專利名稱：一種能對(duì)電離輻射總劑量進(jìn)行測(cè)量的新型固體劑量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種新型電離輻射總劑量測(cè)量技術(shù)。尤其是涉及航天衛(wèi)應(yīng)用。
它是利用PMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(以下稱PMOS探頭)受到電離輻照后，其柵氧化層中感生的氧化物電荷和硅-二氧化硅界面態(tài)的增加將引起器件表面電勢(shì)的變化，并且這種變化與其吸收的輻射累積劑量有近似線性關(guān)系的原理，進(jìn)行累積輻射劑量的測(cè)量，是一種相對(duì)輻射劑量測(cè)量技術(shù)，PMOS劑量?jī)x的研究應(yīng)用國(guó)外開展較早，從80年代至今，國(guó)外多次在衛(wèi)星上采用PMOS劑量?jī)x進(jìn)行了成功的搭載飛行探測(cè)應(yīng)用，并且開始發(fā)展用于個(gè)人劑量監(jiān)測(cè)、醫(yī)用放射治療劑量監(jiān)測(cè)、核工業(yè)設(shè)備和輻射消毒劑量監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的一系列靈敏度不同的輻射劑量?jī)x。近年來(lái)，PMOS劑量?jī)x在微型化、與其它電路混合設(shè)計(jì)以及制造工藝、應(yīng)用技術(shù)方面不斷有新的研究進(jìn)展。成為人們較為關(guān)注的研究目標(biāo)。
目前，在PMOS探頭的溫度特性、電荷記錄長(zhǎng)久穩(wěn)定性、高靈敏度、響應(yīng)線性度以及響應(yīng)測(cè)量技術(shù)等方面的應(yīng)用技術(shù)改進(jìn)和探頭質(zhì)量提高仍在不斷深入研究。
在國(guó)內(nèi)，我們對(duì)PMOS劑量?jī)x的研制、開發(fā)工作起步于90年代初。是國(guó)內(nèi)唯一和最早對(duì)國(guó)外此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行跟蹤研究的單位，由于PMOS劑量?jī)x的很多關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)無(wú)法從國(guó)外文獻(xiàn)中獲取，因而，我們從pMOS器件的工藝變量到各種條件下的輻射響應(yīng)特性入手，進(jìn)行了大量的研究分析工作，取得了很多卓有成效的結(jié)果。根據(jù)獲得的研究結(jié)果，設(shè)計(jì)研制出了航天衛(wèi)星專用PMOS劑量?jī)x電路，采用和建立了溫度補(bǔ)償方法和標(biāo)定方法。
本發(fā)明的目的在于一種能對(duì)電離輻射總劑量進(jìn)行測(cè)量的新型固體劑量?jī)x，其硬件由PMOS探頭、輻照敏感物理參量—閾電壓漂移的測(cè)量電路、PMOS探頭的加偏電路和電源四部分構(gòu)成。其軟件由PMOS探頭的溫度特性測(cè)量、電路的溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)、探頭的輻照偏置方式選擇、輻照響應(yīng)標(biāo)定技術(shù)四部分組成。
該劑量?jī)x特點(diǎn)測(cè)量的實(shí)時(shí)性、低功耗、測(cè)量精度高(可達(dá)10％)、硬件電路簡(jiǎn)單、可微型化。是特別適用于航天探測(cè)、放射醫(yī)療、核工業(yè)等要求遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)總劑量的領(lǐng)域。也是國(guó)內(nèi)開始首次應(yīng)用于航天衛(wèi)星環(huán)境探測(cè)的新技術(shù)。也是其它測(cè)量方法，如CaF2Mn TLD，p-i-N二極管，尼龍薄膜等無(wú)法相比和替代的。同時(shí)，其劑量測(cè)量精度也不低于上述幾種固體劑量?jī)x。
