TLD系統(tǒng)的特性、操作與設計

1、TLD系統(tǒng)的特性、操作與設計本報告以 “個人和環(huán)境監(jiān)測用熱釋光劑量測量系統(tǒng) ”國家標準中規(guī)定的 TLD 系統(tǒng)主要技術指標為主線，介紹與日常核輻射劑量監(jiān)測實踐中常遇到的相關基 本概念，包括名詞、術語、劑量單位，講述評價熱釋光劑量測量系統(tǒng)質量的主 要性能。講述影響每項技術指標的主要因素和減少測量誤差的方法；介紹從 TLD 系統(tǒng)設計上滿足各項技術指標、提高系統(tǒng)性能的措施。、 GB 10264GB 10264 “個人和環(huán)境監(jiān)測用熱釋光劑量測量系統(tǒng) ”的主要內(nèi)容規(guī)定定義了（統(tǒng)一了）熱釋光劑量測量領域相關名詞、術語和概念；規(guī)定了TLD系統(tǒng)的技術性能要求與相應檢驗方法。本標準與 IEC/ISO聯(lián)合起草的TL

2、D國地標準IEC 1066內(nèi)容基本一致。其中名詞、概念， GB 10264是等同采用 IEC 1066的內(nèi)容。 而相當多的（十余項）技術指標要求及檢驗方法， IEC 1066在起草過程中是采納 了 GB 10264的規(guī)定。 GB 10264因此被鑒定為具有國際先進水平。我國衛(wèi)生及計 量部門制定的TLD劑量計、讀出器計量檢定規(guī)程是依據(jù) GB 10264制定的。TLD 系統(tǒng)測量的是人員所受核輻射劑量，涉及人身健康與安全，因此，GB 10264是國家強制執(zhí)行的標準。熱釋光劑量儀、熱釋光探測器及劑量計徽章，在投入使 用前或商品化之前，都必須按規(guī)定通過國家法定計量檢定單位的檢測（含定期 復檢），性能符合

3、 GB 10264的才能使用。用戶在獲取熱釋光劑量測量系統(tǒng)或部 件（單件的熱釋光讀出器、計量計、探測器）時，應注意驗證生產(chǎn)單位的由國 家法定計量部門出具的某種型號產(chǎn)品的檢定合格證。 RGD3（A、B）型熱釋光劑量儀和 TLD469型劑量計（配GR-100M和GR-200探測 器）就是經(jīng)中國計量院按 GB 10264檢定合格的產(chǎn)品。二、熱釋光探測器、劑量計、讀出器和系統(tǒng)這些名詞在 GB 10264中定義了。這里通俗地講一下：TL探測器就是成品的熱釋光材料，如熱釋光片、粉末、毛細管等，不帶外 包裝。劑量計就是熱釋光探測器加上裝載盒。劑量計徽章（劑量盒）的材料、幾 何形狀與尺寸都會影響劑量計的性能（

4、主要是能量響應，方向效應）。讀出器俗稱劑量儀。熱釋光劑量測量系統(tǒng)是熱釋光探測器、劑量計徽章、 讀出器、計算機與數(shù)據(jù)處理軟件、退火設備等的總稱。三、輻（照）射量與單位核輻射劑量監(jiān)測的目的在于判定人體受到的輻射損傷程度。為了評估傷害程序，歷史上用過許多計量單位。最常見的有倫琴（R）、戈瑞（Gy）和西沃特（ Sv）。照射量R,本質上不是描述人體受損程度而是描述輻射場強度。計量單位R已廢除，被 Ckg-1 取代，1R=2.58 x 10-4kg-1后來人們用吸收劑量取代照射量來表征人體受損程度。吸收劑量是指在輻 射場中的單位質量物質吸收的輻射能量。老單位是拉德（rad）已廢止，新單位 是戈瑞（ Gy）

