專利名稱：用于確定一種或多種輻射特性的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及劑量學(xué)領(lǐng)域。更具體地，它涉及一種用于確定一種或多 種輻射特性的方法和設(shè)備，所述特性包括劑量、能譜、最大能量和/或其 它特性。該方法和設(shè)備可用在用于確定劑量的設(shè)備中，例如用在個人劑 量計或周圍環(huán)境劑量計中，用在用于確定放射設(shè)備的射束劑量的設(shè)備中， 用在用于確定飛行器中的劑量的設(shè)備中，用在用于確定入射輻射能譜的 設(shè)備中。
背景技術(shù)：
無源劑量計諸如薄膜劑量計、熱致發(fā)光劑量計(TLD)以及輻射放光 (RPL)劑量計在個人劑量學(xué)中是眾所周知的。尤其是薄膜劑量計被廣泛地 使用。無源劑量計在暴露到用于進行測量的輻射后需要進行某種處理。 在測量光密度之前，TLD例如需要顯影階段。無源劑量計能夠以足夠的 精度確定法律規(guī)定的能量范圍內(nèi)的劑量。薄膜劑量計的一種優(yōu)勢在于它 們緊湊并且輕便。薄膜劑量計還提供了確定入射輻射的平均入射角的可 能性，這允許改進測量值的精度。通過將吸收體放置到輻射感光膜上而 獲得有關(guān)入射輻射能量的信息。平均能量的總精度是有限的在20-120 keV的能量范圍內(nèi)，精度為大約30keV (參見R Ambrosi， 畫率游,著，輻射防護劑量學(xué)(2004)， Vo1.112， No.4， pp.483-486[參考文 獻l])。被測能量的不確定性隨著入射輻射能量的增加而增加。
與無源劑量計相反，有源個人劑量計能夠?qū)崟r確定劑量，并因此它 們?yōu)橛脩籼峁┯嘘P(guān)劑量率數(shù)值的信息。有源個人劑量計使用了半導(dǎo)體檢 測器、閃爍檢測器、蓋革-米勒(Geiger-Mueller)計數(shù)器或電離室。帶電 離室的劑量計由在撞擊輻射作用下放電的充電電容器組成。放電量被顯 示。在有源個人劑量計中使用的半導(dǎo)體檢測器由硅、CdZnTe或HgGe制 成。有源個人劑量計未提供有關(guān)入射輻射能量的信息。有的劑量計使用 入射譜信息。有的劑量計，例如熱電子公司的EPDMk2劑量計，其具有
5一個或多個能量通道以增加劑量值的精確度。EPDMk2具有一個用于軟 Y射線(20-60 keV)的能量通道和一個用于硬y射線(50 keV-5 MeV)的通 道。在參考文獻[l]中解釋了劑量值是從兩個通道的組合中計算出來的。 參考文獻[l]指出市場上沒有顯示能量信息的有源個人劑量計。可從市場 上買到的有源個人劑量計的入射輻射能量的能量范圍位于10 keV和10 MeV之間。劑量值的相對誤差在10-30%之間變化，參見參考文獻[2]的 第147頁?？梢哉业揭恍┛蓮氖袌錾腺徺I的有源個人劑量計的列表 (T.Bolognese-Milsztajn等，卓教1#/游 個乂^#(/力^&銀新遂 展，輻射防護劑量學(xué)(2004)， VoU12， No.l， pp.141-168[參考文獻2])。 用于確定Hp的范圍在15 nSv-16 Sv之間，參見[參考文獻2]。 一些公知 的有源個人劑量計為熱電子EPD1，熱電子Mk2，Dosiman，DositecL36， MGP DMC 2000。所有這些劑量計都以積分模式工作，即它們在一個輻 射周期中通過對大量撞擊粒子釋放在感光材料中的電荷求積分而獲得劑 量值。它們不單獨分析由每一撞擊粒子分別產(chǎn)生的信號，并且不依賴于 入射輻射的能譜。 現(xiàn)有技術(shù)的討論
WO02/063339公開了一種具有由半導(dǎo)體像素檢測器陣列形成的X射 線檢測器的醫(yī)學(xué)成像裝置和設(shè)備。每個單獨的檢測器具有相連的電路和 計數(shù)器。當(dāng)X射線入射到檢測器像素上時，在半導(dǎo)體中形成許多電子-空穴對。電荷轉(zhuǎn)移到讀取電路。在用X射線束照射物體時，通過同時讀 取與陣列像素相應(yīng)的讀數(shù)，人們獲得了所述物體的圖像。然而，未給出 有關(guān)利用所述檢測器和計數(shù)器電路進行劑量確定的信息。
德國專利申請DE 10 2005 026 757公開了用于譜學(xué)上的光子劑量確 定的方法，其在本發(fā)明的優(yōu)先權(quán)日之后被公布。該方法需要一個多通道 分析儀，并因此不能在簡單便攜的設(shè)備中執(zhí)行。 >
DE 197 30 242公開了另一種用于確定光子譜的方法。當(dāng)使用多通道 分析儀時，同樣具有多通道分析儀的上述缺陷。當(dāng)使用多個窗口鑒別器 時，同一信號被這些鑒別器處理。由于產(chǎn)生電噪音，因此必須復(fù)制產(chǎn)生 低能光子的輸入信號。
WO 2005/008286公開了檢測器陣列和計數(shù)器電路在劑量確定中的使用。然而，該文獻沒有描述如何來校準設(shè)備。通過長時間的積分來確定 劑量率和劑量，并因此具有上面引用的積分型劑量計的缺陷。
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于確定一種或多種輻射特性的方法 和設(shè)備，具有高精度、高靈敏度和大的測量范圍，涉及寬能量范圍內(nèi)的 粒子通量密度，尤其是在輻射診斷范圍內(nèi)，在那里執(zhí)行實時測量。本發(fā) 明的又一目的是提供一種用于確定入射輻射的能量信息例如能譜或譜中 的最高能量的方法和設(shè)備，從而可以以非常高的粒子通量密度執(zhí)行測量。 所述設(shè)備可以用在醫(yī)學(xué)輻射設(shè)備例如X射線管的品質(zhì)保證上，或者用在
用于確定管電壓峰值(測量kVp)的設(shè)備中。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及一種用于確定一種或多種輻射特性的方 法，利用了包括一個或多個檢測器單元的傳感器，所述一個或多個檢測 器單元能夠計數(shù)撞擊到所述傳感器上的、在預(yù)定能量范圍內(nèi)或預(yù)定能量 范圍之上的所述輻射的光子數(shù)或帶電粒子數(shù)，包括以下步驟
執(zhí)行校準操作，其包括以下步驟
①產(chǎn)生輻射束k，所述輻射束產(chǎn)生已知的劑量Dk，所述輻射束為物 理產(chǎn)生的或用模型模擬的；
(ii) 確定包含在能量沉積范圍[E" E、]內(nèi)的所述輻射束的計數(shù)Nk,，所 述確定通過實際測量或通過基于所述模型進行計算而獲得；
(iii) 對于一組不同的能量沉積范圍[E,， E、]，從i=l至ijFimax重復(fù)步 驟(")；
(iv) 對于一定范圍的不同輻射束k，重復(fù)步驟(i)、 (ii)和(lli);
(v) 通過解聯(lián)立方程組確定因子L,，對于所有的k，
將傳感器置于待測輻射中，并通過測量能量沉積范圍[E,， E、]內(nèi)的計
數(shù)M來確定沉積譜；
根據(jù)以下方程式來確定劑量
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根據(jù)第二方面，本發(fā)明涉及一種用于確定一種或多種輻射特性的方 法，利用了包括一個或多個檢測器單元的傳感器，所述一個或多個檢測器單元能夠計數(shù)撞擊到所述傳感器上的、在預(yù)定能量范圍內(nèi)或預(yù)定能量 范圍之上的所述輻射的光子數(shù)或帶電粒子數(shù)，包括以下步驟 執(zhí)行校準操作，包括以下步驟
(l)產(chǎn)生能量為E^,的單能輻射束，所述輻射束為物理產(chǎn)生的或用模 型模擬的；
(ii)確定包含在一組能量沉積范圍[Ei，E、]內(nèi)的所述輻射束的計數(shù)M^ 所述確定通過實際測量或通過基于所述模型進行計算而獲得；
Ciii)通過將它們除以撞擊粒子總數(shù)而歸一化所述計數(shù)Mlk;
(nO對于一定范圍的不同單能輻射束Ekm°n°，從k=l到k=kmax重復(fù) 步驟(i)、 (ii)和(iii);
將傳感器置于待測輔射中，并通過測量能量沉積范圍[E,， E,']內(nèi)的計 數(shù)M來確定沉積譜；
通過解聯(lián)立方程組確定能譜Vk，對于所有的i，
