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MOSFET用作臨床X射線劑量測量的研究

2011-11-16 01:41陳智維姚升宇張鐵寧胡喆愷朱振華
中國醫(yī)療設(shè)備 2011年5期
關(guān)鍵詞:晶體管射線X射線

陳智維,姚升宇, 張鐵寧,胡喆愷, 朱振華

上海交通大學(xué)附屬第一人民醫(yī)院 腫瘤科, 上海 200080

MOSFET用作臨床X射線劑量測量的研究

陳智維,姚升宇, 張鐵寧,胡喆愷, 朱振華

上海交通大學(xué)附屬第一人民醫(yī)院 腫瘤科, 上海 200080

目的 利用場效應(yīng)晶體管對X射線的敏感性,探討制作出符合臨床需要、實(shí)用的X射線計(jì)量探測器的可行性。方法 ① 確定合適的場效應(yīng)晶體管工作參數(shù),即確定工作電壓VDS以及漏極電阻DR,并測量在X射線照射場效應(yīng)晶體管時(shí),漏極電阻DR上的電壓降VDR,以確定場效應(yīng)晶體管對X射線照射是否敏感。② 任選市售不同型號(hào)的場效應(yīng)晶體管若干,并在臨床的標(biāo)準(zhǔn)條件下對這些場效應(yīng)晶體管作X射線照射,通過測定VDR值,以確定場效應(yīng)管對X射線照射反應(yīng)的普遍性。③ 使用電離室(臨床標(biāo)準(zhǔn)配置)對X射線的劑量作標(biāo)定,并對處于相同X射線照射下場效應(yīng)晶體管的VDR值作比對測量,以確定VDR值與X射線劑量之間的函數(shù)關(guān)系。④ 大劑量X射線照射試驗(yàn)用場效應(yīng)晶體管,通過觀察其對大劑量射線轟擊的耐受性,以確定其作為傳感器應(yīng)當(dāng)具有的可靠性。結(jié)果 市售場效應(yīng)晶體管對X射線照射的反應(yīng)具有普遍性;其輸出信號(hào)與X射線劑量之間具有很好的線性關(guān)系;試驗(yàn)用場效應(yīng)管能夠經(jīng)受大劑量1000cGy的15MV高能X射線轟擊。結(jié)論 經(jīng)過挑選的市售場效應(yīng)晶體管完全能適用作臨床上檢測X射線的相對劑量。

場效應(yīng)晶體管;X射線;電離室;劑量監(jiān)測;探測器

0 前言

通常把能使物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚ɑ螂姶帕浚┑钠骷蛟凶鰝鞲衅骰蛱綔y器。

在放射治療的臨床實(shí)踐中,經(jīng)常需要作X射線的劑量測量。例如檢查直線加速器的射線束在某一方向的平坦度;患者在接受放射治療時(shí)的劑量監(jiān)測和驗(yàn)證等。目前通用的、經(jīng)典的、高精度計(jì)量X射線劑量的探測器仍然是石墨外殼結(jié)構(gòu)的空氣電離室,但其體積較大以及易損壞的特性決定其不能作為臨床的計(jì)量驗(yàn)證用,而要用作直線加速器的平坦度測量還需配上價(jià)格昂貴的二維或三維水箱,操作時(shí)還很費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。

半導(dǎo)體探頭因其硅晶體的密度較空氣高,同時(shí)較低的輻射能量就能激發(fā)出離子對,故其探測射線的靈敏度比空氣電離室的高18000倍左右,同時(shí)體積也可做得非常微小。

半導(dǎo)體探測器實(shí)際上是一種特殊的PN型二極管,但20紀(jì)70年代,Holmes-Siedle提出了使用場效應(yīng)晶體管作為射線計(jì)量探測器。場效應(yīng)晶體管(MOSFET),即:金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管,根據(jù)在硅晶體中摻入不同的雜質(zhì)原子而分為n型MOSFET和p型MOSFET。由于場效應(yīng)晶體管的柵極(G極)與源極(S極)加的是反向電壓,而且還具有絕緣柵極(增強(qiáng)型MOSFET)這一特殊結(jié)構(gòu),是一種等效輸入阻抗很高的半導(dǎo)體元件,因此比半導(dǎo)體二極管更適合作為微量信號(hào)的探測器。

