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CN101535835A - 用于辐射检测装置的性能校验和稳定的方法和设备 - Google Patents

用于辐射检测装置的性能校验和稳定的方法和设备 Download PDF

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CN101535835A
CN101535835A CNA2007800323792A CN200780032379A CN101535835A CN 101535835 A CN101535835 A CN 101535835A CN A2007800323792 A CNA2007800323792 A CN A2007800323792A CN 200780032379 A CN200780032379 A CN 200780032379A CN 101535835 A CN101535835 A CN 101535835A
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CN
China
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radiation
lutetium
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compound
source
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Pending
Application number
CNA2007800323792A
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English (en)
Inventor
迈克尔·艾瓦特斯臣科-博霍
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Thermo Fisher Scientific Inc
Original Assignee
Thermo Electron Corp
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    • G—PHYSICS
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Abstract

在各种形状和尺寸的检查源中使用化合物形式的稀土金属镥，用于校准和调节辐射检测装置。辐射镥－176，构成镥化合物一部分的天然存在的同位素(非人造)，产生在校准中使用的大约90、200和300千电子伏的伽马能。这种伽马能接近诸如U－235和Pu－239的特殊核材料的主要谱线，其通过辐射检测装置监控。在辐射校准源中的镥(其可以集成进辐射检测装置或在校准期间靠近辐射检测装置定位)提供了这样的好处，包括在制造或使用期间对于产生人造辐射性不需要反应堆或加速器，不出现危险的辐射暴露并且(由于镥－176的长的半衰期)辐射校准源基本上永远不需要替换。

Description

用于辐射检测装置的性能校验和稳定的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于校准辐射检测装置的辐射源，更详而言之，涉及含镥检查源、它们的制造以及它们的使用。
背景技术
美国国土安全部的要求包括对能够灵敏检测从隐藏辐射性材料发出的伽马辐射的装置的需求(例如，根据美国国家标准机构(ANSI)的标准，如ANSIN 42.32)。很多钢厂和废料场也关注被称为孤立源(orphane source)的潜在危险熔化，孤立源可能被包含在废料内或由其向外输出。甚至垃圾和废物焚烧场在它们的门和人员身上配备用于检测这种辐射能的监控器。可以配置商业可买到的高敏便携式或移动式伽马辐射仪，用于检测非常小量的辐射能。
一些传统的辐射检测仪器只通过装置显示感应到所检测的伽马射线的数量(即计数)，而其他传统辐射检测装置能够测量和显示由装置检测的伽马辐射场的辐射剂量。根据使用的装置，这种装置的操作者可以设置单位时间单元所检测的粒子的绝对数量或所测量的辐射剂量的警告阈值。一些辐射检测系统被构造用于当伽马辐射的各自计数或辐射剂量超过与背景水平有关的阈值时产生警告。
在实际使用之前且优选地在它们的使用寿命期间定期的基础上，典型地应该根据已知的标准校准辐射检测装置。校准可能需要将辐射检测装置至少周期性地暴露于辐射源，呈现与那些所关注的辐射源相似的能量谱。
用于校准辐射检测器的辐射源(例如，所谓的检查源)的传统制造典型地需要接近用于产生辐射性材料的反应堆或加速器。用作检查源的人造同位素典型地呈现几分钟到几年的半衰期，具有短半衰期的人造同位素需要频繁替换。
由于多种原因，辐射源一般需要非常强烈(例如，发出大量的辐射)。因此，这种辐射源在使用以及存储期间需要特殊处理。政府当局已经建立了规定和规章，从而保护工人和公众免受这些辐射源的任何可能危害。不幸地，这会阻碍即使少量这种辐射性材料的拥有和使用。
商业可购买到的高敏、静态、便携式或移动伽马辐射仪可以容易地检测伽马辐射场的强度的极小量增大。然而，当将这种装置配置给正常不处理辐射性材料的用户并且因此用户不拥有用于正确地测试检测器性能的对应的检查源时，问题出现了。
作为使用人造辐射性材料的替换，已经使用某些天然存在辐射性的材料，来校验辐射检测装置的性能。然而，当今已知用作检查源的唯一的天然材料是K-40，Th-232衰变链的同位素，以及U-238衰变链的同位素。
诸如白热罩(钍)、旧表(镭)和肥料(钾K-40)的材料可以发出用于测试目的合适水平的辐射。元素钍和铀呈现范围达3兆电子伏的多谱能量；K-40产生大约1.5兆电子伏的单谱线。然而，由于这些同位素的平均伽马能量明显地高于所关注的那些同位素的典型伽马能量，因此它们不能很好地适于测试便携式监控器或口袋大小的闪烁检测器。
发明内容
