电离辐射是指能够引起电离的带电粒子和不带电粒子,通常将量子能大于10eV的光子视为电离辐射。核聚变反应、放射性元素衰变均可产生电离辐射, ⁶⁰Co和 ¹³⁷Cs是产生放射的主要物质,也是应用最广泛的放射性同位素。随着近年来辐射技术的广泛应用,电离辐射的剂量学研究得到了迅速发展,射线辐射强度的检测随之成为了辐射防护和环境保护中的重要任务之一。

放射的吸收剂量（D）是指电离辐射授予一定质量物质的平均能量。作为辐射剂量学的一个重要物理量,常用于指示物质受到辐射强度的大小。国内外研究建立了环境空气中辐射剂量学的一些测量方法,主要有量热法、化学剂量法、辐射晶溶发光剂量学法、热释光剂量法、固体核径迹剂量计、闪烁室法、胶片法和凝胶剂量法等。我国制定的辐射标准测量方法中,热释光法、化学反应剂量学法以及闪烁室法是应用广泛的测定方法。

不同方法具有的特点各异。化学剂量法测定方法的特点是,化学物质受到辐射作用后,引起电离和激发,形成离子和自由基。离子与自由基相互作用,或者与分子反应,引起化学变化,利用化学变化产物或者化学变化过程进行定量测定辐射剂量。例如,用经典的弗里克剂量计测定时,就是利用Fe ²⁺被辐射氧化成Fe ³⁺,通过测定化学产额的改变量来计量辐射剂量。电离辐射单原子固体时,可引起原子移位,并将辐射能储存于晶格中,通过测定材料中的热能,可反应辐射能所产生的吸收剂量,这种测定方法称为量热法,用于测定绝对辐射剂量。电离室法是应用管状脉冲电离探测器进行检测辐射剂量。先向探测器中充入适当气体,当在电极间施加电场时,引起气体放电,把与电离辐射在灵敏气体体积内产生的电子、离子有关的电荷收集在电极上,用以探测 γ射线。

在近年来开发的新方法中,变色薄膜、聚合凝胶剂量法、半导体晶体管等来指示剂量的研究也取得了很多成果。

在放射治疗工作中,放射源引起的二次辐射危害性越来越受到人们关注。欧洲放射剂量组（EURADOS）的研究中,Di Fulvio等探讨了一种新的径迹测定法,用来选择中子探测技术的剂量。室温下利用中子在乳液中产生反冲离子,在数十微米的较小范围,与周围材料相互作用后,反冲离子失去能量。它们在亚稳乳液中可以引起相转移,从液相到气相,微米大小的液滴下落保持一个过热状态。相转移中产生的大量的径迹和气泡,使用设备检测出气泡的散射光,以软件进行计数。所测的剂量范围是几百个千伏到十个兆伏,这个剂量涵盖了目前高能量X线放疗的范围。

胶片法常被用于传统的个人剂量计。在临床中常用三维凝胶剂量计测定放射治疗的辐射分布和大小,最普遍的材料是聚丙烯酰胺凝胶。匈牙利Turák,O等在医学辐射研究中,检测了病人身体未进行遮蔽的7个部位所受的医学辐射剂量,并采用柯达个人胶片剂量计检测了医学辐射剂量。结果证明,将单一胶片放置在医用铅衣下,不能提供足够的个人医学辐射剂量信息,表明在检测个人剂量计时,应考虑到人体部位不同,所遭受的辐射剂量也不相同。

在 γ射线的长期照射下,晶体晶格会在缺陷中累积和储存一定的辐射能。当晶体受热时,储存的辐射能以光的形式释放出来,其强弱取决于累积辐射剂量和辐射强度。Khazal等研究了使用氯化钠剂量计,分别对伊拉克、伊朗、英国三个国家生产的盐利用热释光进行对比实验,发现用不同的盐研制的剂量计之间有所差异,主要原因是盐的成分和纯度不同。实验证实了氯化钠剂量计适用于退火温度高、测定温度高的条件,在组织性,敏感性和检测线性方面具有优势。

传统热释光法的不足是需要人工操作退火和读数,退火等程序较为耗费时间。但是现代的TLD系统如Thermo、Panasonic或Dosacus,在退火、读数和数据处理中实现了自动化,这一优势使得TL法在应用方面具有先进性。

