新型热释光个人剂量计入射角响应优化及能量鉴别研究

周 超，赵进沛，江其生，张 建，李秀芹

（1.陆军军医大学军事预防医学院，重庆 400038；2.中部战区疾病预防控制中心卫生防护科，北京 100042；3.火箭军特色医学中心实验室，北京 100088；4.北京珺仪联瑞核探测技术研究所，北京 100850）

0 引言

热释光辐射剂量测量技术是放射工作人员个人剂量监测的常规手段[1-3]。目前热释光辐射剂量测量技术尚存在以下2个严重影响测量精确度的问题：一是能量响应问题，相同剂量的辐照由于辐射能量的差异可能造成30%以上的测量偏差[4]；二是入射角响应问题，相同剂量的辐照由于其入射角度的不同也有可能造成30%以上的测量偏差[5]。为解决上述问题，本文设计了一种新型半球型结构的个人剂量计，试图从保持射线通过模体路径长度一致方面解决入射角影响的问题，通过能量鉴别和有针对性地选择使用刻度因子达到消除能量响应影响的目的。本文对新型热释光个人剂量计和传统平板模体剂量计在不同入射角度照射下的信号响应值进行了比较，验证了新型热释光个人剂量计对入射角响应的优化效果；比较了利用不同能量、不同剂量照射下新型热释光个人剂量计的特定金属模体与无过滤模体槽体处探测器信号值比值的差异，探讨了其与射线能量的关系及实现能量鉴别的可能性。上述工作为提高热释光辐射剂量测量质量创造了条件。

1 材料与方法

1.1 试验仪器与材料

本实验主要采用的仪器有热释光个人剂量计、热释光读出仪和热释光退火炉，均由北京珺仪联瑞核探测技术研究所研制，其主要参数见表1。所有仪器使用前均经中国计量科学研究院校准。其中新型热释光个人剂量计为CTLD-J3000的改进型，模体设计为半球型，传统CTLD-J4000平板模体剂量计作为对照试验剂量计，均由北京珺仪联瑞核探测技术研究所研制。新型热释光个人剂量计盒与传统CTLDJ4000平板模体剂量计盒比较，有2点改进：（1）Hp（10）槽体位置的前方模体采用组织等效性更好的聚四氟乙烯材料，并加工成半球型，探测器相当于处于球体中心位置，这样可以使得射线入射角度在一定范围内变化，其透过的模体厚度都是相等的，从而最大限度地消除了模体吸收和散射不同带来的信号值差异；（2）在右下方的槽体处上方，设置了一个组织等效性大于10 mm水的金属板模体，使该槽体的探测器计数与右上方的无过滤模体槽体中探测器的计数有一个比较大的反差，2个计数的比值使之有可能用于实现射线能量鉴别的目的。

表1 实验测量仪器

1.2 实验条件

退火条件：退火温度为240℃，恒温退火10 min；冷却条件：室温下将退火盘置于冷却板上自然冷却；测读条件：以20℃/s的升温速度升至140℃并保持20 s，再以20℃/s的速度升温至240℃，保持20 s。

1.3 照射条件

将分散性小于±5%的热释光探测器退火冷却后分装于新型热释光个人剂量计盒的Hp（10）半球型模体槽体、无过滤模体槽体以及金属模体槽体处；传统CTLD-J4000平板模体剂量计盒仅在Hp（10）槽体位置放置探测器；辐照源采用137Cs源、γ基准装置及窄谱过滤Χ射线照射基准装置。辐照时将剂量计均放置于国际辐射单位委员会（International CommissionRadiologicalUnits，ICRU）推荐的外部尺寸为30cm×30 cm×15 cm（长×宽×高）的平板水箱体模前方，并正对射线束方向[6]。入射角响应实验时，使剂量计与射线入射方向垂直的方向呈一定的角度变化。上述参考辐射照射在中国国防科技一级计量站完成。

1.4 入射角响应实验

准备同一批次的新型热释光个人剂量计和传统CTLD-J4000平板模体剂量计各12组，每组数量均为8个。2种剂量计照射分组情况完全相同，将剂量计放置在所选的检定点上，对2种剂量计分别用65、100、662 keV的参考辐射进行入射角度分别为0、20、40、60°的辐照，具体辐照分组见表 2。

表2 新型热释光个人剂量计与传统CTLD-J4000平板模体剂量计入射角响应辐照分组

1.5 能量鉴别实验

准备同一批次的新型热释光个人剂量计16组，每组数量均为8个。分别用137Cs源γ射线和不同能量的窄谱X射线正面照射，具体辐照分组方案见表3。

表3 能量鉴别辐照分组方案

1.6 统计学处理

首先采用Grubbs检验法在显著性水平为0.05情况下去除各组中的离散值，然后再采用SPSS 18.0统计软件进行数据处理，实验数据以平均值±标准差（±s）表示；根据方差齐性分析的结果，进一步使用 LSD（least significant difference）检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 入射角响应实验结果