传统的辐射校准源面临着如上所述的多个缺陷。例如，用于校准辐射检测装置的大多数已知的辐射源具有相当短的半衰期。因此，当用于校准时，这种类型的辐射检测器校准源必须频繁地替换。另外，如上所述，用于校准目的的某些传统材料受到政府机构高度管制。因此，获得合理的政府许可使用某些辐射材料可能很困难，即使是用于校准用来检测可能被运输容器或其他包围材料屏蔽的诸如浓缩铀或钚或其他危险的孤立工业源的高控制物质是否存在的灵敏且复杂的装置的合法目的。
这里说明的本发明的技术和设备与上面所述的以及现有技术中已知的其他技术不同。具体而言，这里的实施例包括使用包含在稀土金属镥中的天然辐射性作为用于校准辐射检测装置的源。
在几乎所有的包含钇的矿物中典型地存在着极少量的镥，且在独居石中存在着大约0.003％范围的量。可以通过利用碱或碱性土金属还原无水LuCl3或LuF3来制备镥。天然存在的镥包含2种不同的同位素：富含量97.4％的稳定镥-175，和富含量2.6％且半衰期大约为3.7×1010年(即，370亿年)的辐射性镥-176。因此，镥基校准源基本上永远不需要替换。
另一个基于天然镥来制造测试源的原因在于其低特定辐射性(例如，对于Lu2O3大约48Bq/g)，这很低因此不成为健康问题。比较而言，传统的人造同位素Cs-137(半衰期30年)显示了大约3.2×1012Bq/g(87Ci/g)的特定活性，这会对暴露于该辐射的任何人哪怕是很短的时间造成严重的健康伤害。
另外，包含镥-176材料(例如，镥化合物和/或以其元素形式的镥-176)作为校准源使用提供了与伽马谱有关的优点。它在大约300千电子伏、大约200千电子伏和大约90千电子伏的能量接近期望的从诸如U-235和Pu-239的高度管制核材料发出的主要谱线。传统的技术涉及诸如Co-57和Ba-133作为校准源的“替代”使用(而不是使用U-235或Pu-239)，但是不幸的是后面这些物质具有很短的半衰期。
在(如从镥发出的伽马辐射所提供的)大约90、200和300千电子伏的谱区中的伽马能的使用比在使用非匹配的谱区时使辐射检测装置能够被更精确地校准。因此，这里的实施例使得辐射检测装置能够在更现实的条件下进行检测，例如与要检测的材料有关的期望的谱能条件。
通过利用镥校准源将辐射检测装置校准到90、200和/或300千电子伏，可以(周期性、临时地或反复地)校准或稳定辐射检测装置，以校正由于诸如温度变化的环境因素而“衰退”或“漂移”出限定。例如，一个典型的辐射检测装置包括公共无机闪烁检测器(例如由掺铊碘化钠Nal(TI)制造的检测器)。这种检测器可以因为温度变化、老化和暴露于元素而呈现明显的漂移效应。用于稳定这种检测器的已知的方法包括将人造辐射性同位素(例如，Am-241或Cs-137)插入或注入到闪烁检测器。这些同位素的这种传统使用的缺点在于，即使这些材料发出相当低量的辐射，在这种前提下它们是人造的并且也可能不能被带到严格禁止存在或使用人造辐射材料的具有特定场所规定的某些地方。
作为Am-241或Cs-137的替换，可以使用氯化钾(例如，KCl)作为用于产生伽马辐射的源。不幸地，由于KCl的低特定活性，为了产生与闪烁器检测器“相互作用”的可观量的伽马能，需要使用相当大量的KCl作为校准源。因此，使用KCl作为校准源相当不方便。
在某些情况下，可以使用诸如LED(发光二极管)的非辐射性装置来校准辐射检测器的部分。例如，可以使用脉冲或连续光来稳定光电检测器装置(例如，光电倍增管)，用于补偿光电倍增管的放大漂移和其他电路的误差。然而，不能使用光源来解决在(辐射检测装置的)晶体或闪烁器中的不均匀性，该晶体或闪烁器用于将伽马能转化为由光子检测器所检测的对应的光子能。
本发明的某些实施例包括使用化合物形式的镥作为检查源，用于校准伽马检测器或贝它检测器。例如，根据这里的实施例的辐射校准源包括无毒性化合物，例如氧化镥、碳酸镥、氯化镥等。这种非金属化合物可以形成为各种有用的形状，用于校准辐射检测装置。例如，辐射校准源可以形成为片、杆、盘、帽、环等。在某些情况下，辐射镥校准源成形为使其能够处于辐射检测装置的检测器材料(例如，闪烁器)附近或甚至与该材料接触。
这里的某些实施例涉及控制镥基辐射校准源的厚度。例如，可以限制镥化合物的厚度，以减少或将辐射的自吸收最小化，辐射的自吸收会阻止辐射达到检测装置的检测装置(例如，闪烁器)。辐射检测装置的闪烁器可以利用由镥化合物制造的罩形结构封装。罩形镥基辐射校准源至少部分地封装闪烁器检测器，并提供用于校准辐射检测装置的伽马能。该罩可以足够薄，以允许伽马辐射穿过该罩(例如，镥化合物)，并撞击闪烁器。在某些情况下，在存在镥基校准源时，罩可以足够薄，以能够实现即使很低水平的外部辐射的检测。因此，在测试从其他源发出的辐射存在的操作期间，镥基辐射校准源可以连续地存在。可替换地，可以将校准源只在校准模式期间临时地定位或保持在辐射检测装置附近。
附图说明
从下面的特定实施例的说明中，本方法和设备的前面的和其他目的、特征和优点将变得清楚，如在附图中示出的特定实施例，其中贯穿不同的视图，相同的符号表示相同的部分。附图不必成比例，相反，其重点在于示出本方法和设备的原理。
图1是示出了根据这里的实施例的辐射检测装置和校准源的图。
图2A是示出了根据这里的实施例的辐射检测装置的校准和使用的流程图。
图2B是示出了根据这里的实施例的辐射检测装置的校准和使用的流程图。
图3是示出了根据这里的实施例的辐射校准源的制造的流程图。
图4是通过使用K-40校准辐射检测装置的假定示例的图。
图5是示出了根据这里的实施例的校准辐射检测装置的假定示例的图。
图6是示出了根据这里的实施例的校准辐射检测装置的结果的图。
图7是根据这里的实施例的盘形辐射校准源的图。
图8是根据这里的实施例的杆形辐射校准源的图。
图9是根据这里的实施例的环形辐射校准源的图。
图10是根据这里的实施例的罩形辐射校准源的图。
图11是根据这里的实施例的包括多个小球的容器形式的辐射校准源的图。
具体实施方式
本发明的一个实施例涉及以化合物形式的稀土元素镥的使用，用于校准辐射检测装置。该稀土金属含有具有大约2.6％的天然富含量的辐射性同位素镥-176，产生可测量的辐射能。