通常使用ESR、EPR、MRI方法测量低剂量的辐射,例如基于磺胺酸的剂量计用于检测时,辐射激发磺胺酸EPR光谱,产生简单的信号,位置在g=2.9953±0.00017。Maghraby等研究了它的短波吸收曲线和调节振幅在信号强度和线宽度上的影响。得出磺胺酸作为剂量计在辐射后24小时较为稳定,并且在0.85～202.3Gy有较好线性关系。丙氨酸-EPR法在测定高辐射上已经较为成熟,但是代价较高不适用于大规模常规应用。Ebraheem等将L-丙氨酸溶解在1,4-苯联胺二氯溶液中,受辐射后溶液呈紫色,在1～20kGy中吸光值呈线性关系。此方法替代了电子顺磁共振测定方法,使得测定进一步简化。

基于吸收电离辐射剂量和光强度的激发,应用荧光检测器检测电离辐射效果较好,并广泛应用于个人辐射剂量计和临床辐射剂量计。最常用于个人辐射剂量检测的有光致发光荧光法（OSL）和放射光致发光（RPL）。在临床辐射剂量计方面,尤其是在强度调整放疗IMRT或离子束放疗等新辐射治疗方面,荧光检测器技术在辐射剂量检测方面的应用引领着剂量研究的发展变化。

固相剂量系统,包括早期的辐射荧光玻璃剂量计,已经用于环境监测。在Ranogajec-Komor等人的研究成果中,使用SC-1平板辐射荧光玻璃剂量计配合FGD-202识别器用于环境检测,所使用的玻璃可用254nmUV（紫外光）进行测定。

OSL（光刺激荧光）方法可用于紧急情况下的个人辐射剂量计。常用物质如指甲、商业名片和塑料纽扣等。Sholom等测定了一些物质刚接受完辐射后显示的OSL信号,发现同一材料的灵敏度也显示出不同,相差几十毫戈瑞至几十个戈瑞；在10Gy以下时,剂量反应曲线的线性较好。研究还发现在室温下将辐射后的同一材料放于暗室中,其OSL信号的消退时间长度不同,牙齿、名片、纽扣、指甲分别是95%、45%、30%和15%,常温光照下则衰减加快。

Laranjeira等利用苯胺绿氧化过程颜色的改变发明了一个新的剂量计。将苯胺绿旋转涂在玻璃基质上,厚度为30～50nm,受辐射后的薄膜由UV检测,聚苯胺纳米薄膜会由辐射前的蓝色变为辐射后的绿色,可使用的剂量范围为0～10kGy。Parada等使用高分子特氟龙剂量计,选取半永久电极化作用的驻电极作为绝缘材料。当物体受到电离辐射时发生电荷补偿,补偿量来自于驻电极材料本身或者与辐射场的周围绝缘材料相互作用。驻极体可用于 α、 β、 γ、X、e ^-以及中子辐射检测。剂量计所用的薄膜主要有聚四氟乙烯薄膜、四氟乙烯-六-氟代丙烯（FEP）薄膜和四氟乙烯-氟代甲基-氧乙烯（PFA）薄膜。其原理是采用负的15kV多头电极对接地的薄膜板产生电晕作用,驻电极薄膜状态变得表面不均一而极化,极化后的薄膜暴露于一个已知的x辐射量,以辐射前和辐射后未补充的电荷密度比率作为辐射暴露指标来检测剂量的大小。

除了薄膜剂量计以外,利用薄膜结合化学物质作为剂量计也是近些年研究的热点。Mai Hoang Hoa等利用约100μm厚度的聚氯乙烯染色薄膜加入0.11%孔雀绿草酸盐或者邻二甲苯-毛罂蓝作为剂量计。在5～50kGy范围,薄膜颜色呈逐渐漂白特性。研究发现加入2.5%水合氯醛和0.15%对苯二酚可进一步提高检测方法的线性和灵敏度。作者分析了“逐渐漂白”的原因,认为可能是在PVC容器中水合氯醛受辐射后产生少量盐酸,引起逐渐漂白。对苯二酚是过氧化物的清除剂,在改善PVCM和PVCS线性方面具有较好的作用,最小检测值达1kGy。25℃条件下,该剂量计可在辐射前后60天保持稳定性在1%以内。在日常生活中,聚碳酸酯等薄膜常作为商品包装的材料。Galante Ana Maria Sisti等采用 ⁶⁰Co辐射研究3mm厚度PC薄膜进行包装后的容器内辐射分布状况,经受辐射后PC薄膜变黄,可使用岛津UV2 101PC分光法检测包装容器内的辐射分布。

