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100 MeV质子束流品质诊断及剂量测量准确性评估方法研究

王巧娟 隋丽 龚毅豪 孔福全 刘建成 张艳文 韩金华

王巧娟, 隋丽, 龚毅豪, 孔福全, 刘建成, 张艳文, 韩金华. 100 MeV质子束流品质诊断及剂量测量准确性评估方法研究[J]. 原子核物理评论, 2020, 37(4): 893-900. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2020029
引用本文: 王巧娟, 隋丽, 龚毅豪, 孔福全, 刘建成, 张艳文, 韩金华. 100 MeV质子束流品质诊断及剂量测量准确性评估方法研究[J]. 原子核物理评论, 2020, 37(4): 893-900. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2020029
Qiaojuan WANG, Li SUI, Yihao GONG, Fuquan KONG, Jiancheng LIU, Yanwen ZHANG, Jinhua HAN. Study on Quality Diagnosis and Dose Measurement Accuracy Evaluation of 100 MeV Proton Beam[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(4): 893-900. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2020029
Citation: Qiaojuan WANG, Li SUI, Yihao GONG, Fuquan KONG, Jiancheng LIU, Yanwen ZHANG, Jinhua HAN. Study on Quality Diagnosis and Dose Measurement Accuracy Evaluation of 100 MeV Proton Beam[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(4): 893-900. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2020029

100 MeV质子束流品质诊断及剂量测量准确性评估方法研究

doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2020029
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(11575293);国家财政部稳定支持研究经费项目(WDJC-2019-11);中国原子能科学研究院院长基金项目(11YZ201911)
详细信息
    作者简介:

    王巧娟(1990—),女,四川乐山人,博士研究生,从事粒子物理与原子核物理研究;E-mail:w13167301357@163.com

    通讯作者: 隋丽,E-mail:lisui@ciae.ac.cn
  • 中图分类号: Q691.5

Study on Quality Diagnosis and Dose Measurement Accuracy Evaluation of 100 MeV Proton Beam

Funds: National Natural Science Foundation of China(11575293); Continuous Basic Scientific Research Project(WDJC-2019-11); China Institute of Atomic Energy Dean Foundation(11YZ201911)
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  • 摘要: 质子辐射生物学效应是太空放射生物学和质子束放疗研究的重要基础,可为空间环境下人员的危险性评估以及质子治疗优化设计提供科学依据。依托加速器建立相应的生物样本辐照技术是开展此类研究的前提条件。中国原子能科学研究院最近建立的100 MeV强流质子回旋加速器提供的中能质子束流为目前国内能量最高,特别适合用于太空放射生物学和质子治疗相关研究。本研究中,利用在束和离线等多种手段建立了中能质子束流诊断和剂量测量方法,对加速器引出的100 MeV质子照射野大小、均匀性等束流品质以及剂量测量系统准确性进行了分析和评估。结果表明,对光子剂量响应好的LiF(Mg, Ti)热释光探测器,对90 MeV质子同样具有良好的剂量响应关系,可作为中能质子剂量准确性评估的手段之一。在5.0 cm×5.0 cm照射野范围内,加速器引出的100 MeV质子束流的均匀性好于90%,在线剂量测量系统准确性好于93%,束流品质和剂量测量条件基本满足辐射生物学的要求,可为质子辐射生物学效应研究的开展提供可靠保障。
  • 图  1  (在线彩图)ZnS荧光屏上的质子束斑

    图  2  (在线彩图)照射后的剂量胶片(a)及其三维分布图(b)

    图  3  (在线彩图)TLD 7×7阵列图

    图  4  (在线彩图)γ射线与质子照射剂量胶片的灰度结果

    图  5  (在线彩图)γ射线与质子照射后剂量胶片的剂量值结果

    图  6  (在线彩图)γ射线与质子照射后TLD的剂量响应曲线

    图  7  (在线彩图)质子辐照装置简化示意图

    图  8  (在线彩图)Geant4模拟100 MeV质子在束线不同位置处产生的n/p、γ/p结果

    表  1  FC均匀性在线统计结果

    位置FC计数/N注量率/(particles/cm2/s)平均注量率
    束流中心293.69.7×1069.7×106
    左上角282.49.4×106标准差
    右上角290.99.6×1062.5×105
    左下角301.710.0×106均匀性
    右下角299.29.9×10697.4%
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    表  2  TLD均匀性统计结果