辐射镥-176产生大约90、200和300千电子伏的伽马能。这样的伽马能接近通常由诸如U-235和Pu-239的所谓的特殊核材料(它们的检测是理想的)以及它们各自的替代品Co-57和Ba-133(传统地使用它们用于校准目的)所产生的主要谱线。辐射镥-176的半衰期是370亿年。因此，在辐射校准源中镥的使用提供了辐射校准源基本上永远不需要替换的好处。另外，通过暴露于辐射镥校准源，可以精确地校准或调节辐射检测装置，以检测诸如浓缩铀和钚的高管制材料。
图1是示出了在测试100环境下操作的辐射检测装置102的框图，且包括根据这里的实施例集成进检测装置或与检测装置集成在一起的辐射校准源110。辐射检测装置102包括辐射校准源110、检测器115、光电检测器120、放大器125、处理器113、存储器112、用户接口119和显示器130。示出的这种构造是基于闪烁材料(scintillating material)的辐射检测器的典型示例。在使用半导体(例如锗)检测器的替换构造中，放大器125直接连接至检测器115，不必包括光电检测器120(光电倍增管或光敏二极管)。
在辐射检测装置102的常规操作期间，辐射源105发出穿过辐射校准源110的伽马射线并且撞击检测器115。当存在时，辐射校准源110发出也撞击检测器115的辐射(例如，伽马射线)。如在本说明书的后面所说明的，辐射检测装置102可以在存在以及不存在辐射源105时进行校准。
检测器115将伽马射线转换成光子。光电检测器120检测由检测器115发出的光子的至少一部分。基于撞击光电检测器120的光子量，光电检测器120产生电信号109，以驱动放大器125的输入。例如，光子量越高，产生沿着通道109传输至放大器125的电信号的脉冲幅度越高。
处理器113接收放大器125的输出(例如，放大的信号)。基于从放大器125输出的信号的特性，处理器113监控(通过计数或其他方法)由辐射源105和/或校准源110(看情况)发出的辐射的水平。处理器113驱动诸如LED或显示屏130的输出装置，以提供由辐射源105发出的伽马辐射量的指示。
在一个实施例中，辐射校准源110的构成包括诸如镥-176的稀土金属，用于校准辐射检测装置102。根据这里的实施例，元素镥可以与其他元素组合，例如氟：形成LuF3，氯：形成LuCl3，碳：形成Lu2(CO3)3.xH2O，溴：形成LuBr3，碘：形成LuI3，氧：形成Lu2O3，硫：形成Lu2S3，碲：形成Lu2Te3，氮：形成LuN等。这样的(非金属)化合物特别适于是便携式和/或手持装置的辐射检测装置中应用。优选地是，使用无毒化合物，例如LuCl3、Lu2O3；Lu2(CO3)3.xH2O。这些中，Lu2O3在分子中具有镥的最高相对重量，并且可以认为是所有需要高比重从而将检查源的尺寸最小化的应用的第一选择。在检测器很小且因此表面具有很大的突起曲率(例如，小尺寸的圆柱)的情况下，这特别重要。利用高比重镥化合物，由于相对于检测器辐射性位于更贴近的平均距离，因此需要明显少的材料实现相同的计数率。
例如，永久集成进检测器115中的辐射校准源110(与为了校准目的临时放置在检测器115附近相对)会对辐射检测装置110增加非常小的重量，或者至少不致使辐射检测装置110不能接受地沉重。在一个实施例中，用于制造辐射校准源110的镥化合物可以具有大约90％到99.99％之间的纯度，且除了镥之外，具有相对少或没有产生辐射的其他辐射性同位素。具有低至98％的纯度水平的诸如氧化镥的镥化合物通常可以买到，这种化合物适于这里的实施例。由于可以以比高纯度镥化合物更低的成本买到，因此具有更低纯度水平的镥化合物的使用可能有吸引力。
注意尽管图1示出了使用辐射校准源110用于测试辐射检测装置102的目的，但是也可以使用镥基校准源(例如，辐射校准源110)来校准其他类型的辐射检测设备。
在一个实施例中，可以使用在2和50立方厘米之间的典型体积的镥化合物，来校准相应的辐射检测装置。然而，注意这里某些实施例可能需要更少或更多量的辐射镥化合物，以校准辐射检测装置102。
由于商业可以买到的镥化合物典型地作为具有相当低密度的松散粉末可用，有利的是当用作校准源时将材料压缩。作为示例，高密度氧化镥的制造需要典型地超过100Mpa的高压。为此，将氧化镥粉末(和/或包括氧化镥粉末或以元素形式的镥的材料)填充到合适腔中，该腔可以具有最终辐射源的形状(例如，直径)或者大小或形状设置为更小的部分(例如，片、构成要素)。在后面的这个实施例中，片然后可以用于不同类型(例如，大小和形状)的辐射源外壳(source casing)的填充。可将高压施加至粉末，直到压缩体的密度处于超过每立方厘米3g的期望值为止(例如，氧化镥化合物可达到9.4g/cm3的理论极限)。在一个实施例中，施加至镥化合物的压力将镥化合物的密度(例如，粉末状的)从小于3g/cm3的起始密度改变到施加压力后的大于4g每立方厘米。
为了将产生的多孔体(例如，镥化合物粉末的压缩块)转换成机械稳定的对象，可以应用各种类型的处理。一种方法是将镥压缩块暴露至500℃-2000℃的高温，从而将材料烧结为机械稳定的系统。在这种情况下，不需要将附加材料添加至镥压缩块，并且块变得抗分离。因此，辐射校准源的重量可以保持为最小。
或者附加地，或者可替换地，镥化合物的压缩块可以暴露至由塑料材料构成的溶液，例如PMMA(polymethylmethacrylat，聚甲基丙烯酸甲酯)、PS(polystyrol，聚苯乙烯)、PUR(Polyurethan，聚亚安酯)、环氧树脂或其他合适的溶解于诸如四氢呋喃或其他的有机溶剂的塑料材料。在暴露期间，溶解的塑料填充压缩的氧化镥的孔。在溶剂蒸发之后，塑料材料提供了结构支撑，从而压缩氧化镥体的最终形状抗分离(即，压缩的或潜在的未压缩的氧化镥变得机械稳定)。进一步，辐射校准源110可以利用低Z(原子量)材料(例如，对于伽马辐射基本透明的材料)包围，例如塑料、铝等，起到保护的目的。在一个实施例中，低-Z材料的厚度是0.5-2mm的级别。低-Z材料还可以潜在地起到有助于不同形式的辐射校准源110的制造的模具或形成因子。