5、。1Gy=1Jkg-1對于同一種射線，在相同照射量下，不同物質吸收的有量是不同的。如對于1R的60Coy空氣吸收劑量為0.869cGy肌肉組織為0.957cGy,骨胳吸收劑 量為 0.921cGy。對于相同的吸收劑量輻射類型不同時，生物效應也不同。如相同吸收劑量 的丫和中子輻照，致癌的幾率有很大差別。輻照條件不同，生物效應也不同。 我們最終關心的恰恰是輻射生物效應。于是進而出現(xiàn)了劑量當量的概念。劑量當量H二吸收劑量DX品質因素QX修正因子N。通常，對于X、丫射線：Q=1，中子、a：Q=20,質子 Q=10劑量當量的單位是西沃特（ Sv）1Sv=1Jkg-1Sv與Gy數(shù)值相當，但含義不同。Gy標

6、志吸收輻射的能量，Sv則表征生物 效應。熱釋光方法通常監(jiān)測的主要輻射是 X、y因此Q=1，吸收劑量與劑量當量 數(shù)值相等，只是使用Gy或Sv作單位時，要注意含義的區(qū)別。隨著劑量學的發(fā) 展，人們又提出了更精確的 Q值，又提出了一些更新的概念。我們對 X、丫全身 外照射所作常規(guī)劑量監(jiān)測中，按 GB 10264，比較有意義的是深部個人劑量當量 Hp（d）,特別是Hp（10）。它的含義是，當強貫穿輻射如 X、丫，作用于人體時，體內(nèi)所受劑量 最大值發(fā)生在表皮下 10mm 深處。以此代表全身劑量是偏安全的。劑量計是戴 在體表的，只有合理的設計，才能測到皮下10mm深處劑量。TLD469型劑量計（配用GR-1

7、00M或GR-200探測器）就滿足測Hp（10）的要求。有一點要注意。當刻度（標定）TLD系統(tǒng)靈敏度的時候，若給出的已知值是 倫琴（R）作單位，則作人員劑量測量時可用不著 R=0.96cGy換算；作環(huán)境劑量 監(jiān)督測時可用1R=0.87cGy換算。若已知劑量以Gy為單位，則要搞清是空氣吸 收劑量（空氣Gy）還是組織吸收劑量（組織 Gy）,兩者相差10%。四、主要技術指標、正確操作及設計要點TLD系統(tǒng)技術指標有許多項，這里只講述在實踐中常遇到的對測量結果影響 較大的若干項。敘述每項指標的含義，影響這項指標的主要因素，介紹在實際 劑量測量中如何正確的操作來達到該項指標，也介紹 RGD3（A、B） /

8、TLD469TL系統(tǒng)為保證滿足指標要求在設計中采取的措施。1. 探測閾探測閾就是TL系統(tǒng)（具有95%臵信度）的最小可探測劑量。其檢測方法見GB10264或檢定規(guī)程。測量時，加熱盤上放探測器，測出的是 TL 系統(tǒng)的探測閾。若測量時加熱盤 上不放探測器（即測空盤本底），由一組測值算出來的 “探測閾 ”就是讀出器對 系統(tǒng)探測閾的貢獻。這里要注意兩點：一是測探測閾時，不能使用儀器的自動扣本底功能。二是探測閾定義為一 組 10 個本底測量值標準偏差（不是變異系統(tǒng)）的 2.26 倍。也就是說，本底測量 值本身大一點或小一點都不重要，有意義的是這一組測值的漲落。影響TL 系統(tǒng)探測閾的主要因素是這組探測器本底

9、的漲落。影響探測器本底變化的主要因素 有以下幾點：（1）探測器的制造工藝，可能導致一批探測器的固有本底參差不齊。所 以，在選用探測器時不能光看靈敏度（劑量響應）高不高，靈敏度的一致性好 不好。還要看其本底的一致性好不好。尤其在作 “本底級 ”的低劑量測量時，應 事先要挑選本底一致性好的探測器。（2）探測器在大劑量下用過而退火不充分，留下了殘余信號造成探測器高 本底。（3）探測器被污染則本底大。如用手摸過，探測器上沾了灰塵（落到桌上 或長時間暴露于空氣當中）。或探測器直接在陽光、紫外燈下照過（GR-100，200 探測器對室內(nèi)散射陽光不敏感，但對直射陽光敏感），。探測器如被污染， 可用酒精清洗，

