一種熱釋光劑量計的性能檢測分析

趙進沛，王琳杰，周超，張建，江其生，李秀芹

1. 北京軍區(qū)疾病預防控制中心 衛(wèi)生防護科，北京 100042；2. 陸軍軍醫(yī)大學 軍事預防醫(yī)學院，重慶 400038；3. 北京珺儀聯(lián)瑞核探測技術研究所，北京 100850；4. 火箭軍總醫(yī)院 中心實驗室，北京 100088

引言

熱釋光劑量測量系統(tǒng)是開展輻射劑量測量的重要工具，在職業(yè)照射和醫(yī)療照射劑量評估中發(fā)揮著重要作用[1-2]。熱釋光劑量測量系統(tǒng)主要由熱釋光劑量計、熱釋光讀出儀和熱釋光退火爐幾部分組成，其各項性能指標影響著輻射劑量測量的質(zhì)量。本研究參照《個人與環(huán)境監(jiān)測用X、γ輻射熱釋光劑量測量系統(tǒng)檢定規(guī)程》（JJG 593-2006）[3]、《外照射個人劑量系統(tǒng)性能檢驗規(guī)范》（GBZ207-2016）[4]、《個人和環(huán)境監(jiān)測用熱釋光劑量測量系統(tǒng)》（GB/T 10264-2014）[5]，對一種國產(chǎn)化的熱釋光劑量檢測系統(tǒng)的變異系數(shù)、穩(wěn)定性、入射角響應、線性、能量響應、量值檢驗、殘余劑量、最低可探測水平MDL等指標進行了檢測分析。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)裝置

熱釋光劑量讀出儀，熱釋光劑量計，熱釋光退火爐，均由北京珺儀聯(lián)瑞核探測技術研究所研制。其主要參數(shù)，見表1。

表1 實驗測量儀器主要參數(shù)表

其中熱釋光劑量計包含熱釋光探測器；熱釋光讀出儀用于測量探測器發(fā)出的光線，從而實現(xiàn)對輻射劑量的測量；熱釋光退火爐用于消除熱釋光探測器的殘余信號，并使之重新恢復到輻照前的狀態(tài)。系統(tǒng)設備關系圖，見圖1。

圖1 系統(tǒng)設備關系圖

1.2 照射條件

采用137Cs源和γ基準裝置，以及窄譜過濾X射線照射基準裝置，熱釋光探測器裝在劑量計盒內(nèi)左下角位置（圖2），上面覆蓋有10 mm組織等效材料。劑量計放置于ICRU推薦的外部尺寸為30 cm×30 cm×15 cm的平板水箱體模前方。劑量當量約定真值的已知檢定點與體模表面下深度為10 mm的一點位置重合。上述標準輻照在國防科技一級計量站完成 。

圖2 熱釋光探測器位置示意圖

1.3 輻照分組

根據(jù)所測指標的要求,試驗用個人劑量計共190個,分為19個輻照組，包括測量變異系數(shù)的1組10個劑量計，測量線性的給予不同輻照劑量的4組劑量計，測量穩(wěn)定性的以不同時間間隔讀出的3組劑量計，測量能量響應的以相同劑量和不同能量輻照的3組劑量計，測量量值檢驗的分別以不同能量或不同劑量輻照的2組劑量計，測量入射角響應的以四種不同入射角輻照的4組劑量計，測量殘余劑量的1組10個劑量計，以及測量最低可探測水平的1組10個劑量計。輻照分組，見表2。

表2 輻照分組

1.4 檢測內(nèi)容與方法

1.4.1 變異系數(shù)

在同一批次劑量計中隨機抽樣10個，用137Cs參考輻射以相同的劑量值（約定真值10 mSv）輻照，讀出每一個劑量計的評定值，和相應的標準偏差，計E算

1.4.2 線性試驗

將同一批次的劑量計準備4組，每組準備10支劑量計。將各組用137Cs參考輻射分別給予不同劑量當量約定真值Ci的輻照。讀出計數(shù)并計算其評定值，得出每組的平均值Ei和標準偏差計算，式中，，為第i組的平均值的置信區(qū)間的半寬度。