在某些情况下，可能有用的是，形成可以至少暂时地放置在检测器115附近的辐射校准源110，用于基于从辐射校准源发出的伽马(和/或贝它)辐射校准辐射检测装置102的目的。
图1中示出的检测器115可以是被紧配合(tight fitting)校准源110包围的圆柱形、突出的结构，在检测器115和包围检测器115的多个表面的辐射校准源110之间具有小间隙或没有间隙。因此，辐射校准源110至少部分地包围或罩住检测器115。
如前所述，如果辐射校准源110永久地与检测器115集成在一起，则限制校准源的单位表面积量的厚度或重量，从而来自辐射源105的辐射(例如，伽马和贝它辐射)能够无吸收地穿过辐射校准源110到达检测器115。换言之，辐射校准源110应该足够薄，从而限制辐射校准源110的伽马辐射吸收(或其他吸收)的量。在该实施例中，使用辐射校准源的每平方厘米表面面积最大约2g镥化合物。对于每立方厘米大约5g或更小的镥化合物(例如Lu2O3)的密度，这对应于大约0.4cm的厚度或更小。然而，其他的实施例可以具有更高量的镥化合物，例如每平方厘米的表面积超过约5g。
注意，辐射校准源110的单位表面积的氧化镥的量可以根据应用而改变。例如，在一个实施例中，制造工厂将镥化合物的合并块的至少一个表面区域形成为具有这样的厚度，其中每平方厘米的表面积镥化合物的量小于5g。
另外，注意辐射校准源110的厚度(单位面积的重量)可以限制为更小的值，例如当将辐射检测装置102制造用于检测低能量辐射粒子(诸如贝它辐射)时。在这种实施例中，辐射检测装置102可以用作表面污染检测器(例如，贝它表面污染探头或样本变换器)。注意用于测量贝它辐射的辐射检测器典型地配备有薄入口窗(<10mg/cm2)。这种传统的检测器已经使用了几十年，并且包括诸如气体填充盖格-密勒计数器、比例计数器、电离腔和塑料闪烁检测器。作为贝它源和作为伽马源使用的辐射校准源110之间的区别在于给予了与贝它辐射有关的更高的自吸收。50mg/cm2对应于大约0.1mm的氧化镥化合物的厚度或层。
尽管参数根据应用改变，这里的一个实施例包括具有大约15和1000平方厘米之间的表面积的辐射校准源110。根据应用，厚度可以从几个微米到几个厘米变化。包括辐射镥的辐射校准源110覆盖检测器115的检测表面的至少一部分，并且将镥化合物限制为每平方厘米的表面积小于大约50mg镥化合物。在这种实施例中，可以将镥化合物分散在大约15至1000平方厘米的扁平区域上，从而减小或限制在辐射校准源中由辐射源105发出的贝它辐射的吸收。根据这种设计规格，可以实现达到大约2.5Bq/cm2的表面活性。这种水平的辐射活性对于测试和校准设计例如在0.4Bq/cm2时警告的表面污染检测器是足够的。
除了罩形盖(例如，帽)，根据这里的实施例，可以将镥基辐射校准源110形成为其他形状，例如杆和/或片。多个镥基片可以用于填充任何形状的容器。在一个实施例中，将大约5mm×5mm×5mm的片状辐射校准源装进更大的检测器形的容器中，容器可以靠近辐射检测装置定位，用于校准的目的。在另一个实施例中，可以将杆定位在检测器115附近(例如，在其周围，或者在其前面等)，用于校准辐射检测装置102。杆彼此之间的间隔能够无吸收地使从辐射源105和/或其他杆发出的辐射撞击检测器115。
在另一个实施例中，辐射校准源110可以例如形成为盘或环的形状。可以将形状类似于硬币的盘(但是大小不必相似)附至表面检测器115，并提供用于校准目的的足够辐射。如上面所说明的，可以控制盘的厚度，以限制透过盘形辐射校准源110到检测器115的辐射的吸收。在这个实施例中，辐射校准源盘可以包括旋钮、螺丝或其他结构，以允许将其牢固地附接(例如临时附接或永久附接)在检测器115的表面。
当形成为环时，可以像手指上的戒指一样将辐射校准源110滑动到检测器115上。在这个实施例中，辐射校准源110的开口部不会吸收辐射，并因此防止由辐射源105发出的辐射撞击检测器115。
由辐射镥-176制造的辐射校准源产生90、200和300千电子伏的伽马能。这种伽马能与通常由诸如U-235和Pu-239的所谓的特殊核材料以及它们各自的替代品Co-57和Ba-133(传统地使用他们用于校准目的)所产生的主要谱线接近。并且，由于辐射镥-176具有370亿年的半衰期，因此其在辐射校准源中的使用提供了辐射校准源基本永远不必替换的好处。另外，通过暴露于辐射镥校准源110，能够精确地校准或调节辐射检测装置102，用来检测诸如浓缩铀和钚的高管制材料。换言之，辐射检测装置102可以采用通过处理器113作为调节电路来执行的校准程序，以将辐射检测装置校准到由于暴露于辐射校准源110而产生的90、200和300千电子伏已知的峰值计数中的至少一种。在校准之后，可以使用辐射检测装置102识别在辐射的这些能量值处或周围的以及在这些能量值的范围之间或之外的峰值计数。
检测器115可以包括诸如掺铊碘化钠Nal(TI)材料的“无机”闪烁(即，辐射检测)材料。这种类型的材料有助于伽马能转换为光能。利用这种材料，可以将检测器115构造为相对紧凑的形式。如前所述，检测器115操作，以将伽马能转换为(可见或不可见)光能。作为Nal(TI)在检测器115中使用的替换，检测器115可以包括其他类型的闪烁材料，例如碘化铯(Csl)，用于将伽马能转换为光子。
光电检测器120可以包括光电倍增管，该光电倍增管接收由检测器115发出的光，并电连接至放大器120。在这个实施例中，光电倍增管操作，以接收来自检测器115的光信号(例如，如前面所述，如通过与检测器115的Nal(TI)材料的辐射相互作用所引起的)，产生与光信号成比例的(例如，与光信号的强度成比例的)电信号或电脉冲，并将输出脉冲传输至放大器125。可以将诸如线性放大器的放大器125构造为调节各个输出脉冲的脉冲幅度水平，以能够实现不同脉冲幅度水平的区分。
处理器113可以包括能量分析电路，例如比较器和计数器。例如，在一个实施例中，辐射检测装置(例如，伽马辐射测量仪器)利用一个或多个比较器，每个具有给定的阈值，以实现所检测的伽马辐射的能量区分。典型值对应于诸如1和3000千电子伏之间的范围内的伽马能。每个比较器包括相应的计数器(例如，脉冲计数器)。
