高能射線探測模組及包括其穿戴式設(shè)備的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及輻射檢測技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種高能射線探測模組及包括其的穿戴式設(shè)備。該高能射線探測模組包含光電PIN探測器、基板和屏蔽罩。PIN探測器位于屏蔽罩與基板形成的空間內(nèi)，屏蔽罩在PIN探測器所在位置預留有探測窗口，PIN探測器用于檢測從探測窗口進入的高能射線，轉(zhuǎn)換成電流信號。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明不僅可極大地減小設(shè)備體積，而且能夠準確地檢測出高能射線及其劑量，從而進一步提高高能射線檢測的便捷性。
【專利說明】
高能射線探測模組及包括其穿戴式設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及輻射檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高能射線探測模組及包括其的穿戴式設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，核科學技術(shù)已廣泛應用于國防、工業(yè)、能源、醫(yī)療等領(lǐng)域，并帶來了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，但同時人們接觸各種輻射并受其威脅的機會也在不斷增加。因此，輻射安全的問題一直備受關(guān)注。
[0003]輻射檢測技術(shù)的快速發(fā)展使得人們可以快速識別出輻射的強度，便于采取有效的安全防護措施。但是傳統(tǒng)的蓋革計數(shù)器、光電倍增管以及閃爍探測器設(shè)備體積較大，操作復雜，價格昂貴，極大地限制了其推廣應用。
[0004]隨著人們對輻射安全的關(guān)注度不斷提高，人們迫切希望高能射線的檢測能夠更加方便。因此，如何進一步減小高能射線探測設(shè)備的體積，以及進一步降低高能射線探測設(shè)備的制造成本成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種高能射線探測模組及包括其的穿戴式設(shè)備，其不僅可極大地減小設(shè)備體積，而且能夠準確地檢測出尚能射線及其劑量，從而進一步提尚尚能射線檢測的便捷性。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實施方式提供了一種高能射線探測模組，包含:光電PIN探測器、基板和屏蔽罩;所述PIN探測器位于屏蔽罩與基板形成的空間內(nèi)，所述屏蔽罩在PIN探測器所在位置預留有探測窗口；所述PIN探測器用于檢測從所述探測窗口進入的高能射線，轉(zhuǎn)換成電流信號。
[0007]本發(fā)明的實施方式還提供了一種穿戴式設(shè)備，所述穿戴式設(shè)備集成了上述的高能射線探測模組。
[0008]本發(fā)明實施方式相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，通過集成較少數(shù)量的光電PIN探測器，并利用其將檢測到的高能射線轉(zhuǎn)換成電流信號，從而十分方便地實現(xiàn)了對高能射線的檢測;并且，通過將光電探測器置于屏蔽罩內(nèi)，可極大程度地屏蔽掉干擾射線(例如:可見光)，由于在屏蔽罩上預留探測窗口，使得光PIN電探測器通過預留的探測窗口捕獲高能射線，從而實現(xiàn)對高能射線的準確檢測。進一步地，通過將高能射線探測模組集成至智能設(shè)備或穿戴式設(shè)備，使得用戶無論走到哪里，均可根據(jù)實際需要，利用智能設(shè)備或穿戴式設(shè)備的顯示屏或者報警器獲取當前環(huán)境中的高能射線粒子劑量，從而方便地為用戶提供環(huán)境安全系數(shù)參考。
[0009]另外，所述高能射線探測模組還包含ASIC處理芯片；所述ASIC處理芯片用于對所述PIN探測器輸出的電流信號進行放大，并轉(zhuǎn)換成電壓信號;所述電壓信號進行脈沖成形和濾波處理，并對脈沖幅度進行甄別，輸出數(shù)字信號，供后續(xù)電路處理。通過集成ASIC處理芯片，對PIN探測器輸出的電流信號進行放大，極大地提高了信噪比，再將放大的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，進而對得到的電壓信號進行脈沖成形和濾波處理，然后對脈沖幅度進行甄另IJ，可十分有效地提取高能射線強度信號，最后經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸出高能射線輻射強度的數(shù)字信號，從而極大地提高了探測模組的實用性。
[0010]另外，所述ASIC處理芯片包括硅襯底，硅襯底上制作有電流放大器、電流電壓轉(zhuǎn)換器、脈沖成形和比較器。通過將電流放大器、電流電壓轉(zhuǎn)換器、脈沖成形和比較器集成在一片硅襯底上，進一步提高探測模組的集成度，使得該高能射線探測模組的整體體積更加小巧，便于推廣使用。
