MOSFET用作临床X射线剂量测量的研究

陈智维，姚升宇， 张铁宁，胡喆恺， 朱振华

上海交通大学附属第一人民医院 肿瘤科， 上海 200080

MOSFET用作临床X射线剂量测量的研究

陈智维，姚升宇， 张铁宁，胡喆恺， 朱振华

上海交通大学附属第一人民医院 肿瘤科， 上海 200080

目的 利用场效应晶体管对X射线的敏感性，探讨制作出符合临床需要、实用的X射线计量探测器的可行性。方法 ① 确定合适的场效应晶体管工作参数，即确定工作电压VDS以及漏极电阻DR，并测量在X射线照射场效应晶体管时，漏极电阻DR上的电压降VDR，以确定场效应晶体管对X射线照射是否敏感。② 任选市售不同型号的场效应晶体管若干，并在临床的标准条件下对这些场效应晶体管作X射线照射，通过测定VDR值，以确定场效应管对X射线照射反应的普遍性。③ 使用电离室（临床标准配置）对X射线的剂量作标定，并对处于相同X射线照射下场效应晶体管的VDR值作比对测量，以确定VDR值与X射线剂量之间的函数关系。④ 大剂量X射线照射试验用场效应晶体管，通过观察其对大剂量射线轰击的耐受性，以确定其作为传感器应当具有的可靠性。结果 市售场效应晶体管对X射线照射的反应具有普遍性；其输出信号与X射线剂量之间具有很好的线性关系；试验用场效应管能够经受大剂量1000cGy的15MV高能X射线轰击。结论 经过挑选的市售场效应晶体管完全能适用作临床上检测X射线的相对剂量。

场效应晶体管；X射线；电离室；剂量监测；探测器

0 前言

通常把能使物理量或化学量转变为电量（或电磁量）的器件或元件叫做传感器或探测器。

在放射治疗的临床实践中，经常需要作X射线的剂量测量。例如检查直线加速器的射线束在某一方向的平坦度；患者在接受放射治疗时的剂量监测和验证等。目前通用的、经典的、高精度计量X射线剂量的探测器仍然是石墨外壳结构的空气电离室，但其体积较大以及易损坏的特性决定其不能作为临床的计量验证用，而要用作直线加速器的平坦度测量还需配上价格昂贵的二维或三维水箱，操作时还很费时、费力。

半导体探头因其硅晶体的密度较空气高，同时较低的辐射能量就能激发出离子对，故其探测射线的灵敏度比空气电离室的高18000倍左右，同时体积也可做得非常微小。

半导体探测器实际上是一种特殊的PN型二极管，但20纪70年代，Holmes-Siedle提出了使用场效应晶体管作为射线计量探测器。场效应晶体管（MOSFET），即：金属-氧化物-半导体场效应晶体管，根据在硅晶体中掺入不同的杂质原子而分为n型MOSFET和p型MOSFET。由于场效应晶体管的栅极（G极）与源极（S极）加的是反向电压，而且还具有绝缘栅极（增强型MOSFET）这一特殊结构，是一种等效输入阻抗很高的半导体元件，因此比半导体二极管更适合作为微量信号的探测器。

目前，市场上已有成功的，使用MOS元件制造的射线探测器产品出售，但都是使用专门设计、制造的MOS管芯片，因此价格昂贵，从而限制了其使用。随着电子工业的快速发展，MOSFET的制造工艺及性能等已有很大改进，新型的MOS元件层出不穷，各种型号及规格的元件也迅速增加， MOS晶体管也成为了一种市场上常见的电子元件；同时也广泛地开发了许多关于MOS元件的各种新用途；另外，随着太空事业的发展，关于MOS元件与（太空）射线的关系也研究得更加透彻，而且有大量文献报道。这就使得通过从购买的普通市售MOSFET中，挑选出适合制成X射线剂量探测器的元件，开发出一种操作简单、价格适中的X射线剂量探测仪成为可能。

