一种热释光剂量计的性能检测分析

赵进沛，王琳杰，周超，张建，江其生，李秀芹

1. 北京军区疾病预防控制中心 卫生防护科，北京 100042；2. 陆军军医大学 军事预防医学院，重庆 400038；3. 北京珺仪联瑞核探测技术研究所，北京 100850；4. 火箭军总医院 中心实验室，北京 100088

引言

热释光剂量测量系统是开展辐射剂量测量的重要工具，在职业照射和医疗照射剂量评估中发挥着重要作用[1-2]。热释光剂量测量系统主要由热释光剂量计、热释光读出仪和热释光退火炉几部分组成，其各项性能指标影响着辐射剂量测量的质量。本研究参照《个人与环境监测用X、γ辐射热释光剂量测量系统检定规程》（JJG 593-2006）[3]、《外照射个人剂量系统性能检验规范》（GBZ207-2016）[4]、《个人和环境监测用热释光剂量测量系统》（GB/T 10264-2014）[5]，对一种国产化的热释光剂量检测系统的变异系数、稳定性、入射角响应、线性、能量响应、量值检验、残余剂量、最低可探测水平MDL等指标进行了检测分析。

1 材料与方法

1.1 系统装置

热释光剂量读出仪，热释光剂量计，热释光退火炉，均由北京珺仪联瑞核探测技术研究所研制。其主要参数，见表1。

表1 实验测量仪器主要参数表

其中热释光剂量计包含热释光探测器；热释光读出仪用于测量探测器发出的光线，从而实现对辐射剂量的测量；热释光退火炉用于消除热释光探测器的残余信号，并使之重新恢复到辐照前的状态。系统设备关系图，见图1。

图1 系统设备关系图

1.2 照射条件

采用137Cs源和γ基准装置，以及窄谱过滤X射线照射基准装置，热释光探测器装在剂量计盒内左下角位置（图2），上面覆盖有10 mm组织等效材料。剂量计放置于ICRU推荐的外部尺寸为30 cm×30 cm×15 cm的平板水箱体模前方。剂量当量约定真值的已知检定点与体模表面下深度为10 mm的一点位置重合。上述标准辐照在国防科技一级计量站完成 。

图2 热释光探测器位置示意图

1.3 辐照分组

根据所测指标的要求,试验用个人剂量计共190个,分为19个辐照组，包括测量变异系数的1组10个剂量计，测量线性的给予不同辐照剂量的4组剂量计，测量稳定性的以不同时间间隔读出的3组剂量计，测量能量响应的以相同剂量和不同能量辐照的3组剂量计，测量量值检验的分别以不同能量或不同剂量辐照的2组剂量计，测量入射角响应的以四种不同入射角辐照的4组剂量计，测量残余剂量的1组10个剂量计，以及测量最低可探测水平的1组10个剂量计。辐照分组，见表2。

表2 辐照分组

1.4 检测内容与方法

1.4.1 变异系数

在同一批次剂量计中随机抽样10个，用137Cs参考辐射以相同的剂量值（约定真值10 mSv）辐照，读出每一个剂量计的评定值，和相应的标准偏差，计E算

1.4.2 线性试验

将同一批次的剂量计准备4组，每组准备10支剂量计。将各组用137Cs参考辐射分别给予不同剂量当量约定真值Ci的辐照。读出计数并计算其评定值，得出每组的平均值Ei和标准偏差计算，式中，，为第i组的平均值的置信区间的半宽度。

1.4.3 稳定性

将同一批次的剂量计准备3组，每组10支。用137Cs参考辐射以相同的剂量值（约定真值10 mSv）辐射，然后储存2周，读出第一组剂量计计数，并计算其评定值。在相同条件下以下列时间间隔读出其余两组剂量计计数：第2组的读出在第1组读出后间隔24 h，第3组的读出在第1组读出后间隔168 h。用由第1组剂量计所获得的评定因子F来确定每个剂量计的评定值E，并计算每组剂量计的平均值及其相应的标准偏差Si。计算：

1.4.4 能量响应

准备3组剂量计，每组的剂量计数量为10个。将上述3组剂量计分别用48 keV参考辐射、83 keV参考辐射、137Cs参考辐射正面辐照，计算每组的平均值和标准偏差，计算式中为第i组的平均值的置信区间的半宽度。

1.4.5 量值检验

准备2组剂量计，每组10支。将剂量计用剂量当量约定真值CR的两种参考辐射分别进行辐照，一种参考辐射以137Cs给予剂量值（约为2 mSv），另一种选取未检过刻度因子的能量为65 keV的参考辐射（剂量约为1 mSv），分别用热释光剂量读出仪读出计数值，然后计算出每个剂量计的评定值E，计算每组的平均值和标准偏差。计算：式中，为第i组的平均值的置信区间的半宽度。

1.4.6 热释光剂量计的入射角响应

准备4组剂量计，每组数量为10支。将剂量计用剂量当量约定真值为1 mSv的参考辐射进行辐照，各组的入射角分别为0°、20°、40°、60°。然后计算每个组的剂量的平均值和相应的标准偏差计算式中，I是的半宽度。

1.4.7 残余剂量

取10个剂量计辐照，辐照的剂量约定真值均为10 mSv，读出每个剂量计的信号Ei后退火。取出剂量计在冷却盘中快速冷却，冷却后立即按照完全相同的程序读出残余信号，计算读出信号的均值和残余信号的均值。计算残余信号百分比。

