半导体型个人剂量计能量补偿的研究*

欧向明 赵士菴 丁艳秋

[文章编号] 1672-8270(2015)03-0004-04 [中图分类号] R144.1 [文献标识码] A

半导体型个人剂量计能量补偿的研究*

欧向明①赵士菴①丁艳秋①

[文章编号] 1672-8270(2015)03-0004-04 [中图分类号] R144.1 [文献标识码] A

目的：在X、γ射线能量参考条件下对3台新型半导体个人剂量计进行能量响应补偿，以满足国际电工委员会(IEC)技术规范及我国现行国家标准的相关要求。方法：在国家二级标准剂量学实验室，通过对无补偿剂量计能量响应实验获得的数据，采用一组不同厚度铅、锡复合过滤片，结合不同直径的开孔进行能量补偿，满足剂量计能量响应要求。结果：在50～662 keV能量范围内，个人剂量计完成了测量误差≤±30%的能量补偿目标值。结论：通过采用打孔的铅、锡复合过滤片，可以对半导体型个人剂量计能量补偿，使之满足相关标准规范及实际使用的要求。

半导体；个人剂量计；铅锡过滤片；不同孔径；能量补偿

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.

电子直读式半导体型个人剂量计是由半导体材料制成的电离辐射探测器，目前在核技术应用和放射诊疗的个人剂量监测及报警中具有广泛的应用前景[1-2]。剂量计的能量响应特性(Energy Response)又称能量依赖性(Energy Dependence)，即辐射探测器的灵敏度与入射辐射能量的关系，通常可用探测器响应值与能量的关系曲线表示，是剂量计的重要性能之一[3]。这一特性既与探测器本身的材料和制作工艺有关，又与为了防止电磁干扰及避光所使用的金属(或非金属)材料的固有过滤有关，然而最相关的还取决于半导体材料本身的质量能量吸收系数[4]。通过测量探测器，在无补偿能量响应特性的基础上计算和试验获得用于能量补偿的附加复合过滤片，以满足标准规范规定的技术要求，即对于电子直读式个人剂量计(或剂量率仪)在50～3000 keV能量范围内测量误差≤±30%[5-6]。

为了探索半导体型个人剂量计能量补偿的模式和方法，本研究在中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所-医用放射诊疗设备应用质量控制实验室(SSDL国家二级标准剂量学实验室)，结合国际电工委员会(IEC)的标准及我国现行的国家标准(GB)技术规范，开展了相关的工作，完成了3台新型剂量计的能量补偿[7-8]。根据本实验室的X射线辐射线质的实际情况，此次选择的能量范围是47～662 keV，补偿后3台个人剂量计能量响应≤±30%。对于低能端47 keV的X射线能量点可适当放宽；对高能端一般认为剂量计对137Cs和60Co的能量响应差别不大[9]。

1 材料与方法

1.1 半导体型个人剂量计

将3台半导体型个人剂量计分别编号为1#、2#和3#。由于防电磁辐射和避光的需要，半导体探测器已被密封于坡莫合金(Permalloy)屏蔽盒内。

1.2 能量补偿片

采用纯铅片、不同比例的铅锡合金片(PbSn)，其厚度为0.20 mm和0.30 mm两种。不同铅锡合金片的型号及比例分别为：LX130A(Pb∶Sn重量百分比为70∶30)，LX60A(Pb∶Sn重量百分比为40∶60)，LX63A(Pb∶Sn重量百分比为37∶63)。

1.3 X射线源

X射线源由德国飞利浦(PHILIPS)公司生产的MG324双极恒电压高稳定度X射线机提供。该机为辐射剂量学专用X射线机型，峰值管电压为13.6～320kV，连续可调，调节步节为0.2 kV，实验用的辐射线质符合ISO4037推荐的窄束条件[10-11]。

1.4 γ射线源

γ射线源由德国布克勒(BUCHLER)公司生产的OB34全景γ辐照器提供。该装置内有7枚γ标准放射源，此次使用其中的一枚137Cs标准源，其进口时的标称放射性活度为7.4 GBq(662 keV)，检验点处个人剂量率约定真值为382.0 µSv/h)[12]。

1.5 ISO标准模体

采用德国培德威(PTW)公司提供的、ISO推荐的30 mm×30 mm×15 mm标准板模体。该模体为个人剂量仪的校准提供个人剂量当量H· p(10)的标准参考条件[13]。

