TLD系统的特性、操作及设计.doc

TLD系统的特性、操作与设计本报告以“个人和环境监测用热释光剂量测量系统”国家标准中规定的TLD系统主要技术指标为主线，介绍与日常核辐射剂量监测实践中常遇到的相关基本概念，包括名词、术语、剂量单位，讲述评价热释光剂量测量系统质量的主要性能。讲述影响每项技术指标的主要因素和减少测量误差的方法；介绍从TLD系统设计上满足各项技术指标、提高系统性能的措施。一、GB 10264GB 10264“个人和环境监测用热释光剂量测量系统”的主要内容规定定义了（统一了）热释光剂量测量领域相关名词、术语和概念；规定了TLD系统的技术性能要求与相应检验方法。本标准与IEC/ISO联合起草的TLD国地标准IEC 1066内容基本一致。其中名词、概念，GB 10264是等同采用IEC 1066的内容。而相当多的（十余项）技术指标要求及检验方法，IEC 1066在起草过程中是采纳了GB 10264的规定。GB 10264因此被鉴定为具有国际先进水平。我国卫生及计量部门制定的TLD剂量计、读出器计量检定规程是依据GB 10264制定的。TLD系统测量的是人员所受核辐射剂量，涉及人身健康与安全，因此，GB 10264是国家强制执行的标准。热释光剂量仪、热释光探测器及剂量计徽章，在投入使用前或商品化之前，都必须按规定通过国家法定计量检定单位的检测（含定期复检），性能符合GB 10264的才能使用。用户在获取热释光剂量测量系统或部件（单件的热释光读出器、计量计、探测器）时，应注意验证生产单位的由国家法定计量部门出具的某种型号产品的检定合格证。RGD3（A、B）型热释光剂量仪和TLD469型剂量计（配GR-100M和GR-200探测器）就是经中国计量院按GB 10264检定合格的产品。二、热释光探测器、剂量计、读出器和系统这些名词在GB 10264中定义了。这里通俗地讲一下：TL探测器就是成品的热释光材料，如热释光片、粉末、毛细管等，不带外包装。剂量计就是热释光探测器加上装载盒。剂量计徽章（剂量盒）的材料、几何形状与尺寸都会影响剂量计的性能（主要是能量响应，方向效应）。读出器俗称剂量仪。热释光剂量测量系统是热释光探测器、剂量计徽章、读出器、计算机与数据处理软件、退火设备等的总称。三、辐（照）射量与单位核辐射剂量监测的目的在于判定人体受到的辐射损伤程度。为了评估伤害程序，历史上用过许多计量单位。最常见的有伦琴（R）、戈瑞（Gy）和西沃特（Sv）。照射量R，本质上不是描述人体受损程度而是描述辐射场强度。计量单位R已废除，被Ckg-1取代，1R=2.5810-4 Ckg-1后来人们用吸收剂量取代照射量来表征人体受损程度。吸收剂量是指在辐射场中的单位质量物质吸收的辐射能量。老单位是拉德（rad）已废止，新单位是戈瑞（Gy）。1Gy=1Jkg-1对于同一种射线，在相同照射量下，不同物质吸收的有量是不同的。如对于1R的60Co，空气吸收剂量为0.869cGy，肌肉组织为0.957cGy，骨胳吸收剂量为0.921cGy。对于相同的吸收剂量辐射类型不同时，生物效应也不同。如相同吸收剂量的和中子辐照，致癌的几率有很大差别。辐照条件不同，生物效应也不同。我们最终关心的恰恰是辐射生物效应。于是进而出现了剂量当量的概念。剂量当量H=吸收剂量D品质因素Q修正因子N。通常，对于X、射线：Q=1，中子、：Q=20，质子Q=10剂量当量的单位是西沃特（Sv）,1Sv=1Jkg-1Sv与Gy数值相当，但含义不同。Gy标志吸收辐射的能量，Sv则表征生物效应。热释光方法通常监测的主要辐射是X、，因此Q=1，吸收剂量与剂量当量数值相等，只是使用Gy或Sv作单位时，要注意含义的区别。随着剂量学的发展，人们又提出了更精确的Q值，又提出了一些更新的概念。