252Cf中子后裝治療機(jī)劑量測量方法初步研究*

李明生 程金生*

252Cf中子后裝治療機(jī)劑量測量方法初步研究*

李明生① 程金生①*

目的：研究252Cf中子后裝治療機(jī)中子-γ射線混合場的中子和γ射線劑量測量方法。方法：利用一個對中子和γ射線靈敏度響應(yīng)基本相同的組織等效電離室和一個僅對γ射線響應(yīng)而對中子基本無響應(yīng)的石墨電離室測量中子-γ射線混合場劑量，并應(yīng)用計(jì)算值驗(yàn)證測量結(jié)果。結(jié)果：通過計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)，測量出距離放射源分別為2.5 cm、5 cm、7.5 cm和10 cm處的中子劑量率和γ射線劑量率，其測量值與計(jì)算值相比最大偏差為-5.22%。結(jié)論：應(yīng)用雙電離室方法可精確測量中子-γ射線混合場。

252Cf中子后裝治療機(jī)；中子-γ射線混合場；雙電離室法；劑量值

[First-author’s address]National Institute for Radiological Protection, Chinese Center for Disease Control and Prevention, Beijing 100088, China.

252Cf中子源是一種自發(fā)裂變中子源，具有放射出的快中子相對生物效能(relative biological effectiveness，RBE)較高、氧增強(qiáng)比(oxygen enhancement ratio，OER)低等特點(diǎn)，同時(shí)伴有瞬發(fā)γ射線，針對組織缺氧及輻射不敏感的腫瘤比γ射線更加有效[1]。近年來，應(yīng)用252Cf中子源后裝方法治療腔道內(nèi)腫瘤的技術(shù)在國內(nèi)得到了較快發(fā)展，其原理是利用252Cf中子源的中子及伴生的γ射線殺死腫瘤組織。在放射治療中需要精確獲得不同位置的劑量值，以達(dá)到最佳治療效果，252Cf中子源發(fā)射的中子-γ射線混合場的劑量測量是關(guān)鍵要素。在國內(nèi)中子-γ射線混合場測量中尚無詳細(xì)方法與明確的標(biāo)準(zhǔn)；國際上通常采用雙電離室法測量中子-γ射線混合場。本研究應(yīng)用雙電離室測量中子-γ射線混合場的方法測量252Cf中子后裝治療機(jī)的中子劑量率和γ射線劑量率，并對測量結(jié)果與計(jì)算值進(jìn)行了對比驗(yàn)證。

1 中子-γ射線混合場測量

1.1252Cf中子源

252Cf中子源為人工合成的放射性核素，其發(fā)射中子、γ射線、β粒子和α粒子。252Cf中子源約97%發(fā)生α衰變，約3%發(fā)生自發(fā)核裂變，其活度為1.98×107Bq/μg，半衰期為2.645年。252Cf中子源以μg為單位，單位μg中子發(fā)射率為2.314×106中子/s。252Cf的中子能量為連續(xù)能譜形式，其平均能量為2.1 MeV，γ射線平均能量為0.75 MeV[2-3]。

1.2 雙電離室

國際上通常采用兩個對中子與γ射線響應(yīng)不同的電離室測量中子-γ射線混合場。電離室工作的基本原理為：電離室通有高壓，當(dāng)電離室處于中子-γ射線混合場時(shí)，其壁及空腔內(nèi)氣體被電離，電離室收集被電離的粒子，通過收集電荷來確認(rèn)輻射場劑量大小。電離室收集的電荷主要是電離室壁產(chǎn)生的次級帶電粒子(如電子、質(zhì)子等)，因此不同材料的電離室對中子和γ射線具有不同的響應(yīng)。

雙電離室技術(shù)最早由Attix[3]提出，隨后其他國家的研究人員利用該項(xiàng)技術(shù)測量了BNCT中子-γ射線混合場劑量值[4-6]，我國研究人員利用雙電離室技術(shù)測量了252Cf中子-γ混合場的劑量值[7]。本研究采用Far west公司生產(chǎn)的IC-17組織等效電離(組織等效材料A-150，電離室以T表示)與IC-17G石墨電離室(石墨材料C，電離室以U表示)，其中組織等效電離室對中子和γ射線靈敏度響應(yīng)基本相同，石墨電離室對中子基本不響應(yīng)而對γ射線響應(yīng)。在測量中子-γ混合場時(shí)組織等效電離室需填充組織等效氣體(TE GAS：64.4% CH4，32.4%CO2，3.2%N2)，石墨電離室需要填充二氧化碳?xì)怏w，以保證測量的準(zhǔn)確性[8-10](見表1)。

