數字電子個人劑量計的設計與性能測試研究

摘要：針對固內數字電子個人劑量計種類繁多、測量原理不同導致其性能差異顯著進而不利于個人劑量的有效監督的情況。按照國家標準和規程要求，設計新一代個人劑量計Nt2000，并在標準輻射場中對該儀器進行了相對同有誤差、劑量線性、重復性、能量響應和角響應測試。測試結果表明：Nt2000個人劑量計主要性能指標滿足國標要求，能量響應（48～1250keV）優于+28%，可部分替代困外同類儀器。

關鍵詞：個人劑量計；能量響應；劑量線性；重復性

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2015）02-0120-04

引 言

個人劑量計廣泛應用于核電站、輻射環境、地質、建筑、商檢、礦山、放射衛生、探傷、輻照以及科研院所等輻射場所。目前個人劑量計主要包括：數字式電子個人劑量計、固體徑跡中子個人劑量計、熱釋光個人劑量計、膠片個人劑量計等。數字式電子個人劑量收稿日期：2014-09-19：收到修改稿日期：2014-11-03基金項目：國家重大科學儀器設備開發專項（2013YQ090811）作者簡介：黃平（1982-），男，四川成都市人，博士，研究方向為核信號獲取與處理。

計（EPD）涉及核探測器技術與微電子技術，具有功能強大、信息化程度高、體積小、功耗低等特點，使用廣泛。在日本福島核事故發生后，公眾對核輻射的有效測量和防護等問題的關注度不斷提高，數字式電子個人劑量計的需求數量也在不斷攀升。

由于廠家的設計原理不同和國內儀器集成度不如國外等因素的影響，目前國內個人劑量計整體性能與國外還存在一定差距。為了保障量值的準確，縮小與國外的技術水平，本文自主研制了Nt2000個人劑量計，并進行了系統的測試研究。測試過程嚴格按照GB/T 13161-2003《直讀式個人X和y輻射劑量當量和劑量當量率監測儀》和JJG 1009-2006《直讀式X、y輻射個人劑量當量（率）監測儀檢定規程》相關要求，進行了相對固有誤差、重復性、能量響應、角響應、劑量線性測試等性能測試。

1.儀器設計原理

系統硬件主要包括探測器、前放、甑別器、處理器、LCD顯示器、無線通信模塊以及可選配電腦（如圖1所示）。前放輸出脈沖放大，經甑別后進入低功耗處理器進行脈沖計數處理，并通過LCD顯示測量結果，同時還可利用無線通信將數據上傳給服務器形成綜合劑量管理系統。為了提高個人劑量計的靈敏度指標，須在減少功耗的同時，通過半導體電路等效模型，設計出高性能電荷靈敏放大器，并完成電荷信號的脈沖成型放大處理。

Nt2000個人劑量計主要包括探測器、低功耗低噪聲前置放大器、主成型電路，探測器采用復合屏材料與Si-PIN組合而成，主成型電路對前放信號進行脈沖成型、極零相消與放大等信號處理（如圖2所示）。Si-PIN探測器由于位置分辨率好、能量分辨率高、響應時間快和線性范圍寬等特點而被廣泛采用。

在圖2中，當射線穿過由復合材料和Si-PIN組成的復合探測器時.在Si-PIN半導體探測器本征層會產生電子空穴對，在外加電場的作用下形成輸出電流。利用Si-PIN硅光二極管電路等效模型，可設計出滿足要求的低功耗、高靈敏度前置放大電路[6-7]。

假設一束平行X或y射線垂直入射到Si-PIN探測器有效探測區，其產生的電流，為

，I=exp（一t/τ）NeEns/ε

（1）式中：τ——與材料相關的常數；

N——X或y射線注量率，S-I/cm2；

S——探測器有效面積，Cm2；

e——電子電荷；

E——反沖電子平均能量；

n——探測器探測效率；

ε——Si的電離常數。

從式（l）可知，輸出信號具有指數信號特征。

電荷靈敏放大器噪聲主要包含Si-PIN探測器噪聲和電子元器件產生的電子噪聲。前放噪聲測試實驗是利用高速數字示波器Tekcronix TDS1012B對前放輸出波形進行采樣與儲存，并運用FFT變換完成前放輸出信號的頻譜特征分析（如圖3所示），為后期信號處理提供參考。