1.4.3 穩(wěn)定性

將同一批次的劑量計準備3組，每組10支。用137Cs參考輻射以相同的劑量值（約定真值10 mSv）輻射，然后儲存2周，讀出第一組劑量計計數(shù)，并計算其評定值。在相同條件下以下列時間間隔讀出其余兩組劑量計計數(shù)：第2組的讀出在第1組讀出后間隔24 h，第3組的讀出在第1組讀出后間隔168 h。用由第1組劑量計所獲得的評定因子F來確定每個劑量計的評定值E，并計算每組劑量計的平均值及其相應的標準偏差Si。計算：

1.4.4 能量響應

準備3組劑量計，每組的劑量計數(shù)量為10個。將上述3組劑量計分別用48 keV參考輻射、83 keV參考輻射、137Cs參考輻射正面輻照，計算每組的平均值和標準偏差，計算式中為第i組的平均值的置信區(qū)間的半寬度。

1.4.5 量值檢驗

準備2組劑量計，每組10支。將劑量計用劑量當量約定真值CR的兩種參考輻射分別進行輻照，一種參考輻射以137Cs給予劑量值（約為2 mSv），另一種選取未檢過刻度因子的能量為65 keV的參考輻射（劑量約為1 mSv），分別用熱釋光劑量讀出儀讀出計數(shù)值，然后計算出每個劑量計的評定值E，計算每組的平均值和標準偏差。計算：式中，為第i組的平均值的置信區(qū)間的半寬度。

1.4.6 熱釋光劑量計的入射角響應

準備4組劑量計，每組數(shù)量為10支。將劑量計用劑量當量約定真值為1 mSv的參考輻射進行輻照，各組的入射角分別為0°、20°、40°、60°。然后計算每個組的劑量的平均值和相應的標準偏差計算式中，I是的半寬度。

1.4.7 殘余劑量

取10個劑量計輻照，輻照的劑量約定真值均為10 mSv，讀出每個劑量計的信號Ei后退火。取出劑量計在冷卻盤中快速冷卻，冷卻后立即按照完全相同的程序讀出殘余信號，計算讀出信號的均值和殘余信號的均值。計算殘余信號百分比。

1.4.8 最低可探測水平（MDL）

隨機抽取同一批次探測器10個，進行常規(guī)的退火處理；將已經(jīng)退火處理后的探測器裝在劑量計盒中，在無其他附加輻射場的天然本底環(huán)境中放置3個月，然后測讀上述10個劑量計，計算測量值xi的μA(xi)。用下式計算MDL 。量占比0.83%。最低可探測水平為0.012 mSv。各項性能測試結果，見表3。

從試驗結果分析，國家及行業(yè)標準中規(guī)定的6個指標均符合相關限值要求。殘余劑量占輻照劑量的比例不超過1%，對劑量計的重復使用影響很小；最低可探測水平遠低于公眾年個人劑量限值以及地球環(huán)境年輻射劑量的平均值，符合個人與環(huán)境輻射劑量監(jiān)測要求。

2 結果

根據(jù)輻照分組和檢測方法，對變異系數(shù)、穩(wěn)定性、入射角響應、線性、能量響應、量值檢驗、殘余劑量、最低可探測水平MDL等指標進行了檢測。其中變異系數(shù)指標檢測，劑量指示均值為9.14，標準差為0.14，變異系數(shù)為0.015。線性檢測的響應變化區(qū)間為0.90～1.09。穩(wěn)定性檢測與第1組間隔24 h讀出的劑量值比值為0.99，與第一組間隔168 h讀出的劑量值比值為1.03。能量檢測的響應變化區(qū)間為0.95～1.04。量值檢驗對于相同能量的輻照，其響應變化區(qū)間為0.96～0.99，對于不同能量的輻照其響應變化區(qū)間為1.05～1.15。入射角響應變化區(qū)間為0.95～1.03。殘余劑