其中，M,k為在步驟(m)中獲得的歸一化的計數(shù)。 在優(yōu)選的實施例中，輻射特性是劑量值，并且該方法還包括以下步
驟
對于每個能量Ekm°n°，利用預(yù)定的轉(zhuǎn)換系數(shù)Ck給出由單位流量產(chǎn)生
的待測劑量，對于空氣中的劑量，所述系數(shù)Ck為用于每單位流量的空氣 柯瑪?shù)腎CRU系數(shù)Kk，或者用于深度為0.07 mm的劑量的Hp(0.07)系數(shù)， 或者用于深度為10mm的劑量的Hp(lO)系數(shù)；
根據(jù)以下方程式來確定各劑量D，其中，A為所述傳感器的表面積，
D=￡k=1k=kmaxCk.Vk/A 。
在以上根據(jù)本發(fā)明第一和第二方面的方法中，解聯(lián)立方程組是通過 估計法、最大似然法或者疊代法進行的。
根據(jù)第三方面，本發(fā)明涉及一種用于確定一種或多種輻射特性的方 法，利用了包括一個檢測器單元的傳感器，所述檢測器單元能夠計數(shù)撞 擊到所述傳感器上的、在一個或多個確定能量閾值之間或之上的所述輻 射的光子數(shù)或帶電粒子數(shù)，并適合于及時修改所述能量閾值，包括以下 步驟(a) 將所述檢測器的一個或多個閾值設(shè)為選定值；
(b) 在一段時間內(nèi)計數(shù)所檢測到的能量高于所述閾值的信號數(shù)；
(c) 修改所述閾值；
(d) 重復(fù)步驟(b)和(c)直到覆蓋一 個能量范圍并獲得譜。
根據(jù)第四方面，本發(fā)明涉及一種用于測量一個或多個輻射特性的設(shè)
備，包括一個或多個檢測器單元，每個檢測器單元包括
傳感器，響應(yīng)于撞擊到所述傳感器上的所述輻射的光子或帶電粒子
而產(chǎn)生電脈沖；
一個或多個鑒別器，每一個鑒別器都具有閾值并具有用于將所述電 脈沖數(shù)值與所述閾值進行對比的裝置，并響應(yīng)于超過所述閾值的所述數(shù)
值而產(chǎn)生信號；
計數(shù)器，與每一個所述鑒別器相連，用于計數(shù)所述信號數(shù)；
所述設(shè)備包括計算單元。)，適合于從計數(shù)器的數(shù)據(jù)中計算所述輻射
的所述特性，以及控制單元(2)，適合于及時修改所述閾值和/或用于每個
檢測器單元。
所述用于對比所述電脈沖數(shù)值的裝置可以為用于將所述脈沖高度與 所述閾值進行對比的裝置。
所述用于對比所述電脈沖數(shù)值的裝置還可以包括用于積分所述電脈 沖的裝置以及用于將積分值與所述閾值進行對比的裝置。
所述輻射特性可以包括所述輻射的能譜、最大輻射能量或劑量。
可以在檢測器單元上放置吸收材料層。
優(yōu)選地，在一個或多個檢測器單元上放置多層吸收材料，每層吸收 材料都具有不同的厚度和/或包括不同的材料。
通過下文給出的非限定性的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、細節(jié)和 優(yōu)勢將會變得顯而易見。


圖1為本發(fā)明設(shè)備的示意性結(jié)構(gòu)圖。
圖2為用在圖1的設(shè)備中的檢測器單元陣列和傳感器層的透視圖。 圖3為用在本發(fā)明中的檢測器的照片，根據(jù)圖1的結(jié)構(gòu)圖制作并利 用了圖2的檢測器單元陣列和傳感器。圖4為可用于本發(fā)明的檢測器單元的結(jié)構(gòu)圖。
圖5為在檢測器單元陣列中設(shè)置8個能量沉積閾值的實施例。
圖6為在檢測器單元陣列中設(shè)置能量沉積閾值的另一實施例。
圖7為由Medipix2芯片和700微米厚的硅傳感器層組成的檢測器 裝置在40 keV能量的光子輻射下的響應(yīng)函數(shù)。
圖8顯示了高出采用掃描方法利用Mechpix2芯片-傳感器設(shè)備測量 的一系列能量沉積閾值的計數(shù)，這在來自帶鎢陽極的X射線管的光子在 40 kV電壓的輻射下進行。
圖9顯示了從利用掃描方法測量中得到的沉積譜，在來自帶鎢陽極 的X射線管的光子在40 kV電壓的輻射下進行。
圖10顯示了模擬的入射和重構(gòu)能譜，入射X射線譜來自于具有80 kV電壓和鉤陽極的管。
圖11顯示了校準所有檢測器單元的計數(shù)和，釆用了具體的實例以及 參考劑量計在帶鎢陽極的X射線源在不同管電壓的輻射下進行測量。
圖12顯示了不同吸收體在計數(shù)檢測器單元裝置上的位置。
圖13為參考劑量計的測量值，其與Medipix2芯片-傳感器組合的所 有檢測器單元的計數(shù)之和相關(guān)，在來自鎢管的X射線在40 kV管電壓的 輻射下進行。
具體實施例方式
下面，我們來區(qū)分稱為能量沉積譜或簡稱為沉積譜的沉積能譜和稱 為能譜的入射粒子能譜。 圖1
本發(fā)明的設(shè)備包括至少一個檢測器單元以及其它的組件。如在下面 將要看到的，使用多個所述的檢測器單元提供了許多優(yōu)勢。有可能使用 通過所有檢測器單元的傳感器。這就是實施例的情況。
檢測器單元包括下面的組件(部分可選的)
，吸收體(可選的)；
，傳感器；
，收集裝置(可選的)； ，轉(zhuǎn)換器； 放大器(可選的)；
，鑒別器和(可選的)積分器；
，計數(shù)器。
設(shè)備的組件包括
，計算單元2;
，傳輸單元3(可選的)；
，存儲單元4(可選的)；
，控制單元5;
，供電單元6;
，顯示器7(可選的)；
，外殼8;
傳輸單元3、存儲單元4或顯示器7中的至少一個是必需的。 圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備。檢測器單元的陣列1被設(shè)置成用于 接收輻射。入射的主方向垂直于制圖平面。現(xiàn)在詳細描述組件 吸收體
使用吸收體9是可選的。吸收體(未顯示在圖1中)位于陣列1或
其部分上。為確保檢測器單元如電極操作所需的材料不被視為吸收體。 外殼也不被視為吸收體。吸收體可位于傳感器的前面(在輻射入射的主方 向觀看)。使用不同的材料和厚度是可能的。粒子的吸收取決于它們的能 量、吸收體的材料和粒子類型。因此，能譜以材料、厚度和粒子類型相 關(guān)的方式被修正。位于不同吸收體后面的檢測器單元的信號可以被用于 確定不同粒子類型的劑量貢獻，或者獲得有關(guān)入射譜的能量信息。通過 分析在吸收體下的陰影區(qū)域的檢測器單元的信號，吸收體可以被用于確 定平均入射角。如果測量的譜或確定的劑量值可以利用該平均入射角， 則進行修正。為此，有必要將幾個檢測器單元放置到吸收體邊緣的下方。 吸收體可以以在幾個方向都圍繞著傳感器或檢測器單元的方式來放置。 傳感器
傳感器層10為材料體積(material volume),其中，入射光子或帶電 粒子例如電子、正電子或a粒子以電子/空穴對或激發(fā)能的形式沉積能量。 傳感器的材料可以為半導(dǎo)體(例如硅、GaAs或Cd(Zn)Te)或閃爍體。如果
ii使用了半導(dǎo)體，入射粒子在傳感器中產(chǎn)生被施加電場分開的電子/空穴對。 該電場由施加到半導(dǎo)體的電極上的電壓產(chǎn)生。如果使用了閃爍體，原子 的激發(fā)能被轉(zhuǎn)換為閃爍光。 收集單元
如果使用了閃爍傳感器，有可能利用光導(dǎo)或波長移動器來收集并傳 輸閃爍光到轉(zhuǎn)換器。 轉(zhuǎn)換器
當(dāng)使用半導(dǎo)體傳感器時，該轉(zhuǎn)換器為位于半導(dǎo)體傳感器內(nèi)或上的電 極。轉(zhuǎn)換器將在施加的電場中漂移到電極的電子或空穴轉(zhuǎn)換為電脈沖。 該脈沖或電荷在其持續(xù)期間流動的強度取決于傳感器中的能量沉積。當(dāng) 使用閃爍傳感器時，有必要將閃爍光轉(zhuǎn)換為電脈沖。這可以例如通過光 電二極管或光子-雪崩二極管或其它工具將光轉(zhuǎn)換為電脈沖而實現(xiàn)。
放大器
轉(zhuǎn)換器的電脈沖信號可以被電路放大。 積分器和鑒別器