10、但選后一定要退火，否則殘留在探測器上的溶質在測量加熱時 會放光，導致極高的 “本底 ”。（4）讀出器對探測閾的貢獻，主要來自光電倍增管暗電流的漲落。一臺讀 出器的好壞，其 “空盤本底 ”（不放探測器，用正常加熱程序測得的值）的變化 是一項重要指標。在春夏秋冬溫度變化時，有的儀器光電倍增管暗電流會變； 在一天內(nèi)，隨著開機時間的延長，儀器發(fā)熱，光電倍增管暗電流也會變。通 常，光電倍增管的暗電流在35C時（45C時）比15C時要高十幾倍（上百 倍）。即使環(huán)境溫度只有二十多度，由于儀器自身發(fā)熱，與光電倍增管相連的 高壓分壓電阻發(fā)熱，都將引起光電倍增管暗電流增長。要物別說明的是，當儀 器采用“自動扣本底

11、 ”來消除光電倍增管增加的暗電流時，只能消去其 “平均值”，自動而光電倍增管暗電流是統(tǒng)計漲落的，溫度越高，統(tǒng)計漲落越大，這是不能扣除 ”的。它必然影響儀器的劑量測量下限。為此， RGD3（A、B）型TL劑量儀在設計上采用了半導體制冷技術，使光電倍增管始終工 作在16C左右的低溫環(huán)境中，徹底解決了這一問題。劑量儀空盤本底有時也由于加熱盤被污染而增加，臟的探測器放到加熱盤 上會污染加熱盤。在不測量時，長期把加熱抽屜拉出，加熱盤上落了許多灰 塵，特別是有機塵埃，加熱時會發(fā)光。加熱盤一旦污染，可用酒精棉紗（不是 棉花?。┎潦茫缓罄黾訜岢閷?，用 300C X 30的加熱程序加熱一次，讓酒 精徹底揮發(fā)

12、。2. 均勻性均勻性指輻照相同劑量的一批探測器，其測值的分散性。TL探測器，一般分散性為變異系統(tǒng) 3%，一批探測器照相同劑量后，最大與最小測量值相差 10%。測量探測器均勻性的意義有兩點：一是用于分析測量誤差以便處理測量結果。二是可以根據(jù)探測器的均勻性 來決定實驗（檢測）中一個劑量監(jiān)測點要布放多少個探測器。例如，想要使某 一受照點劑量測量誤差在 10%以內(nèi)，當探測器分散性好，變異系數(shù) 3%時用不 1- 2個探測器就夠了，如果要求測量誤差在 3-5%，仍用變異系數(shù) 3%的探測器，則 要用多個探測器，測值求平均。按正確程序篩選探測器（前面講過，對低劑量 測量不僅要測靈敏度的均勻性，還要測探測器本底

13、的均勻性）和在一個測量點 上適當多布放探測器是降低測量誤差的有效辦法。但片狀、條狀、管狀TL探測器靈敏度的變異系數(shù)為 2%已近“極限”。按變異系數(shù) 2%挑選的一批探測器，作重 復測量時，其變異系數(shù)可能變?yōu)?2-3%。應該指出，一批探測器的分散性變異系 數(shù)超過 5%是不合格品（參見 GB 10264重復性計算式）。作為例外的是有些進 口熱釋光儀具有逐個記憶并校正探測器靈敏度與本底的功能。3. 重復性重復性是指用同一個探測器，在相同劑量下反復退火、照射、測量，測量 值應該基本一致。檢驗方法見標準或檢定規(guī)程。導致測量結果不重復的常見原因如下：（ 1）探測器未按規(guī)定條件退火、冷卻。探測器的劑量響應（靈

