專利名稱：輻射探測器的制作方法
技術領域：
本發明涉及監測核輻射的方法及監控核輻射的傳感器和裝置。
由經過選擇的放射源的核輻射治療諸如癌患者已屬公知。為使這種治療收到最大的效果并使副作用減至最小，重要的在于要監測釋放的輻射劑量并確保將這種劑量送至正確的部位。
用Co60源的輻射及電子束消毒醫用制品以及處理食品以延長其貯存期也都是愈來愈成為公知的了，為使這類處置收到最大的效果，重要的在于要監測加到各制品或包裝的輻射劑量，并確保加到包裝內所有制品的劑量均在國際公認的限制以內。
按照本發明，一種監測核輻射的方法包括取一氮雜質濃度小于150PPm的金剛石傳感元件;
使該傳感元件受到核輻射的作用;
用選定波長或波長范圍的光激發該傳感元件;
監測由該傳感元件產生的發射光。
本法最好包括用同一光波導激發傳感元件及監測從它所產生的發射光。
該光波導可為光纖;傳感元件置于光纖的第一端，激發光加在光纖的第二端，所產生的發射光也在光纖的第二端受到監測。
光纖的第二端最好有一輸入部分和一輸出部分，激發光就加到輸入部分，所產生的發射光則由輸出部分監測。
所產生的發射光可穿過一濾光片，該濾光片透過與所產生的發射光相對應的頻譜范圍的光。
通過濾光片的發射光由光電倍增裝置得到放大，給出一個與發光強度相對應的電信號，此電信號經處理，得到入射到傳感器上的輻射強度的顯示。
傳感元件可用作體內輻射傳感器，這種情況下，將其放在受到輻照的位置。
傳感元件可放到患者體內，或放入人體的開口內。
傳感器可放在已置于患者體內的第一探針或醫用導管中。
可將至少一個核輻射源放到第二探針或導管中，第二探針或導管被放在患者體內，靠近第一探針或導管附近。
本法還可包括相對于傳感元件調整放射源位置，從而得到總照射劑量和劑量特性曲線。
在本發明的又一實施例中，傳感元件可設在被照射的物體上或附在其上。例如，可借助粘附劑將傳感器附著在物體上。
本法可包括按規定的標準，根據所監測的由傳感元件產生的發射光調整所加的核輻射和輻照時間，輻照強度或作用位置的步驟。
進而，按照本發明的監測核輻射的傳感器包括一個選擇其氮雜質濃度小于150ppm的金剛石輻射傳感元件;
一個適于附著或固定到傳感元件上的光波導，該光波導有一個可將選定波長或波長范圍的光送入以激發傳感元件的輸入部分和一個可將來自傳感元件所產生的發射光引至監測裝置的輸出部分。
光波導最好為光纖，具有固定到或裝在傳感元件上的連接位置處的第一端和分叉的第二端，形成傳感器的輸入部分和輸出部分。
光纖可具有借助諸如膠粘劑或夾緊裝置固定到或安裝在傳感元件上的連接位置處的第一端和分叉的第二端，以形成傳感器的輸入部分和輸出部分。
按照本發明的又一實施例，監測核輻射的傳感器包括一個選擇氮雜質濃度小于150ppm的金剛石傳感元件;
一個不透光的室確定一腔，傳感元件就支撐于其中;
一個探頭，它可與室內的腔相結合，包括至少一個具有輸入部分和輸出部分的光波導，輸入部分可送入選擇波長或波長范圍的光，以激發傳感元件;輸出部分可將傳感元件所產生的發射光引向監測裝置。
探頭最好至少支承第一光纖，它具有可送入選定波長或波長范圍光的輸入部分和將光引至傳感元件以激發之的輸出部分;探頭還支承第二光纖，它具有接收由傳感元件所產生的發射光的輸入部分和將該發射光引向監測裝置的輸出部分。
探頭可包括一管狀主體，第二光纖就軸向地配置于其中，還有若干個第一光纖圍繞并平行于第二光纖而配置，使得來自第一光纖輸出部分的光引至所用的傳感元件外圍的區域。同時，來自傳感元件內部區域的發射光由所用的第二光纖內部所接收。
不透光室的腔可用一個膜來封閉。當探頭與該腔接觸時，探頭的尖可穿透該膜。
不透光室可包括諸如粘附層的緊固裝置，以將該室固定在一個表面上。