1.4.8 最低可探测水平（MDL）

随机抽取同一批次探测器10个，进行常规的退火处理；将已经退火处理后的探测器装在剂量计盒中，在无其他附加辐射场的天然本底环境中放置3个月，然后测读上述10个剂量计，计算测量值xi的μA(xi)。用下式计算MDL 。量占比0.83%。最低可探测水平为0.012 mSv。各项性能测试结果，见表3。

从试验结果分析，国家及行业标准中规定的6个指标均符合相关限值要求。残余剂量占辐照剂量的比例不超过1%，对剂量计的重复使用影响很小；最低可探测水平远低于公众年个人剂量限值以及地球环境年辐射剂量的平均值，符合个人与环境辐射剂量监测要求。

2 结果

根据辐照分组和检测方法，对变异系数、稳定性、入射角响应、线性、能量响应、量值检验、残余剂量、最低可探测水平MDL等指标进行了检测。其中变异系数指标检测，剂量指示均值为9.14，标准差为0.14，变异系数为0.015。线性检测的响应变化区间为0.90～1.09。稳定性检测与第1组间隔24 h读出的剂量值比值为0.99，与第一组间隔168 h读出的剂量值比值为1.03。能量检测的响应变化区间为0.95～1.04。量值检验对于相同能量的辐照，其响应变化区间为0.96～0.99，对于不同能量的辐照其响应变化区间为1.05～1.15。入射角响应变化区间为0.95～1.03。残余剂

3 讨论

热释光剂量测量系统是开展放射工作人员个人剂量监测工作的常规手段，在放射工作人员健康管理等方面发挥着重要作用[6-9]。对个人剂量测量系统进行性能检测与评价，是重要的基础性工作，对于保证检测质量十分必要。但目前应用热释光剂量测量系统的机构和人员多，开展设备研制、检测方法研究以及全面和系统的性能测试与评价的工作较少[10-12]。国家计量部门在进行热释光剂量计检定或校准时,也仅提供能量响应、线性和量值检验几个指标的测试结果，进行更加全面的系统测试研究尚未其他报道。本研究不仅依据《个人与环境监测用X、γ辐射热释光剂量测量系统检定规程》（JJG 593）测试了线性、稳定性、能量响应、量值检验、入射角响应等指标，而且依据《外照射个人剂量系统性能检验规范》（GBZ207）测试了系统的最低可探测水平MDL，依据《个人与环境监测用热释光剂量测量系统》（GB/T10264）检验了个人剂量计的变异系数。上述指标既包括主要表征剂量计性能的变异系数、残余剂量和角响应，也包括表征读出仪性能的稳定性指标，还包括表征整个剂量测量系统的线性、能量响应、量值检验、最低可探测水平等，是对该热释光剂量测量系统性能的全面测试或验证。

表3 系统性能测试结果汇总

变异系数指示着同一批剂量计对辐照致热释光的一致程度，变异系数小的剂量计对相同剂量辐照的响应信号是基本相同的，变异系数的标准限值是不大于0.05，测试值是0.015；残余剂量是表达剂量计可重复使用特性的指标，质量好的剂量计其残余剂量应尽量低，残余剂量的测试数值为0.83%，相对于热释光测量系统精确度不大于10%的要求，其影响是可以忽略不计的；角响应表达了由于探测器的形状以及剂量计盒的材料与结构造成的对不同角度入射辐照的响应变化，剂量计因不同角度入射所造成的响应差别应尽量小，入射角响应的限值范围为0.85～1.15，测试值分别是0.95和1.03,其引起的误差在允许范围。热释光剂量读出仪是用来测量热释光探测器所发出光线的仪器，主要包括加热装置、测光装置和附属电子线路，稳定性指标则表达了在一定时间范围内上述各个部分的微小变化对测量数值的影响程度，热释光测量系统24 h和168 h的稳定性限值范围分别是0.95～1.05和0.90～1.10，测试结果分别是0.99和1.03，表明读出仪的稳定性良好。热释光剂量测量系统的线性表示了在一定辐照剂量范围内，辐照剂量与系统信号响应的呈正比程度，能量响应则表达了热释光剂量测量系统对不同能量辐照响应的差异程度，量值检验则表达了对于选定的刻度因子对于不同能量及不同剂量辐照检测的可靠程度，上述三个指标的标准限值范围分别是0.90～1.10、0.70～1.30、0.85～1.15，线性指标测试的边界值分别是0.90和1.09，能量响应指标测试的边界值分别是0.95和1.04，量值检验测试值分别是0.96和0.99，均在标准范围要求之内。最低可探测水平是热释光剂量测量系统能探测的区别于零值的最小样品贡献，表征了系统的最低检出能力，放射工作人员年有效剂量限值为20 mSv，相当于月均剂量约1.67 mSv，因此0.012 mSv的最低检测能力是完全能够满足其检验要求的。总之，检测结果表明，上述指标均符合相应标准或相关测量要求，验证了该热释光剂量测量系统的可靠性。

作为一种传统的辐射剂量测量技术，热释光剂量测量系统已广泛应用于医疗卫生、环境保护、工农业生产及科学研究等各个领域[13-16]。开展热释光剂量计、读出仪的性能研究，做好热释光剂量测量系统的质量控制，提高辐射剂量测量的可靠性，对于促进热释光辐射剂量测量系统的应用质量及在各个领域的推广普及具有重要的现实意义。