矩陣劑量儀半導體探測器性能測試技術(shù)研究

摘要：針對加速器不適宜在實驗室使用且發(fā)出的射線會傷害人體等問題，為方便考察儀器性能，采用標準光源模擬加速器照射的方法，對矩陣劑量儀半導體探測器進行性能測試。經(jīng)過刻度之后，矩陣劑量儀能夠完成在加速器照射下的實際測量。實驗結(jié)果表明：采用標準光源模擬加速器照射矩陣劑量儀，對半導體探測器進行性能測試的技術(shù)是可行的。

關(guān)鍵詞：加速器；矩陣劑量儀；半導體探測器；標準光源

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2015）03-0117-04

0 引言

劑量驗證是放射治療工作中非常重要的環(huán)節(jié)，特別是在調(diào)強放射治療中，為了確保靶區(qū)得到預期劑量，而正常部位組織受照射量盡可能的少，對放射治療中計劃給出和實際照射的劑量必須進行驗證。為實現(xiàn)精確放療和嚴格的射線質(zhì)量控制，以及技術(shù)安全保證，研制出基于硅二極管半導體探測器的矩陣劑量儀，可以方便、快捷、準確地完成劑量驗證任務，為調(diào)強放射治療提供了一個方便的工具。在矩陣劑量儀研制過程中，需要對儀器半導體探測器進行性能測試，主要包括重復性和劑量線性。而美國的Babar探測器和日本的Belle探測器都是利用硅二極管在射線照射下形成電流的原理來測量其硅頂點探測器的輻射本底。清華大學也對硅二極管用于X射線探測進行了試驗研究。但對矩陣劑量儀半導體探測器進行性能測試的研究較少，本文將針對其特殊性進行研究。

1 測試原理

本文的矩陣劑量儀采用1600個硅二極管半導體探測器組成40x40陣列，分成1600個測量通道，每個探測器測量電路如圖l所示。偏壓電源為半導體探測器提供工作電壓，探測器與閃爍體耦合，當有射線照射到閃爍體上時，閃爍體會發(fā)出熒光，光電二極管收到光照以后產(chǎn)生光電流，經(jīng)過前置放大器與主放大器將電流信號轉(zhuǎn)換為代表射線劑量率的電壓信號并放大成形，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器把電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，供數(shù)據(jù)處理電路整理分析。

由于本文的矩陣劑量儀使用了1600個硅二極管半導體探測器，如果對每個半導體探測器進行測試將非常繁瑣，而使用加速器照射對矩陣劑量儀半導體探測器進行性能測試是一個可行的方案。但加速器不適宜實驗室使用且發(fā)出的射線會傷害人體，這給探測器性能測試造成了局限性。

由圖1可知，在使用加速器照射時，閃爍體會受到射線激發(fā)產(chǎn)生熒光。閃爍體受核輻射激發(fā)后所發(fā)射的光并不是單色的，而是一個連續(xù)帶。本文采用硅二極管的光譜響應曲線，如圖2所示。

因此，可以采用覆蓋閃爍體發(fā)射光譜波長范圍的標準光源模擬加速器照射的方法，對矩陣劑量儀半導體探測器進行性能測試。色溫為2856K的標準A光源滿足我們的要求，它的光譜圖如圖3所示，該標準光源覆蓋波長范圍在350-800nm以上，由圖2可知，這個范圍覆蓋了大部分閃爍體的發(fā)射光譜，能夠模擬閃爍體受到加速器照射之后的發(fā)射光譜。并且，標準光源的光譜與硅二極管的光譜響應也互相匹配，覆蓋了硅二極管的光譜響應峰值，從而使硅二極管在光照射時能夠產(chǎn)生更好的響應，得到較大的輸出信號。

具體方法為：不再使用加速器和閃爍體，而只用均勻照度的標準光源直接照射半導體探測器，對它們的重復性和劑量線性進行測試，如圖4所示。

2 探測器性能測試平臺

在實驗室建立針對矩陣劑量儀半導體探測器重復性和劑量線性的測試平臺，如圖5所示，由色溫為2856K的標準A光源和漫反射空腔球體組成。漫反射空腔球體為一個內(nèi)部空心的金屬球，球體內(nèi)壁涂有白色漫反射材料，這種材料的漫反射系數(shù)接近于1，在可見光譜范圍內(nèi)的光譜反射比都大于99%，因此進入該球體的光線經(jīng)過內(nèi)壁涂層多次反射，在內(nèi)壁上可以形成均勻照度。球壁上開有數(shù)個窗孔，分別作為標準光源進光孔和放置光接收器件的接收孔。利用這樣的測試平臺，只要將矩陣劑量儀探測區(qū)域與接收孔重合，就可以使1600個半導體探測器同時受到均勻照度的標準光源照射，快速完成對半導體探測器的性能測試。

3 實驗結(jié)果

3.1 性能測試

在實驗室用該測試平臺對矩陣劑量儀半導體探測器進行性能測試，采用3.5V、1.8A的標準光源，將矩陣劑量儀半導體探測器放在接收孔處進行照射。連續(xù)20次進行重復性測試實驗，1600道的重復性測試結(jié)果如圖6所示。以倍數(shù)依次改變標準光源的光照時間，將矩陣劑量儀每道讀數(shù)進行歸一化，得到矩陣劑量儀半導體探測器劑量線性，以第1560道劑量線性為例，如圖7所示。得到在標準光源下，矩陣劑量儀半導體探測器重復性<0.5%，劑量線性相關(guān)系數(shù)為1。

3.2 驗證實驗

在某醫(yī)院加速器下進行驗證實驗，在20cGy劑量照射下，矩陣劑量儀1600道半導體探測器重復性如圖8所示。改變加速器照射劑量，將矩陣劑量儀每道讀數(shù)進行歸一化，得到矩陣劑量儀半導體探測器劑量線性，還是以第1560道劑量線性為例，如圖9所示。

可以看到，在加速器照射下，矩陣劑量儀半導體探測器重復性<0.5%，劑量線性相關(guān)系數(shù)為1，與在標準光源下性能測試表現(xiàn)一致。

3.3 實際應用

經(jīng)過性能測試以后的半導體探測器可以成功應用于矩陣劑量儀中。矩陣劑量儀中的半導體探測器有1600道，可以對加速器輻射野進行精確的測量，并且進行劑量分布分析。經(jīng)過刻度之后，將矩陣劑量儀每道讀數(shù)轉(zhuǎn)換為劑量cGy。將被測矩陣劑量儀置于加速器輻射場中，探測器陣列中心與光野中心對準調(diào)水平，上面放置固態(tài)水模型，調(diào)節(jié)源皮距100cm，選用10cmxl0cm光野大小為100cGy劑量進行照射。矩陣劑量儀測量得到劑量分布的離軸比圖和灰度圖分別如圖10、圖11所示。實測結(jié)果均整度為1.05，對稱性為1.02，重合性為0.69mm，均滿足外照射規(guī)程中的計量性能要求。

4 結(jié)束語

利用標準光源模擬加速器照射的方法，建立了針對矩陣劑量儀半導體探測器重復性和劑量線性的測試平臺。通過性能測試與驗證實驗表明，采用標準光源與加速器照射，重復性與劑量線性表現(xiàn)一致。將性能測試后的半導體探測器應用于矩陣劑量儀中，經(jīng)過刻度之后，矩陣劑量儀能夠完成實際測量，使用戶能夠?qū)┝糠植加星逦牧私狻?/p>