基于手机中单个电阻器的红色热释光（RTL）技术的回顾性辐射剂量测量

《Radiation Measurements》：Retrospective dosimetry based on red Thermoluminescence (RTL) of a single resistor from mobile phones

　　

亚历克西斯·马福达（Alessia Mafodda）| 克莱门斯·沃达（Clemens Woda）

亥姆霍兹慕尼黑中心，辐射医学研究所，85764纽赫贝格，德国

摘要

在欧洲项目CONFIDENCE（“应对不确定性，以改进核紧急情况下的建模和决策”）的框架下，利用安装在手机电路板上的表面贴装电阻器所使用的氧化铝（Al₂O₃）基板的剂量学特性，进一步开发了一种新的回顾性剂量测量方法。这些电阻器在695纳米波长下因Cr³⁺的发射而表现出强烈的发光特性，从而可以在红色检测窗口（RTL）中进行热释光（TL）测量。与早期使用蓝色或紫外线检测的TL和OSL协议相比，该方法显著提高了灵敏度，使得在低剂量区域（10-100 mGy）内仅通过一个电阻器即可完成测量。该电阻器在测量后可以被替换，而手机本身不会受到损坏。研究了可能影响该方法精度的因素，如材料本身的干扰信号（零剂量）、信号随时间的衰减以及与仪器相关的不确定性。对完整智能手机的辐照实验表明，该方法能够分别在暴露后当天、第3天和第7天对单个电阻器的剂量进行评估。

引言

在发生放射紧急情况时，人们通常没有合适的设备来监测电离辐射，常规的剂量评估方法也无法使用（ICRU，2002年）。因此，理想的回顾性剂量测量对象是那些由于其剂量学特性而在特定情况下可以充当临时剂量计的个人物品（Woda等人，2012年）。过去十年中，研究主要集中在日常生活中佩戴或放置在身体附近的常见物品上，如不同类型纤维制成的衣物、香烟、纸币和硬币（Sholom和Mckeever，2014年；Sholom等人，2011年），以及便携式电子设备（Fleuriot和Bassinet，2024年；Discher等人，2023年；ICRU，2019年；Beerten等人，2009年）。后者是一个宝贵但具有挑战性的信息来源，因为电路板上的电子元件（如电感器和表面贴装电阻器SMR）含有氧化铝（Al₂O₃）基材。氧化铝的发光特性已通过光刺激发光（OSL）得到了广泛研究，并达到了相当的成熟度和标准化水平（Bassinet等人，2014年）。特别是对于电阻器，现在已有成熟的制备和测量样品的协议，实验室间在重建未知低剂量（<1 Gy）、中等剂量（1–2 Gy）和高剂量（> 2 Gy）方面的比较也取得了大约90%的成功率（Bassinet等人，2014年）。来自电阻器的OSL读数在灵敏度、低本底辐射和衰减特性的均匀性方面也得到了充分验证（Geber-Bergstrand等人，2018年；Bassinet等人，2014年；Mrozik等人，2014b年；Ekendahl和Judas，2012年；Beerten等人，2011年；Inrig等人，2008年）。相反，很少有研究深入探讨热释光（TL）在这些电子元件上的应用可能性（Panda等人，2025年；Lee等人，2024年；Mesterházy等人，2012年；Beerten等人，2009年；Beerten和Vanhavere，2008年）。这种知识的缺乏可能会影响那些仅配备普通TL读数的国家辐射防护机构，因为这些读数器没有配备专门的光刺激装置。此外，以往关于电阻器TL信号的研究通常针对的是在紫外线或蓝色检测窗口下的测量。为了获得足够的灵敏度，测量通常需要对多达十个电阻器同时进行（Ademola和Woda，2017年）。这种方法的一个局限性在于手机在测量过程中可能会被破坏，因此可能不被大众广泛接受。另一个问题是，现代手机的构造趋势是内置的电阻器数量越来越少，这给样本采集带来了困难。

