MOSFET用作臨床X射線劑量測量的研究

陳智維，姚升宇， 張鐵寧，胡喆愷， 朱振華

上海交通大學附屬第一人民醫(yī)院 腫瘤科， 上海 200080

MOSFET用作臨床X射線劑量測量的研究

陳智維，姚升宇， 張鐵寧，胡喆愷， 朱振華

上海交通大學附屬第一人民醫(yī)院 腫瘤科， 上海 200080

目的 利用場效應晶體管對X射線的敏感性，探討制作出符合臨床需要、實用的X射線計量探測器的可行性。方法 ① 確定合適的場效應晶體管工作參數(shù)，即確定工作電壓VDS以及漏極電阻DR，并測量在X射線照射場效應晶體管時，漏極電阻DR上的電壓降VDR，以確定場效應晶體管對X射線照射是否敏感。② 任選市售不同型號的場效應晶體管若干，并在臨床的標準條件下對這些場效應晶體管作X射線照射，通過測定VDR值，以確定場效應管對X射線照射反應的普遍性。③ 使用電離室（臨床標準配置）對X射線的劑量作標定，并對處于相同X射線照射下場效應晶體管的VDR值作比對測量，以確定VDR值與X射線劑量之間的函數(shù)關(guān)系。④ 大劑量X射線照射試驗用場效應晶體管，通過觀察其對大劑量射線轟擊的耐受性，以確定其作為傳感器應當具有的可靠性。結(jié)果 市售場效應晶體管對X射線照射的反應具有普遍性；其輸出信號與X射線劑量之間具有很好的線性關(guān)系；試驗用場效應管能夠經(jīng)受大劑量1000cGy的15MV高能X射線轟擊。結(jié)論 經(jīng)過挑選的市售場效應晶體管完全能適用作臨床上檢測X射線的相對劑量。

場效應晶體管；X射線；電離室；劑量監(jiān)測；探測器

0 前言

通常把能使物理量或化學量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚ɑ螂姶帕浚┑钠骷蛟凶鰝鞲衅骰蛱綔y器。

在放射治療的臨床實踐中，經(jīng)常需要作X射線的劑量測量。例如檢查直線加速器的射線束在某一方向的平坦度；患者在接受放射治療時的劑量監(jiān)測和驗證等。目前通用的、經(jīng)典的、高精度計量X射線劑量的探測器仍然是石墨外殼結(jié)構(gòu)的空氣電離室，但其體積較大以及易損壞的特性決定其不能作為臨床的計量驗證用，而要用作直線加速器的平坦度測量還需配上價格昂貴的二維或三維水箱，操作時還很費時、費力。

半導體探頭因其硅晶體的密度較空氣高，同時較低的輻射能量就能激發(fā)出離子對，故其探測射線的靈敏度比空氣電離室的高18000倍左右，同時體積也可做得非常微小。

半導體探測器實際上是一種特殊的PN型二極管，但20紀70年代，Holmes-Siedle提出了使用場效應晶體管作為射線計量探測器。場效應晶體管（MOSFET），即：金屬-氧化物-半導體場效應晶體管，根據(jù)在硅晶體中摻入不同的雜質(zhì)原子而分為n型MOSFET和p型MOSFET。由于場效應晶體管的柵極（G極）與源極（S極）加的是反向電壓，而且還具有絕緣柵極（增強型MOSFET）這一特殊結(jié)構(gòu)，是一種等效輸入阻抗很高的半導體元件，因此比半導體二極管更適合作為微量信號的探測器。

目前，市場上已有成功的，使用MOS元件制造的射線探測器產(chǎn)品出售，但都是使用專門設計、制造的MOS管芯片，因此價格昂貴，從而限制了其使用。隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展，MOSFET的制造工藝及性能等已有很大改進，新型的MOS元件層出不窮，各種型號及規(guī)格的元件也迅速增加， MOS晶體管也成為了一種市場上常見的電子元件；同時也廣泛地開發(fā)了許多關(guān)于MOS元件的各種新用途；另外，隨著太空事業(yè)的發(fā)展，關(guān)于MOS元件與（太空）射線的關(guān)系也研究得更加透徹，而且有大量文獻報道。這就使得通過從購買的普通市售MOSFET中，挑選出適合制成X射線劑量探測器的元件，開發(fā)出一種操作簡單、價格適中的X射線劑量探測儀成為可能。

