[0001] 本
发明涉及一种用于测量
电离辐射、优选为γ辐射和x射线的检测器，该检测器包括闪烁器和光检测器以及
电子系统，该闪烁器在辐射被部分吸收时发射光，该光检测器优选为光学耦合有光电倍增器的光电
阴极，该光检测器由优选为发光
二极管(LED)的预定
光源来稳定，其中光源的光脉冲的长度和/或形状不同于由闪烁器发射的光脉冲在吸收辐射之后的长度和/或形状，该电子系统使整个检测器稳定。
[0002] 为了增加辐射检测器的测量
精度，必需在测量完成之后对所测量的数据进行校正或者使检测器在实际测量期间稳定。尤其是在手持
放射性同位素识别设备(RID)和放射性物质
门式监测器(RPM)中，这些设备出于国土安全目的而被应用，有利的是使检测器在测量期间稳定，因为这允许没有受过核物理教育的人员快速且精确地评估数据。RID例如主要被警察或者海关使用，在那里没有用于在完成测量之后校正数据的设备可用，也没有受过必要教育的人员。此外并且可能最重要的是，那些环境中的测量必须提供快速且精确的结果。
[0003] 用于国土安全的RID主要基于具有闪烁检测器的γ谱仪。这种系统必须容忍宽范围的操作条件，特别是容忍宽范围的环境
温度、检测器计数率和辐射场的γ
能量。如果环境条件出现强烈且迅速的变化，则有效的检测器
稳定性因此对维持能量刻度和能量
分辨率是必要的。
[0004] 在
现有技术中，公知的是通过将LED的光引向光检测器并且使所得到的
信号与由核辐射所感应的信号分离来使光检测器稳定。于是，光检测器中的、光感应脉冲(light induced pulse)的漂移是要被校正的光检测器的温度漂移的量度。也公知的是通过分析闪烁
输出信号的脉冲形状而使闪烁器稳定。
[0005] 利用现有技术中公知的技术，可能使辐射检测器(即RID)在环境条件如上所述变化时稳定到大于2％的漂移。
[0006] 本发明的目的是改进那些系统，使得闪烁检测器的稳定性超过2％(优选地超过1％)。本发明的另一目的是提供一种检测器，优选为手持型检测器，其中可能在实际测量期间进行稳定化。本发明的目的还是提供一种检测器，其中稳定性参数可以依照实际环境条件来设置。
[0007] 根据本发明，提供了一种用于测量电离辐射(优选为γ辐射和x射线)的检测器，该检测器包括：闪烁器，该闪烁器在辐射被至少部分吸收时发射光；和光检测器、优选为光学耦合有光电倍增器的光电阴极，该光检测器通过使用优选为
发光二极管(LED)的预定光源被稳定，其中光源的光脉冲的长度和/或形状不同于由闪烁器发射的光脉冲在吸收辐射之后的长度和/或形状；以及电子系统，该电子系统使整个检测器稳定。这种检测器使用以下方法步骤来被稳定：数字化检测器输出信号，针对每个单个信号提取能量(也就是脉冲高度)和脉冲宽度，基于其脉冲宽度使光源感应脉冲与所有其他脉冲分离，累积光源感应信号，通过校正光检测器的增益漂移来使光检测器稳定，使用所累积的光源感应脉冲的漂移，基于其脉冲宽度使辐射感应脉冲与所有其他脉冲分离，通过应用从光源感应脉冲获得的、光检测器的稳定性使辐射感应脉冲稳定，累积辐射感应信号，获得检测器在测量时的温度，使用所累积的辐射感应脉冲的脉冲宽度，以及通过附加地校正具有检测器温度漂移的检测器的测量到的光输出(也就是输出信号的脉冲高度)来使检测器稳定，其取决于所累积的γ脉冲的平均脉冲宽度。
[0008] 在优选的
实施例中，光源感应脉冲被累积预定的时间周期，该时间周期优选地在1s到60s之间、尤其优选为在2s到10s之间并且甚至更优选为大约5s。在确定稳定性参数之后，所累积的脉冲被用于确定光检测器的针对至少一个预定的时间周期的稳定性参数。
同时，光源感应脉冲被累积预定的时间周期。证明为特别有利的是，光检测器的稳定性参数的确定与新光源感应脉冲的累积至少部分并行地被处理，并且甚至更为有利的是，所述并行处理利用附加的处理装置(优选为
协处理器)来完成，从而考虑到并行滤波、处理和累积，而不消耗大量额外的时间。
