基于Si-PIN的手部定向剂量当量率实时测量技术研究

黄金峰，肖思敏，王 莹，刘 阳，庞洪超，许 歌

(中国原子能科学研究院 辐射安全研究所，北京 102413)

在放射性同位素生产及核电站大修等环节，工作人员在生产车间或对含放射性物质的部件进行操作时，需面临衰变发射较低能量X/γ射线的放射性核素的辐射防护问题[1]，在介入治疗等核技术应用环节，介入职业人员眼晶体和手部也面临低能光子的辐射防护问题[2]。2012年发布的国家标准[3]中定义H′(0.07)对应的γ射线能量范围为8～250 keV。相比被替代的该标准2008年版本，增加了对30～250 keV能量范围的低能γ射线产生的剂量测量要求[4]。但低能γ射线的监测存在很多困难，尤其是在眼晶体、手部皮肤等裸露组织，除刻度方法和配戴方式外[5]，剂量计本身性能也将对结果产生影响[6]。通常，直读式γ个人剂量率仪对γ射线的能量响应范围为50 keV～1.5 MeV，且大部分仪器对于50～80 keV的低能γ射线响应较差[7]。对于眼晶体的剂量监测，文献[8-9]报道了佩戴式直读型在线测量设备的开发，而对于手部受照剂量水平的监测，基本依靠热释光指环剂量计等被动测量方法[10]，实时直读式的测量设备一般只能佩戴于腕部[11]。

本文将实现一款实时直读式的手部定向剂量当量率仪。基于离子注入型硅(Si-PIN)探测器[12]，使用专用集成电路(ASIC)，设计集成探测器和前置放大器的小型低能γ射线探头，探头尺寸为2 cm×1 cm×0.5 cm，能直接佩戴在工作人员手指上，结合实时信号处理主机，实现对低能γ射线在手指处剂量当量的实时在线测量，同时对操作时间内的剂量率进行累积得到人员的累积剂量并记录。仪器在超出设置的阈值时发出警报，报警方式包括瞬时剂量率和累积剂量报警两种方式。该技术适用于放射性同位素生产、介入治疗等低能量X/γ射线的定向剂量当量率实时监测应用。

1 手部定向剂量当量率仪设计

1.1 电子学设计

探测器包括探头、中继器和主机3部分，相互之间通过多芯屏蔽线缆连接。探头包括Si-PIN探测器和前置放大器ASIC，探测器将低能光子沉积的能量转换为电信号，被前置放大器初步放大后输出到中继器。中继器主要功能为对输入到探测器的高压、低压电源进行滤波，同时对探头输出信号进行成型、甄别并输出到主机进行读出。低压电源滤波器采用磁珠和电容实现π型滤波，高压电源滤波采用RC滤波，探头输出信号经过一级放大耦合二阶S-K滤波器成型，输出到低功耗比较器中进行甄别输出。主机主要功能包括：电源的供给和控制，信号的读取和处理；对探测器输出信号进行统计并计算得到实时剂量率和累积剂量[13]；与操作人员的交互，包括显示屏、按键和声光报警器。报警功能包括瞬时剂量率和累积剂量报警两种模式，操作人员可通过按键或上位机软件，完成人员信息、校准系数、报警阈值等设置和历史数据读取功能。

安装完成后探头整体尺寸为2 cm×1 cm×0.5 cm，中继器通过腕带或别针固定在腕部，主机通过袖带或支架固定在手臂或其他位置。

1.2 探测器能量响应补偿

本工作希望实现用简单的计数方式来统计探测器输出的信号，结合计数率-剂量率转换系数得到对应的定向剂量当量率，而无需使用能谱测量和权重积分方法，这就要求探测器在关注的能量区间(8～250 keV)范围内有平坦的能量响应[14]。一般而言，Si探测器对于低能X射线探测效率相对较高，如果直接测量将造成部分能量的过响应。平坦的能量响应通常需要采用补偿材料对过响应部分适当降低效率。