如果在脈沖期間電荷在轉(zhuǎn)換器中流動是粒子沉積能量的一種好量 度，放大器或轉(zhuǎn)換器的信號被電路積分并且最少與鑒別器的一個可調(diào)閾 值進行比較。如果轉(zhuǎn)換器中的脈沖高度為粒子沉積能量的一種更好量度， 放大器或轉(zhuǎn)換器的信號不被積分，并且脈沖高度最少與鑒別器的一個可 調(diào)閾值進行對比。如果超過閾值的話，在鑒別器的輸出端出現(xiàn)脈沖。如 果應(yīng)當(dāng)使用幾個閾值的話，它可以具有在轉(zhuǎn)換器、放大器或積分器的輸 出端產(chǎn)生信號復(fù)本的優(yōu)勢，以便將一個粒子產(chǎn)生的信號與不同的閾值幾 乎同時進行對比。鑒別器以允許遞增計數(shù)器或者轉(zhuǎn)換計數(shù)器狀態(tài)的方式 連接到計數(shù)器，以便之后可以確定登記的粒子數(shù)。下面，為了簡便，我 們假定對于每個登記事件，每個計數(shù)器增加l。因此，每個計數(shù)器都計數(shù) 這樣的事件數(shù)，所述事件具有的能量沉積范圍通過鑒別器閾值來定義，
或者大于鑒別器閾值。產(chǎn)閾值的水平E,相應(yīng)于傳感器中的某種數(shù)量的能 量沉積。該閾值Ei與脈沖高度或脈沖積分的相關(guān)性可以通過模擬確定， 或者在具有已知粒子能量的輻射入射下進行測量。如果每個檢測器單元 僅使用一個閾值，有可能每個檢測器單元僅采用一個計數(shù)器工作。該計
12數(shù)器計數(shù)在傳感器中的能量沉積大于E的所有事件。我們用M標記這 些事件數(shù)。如果在檢測器單元的鑒別器中使用兩個閾值E!〈E2，兩個計 數(shù)器可以這樣與鑒別器相連，即， 一個計數(shù)器計數(shù)能量沉積大于E的所
有事件Np并且另一個計數(shù)器計數(shù)能量沉積大于E2的所有事件N2。能
量沉積范圍[E；E2]內(nèi)的事件數(shù)是N和N2之間的差Nl2二N,-N2。
如果使用三個閾值E!〈E2〈E3并且有三個計數(shù)器，如果沉積的能量
高于相應(yīng)的閾值則進行計數(shù)，以便在一特定的測量時間后，計數(shù)器顯示
數(shù)值N]， N2， N3，能量沉積范圍[En E2]內(nèi)的事件數(shù)Nl2被計算為NrN2。
能量沉積范圍[E2; E3]內(nèi)的事件數(shù)N2,3被計算為N2-N3，并且能量沉積 大于E3的事件數(shù)被計算為N3.4: =N3。如果每個檢測器單元使用三個以
上的閾值，該序列的隨后組分N,.w以類似的方式計算。
該操作原理在下面被稱為超越法，其中，如果超過相應(yīng)的閾值則增 加計數(shù)，與是否超過鑒別器的其它閾值無關(guān)。如果僅使用一個閾值，該 方法也將被稱為超越法。
如果檢測器單元具有兩個鑒別器，閾值E-E2，在某測量時間后顯
示數(shù)值NL2的計數(shù)器可以以這樣的方式與鑒別器相連，其中，能量沉積
不得不超過E,但必須不超過E2，以便增加計數(shù)值Ni,2。在這種情況下， 計數(shù)值NL2為能量沉積范圍[E" E2]中的事件數(shù)。該操作原理在下面將被 稱為窗口方法，其中，如果超過相應(yīng)的閾值且未超過某一更高的閾值則 增加計數(shù)。
有可能實現(xiàn)將超越法和窗口方法組合起來的電路。用于所有可用電
路的特性是有可能在某測量時間后得到能量沉積范圍[E,; Ew]內(nèi)的事件
數(shù)，這是通過將計數(shù)值相減1^.1+1: :NrNw或者直接使用窗口方法Nl 1+1中的計數(shù)值。優(yōu)選地，選擇閾值或窗口以便能量范圍重疊最小。如果 僅有一個鑒別器閾值是可用的，通過在某時間用恒定的閾值EJ則量，并 且隨后用改變了的閾值Ew進行新的測量，可以獲得系列N,.w。為了簡 便，我們假定Ew〉E,。
為了獲得必要的系列N,.w，不得不從在隨后的更高閾值處取得的計 數(shù)值中減去在一個閾值處取得的計數(shù)值。該操作方法在下面將被標記為 掃描方法，其中，通過在不同閾值處進行隨后的測量而獲得系列N,.w。掃描方法可以和超越法或窗口方法結(jié)合。通過使用多通道分析器確定系 列NlW在原理上是可能的。使用所述多通道分析器電子裝置的缺點是， 用于確定屬于事件的能量沉積范圍的時間太長，使得粒子通量密度的最 大值強烈地受到限制，引起系統(tǒng)的動態(tài)范圍減小。 計算單元
檢測器單元的計數(shù)器連接到計算單元，其優(yōu)選作為集成電路而實現(xiàn)。 計算單元允許對從計數(shù)器傳輸?shù)挠嫈?shù)值執(zhí)行數(shù)學(xué)運算。計算單元使用了 下面描述的一種措施計算劑量值，或者從一個或幾個檢測器單元的計數(shù) 值中獲得能量信息。使用的措施例如取決于鑒別器和計數(shù)器的操作原理 以及所需的精度。為了確定劑量率數(shù)值或粒子通量，在計算中有必要包 括有關(guān)測量時間的信息。整個系統(tǒng)因此含有產(chǎn)生或計數(shù)時間信號的電路。 也有可能在系統(tǒng)中包括計算部分時間的電路，其中，計數(shù)器能夠登記事 件。計算單元可以在計算劑量值或劑量率數(shù)值期間執(zhí)行所謂死時間的修 正。優(yōu)選地，系統(tǒng)用時間量作為用于計算劑量率數(shù)值的基礎(chǔ)，其中，檢 測器單元能夠登記事件。
傳輸單元
傳輸單元3為一種電路，其將鑒別器的脈沖、計數(shù)值或者計算單元 計算的數(shù)值傳輸?shù)酱鎯卧?、顯示器7或不屬于系統(tǒng)但用于后處理、分 析、保存或顯示的設(shè)備。這可以通過電線或通過無線通訊而實現(xiàn)。
存儲單元
存儲單元4可以用電、光或磁的方式來儲存鑒別器的信號、計數(shù)值、 計算單元的計算值或者時間信息。
顯不器
計算單元計算的數(shù)值或者有關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)的信息可以顯示在顯示器7 中。如果系統(tǒng)可以使用或者如果出現(xiàn)錯誤的話可以通知用戶。顯示器可 以顯示能量信息或者劑量值以通知用戶。顯示器7的可能實施方式為常 用的液晶監(jiān)測器或液晶顯示器。
控制單元
控制單元為向檢測器單元、計算單元、傳輸單元、存儲單元、顯示 器7和供電單元6提供電信號的電路，用于其調(diào)節(jié)或控制或同步，并且最終含有用于時間測量的電路。 供電單元
供電單元6可以用電池、電流變壓器或連到外部電源的電線而實 現(xiàn)。電源6確保為所有的電路和檢測器單元供應(yīng)電量。 外殼
外殼8容納設(shè)備的所有部件。其一個目的是保護設(shè)備不受環(huán)境的干 擾，并且保護用戶。最后，外殼具有一些窗口，其允許粒子通過而到達 傳感器。
確定能譜或劑量值的目的可以利用不同的組合得以實現(xiàn)，特征在于 例如吸收體的數(shù)量和類型、檢測器單元的數(shù)量和類型、檢測器單元中區(qū) 分和計數(shù)的方法、傳感器的類型和尺寸以及用于分析檢測器單元數(shù)據(jù)所 使用措施的類型。在本發(fā)明中描述的用于確定能譜并最終利用能譜計算 劑量值的所有裝置不得不在第一步測量沉積譜，利用不同的或變化的鑒 別器閾值來取樣。不使用先前確定的能譜來確定劑量值也是可能的。有 可能從計數(shù)值中猜測劑量值。下面描述這些測量。
入射輻射的最大粒子能量可以很容易獲得，作為最高能量范圍[Ej; Ejw]內(nèi)的范圍限制的平均值，最高能量范圍[Ej; Ejw]已經(jīng)登記了完全不同
于零的事件數(shù)Nl」w。能量沉積和檢測效率通常取決于粒子的入射角。為
了確定因子或相關(guān)曲線而執(zhí)行的模擬或測量，其實際上是在下面描述的 分析測量中，應(yīng)當(dāng)在不同的入射角下執(zhí)行，或者具有類似于輻射角分布 的角分布，其特性應(yīng)當(dāng)采用設(shè)備進行測量。
下面描述了檢測器單元裝置的一些實施方式。也詳細描述了用于確 定能譜或劑量值的措施。首先描述了幾個計數(shù)檢測器單元的裝置。
圖2
作為檢測器單元陣列1，如圖2所示，我們使用了Medipix2芯片和 700 pm厚的硅傳感器層。Medipix2芯片和傳感器層的有源區(qū)為邊長大約 14mm的正方形。Medipix2芯片包括256x256個電子單元的陣列，每個 單元包括鑒別器和計數(shù)器電子元件。傳感器層設(shè)置在具有256x256個電 極的底邊上，其通過隆焊點與Medipix2芯片的相應(yīng)單元接觸。兩個隆焊 點之間的距離是55)im。導(dǎo)電層覆蓋傳感器層IO上面的整個區(qū)域并形成
