半导体探测器在伽玛刀检定中的应用

杨 建 1袁2袁 方 方 1袁 张从华 2（1. 成都理工大学，四川 成都 610059；2. 中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

摘 要院根据半导体探测器体积小、灵敏度高及无方向性等特点，研制一种用于测量伽玛刀焦点剂量率的半导体探测

器，建立伽玛射线的半导体探测器测量模型，并给出半导体探测器模型的测量计算方法。实验结果表明：研制的半导体

探测器适用于伽玛刀小射野下的焦点剂量率的测量和检定。

关键词院伽玛刀；焦点剂量率；半导体探测器；小射野

中图分类号院TN36曰O571.32+3曰TM930.113曰R812 文献标志码院A 文章编号院1674-5124渊2014冤04-0023-03

Application of semiconductor detectors in gamma knife’s verification

YANG Jian1，2，FANG Fang1，ZHANG Cong-hua2

（1. Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；2. National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China）

Abstract: According to the small size，high sensitivity and non-directional characteristics of thesemiconductor detector， a kind of semiconductor detector for measuring the dose rate of gammaknife’s focus was developed. Then a semiconductor detector’s model for gamma ray measurementwas built，and the measurement calculation method of the semiconductor detector’s model was given.The experimental tests show that the semiconductor detector developed was suitable for themeasurement and verification of the gamma knife’s focus dose rate at small gamma radiation field.Key words: gamma knife；dose rate of focus；semiconductor detector；small radiation field