本發(fā)明所述一種能對(duì)電離輻射總劑量進(jìn)行測(cè)量的新型固體劑量，其硬件由PMOS探頭、輻照敏感物理參量—閾電壓漂移的測(cè)量電路、PMOS探頭的加偏電路和電源四部分構(gòu)成。其軟件由PMOS探頭的溫度特性測(cè)量、電路的溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)、探頭的輻照偏置方式選擇、輻照響應(yīng)標(biāo)定技術(shù)四部分組成。該儀器的閾電壓漂移測(cè)量電路包括了由運(yùn)算放大器構(gòu)成的恒流回路(1)，由運(yùn)算放大器構(gòu)成的采樣隔離跟隨器(3)，由運(yùn)算放大器構(gòu)成的閾電壓及閾電壓漂移算法電路(4)，和由可調(diào)三端穩(wěn)壓器構(gòu)成的PMOS探頭初值基準(zhǔn)電壓電路(5)；探頭加偏電路(2)由開關(guān)與提供恒流的運(yùn)算放大器構(gòu)成。閾電壓漂移測(cè)量電路是采用反饋?zhàn)苑€(wěn)定技術(shù)，利用運(yùn)算放大器的高開環(huán)增益，與PMOS探頭構(gòu)成一恒流回路，實(shí)現(xiàn)在PMOS探頭的源-漏間通過一選取的恒定工作電流，工作電流一般選10微安、20微安。閾電壓漂移算法電路能夠包括另一種溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)，即熱敏電阻組件對(duì)PMOS閾電壓初值的溫度補(bǔ)償法。將可調(diào)三端穩(wěn)壓器構(gòu)成的PMOS探頭初值基準(zhǔn)電壓電路(5)中的調(diào)壓電阻改為符合要求B值的熱敏電阻組件，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)劑量?jī)x的溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)。
該劑量?jī)x軟件中的零溫度系數(shù)電流的確定是通過對(duì)PMOS探頭的溫度特性測(cè)量獲得的，其方法如下a.依照PMOS劑量?jī)x應(yīng)用環(huán)境溫度范圍(通常為-20℃-80℃)，選取三個(gè)以上的溫度(含兩端溫度)，在各個(gè)溫度下測(cè)得一組I-V曲線(I-V測(cè)量可采用專用I-V測(cè)量?jī)x或任一具備電壓掃描、電流測(cè)量(最小可測(cè)量電流至少為10-9A)的儀器完成)。繪出測(cè)得的I-V曲線組，找出曲線交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流即為該測(cè)量探頭的零溫度系數(shù)電流；b.利用PMOS劑量?jī)x閾電壓漂移測(cè)量電路或其它可測(cè)量PMOS探頭閾電壓的通用測(cè)量?jī)x器，通過從10微安起逐漸增大工作恒定電流，然后在變化溫度環(huán)境下進(jìn)行閾電壓監(jiān)測(cè)，找出閾電壓隨溫度變化最小的工作電流即為零溫度系數(shù)電流。
軟件中熱敏電阻組件閾電壓初值的溫度補(bǔ)償法是通過以下步驟完成的首先依照PMOS劑量?jī)x應(yīng)用環(huán)境溫度范圍(通常為-20℃-80℃)，選定三個(gè)及以上溫度點(diǎn)(含兩端溫度)，測(cè)定出相應(yīng)的PMOS探頭初始(未輻照過)閾電壓，例如VT(-20℃)、VT(25℃)、VT(80℃)。
其次依據(jù)基準(zhǔn)電壓電路(5)的輸出電壓(VR)與可調(diào)電阻(RT)的關(guān)系，VR＝f(Rt)。
以VT代入上式中VR得到各溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電阻測(cè)得電阻阻值R-20℃、R25℃、R80 ℃。
然后在根據(jù)所得到的不同溫度點(diǎn)的電阻阻值R-20℃、R25℃、R80℃?？傻玫剿锜崦綦娮杞M件的B值。
根據(jù)所需B值的熱敏電阻組件，并將其替代PMOS劑量?jī)x基準(zhǔn)電壓電路中的調(diào)壓電阻，即完成了對(duì)PMOS探頭的溫度補(bǔ)償措施。
軟件中PMOS探頭的輻照偏置方式選擇是根據(jù)劑量?jī)x設(shè)計(jì)要求的靈敏度大小、響應(yīng)線性度、功耗限制、穩(wěn)定性要求而定，這是由于輻照偏置對(duì)上述指標(biāo)的影響規(guī)律不同的原因。軟件中PMOS探頭在應(yīng)用前的標(biāo)定技術(shù)包括輻照源的選取、輻照劑量的確定和標(biāo)定輻照劑量率選取。其主要以1.25MeV、1.17MeV的γ射線為標(biāo)定源。采用的標(biāo)定劑量率小于某一定值時(shí)，能較好模擬空間低劑量率輻射環(huán)境；輻照劑量的確定有兩種一是用標(biāo)定過的鈷源(Co60Υ)進(jìn)行輻照，輻照劑量可通過對(duì)時(shí)間的精確測(cè)量確定。二是用X光源或電子束等輻照源標(biāo)定，采用熱釋光片(TLD)同時(shí)輻照，用量熱計(jì)對(duì)其進(jìn)行刻度的方法。