[0009] 在另一优选实施例中，辐射感应脉冲被累积预定的时间周期，该时间周期优选在1s到60s之间、尤其是优选在2s到10s之间并且甚至更优选为大约5s。在确定稳定性参数之后，那些被累积的脉冲被用于确定闪烁器的针对至少一个预定的时间周期的稳定性参数。新辐射感应脉冲也被累积预定的时间周期。闪烁器的稳定性参数的所述确定优选地与新辐射感应脉冲的累积至少部分并行地被处理，然而甚至更为优选的是，利用附加的处理装置(优选为协处理器)来完成，从而考虑到并行滤波、处理和累积，而不消耗大量额外的时间。
[0010] 另一实施例是本发明的部分，其中辐射感应脉冲的所设置的脉冲宽度范围(用于使要被测量的辐射感应脉冲与其他脉冲分离)基于检测器中的测量到的参数而在测量期间被动态设置。所设置的脉冲宽度范围优选地根据以下参数中的至少一个而动态地被确定：计数率、检测器的温度、堆积(pile up)信号的能谱、堆积信号的计数率、噪声信号的能谱或者噪声信号的计数率。
[0011] 由于其他实施例，触发电平基于一个或者多个测量到的参数在测量期间动态地被设置，低于该触发电平，测量到的脉冲被删除，测量到的参数为计数率、堆积信号的能谱、堆积信号的计数率、噪声信号的能谱或者噪声信号的计数率。
[0012] 有利的是，根据本发明的检测器规定，在测量期间基于测量到的参数(优选地基于测量到的LED温度)来动态地设置用于校正光检测器的增益漂移的、光源感应脉冲的所设置的脉冲宽度范围。
[0013] 当检测器的光源被安装在检测器之内的
位置使得由闪烁器发射的光和由光源发射的光耦合到在大体上不同位置处的光检测器时，实现另一优点。优选地，该位置允许由光源发射的光至少部分地穿过光电倍增器的内部(包括经过光电倍增器的玻璃壁)而行进到光电阴极。当光源被安装在检测器的后部时，可以实现特定的优点，从而考虑到更好地维护光源。
[0014] 本发明的特定实施例基于以下
附图来说明。
[0015] 图1示出了RID的整个草图，RID包括闪烁器晶体、
光电倍增管和LED。
[0016] 图2a和b示出了针对LED触发的和辐射触发的脉冲的典型输出信号，[0017] 图3示出了NaI(T1)闪烁晶体的典型属性，
[0018] 图4a和b示出了信号形状对数字滤波过的输出信号的影响，
[0019] 图5示出了测量到的脉冲宽度谱，
[0020] 图6示出了具有参数脉冲宽度和能量的二维谱，
[0021] 图7示出了当施加80K的ΔT时的稳定性。
[0022] 在图1中，可看到(没有电子装置的)RID的主要元件，也就是NaI(T1)闪烁晶体100、光电倍增器150以及其中安装有LED 180的插座170，该光电倍增器150附着有用作光检测器的光电阴极160。
[0023] γ辐射110进入闪烁晶体100并且在该闪烁晶体之内被吸收。在发射光130的情况下，从核辐射吸收之后的受激状态120衰减。然后，光130被指向光电阴极160，该光电阴极由于光吸收而正发射电子。得到的
电信号在光电倍增器150之内被放大并且接着被转发到检测器电子装置。
[0024] 同时，LED 180被安装在光电倍增器150的插座170中。LED发射光190，该光190通过光电倍增器150，最后被光电阴极160吸收。
[0025] 将LED安装在光电倍增器的插座中(即同时安装在整个检测器的插座中)具有以下大的优点，即LED的光被指向光电阴极160，而不必通过闪烁器100。因此，避免了由于通常将LED 180的光耦合到闪烁器100而出现的问题。同时，将LED安装在检测器的插座中考虑到了对LED的非常简单的维护，因为LED 180可以与插座170一起被分离。因此，LED可以被改变，而不必打开整个检测器，仅必须去除插座。
[0026] 在图2a和2b中示出电子光电倍增器输出信号(
电流信号)。图2a示出了在由光电阴极160吸收从LED 180发出的光190之后的LED感应输出信号210。因为LED 180优选地工作在脉冲模式下，所以信号非常有规则并且具有大体上为矩形的形状。LED信号210的矩形形状是根据以下事实得出的，即可以非常快速地接通和关断LED。
[0027] 图2b示出了在闪烁器100之内吸收γ信号110之后的信号。那些信号以统计学方式出现，即基本上不规则地出现。另外，信号高度变化，并且最后信号230显示出指数式衰减，而不是线性衰减。该指数式衰减是从闪烁晶体100之内的受激状态的指数式衰减得出的。