14、敏度）與退 火溫度密切相關，還與退火恒溫時間到達后冷卻速度相關。冷卻的作用是迅速 凍結熱處理時形成的晶體結構。因此，退火爐內(nèi)不僅溫度要校準，而且一批探 測器所處位臵的爐內(nèi)溫度分布要均勻。一批探測器出爐時，力圖使每一個探測 器經(jīng)受的冷卻條件既快又一致。通常做法是探測器在退火盤內(nèi)平放（不堆 疊），出爐后迅速臵于預先啟動的風扇下。退火條件不當，常會使熱釋光材料 的發(fā)光曲線改變，從而影響靈敏度、本底。（2）探測器測量或退火受熱不充分，殘余信號影響下一次測量值。（ 3）探測器被污染或被陽光、紫外燈直接暴曬。為避免劑量計佩戴者好奇 自行打開劑量盒，TLD469型劑量盒內(nèi)設臵了一個專門機構。（4）影響重復性

15、的另一因素是儀器測量條件變化。測量條件可能在你臨時 離開時被他人改變。對于重要的測量，當你臨時外出重新回到儀器跟前時，一 定要重新檢驗標準光源、加熱測量程序。測量條件也可能由于某些儀器穩(wěn)定性 差而自行變化。通常，各種型號的熱釋光儀加熱測量程序較穩(wěn)定。影響重復性 的主要參數(shù)是儀器靈敏度變化。這主要反映在 “標準光源 ”讀數(shù)不穩(wěn)定或有漂 移。 RG3A、B型熱釋光儀采用日本濱松公司生產(chǎn)的穩(wěn)定性好的光電倍增管作測光 元件，并將它臵于恒溫槽中（溫度的變化也會使光電倍增管靈敏度改變），同 時采用濱松公司配套的高穩(wěn)定高壓電源和轉換率不隨環(huán)境溫度電源電壓變化的 高穩(wěn)定電流-頻率轉換電路，使儀器在0-45C的

16、溫度范圍內(nèi)，在相對溫度95%的 濕熱條件下靈敏度都能保持長期穩(wěn)定。國內(nèi)外都有些熱釋光儀采用標準光源自 動校準電路。這種電路的優(yōu)點是具有自動校正儀器靈敏度的功能。但要提醒用 戶注意，這種功能使得儀器靈敏度處于頻繁的高速中。事實上，設計得好的儀 器靈敏度在數(shù)以小時計的時間內(nèi)應該是穩(wěn)定的，不必調(diào)整。一旦自動調(diào)整電路 自身不穩(wěn)定，將導致測量結果不重復。這是由于，當完全拉出樣品加熱抽屜， 光源對準測光系統(tǒng)時，標準光源讀數(shù)非常準確。但當推入抽屜，加熱測量樣品 時，自動校準電路已不工作，有些設計不到位的儀器就保持不住剛才校準的靈敏度，導致測量誤差。對具有自動校準光源功能儀器靈敏度穩(wěn)定性的檢查方法 是：用 4

17、 位半數(shù)字三用表直接測光電倍增管高壓，在拉出抽屜 “自動校準 ”和推 入抽屜時，兩者的高壓讀數(shù)應無變化，高壓變化 0.08%，儀器靈敏度將變 1%。（5）輻射條件影響重復性。當用一個放射源照射劑量計作重復性檢驗或刻 度儀器靈敏度時，一般探測器與放射源的距離要稍遠一點，最好在 1m 以上。因 為熱釋系統(tǒng)測量值直接關系人身安全與健康，所以刻度儀器靈敏度的放射源一 定要經(jīng)過標準或次級標準計量器具，B源輻射器是不能作為標準源來刻度熱釋光 系統(tǒng)的。在輻照探測器時，要保持電子平衡條件，如用60Co或137CS 丫源輻照探測器，則探測器前面要有 2-4mm 厚有機玻璃以提供次級電子，否則測量值會 低約10%

18、。用TLD469型劑量盒裝載探測器，具備電子平衡條件，可以直接照 射。（6）操作不當影響重復性。在一個接一個連續(xù)測量LiF（Mg,Ti或LiF（Mg,Cu,P等探測器時，一定要等加熱盤溫度降到 120C以下方可將待測樣品 臵于加熱盤上，否則會有信號損失。在攝氏 100多度的條件下，對應205C主峰 附近陷阱里的電子也有一定幾率獲得足夠能量而躍遷。 RGD3（A、B）型熱釋光儀對加熱盤的溫度是不間斷監(jiān)測的。這一點看似容易，實 現(xiàn)起來有難度。因為加熱盤的溫度測量信號電線要隨加熱抽屜來回作成千上萬 次運動，容易折斷。我們以獨特設計解決了這個問題。數(shù)百臺儀器多年實踐證 明，即使加熱抽屜來回百萬次，也不