1 實驗裝置設計

設計原則：盡量避免實驗干擾、減少測試誤差，以及適合大批量MOSFET的測試。① 設置一個晶體管管座，以便于被測管的快速更換；② 盡量減少被測MOSFET周圍的金屬零件，以免因二次射線影響測量結(jié)果；③ 除了被測管以外，其他元器件盡量遠離射線的射野，避免不必要的干擾。為此設計了如圖1所示的測試平臺。

該裝置的支桿和基板是用有機玻璃制作的，其中，支桿有300mm長，支桿的一端安裝了一個晶體管插座，這樣就使得被測元件遠離其它金屬部件，單獨處于射線照射野內(nèi)，從而最大程度地避免了各種干擾。其它相關(guān)元件安裝在線路板上（PCB），通過屏蔽電纜與機房外的測量儀表和供電電源相連。

圖1 MOSFET測試臺結(jié)構(gòu)示意圖

2 實驗線路設計

首先任選了n型MOSFET— BS170，設計讓其工作在放大區(qū)，即在其柵極（G極）加上工作電壓，在X射線15MV的照射下，晶體管工作狀態(tài)沒有明顯變化。經(jīng)過多次試驗，并參考了相關(guān)文獻后，發(fā)現(xiàn)讓MOSFET工作在截止狀態(tài)時對X射線反應較敏感。經(jīng)反復測試、比較，最后確定：工作電壓為24V（VDS＝24V）；柵極采用零偏置（VGS＝0V）；漏極（D極）的負載電阻DR選取20MΩ；測試端選在DR兩端，使用數(shù)字電壓表讀數(shù)，即比對MOSFET在有射線照射和沒有射線照射時，DR兩端的電壓變化值—VDR（mV）值。

測試儀表采用FLUKE 87型四位半數(shù)字毫伏表；直流電源使用LONG WEI TPR3005—2D 型數(shù)字顯示穩(wěn)壓電源，精度為0.1V。

圖2所示的是最后確定的線路及具體的元件參數(shù)，p型和n型MOSFET均使用相同線路。

圖2 測試原理圖

3 實驗一

3.1 目的

初步探索市售MOSFET對X射線的反應性。

3.2 材料

從市場上隨機購買了10個n型MOSFET，型號為BS170。

3.3 實驗裝置與方法

3.3.1 實驗裝置及測試條件

圖3 測試裝置圖示意圖

測試裝置見圖3。圖中放射源為GE SATURNE 41型直線加速器。

測試條件為標準條件：射線源與被測晶體管之間的距離SAD=1000 mm；射野尺寸 FSD=（100×100）mm2；GANTRY=0°；COLLIMATOR=0°。

射線選用X射線15MV；加速器每次出束50MU； DOSE RATE=400cGy/min。MOSFET直接暴露在射線內(nèi) 。3.3.2 VDR 值的測量

測量時把MOS元件插入插座，通上電后穩(wěn)定5min，記錄1次電壓表讀數(shù)，這個數(shù)作為“本底”；然后加速器出束，再記錄1次電壓表讀數(shù)，這個數(shù)作為“測試值”。則VDR值即為：

VDR（mV） ＝測試值－本底

每一個MOS元件重復測3次，取平均值記錄。

3.4 結(jié)果與分析

10個BS170管測試的結(jié)果見表1。

分析表中結(jié)果：① 從表1中可見，被測MOSFET 都對X射線有較明顯的反應。② 在沒有射線照射時，電壓表也顯示有一個微量的漏電流（有文獻稱為“暗”電流），分析是因為MOS元件內(nèi)G區(qū)的電子和空穴在電場的作用下無序移動所產(chǎn)生的漏極漏電流—IDSS在DR上生成的電壓降，即上述的“本底”。③ 漏極漏電流（IDSS）對溫度變化反應敏感。據(jù)觀察，在接通電源后約5min，IDSS (即“本底”)就能趨于穩(wěn)定。