3 討論

熱釋光劑量測量系統(tǒng)是開展放射工作人員個人劑量監(jiān)測工作的常規(guī)手段，在放射工作人員健康管理等方面發(fā)揮著重要作用[6-9]。對個人劑量測量系統(tǒng)進行性能檢測與評價，是重要的基礎性工作，對于保證檢測質(zhì)量十分必要。但目前應用熱釋光劑量測量系統(tǒng)的機構和人員多，開展設備研制、檢測方法研究以及全面和系統(tǒng)的性能測試與評價的工作較少[10-12]。國家計量部門在進行熱釋光劑量計檢定或校準時,也僅提供能量響應、線性和量值檢驗幾個指標的測試結果，進行更加全面的系統(tǒng)測試研究尚未其他報道。本研究不僅依據(jù)《個人與環(huán)境監(jiān)測用X、γ輻射熱釋光劑量測量系統(tǒng)檢定規(guī)程》（JJG 593）測試了線性、穩(wěn)定性、能量響應、量值檢驗、入射角響應等指標，而且依據(jù)《外照射個人劑量系統(tǒng)性能檢驗規(guī)范》（GBZ207）測試了系統(tǒng)的最低可探測水平MDL，依據(jù)《個人與環(huán)境監(jiān)測用熱釋光劑量測量系統(tǒng)》（GB/T10264）檢驗了個人劑量計的變異系數(shù)。上述指標既包括主要表征劑量計性能的變異系數(shù)、殘余劑量和角響應，也包括表征讀出儀性能的穩(wěn)定性指標，還包括表征整個劑量測量系統(tǒng)的線性、能量響應、量值檢驗、最低可探測水平等，是對該熱釋光劑量測量系統(tǒng)性能的全面測試或驗證。

表3 系統(tǒng)性能測試結果匯總

變異系數(shù)指示著同一批劑量計對輻照致熱釋光的一致程度，變異系數(shù)小的劑量計對相同劑量輻照的響應信號是基本相同的，變異系數(shù)的標準限值是不大于0.05，測試值是0.015；殘余劑量是表達劑量計可重復使用特性的指標，質(zhì)量好的劑量計其殘余劑量應盡量低，殘余劑量的測試數(shù)值為0.83%，相對于熱釋光測量系統(tǒng)精確度不大于10%的要求，其影響是可以忽略不計的；角響應表達了由于探測器的形狀以及劑量計盒的材料與結構造成的對不同角度入射輻照的響應變化，劑量計因不同角度入射所造成的響應差別應盡量小，入射角響應的限值范圍為0.85～1.15，測試值分別是0.95和1.03,其引起的誤差在允許范圍。熱釋光劑量讀出儀是用來測量熱釋光探測器所發(fā)出光線的儀器，主要包括加熱裝置、測光裝置和附屬電子線路，穩(wěn)定性指標則表達了在一定時間范圍內(nèi)上述各個部分的微小變化對測量數(shù)值的影響程度，熱釋光測量系統(tǒng)24 h和168 h的穩(wěn)定性限值范圍分別是0.95～1.05和0.90～1.10，測試結果分別是0.99和1.03，表明讀出儀的穩(wěn)定性良好。熱釋光劑量測量系統(tǒng)的線性表示了在一定輻照劑量范圍內(nèi)，輻照劑量與系統(tǒng)信號響應的呈正比程度，能量響應則表達了熱釋光劑量測量系統(tǒng)對不同能量輻照響應的差異程度，量值檢驗則表達了對于選定的刻度因子對于不同能量及不同劑量輻照檢測的可靠程度，上述三個指標的標準限值范圍分別是0.90～1.10、0.70～1.30、0.85～1.15，線性指標測試的邊界值分別是0.90和1.09，能量響應指標測試的邊界值分別是0.95和1.04，量值檢驗測試值分別是0.96和0.99，均在標準范圍要求之內(nèi)。最低可探測水平是熱釋光劑量測量系統(tǒng)能探測的區(qū)別于零值的最小樣品貢獻，表征了系統(tǒng)的最低檢出能力，放射工作人員年有效劑量限值為20 mSv，相當于月均劑量約1.67 mSv，因此0.012 mSv的最低檢測能力是完全能夠滿足其檢驗要求的?？傊?，檢測結果表明，上述指標均符合相應標準或相關測量要求，驗證了該熱釋光劑量測量系統(tǒng)的可靠性。

作為一種傳統(tǒng)的輻射劑量測量技術，熱釋光劑量測量系統(tǒng)已廣泛應用于醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及科學研究等各個領域[13-16]。開展熱釋光劑量計、讀出儀的性能研究，做好熱釋光劑量測量系統(tǒng)的質(zhì)量控制，提高輻射劑量測量的可靠性，對于促進熱釋光輻射劑量測量系統(tǒng)的應用質(zhì)量及在各個領域的推廣普及具有重要的現(xiàn)實意義。