[0011 ]另外，所述PIN探測器對應探測窗口的正上方貼合有一介質(zhì)層，所述介質(zhì)層的上表面與所述屏蔽罩保持一致的高度。通過在探測窗口的正上方貼合一介質(zhì)層，可有效透過高能射線，并進一步屏蔽掉可見光，從而提尚尚能射線檢測的準確性。
[0012]另外，所述介質(zhì)層的材料為鈸或鋁。鈸或者鋁均可以有效地透過高能射線，并且可以屏蔽可見光，進一步提尚尚能射線檢測的準確性。
[0013]另外，所述PIN探測器是光電二極管。通過對光電二極管進行特殊處理，例如是襯底的高能度摻雜，隔離二氧化薄膜的生長參數(shù)與厚度控制，以及PIN探測器的封裝與屏蔽結(jié)構(gòu)等，使之可靈敏地響應高能射線。
[0014]另外，所述高能射線探測模組還包含電源管理電路;所述電源管理電路為所述PIN探測器提供反向偏壓。通過電源管理電路為PIN探測器提供反向偏壓可以有效保證PIN探測器檢測的靈敏度。
[0015]另外，所述高能射線探測模組以郵票孔或球型封裝BGA形式引出信號線。通過郵票孔或者球型BGA封裝形式引出高能射線探測模組的信號線，可方便地實現(xiàn)大規(guī)模、批量化生產(chǎn)，進一步降低成本。
[0016]另外，所述高能射線探測模組還包含處理器MCU;所述M⑶用于對所述ASIC處理芯片輸出的數(shù)字信號進行標定，并輸出有效的射線粒子劑量數(shù)據(jù)。通過MCU對ASIC處理芯片輸出的數(shù)字信號進行標定，并輸出有效地射線粒子劑量數(shù)據(jù)，使得用戶能十分方便地得知當前環(huán)境含有高能射線的情況。
【附圖說明】
[0017]圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的高能射線探測模組的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的對光電二極管施加反向偏置電壓時PN結(jié)內(nèi)建電場形成暗電流的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的光電二極管在高能射線照射時形成光電流的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4是根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的高能射線探測模組的電路圖；
[0021]圖5是根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的高能探測模組的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖6是根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的高能射線探測模組的電路圖。
【具體實施方式】
[0023]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的各實施方式進行詳細的闡述。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，在本發(fā)明各實施方式中，為了使讀者更好地理解本申請而提出了許多技術(shù)細節(jié)。但是，即使沒有這些技術(shù)細節(jié)和基于以下各實施方式的種種變化和修改，也可以實現(xiàn)本申請各權(quán)利要求所要求保護的技術(shù)方案。
[0024]本發(fā)明的第一實施方式涉及一種高能射線探測模組，該高能射線探測模組采用光電PIN探測器進行高能射線檢測。如圖1所示，高能射線探測模組包含:PIN探測器1、基板2、屏蔽罩LPIN探測器I位于屏蔽罩4與基板2形成的空間內(nèi)，屏蔽罩4在PIN探測器I所在位置預留有探測窗口，并且PIN探測器I用于檢測從探測窗口進入的高能射線，并將檢測到的高能射線轉(zhuǎn)換成電流信號。
[0025]具體地說，基板2上設(shè)有PIN探測器1，光電PIN探測器I呈陣列排列，基板2上布置有PIN探測器I的一側(cè)設(shè)有屏蔽罩4，屏蔽罩4用于將PIN探測器I與外界隔離。并且，屏蔽罩4在PIN探測器I所在位置預留有探測窗口，使得穿過該探測窗口的高能射線直接入射到PIN探測器I上。
[0026]值得一提的是，屏蔽罩4例如可以采用不銹鋼材質(zhì)制作成矩形罩體焊接于基板2上。屏蔽罩4用于屏蔽電磁干擾和周圍的各種熱噪聲干擾，使得檢測結(jié)果更精確。然而，此種舉例僅是幫助理解，任何可以實現(xiàn)本發(fā)明的屏蔽罩及其安裝方式均在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
[0027]此外，PIN探測器I對應探測窗口的正上方貼合有一介質(zhì)層3，該介質(zhì)層3的上表面與屏蔽罩4保持一致的高度。本實施方式類似于在屏蔽罩4上開了一個窗口，在實際應用中，該介質(zhì)層的材料可以采用鈸或鋁。也就是說，在屏蔽罩4上開設(shè)鈸窗口或鋁窗口，從而可以屏蔽一般的可見光，更好地通過高能射線，使得高能射線的收集更精確。
[0028]需要說明的是，PIN探測器I可以采用光電二極管。該光電二極管實際上是加了反向偏置電壓的PN結(jié)。而高能射線探測模組還包含電源管理電路，其可以為PIN探測器提供反向偏壓。