4 實驗二

4.1 目的

進一步探索市售MOSFET 對X射線的反應的普遍性。

4.2 材料

隨機購買市售的MOSFET ，總共購買了13種型號的 ，其中n型MOSFET 的8種，p型MOSFET 的 5種，每一種型號各10個，共計130個。

4.3 實驗方法

實驗裝置（如圖3所示）、實驗條件及測試方法與上例相同。

4.4 結(jié)果

表中的VDR 值是每一種型號10個MOSFET 所測數(shù)據(jù)的平均值。

從表2、表3中的結(jié)果可見，所購的13種型號晶體管中，n型管和p型管各有一種對X射線沒有反應?？梢娊^大部分市售MOSFET 都對X射線照射都有明顯反應。

另外，表2中的VN2406L和表3中的VP2410L這兩種MOSFET 較其它型號對X射線的照射更為敏感，因此比較適合制作X射線探測器。

5 實驗三

5.1 目的

測出MOSFET 的VDR 值與X射線劑量之間的函數(shù)關(guān)系。

5.2 材料

隨機選用實驗二中對X射線的照射最為敏感的n型和p型MOSFET —VN2406L和VP2410L各一個。

5.3 實驗裝置與方法

5.3.1 測試裝置

測試按照圖4裝置：圖中放射源為GE SATURNE 41型直線加速器；平衡帽使用X射線6MV和X射線15MV的。平衡帽內(nèi)安置電離室或被測MOSFET 。電離室使用的是NE 0.6cm3、2581 Farmer型指形電離室；X射線劑量儀為NE公司與電離室配套生產(chǎn)的2570/1 FARMER DOSEMETER。使用的測試儀表和穩(wěn)壓電源同上例。

表1 BS170管在X射線15MV照射下的VDR 值

表2 n型MOSFET 在X射線15MV、標準測試條件下的平均VDR值

圖4 測試裝置圖示意圖

5.3.2 測試條件

射 野 尺 寸FSD =（100×100）mm2；GANTRY=0°；COLLIMATOR=0°；每一次出束為100MU；射線為X-15MV時，DOSE RATE=400cGy/min；射線為X-6M.V時，DOSE RATE=200cGy/min。

5.3.3 測試方法

測試射線分別為X射線6MV和15MV；給柱形電離室套上平衡帽（X射線15MV或X射線6MV），調(diào)節(jié)SAD，使得加速器每次出束100MU時，F(xiàn)armer劑量儀顯示為100cGy，記錄下所對應的SAD數(shù)值，然后分別測出90cGy、80cGy ……30cGy、20cGy時所對應的SAD數(shù)值。同樣給n型或p型MOSFET 套上平衡帽，在相應的SAD位置測量VDR值。每一個位置測量3次，求其平均值作為計量數(shù)據(jù)。5.3.4 測試結(jié)果

n型和p型MOSFET 的計量結(jié)果分別見表4～7。

5.3.5 結(jié)果分析

表中X射線劑量的范圍（20～100cGy）符合臨床需要測量的范圍。

從表4～7的 VDR值可見，數(shù)據(jù)明顯符合一般變化趨勢。圖5 VN2460L接受X射線6MV射線照射時，射線劑量與VDR值的對應曲線

圖6 VN2460L接受X射線15MV射線照射時，射線劑量與VDR值的對應曲線

圖7 VP2410L接受X射線射6MV線照射時，射線劑量與VDR值的對應曲線

表4 VN2460L接受X線6MV射線照射下各對應劑量的VDR 值

表5 VN2460L接受X線15MV射線照射下各對應劑量的VDR值

表6 VP2410L接受X射線6MV射線照射下各對應劑量的VDR值

表7 VP2410L接受X射線15MV射線照射下各對應劑量的VDR值

再進一步將表中數(shù)據(jù)做圖形處理，各圖形見圖4～8。從圖中可見，各曲線—X射線劑量與VDR值明顯呈線性關(guān)系，也就是說：MOSFET 將X射線劑量（cGy）這一物理量依循線性關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€物理量—電壓（mV），這種線性關(guān)系非常符合作為傳感器的要求。