1 实验装置设计

设计原则：尽量避免实验干扰、减少测试误差，以及适合大批量MOSFET的测试。① 设置一个晶体管管座，以便于被测管的快速更换；② 尽量减少被测MOSFET周围的金属零件，以免因二次射线影响测量结果；③ 除了被测管以外，其他元器件尽量远离射线的射野，避免不必要的干扰。为此设计了如图1所示的测试平台。

该装置的支杆和基板是用有机玻璃制作的，其中，支杆有300mm长，支杆的一端安装了一个晶体管插座，这样就使得被测元件远离其它金属部件，单独处于射线照射野内，从而最大程度地避免了各种干扰。其它相关元件安装在线路板上（PCB），通过屏蔽电缆与机房外的测量仪表和供电电源相连。

图1 MOSFET测试台结构示意图

2 实验线路设计

首先任选了n型MOSFET— BS170，设计让其工作在放大区，即在其栅极（G极）加上工作电压，在X射线15MV的照射下，晶体管工作状态没有明显变化。经过多次试验，并参考了相关文献后，发现让MOSFET工作在截止状态时对X射线反应较敏感。经反复测试、比较，最后确定：工作电压为24V（VDS＝24V）；栅极采用零偏置（VGS＝0V）；漏极（D极）的负载电阻DR选取20MΩ；测试端选在DR两端，使用数字电压表读数，即比对MOSFET在有射线照射和没有射线照射时，DR两端的电压变化值—VDR（mV）值。

测试仪表采用FLUKE 87型四位半数字毫伏表；直流电源使用LONG WEI TPR3005—2D 型数字显示稳压电源，精度为0.1V。

图2所示的是最后确定的线路及具体的元件参数，p型和n型MOSFET均使用相同线路。

图2 测试原理图

3 实验一

3.1 目的

初步探索市售MOSFET对X射线的反应性。

3.2 材料

从市场上随机购买了10个n型MOSFET，型号为BS170。

3.3 实验装置与方法

3.3.1 实验装置及测试条件

图3 测试装置图示意图

测试装置见图3。图中放射源为GE SATURNE 41型直线加速器。

测试条件为标准条件：射线源与被测晶体管之间的距离SAD=1000 mm；射野尺寸 FSD=（100×100）mm2；GANTRY=0°；COLLIMATOR=0°。

射线选用X射线15MV；加速器每次出束50MU； DOSE RATE=400cGy/min。MOSFET直接暴露在射线内 。3.3.2 VDR 值的测量

测量时把MOS元件插入插座，通上电后稳定5min，记录1次电压表读数，这个数作为“本底”；然后加速器出束，再记录1次电压表读数，这个数作为“测试值”。则VDR值即为：

VDR（mV） ＝测试值－本底

每一个MOS元件重复测3次，取平均值记录。

3.4 结果与分析

10个BS170管测试的结果见表1。

分析表中结果：① 从表1中可见，被测MOSFET 都对X射线有较明显的反应。② 在没有射线照射时，电压表也显示有一个微量的漏电流（有文献称为“暗”电流），分析是因为MOS元件内G区的电子和空穴在电场的作用下无序移动所产生的漏极漏电流—IDSS在DR上生成的电压降，即上述的“本底”。③ 漏极漏电流（IDSS）对温度变化反应敏感。据观察，在接通电源后约5min，IDSS (即“本底”)就能趋于稳定。