为了对探测器能量响应进行优化设计，本文采用Geant4建立探头模型，通过蒙特卡罗计算来进行探测器选型和结构设计，优化入射窗和补偿材料选型以及材料厚度、距离等设计，使探测器达到良好的能量响应性能。探测器的内部微结构和在Geant4中建立的模型如图1所示。粒子源设置为完全覆盖探测器的面源，位于探测器正上方，粒子方向垂直探测器，根据窄谱系列X参考辐射的平均能量[15]，设置光子能量在20～208 keV范围内共选取10个点进行计算。

图1 探测器晶体物理模型(a)和Geant4中建立的仿真模型(b)

能量响应补偿设计分为3部分：1)选择补偿材料；2)选择补偿材料的几何形态，包括厚度、阶梯、打孔等设计；3)实际测试补偿结果。以铜材料、1/8面积打孔为例，不同厚度的补偿片条件下，单位剂量率对应的计数率仿真结果如图2所示。根据计算结果，为兼顾低能端探测效率，优先选取1/8面积打孔的1 mm厚铜片作为补偿层。

图2 不同厚度铜片补偿后的探测器能量响应

1.3 主机设计和假信号抑制

主机实现测量数据的统计、展示和按键、报警等人机交互功能。主控芯片控制电源、指示灯、蜂鸣器、驱动显示屏等，使用FreeRTOS实时操作系统实现稳定工作。设备采用USB串口实现与上位机控制软件通信。主机包括报警功能，有实时报警和累计报警两种模式供用户设置，报警信号包括声、光和震动。

由于探头佩戴在手指上，在人员操作过程中很可能由于振动等干扰产生假信号。为了对假信号进行甄别，利用干扰信号无规则的特征，硬件上甄别器中额外设置了和正常极性相反的假信号甄别电路，同时在主机中对假信号进行反符合逻辑判定，从而实现对假信号的有效甄别和剔除。

2 性能测试

2.1 电子学信噪比

为了验证探测器电子学性能，在不加能量补偿片的情况下，使用55Fe点源对探头进行照射，使用示波器观察探头输出的5.9 keV光子信号如图3a所示。使用241Am点源照射得到的能谱如图3b所示。可看出，探头的探测器和电子学系统信噪比良好，噪声均方根为702 μV，5.9 keV光子信号经前置放大器后信号幅度为15 mV。在不考虑补偿片衰减的情况下，探测器的电子学部分能实现对低至5.9 keV光子的有效测量。

图3 探头输出的5.9 keV光子信号(a)和241Am测量能谱(b)

2.2 能量响应平坦度

在国防科技工业电离辐射一级计量站使用X射线空气比释动能标准装置，采用窄谱系列参考辐射对本设备进行测试，得到本设备在20～208 keV范围内，设备的能量响应相对偏差在±30%以内(表1)，具有良好的能量平坦度，满足标准中不同能量响应变化限值(-29%～67%)的要求。

表1 设备对不同能量X射线的响应

2.3 剂量率线性范围

在平均能量65 keV的N-80窄谱X辐射场中，调节设备到源的距离得到不同剂量率下的读数，结果如图4所示。可看出，在1 μSv/h～1 mSv/h范围内，设备具有良好的线性。

图4 设备在不同剂量率下的计数率响应

3 结论

本文基于离子注入型硅探测器Si-PIN，使用专用集成电路ASIC，设计了集成探测器和前置放大器的小型低能γ射线探头，该探头尺寸为2 cm×1 cm×0.5 cm，能直接佩戴在工作人员手指上，实现了对低能γ射线在手指处剂量当量的实时在线测量。经过X射线空气比释动能标准装置测试，该设备测量X/γ射线能量范围为8～250 keV，剂量率范围为1 μSv/h～1 mSv/h，满足相关规程的要求，适用于低能量X/γ射线的定向剂量当量率实时监测应用。