通过各个计数器，处理器113跟踪对于不同阈值能量范围的计数率。与测量辐射的水平(或多个水平)有关的其他细节和计数器的使用可以在2005年3月8日提交的序列号为11/076,409且题为“便携式辐射监控器方法和设备(PORTABLE RADIATION MONITOR METHODSAND APPARATUS)”的相关美国专利申请中找到，其全部教导通过参考的方式合并在此。
基于计数水平的确定，处理器113可以分析由辐射源105发出的辐射的水平，并将能量偏移率(energy deviation rate)指示提供给用户和/或其他装置。例如，在如示出的一种布置中，处理器113驱动显示屏130，以提供所检测的伽马辐射的水平指示。在其他实施例中，处理器113另外或者可替换地驱动音频装置(例如，扬声器)、振动器、LED等，以当各能量偏移率达到特定的阈值时警告。
在一个实施例中，将辐射检测装置102构造为计算机化的装置。例如，辐射检测装置102包括处理器113。存储器112(例如，计算机可读介质)和/或各个存储器存储处理器113可执行或利用的应用、逻辑指令和/或各个数据，以根据这里说明的技术执行校准和辐射测量。
存储器112可以是易失性或非易失性存储器，或者可替换地诸如计算机存储器(例如随机存取存储器RAM，只读存储器ROM或其他类型的存储器)、盘存储器(例如硬盘、软盘、光盘等)的存储系统中的任何类型。
处理器113可以是任何类型的电路或处理装置，例如中央处理单元、计算机、控制器、专用集成电路、可编程门阵列或可以读取编码在存储器112中的辐射测量应用的其他电路，从而运行、执行、解释、操作或者另外执行辐射测量应用逻辑指令。换言之，在一个实施例中，处理器113执行存储在112中的应用，以执行如这里说明的技术。
图2A是示出了根据这里的实施例利用辐射校准源110进行辐射检测装置102的校准的流程图201。更详而言之，流程图201示出了在存在着临时附置到检测器115的辐射校准源110时校验辐射检测装置102的性能的技术。注意与该技术有关的其他细节参考图4和5说明。
在图2A的步骤210中，用户打开辐射检测装置102。
在步骤215中，在不存在辐射校准源110和辐射源105时，辐射检测装置102测量辐射计数率(和最终能量分布，与利用某些类型的传统检测器所测的计数率类似)。因此，辐射检测装置102只测量在周围环境中存在的天然存在的背景辐射。
在步骤220中，用户将辐射校准源110移动到辐射检测装置102的检测器115附近或与其接触。
在步骤225中，在存在检查源110和来自环境中的天然辐射性的背景辐射时，辐射检测装置102测量辐射计数率(和最终能量分布，如同某些类型的传统检测器所做的一样)。
在步骤230中，辐射检测装置102将步骤225中获取的结果减去如在步骤215中测量的背景辐射计数率，以获取由于暴露于辐射校准源110所产生的净辐射计数率。
在步骤235中，辐射检测装置102校验在步骤230中产生的净辐射计数率处于工厂计数率测量的范围之内，该工厂计数率测量的范围反映由特定辐射校准源110所产生的辐射量。
在步骤240中，用户调节与检测器115有关的放大参数(例如，放大器125)，使得i)辐射检测装置102的测量读数指示辐射测量装置102(当辐射校准源110位于检测器115附近时)测量由辐射校准源110所实际产生的辐射的期望量，以及ii)来自辐射源105的辐射的未来测量是精确的。
图2B是示出了根据这里的实施例当将辐射校准源110永久固定在检测器115附近时的性能校验和增益控制的流程图251。注意与该技术有关的其他细节将参考图6说明。
在图2B的步骤255中，用户打开辐射检测装置102。
在步骤260中，辐射检测装置102测量通过检测器115检测在存在检查源110时的能量分布以及在不存在任何其他辐射源(诸如辐射源105)时的天然存在的背景辐射。
在步骤265中，如果在步骤260中测量的计数率位于预定值(例如，阈值)之上，则辐射检测装置中的微控制器可以向用户提供附近存在着诸如辐射源105的另一个辐射源的指示。这提醒用户在下面的步骤中不继续进行增益控制，且用户必须在不存在这样的干扰辐射源时重复步骤255和260。在另一个实施例中，在周期性的基础上完全或自动地执行增益稳定，并且微控制器通过自身禁止增益控制。如果在步骤260中测量的计数率位于预定阈值之下，则继续执行下面的步骤(例如，增益控制校准)。
在步骤275中，如果计数率位于预定阈值之下，则当将辐射检测装置102暴露于从辐射校准源110发出的辐射时，辐射检测装置102将对于90千电子伏、200千电子伏和300千电子伏段的能量的实际计数率与对于能量段所期望的计数率进行比较。
在步骤280中，如果对于一个或多个段辐射校准源110的实际计数率和期望计数率存在着明显的差异，则用户(或者与辐射检测装置102相连的微控制器)开始调节辐射检测装置102的增益和/或偏移参数，从而i)通过辐射检测装置102显示的测量读数指示出辐射检测装置102(当辐射校准源110位于检测器115附近时)测量不同段由辐射校准源110实际产生的辐射的期望量，以及ii)从辐射源105发出的辐射的未来测量是精确的。
图3是示出了根据这里的实施例的辐射校准源的制造的流程图。
在步骤310中，制造工厂接收到以粉末、颗粒、微粒或碎末形式的一定量的辐射性镥化合物。典型地，用于产生辐射校准源110的镥化合物具有体积或重量90％和99.99％之间的纯度。为了节约成本的目的或者当基础材料的可用性有限时，可以使用其他百分比的纯度。镥化合物可以从诸如斯坦福材料公司(Stanford Materials Corporation)、美国元素(American Elements)、Metall稀土有限公司(Metall Rare EarthLimited)、Auer-Remy Gmbh和Chempur Gmbh的源中获取到。
在子步骤320中，制造工厂利用镥化合物粉末填充模腔。