    区域面积/cm2均值±SD均匀性
    C2, I8(7×7)5.2×5.2102.5±9.390.9%
    D3, H7(5×5)3.7×3.7107.9±4.495.9%
    E4, G6(3×3)2.2×2.2110.8±2.597.6%
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    表  3  热释光片剂量准确性统计结果

    剂量/Gyγ射线均值±SD质子均值±SD校正剂量/Gy偏差/%
    0.549.1±3.150.9±3.55.2×10–14.0
    196.5±6.1106.2±6.71.110.0
    2194.3±8.5216.6±9.82.210.0
    4389.5±6.8419.6±4.54.37.5
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    表  4  理论模拟次级中子和γ射线产生的剂量值

    剂量/Gyγ射线/Gy中子/Gy共计剂量/Gyγ偏差/%共计偏差/%
    0.52.6×10–490.2×10–492.9×10–40.5×10–11.9
    15.3×10–4180.5×10–4185.8×10–40.5×10–11.9
    210.5×10–4361.0×10–4371.5×10–40.5×10–11.9
    421.1×10–4722.0×10–4743.1×10–40.5×10–11.9
    842.1×10–41444.0×10–41486.1×10–40.5×10–11.9
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    WANG Genliang, QI Zhangnian, CHEN Mei, et al. Space Medicine & Medical Engineering, 2000, 13(1): 42. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1002-0837.2000.01.010
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    WANG Genliang, QI Zhangnian, CHEN Mei, et al. Space Medicine & Medical Engineering, 2001(02): 78. (in Chinese) doi:  0.3969/j.issn.1002-0837.2001.02.018
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-05-11
  • 修回日期:  2020-07-22
  • 刊出日期:  2020-12-30

100 MeV质子束流品质诊断及剂量测量准确性评估方法研究

doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2020029
    基金项目:  国家自然科学基金资助项目(11575293);国家财政部稳定支持研究经费项目(WDJC-2019-11);中国原子能科学研究院院长基金项目(11YZ201911)
    作者简介:

    王巧娟(1990—),女,四川乐山人,博士研究生,从事粒子物理与原子核物理研究;E-mail:w13167301357@163.com

    通讯作者: 隋丽,E-mail:lisui@ciae.ac.cn
  • 中图分类号: Q691.5

摘要: 质子辐射生物学效应是太空放射生物学和质子束放疗研究的重要基础,可为空间环境下人员的危险性评估以及质子治疗优化设计提供科学依据。依托加速器建立相应的生物样本辐照技术是开展此类研究的前提条件。中国原子能科学研究院最近建立的100 MeV强流质子回旋加速器提供的中能质子束流为目前国内能量最高,特别适合用于太空放射生物学和质子治疗相关研究。本研究中,利用在束和离线等多种手段建立了中能质子束流诊断和剂量测量方法,对加速器引出的100 MeV质子照射野大小、均匀性等束流品质以及剂量测量系统准确性进行了分析和评估。结果表明,对光子剂量响应好的LiF(Mg, Ti)热释光探测器,对90 MeV质子同样具有良好的剂量响应关系,可作为中能质子剂量准确性评估的手段之一。在5.0 cm×5.0 cm照射野范围内,加速器引出的100 MeV质子束流的均匀性好于90%,在线剂量测量系统准确性好于93%,束流品质和剂量测量条件基本满足辐射生物学的要求,可为质子辐射生物学效应研究的开展提供可靠保障。