变色玻璃辐射剂量法测量方法简单,辐射后变色玻璃的颜色改变直观,因此研究较多。巴西的Teixeira等分别应用青铜色、棕色和绿色玻璃研究了高辐射剂量的测定方法,以分光法和专门开发的显像密度计测定有色玻璃的重复性和稳定性,并对不同商业玻璃的吸光特性、辐射后效应、吸光效率等进行了报道。

电离辐射释放的能量,可以使物质在水溶液或其它介质中产生电子和自由基,发生化学反应。对于一些带有颜色的化学物质,受辐射后可产生吸光度的改变。如在水溶液或水-醇溶液中,紫罗兰盐呈现不同颜色。Emi-Reynold把它用于剂量计研究,可选用的紫罗兰盐有2,3,4-氯化三苯四唑（TTC）、蓝四唑盐（BT）和硝基蓝四唑盐（NBT）。作者认为这一反应的原理是,辐射降解产生了甲月替,形成了四唑根,稳态和脉冲辐射降解研究表明,在水溶液或水-乙醇溶液中,水合离子和辐射产生的自由基共同参与了降解反应。对比研究发现,在充氮和乙醇条件下反应效果更好。Rahn Ronald等将一个新的水溶性化学剂量计,即包含混合物KI（0.6mol/L）和电子清除剂KIO ₃（0.1mol/L）两种成分置于0.01mol/L硼酸盐缓冲液（pH 9.25）中,利用碘化物测定放射同位素、直线加速器的辐射剂量。体系最大吸收波长为352nm,线性最高测定值达到6kGy,最小测定值是0.25Gy。对于三碘化物G值, ¹³⁷Cs为14.1±0.8,电子和韧致辐射G值分别为12.2±1.9和11.9±1.8。经作者证实此剂量计的检测上限和检测下限优于弗里克剂量。Munzer Kattan等报道了聚氯乙烯-溴甲酚紫剂量计的使用。此体系的吸收波长为417nm,并在辐射剂量50kGy以内呈良好线性。研究表明体系在暗室条件下较为稳定,受剂量率改变和辐射温度改变的干扰小,测定中有较大优势。Hasan研究了亮绿和碱性品红、ZakiAjji使用甲基红的水溶液,分别接受不同强度的辐射,依据它们辐射后吸光度的改变来指示剂量的大小。

在生物及其它领域中,辐射剂量的精确测量极其重要。一些传统的剂量计经过对辐射体系的改进后,其测定范围得到了很大的优化。

Shinde和Mukherjee研究了甘氨酸中加入铁-二甲酚橙体系的影响。取受辐射后的甘氨酸粉末,加入铁-二甲酚橙（FX）和山梨糖醇-含铁硫酸铵-二甲酚橙（SFX）,同时做对照实验。铁-二甲酚橙-甘氨酸体系的摩尔吸光系数的结果进行了计算,其中加入FX的是8410m ²/mol,加入SFX的是15000m ²/mol。用甘氨酸的FX/SFX体系测试了四个不同剂量：37.8Gy、75.5Gy、151Gy和302Gy,观察到甘氨酸的剂量反应在SFX中约高出甘氨酸在FX中77%。最大变异在1.5%以内。得出甘氨酸在此体系中可被山梨醇敏化,在547nm处有最大吸收峰,与SFX组成的体系可用于15～4000Gy剂量辐射的研究。Mhatre等也做了相关的研究,并将FBX（含铁的苯甲酸,二甲酚橙系统）用于测定低剂量辐射取得了良好的效果。研究者发现在测定前的预备工作中,需要先在高温下将苯甲酸溶解于水中,然后又要将其降至室温,使用不方便。有机分子山梨醇可在室温下溶于水,并且溶解性稳定,Mhatre选用山梨醇辐射分解作为亚铁离子的氧化致敏物质,使用溶液配比为0.5mol/L二甲酚橙、10mol/L山梨醇,以及0.2mol/L亚铁离子的50mol/L硫酸溶液。此体系可以检测0.05-12Gy的辐射剂量,降低了检测下限。研究者认为在甘氨酸系统中三铁离子用于指示氢化过氧化物,而山梨醇可以增加过氧化物的氧化作用,因此可用作甘氨酸系统的增敏剂。

