新型熱釋光個人劑量計入射角響應(yīng)優(yōu)化及能量鑒別研究

周 超，趙進沛，江其生，張 建，李秀芹

（1.陸軍軍醫(yī)大學(xué)軍事預(yù)防醫(yī)學(xué)院，重慶 400038；2.中部戰(zhàn)區(qū)疾病預(yù)防控制中心衛(wèi)生防護科，北京 100042；3.火箭軍特色醫(yī)學(xué)中心實驗室，北京 100088；4.北京珺儀聯(lián)瑞核探測技術(shù)研究所，北京 100850）

0 引言

熱釋光輻射劑量測量技術(shù)是放射工作人員個人劑量監(jiān)測的常規(guī)手段[1-3]。目前熱釋光輻射劑量測量技術(shù)尚存在以下2個嚴(yán)重影響測量精確度的問題：一是能量響應(yīng)問題，相同劑量的輻照由于輻射能量的差異可能造成30%以上的測量偏差[4]；二是入射角響應(yīng)問題，相同劑量的輻照由于其入射角度的不同也有可能造成30%以上的測量偏差[5]。為解決上述問題，本文設(shè)計了一種新型半球型結(jié)構(gòu)的個人劑量計，試圖從保持射線通過模體路徑長度一致方面解決入射角影響的問題，通過能量鑒別和有針對性地選擇使用刻度因子達到消除能量響應(yīng)影響的目的。本文對新型熱釋光個人劑量計和傳統(tǒng)平板模體劑量計在不同入射角度照射下的信號響應(yīng)值進行了比較，驗證了新型熱釋光個人劑量計對入射角響應(yīng)的優(yōu)化效果；比較了利用不同能量、不同劑量照射下新型熱釋光個人劑量計的特定金屬模體與無過濾模體槽體處探測器信號值比值的差異，探討了其與射線能量的關(guān)系及實現(xiàn)能量鑒別的可能性。上述工作為提高熱釋光輻射劑量測量質(zhì)量創(chuàng)造了條件。

1 材料與方法

1.1 試驗儀器與材料

本實驗主要采用的儀器有熱釋光個人劑量計、熱釋光讀出儀和熱釋光退火爐，均由北京珺儀聯(lián)瑞核探測技術(shù)研究所研制，其主要參數(shù)見表1。所有儀器使用前均經(jīng)中國計量科學(xué)研究院校準(zhǔn)。其中新型熱釋光個人劑量計為CTLD-J3000的改進型，模體設(shè)計為半球型，傳統(tǒng)CTLD-J4000平板模體劑量計作為對照試驗劑量計，均由北京珺儀聯(lián)瑞核探測技術(shù)研究所研制。新型熱釋光個人劑量計盒與傳統(tǒng)CTLDJ4000平板模體劑量計盒比較，有2點改進：（1）Hp（10）槽體位置的前方模體采用組織等效性更好的聚四氟乙烯材料，并加工成半球型，探測器相當(dāng)于處于球體中心位置，這樣可以使得射線入射角度在一定范圍內(nèi)變化，其透過的模體厚度都是相等的，從而最大限度地消除了模體吸收和散射不同帶來的信號值差異；（2）在右下方的槽體處上方，設(shè)置了一個組織等效性大于10 mm水的金屬板模體，使該槽體的探測器計數(shù)與右上方的無過濾模體槽體中探測器的計數(shù)有一個比較大的反差，2個計數(shù)的比值使之有可能用于實現(xiàn)射線能量鑒別的目的。

表1 實驗測量儀器

1.2 實驗條件

退火條件：退火溫度為240℃，恒溫退火10 min；冷卻條件：室溫下將退火盤置于冷卻板上自然冷卻；測讀條件：以20℃/s的升溫速度升至140℃并保持20 s，再以20℃/s的速度升溫至240℃，保持20 s。

1.3 照射條件

將分散性小于±5%的熱釋光探測器退火冷卻后分裝于新型熱釋光個人劑量計盒的Hp（10）半球型模體槽體、無過濾模體槽體以及金屬模體槽體處；傳統(tǒng)CTLD-J4000平板模體劑量計盒僅在Hp（10）槽體位置放置探測器；輻照源采用137Cs源、γ基準(zhǔn)裝置及窄譜過濾Χ射線照射基準(zhǔn)裝置。輻照時將劑量計均放置于國際輻射單位委員會（International CommissionRadiologicalUnits，ICRU）推薦的外部尺寸為30cm×30 cm×15 cm（長×寬×高）的平板水箱體模前方，并正對射線束方向[6]。入射角響應(yīng)實驗時，使劑量計與射線入射方向垂直的方向呈一定的角度變化。上述參考輻射照射在中國國防科技一級計量站完成。

