矩阵剂量仪半导体探测器性能测试技术研究

黄 秋 1袁 龚 岚 1袁 张友德 2袁 刘 操 1（1.四川中测辐射科技有限公司，四川 成都 610021；2.中测测试科技有限公司，四川 成都 610021）

摘 要院针对加速器不适宜在实验室使用且发出的射线会伤害人体等问题，为方便考察仪器性能，采用标准光源模拟

加速器照射的方法，对矩阵剂量仪半导体探测器进行性能测试。经过刻度之后，矩阵剂量仪能够完成在加速器照射下

的实际测量。实验结果表明：采用标准光源模拟加速器照射矩阵剂量仪，对半导体探测器进行性能测试的技术是可行的。

关键词院加速器；矩阵剂量仪；半导体探测器；标准光源

文献标志码院A 文章编号院1674-5124渊2015冤03-0117-04

Research on performance testing technology of semiconductordetectors of matrix dosimeter

HUANG Qiu1，GONG Lan1，ZHANG Youde2，LIU Cao1

（1. Sichuan Radiation Technology Co.，Ltd.，Chengdu 610021，China；2. NIMTT Measure ment and Testing Technology Co.，Ltd.，Chengdu 610021，China）

Abstract: Accelerator is not suitable for use in the laboratory and its emitting rays will harm thehuman body. In order to test the instrument performance， semiconductor detectors of matrixdosimeter are tested using standard light source to simulate accelerator. Matrix dosimeter cancomplete the actual measurement in the accelerator radiation after calibration. As we canconclude，performance testing technology of semiconductor detectors is feasible，that standard lightsource is used to simulate accelerator.Keywords: accelerator；matrix dosimeter；semiconductor detector；standard light source

收稿日期院2014-11-13曰收到修改稿日期院2014-12-27基金项目院国家重大科学仪器设备开发专项（2013YQ090811）作者简介：黄 秋（1984-），男，四川达州市人，助理研究员，博

