加速器及医用加速器辐射剂量测量仪的认识

加速器（accelerator）是用人工方法把带电粒子加速到较高能量的装置。利用这种装置可以产生各种能量的电子、质子、氘核、α粒子以及其它一些重离子。利用这些直接被加速的带电粒子与物质相作用，还可以产生多种带电的和不带电的次级粒子，像γ粒子、中子及多种介子、超子、反粒子等。

大型粒子加速器

当前世界上的加速器大多是能量在100兆电子伏以下的低能加速器，其中除一小部分用于原子核和核工程研究方面外，大部分用于其他方面，象放射性化学、放射生物学、放射医学、放射性同位素的制造、非破坏性探伤、固体物理等的基础研究以及工业照相、疾病的诊断和治疗、高纯物质的活化分析、某些工业产品的辐射处理、农产品及其他食品的辐射处理、模拟宇宙辐射和模拟核爆炸等。近年来，科学家还利用加速器原理，制成各种类型的离子注入机，以供半导体工业的杂质掺杂而取代热扩散的老工艺，使半导体器件的成品率和各项性能指标大大提高。很多老工艺不能实现的新型器件不断问世，集成电路的集成度因此而大幅度提高。

加速器的种类很多，有回旋加速器、直线加速器、静电加速器、粒子加速器、倍压加速器等。而对许多人来说，最常见也是在生活当中最容易接触到的就是医用加速器，医用加速器是生物医学上的一种用来对肿瘤进行放射治疗的粒子加速器装置，目前国际上，在放射治疗中使用最多的是电子直线加速器。

各大医院常见的医用加速器治疗设备

医用加速器在医疗卫生中的应用促进了医学的发展和人类寿命的延长，比如，我们许多人在各大医院中就经常可以见到如放射治疗、医用同位素生产以及医疗器械、医疗用品和药品的消毒等应用。而在当前，随着国内肿瘤发病率上升，越来越多的医院面临着肿瘤治疗技术更新的问题，而医用直线加速器在肿瘤放射治疗的优势使得它成为许多医院进行肿瘤治疗的必备仪器。

然而，正如凡事在有利的方面同时往往也有弊的一面，如上面提到的加速器的工作原理，我们就知道，医用加速器在工作时利用的是利用各种能量的电子、质子、氘核、α粒子以及其它一些重离子具能杀灭细胞的原理，对这些粒子进行加速形成辐射能量，从而使得这些粒子能够深入人体内，杀死人体内深处的肿瘤细胞，而这些辐射本身会对人体健康带来不利影响，同时，医用加速器在对粒子进行回事的同时，还会产生多种带电的和不带电的次级粒子，像γ粒子、中子及多种介子、超子、反粒子等，而这些粒子同样具有辐射的风险，因此加速器在生产时必须做好各种射线辐射防护。对于使用医院来讲，医用加速器的辐射安全问题也是关等注意事项。

然而，随着近年来，各大媒体关于部分医院的各种加速器设备（如X光室、CT室、磁共振室等）因为各种原因造成辐射泄露事故经常见诸报端，这些场所的辐射剂量安全问题也是日益突出。因此，预防辐射对人体的伤害和对环境的污染等问题在目前受到广泛关注。

前段时间引起广泛关注的某医院辐射泄露事故

而要有效预防医院各种放射性设备的安全，辐射剂量测量仪是一个必不可少的设备，这种设备可以有效对各种医用放射性设备进行监测，不管是其处于工作状态还是非工作状态。辐射剂量测量仪以测量吸收剂量为主，辅以加速器其他方面的监测工作，进而控制了放射治疗过程中诸项问题的产生。

目前，国内加速器辐射剂量测量仪的研制采用了多种探测方法，主要有3 种类型（见图1）。常用的辐射测量探测元件有电离室探测器，G-M 计数探测器，半导体探测器和热释光探测器[1-2]，广州极端科技有限公司根据多年的相关行业经验，对这4 种探测元件从工作原理、功能特性、优缺点、现状与发展等方面进行分析比较。

1.      辐射剂量测量仪的基础理论

1.1     辐射剂量测量仪基本原理对比（表1）

1.2     辐射剂量测量仪优缺点对比（表2）

1.3     辐射剂量测量仪影响因子对比（表3）

2.      国内、外辐射剂量测量仪的现状与发展

2.1   电离室探测器的现状与发展

电离室是一种探测电离辐射的气体探测器，它是由处于不同电位的电极和限定在电极之间的气体组成，通过收集因辐射在气体中产生的电子或离子运动而产生的电讯号来定量测量电离辐射的探测器。分为脉冲电离室和电流电离室，前者可记录单个辐射粒子的电离辐射，主要用于重带电粒子的能量和注量或注量率的测量，后者则用来记录大量辐射产生的平均效应，用于测量X射线，γ光子束，β射线和中子束的注量、注量率和剂量。

电离室探测器结构图

常见的加压电离室巡检仪（Fluke 451P 加压电离室巡检仪）

常见的电离室及水模体放疗剂量仪

与水模体配套使用的小型电离室探头

电离室一般为圆柱形，电离室中间有一个柱状电极，它与外壳构成一个电容器。在电离室的两极加上电压，可以收集放射性射线作用产生的电离电流。根据电离电流的大小可以确定放射性活度。按照被测射线种类不同，电离室可分为α电离室、β电离室和γ电离室。