最好選擇傳感元件氮雜質濃度在10～150ppm之間;最好是在10至60ppm之間。
還可選擇本傳感元件具有0.1至10ppm范圍內的硼濃度。
進而，按照本發明的監測核輻射的裝置包括一個如上所述的傳感器，一個用以產生選定的波長或波長范圍的光的光源，以及可以接收來自該傳感器的發射光的監測裝置。
光源可包括電燈(如水銀燈)、發光二極管(LED)或激光裝置，它們給出紫外或近紫外范圍的強輸出。
監測裝置可包括光電倍增管或者其它光放大裝置。
光電倍增管可帶有濾光片，它透過予先選定的與所期望從傳感元件來的發射光相對應的波長范圍的光，并截止從光源來的光。
最好選擇濾光片透過波長在420到550nm之間的光。
最好濾光片通過波長在516至536nm之間的光。
本監測裝置可包括放大裝置，用來放大光電倍增裝置的輸出，還包括處理裝置，用來得到入射到傳感元件的輻射強度的顯示。
圖1a、1b和1c是本發明裝置的一個實施例的示意圖;
圖2a和2b是另一實施例的示意圖;
圖3、4和5是本發明輻射傳感元件的響應曲線圖。
用核放射源照射患者的腫瘤存在許多問題。特別是那些輻射必須送到深處部位，而對所加的輻射劑量做體內測量是極為困難的。
圖1a表示一個輻射傳感器，由光纖12端部的一個小金剛石元件10所組成，所示的傳感元件10有一平坦的接觸面靠近或者鄰近光纖的端部，以便在二者之間有良好的光傳輸。傳感元件10的直徑一般小于1毫米，光纖12的直徑更細。傳感元件可以機械地固定或夾在以光纖為基準的位置上，或者可用適當的膠粘劑或接合劑固定。
金剛石傳感元件具有與熱釋光探測器用的傳感元件相類似的特性。金剛石的氮雜質濃度小于150ppm，而且最好在10到150ppm之間。最佳的氮雜質濃度范圍在10至60ppm之間。這種金剛石屬于低到中等氮濃度類。比較理想的是，傳感元件還包含濃度在0.1到10ppm之間的少量硼雜質，以改善傳感器響應的直線性。
金剛石傳感元件可選擇天然金剛石，不過通常為用常規技術制成的金剛石。譬如，傳感元件可以是人造金剛石晶體，或者可包含一層用化學汽相淀積(CVD)方法在基底上沉積結晶金剛石或多晶金剛石。后一種情況下，要得到具有易于附在光纖口端部的平面的傳感元件，則相對地講要容易些。
光纖的遠離傳感元件10的一端分叉成為輸入部分14和輸出部分16。輸入部分14與能給出包含紫外輻射輸出的水銀燈18相連。輸出部分16經濾色片22與光電倍增管20相連。光電倍增管20的輸出經放大器24連到監測電路26。光纖可能相當長，譬如在25到50厘米之間，并可插入一中空的皮下探針28中，探針具有密封的端部以及大約為1毫米或更小的內徑。為將傳感器放入患者體內，將探針28插入到選定位置所需深度，然后可將傳感器自探針的開口端送入其中。
圖1b中所表示的第二探針30靠近探針28附近。探針30中插有包含細鋁絲或鋼絲32的核放射源絲，沿著細絲的長度方向間隔地帶有多個放射源34。例如，放射源34可由銥(同位素Ir192)組成，這是β和γ源。每個源34的直徑約為0.5毫米，長為幾毫米。使用時，在任何時刻都可插入幾個帶放射源的探針，此如在一個部位處可使用多達18個探針。通常應將源絲以予定的次序插入所選定的探針中。
圖1c表示圖1b結構的變型。在這種結構中，探針30是一樣的，但細鋁絲或鋼絲32的端部帶有單獨一個放射源34。使用時，將探針30插入患者體內，將若干個帶有輻射傳感元件10的探針28按予定的排列方式插在它周圍。將放射源34完全插入探針30中或插到一個予定的深度，然后定時地分階段抽出，使其沿著探針30的長度方向上予定的點維持一希選定的停留時間，于是，就施加了予定的輻射劑量，它具有所需的劑量曲線。處在探針28內的傳感元件10圍繞著探針30，可以精確地監測所加的劑量。換句話說，可以監測瞬時測得的劑量，并改變探針30的位置，和/或改變放射源34在探針30中的位置，得到所需的總劑量和劑量曲線。通常要計算這種劑量和計量曲線，以便使患者體內的腫瘤或者其它靶區受到予定劑量的輻照。
