歐向明 趙士菴 丁艷秋

[文章編號] 1672-8270(2015)03-0004-04 [中圖分類號] R144.1 [文獻標識碼] A

半導(dǎo)體型個人劑量計能量補償?shù)难芯?

歐向明①趙士菴①丁艷秋①

[文章編號] 1672-8270(2015)03-0004-04 [中圖分類號] R144.1 [文獻標識碼] A

目的：在X、γ射線能量參考條件下對3臺新型半導(dǎo)體個人劑量計進行能量響應(yīng)補償，以滿足國際電工委員會(IEC)技術(shù)規(guī)范及我國現(xiàn)行國家標準的相關(guān)要求。方法：在國家二級標準劑量學(xué)實驗室，通過對無補償劑量計能量響應(yīng)實驗獲得的數(shù)據(jù)，采用一組不同厚度鉛、錫復(fù)合過濾片，結(jié)合不同直徑的開孔進行能量補償，滿足劑量計能量響應(yīng)要求。結(jié)果：在50～662 keV能量范圍內(nèi)，個人劑量計完成了測量誤差≤±30%的能量補償目標值。結(jié)論：通過采用打孔的鉛、錫復(fù)合過濾片，可以對半導(dǎo)體型個人劑量計能量補償，使之滿足相關(guān)標準規(guī)范及實際使用的要求。

半導(dǎo)體；個人劑量計；鉛錫過濾片；不同孔徑；能量補償

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.03.002

[First-author’s address] National Institute for Radiological Protection, Chinese Center for Disease Control and Prevention, Beijing 100088, China.

電子直讀式半導(dǎo)體型個人劑量計是由半導(dǎo)體材料制成的電離輻射探測器，目前在核技術(shù)應(yīng)用和放射診療的個人劑量監(jiān)測及報警中具有廣泛的應(yīng)用前景[1-2]。劑量計的能量響應(yīng)特性(Energy Response)又稱能量依賴性(Energy Dependence)，即輻射探測器的靈敏度與入射輻射能量的關(guān)系，通?？捎锰綔y器響應(yīng)值與能量的關(guān)系曲線表示，是劑量計的重要性能之一[3]。這一特性既與探測器本身的材料和制作工藝有關(guān)，又與為了防止電磁干擾及避光所使用的金屬(或非金屬)材料的固有過濾有關(guān)，然而最相關(guān)的還取決于半導(dǎo)體材料本身的質(zhì)量能量吸收系數(shù)[4]。通過測量探測器，在無補償能量響應(yīng)特性的基礎(chǔ)上計算和試驗獲得用于能量補償?shù)母郊訌?fù)合過濾片，以滿足標準規(guī)范規(guī)定的技術(shù)要求，即對于電子直讀式個人劑量計(或劑量率儀)在50～3000 keV能量范圍內(nèi)測量誤差≤±30%[5-6]。

為了探索半導(dǎo)體型個人劑量計能量補償?shù)哪Ｊ胶头椒?，本研究在中國疾病預(yù)防控制中心輻射防護與核安全醫(yī)學(xué)所-醫(yī)用放射診療設(shè)備應(yīng)用質(zhì)量控制實驗室(SSDL國家二級標準劑量學(xué)實驗室)，結(jié)合國際電工委員會(IEC)的標準及我國現(xiàn)行的國家標準(GB)技術(shù)規(guī)范，開展了相關(guān)的工作，完成了3臺新型劑量計的能量補償[7-8]。根據(jù)本實驗室的X射線輻射線質(zhì)的實際情況，此次選擇的能量范圍是47～662 keV，補償后3臺個人劑量計能量響應(yīng)≤±30%。對于低能端47 keV的X射線能量點可適當放寬；對高能端一般認為劑量計對137Cs和60Co的能量響應(yīng)差別不大[9]。

1 材料與方法

1.1 半導(dǎo)體型個人劑量計

將3臺半導(dǎo)體型個人劑量計分別編號為1#、2#和3#。由于防電磁輻射和避光的需要，半導(dǎo)體探測器已被密封于坡莫合金(Permalloy)屏蔽盒內(nèi)。

1.2 能量補償片

采用純鉛片、不同比例的鉛錫合金片(PbSn)，其厚度為0.20 mm和0.30 mm兩種。不同鉛錫合金片的型號及比例分別為：LX130A(Pb∶Sn重量百分比為70∶30)，LX60A(Pb∶Sn重量百分比為40∶60)，LX63A(Pb∶Sn重量百分比為37∶63)。