4 实验二

4.1 目的

进一步探索市售MOSFET 对X射线的反应的普遍性。

4.2 材料

随机购买市售的MOSFET ，总共购买了13种型号的 ，其中n型MOSFET 的8种，p型MOSFET 的 5种，每一种型号各10个，共计130个。

4.3 实验方法

实验装置（如图3所示）、实验条件及测试方法与上例相同。

4.4 结果

表中的VDR 值是每一种型号10个MOSFET 所测数据的平均值。

从表2、表3中的结果可见，所购的13种型号晶体管中，n型管和p型管各有一种对X射线没有反应。可见绝大部分市售MOSFET 都对X射线照射都有明显反应。

另外，表2中的VN2406L和表3中的VP2410L这两种MOSFET 较其它型号对X射线的照射更为敏感，因此比较适合制作X射线探测器。

5 实验三

5.1 目的

测出MOSFET 的VDR 值与X射线剂量之间的函数关系。

5.2 材料

随机选用实验二中对X射线的照射最为敏感的n型和p型MOSFET —VN2406L和VP2410L各一个。

5.3 实验装置与方法

5.3.1 测试装置

测试按照图4装置：图中放射源为GE SATURNE 41型直线加速器；平衡帽使用X射线6MV和X射线15MV的。平衡帽内安置电离室或被测MOSFET 。电离室使用的是NE 0.6cm3、2581 Farmer型指形电离室；X射线剂量仪为NE公司与电离室配套生产的2570/1 FARMER DOSEMETER。使用的测试仪表和稳压电源同上例。

表1 BS170管在X射线15MV照射下的VDR 值

表2 n型MOSFET 在X射线15MV、标准测试条件下的平均VDR值

图4 测试装置图示意图

5.3.2 测试条件

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

5.3.3 测试方法

测试射线分别为X射线6MV和15MV；给柱形电离室套上平衡帽（X射线15MV或X射线6MV），调节SAD，使得加速器每次出束100MU时，Farmer剂量仪显示为100cGy，记录下所对应的SAD数值，然后分别测出90cGy、80cGy ……30cGy、20cGy时所对应的SAD数值。同样给n型或p型MOSFET 套上平衡帽，在相应的SAD位置测量VDR值。每一个位置测量3次，求其平均值作为计量数据。5.3.4 测试结果

n型和p型MOSFET 的计量结果分别见表4～7。

5.3.5 结果分析

表中X射线剂量的范围（20～100cGy）符合临床需要测量的范围。

从表4～7的 VDR值可见，数据明显符合一般变化趋势。图5 VN2460L接受X射线6MV射线照射时，射线剂量与VDR值的对应曲线

图6 VN2460L接受X射线15MV射线照射时，射线剂量与VDR值的对应曲线

图7 VP2410L接受X射线射6MV线照射时，射线剂量与VDR值的对应曲线

表4 VN2460L接受X线6MV射线照射下各对应剂量的VDR 值

表5 VN2460L接受X线15MV射线照射下各对应剂量的VDR值

表6 VP2410L接受X射线6MV射线照射下各对应剂量的VDR值

表7 VP2410L接受X射线15MV射线照射下各对应剂量的VDR值

再进一步将表中数据做图形处理，各图形见图4～8。从图中可见，各曲线—X射线剂量与VDR值明显呈线性关系，也就是说：MOSFET 将X射线剂量（cGy）这一物理量依循线性关系转变为另一个物理量—电压（mV），这种线性关系非常符合作为传感器的要求。

图8 VP2410L接受X射线15MV射线照射时，射线剂量与VDR值的对应曲线

6 实验四

6.1 目的

由于MOSFET的结构特点，芯片在各方向是不对称的。故由此推断，相同的强度的射线从MOS元件的不同方向射入会得到不同的VDR值。应当测出最有效的射线入射方向，以提高探测器的灵敏度。