我们对X、全身外照射所作常规剂量监测中，按GB 10264，比较有意义的是深部个人剂量当量Hp(d)，特别是Hp(10)。它的含义是，当强贯穿辐射如X、，作用于人体时，体内所受剂量最大值发生在表皮下10mm深处。以此代表全身剂量是偏安全的。剂量计是戴在体表的，只有合理的设计，才能测到皮下10mm深处剂量。TLD469型剂量计（配用GR-100M或GR-200探测器）就满足测Hp(10)的要求。有一点要注意。当刻度（标定）TLD系统灵敏度的时候，若给出的已知值是伦琴（R）作单位，则作人员剂量测量时可用不着R=0.96cGy换算；作环境剂量监督测时可用1R=0.87cGy换算。若已知剂量以Gy为单位，则要搞清是空气吸收剂量（空气Gy）还是组织吸收剂量（组织Gy）,两者相差10%。四、主要技术指标、正确操作及设计要点TLD系统技术指标有许多项，这里只讲述在实践中常遇到的对测量结果影响较大的若干项。叙述每项指标的含义，影响这项指标的主要因素，介绍在实际剂量测量中如何正确的操作来达到该项指标，也介绍RGD3（A、B）/TLD469TL系统为保证满足指标要求在设计中采取的措施。1.探测阈探测阈就是TL系统（具有95%置信度）的最小可探测剂量。其检测方法见GB10264或检定规程。测量时，加热盘上放探测器，测出的是TL系统的探测阈。若测量时加热盘上不放探测器（即测空盘本底），由一组测值算出来的“探测阈”就是读出器对系统探测阈的贡献。这里要注意两点：一是测探测阈时，不能使用仪器的自动扣本底功能。二是探测阈定义为一组10个本底测量值标准偏差（不是变异系统）的2.26倍。也就是说，本底测量值本身大一点或小一点都不重要，有意义的是这一组测值的涨落。影响TL系统探测阈的主要因素是这组探测器本底的涨落。影响探测器本底变化的主要因素有以下几点：（1）探测器的制造工艺，可能导致一批探测器的固有本底参差不齐。所以，在选用探测器时不能光看灵敏度（剂量响应）高不高，灵敏度的一致性好不好。还要看其本底的一致性好不好。尤其在作“本底级”的低剂量测量时，应事先要挑选本底一致性好的探测器。（2）探测器在大剂量下用过而退火不充分，留下了残余信号造成探测器高本底。（3）探测器被污染则本底大。如用手摸过，探测器上沾了灰尘（落到桌上或长时间暴露于空气当中）。或探测器直接在阳光、紫外灯下照过（GR-100，200探测器对室内散射阳光不敏感，但对直射阳光敏感），。探测器如被污染，可用酒精清洗，但选后一定要退火，否则残留在探测器上的溶质在测量加热时会放光，导致极高的“本底”。（4）读出器对探测阈的贡献，主要来自光电倍增管暗电流的涨落。一台读出器的好坏，其“空盘本底”（不放探测器，用正常加热程序测得的值）的变化是一项重要指标。在春夏秋冬温度变化时，有的仪器光电倍增管暗电流会变；在一天内，随着开机时间的延长，仪器发热，光电倍增管暗电流也会变。通常，光电倍增管的暗电流在35时（45时）比15时要高十几倍（上百倍）。即使环境温度只有二十多度，由于仪器自身发热，与光电倍增管相连的高压分压电阻发热，都将引起光电倍增管暗电流增长。要物别说明的是，当仪器采用“自动扣本底”来消除光电倍增管增加的暗电流时，只能消去其“平均值”，而光电倍增管暗电流是统计涨落的，温度越高，统计涨落越大，这是不能“自动扣除”的。它必然影响仪器的剂量测量下限。为此，RGD3（A、B）型TL剂量仪在设计上采用了半导体制冷技术，使光电倍增管始终工作在16左右的低温环境中，彻底解决了这一问题。剂量仪空盘本底有时也由于加热盘被污染而增加，脏的探测器放到加热盘上会污染加热盘。在不测量时，长期把加热抽屉拉出，加热盘上落了许多灰尘，特别是有机尘埃，加热时会发光。加热盘一旦污染，可用酒精棉纱（不是棉花！）擦拭，然后拉出加热抽屉，用30030s的加热程序加热一次，让酒精彻底挥发。2.