基于卤化铜的便携式个人剂量计：实时监测 X 射线辐射的创新利器

本文介绍了一种基于 10% Mn 掺杂 Cs3Cu2I5的便携式个人剂量计，用于 X 射线检测。该剂量计具有高灵敏度，能实现低至 0.1 nGy/s 的超低剂量检测，且设计紧凑、稳定性高，通过蓝牙与手机应用连接，在辐射检测领域极具应用潜力。

　　### 引言
X 射线在医疗、航空、安检和科研等领域应用广泛，但长期暴露于 X 射线会危害人体健康，可能增加患癌风险。因此，实施有效监测以遵守剂量限制至关重要，剂量计在保障相关人员安全方面发挥着关键作用。常见的 X 射线探测器，如热释光探测器（TLDs）、光激发荧光探测器（OSLDs）、金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管（MOSFET）探测器和电子个人剂量计（EPDs），都存在各自的缺点，限制了其应用。

近年来，钙钛矿材料因其优异的光电性能，成为闪烁体探测器的有前景的候选材料。其中，Mn 掺杂 Cs₃Cu₂I₅作为金属卤化物闪烁体备受关注，它具有高灵敏度、良好的辐射发光性能、有效原子数高、无毒、成本效益高和稳定性好等优点。本文报道了一种基于该材料的新型便携式 X 射线剂量计，旨在实现对低 X 射线辐射水平的实时监测和检测。

结果与讨论

1. 系统设计和闪烁体表征：该剂量计由 10% Mn 掺杂的 Cs₃Cu₂I₅金属卤化物闪烁体颗粒（CCI@10% Mn）、大面积光电二极管、跨阻放大器（TIA）和多协议片上系统（SoC）组成，通过蓝牙应用程序控制，整体尺寸为 20×20mm，重 13.4g。研究发现，10% Mn 掺杂的 Cs₃Cu₂I₅在 556nm 波长处性能最佳。与传统的 CsI (Tl) 闪烁体相比，Mn 掺杂的 Cs₃Cu₂I₅响应时间短三个数量级，更适用于 X 射线成像和无损检测等应用。采用颗粒状闪烁体材料，搭配增强绿色波长检测的光电二极管，可提高低剂量检测的效率和灵敏度。

通过粉末 X 射线衍射（XRD）分析发现，Mn 掺杂会使 Cs₃Cu₂I₅的 XRD 峰向高值移动，表明 Mn 离子成功掺入晶格，同时影响了材料的衰减时间和发光特性。辐射发光（RL）研究显示，掺杂样品有 450nm（蓝色）和 556nm（绿色）两个发射峰，绿色峰对 X 射线剂量变化更敏感，虽然其与商业 CsI (Tl) 薄膜的性能在某些方面相当，但掺杂后的材料在光产额等方面表现更优。通过与已知光产额的商业 CsI (Tl) 闪烁体对比，计算出优化后的 Mn 掺杂 Cs₃Cu₂I₅薄膜的光产额为 61,300 photons MeV^?1，超过了商业参考值。
2. 电子读出系统的组装和操作：电子读出系统的核心是 Nordic Semiconductor 的 nRF52832 多协议 SoC，具有低功耗和集成无线通信功能。采用 Vishay Semiconductors 的 TEMD5510FX01 光电探测器将闪烁体颗粒的光转换为电流，通过 TIA 配置的运算放大器将电流转换为电压，并进行两级放大。最终电压输出由 nRF52832 的内部模数转换器（ADC）数字化，设备由可充电锂电池供电，每次充电可提供长达 10.76 小时的电力。
3. 剂量计在 X 射线照射下的响应：在实验中，利用铅箱保护，通过精确控制 X 射线源的高度和旋转，对剂量计的剂量响应进行评估。使用 Radcal 的固态低剂量传感器确定不同电流和距离下的 X 射线剂量率，并据此创建校准曲线。剂量计在不同增益模式下进行测量，低增益用于轴向测量，高增益用于离轴测量。通过与 Radcal DDX6-WL 传感器的读数比较，准确确定吸收剂量。
4. 与商业闪烁体的性能比较：在相同条件下研究商业 CsI (TI) 薄膜，结果表明该剂量计的精度与商业 X 射线传感器相当。在轴向测量时，剂量计检测到的最小 X 射线剂量率为 3.8 μGy/s，最大为 1.89 mGy/s；在离轴测量时，最小剂量率为 0.11 nGy/s 。通过校准曲线可将 ADC 计数值转换为剂量率，同时考虑温度对测量的影响，利用 SoC 的内部温度传感器进行校准。
5. 角度响应和最低剂量检测：剂量计在 30°、45° 和 90° 等不同角度下均有响应，展现出高响应性。在离轴测量时，检测到的最低 X 射线剂量为 0.12 nGy/s，优于现有最先进的剂量计。通过实验排除了光电探测器直接吸收 X 射线光子的可能性，确认其响应主要由暗电流和噪声主导。
6. 不同温度下的响应和剂量计的稳定性：在 30°C 至 60°C 的温度范围内进行测量，发现温度对剂量计性能影响极小，电压波动仅为 1.27 mV。连续照射颗粒约 5 分钟（总照射量为 567 mGy），信号噪声比很低，剂量响应幅度波动小于 1%，延长照射时间至 15 分钟，进一步验证了剂量计在长时间暴露下的稳定性。对组件的噪声贡献评估显示，光电探测器和放大器的噪声较低，计算出的噪声系数表明噪声远低于参考输入。开发的移动应用程序可显示和记录累积剂量，并支持数据下载。