1.3 X射線源

X射線源由德國飛利浦(PHILIPS)公司生產(chǎn)的MG324雙極恒電壓高穩(wěn)定度X射線機提供。該機為輻射劑量學(xué)專用X射線機型，峰值管電壓為13.6～320kV，連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)步節(jié)為0.2 kV，實驗用的輻射線質(zhì)符合ISO4037推薦的窄束條件[10-11]。

1.4 γ射線源

γ射線源由德國布克勒(BUCHLER)公司生產(chǎn)的OB34全景γ輻照器提供。該裝置內(nèi)有7枚γ標準放射源，此次使用其中的一枚137Cs標準源，其進口時的標稱放射性活度為7.4 GBq(662 keV)，檢驗點處個人劑量率約定真值為382.0 μSv/h)[12]。

1.5 ISO標準模體

采用德國培德威(PTW)公司提供的、ISO推薦的30 mm×30 mm×15 mm標準板模體。該模體為個人劑量儀的校準提供個人劑量當量H· p(10)的標準參考條件[13]。

1.6 標準劑量儀

采用由PTW-UNIDOS標準劑量儀為主機，配置體積為1000 cm3的球形標準空氣電離室(Model LS01)，已完成60～250 kV不同X射線輻射線質(zhì)(47～206 keV)參考檢驗點處的空氣吸收劑量率的測量[14]。標準劑量儀具有優(yōu)良的能量響應(yīng)特性，其校準因子可溯源到國際原子能機構(gòu)(IAEA)次級標準劑量學(xué)實驗室。

1.7 附屬檢測設(shè)備

構(gòu)成標準裝置的溫度計和氣壓表由國家計量院和國家氣象局定期完成校準，配置的測量車、軌道和激光定位儀等附屬檢測裝置的技術(shù)指標和性能完全滿足標準輻射場的測量要求。

1.8 劑量儀的能量補償方法

(1)按照國際標準化組織ISO 4037的N系列規(guī)范在60～250 kV內(nèi)選定平均能量為47 keV、65 keV、84 keV、101 keV、111 keV、165 keV及206 keV等7種X射線的峰值管電壓，其對應(yīng)的國家標準的能量下限為50 keV，而47 keV能量點低于下限，且很難補償?shù)綕M足要求，為此本研究在實驗室采用內(nèi)插法求得半值層(half-value layer，HVL)值，為本次實驗專門測定了有效能量為53 keV的X射線標準輻射場，以便采用內(nèi)插法確定50 keV能量點處的能量響應(yīng)，標準輻射場設(shè)定的輻射線質(zhì)條件見表1。

表1 標準輻射場設(shè)定的輻射線質(zhì)條件

(2)測定無補償條件下半導(dǎo)體(裸管)劑量計的能響特性是補償實驗的重要基礎(chǔ)[15]。將每臺劑量計分別在參考條件下測量檢驗點處不同能量的個人劑量計顯示值(讀數(shù))，通過計算得到其響應(yīng)R(E)(公式1)：

式中R(E)為在參考條件下不同能量檢驗點處的劑量計響應(yīng)；Mi為劑量計在檢驗點處第i能量的顯示值[H· p(10)讀數(shù)]的平均值；M0為該點處相同能量的個人劑量當量率約定真值，H· p(10)。

個人劑量當量率約定真值是由該點處的空氣比釋動能率乘以H· p(10)換算系數(shù)獲得的。相對響應(yīng)(又稱歸一響應(yīng))R'(E)為劑量計各個能量點的響應(yīng)值R(E)除以137Cs標準源R(Cs-137)值所得到的響應(yīng)(公式2)：

3臺無補償?shù)膭┝坑嫷臏y量結(jié)果顯示，其能量響應(yīng)差異很大，最大與最小的比值達到400%左右(如圖1所示)。

圖1 3臺無補償?shù)陌雽?dǎo)體劑量儀能量響應(yīng)曲線圖

(3)通過對無補償劑量計結(jié)果分析，以及對補償材料的質(zhì)量能量衰減系數(shù)隨光子能量變化的關(guān)系計算，獲得補償片厚度的預(yù)期值為0.60～0.90 mm，占空比為20%～30%。

(4)對3臺半導(dǎo)體型個人劑量計分別進行補償，采用濾片疊加的方法分別用0.60 mm和0.90 mm未開孔的鉛、錫合金做能量響應(yīng)曲線。按照劑量儀能量補償方法(2)的程序進行測量。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，濾片中鉛元素的組分過低，經(jīng)確認證實此種補償片的Pb∶Sn重量百分比值僅為1∶9，因此利用部分合金加純鉛片做為復(fù)合補償片。