19、會發(fā)生斷線現(xiàn)象。如果有的儀器采用拉出 抽屜，加熱指示就回零的做法，用戶一定要耐心等一下，讓加熱盤溫度真正降 到120C以下再放新的被測探測器。4. 線性度熱釋光劑量法最大的優(yōu)點就是具有很寬的線性量程，量程下限也很低，適 合于環(huán)境本底測量直至重大核事故劑量測量或放射性治療癌癥劑量監(jiān)測。但 是，只有在正確操作條件下線性度才得以保持、獲取。下面敘述影響線性度的 因素。（1）探測器的線性范圍LiF（Mg,Ti非敏化片（粉末），即TLD-10Q GR-100,其線性范圍是Gy。若 一次輻照劑量超過8Gy,或多次照射、測量，測后未作 400C以上退火而累積劑 量超過8Gy時，將出現(xiàn)超線性。LiF（Mg,T

20、i敏化片，即GR-100M,線性范圍是0- 500Gy。有人用60Co丫輻照腫瘤，每天2Gy劑量，天天照射，累積劑量達 60Gy。建議采用GR-100M片作劑量監(jiān)督。無論是照射一次測量一次，不是 60Gy輻照完后再測量，這種探測器都保持 線性量程。LiF（Mg,Cu,P）T材料，無論是片、粉，還是毛細管形探測器，其線性范圍均 為0-12Gy,它對于更大劑量呈亞線性。通常TL讀出器都具有自動加手動量程轉換裝臵。自動換量程用于保證在預 先設定的一個量程上具有 6-7 個數(shù)量級的線性范圍。改變量程設定，可以使劑 量測量范圍上移或下移。但要注意，當手動改變量程設定時，一定要相應改變 光電倍增管工作高壓

21、，否則將使測量結果有數(shù)量級的系統(tǒng)誤差。因為，改變量 程設定，只是人為改變劑量單位的顯示（如從 O.OOOmGy改變?yōu)镺O.OOmGy,顯 示單位大了一個數(shù)量級），而沒有通過改變高壓來真正改變儀器靈敏度。因 此，對于靈敏度已刻度過的熱釋光劑量儀，當手動改變量程范圍時，一定要相 應重新（大幅度）改變高壓，使標準光源計數(shù)作相應數(shù)量級的變化。如量程變大一個數(shù)量級，要將高壓降低 100-200V， 1 0秒鐘標準光源計數(shù)減 少10倍。通常，作日常人員劑量監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測，用0.1 Qy-100mGy或1 Qy-1Gy的量程。對于腫瘤輻照或輻射加工劑量監(jiān)測，如讀出器最高量程仍不能涵 蓋監(jiān)測劑量，可在樣品加熱

22、盤上方加一個衰減 100-1000 倍的中性濾光片，事先 用較小的輻照劑量測定濾減倍數(shù)。5. 環(huán)境穩(wěn)定性環(huán)境條件主要指溫度、濕度，對于沿海等地區(qū)還有霉菌、鹽霧等問題。對 大多數(shù)情況而言影響測量最大的環(huán)境因素是溫度。溫度除影響電路參數(shù)外，主 要影響光電倍增管暗電流和靈敏度，如前所述。GB 10264和國際標準規(guī)定的 TL讀出器工作環(huán)境條件為10-35C, RH90%順便指出，目前，在國內(nèi)外的商品 TL 劑量儀中，只有 RGD3（A、B）把工作環(huán)境條件定為0-45 C，相對濕度95%。這種高指標標志著該 產(chǎn)品有很好的環(huán)境穩(wěn)定性和工作可靠性。6. 長期穩(wěn)定性我們總是希望TL系統(tǒng)的性能長期穩(wěn)定。在實踐中，常常會影響系統(tǒng)穩(wěn)定性 的因素主要有以下一些。（1）