目前,市場上已有成功的,使用MOS元件制造的射線探測器產(chǎn)品出售,但都是使用專門設(shè)計(jì)、制造的MOS管芯片,因此價(jià)格昂貴,從而限制了其使用。隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展,MOSFET的制造工藝及性能等已有很大改進(jìn),新型的MOS元件層出不窮,各種型號(hào)及規(guī)格的元件也迅速增加, MOS晶體管也成為了一種市場上常見的電子元件;同時(shí)也廣泛地開發(fā)了許多關(guān)于MOS元件的各種新用途;另外,隨著太空事業(yè)的發(fā)展,關(guān)于MOS元件與(太空)射線的關(guān)系也研究得更加透徹,而且有大量文獻(xiàn)報(bào)道。這就使得通過從購買的普通市售MOSFET中,挑選出適合制成X射線劑量探測器的元件,開發(fā)出一種操作簡單、價(jià)格適中的X射線劑量探測儀成為可能。

1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)原則:盡量避免實(shí)驗(yàn)干擾、減少測試誤差,以及適合大批量MOSFET的測試。① 設(shè)置一個(gè)晶體管管座,以便于被測管的快速更換;② 盡量減少被測MOSFET周圍的金屬零件,以免因二次射線影響測量結(jié)果;③ 除了被測管以外,其他元器件盡量遠(yuǎn)離射線的射野,避免不必要的干擾。為此設(shè)計(jì)了如圖1所示的測試平臺(tái)。

該裝置的支桿和基板是用有機(jī)玻璃制作的,其中,支桿有300mm長,支桿的一端安裝了一個(gè)晶體管插座,這樣就使得被測元件遠(yuǎn)離其它金屬部件,單獨(dú)處于射線照射野內(nèi),從而最大程度地避免了各種干擾。其它相關(guān)元件安裝在線路板上(PCB),通過屏蔽電纜與機(jī)房外的測量儀表和供電電源相連。

圖1 MOSFET測試臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)線路設(shè)計(jì)

首先任選了n型MOSFET— BS170,設(shè)計(jì)讓其工作在放大區(qū),即在其柵極(G極)加上工作電壓,在X射線15MV的照射下,晶體管工作狀態(tài)沒有明顯變化。經(jīng)過多次試驗(yàn),并參考了相關(guān)文獻(xiàn)后,發(fā)現(xiàn)讓MOSFET工作在截止?fàn)顟B(tài)時(shí)對X射線反應(yīng)較敏感。經(jīng)反復(fù)測試、比較,最后確定:工作電壓為24V(VDS=24V);柵極采用零偏置(VGS=0V);漏極(D極)的負(fù)載電阻DR選取20MΩ;測試端選在DR兩端,使用數(shù)字電壓表讀數(shù),即比對MOSFET在有射線照射和沒有射線照射時(shí),DR兩端的電壓變化值—VDR(mV)值。

測試儀表采用FLUKE 87型四位半數(shù)字毫伏表;直流電源使用LONG WEI TPR3005—2D 型數(shù)字顯示穩(wěn)壓電源,精度為0.1V。

圖2所示的是最后確定的線路及具體的元件參數(shù),p型和n型MOSFET均使用相同線路。

圖2 測試原理圖

3 實(shí)驗(yàn)一

3.1 目的

初步探索市售MOSFET對X射線的反應(yīng)性。

3.2 材料

從市場上隨機(jī)購買了10個(gè)n型MOSFET,型號(hào)為BS170。

3.3 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

3.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及測試條件

圖3 測試裝置圖示意圖

測試裝置見圖3。圖中放射源為GE SATURNE 41型直線加速器。

測試條件為標(biāo)準(zhǔn)條件:射線源與被測晶體管之間的距離SAD=1000 mm;射野尺寸 FSD=(100×100)mm2;GANTRY=0°;COLLIMATOR=0°。

射線選用X射線15MV;加速器每次出束50MU; DOSE RATE=400cGy/min。MOSFET直接暴露在射線內(nèi) 。3.3.2 VDR 值的測量

測量時(shí)把MOS元件插入插座,通上電后穩(wěn)定5min,記錄1次電壓表讀數(shù),這個(gè)數(shù)作為“本底”;然后加速器出束,再記錄1次電壓表讀數(shù),這個(gè)數(shù)作為“測試值”。則VDR值即為:

VDR(mV) =測試值-本底

每一個(gè)MOS元件重復(fù)測3次,取平均值記錄。

3.4 結(jié)果與分析

10個(gè)BS170管測試的結(jié)果見表1。

分析表中結(jié)果:① 從表1中可見,被測MOSFET 都對X射線有較明顯的反應(yīng)。② 在沒有射線照射時(shí),電壓表也顯示有一個(gè)微量的漏電流(有文獻(xiàn)稱為“暗”電流),分析是因?yàn)镸OS元件內(nèi)G區(qū)的電子和空穴在電場的作用下無序移動(dòng)所產(chǎn)生的漏極漏電流—IDSS在DR上生成的電壓降,即上述的“本底”。③ 漏極漏電流(IDSS)對溫度變化反應(yīng)敏感。據(jù)觀察,在接通電源后約5min,IDSS (即“本底”)就能趨于穩(wěn)定。

4 實(shí)驗(yàn)二

4.1 目的

進(jìn)一步探索市售MOSFET 對X射線的反應(yīng)的普遍性。

4.2 材料

隨機(jī)購買市售的MOSFET ,總共購買了13種型號(hào)的 ,其中n型MOSFET 的8種,p型MOSFET 的 5種,每一種型號(hào)各10個(gè),共計(jì)130個(gè)。

4.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置(如圖3所示)、實(shí)驗(yàn)條件及測試方法與上例相同。

4.4 結(jié)果

表中的VDR 值是每一種型號(hào)10個(gè)MOSFET 所測數(shù)據(jù)的平均值。

從表2、表3中的結(jié)果可見,所購的13種型號(hào)晶體管中,n型管和p型管各有一種對X射線沒有反應(yīng)??梢娊^大部分市售MOSFET 都對X射線照射都有明顯反應(yīng)。

另外,表2中的VN2406L和表3中的VP2410L這兩種MOSFET 較其它型號(hào)對X射線的照射更為敏感,因此比較適合制作X射線探測器。

5 實(shí)驗(yàn)三

5.1 目的

測出MOSFET 的VDR 值與X射線劑量之間的函數(shù)關(guān)系。

5.2 材料

隨機(jī)選用實(shí)驗(yàn)二中對X射線的照射最為敏感的n型和p型MOSFET —VN2406L和VP2410L各一個(gè)。

5.3 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

5.3.1 測試裝置

測試按照圖4裝置:圖中放射源為GE SATURNE 41型直線加速器;平衡帽使用X射線6MV和X射線15MV的。平衡帽內(nèi)安置電離室或被測MOSFET 。電離室使用的是NE 0.6cm3、2581 Farmer型指形電離室;X射線劑量儀為NE公司與電離室配套生產(chǎn)的2570/1 FARMER DOSEMETER。使用的測試儀表和穩(wěn)壓電源同上例。

表1 BS170管在X射線15MV照射下的VDR 值

表2 n型MOSFET 在X射線15MV、標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的平均VDR值

圖4 測試裝置圖示意圖

5.3.2 測試條件

射 野 尺 寸FSD =(100×100)mm2;GANTRY=0°;COLLIMATOR=0°;每一次出束為100MU;射線為X-15MV時(shí),DOSE RATE=400cGy/min;射線為X-6M.V時(shí),DOSE RATE=200cGy/min。

5.3.3 測試方法

測試射線分別為X射線6MV和15MV;給柱形電離室套上平衡帽(X射線15MV或X射線6MV),調(diào)節(jié)SAD,使得加速器每次出束100MU時(shí),F(xiàn)armer劑量儀顯示為100cGy,記錄下所對應(yīng)的SAD數(shù)值,然后分別測出90cGy、80cGy ……30cGy、20cGy時(shí)所對應(yīng)的SAD數(shù)值。同樣給n型或p型MOSFET 套上平衡帽,在相應(yīng)的SAD位置測量VDR值。每一個(gè)位置測量3次,求其平均值作為計(jì)量數(shù)據(jù)。5.3.4 測試結(jié)果

n型和p型MOSFET 的計(jì)量結(jié)果分別見表4~7。

5.3.5 結(jié)果分析

表中X射線劑量的范圍(20~100cGy)符合臨床需要測量的范圍。

從表4~7的 VDR值可見,數(shù)據(jù)明顯符合一般變化趨勢。圖5 VN2460L接受X射線6MV射線照射時(shí),射線劑量與VDR值的對應(yīng)曲線