圖8 VP2410L接受X射線15MV射線照射時，射線劑量與VDR值的對應曲線

6 實驗四

6.1 目的

由于MOSFET的結(jié)構(gòu)特點，芯片在各方向是不對稱的。故由此推斷，相同的強度的射線從MOS元件的不同方向射入會得到不同的VDR值。應當測出最有效的射線入射方向，以提高探測器的靈敏度。

6.2 材料

從實驗三的MOSFET 中，任選VN2406L、VP2410L各兩個。

6.3 實驗裝置與方法

6.3.1 實驗裝置和測試條件

實驗裝置和測試條件與實驗一相同。

6.3.2 測試方法

測試時射線分別從兩個方向照射MOS元件，具體照射方向如圖9所示，即頂照和側(cè)照。射線選用X射線15MV。

圖9 被測MOSFET的兩個照射方向示意圖

6.3.3 結(jié)果與分析

測試結(jié)果如表8～9。

表8 VN2406L受X射線15MV頂照和側(cè)照時VDR 值的比對

表9 VP2410L受X射線15MV頂照和側(cè)照時VDR 值的比對

表中結(jié)果可見，射線從MOSFET的側(cè)面照射靈敏度明顯變差，因此，若要設計選用MOSFET作為射線探測器，應當注意射線入射方向，以提高探測靈敏度。

7 實驗五

7.1 目的

觀察普通市售 MOSFET 對大劑量的高能X射線的耐受性。

7.2 材料

實驗二中的n型的VN2406L 和p型的VP2410L各任取一個。

7.3 實驗裝置與方法

7.3.1 實驗裝置和測試條件

實驗裝置如圖4所示。

7.3.2 測試條件

射野尺寸FSD=（100×100）mm2； COLLIMATOR=0°；GANTRY=0°。SAD固定為為實驗三中X線射15MV、劑量100cGy所對應的距離；使用高能X射線15MV，DOSE RATE=400cGy/min；每一次出束為1000MU，也就是射線劑量為1000cGy。

7.3.3 測試方法

先讓MOSFET 預熱5min，待本底的數(shù)值穩(wěn)定，然后開機連續(xù)出束，從0 MU開始，出束每增加100MU（如100、200、300……等）就記錄1次電壓表（mV）讀數(shù)。

7.3.4 測試結(jié)果

結(jié)果如表10。

7.3.5 結(jié)果分析

① 在整個實驗過程中讀數(shù)都比較穩(wěn)定。臨床上，15MV的X射線已屬高能量射線，而單次1000cGy的劑量已大大超出臨床所需監(jiān)測的范圍！可見實驗用的MOS元件是能夠耐受大劑量的高能射線轟擊的。② 比較表中結(jié)果可見，盡管n型管對X射線較為敏感，但是p型管對X輻射的反應更為穩(wěn)定。其中p型管平均值為67.68（+0.12，-0.08）mV；n型管平均值為78.3(+0.6，-0.5)mV?？梢妏MOSFET更適合用作射線探測器。

8 討論

一般認為，作為一種傳感器需要具備以下幾個基本要素：① 要對所測的物理量反應靈敏；② 轉(zhuǎn)換出來的物理量應當容易被測量；③ 兩種物理量之間應當具有相關(guān)性；④對環(huán)境變化（如溫度、大氣壓等）不敏感或不太敏感。

表10 VN2406L和VP2410L受X射線15MV、1000cGy劑量照射時的電壓表讀數(shù)