15上電極。為獲得通過傳感器層IO的電場，大約50 V的電壓被施加在傳
感器層的上下電極之間。該電壓由供電單元6施加。單個Medipix2單元 與傳感器層10的組合剛好直接位于其上，由隆焊點連接起來形成檢測器 單元。如果輻射指向傳感器層10，所述輻射的單光子或單電子可能在傳 感器層中沉積能量。結(jié)果該單光子或電子產(chǎn)生了大量電子-空穴對并被施 加的電場彼此分離。電子和空穴的數(shù)量取決于撞擊光子或電子的能量。 電子或空穴移向傳感器層下面的電極。電流流入Medipix2芯片電子單元 的輸入電極。電流脈沖被積分并且與可調(diào)閾值V^,ffi進行對比。如果積分 的電流脈沖超過閾值，則增加檢測器單元電子元件的計數(shù)。計數(shù)器在兩 個讀數(shù)循環(huán)之間最多能計數(shù)8000個事件。Medipix2芯片的電子單元具
有額外施加一個上閾值Vthr. ft的可能性。如果滿足Vth^^VfcS的條件，
計數(shù)器計數(shù)能量沉積位于相應(yīng)的閾值Vto. 和Vto. ft之間的事件數(shù)。這意 味著在這種情況下，檢測器單元在窗口方法中操作。能量精度為大約 lkeV。檢測器單元由Medipix2電子元件的256^256單元之一、隆焊球和
位于連接到隆焊球和傳感器層上面的電極之間的傳感器組成。在該實施 例中，計數(shù)檢測器單元裝置由256x256個檢測器單元組成。 圖3
圖3為Medipix2-傳感器組合的照片，并且顯示出整個裝置具有非常 緊湊的設(shè)計。所述組合能夠設(shè)計非常緊湊的劑量計。 利用幾個檢測器單元的方法和設(shè)備
每個檢測器單元設(shè)有至少一個鑒別器以及至少一個計數(shù)器。例如， 有可能將檢測器單元設(shè)置成如行和列組成的矩陣。計數(shù)器可以串行或并 行讀取。計數(shù)值可以在計算單元中被處理?？刂茊卧械碾娐反_保了計 數(shù)器能夠以定義的時間方式計數(shù)，或者在良好限定的時間內(nèi)限制計數(shù)。
使用幾個檢測器單元的一個優(yōu)勢是，釆用小有效面積的單個檢測器 單元，可以處理非常高的粒子通量密度。這導(dǎo)致涉及到粒子通量密度并 因此涉及劑量值的測量范圍具有高上限。在整個裝置的給定有效面積內(nèi) 使用幾個檢測器單元，減少了由于在檢測器單元中產(chǎn)生的脈沖暫時重疊 而引起的計數(shù)損失，這是因為一個檢測器單元的個別速率小于入射粒子 的整個速率。例如，通過使用多個檢測器單元，并且通過檢測器單元的
16特性來計數(shù)能量沉積在由鑒別器閾值限定的范圍內(nèi)的粒子，在醫(yī)療設(shè)備 的直接射束中測量能譜并且不減少用于測量的粒子通量的可能性是公開 的。將來，在醫(yī)學(xué)診斷中，像素化的計數(shù)半導(dǎo)體檢測器將被用作成像檢 測器。將來，將有可能直接利用成像檢測器確定施加的劑量值。我們發(fā) 明的措施可應(yīng)用于采用這些成像檢測器本身的信號進行劑量計算。今天， 這些成像檢測器僅達到幾平方厘米的有效面積。因此，合理地設(shè)計具有 像素化的檢測器的專用設(shè)備，用于短期或中期確定能量信息或劑量值， 以改進劑量估計的精度和靈敏度，或者便于測量能量信息。
傳感器的材料也可以是閃爍體，在相關(guān)的能量范圍內(nèi)具有高檢測效 率。檢測器單元的傳感器應(yīng)當(dāng)被光學(xué)分離，并且耦合到光敏半導(dǎo)體電子 元件上，象上述轉(zhuǎn)換器那樣工作。鑒別器和計數(shù)器-邏輯器可以作為集成 電路來實現(xiàn)。關(guān)于可達到的精度、緊密度、測量范圍以及靈敏度，使用 像素化的計數(shù)半導(dǎo)體檢測器具有一些優(yōu)勢。具有與所需的顯影時間相應(yīng) 的優(yōu)勢，這是因為已經(jīng)存在這樣一個可利用的檢測器，其可以被用在用
于確定能量信息或劑量值的設(shè)備中。該檢測器包括與硅、GaAs或 Cd(Zn)Te的傳感器層組合的Medipix2芯片。如果對低能光子使用厚傳感 器層或者具有核的高有效電荷的半導(dǎo)體材料，則光子的效率很高。由于 尺寸小，所述檢測器可以很容易用在個人劑量計中。像素化的計數(shù)半導(dǎo) 體檢測器經(jīng)受著被稱為電荷共享的影響，特別是在小檢測器單元尺寸時.。 小檢測器單元尺寸為用于粒子通量密度測量的高上閾值的基礎(chǔ)。在電荷 共享的影響下，入射粒子釋放在傳感器層中的電子/空穴分布有時被一個 以上的檢測器單元登記。該影響的主要來源是由于擴散而加寬了在所有 方向的漂移分布。該加寬有時導(dǎo)致信號高出一個以上像素的轉(zhuǎn)換器中的 閾值。因此， 一個粒子有時在一個以上的檢測器單元中被計數(shù)。而且， 能量沉積有時分布在幾個檢測器單元上。因此，在一個檢測器單元中的 能量沉積值不反映沉積的總能量。在使用閃爍體材料作為傳感器的情況 下，相鄰檢測器單元之間的光學(xué)串?dāng)_引起類似的問題。
因此，用于確定能量信息或劑量值的方法應(yīng)當(dāng)修正電荷共享或光學(xué) 串?dāng)_的效果，以增加精確度。我們發(fā)明了一種方法，其修正這些效果的 影響。該方法的基本思想是將測量的沉積譜當(dāng)作由幾個單能輻射入射引起的沉積譜的線性組合。我們將測量的離散形式的沉積譜標記為凡,1+1。
N"w為在能量沉積范圍[Ei; Ew]內(nèi)計數(shù)的事件數(shù)，其中，Er<E1+1。
能量E,。n。的單能輻射的沉積譜將被標記為Mu。My為i的一個系列。 能量沉積譜My通過除以用在模擬或單能輻射下的測量中的粒子數(shù)而被
歸一化。指數(shù)i描述了沉積譜中的位置。指數(shù)J為主能量Ejm,的指數(shù)。 My為能量為E,ono的入射粒子引起在沉積范圍[E,; Ew]中的計數(shù)事件的
概率。如果存在能量沉積范圍imax，則最少應(yīng)當(dāng)是相同數(shù)目的被測量或模 擬的不同沉積譜，然而，對于每個范圍，優(yōu)選該范圍內(nèi)最少存在一個主
能量E/^n。。存在被測量或模擬的jn^沉積譜。如果imax-jmax，對于所有
的i，主能量Er。n?？梢员贿x為(Ew+E,)/2。 Ern。也可以被選為入射輻射范
圍[&; Ew]內(nèi)的預(yù)期能量分布的平均權(quán)重值，檢測效率在該范圍內(nèi)。其 特性將采用設(shè)備來確定的測量沉積譜NLW可以寫成
/=
級數(shù)v,為入射粒子能量的預(yù)期譜的近似。這意味著v,為用接近
E,。n。的能量撞擊到傳感器上的粒子數(shù)。級數(shù)》,為離散形式的入射輻射的
預(yù)期能譜。通過確定My，檢測效率己經(jīng)包含在My中，并因此對于最后
的不完全檢測效率，^^已經(jīng)被修正。作為i中的級數(shù)的NhW和作為j中 的級數(shù)的Vj，可以被看做矢量^的組分，并且P和Mu分別被看作矩陣X7 的組分，它可以寫為^=ii^^。 P矢量為離散形式的入射輻射的預(yù)期
能譜，并可以通過矩陣求逆或通過估計法如最大似然法來計算。因此， 入射輻射的能譜被測量。采用該重構(gòu)算法，修正了類似于電荷共享或光 學(xué)串?dāng)_對重構(gòu)能譜的作用影響。本發(fā)明確定入射輻射能譜的任務(wù)因此被 解決了，并且以足夠的精確度來估計能譜。
重構(gòu)入射能譜的另一方法是首先將沉積譜中的最高能級(bm) j中的 計數(shù)與相應(yīng)能量Ejm°n°的歸一化響應(yīng)函數(shù)相乘。能級j中的能量響應(yīng)函 數(shù)為預(yù)期能譜貢獻了能級j中的計數(shù)。隨后從能級i中的計數(shù)減去能級i 中的Ef的相乘響應(yīng)函數(shù)的數(shù)值。對于所有的i〈j，執(zhí)行這個減法。因 此，在減法后，消除來自更高能級的能量粒子在能級(」-l)中的計數(shù)。 對能級(H)能量的響應(yīng)函數(shù)隨后貢獻了在該能級(j-l)中相減的結(jié)果。對能
18級(j-l)能量的響應(yīng)函數(shù)隨后與該相減的結(jié)果相乘。在所有的能級1 < )