在步骤330中，制造工厂向模腔中的镥化合物施加压力(通过诸如活塞的装置)，以形成预定形状的镥化合物压缩紧凑块(例如，融合块)。向腔中一定量的镥化合物施加压力将镥化合物的密度从第一密度改变为第二密度。例如，在施加压力之前镥化合物的密度可以是大约1.5g每立方厘米。在施加高压之后(例如，典型地>100MPa)，镥化合物的密度可以是大约5g每立方厘米到达到氧化镥化合物的极限理论值9.4g每立方厘米。基于将压力施加在模腔上，制造工厂将镥化合物形成为用于校准辐射检测装置的校准源(例如，小球或其他形状)。根据步骤310、320、330制造的压缩或融合的镥材料可能仍然不具有用于进一步处理的足够机械稳定性。再次注意，术语“融合块”反应了镥化合物的压缩状态，其中无须施加外力的情况下，镥化合物能够保持其形状。例如，在没有模子壁用于保持它的形状时，压缩镥化合物可能碎掉且当处理时容易分裂开。因此，有益的是将材料转换为更为稳定的形式。
一个实施例涉及通过将镥化合物与诸如环氧树脂的稳定材料混合或者执行其他的处理步骤将粉末状的镥化合物转换为一体的或粘着块。例如，在步骤340中，通过将压缩的镥化合物加热到大于500℃的温度，制造工厂进一步将压缩的镥化合物处理为镥化合物的一体块(例如，为压缩的镥化合物抗分裂的形式)。这烧结了镥化合物。烧结步骤通过加热但未熔化致使粉末形成一体块(即，陶瓷)。还是如前面所述，制造工厂可以将压缩镥化合物暴露于溶液(例如，塑料)(作为烧结的替换或者除了烧结之外)，所述溶液将填充压缩的镥化合物块的孔，以使其在溶液硬化之后更加抗碎和抗分裂。
根据这里的实施例形成辐射校准源110的进一步处理可以在步骤350和/或360继续。例如，在步骤350中，制造工厂用诸如片或球形式的形状的镥化合物一体块(例如，抗分裂的球形式的镥化合物)填充容器。容器可以是填充容器的单个镥化合物球的一体块的大小的很多倍。可以将环氧树脂或类似的材料添加至球的容器，以使球互相固定，从而避免球状镥化合物材料在容器中移动。
在步骤360中，替代在从粉末镥化合物形成的片或球的容器基础上形成辐射校准源110的步骤350或除了该步骤之外，制造工厂可以将保护性涂层(例如，外壳或涂层)应用至如图6-9中示出的辐射校准源110(例如，球或其他形式)。因此，这里的一个实施例包括检查源(例如，平面形的检查源)的制造，该检查源包含用于测试平面大区域的塑料检测器的天然镥。与封装在小硬币(例如盘)大小和形状的保持器中的只包含几微克的辐射材料的传统的伽马检查源的相对应的小尺寸不同，根据这里的实施例的辐射校准源110一定适于检测器的尺寸，从而达到与天然背景相对的足够的净辐射信号，以校准检测器。
再次注意，辐射校准源可以制作为如图1中所示可以集成进辐射检测装置的检测器115(例如，闪烁器)中的预定形状。如上面所说明的，检测器115能够实现伽马辐射向光能的转换。
对于至少部分扁平形状的检测器而言，辐射校准源110的典型表面积达到检测器表面的大约90％。在该实施例中，辐射校准源110的单位表面积质量不应该超过大约5g/cm2，这对应于250Bq/cm2，从而避免伽马辐射在镥化合物中的自吸收。因此，这里的一个实施例包括形成至少一个辐射校准源的表面积，以具有每平方厘米小于5g的辐射镥化合物。
这个受限的单位表面积质量防止了在辐射校准源110自身中的明显自吸收。对于平面大面积检测器，由于检测效率没有高度依赖于距离，且与大面积检测器的尺寸相比，距离很小，因此甚至可以使用密度更小的镥化合物。
如上面所述，含有天然镥的辐射校准源(即检查源)可以具有适于高敏伽马检测器的尺寸和形状的几何形状。根据实施例，辐射校准源110的典型体积可以处于镥化合物的大约5-50立方厘米的范围内。假定可实现的密度为大约5g/立方厘米的压缩的镥盐，用于在辐射校准源中使用的天然镥的量将是25至250g的级别。这样的体积将产生位于1至10kBq级别的辐射活性值。
可以将包含天然镥(典型的体积为5-500立方厘米，25-2500g天然镥)化合物的杆形源插入辐射检测装置102的检测器腔和检测器阵列。由于从辐射校准源110发出的伽马辐射在1毫微秒之内是一致的，所以还可以通过使用辐射校准源110测试监控器一致类型(专利文献EP1 131653)。对于一致监控，由于通过两个因素进入到两个伽马的检测可能性的产品中，因此伽马辐射的自衰减特别重要。这意味着，作为示例，如果第一伽马衰减50％，另一个伽马也衰减50％，检测的伽马总量衰减50％，且一致率衰减75％。因此，在这个实施例中，期望的镥填充的具体重量每厘米的杆长度不超过1g。一旦与单杆相关的对应的活性不足够用于校准辐射检测装置102，可以使用多个镥杆阵列，用于校准的目的。在这个实施例中，可以将这些杆彼此充分隔开，以将从相邻杆发出的伽马射线被杆的吸收最小化。
如前面所讨论的，由于经济的原因，这里的实施例可包括使用天然镥化合物。因此，尽管可能，由于非常的昂贵，因此不期望的是使用金属镥(以其纯金属的形式)来制造辐射校准源110。另外，镥金属或金属粉末在存在氧时非常易于反应，且需要特殊的安全措施(即，在惰性气体氛围下处理)，从而将纯金属形式的镥用于制造检查源。
这里的一个实施例包括通过使用诸如压紧工具的装置施加高压，将氧化镥或其他镥盐的密度从大约1.5g/cm3的正常密度(如购买的粉末的密度)增大到理论的最大9.4g/cm3(对于Lu2O3)。然后可以使用这种更密形式的氧化镥(当这样压缩时)来形成如上所述的辐射校准源，并且利用更小体积的材料实现相同的结果。除了利用低-Z材料来包围Lu化合物并由此防止对于辐射源造成伤害之外或者利用此替换之外，可以将压缩和/或非压缩氧化镥(粉末)与液体环氧树脂混合，这最终将设置成如这里说明的所期望的形式。
图4是示出了利用传统的K-40校准源辐射检测器的衰退检测的难度的假定示例。概括而言，图中(例如图401和402)示出了对于具有有限的能量分辨率的检测器(例如，大面积塑料闪烁器，用于机场门监控器中)所测量的检测事件N作为伽马能量的函数的分布。
更详而言之，图401示出了(作为示例)基于将辐射检测装置暴露于已知的具有1460千电子伏的伽马能的K-40天然伽马辐射源的计数分布(例如，计数区20)。这个峰值远在能量阈值410之上，从而在该阈值410之上的所有事件的计数率对于检测器的放大非常迟钝。注意在图402中，其中检测器的放大被显著地减小(由于漂移的结果)，所有的事件都还在阈值410之上，并且因此检测器的衰退情况不能通过测量总的计数率检测到。超过5-10％的衰退是应用校正动作的充足理由，例如根据上面说明的技术重新校准辐射检测装置102。