表1 電離室規(guī)格

1.3 雙電離室測量方法

組織等效電離室測量值按公式1計(jì)算處理[11]。

其中DT為測量的中子劑量值與γ射線劑量值的和；DN和DG分別為中子劑量值和γ射線劑量值；MT為電離室讀數(shù)；kM為電離室修正因子；NX為校正因子；Awall為電離室壁吸收和散射的修正因子；ft為倫琴-戈瑞轉(zhuǎn)化系數(shù)；dT為替代因子；kT為組織等效電離室對中子的靈敏度響應(yīng)(公式2，公式3)。

式中r為電離室半徑，單位mm。

式中(rA-150，TEGAS)n為組織等效材料與組織等效氣體的吸收劑量轉(zhuǎn)化系數(shù)；L/ρ組織等效材料與組織等效氣體的平均限制質(zhì)量碰撞阻擋本領(lǐng)比；WN為中子碰撞產(chǎn)生的每對離子對所需能量[J/C]；WC為60Co發(fā)射光子產(chǎn)生每對離子所需能量[J/C]；KWATER/KA-150為中子在水與組織等效材料中比釋動能的比值；μen/ρ為水與組織等效材料的質(zhì)量能量吸收系數(shù)比。

δ為組織等效電離室對中子和γ射線靈敏度響應(yīng)修正因子[9](公式4)。

δ一般認(rèn)為＜0.01。公式(1)可以寫為[9，12]公式5：其中；hT為組織等效電離室對光子的靈敏度響應(yīng)。

石墨電離室計(jì)算公式也類似，如公式6所示：

利用公式(5)和公式(6)可得中子劑量計(jì)算公式7和γ射線劑量計(jì)算公式8。

2 測量結(jié)果

2.1 測量參數(shù)計(jì)算

測量中子-γ射線混合場劑量時(shí)，需要知道電離室對中子和γ射線的靈敏度響應(yīng)系數(shù)kT、kU、hU和hT值。在實(shí)際應(yīng)用中假定hU和hT＝1；kT和kU為組織等效電離室與石墨電離室對中子的靈敏度響應(yīng)，該值應(yīng)該通過純中子輻射場來測定。目前，在純中子場中測量kT和kU的難度較大，一般采用公式(3)計(jì)算kT。kU計(jì)算值缺乏準(zhǔn)確性，可直接從文獻(xiàn)獲取[13-14]。

組織等效電離室對中子的靈敏度響應(yīng)系數(shù)kT計(jì)算方法主要依據(jù)ICRU 45號報(bào)告，1.00±0.02，Wn/Wc=1.08；252Cf發(fā)射中子平均能量為2.1 MeV，依據(jù)李士俊[15]電離輻射劑量學(xué)基礎(chǔ)提供數(shù)據(jù)，kWATER/kA-150=1.033；＝1.011；將上述參數(shù)帶入公式(3)，可得到kt＝0.91。(ft)C為水中的倫琴-戈瑞轉(zhuǎn)化系數(shù)[16]：，文中m ed為水，故(ft)C＝0.974。dT為替代因子，其值與電離室體積相關(guān)[10，12]，計(jì)算方法見公式(2)。

2.2 實(shí)驗(yàn)測量

實(shí)驗(yàn)測量工作是在一臺252Cf中子后裝治療機(jī)上進(jìn)行的，測量時(shí)該機(jī)中子源含量為580.97 μg。劑量儀為PTW-UNIDOS，測量時(shí)兩個電離室置于水模體中，設(shè)定電離室中心與中子源中心處于同水平線(如圖1所示)。

圖1 252Cf中子后裝治療機(jī)劑量測量示意圖

組織等效電離室(T)與石墨電離室(U)對稱置于中子施源器兩側(cè)，電離室距源分別為2.5 cm、5 cm、7.5 cm和10 cm處，單個電離室在每個位置測得5個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)為測量平均值(見表2)。

表2 電離室測量的值(R/min)