同样,Davies,Baldock使用二甲酚橙-硫酸亚铁-明胶作为剂量计,把明胶引入了辐射体系,使用可见区进行分光光度法检测。研究者得出一个稳定性较好的凝胶组成：0.5mmol/L硫酸亚铁、0.15mmol/L硫酸、0.15mmol/L二甲酚橙和3%明胶。并且测试了氧气、充氮等条件实验,证实了在25Gy以内,FGX剂量计呈较好线性。

对含一定浓度染料的高聚物薄膜进行伽马辐射后,通过分光光度法可观测到其颜色的变化,即不同程度漂白。目前的研究显示,颜色漂白百分比与辐射剂量在多数体系中都具有较好的线性关系,但不同染料受伽马辐射的敏感度不同,可用于指示辐射剂量。Barakat等研究了关于高聚物中染料的辐射实验。结果表明有些染料经受120kGy的辐射后依旧不受影响,有些染料经受几个千戈瑞的辐射后就会发生颜色变化,因此其中很多染料可以用作辐射剂量计。作者总结了甲基红、磺胺绿、刚果红、酚红等15种染料的辐射敏感性和定量线性关系。

辐射对于染料的降解作用也被用于辐射剂量计的开发研究。Rauf等进行了染料降解的讨论,认为降解最初是由·OH攻击染料分子上的富电子点引起的。作者对于其他参数如剂量率、氧气、pH、过氧化氢、加入离子和染料品种也进行了实验,并得出不同染料的降解顺序是：Auramine O>Safranin O>Malachite Green>Amido Black>Rhodamine B>Carmine,这项研究为染料含量变化与辐射剂量关系提供了重要的参考。

Du Nan等利用伽马射线的高能量辐射引发丙烯酰胺单体发生聚合作用,导致丙烯酰胺溶液粘度增大。再用磁致感应器检测溶液黏度的变化量,从而达到指示辐射剂量的功能。

Peimel-Stuglik,Zofia等在室温条件下,直接采用市售的蔗糖测定 ⁶⁰Co放射源的高剂量辐射剂量。糖溶液的电导值随辐射剂量的不同呈线性改变,可用于1～300kGy剂量的测定；并发现20%的方糖水溶液具有较好的敏感度。在辐射后信号的稳定性实验中发现它的导电性最初是上升的,随后较为稳定。为了消除这个现象,研究者采用了对辐射后的蔗糖溶液进行80℃加热后保存的办法,使溶液导电性趋向于稳定。

Słowiński,Adawi研究了使用聚乙烯、含硅酸硼玻璃和含K ₂O玻璃的辐射剂量计。通过测定聚乙烯电阻率的变化以及硅酸盐玻璃辐射前后透射光的改变,表明聚乙烯辐射剂量计、含硅酸硼玻璃辐射剂量计可用作 γ和中子的辐射剂量计。在方法改进上,向含硅酸硼的玻璃中加入0.4%的铀可以提高线性,用于热释光检测。向聚乙烯醇中加入镍可以进一步优化检测,扩大剂量检测范围,可用于测定10 ^-1～10 ⁴Gy的辐射剂量。

研究发现,NiO、CeO ₂、TeO ₂、In ₂O ₃、SiO及MnO等常见的混合金属氧化物以及碳-金属氧化物受辐射后,其光学性质、电学性质和结构将发生改变,还包括它们的厚薄形式、材料接受辐射后的性质、可指示的辐射范围等。Arshak等将样本置于活度为370kBq的 ¹³⁷Cs源,用不同比例的碳混合氧化物来控制半导体片指示辐射的性质。比如NiO的厚片结构,随辐射强度的增高,电极电流会增长到171uSv。而掺杂1%碳的NiO电流值显著增大,使工作范围值增至2720uSv。实验发现较薄的结构适合于低剂量辐射检测,较厚的结构适合测定高剂量辐射。在金属氧化物剂量计中,碳的掺杂会影响其导电性,具有使其增高的作用。这种技术在常温和实时监测上具有一定优势。