图5是示出了基于利用镥化合物作为校准源的检测器的衰退检测位于各自阈值之下的假定示例。图501示出了基于镥作为校准源位于200千电子伏和300千电子伏伽马能的辐射检测装置的校准。注意，几乎所有的事件都落入了能量阈值之上的区域内，并且对于检测器的计数率有贡献，由区域22表示。
图502示出了辐射检测器的衰退。在该示例中，辐射检测装置继续测量镥基校准源，且图502示出了所有事件的主要部分落入位于能量阈值510之下的区域24。位于阈值510之上的计数的检测部分出现在区域23中。在区域24中的计数由于落在阈值510之下，因此对于测量的目的没有用处。然而，在区域23中的计数与在区域22中的计数的比较，即在相同的测试条件下(即相对于检测器镥检查源的测量时间和位置)先前的测量执行的计数，允许检测器的衰退放大成即使对于没有经验的用户也立即变得显而易见。
图6是示出了将永久增益控制应用于辐射检测装置以获得更高分辨率检测的假定示例的图。
在图601中，在暴露于镥校准源时，校准辐射检测装置(例如，通过放大调节和/或电压阈值的电子调节)，从而区域32以通过镥校准源产生的200千电子伏能量水平为中心(例如，在各自的能量窗口中)。另外，区域33以通过镥校准源产生的300千电子伏能量水平为中心(例如，在能量窗口中)。
在图602中，稍微减小检测器放大，从而区域34和区域37中的计数落在分别以200千电子伏和300千电子伏为中心的窗口区之外。区域35和区域38显示了落入峰值窗口区中的计数。区域36指示由于漂移或衰退而导致的落在远离中央窗口(例如，300千电子伏)的计数。为了校正该漂移或衰退，辐射检测装置的放大需要通过调节放大器125的放大等级来增大。在一个实施例中，这涉及调节光电检测器115(例如，光电倍增管)的属性或增大放大器125的电子放大。
在图603中，检测器的放大比期望的高，并且相当数目的事件40和42落入位于分别比200千电子伏和300千电子伏高的能量水平的右参考窗口中。在这种情况下，需要降低检测器的放大(例如，通过调节闪烁检测器的光电倍增管的高电压或通过降低放大器电路的电子放大)。
与利用单线伽马源(Cs-137或K-40)的已知技术相比，由于计数32和33的期望比是已知的，且与测量所得的比的比较能够实现合理放大设置的额外校验，因此通过利用镥产生的谱能的稳定性更加可靠(在暴露于背景辐射期间)。
另外，通过利用如上面所述的镥校准源将辐射检测装置102校准到90、200和/或300千电子伏，可以将辐射检测装置102(周期性、临时地、重复地等)校准，以校正由于诸如温度变化的环境因素造成的“衰退”或“漂移”出限定。换言之，检测器115可以是具有基于温度或其他因素而改变的特性的闪烁器装置。在一个实施例中，辐射检测装置包括公共无机闪烁检测器，例如如前所述的由NaI(TI)制造的检测器。这种检测器由于温度变化、老化和暴露于元素而呈现明显的漂移效应。放大的调节使得辐射检测装置102能够被精确地校准，用于检测未知辐射源的能量分布。换言之，校准后，提供放大器125(图1)的正确增益和/或与由于温度变化而引起的与检测器115的有关的漂移效应，可以使用辐射检测装置102来更精确地测量用于材料识别目的的未知材料的“签名(signature)”(例如，能量谱)。
图7是根据这里的实施例为盘640形式的辐射校准源110的图。如示出的，辐射校准源110包括镥化合物形成的盘640，例如利用上面说明的诸如施加压力和/或(通过粘结材料或加热)将粉末镥化合物融合为相连或一体块等技术来形成。盘640利用保护性涂层620和保护性涂层610的组合来包围，其中如上面所述每个保护性涂层都是由低Z材料(例如，塑料，铝等)制造。因此，即使镥化合物的盘640不能形成为一体压缩块，通过这种包围也能保护镥化合物(例如，粉末形式)免于受损。柄脚630(例如支架)能够实现将辐射校准源110安装或固定到辐射检测装置102。
图8是根据这里的实施例的杆720形式的辐射校准源110的图。如示出的，辐射校准源110包括如上面所述基于施加压力和/或(通过粘结材料或加热)将粉末状镥化合物融合为粘着或一体块而形成的镥化合物杆720。杆720利用如前面所述的由低Z材料(例如，塑料、铝等)制成的保护性涂层710和保护性涂层730的组合来包围。因此，即使镥化合物的杆720没有形成为一体压缩块，通过这种包围也能保护镥化合物(例如，未从粉末形式转换的)免于受损。
图9是根据这里的实施例的环810形式的辐射校准源110的图。如示出的，辐射校准源110形成为镥化合物环810。如前面说明的，环810可以基于施加压力和/或(通过粘结材料或加热)将粉末状镥化合物融合为粘着或一体块来形成。与这里说明的其他实施例相似，环810可以涂敷有低Z材料或用其包围。
图10是根据这里的实施例的罩940形式的辐射校准源110的横截面图。镥化合物的罩940利用保护性盖920和保护性盖910的组合来包围，以保护免于受损。如示出的，包括罩940、保护性盖910和保护性盖920的辐射校准源110至少部分地包围辐射检测装置102的检测器115(图1中示出其他细节)。
图11是根据这里的实施例填充有镥化合物球(压缩或未压缩)的容器1010形式的辐射校准源110。例如，基于上面说明的技术至少部分地由镥化合物制造的球1005(或片、方形、球形体等)填充容器1010。容器1010可以由低Z材料制造，从而由球产生的辐射穿过容器到达辐射检测装置102，用于校准辐射检测装置102。
尽管参考优选实施例特别地示出和说明了本发明，然而本领域的普通技术人员应该理解的是，在不背离如随附的权利要求限定的本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节上进行各种变化。

Claims (32)

1.一种辐射校准源，用于校准辐射检测装置，所述辐射校准源包括含天然存在的镥的化合物，所述天然存在的镥包括同位素Lu-176。