士，主要从事辐射测试与计量研究、核仪器与探测技术等工作。

0 引 言剂量验证是放射治疗工作中非常重要的环节，

特别是在调强放射治疗中，为了确保靶区得到预期

剂量，而正常部位组织受照射量尽可能的少，对放

射治疗中计划给出和实际照射的剂量必须进行验

证。为实现精确放疗和严格的射线质量控制，以及技

术安全保证，研制出基于硅二极管半导体探测器的

矩阵剂量仪，可以方便、快捷、准确地完成剂量验证

任务，为调强放射治疗提供了一个方便的工具[1]。在

矩阵剂量仪研制过程中，需要对仪器半导体探测器

进行性能测试，主要包括重复性和剂量线性。而美国

的 Babar 探测器和日本的 Belle 探测器都是利用硅

二极管在射线照射下形成电流的原理来测量其硅顶

点探测器的辐射本底。清华大学也对硅二极管用于

X 射线探测进行了试验研究[2-4]。但对矩阵剂量仪半

导体探测器进行性能测试的研究较少，本文将针对

其特殊性进行研究。

1 测试原理本文的矩阵剂量仪采用 1 600 个硅二极管半导

体探测器组成 40伊40 阵列，分成 1600 个测量通道，每

个探测器测量电路如图 1 所示。偏压电源为半导体

探测器提供工作电压，探测器与闪烁体耦合，当有射

线照射到闪烁体上时，闪烁体会发出荧光 [5]，光电二

极管收到光照以后产生光电流，经过前置放大器与主

doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2015.03.027

中国测试CHINA MEASUREMENT & TEST Vol.41 No.3March，2015第 41 卷第 3 期2015 年 3 月

中国测试 2015 年 3 月

放大器将电流信号转换为代表射线剂量率的电压信

号并放大成形，再由模数转换器把电压转换为数字信

号，供数据处理电路整理分析[6]。由于本文的矩阵剂量仪使用了 1 600 个硅二极

管半导体探测器，如果对每个半导体探测器进行测

试将非常繁琐，而使用加速器照射对矩阵剂量仪半导

体探测器进行性能测试是一个可行的方案。但加速

器不适宜实验室使用且发出的射线会伤害人体，这

给探测器性能测试造成了局限性。

由图 1 可知，在使用加速器照射时，闪烁体会受

到射线激发产生荧光。闪烁体受核辐射激发后所发

射的光并不是单色的，而是一个连续带。本文采用硅

二极管的光谱响应曲线[7]，如图 2 所示。

因此，可以采用覆盖闪烁体发射光谱波长范围的

标准光源模拟加速器照射的方法，对矩阵剂量仪半导

体探测器进行性能测试。色温为 2 856K 的标准 A 光

源满足我们的要求，它的光谱图如图 3 所示，该标准

光源覆盖波长范围在 350耀800nm以上，由图 2 可知，

这个范围覆盖了大部分闪烁体的发射光谱，能够模

拟闪烁体受到加速器照射之后的发射光谱。并且，标

准光源的光谱与硅二极管的光谱响应也互相匹配，覆

盖了硅二极管的光谱响应峰值，从而使硅二极管在光

照射时能够产生更好的响应，得到较大的输出信号。

具体方法为：不再使用加速器和闪烁体，而只用

均匀照度的标准光源直接照射半导体探测器，对它

们的重复性和剂量线性进行测试，如图 4 所示。

2 探测器性能测试平台在实验室建立针对矩阵剂量仪半导体探测器重

复性和剂量线性的测试平台，如图 5 所示，由色温为

2856K 的标准 A 光源和漫反射空腔球体组成。漫反

射空腔球体为一个内部空心的金属球，球体内壁涂有

白色漫反射材料，这种材料的漫反射系数接近于 1，在可见光谱范围内的光谱反射比都大于99%，因此进

入该球体的光线经过内壁涂层多次反射，在内壁上可

以形成均匀照度。球壁上开有数个窗孔，分别作为标

准光源进光孔和放置光接收器件的接收孔。利用这

样的测试平台，只要将矩阵剂量仪探测区域与接收孔

400 600 800 1 000 1 200波长/nm

0

20

40

60

80

100

图 2 硅二极管光谱响应曲线

A

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800波长/nm

0

50

100

150

200

250

图 3 标准 A 光源光谱图

图 4 半导体探测器测量电路

偏压电源

半导体探测器

前置放大器 主放大器 模数转换器

均匀标准光源

偏压电源

加速器射线

闪烁体

半导体探测器

前置放大器 主放大器 模数转换器

图 1 半导体探测器测量电路

118

第 41 卷第 3 期

重合，就可以使 1600 个半导体探测器同时受到均匀

照度的标准光源照射，快速完成对半导体探测器的

性能测试。

3 实验结果3.1 性能测试

在实验室用该测试平台对矩阵剂量仪半导体探

测器进行性能测试，采用 3.5 V、1.8A 的标准光源，将

矩阵剂量仪半导体探测器放在接收孔处进行照射。

连续 20 次进行重复性测试实验，1 600 道的重复性

测试结果如图 6 所示。以倍数依次改变标准光源的

光照时间，将矩阵剂量仪每道读数进行归一化，得

到矩阵剂量仪半导体探测器剂量线性，以第 1 560 道

剂量线性为例，如图 7 所示。得到在标准光源下，矩

阵剂量仪半导体探测器重复性约0.5%，剂量线性相

关系数为 1。

3.2 验证实验

在某医院加速器下进行验证实验，在 20cGy剂量

照射下，矩阵剂量仪 1 600 道半导体探测器重复性如

图 8 所示。改变加速器照射剂量，将矩阵剂量仪每道

读数进行归一化，得到矩阵剂量仪半导体探测器剂量

线性，还是以第 1560道剂量线性为例，如图 9所示。

可以看到，在加速器照射下，矩阵剂量仪半导体

探测器重复性约0.5%，剂量线性相关系数为 1，与在

标准光源下性能测试表现一致。

3.3 实际应用

经过性能测试以后的半导体探测器可以成功应

用于矩阵剂量仪中。矩阵剂量仪中的半导体探测器

有 1 600 道，可以对加速器辐射野进行精确的测量，

并且进行剂量分布分析。经过刻度之后，将矩阵剂量

仪每道读数转换为剂量 cGy。将被测矩阵剂量仪置

矩阵剂量仪标准源源

漫反射空腔球体

图 5 矩阵剂量仪探测器测试平台

0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600道数

0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.45

图 6 标准光源下矩阵剂量仪探测器重复性

黄 秋等：矩阵剂量仪半导体探测器性能测试技术研究

图 7 标准光源下矩阵剂量仪探测器剂量线性

y=0.061 5x+0.385 1r2=1

0 2 4 6 8 10 12光照时间/s

0.20.40.60.81.0

图 8 加速器下矩阵剂量仪探测器重复性

0 200 400 600 800 1000 1 200 1 400 1 600道数

0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.50

图 9 加速器下矩阵剂量仪探测器剂量线性

y=0.003 3x+0.001 2r2=1

0 50 100 150 200 250 300剂量/cGy

0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0

图 10 实测离轴比图

-200 -160 0-40-80-120 40 80 120 160 2001224364860728496108120 均整度院1.05

对称性院1.02重合性院0.69mm左半影院7.69mm右半影院10.42mm方向院A圮B

位置坐标/mm

119

中国测试 2015 年 3 月

2）在不同的围压条件下，加载、卸载阶段的弹性

模量不相等，卸载时的弹性模量高于加载时的弹性

模量。

3）在保持轴向应力不变的情况下，随着围压的

增加，加载阶段弹性模量逐渐增大，围压在 40 MPa时，弹性模量达到最大值，随后弹性模量趋于平缓甚

至有下降趋势。

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渊上接第 116 页冤

于加速器辐射场中，探测器阵列中心与光野中心对准

调水平，上面放置固态水模型，调节源皮距 100 cm，

选用 10 cm伊10 cm 光野大小为 100 cGy 剂量进行照

射。矩阵剂量仪测量得到剂量分布的离轴比图和灰

度图分别如图 10、图 11 所示。实测结果均整度为

1.05，对称性为 1.02，重合性为 0.69 mm，均满足外照

射规程[8]中的计量性能要求。

4 结束语利用标准光源模拟加速器照射的方法，建立了

针对矩阵剂量仪半导体探测器重复性和剂量线性的

测试平台。通过性能测试与验证实验表明，采用标准

光源与加速器照射，重复性与剂量线性表现一致。将

性能测试后的半导体探测器应用于矩阵剂量仪中，

经过刻度之后，矩阵剂量仪能够完成实际测量，使用

户能够对剂量分布有清晰的了解。

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版社，2001.

图 11 实测灰度图

-136.5-115.5-94.5-73.5-52.5-31.5-10.510.531.552.573.594.5

115.5136.5

-136.5 -94.5 -52.5 -10.5 136.594.552.510.5位置坐标/mm

120