探测器是电离辐射剂量仪最重要的组成部分。它的功能是将电离辐射信号转换成电信号或转换成光信号。目前常用的探测器有气体探测器(电离室, G-M计数器, 正比计数器等), 闪烁探测器, 半导体探测器以及切伦可夫探测器和累积型探测器等[1]。一般来说, 在剂量仪的设计中要根据测量的目的和测量对象选用合适的探测器。
RD-98智能型诊断X射线仪是针对完成放射诊断领域X射线质量保证而设计的专用剂量仪[2], 它测量X射线的能量范围为55~150 kV。在过去, 多数放射诊断剂量仪都采用平行板空气电离室做为探测器。然而, 平行板空气电离室易受温度特别是湿度影响, 往往由于漏电原因而不能满足测量要求。RD-98智能型诊断X射线仪采用了国际最新发展的半导体作为探测器的基本器件并采用滤片补偿法构成RD-98探测器。大量的实验研究表明, RD- 98半导体探测器完全满足放射诊断剂量仪的剂量学要求。
1 探测器一般性能RD-98探测器是由陶瓷封装的硅光二极管半导体构成。其灵敏区面积: 1.6 mm2; 峰灵敏波长: 560 nm; 红外灵敏度比: 10%;短路电流: 0.16μ A; 最大暗电流: 10 pA; 上升时间(负载电阻1kΩ) 0.5 μs; 端电容(f =10 kHz): 200 Pf; 工作温度范围: -10~600℃。
2 工作原理及优缺点半导体探测器的工作原理与气体电离室十分相似, 有固体电离室之称。当辐射穿过灵敏体积时产生电子-空穴对, 在电场作用下, 电子-空-空穴对向两极漂移, 从而再输出回路中形成信号电流。在没有辐射入射情况下, 半导体绝缘电阻很高, 漏电流极小。半导体探测器的优点是: ①固体的密度比气体密度大几千倍, 因而固体探测器对射线的阻止本领比气体大得多。②在半导体中产生一对电子-空穴所需能量只有3 eV左右, 而在气体中生成一对离子所需能量约为30 eV[1]。③半导体探测器抗环境能力强。一般认为它的缺点是半导体探测器存在着较大的能量响应, 但这一缺欠可以通过改进半导体的材料和制作工艺及进行能量补偿加以解决。
3 剂量学性能RD-98探测器通过采用不同厚度的铝和塑料片复合对半导体进行能量补偿来改进其能响特性的。它的剂量学性能是在卫生部标准剂量学实验室完成。射线源是德国Philips公司生产的MG324高稳定度X射线机, 测量仪为德国PTW生产的DCI -8500精密电流积分器。采用TK30电离室剂量仪做剂量标准, 可使测量结果溯源到德国物理技术研究院(PTB)。
3.1 响应灵敏度探测器的响应灵敏度是在70 kV, 附加2.5 mm Al过滤条件下测得的, 测量结果为1.3×10-9 C/mGy。该探测器灵敏度与瑞典生产的H/DN-2X探测器基本一致。
3.2 能量响应为了获得探测器本身的能量响应信息, 在标准剂量学实验室采用同一台DCI-8500精密电流积分器, 用替代法, 与标准电离室在同辐射线质条件下进行比较(标准电离室做了温度, 气压及校准因子的修正), 而后归一到70 kV辐射线质。图 1为探测器在2.5mmAl附加过滤条件下, 不同管电压X射线获得的能量响应曲线。
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图 1 RD-98探测器能量响应曲线 |
从图 1可以看出, RD-98探测器在55~150 kV X射线范围内, 能量响应一致性在5%以内, 符合IEC要求[3]。经与德国PTW生产的DIODOS剂量仪比较发现, RD-98探测器的能响与DIODOS剂量仪具有同等水平[4]。
3.3 方向响应RD-98探测器的方向响应特性是在70 kV X射线条件下完成的。在该项实验中, 设射线垂直探测器正面入射为0°, 侧面入射为90°, 背面入射为180°。在相同条件下测量的不同角度的读数与0°测量读数之比为相对响应。从图 2可以看出探测器存在着较大的方向依赖特性。然而, 在诊断X射线输出量测量中, 探测器都会固定在较好的射线入射方向。因而, 该性能不会影响对诊断X射线的测量结果。
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图 2 RD-98探测器的方向响应特性 |
探测器的线性测量是通过改变X射线机管电流及改变照射距离两种方式共同完成的。测量结果表明, 探测器从0.001 mGy~0.999 Gy测量范围内的线性相关系数r =0.9999, 具有高度线性相关。
3.5 漏电探测器的漏电测量是采用DCI-8500精密积分电流计在常规条件下连续多次测量获得的。测量结果表明, 探测器漏电流平均值为2.0×10-13 A。此数值与半导体厂家给出漏电结果一致。
3.6 辐射对灵敏度的影响探测器在诊断X射线辐射场进行了数千次及一次接受Gy量级的照射, 没有发现对探测器灵敏度有任何影响。
3.7 防电磁干扰探测器采用铝金属屏蔽, 信号电流采用双屏蔽电缆传输, 具有很好的屏蔽效果。在强电磁场干扰条件下, 经多次实际测量检验, 没有出现任何误启动干扰。
我们研究结果表明, RD-98半导体探测器对诊断X射线具有良好的能量响应, 卓越的辐射响应线性, 可靠的测量重复性, 另外它还具有低噪音, 抗环境性能好, 耐辐射, 长寿命及结构紧凑, 抗冲击等特性。它非常适合做为放射诊断剂量仪的探测器。
| [1] |
王汝瞻, 卓韵裳. 核辐射测量与防护[M]. 北京: 原子能出版社, 1990.
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| [2] |
赵士安, 欧向明. RD-98智能型诊断X射线仪的研制[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2001, 21: 50-52. DOI:10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2001.01.023 |
| [3] |
IEC 62C/1674(IEC62C/126/CD). Medical electrical equipment doserate with ionization chamber and/or semi-conductor as used in X-ray diagnostic imaginR. 1995.
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| [4] |
PTW-Freiburg. PTW -DIADOS, Instruction manual[Z].[D149.131.0/1].
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