与空气离子室相比,半导体的离子化容积更为敏感,如同体积硅半导体二极管的敏感性比离子室大约高出18000倍,因此在实验中半导体固相剂量计的灵敏性体积可减小至几十个立方厘米。目前的硅半导体检测器不仅对低能光子的反应较好,其性能更使得它们在测量剂量、剂量率上很有吸引力。Asensio等研究了金属氧化物半导体场效应晶体管pMOS传感器,使用电压转换指示累积辐射剂量,并配以温度补偿程序,使得剂量参数更加准确。得出该方法具有良好的线性,检测上限剂量为58Gy,可作为个人剂量校准装置。

随着不断的改进,高带系半导体材料可以替代硅,用于相关的剂量计研究。Bruzzi等利用外延的n-类型4H SiC做成的Schotty二极管和电阻性金刚石薄膜,将其置于 ⁶⁰Co γ源、20MeV电子束以及直线加速器发出的6MV的X线辐射,联机检测了0.1～10Gy的电流反应,得出剂量和辐射引发电流之间呈现较好的线性定量关系。

由于辐射材料的简单易得,又不需要较昂贵的检测仪器,化学剂量计一直是经久不衰的研究热点。但是在有些反应之中由于氧化过程将持续作用到辐射结束之后,影响化学剂量计系统的定量反应,故应该深入研究化学剂量计辐射物质的辐射后效应、吸光特性、吸光效率和重复性。玻璃变色剂量计的优点是具有化学不活泼性、不溶性、小尺寸、低成本。但玻璃剂量材料结果的稳定性有待提高。荧光检测器的优点是具有较好的能量反应性、可重复利用性、抗潮湿性与高电磁场性,但该方法的发展受到一定限制,其主要问题是灵敏度有待提高；并且在剂量反应、离子强度反应和能量反应方面具有交叉性,在广度上,材料的统一性上受到一定限制。

测定辐射剂量时,要根据剂量计的材料和工作剂量范围选择使用。从事剂量计的研制开发工作,主要应该提高剂量计的定量线性关系和检测灵敏度。

本课题选择抗坏血酸、盐酸硫胺、核黄素作为“辐射材料”,结合高效液相色谱方法具有分离分析能力强、灵敏准确、信号稳定等特点,开展了 γ射线的累积辐射剂量色谱学检测新方法研究。

本研究的原理：

取辐射材料的水溶液于EP管中,于 ⁶⁰Co放射场经受不同剂量 γ射线辐射,间接采集现场不同的辐射剂量。

对辐射前后的样液分别进行辐射机制研究和辐射剂量检测研究。

在辐射剂量检测研究中,取样液进行色谱分析,通过测定经受不同剂量 D（Gy）的辐射后样液色谱峰面积 A的大小,确定 D- A色谱学定量关系,建立辐射剂量的外标法色谱学检测新方法。

本研究的主要内容：

1.进行了三种维生素辐射材料的辐射机制的探讨。综合应用化学法、质谱法、磁共振波谱法研究证实,抗坏血酸的辐射降解过程为氧化过程；盐酸硫胺辐射后降解为嘧啶和噻唑两部分；在较大辐射剂量后,核黄素的异咯嗪共轭平面共轭结构被破坏且产生了与核糖醇结构的分离。

2.进行了辐射检测条件的优化研究。分别对三种物质的稳定性、氧气的影响、温度、酸度等环境条件下的辐射特性进行了比较,选择出了最佳的辐射体系和适用的检测范围。

3.本课题研究了三种维生素经受 γ射线辐射前后的色谱行为与辐射剂量之间的定量关系,分别建立了 γ射线辐射剂量的抗坏血酸、盐酸硫胺、核黄素色谱学计量检测三种新方法。研究发现,辐射剂量增强与样品含量的下降量呈现较好的一致性；所选择的体系在辐射后可保持较好的稳定性。

研究特色：

1.本课题最新建立了 γ射线辐射剂量的维生素色谱学计量检测新方法；可以计量 γ辐射的累积剂量。

2.与其它辐射剂量化学计量方法相比,色谱学计量检测新方法所用仪器应用普遍,方法操作简便,易于推广；体现了高效液相色谱法的特点,更加准确、组分可较好分离、测定快速,易于自动化,是检测 γ射线辐射剂量的新思路和新技术。

3.选择抗坏血酸、盐酸硫胺、核黄素水溶液作为“辐射材料”,可间接采集不同的辐射剂量,是一种全新的采样方法；采样材料简单,样品不要前处理、无放射性污染,克服了现有方法的不足。

方法可用于辐射场剂量的测量,并且为辐射生物学效应和营养学等研究提供科学手段,具有重要现实意义。