射和第二切伦科夫辐射的光谱和强度，将其转换成电信号，之后进入数据采集单元，转换为数字信号；

步骤4、将所述第一切伦科夫辐射与第二切伦科夫辐射的数字信号相减，得到所述测量区域的切伦科夫辐射信号；

步骤5、根据公式D＝k*Count，实现辐射剂量的测量，其中D为辐射剂量，Count为切伦科夫辐射信号，k为转换系数。

2.根据权利要求1所述的辐射剂量测量方法，其特征在于，所述光纤为具有芯层/包层结构的阶跃多模塑料光纤。

3.根据权利要求1所述的辐射剂量测量方法，其特征在于，所述探头端面涂有或包覆反射材料。

4.根据权利要求3所述的辐射剂量测量方法，其特征在于，所述反射材料为TiO₂或白色反射带。

5.一种辐射剂量测量装置，其特征在于，包括

两根并列排列的长度不等的光纤，有长度差的一端作为与射线作用的探头，另一端连接传感器；

传感器，用于收集光纤探头与射线作用产生的第一切伦科夫辐射和第二切伦科夫辐射，并转换为电信号；

数据采集单元，用于将所述电信号转换为数字信号；以及

计算机，对所述第一切伦科夫辐射和第二切伦科夫辐射的数字信号进行处理，计算得到辐射剂量。

6.根据权利要求5所述的辐射剂量测量装置，其特征在于，所述探头端面涂有或包覆反射材料，所述反射材料为TiO₂或白色反射带。

7.根据权利要求5所述的辐射剂量测量装置，其特征在于，所述数据采集单元位于计算机内部。