中，從已經(jīng)修正的計數(shù)中減去該相乘的響應(yīng)函數(shù)值，導(dǎo)致對能量Ej.2m°n°
的貢獻。接連地反復(fù)執(zhí)行該過程。在該過程的每個步驟中，能級中剩余 的計數(shù)減少。最后，確定所有響應(yīng)函數(shù)的貢獻和這樣的能譜。
如果因子Ki早期通過測量或模擬而被確定的話，沉積在物質(zhì)例如空 氣或組織中的劑量D可以從確定的入射粒子能譜V,中計算。因子可以利 用能量Ej"^。在模擬或測量中確定。劑量為能量范圍在譜中的劑量貢獻 之和
,'=1
劑量率數(shù)值可以通過除以測量時間而確定，也可以由設(shè)備確定。以 足夠的精確度確定劑量值的任務(wù)因此被解決了。
也有可能不采用先前確定的沉積譜直接確定劑量值。在該方法中， 在沉積譜N,.w的每個能級中的計數(shù)乘以因子L,。因子U在測量前通過 模擬或測量而確定，利用了對預(yù)期能譜形式的估計。優(yōu)選地，測量或模
擬的譜形式類似于或等于預(yù)期的能譜形式。劑量被確定為
該方法為估計劑量值，并且不象上述方法一樣準確。沉積譜中的信
息，例如最大粒子能量，可以被用于確定比Li更加準確的某些因子Z^。 劑量將會是
狄—
有可能增加劑量值或能量信息的確定精確度。為此，首先以較大的 范圍取樣能譜。接著，計算鑒別器的閾值，并且隨后以更詳細的方式來 取樣能譜的方式應(yīng)用，能量范圍位于相應(yīng)的能量區(qū)域內(nèi)。這樣，有可能 為未知譜獲得更高的精確度。
有可能使用不在傳感器和輻射源之間放置吸收體的裝置。為了擴大 能量測量范圍，為了擴大有關(guān)粒子通量密度的動態(tài)范圍，為了確定來自 不同類型的粒子的能譜或劑量貢獻，或者為了測量平均入射角，有可能將一個或幾個吸收體放置在傳感器之間，并且入射輻射位于裝置的幾個 位置上。下面，我們解釋利用不同的鑒別器閾值調(diào)節(jié)策略的一些方法以 及采用吸收體以及未采用吸收體時使用的單獨計數(shù)分析的方法。 不利用吸收體的方法和設(shè)備
在簡單的實施形式中，每個檢測器單元具有帶可調(diào)閾值的鑒別器以 及用于計數(shù)脈沖的計數(shù)器(如果它們超過閾值的話)。
在可想象的裝置中存在兩種用于鑒別器閾值的調(diào)節(jié)策略。首先，所 有的檢測器單元可以利用相同高度的鑒別器閾值工作。第二，可以形成 檢測器單元組，其中， 一組內(nèi)的檢測器單元具有相同的鑒別器閾值，但 不同組具有不同的閾值。
對于裝置中的所有檢測器單元具有統(tǒng)一的闔值
閾值首先被設(shè)定成盡可能低。在入射輻射的能譜中可以發(fā)現(xiàn)該數(shù)值 的方向。為獲得沉積譜，采用所有的檢測器單元對超過閾值的事件計數(shù) 某一時間。在該時間后，讀取所有的計數(shù)，并且在計算單元中將所有的 計數(shù)值相加。因此，人們可獲得N。對于所有的檢測器單元，鑒別器閾 值隨后被增加。對于新的測量時間，所有的檢測器單元計數(shù)超過新閾值
的事件。讀取所有的計數(shù)并將計數(shù)值相加給出N2。閾值逐步被增加AE，
直到最高的合理數(shù)值，這取決于入射輻射。在每個步驟后，計數(shù)器確定 超過閾值的事件數(shù)，并隨后讀取以及將計數(shù)相加。如果所有的檢測器單
元在某鑒別器閾值Ew處的數(shù)值之和N^從位于先前的更低閾值E,處的 數(shù)值之和N,中減去，人們獲得能量沉積范圍[E" Ew]內(nèi)的事件數(shù)。采用 該使用掃描方法的方法，人們可以利用上述措施來重構(gòu)入射粒子能譜， 或者確定劑量值。如果檢測器單元有能力在能量沉積窗口中計數(shù)事件， 則可以應(yīng)用類似的方法。在該方法中，窗口在能譜中改變，例如范圍寬 度被固定，但改變范圍下邊界，如同為改變一個閾值所描述的。
譜中的最大能量，其例如在X射線裝置中相應(yīng)于最大管電壓，可以 很容易從測量的沉積譜中提取出來。最大能量用最高范圍的范圍邊界E,， Ew的平均值來估計，其顯示了大大不同于零的多個計數(shù)N, 1+1。
利用不同組的檢測器單元，在每組中具有統(tǒng)一的閾值但組之間具有 不同的閾值利用該閾值調(diào)節(jié)策略，人們在每組檢測器單元中設(shè)定統(tǒng)一的閾值， 并且在不同的組中設(shè)置不同的閾值。閾值不隨時間而改變?？梢杂蓹z測 器單元的連續(xù)面積形成一組。所述組的選取(位置、面積和閾值)取決于檢 測器單元的類型、粒子的類型和能量、整個裝置的幾何布置以及計數(shù)器 的讀取原理。圖5顯示了在檢測器單元陣列中有8個能量沉積閾值的裝 置的實施例，其中，鑒別器以超越法工作。圖6顯示了在檢測器單元陣 列中的能量沉積閾值裝置的另一實施例，其中，鑒別器以窗口方法工作。 盡管能量范圍被表示為連續(xù)的(即范圍的上閾值等于下一能量范圍的下閾 值)，但這不是一個必要條件。能量范圍不需要具有相同的寬度，并且可 以為了優(yōu)化測量而進行選擇。
利用該策略有可能同時測量所有沉積范圍中的事件數(shù)。在讀取計數(shù) 后，對于所有的區(qū)域，將在組內(nèi)計數(shù)的事件單獨相加。如果在組內(nèi)應(yīng)用
了閾值^，在超越法中相加的結(jié)果是N,，給出了能量沉積大于E,的事 件數(shù)。具有閾值Ew的組給出了數(shù)目N1+1。假定當(dāng)E^E2〈Ew時，不存
在具有閾值為E2的范圍。能量沉積范圍[E,; E,+]內(nèi)的事件數(shù)為Ni.1+=
NrN1+1。通過在計數(shù)檢測器單元裝置上的這種閾值分布，在其所有的能級 中同時測量沉積譜。利用上述方法，可以重構(gòu)入射輻射能譜并且可以計 算劑量值。如果檢測器單元具有鑒別器單元，其能夠計數(shù)能量沉積范圍 內(nèi)的事件，則可應(yīng)用相似的方法。在由一組檢測器組成的組中，選擇特 定的能量沉積窗口，并且不同的區(qū)域具有不同的窗口。譜中的最大能量， 例如在X射線裝置中其相應(yīng)于最大管電壓，可以很容易從測量的沉積譜 中提取出來。最大能量通過具有最高范圍邊緣的組的范圍邊緣E,, E1+l 的平均值來估計，其顯示了大量計數(shù)N,.w大大不同于零。
沒有必要使每組包括相同數(shù)目的檢測器單元。優(yōu)選地，組的面積適 合于鑒別器的工作原理(超越法或窗口方法)。為了以最佳方式利用整個 裝置的面積，如統(tǒng)計誤差最小，較好地是在不同的組中使用不同數(shù)目的 檢測器單元。這考慮到檢測效率正常地隨著入射粒子能量而改變，并且 確保最大計數(shù)值不在計數(shù)器的兩次讀數(shù)之間。在選擇組的面積時，應(yīng)當(dāng) 考慮檢測效率與能量和能量的預(yù)期譜分布之間的相關(guān)性。如果使用了半 導(dǎo)體檢測器單元裝置，優(yōu)選地，具有較高閾值的組比具有較低閾值的組
21包括更多的檢測器單元。
利用吸收體的方法和設(shè)備
將吸收體放置到計數(shù)檢測器單元裝置上可以被用作單獨的方法或與 上述方法結(jié)合起來，而上述方法不需要吸收體。放置吸收體與上述利用 閾值或窗口隨空間或時間變化的方法結(jié)合提供了改進系統(tǒng)精確度、擴展 測量范圍或者確定能譜或不同類型粒子的劑量值貢獻的可能性。在特定 的環(huán)境下，使用吸收體可以導(dǎo)致增加固定區(qū)域的統(tǒng)計誤差和整個裝置的 測量時間。將吸收體放置在許多檢測器單元裝置上是簡單可能的，這是 因為裝置可以被制造成薄片。譜的低能部分比譜的高能部分衰減更強烈。 入射粒子在吸收體中損失了某種數(shù)量的能量，這取決于吸收體的材料、 吸收體的厚度、粒子類型、能量和入射角。輻射場以特征方式被吸收體 改變。利用如ROSI [4]軟件包的程序可以測量或模擬吸收體對輻射的影 響。例如，通過對具有足夠厚度的吸收體材料的特定選擇，有可能吸收
具有低范圍的粒子，例如a-或l3-粒子。因此，位于該吸收體后面的檢測
器單元不登記這些粒子的劑量值貢獻。因此，有可能單獨確定某種粒子 類型的劑量貢獻?；旌陷椛鋱龅膭┝恐低ㄟ^將所有相關(guān)粒子類型的劑量 貢獻相加而確定。