电离室探测器广泛地应用于辐射加工、放射治疗、个人防护和环境监测等领域的剂量测量，特别是在放射治疗中，准确的剂量测量是放射治疗质量保证的重要手段。

2.2     G-M计数探测器的现状与发展

1928 年，盖革和弥勒发明了盖革计数管即：盖革- 弥勒计数管(缩写为G-M 计数管)。盖革计数管可用来检测各种物质和周围环境的放射性，甚至可以勘探到铀矿样品，盖革计数管还可以检测到地下的氡。

盖革计数管(或G-M计数管)是气体电离探测器中应用最广泛的一种，广用于测量各种射线辐射。 它通常是一个充气的圆柱形管，管内装设一圆筒式金属阴极和一根位于中心的细丝作阳极。具外形主要可分为钟罩型（或称端窗式）和圆柱型。根据所充气体又分为有机管和卤素管。

盖革计数管结构示意图

常见的盖革管原理核辐射检测仪（美国Inspector +核辐射检测仪、α/β表面污染检测仪）

盖革计数器是核物理学和粒子物理学中不可缺少的探测器，至今仍然是实验室中敏锐的“眼睛”。且因为其造价低廉、使用方便、探测范围广泛，至今仍然被普遍地使用于核物理学、医学、粒子物理学及工业领域

2.3     半导体探测器的现状与发展

半导体探测器（semiconductor detector）是 以半导体材料为探测介质的辐射探测器。最通用的半导体材料是锗和硅，其基本原理与气体电离室相类似，故又称固体电离室。

半导体探测器结构示意图

美国ORTEC公司生产的高纯锗辐射检测仪、能谱仪

半导体探测器具有许多优点,比如其能量分辨本领好于其他种类的探测器、线性范围宽、阻止本领大的特点。目前，半导体探测器可以分为：

1.        面垒型探测器。这种探测器一般采用N型单晶硅片,并将金沉积在上面制成，它是利用金和半导体之间接触电势差，在半导体中形成没有自由载流子的耗尽层，即是探测器的灵敏区。在采用高纯度硅材料时，其厚度可达4～5毫米。此外，还可以用极薄的硅片做成全耗尽型探测器,或称为dE/dX 型探测器,最薄可达1～2微米。入射粒子可以穿过它并根据其能量损失率而鉴别粒子种类。

2.        锂漂移型探测器。为了探测穿透能力较强的γ射线，要求探测器有更大的灵敏区。这种效果通常是使锂漂移进入P型半导体材料,进行补偿而获得。由于锗比硅对γ射线有更高的探测效率，故一般采用锗（锂）漂移探测器。这种探测器的灵敏体积可大于200厘米3。但是,由于其死层较厚，故在探测较低能量的X射线时,往往采用硅（锂）漂移探测器。锂漂移型探测器的另一个特点，是当它被用来探测X及γ射线时必须保持在低温(77K)和真空中工作。

3.        高纯锗探测器。随着锗半导体材料提纯技术的进展，已可直接用超纯锗材料制备辐射探测器。它具有工艺简单、制造周期短和可在室温下保存等优点。用超纯锗材料还便于制成X、γ射线探测器,既可做成很大灵敏体积，又有很薄的死层,可同时用来探测X和γ射线。高纯锗探测器发展很快，有逐渐取代锗。

随着科学技术不断发展需要，科学家们在锗锂Ge(Li)、硅锂Si(Li)、高纯锗HPGe、金属面垒型等探测器的基础上研制出许多新型的半导体探测器，如硅微条、Pixel、CCD、硅漂移室等，并广泛应用在高能物理、天体物理、工业、安全检测、核医学、X光成像、军事等各个领域。世界各大高能物理实验室几乎都采用半导体探测器作为顶点探测器。而近些年高能物理领域所有新的物理成果，无不与这些高精度的具有优良性能的先进探测器密切相关。

但是，在半导体探测器优良性能的背后就是其高昂的价格，而且目前这关半导体探测器核心技术大多为国外厂商所掌握，因此除了高级别的实验室研究，这类核辐射检测仪在国内的使用并不多。

2.4     热释光探测器的现状与发展

热释光（thermoluminescence，简称TL ）是指固体在受辐射作用后积蓄的能量在加热过程中以光的形成释放出来的一种物理现象。这种现象是一次性的，也就是固体在受辐射作用后，只有第一次被加热时才会有光被释放出来。在以后的加热过程中，除非重新再接受辐射作用，否则将不会有发光现象。热释光探测器就是利用热致发光原理测量核辐射的装置。

热释光探测器晶体图

美国Daybreak公司生产的2200型光释光热检测设备

热释光探测器具有重量轻、体积小、灵敏度高、量程宽、精度高、能量响应好等优点。同时可测α、β、γ、X等多种射线，因而得到世界各国的重视，热释光探测器，测量仪器研制发展极为迅速，应用范围越来越广，成为具有广泛用途的一种重要的计量监测技术，目前广泛应用于辐射防护、放射医学、放射生物学、地质学、考古学和环境保护等领域。

跟上面的半导体探测器类似，热释光探测器相对造价偏贵，多应用于环境辐射安全检测、地质考古时对物质年代鉴别等方面。

编辑：广州极端科技有限公司

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