也可使用柔韌的醫用導管代替堅硬的探針28和30來容納輻射傳感元件10和放射源34。在某些應用中，使用柔韌導管可能更好些。
金剛石傳感元件受到來自鄰近的輻照探針中放射源絲的放射性的作用。因而，該傳感元件可用來實時地監測一個特定部位的輻照劑量。如果此傳感元件受到紫外光照(或者可能的話受到其它波長光的照射)作用，那么它就要被激發以發射光，發光的強度和光譜都與入射到傳感元件的輻射強度及類型有關。這樣，為了監測在選定的部位的輻射強度，用來自燈18的光照射傳感元件一段予定的時間，再經光纖的輸出部分及濾光片22將由傳感元件產生的發射光送至光電倍增管20。濾光片22透過516至536nm范圍內的發射光，當用波長接近296nm的紫外光激發傳感元件時，其發射譜在420至550nm范圍內表現很強的發光。當然，也可以使用具有在420到550nm范圍內稍微不同的透過帶寬的濾光片，濾光片的用途在于透過金剛石傳感元件發射的光，而不透激發光。圖3表示發明中所用的金剛石傳感元件的響應特性，它是經γ輻射照射后，由296nm的紫外光激發的。圖4表示對于各種輻照時間傳感元件的響應特性。
可將光電倍增管的輸出送至放大器24，再送到監測電路26，以便進一步處理。監測電路26可以簡單地是一顯示器，在任何特定時刻給出入射到傳感器元件10上的輻射強度的顯示。不過，在較為復雜的裝置中，監測電路26包括帶輔助存儲器的處理電路，用以記錄作為時間函數的測得的輻射水平。這種裝置可有多條輸入通道，接收多個傳感器的輸出。這種裝置還可給出輸出以直接或間接地控制對患者的輻照。
可用紫外激光器、發光二極管(LED)或其它光源代替水銀燈18。任何能從照射的金剛石傳感元件激發有用的發射光的光源均可使用。最好選擇波長在296nm左右的紫外光，不過也可使用波長小于約400nm的近紫外范圍的光。某些情況下還可使用可見光。圖5表示使用兩個不同的激發光源自被照射的金剛石傳感元件發射的光強(相對于金剛石傳感元件的質量)。圖5中左邊的曲線表示傳感器對波長為405nm的近紫外光的響應，而右邊的曲線表示傳感器對波長為296nm的紫外光的響應。較長波長的光與金剛石傳感器中的淺層陷阱相互作用，所有的載體陷阱均由較小輻照劑量所引起，而較短波長的光激發強輻射劑量所引起的深層陷阱載體。兩種情況都可看到輻射劑量與發射的光強之間的關系在很寬的范圍內基本都是線性的。一般地說，激發光源應當產生比期望由傳感器發射的光波長短的光。光電倍增管20及與之相連的濾光片22可由其它光敏裝置所代替。
本發明使得可對加給患者的輻射劑量做精確的體內監測，即使將輻射加到患者體內較深的部位。金剛石傳感元件良好的組織等價性改善了輻射測量的可靠性。
本發明的各種其它應用都是可能的。譬如，本發明的傳感器可用于塑料加工以及食品包裝/處理的應用中。在這些情況中，熱讀出是不實際的，在塑料加工情況下還涉及到高放射性等級(10000戈瑞)。在核動力工業中，本發明的傳感器可用來測量停堆期間或運行中的輻射等級。這里的傳感器中不用電導體以及光纖耐照射都是有價值的。本發明的探測器尺寸小，使用方便以及它們適于進行現場顯示，這些都使本發明的探測器可用于對泄漏的放射性示蹤。
圖2a和2b表示本發明的第二個實施例。圖2a表示一個探測頭或探針，它包括一個外部金屬管30，沿著管子內表面軸向地布置有一套光纖32。光纖32與一輸入光纖34相連，可將來自水銀燈36或者類似光源的選定波長的光送給光纖34。此探頭還包括一個進一步容納光纖40的中央金屬管38。圖中光纖40在探頭的最左端處有一輸入部分，還有一個輸出部分42，它把由輸入部分測得的光引至光電倍增管44或類似的裝置中。