圖6 VN2460L接受X射線15MV射線照射時(shí),射線劑量與VDR值的對應(yīng)曲線

圖7 VP2410L接受X射線射6MV線照射時(shí),射線劑量與VDR值的對應(yīng)曲線

表4 VN2460L接受X線6MV射線照射下各對應(yīng)劑量的VDR 值

表5 VN2460L接受X線15MV射線照射下各對應(yīng)劑量的VDR值

表6 VP2410L接受X射線6MV射線照射下各對應(yīng)劑量的VDR值

表7 VP2410L接受X射線15MV射線照射下各對應(yīng)劑量的VDR值

再進(jìn)一步將表中數(shù)據(jù)做圖形處理,各圖形見圖4~8。從圖中可見,各曲線—X射線劑量與VDR值明顯呈線性關(guān)系,也就是說:MOSFET 將X射線劑量(cGy)這一物理量依循線性關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)物理量—電壓(mV),這種線性關(guān)系非常符合作為傳感器的要求。

圖8 VP2410L接受X射線15MV射線照射時(shí),射線劑量與VDR值的對應(yīng)曲線

6 實(shí)驗(yàn)四

6.1 目的

由于MOSFET的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),芯片在各方向是不對稱的。故由此推斷,相同的強(qiáng)度的射線從MOS元件的不同方向射入會(huì)得到不同的VDR值。應(yīng)當(dāng)測出最有效的射線入射方向,以提高探測器的靈敏度。

6.2 材料

從實(shí)驗(yàn)三的MOSFET 中,任選VN2406L、VP2410L各兩個(gè)。

6.3 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

6.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置和測試條件

實(shí)驗(yàn)裝置和測試條件與實(shí)驗(yàn)一相同。

6.3.2 測試方法

測試時(shí)射線分別從兩個(gè)方向照射MOS元件,具體照射方向如圖9所示,即頂照和側(cè)照。射線選用X射線15MV。

圖9 被測MOSFET的兩個(gè)照射方向示意圖

6.3.3 結(jié)果與分析

測試結(jié)果如表8~9。

表8 VN2406L受X射線15MV頂照和側(cè)照時(shí)VDR 值的比對

表9 VP2410L受X射線15MV頂照和側(cè)照時(shí)VDR 值的比對

表中結(jié)果可見,射線從MOSFET的側(cè)面照射靈敏度明顯變差,因此,若要設(shè)計(jì)選用MOSFET作為射線探測器,應(yīng)當(dāng)注意射線入射方向,以提高探測靈敏度。

7 實(shí)驗(yàn)五

7.1 目的

觀察普通市售 MOSFET 對大劑量的高能X射線的耐受性。

7.2 材料

實(shí)驗(yàn)二中的n型的VN2406L 和p型的VP2410L各任取一個(gè)。

7.3 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

7.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置和測試條件

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

7.3.2 測試條件

射野尺寸FSD=(100×100)mm2; COLLIMATOR=0°;GANTRY=0°。SAD固定為為實(shí)驗(yàn)三中X線射15MV、劑量100cGy所對應(yīng)的距離;使用高能X射線15MV,DOSE RATE=400cGy/min;每一次出束為1000MU,也就是射線劑量為1000cGy。

7.3.3 測試方法

先讓MOSFET 預(yù)熱5min,待本底的數(shù)值穩(wěn)定,然后開機(jī)連續(xù)出束,從0 MU開始,出束每增加100MU(如100、200、300……等)就記錄1次電壓表(mV)讀數(shù)。

7.3.4 測試結(jié)果

結(jié)果如表10。

7.3.5 結(jié)果分析

① 在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中讀數(shù)都比較穩(wěn)定。臨床上,15MV的X射線已屬高能量射線,而單次1000cGy的劑量已大大超出臨床所需監(jiān)測的范圍!可見實(shí)驗(yàn)用的MOS元件是能夠耐受大劑量的高能射線轟擊的。② 比較表中結(jié)果可見,盡管n型管對X射線較為敏感,但是p型管對X輻射的反應(yīng)更為穩(wěn)定。其中p型管平均值為67.68(+0.12,-0.08)mV;n型管平均值為78.3(+0.6,-0.5)mV??梢妏MOSFET更適合用作射線探測器。

8 討論

一般認(rèn)為,作為一種傳感器需要具備以下幾個(gè)基本要素:① 要對所測的物理量反應(yīng)靈敏;② 轉(zhuǎn)換出來的物理量應(yīng)當(dāng)容易被測量;③ 兩種物理量之間應(yīng)當(dāng)具有相關(guān)性;④對環(huán)境變化(如溫度、大氣壓等)不敏感或不太敏感。