1.6 标准剂量仪

采用由PTW-UNIDOS标准剂量仪为主机，配置体积为1000 cm3的球形标准空气电离室(Model LS01)，已完成60～250 kV不同X射线辐射线质(47～206 keV)参考检验点处的空气吸收剂量率的测量[14]。标准剂量仪具有优良的能量响应特性，其校准因子可溯源到国际原子能机构(IAEA)次级标准剂量学实验室。

1.7 附属检测设备

构成标准装置的温度计和气压表由国家计量院和国家气象局定期完成校准，配置的测量车、轨道和激光定位仪等附属检测装置的技术指标和性能完全满足标准辐射场的测量要求。

1.8 剂量仪的能量补偿方法

(1)按照国际标准化组织ISO 4037的N系列规范在60～250 kV内选定平均能量为47 keV、65 keV、84 keV、101 keV、111 keV、165 keV及206 keV等7种X射线的峰值管电压，其对应的国家标准的能量下限为50 keV，而47 keV能量点低于下限，且很难补偿到满足要求，为此本研究在实验室采用内插法求得半值层(half-value layer，HVL)值，为本次实验专门测定了有效能量为53 keV的X射线标准辐射场，以便采用内插法确定50 keV能量点处的能量响应，标准辐射场设定的辐射线质条件见表1。

表1 标准辐射场设定的辐射线质条件

(2)测定无补偿条件下半导体(裸管)剂量计的能响特性是补偿实验的重要基础[15]。将每台剂量计分别在参考条件下测量检验点处不同能量的个人剂量计显示值(读数)，通过计算得到其响应R(E)(公式1)：

式中R(E)为在参考条件下不同能量检验点处的剂量计响应；Mi为剂量计在检验点处第i能量的显示值[H· p(10)读数]的平均值；M0为该点处相同能量的个人剂量当量率约定真值，H· p(10)。

个人剂量当量率约定真值是由该点处的空气比释动能率乘以H· p(10)换算系数获得的。相对响应(又称归一响应)R'(E)为剂量计各个能量点的响应值R(E)除以137Cs标准源R(Cs-137)值所得到的响应(公式2)：

3台无补偿的剂量计的测量结果显示，其能量响应差异很大，最大与最小的比值达到400%左右(如图1所示)。

图1 3台无补偿的半导体剂量仪能量响应曲线图

(3)通过对无补偿剂量计结果分析，以及对补偿材料的质量能量衰减系数随光子能量变化的关系计算，获得补偿片厚度的预期值为0.60～0.90 mm，占空比为20%～30%。

(4)对3台半导体型个人剂量计分别进行补偿，采用滤片叠加的方法分别用0.60 mm和0.90 mm未开孔的铅、锡合金做能量响应曲线。按照剂量仪能量补偿方法(2)的程序进行测量。实验结果发现，滤片中铅元素的组分过低，经确认证实此种补偿片的Pb∶Sn重量百分比值仅为1∶9，因此利用部分合金加纯铅片做为复合补偿片。

(5)采用本实验室的纯铅补偿片代替其中一层铅锡合金片，配合1.0～2.0 mm不同孔径打孔，经过大量实验，2#剂量仪的补偿满足要求。同理，对1#和3#剂量仪分别进行补偿、并做适当微调，最终使3台剂量计均可满足能量补偿的要求。

(6)能量补偿开孔的占空比(或空隙率)：探测器的参数表明，其有效面积为13 mm2。经计算获得1#剂量计开孔面积加权后占空比约为21%；2#和3#剂量仪约为24%[16]。

(7)采用新购置的LX130A和LX60A等型号的铅锡合金补偿片，重新对上述3台剂量计进行补偿实验，得到不同补偿片厚度及不同直径的打孔组合，同样获得预期的补偿方案。

2 测量结果及数据处理

2.1 剂量计能量补偿

大量实验结果表明，3台剂量计能量补偿已满足光子能量范围53～662 keV的测量误差≤±30%的要求，补偿后相对响应的最终结果见表2。

表2 3台剂量计能量补偿后的相对响应

表3 3台剂量计最佳补偿片组合数值

2.2 无能量补偿和补偿后的能量响应

以1#剂量计为例，比较无能量补偿和补偿后的能量响应曲线(如图2所示)。

图2 1#剂量计无能量补偿和补偿后的能量响应曲线图

2.3 剂量计能量最佳补偿

经过数据处理和重复性测量验证，3台剂量计能量补偿获得最佳相对响应时所使用的补偿片种类、厚度及开孔直径的组合数值见表3。

3 讨论

本研究为3台新型剂量计的能量补偿研究，由于半导体探测器制作工艺或电子线路性能差别等原因，此次补偿片的组合会稍有不同。需注意的是，由于此次补偿组合滤片有两层，因此在叠加一起时要求各层滤片开孔位置定要同心对准。补偿片除了将带小孔的滤片紧靠在坡莫合金屏蔽盒外，补偿片无排列次序的要求。由于此半导体探测器及补偿组合滤片均为前方照射，射线的入射角为零度，因此新型剂量计的角响应特性有待进一步检测及改进[17]。