在一種可能的實施形式中，由不同的材料和厚度組成的吸收體的幾 個薄層板被放置到多個計數(shù)檢測器單元裝置上，其中，位于每個吸收體 后面的檢測器單元組成了不同的組，每個組內(nèi)具有統(tǒng)一的鑒別器閾值。 因此，有可能在所有的能量能級中同時測量位于吸收體后的沉積譜。也 有可能將幾個具有不同材料和不同厚度的吸收體薄層板放置到多個計數(shù) 檢測器單元裝置上，并且利用位于具有相同閾值的一個吸收體后的所有 檢測器單元的鑒別器。利用掃描方法同時改變一個吸收體或所有吸收體 后面的閾值，可以確定每個吸收體后面的沉積譜。
吸收體后的能譜可以采用上述方法重構(gòu)，利用了在每個能量沉積能 級內(nèi)的計數(shù)。認識到輻射能夠穿過吸收體，有可能計算入射譜，這是因 為有可能通過測量或模擬確定吸收體對已知譜的影響。在己知入射譜的 條件下，那些模擬的或測量的譜可以和在吸收體后測量的重構(gòu)譜對比， 并因此可以確定入射譜。使用幾個不同的吸收體改進了所述計算的質(zhì)量。
22此外，為了估計劑量值而利用裝置上的吸收體進行測量是可能的。位于 每個吸收體后的所有檢測器單元采用一個不隨著時間而改變的閾值操 作。計算單元將位于所有吸收體后面的所有檢測器單元的計數(shù)值分別相 加。對于吸收體k，來自吸收體k后面的所有檢測器單元的登記事件數(shù) 為Nk雙,。為所有的k^x吸收體確定該數(shù)目。該數(shù)目正比于穿過吸收體
的粒子通量密度，并因此對于固定形式的入射譜和固定的粒子類型以及 固定的入射角，正比于入射輻射的曝光。撞擊到整個裝置上的輻射劑量
值D可以利用某因子Kk來估計。這些因子在測量前通過利用入射譜的
測量或模擬而被確定，該入射譜類似于其特性應(yīng)當(dāng)被測量的譜。
它是
D 2^是吸收休
也有可能以類似的方式使用上述方法確定來自薄膜劑量計的劑量 值、確定粒子類型、能譜和劑量值。為了將它們的原理轉(zhuǎn)移到多個計數(shù) 檢測器的裝置上，人們不得不將吸收體后的檢測器單元中的被計數(shù)事件 數(shù)目看作吸收體后面的薄膜的變黑。需要進行分析的被計數(shù)事件對粒子 類型、粒子能量吸收體(類似于變黑)的相關(guān)性不得不通過模擬或在具有已 知輻射的輻射下測量來確定。使用多個計數(shù)檢測器單元裝置避免了薄膜 劑量計由于其變黑和模糊飽和而引起的問題。也有可能通過將吸收體放 置到裝置上利用多個計數(shù)檢測器單元裝置來確定平均入射角。為了確定 該角度，不得不檢查吸收體邊緣下的檢測器單元中的事件。吸收體優(yōu)選 圓柱形。由于背離垂直入射而修正劑量值可以利用檢測效率或能量沉積 對入射角的已知相關(guān)性而進行。
采用單個計數(shù)檢測器單元的方法和設(shè)備
如果在裝置中僅使用一個檢測器單元，不利用上面解釋的吸收體進 行測量也是可能的。為了確定沉積譜，檢測器單元不得不利用改變的閾 值或窗口及時操作(掃描方法)，或者同時利用幾個不同的閾值或窗口操 作，或者采用多通道分析器操作。用于確定入射輻射的能譜或劑量值的 測量可以如上述那樣應(yīng)用。
具體實施例作為一種具體的實施例，我們使用了 Medipix2芯片和700pm厚的 硅傳感器層組合。Me&pix2芯片和傳感器層組合的有源區(qū)域為邊長大約 14 mm的方形。Medipix2芯片包括256x 256個具有鑒別器和計數(shù)器電 子元件的電子單元。傳感器層在通過隆焊點與Medipix2芯片連接的一面 上具有256x256個電極(變壓器)。兩個隆焊點之間的距離是55pm。相對 面上的電極作為連續(xù)電極而實現(xiàn)。為了獲得電場，將大約250 V的電壓 施加到傳感器層的電極上。該電壓通過供電單元6來施加。圖2顯示了 像素化的檢測器的示意圖，如果將Med^x2芯片的電子單元和變壓器電 極上的傳感器的組合視為一個單檢測器單元的話，則像素化的檢測器為 多個計數(shù)檢測器單元的裝置。圖3為Medipcc2傳感器組合的照片，并 顯示了整個裝置具有非常緊湊的設(shè)計。所述組合能夠設(shè)計非常緊湊的劑
如果光子或電子在傳感器中沉積能量，則產(chǎn)生許多電子和空穴，并 且被施加的漂移場彼此分離。電子或空穴朝向傳感器的通過隆焊點與 Medipix2芯片接觸的那個面上的電極漂移。電流流入Medipix2芯片像 素-電子元件的輸入電極。脈沖被積分并與可調(diào)閾值Vthr. te進行對比。如 果脈沖超過閾值，則增加檢測器單元的電子元件的計數(shù)。在兩次讀取循 環(huán)之間，計數(shù)器最多能夠計數(shù)8000個事件。Medipix2芯片的電子單元 有可能額外施加上閾值Vthr. b。如果滿足Vto』<Vto, 的條件，計數(shù)器 登記沉積能量在相應(yīng)的閾值Vto. te和Vto. s之間的事件。這就意味著在這 種情況下，檢測器單元在窗口方法中操作。能量精確度為大約1 keV。
檢測器單元由Medipix2的256x256個單元之一、隆焊球和位于連接 到隆焊球的電極和傳感器層上面之間的傳感器形成。在該實施例中，計 數(shù)檢測器單元裝置由256x 256個檢測器單元組成。圖1顯示了用于在緊 湊的設(shè)備中測量入射輻射的能量信息或劑量值的整個裝置的原理。在例 如由塑料制成的外殼8內(nèi)設(shè)置并電連接有例如作為Med^x2芯片和硅 傳感器層的組合而實現(xiàn)的計數(shù)檢測器單元陣列1，計算單元2，傳輸單元 3，存儲單元4，控制單元5，供電單元6和顯示器7。顯示器7例如可 以作為液晶監(jiān)測器或液晶顯示器實現(xiàn)，并且可以顯示有關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)、能 量信息或劑量值的信息。電壓之間的關(guān)系，其作為Medipix2芯片的鑒別器處的閾值而被施 加，并且相應(yīng)的能量沉積可以很容易被確定，例如通過采用放射源進行 校準。下面，供選地，閾值電壓可以被視為能量沉積值。作為例子，裝 置的檢測器單元被分為8組，從而， 一組中的所有檢測器單元采用相同 的閾值調(diào)節(jié)值來操作。有可能選擇較少的組數(shù)。我們舉例性地解釋用于8 個組的調(diào)節(jié)測量。首先，我們描述用于調(diào)節(jié)Mechpix2芯片的鑒別器閾值 的策略，其中，所有的鑒別器以超越法工作。對于在芯片檢測器單元上 的任意幾何分布的下閾值，Medipix2芯片允許最多調(diào)節(jié)8個不同的閾 值。選擇8組檢測器單元。每組都被1和8之間的一個整數(shù)i明確地識 別。不得不定義其中能量信息或劑量值應(yīng)當(dāng)被測量的能量范圍[E" E8]。 該能量范圍可以始于高于電子元件噪音的最小可能閾值。在該例子中， 人們可以選擇4 keV作為最小閾值。上閾值可以為入射輻射譜中的最高 能量。如果檢測來自X射線管的輻射，該最大值對應(yīng)于管電壓乘以電子 的電荷。
定義了最小下閾值的電壓Vthr,低被設(shè)定為E"可以為Medipix2設(shè)定 的電壓vths被設(shè)定為(Es-EO。對于組i的每個檢測器單元，二進制編碼 的整數(shù)i被用于設(shè)置下閾值的3個閾值調(diào)節(jié)位的值(在圖4稱為"3位下閾 值")。鑒別器的電子元件因此采用下閾值EfE+(i-l) 'Vths /7操作。在一 組的所有檢測器單元中設(shè)置相同的i值。在該例子中，具有閾值Es的組 計數(shù)能量沉積大于Es的所有事件。因此，在該例子中有可能得到7個能 量沉積范圍，其具有確定的邊緣。圖5舉例顯示了下閾值在Medipix2芯 片上的可能分布。各組不需要由相同數(shù)量的檢測器形成。它們不一定為 矩形。如果具有較高閾值的組比具有較低閾值的組具有更多檢測器單元 的話，這可能會導(dǎo)致有優(yōu)勢的，例如較低的統(tǒng)計誤差。為了獲得作為沉 積范圍[E,; Ew]中的一系列計數(shù)的沉積譜，對于每個組，將一組中檢測 器單元的所有計數(shù)單獨相加。對于所有的組都這樣做。在組i中，相加 的結(jié)果是Ni，并且在組i+l中，相加的結(jié)果是Nw。具有能量沉積范圍 [E1; Ew]內(nèi)的事件數(shù)量隨后是NLW二NrN,w。如果對于直到7的所有的 i都這樣做，則我們獲得了能量沉積譜作為級數(shù)NLW。 Ns為具有能量沉 積高于Es的事件數(shù)?，F(xiàn)在，我們描述Medipix2芯片的鑒別器閾值的一種不同調(diào)節(jié)策略， 從而，所有的檢測器單元在窗口方法中操作。Medipix2芯片支持在檢測 器單元裝置上的任意幾何分布中8個不同下閾值和上閾值同時操作。選 擇8組檢測器單元。用1到8之間的一個整數(shù)i明確地識別每個組。不 得不定義應(yīng)當(dāng)確定能量信息或劑量值的能量范圍[Er E9]。該能量范圍可 以始于高于電子元件噪音的最小可能閾值。在該例子中，人們可以選擇4 keV作為最小閾值。上閾值可以為入射輻射譜中的最高能量。如果檢測 來自X射線管的輻射，該最大值對應(yīng)于管電壓乘以電子的電荷。