表10 VN2406L和VP2410L受X射線15MV、1000cGy劑量照射時(shí)的電壓表讀數(shù)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見,市售MOSFET晶體管基本符合上述要求。但是必須指出,上述實(shí)驗(yàn)是在相對恒溫的環(huán)境下進(jìn)行的(環(huán)境溫度控制在22~26℃的范圍內(nèi)),而且半導(dǎo)體材料對溫度敏感也是一個(gè)常識(shí)。好在這一問題已被研究的非常透徹,并且使用單片機(jī)也能對其做很好的溫度補(bǔ)償。

實(shí)驗(yàn)用的MOSFET-VN2406L和VO2410L均由美國威世通用半導(dǎo)體公司生產(chǎn)(VISHAY intertechnology),為耗盡型(DMOSFET)TO-92封裝,工作溫度(Operating and Storage Temperature)(-55)~(+150)℃。

從公司發(fā)布的參數(shù)查到的與本實(shí)驗(yàn)有關(guān)的參數(shù)主要是漏極漏電流:

可見,工作溫度升高可導(dǎo)致漏極漏電流增加很多。不過,目前直線加速器的機(jī)房多是經(jīng)過恒溫、恒濕處理的,故這個(gè)問題不會(huì)太突出。

有資料報(bào)道,使用多管級(jí)聯(lián)可提高M(jìn)OSFET的射線探測靈敏度,但本實(shí)驗(yàn)中顯示單管靈敏度已經(jīng)足夠。

MOSFET 體積微小,本實(shí)驗(yàn)使用的是TO—92封裝的,而SOP-22封裝(貼片封裝)的體積更加微??;另外,MOSFET的售價(jià)低廉;加之成熟工藝,使得產(chǎn)品參數(shù)的一致性較好。因此,從市場購買的MOSFET只需略經(jīng)挑選,即可作為合格元件使用。

使用上述元件做成探測器可有兩種形式:

(1)使用單個(gè)MOSFET的射線探測器。由于射線劑量是射線能量在計(jì)量時(shí)間段的累加,因此信號(hào)處理時(shí)要去本底、放大,然后去控制壓控振蕩器(VCO),取得與VDR值呈線性關(guān)系的脈沖頻率,再用計(jì)數(shù)器累加脈沖計(jì)數(shù)即可得到射線的劑量數(shù)值。

(2)使用多量MOSFET元件(幾十個(gè)、上百個(gè))構(gòu)建成射線探測的中、大規(guī)模矩陣,再使用單片機(jī)(MCU)處理信號(hào):掃描、去本底、放大、A/D轉(zhuǎn)換、靈敏度平均化等,然后用曲線圖顯示出瞬時(shí)的X射線劑量分布圖。

9 結(jié)論

通過上述的實(shí)驗(yàn)以及分析,可以得出結(jié)論:市售的場效應(yīng)晶體管(MOSFET)是能夠用于測量X射線劑量的相對值,能夠構(gòu)建成適合于醫(yī)療臨床上使用的X射線探測器。

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MOSFET Used for Clinical X-ray Doses Measured Exploration

CHEN Zhi-wei, YAO Sheng-Yu, ZHANG Tie-Ning, HU Zhe-kai, ZHU Zhen-hua
Department of Oncology, First People's Hospital,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200080, China

Objective In this study,we discussed the feasibility of fabricating a practical X-ray dose detector accord with clinical practice by MOSFET which were sensitive to X radiation.Methods ① Built the MOSFET working circuit,namely, by confirming the Drain Voltage —VDS, and the Drain Resistance—DR,and measuring the voltage VDR on the DR to make sure the MOSFET's sensitivity to X-ray. ② Chose different types of MOSFET in market and irradiating on them in standard condition and measuring the VDR , to make sure whether all the MOSFET have the same radiation effects. ③ With the same X-ray exposure,compare the VDR measured in MOSFET and the dose measured by ionization chamber and find out their functional relationship.④ Determining the MOSFET's durability by large exposure. Results The MOSFET sold in market that have same radiation effects of X-ray; the measured VDR and the measured dose was well linear correlation; the MOSFET can afford 1000 cGy X-ray exposure. Conclusion The selected MOSFET can fully used to measure the relative dose of X-ray.

MOSFET; X-ray; ionization chamber; dose monitoring and confirmation; detector

TN386;R144.1

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.05.017

1674-1633(2011)05-0063-06

2011-01-21

作者郵箱:czw0123456789@163.com

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