(5)采用本實驗室的純鉛補償片代替其中一層鉛錫合金片，配合1.0～2.0 mm不同孔徑打孔，經(jīng)過大量實驗，2#劑量儀的補償滿足要求。同理，對1#和3#劑量儀分別進行補償、并做適當微調(diào)，最終使3臺劑量計均可滿足能量補償?shù)囊蟆?/p>

(6)能量補償開孔的占空比(或空隙率)：探測器的參數(shù)表明，其有效面積為13 mm2。經(jīng)計算獲得1#劑量計開孔面積加權(quán)后占空比約為21%；2#和3#劑量儀約為24%[16]。

(7)采用新購置的LX130A和LX60A等型號的鉛錫合金補償片，重新對上述3臺劑量計進行補償實驗，得到不同補償片厚度及不同直徑的打孔組合，同樣獲得預(yù)期的補償方案。

2 測量結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

2.1 劑量計能量補償

大量實驗結(jié)果表明，3臺劑量計能量補償已滿足光子能量范圍53～662 keV的測量誤差≤±30%的要求，補償后相對響應(yīng)的最終結(jié)果見表2。

表2 3臺劑量計能量補償后的相對響應(yīng)

表3 3臺劑量計最佳補償片組合數(shù)值

2.2 無能量補償和補償后的能量響應(yīng)

以1#劑量計為例，比較無能量補償和補償后的能量響應(yīng)曲線(如圖2所示)。

圖2 1#劑量計無能量補償和補償后的能量響應(yīng)曲線圖

2.3 劑量計能量最佳補償

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和重復(fù)性測量驗證，3臺劑量計能量補償獲得最佳相對響應(yīng)時所使用的補償片種類、厚度及開孔直徑的組合數(shù)值見表3。

3 討論

本研究為3臺新型劑量計的能量補償研究，由于半導(dǎo)體探測器制作工藝或電子線路性能差別等原因，此次補償片的組合會稍有不同。需注意的是，由于此次補償組合濾片有兩層，因此在疊加一起時要求各層濾片開孔位置定要同心對準。補償片除了將帶小孔的濾片緊靠在坡莫合金屏蔽盒外，補償片無排列次序的要求。由于此半導(dǎo)體探測器及補償組合濾片均為前方照射，射線的入射角為零度，因此新型劑量計的角響應(yīng)特性有待進一步檢測及改進[17]。

同時，為了方便今后批量生產(chǎn)以及便于質(zhì)量控制，可將復(fù)合Pb∶Sn濾片按加權(quán)重量百分比85∶15制成0.80 mm的合金片，并開孔直徑為2.0 mm的單一孔做為能量補償，以確保個人劑量計能量補償商品化生產(chǎn)質(zhì)量的一致性。

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Compensation research on energy response for the semiconductor personal dosimeter

OU Xiang-ming, ZHAO Shi-an, DING Yan-qiu// China Medical Equipment,2015,12(3)∶4-7.

Objective∶ To complete experiments of the energy response compensation for three semiconductor personal dosimeters in order to meet the requirements of IEC and National Standard. Methods∶ In Beijing SSDL, the semiconductor detectors were covered by the different thicknesses of Pb and Sn additional filters with several diameter holes to compensate the dosimeters’ energy response. Results∶ At the 50 keV-Cs-137 energy range, the measuring error of dosimeters is met within 30% of energy response. Conclusion∶ By the compensation of combined Pb and Sn filters with a hole, the semiconductor personal dosimeters can be used for radiation monitoring.

Semiconductor; Personal dosimeter; Pb/Sn additional filters; Energy compensation

歐向明,男,(1964- ),本科學(xué)歷，主任技師。中國疾病預(yù)防控制中心輻射防護與核安全醫(yī)學(xué)所 輻射防護與核應(yīng)急中國疾病預(yù)防控制中心重點實驗室，從事醫(yī)用診療設(shè)備輻射防護劑量的研究工作。

2014-11-12

衛(wèi)生行業(yè)科研專項(201002009)“輻射危害控制與核輻射衛(wèi)生應(yīng)急處置關(guān)鍵技術(shù)研究及其應(yīng)用”

①中國疾病預(yù)防控制中心輻射防護與核安全醫(yī)學(xué)所 輻射防護與核應(yīng)急中國疾病預(yù)防控制中心重點實驗室 北京 100088