1.4 入射角響應(yīng)實驗

準(zhǔn)備同一批次的新型熱釋光個人劑量計和傳統(tǒng)CTLD-J4000平板模體劑量計各12組，每組數(shù)量均為8個。2種劑量計照射分組情況完全相同，將劑量計放置在所選的檢定點上，對2種劑量計分別用65、100、662 keV的參考輻射進行入射角度分別為0、20、40、60°的輻照，具體輻照分組見表 2。

表2 新型熱釋光個人劑量計與傳統(tǒng)CTLD-J4000平板模體劑量計入射角響應(yīng)輻照分組

1.5 能量鑒別實驗

準(zhǔn)備同一批次的新型熱釋光個人劑量計16組，每組數(shù)量均為8個。分別用137Cs源γ射線和不同能量的窄譜X射線正面照射，具體輻照分組方案見表3。

表3 能量鑒別輻照分組方案

1.6 統(tǒng)計學(xué)處理

首先采用Grubbs檢驗法在顯著性水平為0.05情況下去除各組中的離散值，然后再采用SPSS 18.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)處理，實驗數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示；根據(jù)方差齊性分析的結(jié)果，進一步使用 LSD（least significant difference）檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 入射角響應(yīng)實驗結(jié)果

入射角響應(yīng)是由于入射角的不同導(dǎo)致的劑量計信號響應(yīng)值的差異，如果通過改進劑量計結(jié)構(gòu)等手段，使上述差異降低或消除，則能實現(xiàn)入射角響應(yīng)優(yōu)化的目的。表4、5分別顯示了新型熱釋光個人劑量計和傳統(tǒng)CTLD-J4000平板模體劑量計的入射角響應(yīng)情況，表中數(shù)據(jù)為在不同能量、不同入射角度以及相同劑量的輻照后得到的計數(shù)值。對于同一能量組的輻照，不同入射角度的計數(shù)值間如有顯著性差異，則存在較明顯的入射角響應(yīng)。由表4可見，新型熱釋光個人劑量計在3種能量射線照射下對不同入射角的響應(yīng)值間差異均無統(tǒng)計學(xué)意義，表明入射角度對測量結(jié)果無明顯影響（P＞0.05），體現(xiàn)了入射角響應(yīng)優(yōu)化的效果。由表5可見，傳統(tǒng)CTLD-J4000平板模體劑量計在662 keV參考輻射照射下，入射角度為40和60°時，其計數(shù)值與0°角正面照射比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義，對測量結(jié)果有影響；而在入射角度為20°時，其計數(shù)值與0°角正面照射比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義，表明對測量結(jié)果沒有影響。在65 keV參考輻射照射下，入射角度為20和40°時，與0°角正面照射比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義；入射角度為60°時計數(shù)值離散性太大以致方差不齊無法進行統(tǒng)計學(xué)比較。在100 keV參考輻射照射下，入射角度為40°時，與0°角正面照射比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義，對測量結(jié)果有影響；而在入射角度為20°時，其計數(shù)值與0°角正面照射比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義，表明對測量結(jié)果沒有影響；入射角度為60°時計數(shù)值離散性太大以致方差不齊無法進行統(tǒng)計學(xué)比較。

表4 新型熱釋光個人劑量計不同能量下入射角響應(yīng)的計數(shù)值（±s）

表4 新型熱釋光個人劑量計不同能量下入射角響應(yīng)的計數(shù)值（±s）

注：不同能量組下的各個入射角度間的響應(yīng)值比較，P均＞0.05

入射角度 662 keV 65 keV 100 keV 0° 118 251±4 150 11 791±215 9 660±327 20° 115 178±3 695 11 827±223 9 643±204 40° 117 224±3 323 12 156±264 9 939±412 60° 116 715±2 583 11 970±414 9 599±434

表5 傳統(tǒng)CTLD-J4000平板模體劑量計不同能量下入射角響應(yīng)的計數(shù)值（±s）

表5 傳統(tǒng)CTLD-J4000平板模體劑量計不同能量下入射角響應(yīng)的計數(shù)值（±s）

注：與 0°照射組比較，1）表示 P＜0.05，2）表示 P＜0.01

入射角度 662 keV 65 keV 100 keV 0° 12 055±3 533 5 832±153 7 845±166 20° 11 940±1 810 5 388±1552） 7 766±136 40° 117 289±1 6311） 4 908±1792） 7 442±1692）60° 113 062±1 8222） 5 053±1 959 6 566±692