表2中數(shù)據(jù)相當(dāng)于公式(1)中的MT，該值經(jīng)過電離室的校準(zhǔn)因子修正、溫度氣壓修正Cpt，替代因子、電離室吸收散射因子修正和倫琴-戈瑞轉(zhuǎn)化后，利用公式(7)和公式(8)對測量值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其得到的數(shù)據(jù)見表3。

表3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果(Gy/h)

表3列出了測得的252Cf中子后裝機(jī)在水模體中不同位置的中子和γ射線劑量率值。并利用計(jì)算值與測量值進(jìn)行了對比，距中子源不同位置處的計(jì)算值和測量值見表4，并計(jì)算兩者的劑量偏差。

表4 計(jì)算值與測量值的偏差

3 討論

本研究進(jìn)行了雙電離室法測量252Cf中子后裝治療機(jī)中子-γ射線混合場劑量的方法研究，計(jì)算出了相關(guān)參數(shù)，利用參數(shù)測量了距中子源不同位置處的中子和γ射線劑量率值，并與計(jì)算值進(jìn)行了對比驗(yàn)證。表4顯示，本次測量結(jié)果與計(jì)算值的最大偏差為-5.22%。結(jié)果表明，測量方法與測量參數(shù)的選取合適，利用組織等效電離室與石墨電離室可以測量中子-γ射線混合場劑量。

中子-γ射線混合場的測量時(shí)引入了較多參數(shù)，如：kT、kU、fT、dT和Awall等，每項(xiàng)參數(shù)的引入均帶來了測量結(jié)果的誤差。各項(xiàng)誤差的累積導(dǎo)致總劑量偏差達(dá)到較高的范圍。據(jù)粗略估計(jì)，各項(xiàng)因子引入的誤差達(dá)3.6%；電離室校準(zhǔn)因子NX及其溫度氣壓修正因子的誤差為1.8%；在測量時(shí)電離室的靈敏體積與源中心位置無法精確確定，電離室位置引起測量誤差可達(dá)5.0%；重復(fù)測量帶來的誤差為0.8%，加之其他因素(如源到位誤差等)致使測量結(jié)果與計(jì)算值偏差范圍從-5.22%～4.08%。

現(xiàn)階段電離室很難在純中子場中進(jìn)行中子靈敏度響應(yīng)校準(zhǔn)，相關(guān)的參數(shù)是通過計(jì)算或者直接引用文獻(xiàn)值，這給測量結(jié)果帶來了不確定性。

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Preliminary research on dosimetry methods of 252Cf neutron after-loading radiotherapymachine/

LI Ming-sheng, CHENG Jin-sheng// China Medical Equipment,2014,11(1):11-14.

Objective:To study the dose measurements methods of neutron and γ-ray for252Cf neutron after-load radiotherapy machine.Methods:To measure the neutron -γ mixed field with one ion chamber that have the similar sensitivities of neutron and γ-ray, another ion chamber that only have sensitivities for γ-ray, little sensitivity for neutron. Verification measurement results with calculated values.Results:Calculate key parameters, measure neutron and γ-ray dose rate at the position of 2.5cm, 5cm, 7.5cm and 10cm from the252Cf, the Maximum deviation is -5.22% compared with calculated values.Conclusion:The method of twin ion chamber can measure the neutron and γ-ray mixed field dose.

252Cf neutron after-loading radiotherapy machine; Neutron-γ-ray mixed field; Twine ion chambers method; Dose

1672-8270(2014)01-0011-04

R81

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.01.004

2013-10-31

衛(wèi)生行業(yè)科研專項(xiàng)(201002009)“輻射危害控制與核輻射衛(wèi)生應(yīng)急處置關(guān)鍵技術(shù)研究及其應(yīng)用”

①中國疾病預(yù)防控制中心輻射防護(hù)與核安全醫(yī)學(xué)所 輻射防護(hù)與核應(yīng)急中國疾病預(yù)防控制中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100088 *通訊作者: addila@qq.com

李明生,男,(1980- ),碩士，助理研究員。中國疾病預(yù)防控制中心輻射防護(hù)與核安全醫(yī)學(xué)所輻射防護(hù)與核應(yīng)急中國疾病預(yù)防控制中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，從事輻射防護(hù)與劑量測量工作。