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(cè)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(chǎng)效應(yīng)晶體管對(duì)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(cè)器的可行性。方法 ① 確定合適的場(chǎng)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(cè)量在X射線照射場(chǎng)效應(yīng)晶體管時(shí)，漏極電阻DR上的電壓降VDR，以確定場(chǎng)效應(yīng)晶體管對(duì)X射線照射是否敏感。② 任選市售不同型號(hào)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管若干，并在臨床的標(biāo)準(zhǔn)條件下對(duì)這些場(chǎng)效應(yīng)晶體管作X射線照射，通過測(cè)定VDR值，以確定場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)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(duì)X射線的劑量作標(biāo)定，并對(duì)處于相同X射線照射下場(chǎng)效應(yīng)晶體管的VDR值作比對(duì)測(cè)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(chǎng)效應(yīng)晶體管，通過觀察其對(duì)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(chǎng)效應(yīng)晶體管對(duì)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(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)晶體管完全能適用作臨床上檢測(cè)X射線的相對(duì)劑量。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管；X射線；電離室；劑量監(jiān)測(cè)；探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)，故其探測(cè)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(cè)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(chǎng)效應(yīng)晶體管作為射線計(jì)量探測(cè)器。場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET），即：金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)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(chǎng)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(cè)器。

目前，市場(chǎng)上已有成功的，使用MOS元件制造的射線探測(cè)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(chǎng)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(cè)器的元件，開發(fā)出一種操作簡(jiǎn)單、價(jià)格適中的X射線劑量探測(cè)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(cè)試誤差，以及適合大批量MOSFET的測(cè)試。① 設(shè)置一個(gè)晶體管管座，以便于被測(cè)管的快速更換；② 盡量減少被測(cè)MOSFET周圍的金屬零件，以免因二次射線影響測(cè)量結(jié)果；③ 除了被測(cè)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(cè)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(zhǎng)，支桿的一端安裝了一個(gè)晶體管插座，這樣就使得被測(cè)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(cè)量?jī)x表和供電電源相連。

圖1 MOSFET測(cè)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(duì)X射線反應(yīng)較敏感。經(jīng)反復(fù)測(cè)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(cè)試端選在DR兩端，使用數(shù)字電壓表讀數(shù)，即比對(duì)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(cè)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(cè)試原理圖

3 實(shí)驗(yàn)一

3.1 目的

初步探索市售MOSFET對(duì)X射線的反應(yīng)性。

3.2 材料

從市場(chǎng)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(cè)試條件

圖3 測(cè)試裝置圖示意圖

測(cè)試裝置見圖3。圖中放射源為GE SATURNE 41型直線加速器。

測(cè)試條件為標(biāo)準(zhǔn)條件：射線源與被測(cè)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(cè)量

測(cè)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(cè)試值”。則VDR值即為：

VDR（mV） ＝測(cè)試值－本底

每一個(gè)MOS元件重復(fù)測(cè)3次，取平均值記錄。

3.4 結(jié)果與分析

10個(gè)BS170管測(cè)試的結(jié)果見表1。

分析表中結(jié)果：① 從表1中可見，被測(cè)MOSFET 都對(duì)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(cè)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(cè)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(duì)X射線沒有反應(yīng)?？梢娊^大部分市售MOSFET 都對(duì)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(duì)X射線的照射更為敏感，因此比較適合制作X射線探測(cè)器。

5 實(shí)驗(yàn)三

5.1 目的

測(cè)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(duì)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(cè)試裝置

測(cè)試按照?qǐng)D4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(cè)MOSFET 。電離室使用的是NE 0.6cm3、2581 Farmer型指形電離室；X射線劑量?jī)x為NE公司與電離室配套生產(chǎn)的2570/1 FARMER DOSEMETER。使用的測(cè)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(cè)試條件下的平均VDR值

圖4 測(cè)試裝置圖示意圖

5.3.2 測(cè)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(cè)試方法

測(cè)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?jī)x顯示為100cGy，記錄下所對(duì)應(yīng)的SAD數(shù)值，然后分別測(cè)出90cGy、80cGy ……30cGy、20cGy時(shí)所對(duì)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(cè)量VDR值。每一個(gè)位置測(cè)量3次，求其平均值作為計(jì)量數(shù)據(jù)。5.3.4 測(cè)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(cè)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(shì)。圖5 VN2460L接受X射線6MV射線照射時(shí)，射線劑量與VDR值的對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)曲線

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

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

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

表7 VP2410L接受X射線15MV射線照射下各對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)出最有效的射線入射方向，以提高探測(cè)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(cè)試條件

實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試條件與實(shí)驗(yàn)一相同。

6.3.2 測(cè)試方法

測(cè)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(cè)MOSFET的兩個(gè)照射方向示意圖

6.3.3 結(jié)果與分析

測(cè)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(duì)

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

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(cè)器，應(yīng)當(dāng)注意射線入射方向，以提高探測(cè)靈敏度。

7 實(shí)驗(yàn)五

7.1 目的

觀察普通市售 MOSFET 對(duì)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(cè)試條件

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

7.3.2 測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)X射線較為敏感，但是p型管對(duì)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(cè)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(duì)所測(cè)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(cè)量；③ 兩種物理量之間應(yīng)當(dāng)具有相關(guān)性；④對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)其做很好的溫度補(bǔ)償。

實(shí)驗(yàn)用的MOSFET-VN2406L和VO2410L均由美國(guó)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(cè)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?。涣硗?，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(chǎng)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(cè)器可有兩種形式：

（1）使用單個(gè)MOSFET的射線探測(cè)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(cè)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(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）是能夠用于測(cè)量X射線劑量的相對(duì)值，能夠構(gòu)建成適合于醫(yī)療臨床上使用的X射線探測(cè)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