[0028] 为了稳定根据本发明的检测器，γ感应信号和LED感应信号必须相互分离。另外，由闪烁晶体的温度变化引起的温度效应必须被排除。
[0029] 为了这样做，测量到的信号在第一步被数字化。这种数字化不仅允许评估脉冲高度，该脉冲高度是所吸收的辐射的能量的量度，而且允许评估测量到的信号的宽度和其他脉冲形状参数。因此，当与利用标准模拟电子装置评估相比时，
数字信号分析具有显著的优点。
[0030] 图3示出了作为NaI(T1)闪烁晶体的温度的函数的NaI(T1)闪烁晶体的测量到的光输出LO(T)和测量到的闪烁器衰减时间τ(T)。
[0031] 线310示意性示出了作为闪烁器的温度T的函数的闪烁器的测量到的相对光输出LO(T)。可看到，光输出在-30℃到+30℃之间增加，然而，当温度进一步增加时，光输出再次降低。图3左侧的刻度示出了百分比的相对光输出。可以看到，测量到的相对光输出LO(T)的变化总计为大约15％。这样的变化对于标准RID是不可容忍的。
[0032] 线350示意性示出了作为温度T的函数的测量到的闪烁器衰减时间τ(T)，该衰减时间以纳秒(ns)为单位。以ns为单位的、闪烁器衰减时间的刻度可以在图3的右侧看到。根据该测量，由此得出，闪烁器衰减时间τ(T)随着温度T的增加而下降，从而
覆盖了相关的温度范围内的大约650ns到150ns的宽范围。
[0033] 本发明的检测器利用闪烁器衰减时间的这种变化，因为τ(T)在感兴趣的温度范围内是单调函数，因此提供了温度与衰减时间之间的可复制的函数关系。
[0034] 图4a和4b示出了对各种
输入信号的影响。
[0035] 图4a在左侧示出了辐射感应信号410，该辐射感应信号410具有典型的陡的上升沿，紧接是指数式衰减边沿。虚线420示出了另一γ感应信号，然而第二信号420具有较长的衰减时间，这意味着闪烁晶体的温度在测量时更低。
[0036] 在施加
滤波器450之后，输出信号415和425是结果。可看到，与初始信号410相比，具有较长的衰减时间的初始信号420导致更高的脉冲宽度。
[0037] 必须提及的是，在此所讨论的实施例之内，实际脉冲宽度被测量并且被视为参数。然而，其他脉冲形状参数(例如信号的上升时间)可以替换地被使用或者甚至组合地使用。
因此，必须理解的是，在本发明的
框架内，脉冲宽度代表任意脉冲形状参数，这受到闪烁器温度的影响。
[0038] 必须提及的是，对本发明而言，即使光电倍增器输出信号首先被数字化使得滤波器450是
数字滤波器也不要紧，或者即使光电倍增器输出信号通过
模拟滤波器450被发送也不要紧，这些输出信号都只在通过这样的滤波器之后被数字
采样。图4a和4b中示意性示出的效应是相同的。
[0039] 图4b示出了LED感应信号470的相同情况。与γ信号相比，所示的LED信号470相当宽，从而导致在施加滤波器450之后的非常宽的单调输出信号475。
[0040] 因为数字
信号处理允许分析脉冲高度和脉冲形状，所以可能首先将LED感应脉冲475与辐射感应脉冲415和425分离。
[0041] 为了这样做，LED信号470的脉冲宽度和脉冲高度必须通过LED脉冲发生器的设置来定义，使得所得到的被滤波的信号475的脉冲宽度在脉冲宽度谱中在辐射感应信号415和425的范围之外。LED感应信号与辐射感应信号的分离于是仅仅基于脉冲宽度分析，即通过在所得到的谱中的LED的脉冲宽度上设置窗口。
[0042] 同时，剩余的信号的脉冲宽度允许确定闪烁晶体的温度。一旦闪烁晶体的温度或者至少温度相关的参数是已知的，就可以通过针对闪烁温度感应效应进行校正来使检测器稳定。
[0043] 图5示出了两个测量到的脉冲宽度谱500和505。相对测量到的信号脉冲宽度示出了计数率。这两个谱示出了针对高计数率的结果(谱500)和针对更低的计数率的结果(谱505)。
[0044] 辐射感应脉冲510可以清楚地与光感应脉冲550区分。因此，提取位于窗口530之内的脉冲导致提取辐射感应脉冲，然而，对另一窗口560的限制导致提取LED感应脉冲。