入射角响应是由于入射角的不同导致的剂量计信号响应值的差异，如果通过改进剂量计结构等手段，使上述差异降低或消除，则能实现入射角响应优化的目的。表4、5分别显示了新型热释光个人剂量计和传统CTLD-J4000平板模体剂量计的入射角响应情况，表中数据为在不同能量、不同入射角度以及相同剂量的辐照后得到的计数值。对于同一能量组的辐照，不同入射角度的计数值间如有显著性差异，则存在较明显的入射角响应。由表4可见，新型热释光个人剂量计在3种能量射线照射下对不同入射角的响应值间差异均无统计学意义，表明入射角度对测量结果无明显影响（P＞0.05），体现了入射角响应优化的效果。由表5可见，传统CTLD-J4000平板模体剂量计在662 keV参考辐射照射下，入射角度为40和60°时，其计数值与0°角正面照射比较差异有统计学意义，对测量结果有影响；而在入射角度为20°时，其计数值与0°角正面照射比较差异无统计学意义，表明对测量结果没有影响。在65 keV参考辐射照射下，入射角度为20和40°时，与0°角正面照射比较差异有统计学意义；入射角度为60°时计数值离散性太大以致方差不齐无法进行统计学比较。在100 keV参考辐射照射下，入射角度为40°时，与0°角正面照射比较差异有统计学意义，对测量结果有影响；而在入射角度为20°时，其计数值与0°角正面照射比较差异无统计学意义，表明对测量结果没有影响；入射角度为60°时计数值离散性太大以致方差不齐无法进行统计学比较。

表4 新型热释光个人剂量计不同能量下入射角响应的计数值（±s）

表4 新型热释光个人剂量计不同能量下入射角响应的计数值（±s）

注：不同能量组下的各个入射角度间的响应值比较，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 传统CTLD-J4000平板模体剂量计不同能量下入射角响应的计数值（±s）

表5 传统CTLD-J4000平板模体剂量计不同能量下入射角响应的计数值（±s）

注：与 0°照射组比较，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

上述实验表明，新型热释光个人剂量计与传统CTLD-J4000平板模体剂量计比较，具有明显的入射角响应优化作用。

2.2 能量鉴别实验结果

在不同能量射线以及同一能量不同剂量射线正面照射的情况下，新型热释光个人剂量计金属模体槽体与无过滤模体槽体处的探测器计数值比值结果见表6。从表6可以发现，在相同能量不同剂量的射线照射下，各能量组内剂量计的上述两槽体的探测器计数值比值间的差异无统计学意义（P＞0.05），在同一剂量不同能量的射线照射下，不同能量组的探测器计数值比值间差异有统计学意义（P＜0.05）；金属模体槽体与无过滤模体槽体处的探测器计数值比值与能量呈现良好的相关性，随着能量的增加所对应的计数值比值也成倍增加。上述结果表明，通过新型热释光个人剂量计金属模体槽体与无过滤模体槽体处的探测器计数值比值，可以对剂量计所受射线的性质、能量范围进行鉴别，进而有针对性地采用相应能量的刻度因子，以获得更加准确的剂量测量结果。

表6 不同能量、不同剂量射线照射下剂量计不同位置探测器计数值比值结果

3 讨论

良好的热释光剂量测量系统性能是保证监测质量的关键，是获得准确、可靠辐射剂量测量结果的基本要求[7-8]。热释光个人剂量计的角度依赖特性是型式试验的重要内容，也是表征剂量计性能的重要参数，其入射角依赖性与不同探测器及剂量计盒的材料、形状与结构均有关系[6，9]。由于热释光剂量测量系统的刻度因子是通过在标准剂量学实验室以0°角对剂量计的辐照所获得的，而日常实际测量的射线的入射角往往是多样化的，所以剂量计对入射角的依赖性越强，造成的测量误差就可能越大。本研究测试结果表明，新型热释光个人剂量计在高能量的γ射线和不同能量的窄谱X射线照射下，其对不同入射角的射线有着基本一致的信号响应，各入射角度信号值之间没有显著性差异；而传统CTLD-J4000平板模体剂量计在不同能量照射下对于不同入射角的射线的信号响应却存在着显著性差异，尤其是在低能窄谱X射线照射下其差异更为明显。表明这种新型热释光个人剂量计与传统CTLD-J4000平板模体剂量计相比，其对入射角响应具有显著优化效果，有利于降低由于入射角依赖性对测量带来的误差。

能量响应的影响是造成热释光辐射剂量测量结果误差的另一个重要因素。降低能量响应因素的途径有2个：一是采取措施直接降低剂量计的能量响应差异；二是通过能量鉴别的方法首先确定待测射线能量，然后选择相应能量的刻度因子进行计算。目前，相关研究多从能量鉴别途径达到降低能量响应的目的[10-11]。本研究根据同一剂量计中不同位置探测器前方的衰减模体不同，其探测器信号响应值也不同的原理，设置了一个组织等效性大于10 mm水的金属模体的槽体位置以及另一个无过滤模体槽体位置，在特定能量和剂量的射线辐照后使上述2个槽体位置处的探测器计数相比，发现该比值与不同射线的能量存在确定关系。并且新型热释光个人剂量计所选用的金属模体比以往同类鉴别式剂量计所使用的金属模体更厚，因此不同能量射线的计数比值之间差异更加明显，具备更强的能量鉴别能力，从而实现有针对性地选择Hp（10）剂量当量刻度因子，获得更加准确的剂量当量数值。

综上，通过试验表明，新型热释光个人剂量计对入射角响应具有明显优化效果，同时还可以实现射线的能量鉴别，增强了热释光辐射剂量测量的可靠性，对于人与环境的辐射监测质量的提高具有重要的现实意义。