上述實驗表明，新型熱釋光個人劑量計與傳統(tǒng)CTLD-J4000平板模體劑量計比較，具有明顯的入射角響應(yīng)優(yōu)化作用。

2.2 能量鑒別實驗結(jié)果

在不同能量射線以及同一能量不同劑量射線正面照射的情況下，新型熱釋光個人劑量計金屬模體槽體與無過濾模體槽體處的探測器計數(shù)值比值結(jié)果見表6。從表6可以發(fā)現(xiàn)，在相同能量不同劑量的射線照射下，各能量組內(nèi)劑量計的上述兩槽體的探測器計數(shù)值比值間的差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），在同一劑量不同能量的射線照射下，不同能量組的探測器計數(shù)值比值間差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；金屬模體槽體與無過濾模體槽體處的探測器計數(shù)值比值與能量呈現(xiàn)良好的相關(guān)性，隨著能量的增加所對應(yīng)的計數(shù)值比值也成倍增加。上述結(jié)果表明，通過新型熱釋光個人劑量計金屬模體槽體與無過濾模體槽體處的探測器計數(shù)值比值，可以對劑量計所受射線的性質(zhì)、能量范圍進行鑒別，進而有針對性地采用相應(yīng)能量的刻度因子，以獲得更加準(zhǔn)確的劑量測量結(jié)果。

表6 不同能量、不同劑量射線照射下劑量計不同位置探測器計數(shù)值比值結(jié)果

3 討論

良好的熱釋光劑量測量系統(tǒng)性能是保證監(jiān)測質(zhì)量的關(guān)鍵，是獲得準(zhǔn)確、可靠輻射劑量測量結(jié)果的基本要求[7-8]。熱釋光個人劑量計的角度依賴特性是型式試驗的重要內(nèi)容，也是表征劑量計性能的重要參數(shù)，其入射角依賴性與不同探測器及劑量計盒的材料、形狀與結(jié)構(gòu)均有關(guān)系[6，9]。由于熱釋光劑量測量系統(tǒng)的刻度因子是通過在標(biāo)準(zhǔn)劑量學(xué)實驗室以0°角對劑量計的輻照所獲得的，而日常實際測量的射線的入射角往往是多樣化的，所以劑量計對入射角的依賴性越強，造成的測量誤差就可能越大。本研究測試結(jié)果表明，新型熱釋光個人劑量計在高能量的γ射線和不同能量的窄譜X射線照射下，其對不同入射角的射線有著基本一致的信號響應(yīng)，各入射角度信號值之間沒有顯著性差異；而傳統(tǒng)CTLD-J4000平板模體劑量計在不同能量照射下對于不同入射角的射線的信號響應(yīng)卻存在著顯著性差異，尤其是在低能窄譜X射線照射下其差異更為明顯。表明這種新型熱釋光個人劑量計與傳統(tǒng)CTLD-J4000平板模體劑量計相比，其對入射角響應(yīng)具有顯著優(yōu)化效果，有利于降低由于入射角依賴性對測量帶來的誤差。

能量響應(yīng)的影響是造成熱釋光輻射劑量測量結(jié)果誤差的另一個重要因素。降低能量響應(yīng)因素的途徑有2個：一是采取措施直接降低劑量計的能量響應(yīng)差異；二是通過能量鑒別的方法首先確定待測射線能量，然后選擇相應(yīng)能量的刻度因子進行計算。目前，相關(guān)研究多從能量鑒別途徑達到降低能量響應(yīng)的目的[10-11]。本研究根據(jù)同一劑量計中不同位置探測器前方的衰減模體不同，其探測器信號響應(yīng)值也不同的原理，設(shè)置了一個組織等效性大于10 mm水的金屬模體的槽體位置以及另一個無過濾模體槽體位置，在特定能量和劑量的射線輻照后使上述2個槽體位置處的探測器計數(shù)相比，發(fā)現(xiàn)該比值與不同射線的能量存在確定關(guān)系。并且新型熱釋光個人劑量計所選用的金屬模體比以往同類鑒別式劑量計所使用的金屬模體更厚，因此不同能量射線的計數(shù)比值之間差異更加明顯，具備更強的能量鑒別能力，從而實現(xiàn)有針對性地選擇Hp（10）劑量當(dāng)量刻度因子，獲得更加準(zhǔn)確的劑量當(dāng)量數(shù)值。

綜上，通過試驗表明，新型熱釋光個人劑量計對入射角響應(yīng)具有明顯優(yōu)化效果，同時還可以實現(xiàn)射線的能量鑒別，增強了熱釋光輻射劑量測量的可靠性，對于人與環(huán)境的輻射監(jiān)測質(zhì)量的提高具有重要的現(xiàn)實意義。