[0045] 在图6中，可看到二维谱。更确切地说，测量到的信号的振幅a表示x轴，该信号的脉冲宽度w沿着y轴来呈现。z轴由点在谱内的浓度表示，由此每个点代表测量值和灰度级，其中许多点是重叠的。
[0046] 谱中心的深黑色线610代表辐射感应脉冲。LED感应脉冲630清楚地与该辐射感应脉冲分离，从而或多或少地形成了谱内的斑点。
[0047] 因为LED感应脉冲的振幅a是所使用的光强度的函数，而LED感应脉冲的宽度w是LED脉冲的脉冲长度的函数，所以变得清楚的是，LED斑点630在该谱中的位置可以几乎自由地选择。因此，可能出于其特定目的(高或者低的辐射、具有高或低的能量的辐射、高或低的计数率)而通过
修改LED脉冲参数来调整每个单个检测器的LED稳定性。因此，可以实现的是，LED信号在大多数测量到的信号的谱之外，使得具有LED脉冲的光检测器的稳定性根本未受测量脉冲干扰。
[0048] 辐射感应脉冲610之上的区域650表示具有较大脉冲宽度的脉冲。那些脉冲主要是堆积效应的结果。当第二辐射感应脉冲在第一辐射感应脉冲已经完全衰减之前开始时，出现堆积。堆积效应是高辐射场中的严重问题。
[0049] 在中心γ线610下，其他区域可见，该其他区域由噪声脉冲640组成。
[0050] 根据该图6可看到，所描述的检测器之内的信号处理不仅考虑到检测器的稳定性，因此消除了温度效应，而且考虑到堆积和噪声效应的非常有效的抑制。
[0051] 下面描述了检测器的实际稳定性。首先，辐射感应脉冲被测量，从而导致如上所述地被滤波的输出信号。同时，脉动的LED被使用使得光感应信号的脉冲宽度(通过光检测器来测量)充分不同于辐射感应信号的脉冲宽度。另外，有利的是，LED感应信号的“能量”(即它们的脉冲高度)具有与堆积和噪声信号的“能量”(脉冲高度)充分的区别，在图6的二维谱中被示出。
[0052] 仅仅脉冲高度在预定的触发
阈值之上的信号被处理。该阈值被设置，以便抑制非常小的信号，其通常仅仅由噪声引起。该触发阈值限定了要利用检测器测量的最低能量。
[0053] 在通过触发阈值之后，信号进一步通过(数字地)确定其脉冲宽度及其振幅来评估。同时，脉冲宽度谱P通过每个脉冲递增。
[0054] 然而，该信号被分类。如果要被评估的信号的脉冲宽度在针对辐射感应脉冲所设置的窗口之内，则该信号被假设源于光发射，从而在被吸收的辐射脉冲之后。如果脉冲宽度和最后该信号的振幅都落入针对LED脉冲所设置的窗口中，则该信号被分类为LED感应信号。最后，如果要被评估的信号在辐射感应窗口和LED感应窗口之外，则该信号被分类为无价值的东西并且被删除。
[0055] 可选地，噪声和/或堆积事件可通过分离的窗口来分类，并且被用于动态调整系统参数，这些系统参数像触发阈值或者用于标识伽
马事件的脉冲宽度窗口的宽度。
[0056] 另外，为了提取辐射感应脉冲而设置的窗口宽度也可以动态地被设置，例如根据测量到的计数率来设置。当利用检测器看到高计数率时，宽度可以变窄，因为仍然可得到足够的用于快速评估的脉冲。这种变窄允许附加改进测量到的信号并且尤其是提高堆积抑制，因此允许将检测器用在高辐射场中，在该高辐射场中必须处理更高的计数率。
[0057] 因此，至少能谱和LED谱(可选地也为噪声和/或堆积谱)通过相应的信号递增，然而其他信号在下一个信号被评估之前再次被删除。
[0058] 由所有脉冲相加而得到的脉冲宽度谱和由LED感应脉冲相加而得到的LED谱(可选地由噪声或者堆积脉冲得到的谱)在预定的时间上被合计。依照要进行的特定测量，可以设置预定时间。快速温度变化要求相当短的时间，然而非常恒定的环境考虑到更长的时间周期。同时，高计数率考虑到短的时间间隔，非常低的计数率需要更多时间。试验已表明，一秒到一分钟之间的预定时间对于大多数目的是足够的，5秒的预定时间导致足够的统计量与高精度之间的最好的折衷。甚至可能考虑到手动或者自动修改该预定时间。例如，该时间可以基于精确测量到的计数率来设置。
[0059] 在经过预定时间周期之后，针对LED和辐射感应脉冲的所累积的谱(可选地由噪声或者堆积脉冲得到的谱)被评估。
[0060] LED峰值在LED谱中的位置被设置成与该特定检测器的预定峰值位置的关系。在LED峰值的测量到的位置与预定峰值位置之间比较的结果是LED稳定系数，从而考虑到光检测器的稳定性。