结论

本文介绍的基于卤化铜的便携式个人剂量计在实时监测和检测 X 射线辐射方面具有巨大潜力，它灵敏度高、响应时间快、测量准确，在不同检测角度和多种 X 射线暴露条件下都能稳定工作。与现有先进的个人剂量计相比，该设备在剂量检测技术上有显著进步，能实现低至 0.1 nGy/s 的超低剂量检测。其紧凑的设计、轻巧的重量、高灵敏度和无线连接功能，使其在性能、便利性和成本效益方面表现出色，有望成为辐射检测设备的新标准。

方法

1. Mn 掺杂 Cs₃Cu₂I₅粉末的合成：使用 CsI、CuI 和 MnCl₂·4H₂O 为原料，通过固态反应法制备 Mn 掺杂 Cs₃Cu₂I₅粉末。将原料按比例混合后，在玛瑙研钵中研磨，转移至坩埚，在惰性气体氛围下于 370°C 退火 24 小时，产物储存于手套箱中备用。
2. CCI@10% Mn 闪烁体颗粒的合成和表征：将掺杂粉末与聚乙烯吡咯烷酮（PVP）按 9:1 的重量比在研钵中充分混合，在 2 吨压力下用液压机压制，得到直径 13mm 的圆形光滑颗粒，通过增减材料可调整厚度。

资源可用性

如需进一步的信息、数据和资源，可联系主要联系人 Omar F. Mohammed（[e-mail]）。本研究未生成新材料，所有数据在文章及补充信息中均可获取，论文未报告原始代码，如需重新分析数据的额外信息，可向主要联系人索取。

致谢

作者感谢 KAUST 研究转化基金和 NEOM 海洋科学与解决方案应用研究所以及 5476 号资助项目的支持。

作者贡献

S.K. 负责印刷电路板（PCB）设计、编程、X 射线测量、实验、数据采集、移动应用设计和手稿准备；J.I.d.O.F. 参与 PCB 设计、编程、数据采集和手稿修订；M.C.F. 进行实验、X 射线测量、数据采集、扫描电子显微镜（SEM）分析和手稿修订；T.H. 参与 RL 实验和材料合成；Y.Z. 负责材料合成；M.A. 进行项目管理和监督；K.N.S. 和 O.M.B. 协助指导写作、审核和编辑手稿；O.F.M. 监督项目、分析实验数据并参与手稿准备。

利益声明

O.M.B. 是开发光电器件的 Quantum Solution 公司的创始人。