[0029]以下描述光電二極管的工作流程，來說明光電二極管是如何將接收到的高能射線轉(zhuǎn)換成電流信號的。本實施方式通過對光電二極管做特殊處理，使其可靈敏地響應于高能射線，而屏蔽一般的可見光，保證了檢測的準確性。如圖2所示，在無射線條件下，若給光電二極管的PN結(jié)施加一個適當?shù)姆聪螂妷?，則該反向電壓加強了內(nèi)建電場，使得PN結(jié)的空間電荷區(qū)拉寬，勢皇增大，流過PN結(jié)的電流(亦稱反向飽和電流或暗電流)很小，因為暗電流是由少數(shù)載流子的漂移運動形成的。
[0030]如圖3所示，當光電二極管吸收了一定量的高能射線，則在PN結(jié)結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生由射線激發(fā)的載流子(稱作光生載流子)，光生載流子將PN結(jié)的內(nèi)建電場E拉開，光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，于是在外加電場的作用下形成了以少數(shù)光生載流子漂移運動為主的光電流。顯然，光電流比無射線時的暗電流大得多。并且射線劑量越大，在同樣條件下產(chǎn)生的光生載流子越多，光電流亦越大;反之，則光電流愈小。因此，當高能射線入射到光電二極管的敏感表面上時，會在PN結(jié)的整個耗盡區(qū)附近引起受激躍迀現(xiàn)象，從而產(chǎn)生電子空穴對。產(chǎn)生的電子空穴對在外部電場作用下定向移動，被電極收集產(chǎn)生電流。
[0031]此外，該高能射線探測模組還包含ASIC處理芯片5。其中，PMU電源管理模塊6連接于ASIC，用于對其提供電能。ASIC處理芯片包括硅襯底，硅襯底上制作有電流放大器、電流電壓轉(zhuǎn)換器、脈沖成形和比較器。通過采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)(Very Large ScaleIntegrat1n，簡稱VLSI)，使得整個ASIC處理芯片的封裝體積可以極大地減小，而批量化生產(chǎn)更可使得硬件成本極低。并且，高能射線探測模組可以采用郵票孔或球型封裝BGA形式引出信號線。郵票孔封裝以及球型BGA封裝形式均十分適用于模塊封裝，并且該兩種引腳封裝形式生產(chǎn)效率高。具體地說，電流放大器CSA用于對PIN探測器輸出的電流信號進行放大，電流電壓轉(zhuǎn)化器將放大后的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，而脈沖成形PS濾波器用于將轉(zhuǎn)換得到的電壓信號進行脈沖成形、濾波處理，比較器COMP通過對得到的脈沖幅度進行甄別，最后A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器將比較后的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。
[0032]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實施方式的高能射線探測模組可以集成在指甲蓋面積大小的芯片上，使得其能方便地搭載于各種便攜式設(shè)備上，檢測十分方便;并且，由于屏蔽罩的屏蔽作用以及探測窗口的高能射線專用透過通道，使得其屏蔽性能較好，可極大地提高高能射線檢測的精確度。
[0033]本發(fā)明的第二實施方式涉及一種高能射線探測模組，本實施方式在第一實施方式基礎(chǔ)上做了進一步改進，其改進之處在于:在第二實施方式中，高能射線探測模組還包含處理器M⑶7，通過MCU7對ASIC處理芯片輸出的數(shù)字信號進行標定，從而可以輸出有效的射線粒子劑量數(shù)據(jù)。
[0034]如圖5、6所示，高能射線探測模組包含:PIN探測器1、基板2、ASIC處理芯片5、PMU電源管理電路6、以及MCU7。其中，光電PIN探測器、ASIC處理芯片以及PMU電源管理電路的結(jié)構(gòu)及用途同第一實施方式，在此不再贅述。M⑶連接于ASIC處理芯片和PMU電源管理電路。PMU電源管理電路用于給MCU提供電源。MCU用于對ASIC處理芯片輸出的高能射線輻射強度的數(shù)字信號進行標定，并輸出有效的射線粒子劑量數(shù)據(jù)。通過輸出高能射線粒子劑量數(shù)據(jù)可以給予用戶更清晰的提醒，便于用戶采取更合適的防護措施。
[0035]需要說明的是，可以通過以下方式對從ASIC接收到的數(shù)字信號進行高能射線粒子有效劑量的標定:
[0036]將系統(tǒng)放置于標定環(huán)境中，利用標準的放射性輻射源，在防輻射的標定室內(nèi)，通過機械手控制輻射源的輻射劑量、輻射距離、環(huán)境溫度等參數(shù)，讀取系統(tǒng)的AD值，作為標準數(shù)據(jù)庫參數(shù)，完成劑量與距離、時間、溫度等的關(guān)系曲線。
[0037]值得一提的是，本實施方式中的高能探測模組還可以包含顯示屏和/報警器。顯示屏和/報警器分別連接于M⑶和PMU電源管理模塊。PMU電源管理模塊用于給顯示屏和/報警器提供電源，而MCU用于輸出控制信號給顯示屏和/報警器，該控制信號用于控制顯示屏顯示檢測出的經(jīng)標定的高能射線粒子劑量，或者用于控制報警器根據(jù)檢測出的高能射線粒子劑量發(fā)出報警信號。