[0061] 同时，辐射感应脉冲在脉冲宽度谱中的峰值位置被评估。该位置是检测器温度的量度。存储在检测器内的预定稳定函数(例如将所述峰值位置作为参数的多项式或者查找表)考虑到检测器相对于闪烁晶体的温度和其他温度效应而稳定。
[0062] LED校准因数以及温度校准因数被用于测量到的辐射感应信号的振幅，使得测量到的能谱因此被稳定。为了进一步增加长期稳定性，可能利用附加的长期稳定系数来使能谱稳定。该长期稳定系数可以补偿LED或者电子装置的老化过程或者在检测器中可看到的其他长期影响。
[0063] 当信号被数字化时，可能与测量下一时间周期的信号并行地确定针对消逝的时间周期的稳定系数。新的稳定系数组一被建立，老的稳定系数就被新的稳定系数代替。因此，使用非常短的时间间隔来确定稳定系数，可能动态地使整个检测器稳定。即使出现快速和显著的温度变化，这也导致非常高的稳定性精度，这可以从图7中看到。
[0064] 在图7的上半部，示出了测量到的、662keV校准脉冲的峰值位置700。在测量期间，温度T在宽范围(即在-20℃到+60℃之间)被修改。温度修改在该图的下半部中被示为消逝的时间的函数750。γ峰值的位置以相对(通道)值给出，该值的数值范围可以在谱的左侧看到。在该谱的右侧，以℃为单位的温度被示出，其涉及该谱的下半部中的温度数值范围。
[0065] 测量的结果显示出，甚至当出现更快的温度变化时，检测器的稳定性也考虑到大约1％的精度。大约1％的检测器的稳定性精度比现有技术中公知的任何检测器的稳定性好两倍。
[0066] 因为本发明的检测器基于完全分离的LED谱考虑到光电倍增器的稳定性，所以所得到的γ谱完全没有任何校准/稳定脉冲。与标准检测器相比，这考虑到更高的灵敏度，这些标准检测器必须利用(弱的)γ辐射源来稳定，其必然是要被评估的谱的部分。不同于可从现有技术中得到的标准RID检测器，同时不必使用放射性校准源。
[0067] 根据本发明的检测器(尤其是上述检测器)的附加优点是即使在高计数率时也有极好的堆积抑制，同时对于噪声有极度精确的抑制。那些抑制允许使用较低的能量阈值，即使用15keV而不是现有技术检测器中的25keV。
[0068] 因为该检测器允许非常有效的堆积抑制，所以检测器容忍极高的计数率，同时提供了极好的能量分辨率。这不仅是快速数字信号处理的结果，而且是改进的堆积抑制的结果，并且排除了由于计数率变化引起的振幅变化产生的影响。
[0069] 适当处理高计数率的能
力还允许核素识别的高辐射场中的非常短的测量周期，因此减小了操作员的辐射暴露。由于极好的稳定性，改进的处理高计数率的能力和同时较低的阈值(非常弱和非常强烈的辐射源)可以用相同的检测器来识别。
[0070] 当对LED参考信号进行计数时，从脉冲调制信息中知道LED参考信号的数目，甚至可能达到非常精密和精确的死时间校正信息，该死时间校正信息可被用于所有辐射场中的定量分析。
[0071] 因为检测器的稳定性仅仅需要无论如何要被测量的辐射信号和来自LED的信号，所以不必使用放射性(内部或者外部)源，以便在开始时校准检测器。这允许非常快地开始测量，因为初始校准的时间被节约。当仅利用LED和放射性感应信号的内部稳定性可以在非常强的辐射场中运行时，检测器的这种非常快速的起动会非常重要，尤其是在紧急情况下会非常重要。
[0072] 同时，与这种RID相结合的管理问题是非常有限的，因为没有实现放射性校准源。因此，不必获得用于运输检测器的特别
许可。另外，
放射性材料的生产和去除可以被避免，因为对于该检测器的稳定性不需要放射性源。这对于该环境也有积极的效果。
[0073] 因为所述检测器的非常好的灵敏度允许找到和识别非常弱的辐射源(也就是环境放射性)，并且同时因为可非常节省且简单地被非专业人员使用的设备也可以以非常稳健的方式来制造，所以这允许用于野外环境的移动测量，因此避免了在拾取探针之后进行复杂的实验分析。例如也允许没有复杂且耗时的实验分析的食物评估。最后，新的检测器可以非常容易地用在学校和大学中，因为涉及放射性校准源的问题被避免。