同时，为了方便今后批量生产以及便于质量控制，可将复合Pb∶Sn滤片按加权重量百分比85∶15制成0.80 mm的合金片，并开孔直径为2.0 mm的单一孔做为能量补偿，以确保个人剂量计能量补偿商品化生产质量的一致性。

[1]中华人民共和国卫生部令第46号.放射诊疗管理规定[M].北京：人民卫生出版社，2006.

[2]国家职业卫生标准.GBZ 207-2008外照射个人剂量系统性能检验规范[S].中华人民共和国卫生部，2008-03-12.

[3]李士骏.电离辐射剂量学[M].北京：原子能出版社，1981.

[4]F.H.阿蒂克斯.辐射剂量学(第二卷)[M].施学勤，译.北京：原子能出版社，1981.

[5]国家标准.GB/T 12162.3-2004用于校准剂量仪和剂量率仪及确定其能量响应的X和γ参考辐射第3部分：场所剂量仪和个人剂量计的校准及其能量响应和角响应的测定[S].国家质量监督检验检疫总局，2004-02-04.

[6]International Electrotechnial Commission(IEC). Radiation protection instrumentation-Direct reading personal dose equivalent(rate) monitors-X，gamma and high energy beta radiation[S]. IEC，61283-2005：2-5.

[7]ISO.X and Gamma Reference Radiation for Calibrating Dosemeters and Doserate Meters and for Determining Their Response as a Function of Photon Energy.Part 1 Radiation Characteristic and Production Methods[S].ISO 4037 21，1996：2-3.

[8]国际标准.GB/T 12162.2-2004用于校准剂量仪和剂量率仪及确定其能量响应的X和γ参考辐射第2部分：辐射防护用的能量范围为8 keV～1.3 MeV和4 MeV～9 MeV的参考辐射的剂量测定[S].国家质量监督检验检疫总局，2004-05-24.

[9]赵士庵，欧向明，崔广志，等.X射线照射量(治疗水平)标准装置的研究和建立[J].中华放射医学与防护杂志，1995，15(1)：29-32.

[10]MG324 Philips User Manual，Y.TU 320-D01/ D03/D05 9499 210[A].Germany，38810：2-5.

[11]ISO 4037.X and gamma reference radiation for calibrating dosemeters and doserate meters and for determining their response as a function of photon energy-Part3：Cablibration of area and personal dosemeters and the measurement of their response as a function[S].International Organization for Standardization，2004：1-46.

[12]崔广志，尉可道.γ射线照射量(环境水平)标准装置的研究与建立[J].中华放射医学与防护杂志，1993，13(5)：295-299.

[13]国家职业卫生标准.GBZ 128-2002职业性外照射个人监测规范[S].中华人民共和国卫生部，2002-04-08.

[14]韩奎初，丁声耀.实用电离辐射剂量学[M].北京：原子能出版社，1996.

[15]Hubbell JH，Seltzer SM.Table of X-ray mass attenuation coefficients a mass energy-absorption coefficients from 1 keV to 20 MeV for elements Z=1 to Z=92 and additional substances of dosimetric interest[M].Maryland：NISTIR 563，1995.

[16]国家计量技术规范.JJF1059-1999测量不确定度评定与表示[S].国家质量技术监督局，1999-01-11.

[17]国家标准化管理委员会.GB/T 12162.3-2004/ISO 4037-3 1999用于校准剂量仪和剂量率仪及确定其能量响应的X和γ参考辐射第3部分：场所剂量仪和个人剂量计的校准及其能量响应和角响应的测定[S].国家质量监督检验检疫总局，2004-02-04.

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

欧向明,男,(1964- ),本科学历，主任技师。中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所 辐射防护与核应急中国疾病预防控制中心重点实验室，从事医用诊疗设备辐射防护剂量的研究工作。

2014-11-12

卫生行业科研专项(201002009)“辐射危害控制与核辐射卫生应急处置关键技术研究及其应用”

①中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所 辐射防护与核应急中国疾病预防控制中心重点实验室 北京 100088