[0038]本發(fā)明的第三實施方式涉及一種智能設(shè)備，其包含如第一、二實施方式所述的高能射線探測模組。具體地說，可以將高能射線探測模組集成至智能設(shè)備內(nèi)部。比如，可以在智能設(shè)備的背面，設(shè)置與探測窗口一致的高能射線入射口，從而將高能射線探測模組整體置入智能設(shè)備內(nèi)部。為了更好地保護探測窗口的介質(zhì)層，還可以在介質(zhì)層的表面貼附一層高透光防水保護層，例如石墨烯層。通過將高能射線探測模組集成至智能設(shè)備，例如智能手機。用戶無論走到哪里，均可根據(jù)實際需要，利用智能設(shè)備自置的顯示屏或者報警器獲取當前環(huán)境中的高能射線粒子劑量。
[0039]本發(fā)明的第三實施方式涉及一種穿戴式設(shè)備，其包含如第一、二實施方式所述的高能射線探測模組。值得一提的是，本實施方式高能射線探測模組的基板可以采用柔性基板，其可使得該高能射線探測模組整體能夠良好地貼附于起伏的表面。比如，具有柔性基板的高能射線探測模組整體可以安裝于肩章或者胸章內(nèi)，并在肩章或者胸章表面設(shè)置探測窗口，更可在探測窗口介質(zhì)層表面貼附高透光保護層，例如石墨烯層。由此可見，本實施方式具有極強的便攜性，隨身攜帶，使用非常方便。
[0040]此外，通過將高能射線探測模組集成至穿戴式設(shè)備，例如智能手環(huán)，用戶無論身處何種環(huán)境，均可根據(jù)實際需要，利用穿戴式設(shè)備自置的顯示屏或者報警器獲取當前環(huán)境中的高能射線粒子劑量，從而方便地為用戶提供環(huán)境安全系數(shù)參考。
[0041]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，上述各實施方式是實現(xiàn)本發(fā)明的具體實施例，而在實際應用中，可以在形式上和細節(jié)上對其作各種改變，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
【主權(quán)項】
1.一種高能射線探測模組，其特征在于，所述高能射線探測模組包含光電PIN探測器、基板和屏蔽罩;所述PIN探測器位于屏蔽罩與基板形成的空間內(nèi)，所述屏蔽罩在PIN探測器所在位置預留有探測窗口； 所述PIN探測器用于檢測從所述探測窗口進入的高能射線，轉(zhuǎn)換成電流信號。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高能射線探測模組，其特征在于，所述高能射線探測模組還包含ASIC處理芯片； 所述ASIC處理芯片用于對所述PIN探測器輸出的電流信號進行放大，并轉(zhuǎn)換成電壓信號;將所述電壓信號進行脈沖成形和濾波處理，并對脈沖幅度進行甄別，輸出數(shù)字信號，供后續(xù)電路處理。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高能射線探測模組，其特征在于，所述ASIC處理芯片包括硅襯底，硅襯底上制作有電流放大器、電流電壓轉(zhuǎn)換器、脈沖成形和比較器。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高能射線探測模組，其特征在于，所述PIN探測器對應探測窗口的正上方貼合有一介質(zhì)層，所述介質(zhì)層的上表面與所述屏蔽罩保持一致的高度。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高能射線探測模組，其特征在于，所述介質(zhì)層的材料為鈸或招O6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高能射線探測模組，其特征在于，所述PIN探測器是光電二極管。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高能射線探測模組，其特征在于，所述高能射線探測模組還包含電源管理電路； 所述電源管理電路為所述PIN探測器提供反向偏壓。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高能射線探測模組，其特征在于，所述高能射線探測模組以郵票孔或球型封裝BGA形式引出信號線。9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高能射線探測模組，其特征在于，所述高能射線探測模組還包含處理器MCU; 所述MCU用于對所述ASIC處理芯片輸出的數(shù)字信號進行標定，并輸出有效的射線粒子劑量數(shù)據(jù)。10.—種穿戴式設(shè)備，其特征在于，所述穿戴式設(shè)備上集成了如權(quán)利要求1至9任意一項所述的高能射線探測模組。
【文檔編號】G01T1/16GK106093998SQ201610326031
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月16日
【發(fā)明人】紀新明, 竇宏雁
【申請人】復旦大學