在最近的一项研究（Woda和Discher，2026年）中，研究者尝试通过在新的检测窗口（红色热释光——RTL）下研究电阻器的发光特性来克服上述问题。相同研究以及Lee等人（2017年）的详细光谱研究表明，当电阻器受到1 kGy（Lee等人，2017年）或0.1 kGy（Woda和Discher，2026年）的辐照时，会发出330纳米和420纳米处的发射峰，这些峰与氧空位中心（F+和F中心）有关，而在红色区域（695纳米）的强发射主要由三价铬离子Cr³⁺引起（Kusuma等人，2019年）。未经掺杂的Al₂O₃中的这种发射强度是其他发射的两倍。Woda和Discher（2026年）对Cr³⁺发射的剂量学特性进行的初步研究表明，在185°C下的剂量响应呈线性，但在理想条件下进行的剂量恢复测试中，剂量估计值略有但显著地高出了约7%。这归因于反复的剂量和测量循环导致的灵敏度下降，需要进一步研究。使用4-10个电阻器对热退火样品的理论检测限估计低于1 mGy，但未暴露样品中的零剂量（固有本底剂量）信号使这一数值上升到了约10 mGy。因此，与使用蓝光波长范围的TL或OSL相比，利用红色TL对电阻器进行剂量评估并不一定能降低检测限，但可以减少所需电阻器的数量，同时保持相似的灵敏度水平。

在本研究中，首次基于“0402”型电阻器（尺寸1毫米×0.5毫米×0.35毫米）开发了一种新的测量协议，这种电阻器具有非破坏性的潜力。对单个组件的采样允许在测量后将其替换，从而使手机保持正常工作状态且不受损坏。因此，考虑了该方法是否被公众广泛接受的问题。使用单个电阻器作为剂量测量工具涉及一些特定问题，例如零剂量信号的变化性和单个电阻器处的衰减率变化性，这些问题需要解决才能实现可靠的应用。此外，还研究了测量循环导致红色TL灵敏度下降的原因以及通过改进样品制备协议来克服这一问题的方法。最后，优化了使用RTL技术在低剂量范围（10–100 mGy）内重建个体剂量的方法，并通过使用完整智能手机进行了多次试验验证。

章节摘录

材料与方法

表面贴装电阻器“0402”是从不同型号和品牌的电子电路板中提取的。除了在白光下进行了一次初步的清洁程序外，所有样品的制备都是在暗室条件下、在弱光环境下完成的，以避免光线引起的电荷从深层陷阱转移到剂量测量陷阱中（Beerten等人，2009年）。提取后，样品经过清洁，并将陶瓷面朝...

样品制备程序

Ademola和Woda（2017年）描述的20分钟丙酮清洗程序的有效性也在Woda和Discher（2026年）的研究中得到了验证，他们通过评估RTL信号的可重复性来测试了这一程序。目标样品是从电路板上提取的电阻器，这些电阻器可能带有焊锡 mask的残留物，以及来自AGL Technology GmbH的商用样品套件中的无粘合剂的电阻器。样品制备在正常白光条件下进行...

结论

本研究开发并评估了一种基于手机表面贴装电阻器红色热释光（RTL）的新回顾性剂量测量协议，旨在重建与大规模放射紧急情况相关的外部伽马射线暴露情况。Cr³⁺在695纳米处的发光具有高信号强度，实现了单个电阻器级别的剂量评估——这是一种破坏性最小的方法，可以保持原始设备的完整性...

CRediT作者贡献声明

克莱门斯·沃达（Clemens Woda）：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念化。亚历克西斯·马福达（Alessia Mafodda）：撰写——初稿、方法论、研究、数据分析、概念化

未引用参考文献

Fleuriot和Bassinet，2024年；Mrozik等人，2014年；Sholom和Mckeever，2014年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的会影响到本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

Euratom研究和培训计划（2014年–2018年）的资助，资助协议编号为662287。