正如圖1a、1b和1c的實施例那樣，光電倍增管裝有濾光片46并向放大器48及監測電路50給出一個輸出。
圖2b表示一個傳感元件。該傳感器有一不透光的室52，它下帶有一層雙面膠粘帶或者其它的膠粘材料54，以將該傳感器固定在要輻射的物品或包裝物上。傳感器內部是一個具有平的上表面且直徑一般小于1毫米的金剛石傳感元件56。在其它方面，傳感元件56與圖1a的傳感元件10相類似。傳感器室的頂部58由可被探測器尖端穿透的橡膠制成。本傳感器可像一個鈕扣電池那樣小。
使用本傳感器時，用雙面膠粘帶54將其附著于選定的產品或包裝物上。輻照處理之后，將探測器或探頭的尖端壓入保護傳感元件56的橡膠部分58中，使探頭的端部靠緊傳感元件。使燈36工作，經光纖32的輸出端照明傳感元件56一段預定的時間，則傳感元件產生的發射光由光纖40的輸入端所測得，再經其輸出部分42，經濾光片46送至光電倍增管44。
在一個相對地簡單些的裝置方案中，監測電路50可以簡單地為一顯示器，給出被傳感元件56所接收的輻射劑量的顯示。不過，在比較復雜的裝置方案中，可將監測電路50構成使測量的輻照劑量與條型碼閱讀器和輸入信號有關，從而使輻量劑量與由條型碼所標志的特定物品或包裝相關連，以便進行質量控制。
該實施例特別適于監測強放射性劑量，比如用于輻射消毒業及輻照處理業中。小型傳感器52可用來監測加到物品的選定部位(無論在其表面亦或內部)的輻照劑量。使用波長為296nm的激發光可進入金剛石傳感元件內較深的陷獲能級，這種能級主要對強放射性劑量靈敏。金剛石的原子序數為6，這就使得所描述的這類傳感器特別適用于監測加于低原子序數的材料或制品，如皮下注射器、食品及某些醫藥制品的照射劑量。
權利要求
1.一種監測核輻射的方法，包括取一個氮雜質濃度小于150ppm的金剛石傳感元件；使該傳感元件受到核輻射的作用；用選定波長或波長范圍的光激發該傳感元件；監測由該傳感元件產生的發射光。
2.一種如權利要求1所述的方法，包括利用同一光波導激發該傳感元件元件及監測由該元件所產生的光發射。
3.一種如權利要求2所述的方法，其中共用的光波導為光纖，傳感元件設置在光纖的第一端，激發光加于光纖的第二端，所產生的發射光也在光纖的第二端監測。
4.一種如權利要求3所述的方法，其中光纖的第二端有一輸入部分和一輸出部分，激發光加在輸入部分，所產生的發射光通過輸出部分來監測。
5.一種如權利要求3或4所述的方法，其中所產生的發射光穿過一個濾光片，濾光片透過預定的與所希望產生的發射光相對應的頻譜范圍的光。
6.一種如權利要求5所述的方法，其中經過濾光的發射光由光電倍增裝置放大，給出一個與發射光強度相對應的電信號，該電信號經處理得出入射到傳感器上的輻射強度的顯示。
7.一種如權利要求1至6中任一項所述的方法，其中傳感元件被置入插入患者內的第一探針或醫用導管內。
8.一種如權利要求7所述方法，其中將至少一個放射源置于第二探針或醫用導管內，第二探針或導管插入患者體內，靠近第一探針或醫用導管。
9.一種如權利要求1至6中任一項所述的方法，其中將傳感元件置于或附著于接受核輻照的物體上。
10.一種如權利要求1至9中任一項所述的方法，包括按照規定的標準，根據所監測的由傳感元件所產生的發射光調整所加給的核輻射的輻照時間、輻照強度及作用部位的步驟。
11.一種如權利要求10所述的方法，包括調整至少一個放射源相對傳感元件的位置，得到所需要的總照射劑量和劑量特性曲線。
12.一種監測核輻射的傳感器，包括一個金剛石輻射傳感元件，其氮雜質濃度小于150ppm;一個適于附著于或固定于傳感元件上的光波導，該光波導具有能供送激發傳感元件的選定波長或波長范圍的光的輸入部分，和能將由傳感元件產生的發射光引至監測裝置的輸出部分。