定義最小下閾值的電壓Vthr.低被設(shè)定為E!?？梢詾镸edipix2設(shè)定的 電壓Vths被投定到(E8-E0。對于組i中的每個檢測器單元，二進制編碼 的整數(shù)i被用于設(shè)定下閾值的3閾值調(diào)節(jié)位的數(shù)值C在圖4中稱為"3位 下閾值")。鑒別器的電子元件因此利用下閾值E「E, + (i-l》Vras/7操作。 在一組的所有檢測器單元中設(shè)定相同的i值。此外，定義最小上閾值的閾 值Vto;被設(shè)定為Vto. te+VTHS/7。對于組i中的每個檢測器單元，二進 制編碼的整數(shù)i用于設(shè)定上閾值的3閾值調(diào)節(jié)位的數(shù)值(在圖4中稱為 "3位高閾值")。鑒別器的電子元件因此在窗口方法中操作，下閾值為E「 E！ + (i-l)'ViHs /7并且上閾值Ei+1= E！ + i'VTHS /7。因此，我們具有8個在 檢測器單元裝置上定義的能量范圍。測量范圍[E1; E9]被分為8個相互 連接的非重疊范圍。為了獲得沉積譜，對于所有的組，將在每組的所有 計數(shù)器中登記的事件數(shù)獨立相加。在組i中，我們得到N, 1+1作為能量沉 積范圍[E1; Ew]內(nèi)的事件數(shù)。因此，我們獲得了能量沉積譜作為i中的 級數(shù)NhW。圖6舉例顯示了組的一種可能選擇，用數(shù)字i、下閾值和上 閾值來描述。各組不一定由相同數(shù)量的檢測器組成。各組不一定為矩形。 如果具有較高閾值的組比具有較低閾值的組有更多檢測器單元形成的 話，則這一點可能是有優(yōu)勢的，例如較低的統(tǒng)計誤差。在該實施例中， 也有可能使用掃描方法。在該方法中，為所有的檢測器單元相同地設(shè)置 閾值并且逐步增加。在兩個步驟之間讀取計數(shù)。對于所有的讀取循環(huán)， 單獨將讀取的所有計數(shù)值相加。圖8舉例顯示了如果裝置被來自鎢管的 X射線照射的話，相加的計數(shù)值和用于該讀取循環(huán)的閾值之間的相關(guān)性。 如果計算出對于一個閾值相加的計數(shù)值和對于下一個較高閾值相加的計
26數(shù)值之間的差別，則得到沉積譜。圖9顯示了從圖8計算的沉積譜。
現(xiàn)在，描述用于確定劑量的方法實施例。該方法在上面以更概括的 方式進行了描述。裝置用來自鎢管的X射線照射。對于所有的檢測器單
元，下閾值被設(shè)定為4 keV。所有的檢測器單元以超越法操作。用A代 表檢測器單元的數(shù)量。為了校準通過這樣布置形成的劑量計，對于不同 的管電壓，測量了整個裝置的相加的計數(shù)值N 6與作為參照的利用劑量計 登記的劑量D，之間的相關(guān)性。二者都位于輻射源的主射束中。對于該 校準，使用的管電壓為40kV， 60kV， 80kV， 100 kV， 120 kV。比 值D參照/N總給出了取決于管電壓并因此取決于最大粒子能量的上述因子 L。圖11顯示了測量的相關(guān)性。通過數(shù)學(xué)標準測量將分析函數(shù)擬合到這 些數(shù)值。利用該函數(shù)，對于任何己知的管電壓，對于給定的陽極材料， 有可能以高精確度計算因子L。圖11中的數(shù)據(jù)的線性回歸得到L[nSv] =3.76'10—5*U[kV+ 5.17J0—3[nSv]。通過相乘測量的N總和在該能量范圍內(nèi) 的平均值L，劑量隨后可以利用裝置來確定，而沒有進一步使用參考劑量 計，并且不需要知道管電壓。在該例子中，假定管電壓在40kV和120kV 之間改變，確定劑量值的精確度達到了-15%直到+23%。
如果形成具有不同閾值的8個組，如圖5所示，則采用該裝置可以 實現(xiàn)改進的劑量計。例如，可以使用下面的閾值E產(chǎn)4keV， E2 = 24 keV， E3 = 44keV， E4=64keV， E5 = 84keV， E6=104keV， E7= 124 keV以及Es-144keV。用A,代表組i中的檢測器單元數(shù)。如果用X射 線照射裝置，用j代表未顯示大大高于零的計數(shù)的組數(shù)。以伏特來估計 的管電壓U,為(E^+Ej)/2，從而，使用電子伏特作為能量的單位。從圖 11的曲線中可以計算因子[的值，作為L(U)在U^x處的數(shù)值。將該因 子乘以在校準中使用的檢測器單元數(shù)A，并且除以組1中的檢測器單元 數(shù)A!。劑量通過D-乙A/ArN確定，其中，N,為組1中的計數(shù)值之和。 利用該方法，在管電壓在40-120 kV之間改變的條件下確定的劑量精確 度為-3.6%到+6.3%。圖13和14顯示了另外的測量值，其允許確定計 數(shù)和施加的劑量值之間的相關(guān)性。
作為用于確定能譜的重構(gòu)方法的原理證據(jù)，該方法通過將測量的能 量沉積譜分解在單能輻射響應(yīng)函數(shù)的線性組合中，我們模擬了利用帶鎢
27陽極的X射線管照射Medipix2芯片和700 pm厚硅傳感器層的裝置， 并且在蒙特卡洛(Monte-Carlo)模擬中，管電壓為80 kV。利用上面提 到的一種數(shù)學(xué)方法，從模擬的沉積譜中重構(gòu)入射能譜。圖7舉例顯示了 裝置對能量為40 keV的光子的響應(yīng)函數(shù)。
對于能量在診斷放射學(xué)能量范圍內(nèi)的光子，關(guān)于與可從市場購買的 有源劑量計相比可能適合處理的劑量率，現(xiàn)在給出了該實施例具有較大 的動態(tài)范圍的證據(jù)。我們假定硅傳感器具有的厚度為1000pm，其在技術(shù) 上是可行的。
關(guān)于劑量速率的測量范圍的上閾值受到最大計數(shù)值的限制，最大計 數(shù)值可以在兩個讀取循環(huán)之間在計數(shù)器中累計。當(dāng)前，可以用30 Hz的 頻率讀取Med^pix2芯片的計數(shù)器。有可能實現(xiàn)更高的讀取頻率。不記錄 事件的空載時間為300微秒。因此，在一秒內(nèi)，在999.7毫秒期間計數(shù) 是可能的。因此，在下面的計算中忽略空載時間。在計數(shù)期間，計數(shù)器 可以最多登記8000個事件。包括256 x 256個檢測器單元的整個裝置因 此能夠計數(shù)到7.85*109個光子/秒，從而，我們保守地假定由于電荷共享， 平均計數(shù)/光子為2。因此，裝置在一個小時內(nèi)可以計數(shù)到2.83*1013個光 子。如果將測量l nSv的個人當(dāng)量劑量Hp(10)，在該例子中，3101個光 子將撞擊到傳感器區(qū)域上。2822個光子將被檢測器單元裝置登記。因此， 我們大約計算Hp(10)=10 Sv/h的最大劑量速率。在裝置中， 一個檢測器單 元的計數(shù)速率將是大約240kHz，其在處理脈沖時不引起問題。在參考文 獻[2]中為有源劑量計列出的有關(guān)劑量率的測量值的最高上限僅為1 Sv/h。 這表明在該實施例中，裝置的測量范圍比可從市場上購買的劑量計的測 量范圍高出很多。