均匀性均匀性指辐照相同剂量的一批探测器，其测值的分散性。TL探测器，一般分散性为变异系统3%，一批探测器照相同剂量后，最大与最小测量值相差10%。测量探测器均匀性的意义有两点：一是用于分析测量误差以便处理测量结果。二是可以根据探测器的均匀性来决定实验（检测）中一个剂量监测点要布放多少个探测器。例如，想要使某一受照点剂量测量误差在10%以内，当探测器分散性好，变异系数3%时用不1-2个探测器就够了，如果要求测量误差在3-5%，仍用变异系数3%的探测器，则要用多个探测器，测值求平均。按正确程序筛选探测器（前面讲过，对低剂量测量不仅要测灵敏度的均匀性，还要测探测器本底的均匀性）和在一个测量点上适当多布放探测器是降低测量误差的有效办法。但片状、条状、管状TL探测器灵敏度的变异系数为2%已近“极限”。按变异系数2%挑选的一批探测器，作重复测量时，其变异系数可能变为2-3%。应该指出，一批探测器的分散性变异系数超过5%是不合格品（参见GB 10264重复性计算式）。作为例外的是有些进口热释光仪具有逐个记忆并校正探测器灵敏度与本底的功能。3.重复性重复性是指用同一个探测器，在相同剂量下反复退火、照射、测量，测量值应该基本一致。检验方法见标准或检定规程。导致测量结果不重复的常见原因如下：（1）探测器未按规定条件退火、冷却。探测器的剂量响应（灵敏度）与退火温度密切相关，还与退火恒温时间到达后冷却速度相关。冷却的作用是迅速冻结热处理时形成的晶体结构。因此，退火炉内不仅温度要校准，而且一批探测器所处位置的炉内温度分布要均匀。一批探测器出炉时，力图使每一个探测器经受的冷却条件既快又一致。通常做法是探测器在退火盘内平放（不堆叠），出炉后迅速置于预先启动的风扇下。退火条件不当，常会使热释光材料的发光曲线改变，从而影响灵敏度、本底。（2）探测器测量或退火受热不充分，残余信号影响下一次测量值。（3）探测器被污染或被阳光、紫外灯直接暴晒。为避免剂量计佩戴者好奇自行打开剂量盒，TLD469型剂量盒内设置了一个专门机构。（4）影响重复性的另一因素是仪器测量条件变化。测量条件可能在你临时离开时被他人改变。对于重要的测量，当你临时外出重新回到仪器跟前时，一定要重新检验标准光源、加热测量程序。测量条件也可能由于某些仪器稳定性差而自行变化。通常，各种型号的热释光仪加热测量程序较稳定。影响重复性的主要参数是仪器灵敏度变化。这主要反映在“标准光源”读数不稳定或有漂移。RG3A、B型热释光仪采用日本滨松公司生产的稳定性好的光电倍增管作测光元件，并将它置于恒温槽中（温度的变化也会使光电倍增管灵敏度改变），同时采用滨松公司配套的高稳定高压电源和转换率不随环境温度电源电压变化的高稳定电流-频率转换电路，使仪器在0-45的温度范围内，在相对温度95%的湿热条件下灵敏度都能保持长期稳定。国内外都有些热释光仪采用标准光源自动校准电路。这种电路的优点是具有自动校正仪器灵敏度的功能。但要提醒用户注意，这种功能使得仪器灵敏度处于频繁的高速中。事实上，设计得好的仪器灵敏度在数以小时计的时间内应该是稳定的，不必调整。一旦自动调整电路自身不稳定，将导致测量结果不重复。这是由于，当完全拉出样品加热抽屉，光源对准测光系统时，标准光源读数非常准确。但当推入抽屉，加热测量样品时，自动校准电路已不工作，有些设计不到位的仪器就保持不住刚才校准的灵敏度，导致测量误差。对具有自动校准光源功能仪器灵敏度稳定性的检查方法是：用4位半数字三用表直接测光电倍增管高压，在拉出抽屉“自动校准”和推入抽屉时，两者的高压读数应无变化，高压变化0.08%，仪器灵敏度将变1%。（5）辐射条件影响重复性。当用一个放射源照射剂量计作重复性检验或刻度仪器灵敏度时，一般探测器与放射源的距离要稍远一点，最好在1m以上。