收稿日期院2013-10-27曰收到修改稿日期院2013-12-18基金项目院国家科技支撑计划项目（2011BA102B07）

四川省科技计划项目（2013GZ0010）作者简介：杨 建（1982-），男，江苏南通市人，博士研究生，

主要从事辐射测试与计量研究工作。

0 引 言伽玛刀，即以 60Co 酌 源为辐射源的立体定向辐射

治疗源装置，利用若干个 60Co 伽玛源按一定的经度

和纬度排列，产生的射线束经准直后聚焦于一点（该

点中心称之为焦点），以静态或旋转等不同方式对患

者的头部病灶实施辐照治疗[1]。ICRU24 号报告总结

以往的治疗经验指出，如果靶区剂量偏离最佳剂量

的依5%，可能导致原发肿瘤失控和并发症增加[2]。头

部伽玛刀输出量的检定是 JJG 1013-2006《酌 辐射头

部立体定向放射外科治疗辐射源》中的一项必检项

目。我国现有头部伽玛刀，通常有 准4 mm、准8 mm、

准14mm、准18mm 和 准22mm 等准直器尺寸。考虑电

离室的具体结构（高压极、收集极和保护环）和电离

室外尺寸要小于测量射野直径 1/2 的原则，用尖点电

离室不能准确测量头部 酌 刀小准直器尺寸（如 准4mm）的焦点剂量率[3]。由于半导体探测器的体积可以制作

的很小（甚至可以制成小于 0.125 mm3），规程也建议

采用小体积半导体探测器在球形模体中心测量不同

准直器尺寸输出剂量率的比值，然后利用电离室在球

形模体中心测量的大准直器（如 准18 mm）的输出焦

点剂量率乘以不同准直器尺寸的比值，推算出不同准

直器尺寸的焦点剂量率，其测量结果以最大准直器输

出焦点剂量率归一就得到头盔因子（或称射野因子）[4-5]。1 半导体探测器的结构及等效电路

半导体探测器的结构如图 1 所示，其特点是结

中国测试CHINA MEASUREMENT & TEST Vol.40 No.4July，2014第 40 卷第 4 期2014 年 7 月

doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.006

中国测试 2014 年 7 月

电容小（约 50 pF），暗电流小，响应时间很短，一般为

几十纳秒，具有较高的量子效率。而且它不受磁场的

影响，不像光电倍增管那样在磁场的影响下会有增益

漂移。Si-PIN 二极管不需要高压偏置，体积小，可以

直接和电荷灵敏前置放大器配合，组成伽玛射线探

测器。Si-PIN 二极管是一种工作在电流脉冲下的半

导体探测器，伽玛射线穿过 Si-PIN 二极管区域时，

部分动能通过光子与核外电子的作用（光电吸收、康

普顿散射、电子对效应）被二极管吸收，并以空穴-电子对的形式释放出自由电荷，Si-PIN 二极管产生反

向电流，在一定射线能量及一定范围内反向电流随

着射线强度增加而线性增大[5]。

半导体探测器的等效电路如图 2所示，图中 IL为射

线产生的电流；ID 为二极管电流；Cj 为结电容；Rsh 为并

联电阻；Rs 为串联电阻；I忆为流过并联电阻的电流；VD为二极管电压；IO 为输出电流；VO 为输出电压。运用

图 2 的半导体探测器等效电路，可以得到以下公式：

IO= IL- ID- I 忆= IL- IS exp qVDkT -1蓸 蔀 - I 忆 （1）

式中：IS———光电二极管反向饱和电流；

q———电子电量；

k———波尔兹曼常数；

T———光电二极管的绝对温度。

假设光电二极管没有负载，则 IO 为零，V O 即为开

路输出电压 VOC：

VOC= kTq ln IL- I 忆

IS+1蓸 蔀 （2）

如果忽略 I忆，随着环境温度的升高，IS 随之升高，

因而光电二极管的开路输出电压 V OC 与温度成反比，

与 logIL 成正比，然而在相当弱剂量的情况下，这种

关系并不能维持。

假设 RL 为零，因而 VO 为零，则有短路电流 ISC：

ISC= IL- IS exp q·（ISC·RS）kT -1蓸 蔀 - ISC·RS

Rsh（3）

式中，第二项及第三项影响着半导体探测器短

路电流的线性，然而串联电阻比较小，并联电阻在

107耀1011赘，可以忽略不计。

2 半导体探测器前置放大器当射线照射半导体探测器时，探测器所产生的

短路电流与射线的照射量大小在比较宽的范围内成线

性关系，因此测得探测器的短路电流即可推算出射

线的剂量。半导体探测器所产生的电流大小为 10-9耀10-6A，但是微弱的电流信号很难采用电流放大器，通

常需要把电流信号转变成电压信号，才能实现电流

信号的动态检测或微弱信号的放大。电流信号转变

成电压信号主要有两种方法：跨阻法和电容积分法[6]。与跨阻法相比，电容积分法有以下优点：（1）跨阻法

采用了高阻值反馈电阻，存在着比较明显的约翰逊

噪声，而对于电容积分法，将电阻换成电容，理论上

没有约翰逊噪声，适合电流噪声要求小于 1fA p-p的测量场合。（2）跨阻法的速度受到其反馈电路时间