現(xiàn)在估計用于測量積分劑量值的計數(shù)檢測器單元裝置的測量范圍， 如在人體劑量計中一樣。積分劑量值的測量范圍的上閾值受到最大計數(shù) 的限制，該最大計數(shù)可以在計數(shù)器和計算單元中被處理。從上面給出的 對最大劑量率的估計中，很明顯看出測量幾百個Sv的最大積分劑量值不 是技術(shù)問題?，F(xiàn)在估計測量范圍的下閾值。在輻射場中，其沉積1 nSv 的個人當(dāng)量劑量Hp(10)(括號內(nèi)，我們?yōu)镠p(0.07)指出相應(yīng)的數(shù)值)，光 子能量為15keV，大約3101(632)個光子撞擊到Medipix2-傳感器裝置上。在這些光子中，大約2822 (576)個光子將被登記和計數(shù)。在該例子中，用 于確定個人當(dāng)量劑量值的相對統(tǒng)計誤差因此大約為1.9 (4.2)%。在100 keV光子能量下，用于確定個人當(dāng)量劑量值Hp(10)(Hp(0.07))的統(tǒng)計精度 可以被估計到9.0 (8.7) %。在測量Hp(10)時，參考文獻[2]中列出的有源 劑量計的最大測量范圍僅為15 nSv到16 Sv(利用EPDMk2實現(xiàn))。因此， 證明了本發(fā)明的劑量計比可從市場上購買的劑量計具有更大的測量范 圍，從而擴展測量范圍是很容易的，增加了裝置的有效面積。這可以通 過在一個個人劑量計中利用幾個Medip1X2芯片和傳感器層裝置而進 行。
圖12舉例顯示了計數(shù)檢測器單元裝置的視圖，吸收體l-6放置到裝 置上。在我們例舉的以Medipix2-傳感器組合作為計數(shù)檢測器單元裝置 中，這一點很容易實現(xiàn)。主入射方向垂直于制圖平面。例如，可以使用
下面的材料:
1號塑料，例如PMMA，1 mm
'2號銅；0.05 mm厚度
'3號銅；0.5 mm厚度
.4號銅；1.2 mm厚度
鉛；0.7 mm厚度
.6號銅；2 mm厚度
吸收體6可以被用于確定平均入射角。通過利用本發(fā)明的方法和設(shè)備，考慮到劑量和粒子通量密度、大動 態(tài)范圍、更高的線性和通過確定入射輻射的能譜增加測量的劑量值精確 度的可能性，人們可以以更好的靈敏度實時測量劑量、劑量率、能譜。 確定入射能譜大大改進了劑量值的精確度，尤其是散射。
權(quán)利要求
1、一種用于確定一種或多種輻射特性的方法，利用了包括一個或多個檢測器單元的傳感器，所述一個或多個檢測器單元能夠計數(shù)撞擊到所述傳感器上的、在預(yù)定能量范圍內(nèi)或預(yù)定能量范圍之上的所述輻射的光子數(shù)或帶電粒子數(shù)，包括以下步驟執(zhí)行校準操作，其包括以下步驟(i)產(chǎn)生輻射束k，所述輻射束產(chǎn)生已知的劑量Dk，所述輻射束為物理產(chǎn)生的或用模型模擬的；(ii)確定包含在能量沉積范圍[Ei，E`i]內(nèi)的所述輻射束的計數(shù)Nki，所述確定通過實際測量或通過基于所述模型進行計算而獲得；(iii)對于一組不同的能量沉積范圍[Ei，E`i]，從i＝1到i＝imax重復(fù)步驟(ii)；(iv)對于一定范圍的不同輻射束k，重復(fù)步驟(i)、(ii)和(iii)；(v)通過解聯(lián)立方程組確定因子Li，對于所有的k，Dk＝∑i＝1i＝imaxLi·Nki將傳感器置于待測輻射中，并通過測量能量沉積范圍[Ei，E`i]內(nèi)的計數(shù)Ni來確定沉積譜；根據(jù)以下方程式來確定劑量D＝∑i＝1i＝imaxLi·Ni。
2、 一種用于確定一種或多種輻射特性的方法，利用了包括一個或 多個檢測器單元的傳感器，所述一個或多個檢測器單元能夠計數(shù)撞擊到 所述傳感器上的、在預(yù)定能量范圍內(nèi)或預(yù)定能量范圍之上的所述輻射的光子數(shù)或帶電粒子數(shù)，包括以下步驟 執(zhí)行校準操作，包括以下步驟(i)產(chǎn)生能量為E^。n。的單能輻射束，所述輻射束為物理產(chǎn)生的或用模型模擬的；(")確定包含在一組能量沉積范圍[^，￡'1]內(nèi)的所述輻射束的計數(shù)1^&， 所述確定通過實際測量或通過基于所述模型進行計算而獲得； (iii)通過將它們除以撞擊粒子總數(shù)而歸一化所述計數(shù)Mlk;(iv)對于一定范圍的不同單能輻射束Ekm°n°，從k=l到k=kmax重復(fù)步驟(i)、 (ii)和(iil);將傳感器置于待測輻射中，并通過測量能量沉積范圍[&， E門內(nèi)的計數(shù)N,來確定沉積譜；通過解聯(lián)立方程組確定能譜Vk，對于所有的1，
3、 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，所述的輻射特性為劑量，并包括以下步驟對于每個能量Ekm°n°，利用預(yù)定的轉(zhuǎn)換系數(shù)Ck給出由單位流量產(chǎn)生的待測劑量，對于空氣中的劑量，所述系數(shù)Ck為用于每單位流量的空氣 柯瑪?shù)腎CRU系數(shù)Kk，或者用于深度為0.07 mm的劑量的Hp(0.07)系數(shù)， 或者用于深度為10mm的劑量的Hp(10)系數(shù)；根據(jù)以下方程式來確定各劑量D，其中，A為所述傳感器的表面積，D^"狀CkUA 。
4、 根據(jù)前述任一項權(quán)利要求的方法，其特征在于解聯(lián)立方程組的步驟通過估計法、最大似然法或者疊代法進行。
5、 一種用于確定一種或多種輻射特性的方法，利用了包括一個檢測 器單元的傳感器，所述檢測器單元能夠計數(shù)撞擊到所述傳感器上的、在 一個或多個確定能量閾值之間或之上的所述輻射的光子數(shù)或帶電粒子數(shù)，并適合于及時修改所述能量閾值，包括以下步驟(a) 將所述檢測器的一個或多個閾值設(shè)為選定值；(b) 在一段時間內(nèi)計數(shù)所檢測到的能量高于所述閾值的信號數(shù)； (C)修改所述閾值；(d)重復(fù)步驟(b)和(C)直到覆蓋一個能量范圍并獲得譜。
6、 一種用于測量一個或多個輻射特性的設(shè)備，包括一個或多個檢測 器單元，每個檢測器單元包括傳感器，響應(yīng)于撞擊到所述傳感器上的所述輻射的光子或帶電粒子 而產(chǎn)生電脈沖；一個或多個鑒別器，每一個鑒別器都具有閾值并具有用于將所述電 脈沖數(shù)值與所述閾值進行對比的裝置，并響應(yīng)于超過所述閾值的所述數(shù)值而產(chǎn)生信號；計數(shù)器，與每一個所述鑒別器相連，用于計數(shù)所述信號數(shù)； 所述設(shè)備包括計算單元(2)，適合于從計數(shù)器的數(shù)據(jù)中計算所述輻射 的所述特性，以及控制單元(5)，適合于及時修改所述閾值和/或用于每個檢測器單元。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其特征在于所述用于對比所述電脈沖數(shù)值的裝置為用于將所述脈沖高度與所述閾值進行對比的裝置。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其特征在于所述用于對比所述電脈沖數(shù)值的裝置包括用于積分所述電脈沖的裝置以及用于將積分值與所述閾 值進行對比的裝置。
9、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的設(shè)備，其中，所述輻射特性包括所述輻射的能譜或最大輻射能量或劑量。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7-9中任一項的設(shè)備，其中，在檢測器單元上放置 吸收材料層。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10的設(shè)備，其中，在一個或多個檢測器單元上放 置多層吸收材料，每層吸收材料都具有不同的厚度和/或包括不同的材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于確定一種或多種輻射特性的設(shè)備和方法，采用了包括一個或多個檢測器單元的傳感器，所述一個或多個檢測器單元能夠計數(shù)撞擊到所述傳感器上的、在預(yù)定能量范圍內(nèi)或預(yù)定能量范圍之上的所述輻射的光子數(shù)或帶電粒子數(shù)。
文檔編號G01T1/02GK101454689SQ200780004730
公開日2009年6月10日 申請日期2007年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月9日
發(fā)明者A·科恩, D·尼德洛納, G·安頓, J·多爾斯特, M·博尼爾, M·弗欣格, T·米切爾 申請人:埃朗根-紐倫堡弗里德里克-亞歷山大大學(xué)