2.標準輻射場

儀器測試在中能基準和防護水平標準裝置中進行，利用137Cs、60Co以及中能基準輻射裝置產生標準輻射場。輻射場產生的射線能量從48keV～1.25MeV（如表l所示），高劑量測試則通過中能X光機選擇固定100kV并調節管電流實現，其測試條件基本覆蓋國標要求的測試范圍。儀器在測試過程中采用國際輻射單位和測量委員會（ICRU）推薦的模體，Sv和Gy單位換算則采用表l中的轉換系數完成。

3.儀器性能參數比對

3.1 相對固有誤差

相對固有誤差規定在儀器指示劑量當量的每個十進制量級內至少選取3點，考慮實際情況，選在離防護水平輻射標準裝置5號137Cs源2.0，1.5，1.0，0.6m處進行，其標準劑量率值分別為55，98，225，650μSv/h。

采用劑量率檢定時，任一檢定點f最靈敏十進制級除外）的相對誤差不超過+20%，且任意兩個相對誤差不超過40%；最靈敏十進制量級內相對固有誤差不超過+30%，且該量程內的任意兩個相對固有誤差不超過60%。從表2和圖4可知，Nt2000都能較好地滿足要求。

3.2 劑量線性測試

劑量線性應采用在標準條件下，通過不同距離或不同活度的'37Cs放射源，調整出覆蓋儀器量程的標準測試點。由于條件限制，線性測試采用表2中的數據，大劑量的線性則通過X光機過濾形成的輻射場進行測試，標準值由參考級PTW電離室劑量儀測量并轉換單位系數所得。線性測試選在離防護水平輻射標準裝置5號137CS源2.0，1.5，1.0，0.5m位置，利用點源劑量與距離成反平方關系畫出如圖5所示曲線。

大劑量的線性測試采用中能X光機，在同一位置水平擺放個人劑量計和PTW電離室，考慮位置的移動不便，可通過設置不同管電流的方法，調整出不同劑量值，測試結果如表3所示，表明Nt2000線性測試整體一致性良好。

3.3 重復性

重復性計算選取儀器第2個最靈敏十進制量級的50%處，依次測量10次并進行計算。根據實驗條件，選取標準值為55μSv/h的測量點。重復性沿用相對標準偏差公式，計算結果平均值57μSv/h，重復性為5.7%。

3.4 能量響應

能量響應作為個人劑量計的重要技術參數，必須加以重視。能量響應的測試須用X光機在不同千伏不同附加過濾下進行。X射線根據實際情況選擇窄譜系列參考輻射場，并將結果歸一至'37Cs處。

由表4和圖6可知，Nt2000整體能響優于±28%。

3.5 角響應

角效應測試應把儀器探測靈敏中心與射束固定為a角度，a可取為±15°，+30°，+45°，+60°，+75°，+90°。根據規程要求，測試條件取為除+90°外的方向，其測試數據歸至0°角處理，測試采用137Cs和241Am兩種放射源。

從圖7中可知，角響應測試都滿足0°～75°范圍內，角響應在137Cs條件下≤20%，在24lAm條件下≤50%。

4.結束語

對研制的Nt2000儀器進行固有誤差、劑量線性、重復性、能量響應和角響應等技術指標的性能測試，結果表明該儀器能較好的滿足GB/T13161-2003《直讀式個人X和y輻射劑量當量和劑量當量率監測儀》和JJG1009-2006《直讀式X、y輻射個人劑量當量（率）監測儀檢定規程》要求，穩定性良好，具備在核電站等輻射場所工作的能力，可部分代替國外同類儀器。同時，在測試中也發現該儀器與國外儀器在系統軟件構建、操作靈活性方面還有一定差距，需在后期不斷改進，進一步縮小與國外儀器的差距。