參見附1為本發(fā)明PMOS劑量?jī)x電路原理框2為本發(fā)明PMOS探頭加偏電路劑量?jī)x硬件主要完成對(duì)PMOS探頭輻照時(shí)加偏置和測(cè)量時(shí)采集閾電壓漂移信號(hào)的功能。劑量?jī)x的軟件則是以完善PMOS劑量?jī)x整機(jī)性能，實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性、高測(cè)量精度、低溫度效應(yīng)并最終取得探頭的響應(yīng)標(biāo)定曲線為目的，以及在劑量?jī)x應(yīng)用前對(duì)測(cè)量電路進(jìn)行工作狀態(tài)調(diào)整(確定探頭輻照偏置、工作恒流、基準(zhǔn)電壓)。
實(shí)施例1選擇采用“零溫度系數(shù)電流”補(bǔ)償法，選擇VT輻照偏置模式。
首先測(cè)定“零溫度系數(shù)電流”，將劑量?jī)x工作恒流電路(1)調(diào)節(jié)為此電流。加偏電路(2)的開關(guān)可去掉，直接將原開關(guān)的刀端接到儀器電源+12V端。然后進(jìn)行PMOS探頭的輻照響應(yīng)曲線標(biāo)定。
一是用標(biāo)定過的鈷源(Co60Υ)進(jìn)行輻照，輻照劑量可通過對(duì)時(shí)間的精確測(cè)量確定，標(biāo)定可獲得PMOS探頭閾電壓漂移與輻照劑量的響應(yīng)關(guān)系。二是用X光源或電子束等輻照源標(biāo)定，一般采用熱釋光片(TLD)同時(shí)輻照，用量熱計(jì)對(duì)其進(jìn)行刻度的方法。具體地講，就是在標(biāo)定過的鈷源(Co60Υ)輻照熱釋光片(TLD)，用量熱計(jì)對(duì)其進(jìn)行刻度，再用同批次的熱釋光片(TLD)和PMOS探頭同時(shí)在X光源或電子束源下輻照，從而可根據(jù)TLD在量熱計(jì)的讀數(shù)確定出輻照的總劑量。最終也可獲得PMOS的閾電壓漂移與總電離劑量的響應(yīng)關(guān)系。
將標(biāo)定過的同批次PMOS探頭按相應(yīng)管腳聯(lián)接在測(cè)量電路中，打開劑量?jī)x電源，置該探頭于輻射環(huán)境中時(shí)，測(cè)量電路會(huì)測(cè)得其閾電壓漂移量。該漂移量即對(duì)應(yīng)于測(cè)量時(shí)刻的輻照總劑量。劑量值可從標(biāo)定的響應(yīng)關(guān)系曲線得到。
實(shí)施例2
采用熱敏電阻溫度補(bǔ)償法，選擇VT輻照偏置模式。
將可調(diào)三端穩(wěn)壓器構(gòu)成的PMOS探頭初值基準(zhǔn)電壓電路(5)中的調(diào)壓電阻改為符合要求B值的熱敏電阻組件，其步驟如下首先依照PMOS劑量?jī)x應(yīng)用環(huán)境溫度范圍(通常為-20℃-80℃)，選定三個(gè)及以上溫度點(diǎn)(含兩端溫度)，測(cè)定出相應(yīng)的PMOS探頭初始(未輻照過)閾電壓，例如VT(-20℃)、VT(25℃)、VT(80℃)。
其次依據(jù)基準(zhǔn)電壓電路(5)的輸出電壓(VR)與可調(diào)電阻(RT)的關(guān)系，VR＝f(Rt)。
例如本發(fā)明中VR＝1.25(1+Rt/240)分別將VT(-20℃)、VT(25℃)、VT(80℃)代入上式的VR中，可算出與上述各溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電阻阻值R-20℃、R25℃、R80℃。
然后根據(jù)以上步驟中得到的不同溫度點(diǎn)的電阻阻值R-20℃、R25℃、R80℃?？傻玫剿锜崦綦娮杞M件的B值。
再采用一定的方法構(gòu)成所需B值的熱敏電阻組件，并將其替代PMOS劑量?jī)x基準(zhǔn)電壓電路中的調(diào)壓電阻，即完成了對(duì)PMOS探頭的溫度補(bǔ)償措施。然后進(jìn)行PMOS探頭的輻照響應(yīng)曲線標(biāo)定。