6.2 材料

从实验三的MOSFET 中，任选VN2406L、VP2410L各两个。

6.3 实验装置与方法

6.3.1 实验装置和测试条件

实验装置和测试条件与实验一相同。

6.3.2 测试方法

测试时射线分别从两个方向照射MOS元件，具体照射方向如图9所示，即顶照和侧照。射线选用X射线15MV。

图9 被测MOSFET的两个照射方向示意图

6.3.3 结果与分析

测试结果如表8～9。

表8 VN2406L受X射线15MV顶照和侧照时VDR 值的比对

表9 VP2410L受X射线15MV顶照和侧照时VDR 值的比对

表中结果可见，射线从MOSFET的侧面照射灵敏度明显变差，因此，若要设计选用MOSFET作为射线探测器，应当注意射线入射方向，以提高探测灵敏度。

7 实验五

7.1 目的

观察普通市售 MOSFET 对大剂量的高能X射线的耐受性。

7.2 材料

实验二中的n型的VN2406L 和p型的VP2410L各任取一个。

7.3 实验装置与方法

7.3.1 实验装置和测试条件

实验装置如图4所示。

7.3.2 测试条件

射野尺寸FSD=（100×100）mm2； COLLIMATOR=0°；GANTRY=0°。SAD固定为为实验三中X线射15MV、剂量100cGy所对应的距离；使用高能X射线15MV，DOSE RATE=400cGy/min；每一次出束为1000MU，也就是射线剂量为1000cGy。

7.3.3 测试方法

先让MOSFET 预热5min，待本底的数值稳定，然后开机连续出束，从0 MU开始，出束每增加100MU（如100、200、300……等）就记录1次电压表（mV）读数。

7.3.4 测试结果

结果如表10。

7.3.5 结果分析

① 在整个实验过程中读数都比较稳定。临床上，15MV的X射线已属高能量射线，而单次1000cGy的剂量已大大超出临床所需监测的范围！可见实验用的MOS元件是能够耐受大剂量的高能射线轰击的。② 比较表中结果可见，尽管n型管对X射线较为敏感，但是p型管对X辐射的反应更为稳定。其中p型管平均值为67.68（+0.12，-0.08）mV；n型管平均值为78.3(+0.6，-0.5)mV。可见pMOSFET更适合用作射线探测器。

8 讨论

一般认为，作为一种传感器需要具备以下几个基本要素：① 要对所测的物理量反应灵敏；② 转换出来的物理量应当容易被测量；③ 两种物理量之间应当具有相关性；④对环境变化（如温度、大气压等）不敏感或不太敏感。

表10 VN2406L和VP2410L受X射线15MV、1000cGy剂量照射时的电压表读数

从实验结果可见，市售MOSFET晶体管基本符合上述要求。但是必须指出，上述实验是在相对恒温的环境下进行的（环境温度控制在22～26℃的范围内），而且半导体材料对温度敏感也是一个常识。好在这一问题已被研究的非常透彻，并且使用单片机也能对其做很好的温度补偿。

实验用的MOSFET-VN2406L和VO2410L均由美国威世通用半导体公司生产（VISHAY intertechnology），为耗尽型（DMOSFET）TO-92封装，工作温度（Operating and Storage Temperature）（-55）～（+150）℃。

从公司发布的参数查到的与本实验有关的参数主要是漏极漏电流：

可见，工作温度升高可导致漏极漏电流增加很多。不过，目前直线加速器的机房多是经过恒温、恒湿处理的，故这个问题不会太突出。

有资料报道，使用多管级联可提高MOSFET的射线探测灵敏度，但本实验中显示单管灵敏度已经足够。

MOSFET 体积微小，本实验使用的是TO—92封装的，而SOP-22封装（贴片封装）的体积更加微小；另外，MOSFET的售价低廉；加之成熟工艺，使得产品参数的一致性较好。因此，从市场购买的MOSFET只需略经挑选，即可作为合格元件使用。

使用上述元件做成探测器可有两种形式：

（1）使用单个MOSFET的射线探测器。由于射线剂量是射线能量在计量时间段的累加，因此信号处理时要去本底、放大，然后去控制压控振荡器（VCO），取得与VDR值呈线性关系的脉冲频率，再用计数器累加脉冲计数即可得到射线的剂量数值。

（2）使用多量MOSFET元件（几十个、上百个）构建成射线探测的中、大规模矩阵，再使用单片机（MCU）处理信号：扫描、去本底、放大、A/D转换、灵敏度平均化等，然后用曲线图显示出瞬时的X射线剂量分布图。

9 结论

通过上述的实验以及分析，可以得出结论：市售的场效应晶体管（MOSFET）是能够用于测量X射线剂量的相对值，能够构建成适合于医疗临床上使用的X射线探测器。

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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

作者邮箱：czw0123456789@163.com