13.一種如權利要求12所述的傳感器，其中光波導為一光纖，光纖的第一端固定于或靠近裝在傳感元件的接觸部位，光纖的第二端分叉，形成傳感器的輸入部分和輸出部分。
14.一種如權利要求13所述的傳感器，其中傳感元件由粘接方式裝到光纖的第一端。
15.一種如權利要求13所述的傳感器，其中傳感元件和光纖的第一端由機械夾緊裝置接觸安裝在一起。
16.一種監測核輻射的傳感器，包括一個金剛石輻射傳感元件，其氮雜質濃度小于150ppm;一個不透光的室確定一空腔，傳感元件支承于腔內;一個可與室內的腔相接觸的探頭，探頭包括至少一個光波導，光波導具有可供給激發傳感元件的選定波長或波長范圍的光的輸入部分和可將由傳感元件產生的發射光引至監測裝置的輸出部分。
17.一種如權利要求16所述的傳感器，其中探頭支承著至少一個第一光纖，它具有可供送選定波長或波長范圍的光的輸入部分和將此光引至傳感元件上并激發之的輸出部分，探頭還支承著第二光纖，它具有可接收由傳感元件產生的發射光的輸入部分和將此發射光引到監測裝置的輸出部分。
18.一種如權利要求17所述的傳感器，其中探頭包括一管狀主體，沿著主體的軸向布置有第二光纖，在第二光纖周圍并與之平行地布置著多個第一光纖，從而來自第一光纖輸出部分的光引至傳感元件的外部區域，而來自傳感元件內部區域的發射光由第二光纖輸入部分所接收。
19.一種如權利要求17或18所述的傳感器，其中不透光室的腔由薄膜封閉，當探頭與腔相接觸時，探頭的尖端可穿過該薄膜。
20.一種如權利要求17至19中任一項所述的傳感器，其中不透光的室包括將該室固定到一個表面上的緊固裝置。
21.一種如權利要求13至20中任一項所述的傳感器，其中金剛石傳感元件具有10至150ppm的氮雜質濃度。
22.一種如權利要求21所述的傳感器，其中傳感元件具有10至60ppm的氮雜質濃度。
23.一種如權利要求21或22所述的傳感器，其中傳感元件具有0.1至10ppm范圍內的硼濃度。
24.一種監測核輻射的裝置，包括如權利要求12至23中任一項所述的傳感器，用以產生選定波長或波長范圍光的光源和用來接收由傳感器產生的發射光的監測裝置。
25.一種如權利要求24所述的裝置，其中光源給出紫外或近紫外范圍內的強輸出。
26.一種如權利要求25所述的裝置，其中光源為水銀燈、發光二極管或激光裝置。
27.一種如權利要求24至26中任一項所述的裝置，其中監測裝置包含光電倍增裝置。
28.一種如權利要求27所述的裝置，其中光電倍增管帶有濾光片，濾光片透過預定的與所期望由傳感元件產生的發射光相對應的頻譜范圍的光，并截止來自光源的光。
29.一種如權利要求28所述的裝置，其中濾光片透過波長在420至550nm的光。
30.一種如權利要求29所述的裝置，其中濾光片透過波長在516至536nm的光。
31.一種如權利要求24至30中任一項所述的裝置，其監測裝置包括用以放大光電倍增裝置輸出的放大裝置和用來顯示入射到傳感元件上的輻射強度的處理裝置。
全文摘要
一種監測核輻射的方法，包括取一氮雜質濃度小于150ppm的金剛石輻射傳感元件，該傳感元件受到核輻射的作用，同時用選定波長或波長范圍(最好在紫外或近紫外范圍)的光激發傳感元件，由該傳感元件產生發射光。通常，該傳感元件裝在光纖的端部，光纖的另一端用來將激發光引至傳感元件并將由傳感元件產生的發射光引至光電倍增管。本發明包括實施此法的裝置。
文檔編號G01T1/02GK1082201SQ9310448
公開日1994年2月16日 申請日期1993年3月12日 優先權日1992年3月12日
發明者B·L·瓊斯, 梁禮祥, S·阿賴康姆, R·J·凱迪 申請人:德比爾斯工業鉆石部門有限公司