一是用標(biāo)定過的鈷源(Co60Υ)進(jìn)行輻照，輻照劑量可通過對(duì)時(shí)間的精確測(cè)量確定，標(biāo)定可獲得PMOS探頭閾電壓漂移與輻照劑量的響應(yīng)關(guān)系。二是用X光源或電子束等輻照源標(biāo)定，一般采用熱釋光片(TLD)同時(shí)輻照，用量熱計(jì)對(duì)其進(jìn)行刻度的方法。具體地講，就是在標(biāo)定過的鈷源(Co60Υ)輻照熱釋光片(TLD)，用量熱計(jì)對(duì)其進(jìn)行刻度，再用同批次的熱釋光片(TLD)和PMOS探頭同時(shí)在X光源或電子束源下輻照，從而可根據(jù)TLD在量熱計(jì)的讀數(shù)確定出輻照的總劑量。最終也可獲得PMOS的閾電壓漂移與總電離劑量的響應(yīng)關(guān)系。
將標(biāo)定過的同批次PMOS探頭按相應(yīng)管腳聯(lián)接在測(cè)量電路中，打開劑量?jī)x電源，置該探頭于輻射環(huán)境中時(shí)，測(cè)量電路會(huì)測(cè)得其閾電壓漂移量。該漂移量即對(duì)應(yīng)于測(cè)量時(shí)刻的輻照總劑量。劑量值可從標(biāo)定的響應(yīng)關(guān)系曲線得到。
權(quán)利要求
1.一種能對(duì)電離輻射總劑量進(jìn)行測(cè)量的新型固體劑量?jī)x，其特征在于，其硬件由PMOS探頭、輻照敏感物理參量—閾電壓漂移的測(cè)量電路、PMOS探頭的加偏電路和電源四部分構(gòu)成。其軟件由PMOS探頭的溫度特性測(cè)量、電路的溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)、探頭的輻照偏置方式選擇、輻照響應(yīng)標(biāo)定技術(shù)四部分組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能對(duì)電離輻射總劑量進(jìn)行測(cè)量的新型固體劑量?jī)x，其特征在于，該儀器的閾電壓漂移測(cè)量電路包括了由運(yùn)算放大器構(gòu)成的恒流回路(1)，由運(yùn)算放大器構(gòu)成的采樣隔離跟隨器(3)，由運(yùn)算放大器構(gòu)成的閾電壓及閾電壓漂移算法電路(4)，和由可調(diào)三端穩(wěn)壓器構(gòu)成的PMOS探頭初值基準(zhǔn)電壓電路(5)；探頭加偏電路(2)由開關(guān)與提供恒流的運(yùn)算放大器構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種能對(duì)電離輻射總劑量進(jìn)行測(cè)量的新型固體劑量?jī)x，其特征在于，閾電壓漂移測(cè)量電路是采用反饋?zhàn)苑€(wěn)定技術(shù)，利用運(yùn)算放大器的高開環(huán)增益，與PMOS探頭構(gòu)成一恒流回路，實(shí)現(xiàn)在PMOS探頭的源-漏間通過一選取的恒定工作電流，工作電流一般選10微安、20微安。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種能對(duì)電離輻射總劑量進(jìn)行測(cè)量的新型固體劑量?jī)x，其特征在于閾電壓漂移算法電路能夠包括另一種溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)，即熱敏電阻組件對(duì)PMOS閾電壓初值的溫度補(bǔ)償法。將可調(diào)三端穩(wěn)壓器構(gòu)成的PMOS探頭初值基準(zhǔn)電壓電路(5)中的調(diào)壓電阻改為符合要求B值的熱敏電阻組件，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)劑量?jī)x的溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能對(duì)電離輻射總劑量進(jìn)行測(cè)量的新型固體劑量?jī)x，其特征在于，軟件中的零溫度系數(shù)電流的確定是通過對(duì)PMOS探頭的溫度特性測(cè)量獲得的，其方法如下a.依照PMOS劑量?jī)x應(yīng)用環(huán)境溫度范圍(通常為-20℃-80℃)，選取三個(gè)以上的溫度(含兩端溫度)，在各個(gè)溫度下測(cè)得一組I-V曲線(I-V測(cè)量可采用專用I-V測(cè)量?jī)x或任一具備電壓掃描、電流測(cè)量(最小可測(cè)量電流至少為10-9A)的儀器完成)。繪出測(cè)得的I-V曲線組，找出曲線交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流即為該測(cè)量探頭的零溫度系數(shù)電流；b.