常数的限制，电容积分法能立即响应，并只受运算放

大器速度的限制。（3）单位时间传送的随机脉冲串

的平均电荷可以通过在给定时间内对电流脉冲串

进行积分来估计。（4）输入分流电容的噪声影响最

小。噪声增益主要由 CIN/CF 决定，而电容积分法的反

馈电容比跨阻法的大得多，所以可以容许大得多的

输入电容值。在使用长的连接电缆时，这种特性极为

有利[7]。

图 3 半导体探测器及前置放大器的等效图

A+-

+-

V1

Id Rd Cd

Rp V2

Rf

Cf

V3

图 2 半导体探测器的等效电路

RL

Io

VoVD Cj

IL ID I忆Rs

Rsh

图 1 半导体探测器的结构及原理图

正极

绝缘层负极

I层P层 I N+

+++ +

----

-光子

耗尽层

24

第 40 卷第 4 期

半导体探测器前置放大器采用电容积分法，

图3 为半导体探测器及前置放大器的等效图。图中，

Id 为射线产生的电流，Rd 为半导体探测器等效并联

电阻，Cd 为半导体探测器寄生电容，Rp 为前置放大

器保护电阻，Cf 为积分电容，R f 为积分电容等效电

阻，A 为运算放大器开环增益比。则有：

Id（t）+ V 1（t）Rd

+ dV 1（t）dt ·Cd=V 3（t）-V 2（t）

R f+ d（V 3（t）-V 2（t））dt ·Cf （4）

V 3（t）=AV 2（t） （5）通过方程变换，可以得到：

A -1AR f

·V 3（t）+（A -1）CfA ·dV 3（t）dt =

Id（t）+ V 1（t）Rd

+ dV 1（t）dt ·Cd （6）由于运放的开环增益比 A 一般在 106 左右，反

馈电容需要高绝缘的薄膜电容，其绝缘电阻 R f 一般

都大于 1011赘，半导体探测器的等效并联电阻 Rd 在109赘 左右，寄生电容 Cd 为数皮法，因而，式（6）可以

简化为

Cf·dV 3（t）dt = Id（t） （7）则：

V 3（t）= 1Cf

·T

0乙 Id（t）dt （8）3 实际应用

半导体探测器成功应用于中国测试技术研究院

辐射研究所研制的双通道伽玛刀剂量仪中，伽玛刀

剂量拥有电离室通道及半导体通道两个通道，分别连

接 0.015 cm3 尖点电离室及半导体探测器。研制的半

导体探测器直径为 准0.5 mm 芯片组合的线阵列，无

方向性（0毅~360毅相应变化小于 0.5%），符合伽玛刀检

测规程 JJG 1013-2006 的要求。在焦点剂量率测量

过程中，首先在 准18mm 的准直器下分别将电离室及

半导体探测器插入 准160 mm 有机玻璃球形模体中

进行测量，用电离室校准半导体探测器，校准后再用

半导体探测器测量并记录数据，然后将准直器换成

准14 mm、准8mm 及 准4mm，分别用电离室和半导体探

测器测量其焦点剂量率并记录数据[8]。表 1 为 准160 mm 有机玻璃球形模体焦点剂量

率实验数据，设备为 ELEKTA LEKSELL 头部伽玛刀，

气压为 96.0 kPa，温度为 20益。

从表 1 可以看出在 准4mm的准直器下，0.015 cm3

的电离室剂量率测量值因射野过小，而略小于半导

体探测器所测数值。半导体探测器测量的各准直

器相对 准18 mm 的准直器的焦点剂量率比值 K 为：

K（14/18）=0.984，K（8/18）=0.947，K（4/18）=0.773。在准18mm的准直器下最近测得的焦点剂量率标准值为 3.10Gy/min，相对偏差为 1.6%。表 2 为实测焦点剂量率

比值与标准数据对比表，实测值与标准数据吻合。

4 结束语一般情况下，使用 0.015 cm3 电离室测量伽玛刀

的焦点剂量率，但是在小射野下，电离室有效收集体

积大，造成测量值的不准确。研制的半导体探测器具

有体积小、灵敏度高、无方向性等优点，可以替代电

离室用于伽玛刀小射野的测量。但是测量之前必须

在大射野下用电离室对半导体探测器进行现场校

准，校准之后方可测量伽玛刀小射野下的焦点剂量率。

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检定规程[S]援 北京：中国计量出版社，2006援

准直器尺寸/mm 焦点剂量率/渊Gy窑min-1冤0.015 cm3 电离室 半导体探测器

准4 1.97 2.35准8 2.86 2.88准14 3.00 2.99准18 3.05 3.04

表 1 准160mm有机玻璃球形模体焦点剂量率 Dw

准直器尺寸/mm 焦点剂量率比值相对偏差/%

标准值 实测值

准4 0.778 0.773 0.64准8 0.951 0.947 0.42准14 0.984 0.984 0准18 1 1 0

表 2 实测射野因子与标准数据对比表

杨 建等：半导体探测器在伽玛刀检定中的应用 25