2.根据权利要求1所述的辐射校准源，其中所述镥化合物是下列中的至少一个：
i)氧化镥，
ii)碳酸镥，和
iii)氯化镥。
3.根据权利要求2所述的辐射校准源，其中所述源的体积位于2和50立方厘米之间。
4.根据权利要求1所述的辐射校准源，进一步包括低Z材料的外壳，该外壳包围所述镥化合物的至少一部分。
5.根据权利要求1所述的辐射校准源，包括环，该环包含所述镥化合物。
6.根据权利要求1所述的辐射校准源，包括杆，该杆包含所述镥化合物。
7.根据权利要求6所述的辐射校准源，包括间隔开的包含所述镥化合物的杆的阵列。
8.根据权利要求1所述的辐射校准源，包括盘，该盘包含所述镥化合物。
9.一种辐射检测装置，包括：
辐射检测器，该辐射检测器用于将接收的伽马辐射转换为光子能；和
辐射校准源，该辐射校准源包括具有同位素Lu-176的天然存在的镥，所述源附置在所述辐射检测器的表面或置于其附近，并且可操作以基于从所述辐射校准源发出的伽马辐射校准所述辐射检测装置。
10.根据权利要求9所述的辐射检测装置，其中所述辐射校准源单位表面积的重量小于阈值，以限制被所述辐射校准源吸收的伽马辐射量。
11.根据权利要求10所述的辐射检测装置，其中所述源包括镥化合物；和
所述阈值是每平方厘米所述辐射校准源的表面积所述镥化合物大约为5g。
12.根据权利要求9所述的辐射检测装置，其中所述辐射检测器是具有20和1000平方厘米之间的辐射检测表面积的贝它辐射表面污染检测器；和
其中所述辐射校准源覆盖辐射检测表面的至少一部分，该辐射检测表面具有小于每平方厘米50mg镥化合物的单位表面积重量。
13.根据权利要求9所述的辐射检测装置，其中所述辐射检测器是闪烁器，用于从辐射校准源接收伽马辐射并将所接收的伽马辐射转换为光子能，所述辐射检测装置进一步包括：
光电检测器装置，用于检测由闪烁器产生的光子能；
放大器，用于放大由所述光电检测器响应于检测所述光子能而产生的各个信号；和
调节电路，用于将所述辐射检测装置校准到从大约90、200和300千电子伏的镥化合物发出的伽马能中的至少一个。
14.一种方法，包括：
利用辐射检测器装置检测辐射能；和
通过将所述辐射装置暴露于含有包括同位素Lu-176的天然存在的镥的化合物，来校验所述辐射检测器的性能。
15.根据权利要求14所述的方法，其中校准所述辐射检测器装置包括检测由所述镥化合物产生的伽马辐射的水平。
16.根据权利要求14所述的方法，其中校准所述辐射检测器装置包括临时地将所述镥化合物定位在所述辐射检测器装置附近，以检测由所述镥化合物的同位素Lu-176所产生的伽马辐射。
17.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：
在校准之后并且在将所述辐射检测装置仍然暴露于由所述镥化合物的同位素Lu-176所产生的伽马辐射时；
测量由未知伽马辐射源发出的伽马辐射。
18.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：
在校准所述辐射检测装置之后，在所述辐射检测器装置通过所述镥化合物从未知伽马辐射源接收伽马辐射；和
使所述辐射检测装置能够测量来自未知伽马源的伽马辐射。
19.根据权利要求14所述的方法，其中所述辐射检测器装置的校准和稳定包括测量由在至少一个下列阈值附近的镥化合物的同位素Lu-176所产生的伽马辐射的水平：
i)90千电子伏，
ii)200千电子伏，和
iii)300千电子伏。
20.一种方法，包括：
接收一定量的为粉末形式的材料，所述材料包括Lu-176；
利用所述材料填充模腔；和
施加压力至所述模腔中的所述材料，以形成包括Lu-176的材料的融合块。
21.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：
将所述融合块的至少一部分形成为罩形结构，用于包围辐射检测装置的辐射检测元件的多个表面。
22.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：
将所述融合块的至少一个表面区域形成为具有这样的厚度，在该厚度中，包括Lu-176的材料的融合块具有每平方厘米的表面积小于5g的重量。
23.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：
将所述融合块形成为环。
24.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：
将所述融合块形成为杆。
25.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：
将所述融合块形成为盘。
26.一种方法，包括：
接收一定量的为粉末形式的材料，所述材料包括Lu-176；和
向材料施加压力，以将所述材料的密度从第一密度改变为第二密度，所述第二密度比所述第一密度大。
27.根据权利要求26所述的方法，进一步包括
通过加热粉末形式的材料，制成一体块。
28.根据权利要求26所述的方法，其中接收一定量的材料包括接收一定量的镥化合物，并且其中向材料施加压力包括压缩所述镥化合物，所述方法进一步包括：
通过将所述压缩的镥化合物暴露于溶液来制成镥化合物一体块，该溶液填充所述压缩的镥化合物的孔并使所述压缩的镥化合物抗分裂。
29.根据权利要求27所述的方法，进一步包括：
利用包括Lu-176的一体块和其他一体块填充由低z材料制造的容器；和
将环氧树脂添加至容器中，以将所述一体块彼此固定，并形成用于校准辐射检测装置的辐射校准源。
30.根据权利要求28所述的方法，进一步包括：
利用镥化合物的一体块连同镥化合物的其他一体块一起填充由低z材料制造的容器；和
将环氧树脂添加至容器中，以将所述一体块彼此固定，并形成用于校准辐射检测装置的辐射校准源。
31.根据权利要求27所述的方法，进一步包括：
用低z材料涂敷所述一体块。
32.根据权利要求28所述的方法，进一步包括：
利用低z材料涂敷镥化合物的一体块。
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