利用PMOS劑量?jī)x閾電壓漂移測(cè)量電路或其它可測(cè)量PMOS探頭閾電壓的通用測(cè)量?jī)x器，通過從10微安起逐漸增大工作恒定電流，然后在變化溫度環(huán)境下進(jìn)行閾電壓監(jiān)測(cè)，找出閾電壓隨溫度變化最小的工作電流即為零溫度系數(shù)電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能對(duì)電離輻射總劑量進(jìn)行測(cè)量的新型固體劑量?jī)x，其特征在于，軟件中熱敏電阻組件閾電壓初值的溫度補(bǔ)償法是通過以下步驟完成的首先依照PMOS劑量?jī)x應(yīng)用環(huán)境溫度范圍(通常為-20℃-80℃)，選定三個(gè)及以上溫度點(diǎn)(含兩端溫度)，測(cè)定出相應(yīng)的PMOS探頭初始(未輻照過)閾電壓，例如VT(-20℃)、VT(25℃)、VT(80℃)。其次依據(jù)基準(zhǔn)電壓電路(5)的輸出電壓(VR)與可調(diào)電阻(RT)的關(guān)系，VR＝f(Rt)。以VT代入上式中VR得到各溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電阻阻值R-20℃、R25℃、R80℃。然后再根據(jù)所得到的不同溫度點(diǎn)的電阻阻值R-20℃、R25℃、R80℃。可得到所需熱敏電阻組件的B值。根據(jù)所需B值的熱敏電阻組件，并將其替代PMOS劑量?jī)x基準(zhǔn)電壓電路中的調(diào)壓電阻，即完成了對(duì)PMOS探頭的溫度補(bǔ)償措施。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種能對(duì)電離輻射總劑量進(jìn)行測(cè)量的新型固體劑量?jī)x，其特征在于，軟件中PMOS探頭的輻照偏置方式選擇是根據(jù)劑量?jī)x設(shè)計(jì)要求的靈敏度大小、響應(yīng)線性度、功耗限制、穩(wěn)定性要求而定，由于輻照偏置對(duì)上述指標(biāo)的影響規(guī)律不同的原因。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能對(duì)電離輻射總劑量進(jìn)行測(cè)量的新型固體劑量?jī)x，其特征在于，軟件中PMOS探頭在應(yīng)用前的標(biāo)定技術(shù)包括輻照源的選取、輻照劑量的確定和標(biāo)定輻照劑量率選取。其主要以1.25MeV、1.17MeV的γ射線為標(biāo)定源。采用的標(biāo)定劑量率小于某一定值時(shí)，能較好模擬空間低劑量率輻射環(huán)境；輻照劑量的確定有兩種一是用標(biāo)定過的鈷源(Co60Υ)進(jìn)行輻照，輻照劑量可通過對(duì)時(shí)間的精確測(cè)量確定。二是用X光源或電子束等輻照源標(biāo)定，采用熱釋光片(TLD)同時(shí)輻照，用量熱計(jì)對(duì)其進(jìn)行刻度的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能對(duì)電離輻射總劑量進(jìn)行測(cè)量的新型固體劑量?jī)x,其硬件由PMOS探頭、輻照敏感物理參量—閾電壓漂移的測(cè)量電路、PMOS探頭的加偏電路和電源四部分構(gòu)成。其軟件由PMOS探頭的溫度特性測(cè)量、電路的溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)、探頭的輻照偏置方式選擇、輻照響應(yīng)標(biāo)定技術(shù)四部分組成。該劑量?jī)x硬件電路簡(jiǎn)單、可微型化。是特別適用于航天探測(cè)、放射醫(yī)療、核工業(yè)等要求遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)總劑量的領(lǐng)域。也是國(guó)內(nèi)開始首次應(yīng)用于航天衛(wèi)星環(huán)境探測(cè)的新技術(shù)。
文檔編號(hào)G01T1/02GK1256416SQ9812570
公開日2000年6月14日 申請(qǐng)日期1998年12月7日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月7日
發(fā)明者范隆, 嚴(yán)榮良, 任迪遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院新疆物理研究所