因为热释系统测量值直接关系人身安全与健康，所以刻度仪器灵敏度的放射源一定要经过标准或次级标准计量器具，源辐射器是不能作为标准源来刻度热释光系统的。在辐照探测器时，要保持电子平衡条件，如用60Co或137Cs源辐照探测器，则探测器前面要有2-4mm厚有机玻璃以提供次级电子，否则测量值会低约10%。用TLD469型剂量盒装载探测器，具备电子平衡条件，可以直接照射。（6）操作不当影响重复性。在一个接一个连续测量LiF(Mg,Ti)或LiF(Mg,Cu,P)等探测器时，一定要等加热盘温度降到120以下方可将待测样品置于加热盘上，否则会有信号损失。在摄氏100多度的条件下，对应205主峰附近陷阱里的电子也有一定几率获得足够能量而跃迁。RGD3（A、B）型热释光仪对加热盘的温度是不间断监测的。这一点看似容易，实现起来有难度。因为加热盘的温度测量信号电线要随加热抽屉来回作成千上万次运动，容易折断。我们以独特设计解决了这个问题。数百台仪器多年实践证明，即使加热抽屉来回百万次，也不会发生断线现象。如果有的仪器采用拉出抽屉，加热指示就回零的做法，用户一定要耐心等一下，让加热盘温度真正降到120以下再放新的被测探测器。4.线性度热释光剂量法最大的优点就是具有很宽的线性量程，量程下限也很低，适合于环境本底测量直至重大核事故剂量测量或放射性治疗癌症剂量监测。但是，只有在正确操作条件下线性度才得以保持、获取。下面叙述影响线性度的因素。(1) 探测器的线性范围LiF(Mg,Ti)非敏化片（粉末），即TLD-100，GR-100，其线性范围是Gy。若一次辐照剂量超过8Gy，或多次照射、测量，测后未作400以上退火而累积剂量超过8Gy时，将出现超线性。LiF(Mg,Ti)敏化片，即GR-100M，线性范围是0-500Gy。有人用60Co辐照肿瘤，每天2Gy剂量，天天照射，累积剂量达60Gy。建议采用GR-100M片作剂量监督。无论是照射一次测量一次，不是60Gy辐照完后再测量，这种探测器都保持线性量程。LiF(Mg,Cu,P)TL材料，无论是片、粉，还是毛细管形探测器，其线性范围均为0-12Gy，它对于更大剂量呈亚线性。通常TL读出器都具有自动加手动量程转换装置。自动换量程用于保证在预先设定的一个量程上具有6-7个数量级的线性范围。改变量程设定，可以使剂量测量范围上移或下移。但要注意，当手动改变量程设定时，一定要相应改变光电倍增管工作高压，否则将使测量结果有数量级的系统误差。因为，改变量程设定，只是人为改变剂量单位的显示（如从0.000mGy改变为00.00mGy，显示单位大了一个数量级），而没有通过改变高压来真正改变仪器灵敏度。因此，对于灵敏度已刻度过的热释光剂量仪，当手动改变量程范围时，一定要相应重新（大幅度）改变高压，使标准光源计数作相应数量级的变化。如量程变大一个数量级，要将高压降低100-200V，10秒钟标准光源计数减少10倍。通常，作日常人员剂量监测及环境监测，用0.1Gy-100mGy或1Gy-1Gy的量程。对于肿瘤辐照或辐射加工剂量监测，如读出器最高量程仍不能涵盖监测剂量，可在样品加热盘上方加一个衰减100-1000倍的中性滤光片，事先用较小的辐照剂量测定滤减倍数。5.环境稳定性环境条件主要指温度、湿度，对于沿海等地区还有霉菌、盐雾等问题。对大多数情况而言影响测量最大的环境因素是温度。温度除影响电路参数外，主要影响光电倍增管暗电流和灵敏度，如前所述。GB 10264和国际标准规定的TL读出器工作环境条件为10-35，RH90%。顺便指出，目前，在国内外的商品TL剂量仪中，只有RGD3（A、B）把工作环境条件定为0-45，相对湿度95%。这种高指标标志着该产品有很好的环境稳定性和工作可靠性。6.长期稳定性我们总是希望TL系统的性能长期稳定。在实践中，常常会影响系统稳定性的因素主要有以下一些。（1）探测器性能的变