從實驗結(jié)果可見，市售MOSFET晶體管基本符合上述要求。但是必須指出，上述實驗是在相對恒溫的環(huán)境下進行的（環(huán)境溫度控制在22～26℃的范圍內(nèi)），而且半導體材料對溫度敏感也是一個常識。好在這一問題已被研究的非常透徹，并且使用單片機也能對其做很好的溫度補償。

實驗用的MOSFET-VN2406L和VO2410L均由美國威世通用半導體公司生產(chǎn)（VISHAY intertechnology），為耗盡型（DMOSFET）TO-92封裝，工作溫度（Operating and Storage Temperature）（-55）～（+150）℃。

從公司發(fā)布的參數(shù)查到的與本實驗有關(guān)的參數(shù)主要是漏極漏電流：

可見，工作溫度升高可導致漏極漏電流增加很多。不過，目前直線加速器的機房多是經(jīng)過恒溫、恒濕處理的，故這個問題不會太突出。

有資料報道，使用多管級聯(lián)可提高MOSFET的射線探測靈敏度，但本實驗中顯示單管靈敏度已經(jīng)足夠。

MOSFET 體積微小，本實驗使用的是TO—92封裝的，而SOP-22封裝（貼片封裝）的體積更加微小；另外，MOSFET的售價低廉；加之成熟工藝，使得產(chǎn)品參數(shù)的一致性較好。因此，從市場購買的MOSFET只需略經(jīng)挑選，即可作為合格元件使用。

使用上述元件做成探測器可有兩種形式：

（1）使用單個MOSFET的射線探測器。由于射線劑量是射線能量在計量時間段的累加，因此信號處理時要去本底、放大，然后去控制壓控振蕩器（VCO），取得與VDR值呈線性關(guān)系的脈沖頻率，再用計數(shù)器累加脈沖計數(shù)即可得到射線的劑量數(shù)值。

（2）使用多量MOSFET元件（幾十個、上百個）構(gòu)建成射線探測的中、大規(guī)模矩陣，再使用單片機（MCU）處理信號：掃描、去本底、放大、A/D轉(zhuǎn)換、靈敏度平均化等，然后用曲線圖顯示出瞬時的X射線劑量分布圖。

9 結(jié)論

通過上述的實驗以及分析，可以得出結(jié)論：市售的場效應晶體管（MOSFET）是能夠用于測量X射線劑量的相對值，能夠構(gòu)建成適合于醫(yī)療臨床上使用的X射線探測器。

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MOSFET Used for Clinical X-ray Doses Measured Exploration

CHEN Zhi-wei, YAO Sheng-Yu, ZHANG Tie-Ning, HU Zhe-kai, ZHU Zhen-hua
Department of Oncology, First People's Hospital,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200080, China

Objective In this study,we discussed the feasibility of fabricating a practical X-ray dose detector accord with clinical practice by MOSFET which were sensitive to X radiation.Methods ① Built the MOSFET working circuit,namely, by confirming the Drain Voltage —VDS, and the Drain Resistance—DR,and measuring the voltage VDR on the DR to make sure the MOSFET's sensitivity to X-ray. ② Chose different types of MOSFET in market and irradiating on them in standard condition and measuring the VDR , to make sure whether all the MOSFET have the same radiation effects. ③ With the same X-ray exposure,compare the VDR measured in MOSFET and the dose measured by ionization chamber and find out their functional relationship.④ Determining the MOSFET's durability by large exposure. Results The MOSFET sold in market that have same radiation effects of X-ray; the measured VDR and the measured dose was well linear correlation; the MOSFET can afford 1000 cGy X-ray exposure. Conclusion The selected MOSFET can fully used to measure the relative dose of X-ray.

MOSFET; X-ray; ionization chamber; dose monitoring and confirmation; detector

TN386；R144.1

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.05.017

1674-1633(2011)05-0063-06

2011-01-21

作者郵箱：czw0123456789@163.com