English Abstract

王巧娟, 隋丽, 龚毅豪, 孔福全, 刘建成, 张艳文, 韩金华. 100 MeV质子束流品质诊断及剂量测量准确性评估方法研究[J]. 原子核物理评论, 2020, 37(4): 893-900. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2020029
引用本文: 王巧娟, 隋丽, 龚毅豪, 孔福全, 刘建成, 张艳文, 韩金华. 100 MeV质子束流品质诊断及剂量测量准确性评估方法研究[J]. 原子核物理评论, 2020, 37(4): 893-900. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2020029
Qiaojuan WANG, Li SUI, Yihao GONG, Fuquan KONG, Jiancheng LIU, Yanwen ZHANG, Jinhua HAN. Study on Quality Diagnosis and Dose Measurement Accuracy Evaluation of 100 MeV Proton Beam[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(4): 893-900. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2020029
Citation: Qiaojuan WANG, Li SUI, Yihao GONG, Fuquan KONG, Jiancheng LIU, Yanwen ZHANG, Jinhua HAN. Study on Quality Diagnosis and Dose Measurement Accuracy Evaluation of 100 MeV Proton Beam[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(4): 893-900. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2020029
    • 随着人类对太空的不断探索,空间站任务、载人登月、深空探测的不断发展,人类驻留空间的时间逐渐延长,空间复杂的辐射环境已成为制约载人深空探测发展的重要因素之一[1]。质子是空间辐射的主要成分:98%的银河宇宙射线是由质子和重离子组成,其中质子占87%[2-3];太阳粒子事件中,质子占90%~95%[2-3]。当前,我国即将进入空间站时代,开展质子辐射生物学效应研究对保障宇航员的生命安全和航天任务的顺利完成具有重要意义。此外,近年来,全球癌症的发病率呈现持续升高的总体趋势,癌症已成为全球性的公共卫生问题。据美国癌症学会发表的《2018年全球癌症统计数据》报告[4]显示:2018年全球将有大约1 810万癌症新发病例和960 万癌症死亡病例;其中我国新发病率占23.7%,死亡率占30%,居全球第一[5]。普通放疗是治疗肿瘤的重要手段之一[6],已取得了明显成效,但由于X或γ射线是以指数形式衰减,射程无法控制,所以对浅层组织和肿瘤后的正常组织损伤较大,而且由于其生物学效应低,很容易使肿瘤出现放射抗拒而使治疗失败。而质子束由于深度剂量分布在接近射程末端时具有Bragg峰的特点,在此处的传能线密度(Linear Energy Transfer, LET)高,能量沉积密集,局部剂量大,可有效增加对肿瘤的杀伤效果及减少对周围正常组织的损伤,已成为国际上治疗肿瘤的重要物理疗法之一[7-8]。因此,开展质子辐射生物学基础研究对于其临床应用的优化意义重大。

      而不论是空间辐射环境危害的预估和防护对策研究,还是质子治癌的基础性和先导性研究,都需要依托加速器辐照装置建立适宜于生物学效应研究的辐照技术,其中束流品质诊断和剂量测量技术是重要研究内容之一。例如,法国Institut de Physique Nucléaire de Lyon(IPNL)利用离子注入型钝化硅半导体(Passivated Implanted Planar Silicon,PIPS)探测器、闪烁纤维探测器和剂量胶片对质子辐照装置Radiograaff的生物研究终端引出的质子束流品质进行诊断[9];美国空间辐射实验室(NASA Space Radiation Laboratory,NSRL)利用透射电离室、标准电离室和塑料闪烁体[10-11],美国Lawrence Berkeley国家实验室[12]利用法拉第筒(Faraday Cylinder, FC)、透射电离室和塑料闪烁体探测器,加拿大TRIUMF大学[13]利用法拉第筒、二次电子发射监督器(Secondary Electron Emission Monitor, SEEM)和塑料闪烁体探测器对引出的束流进行了诊断。在临床放疗中,对于治疗束的体内射程、平均剂量率、照射野尺寸和均匀度等物理学特性有着严格的规定,利用最新的GAFCHROMICTM EBT系列胶片分析照射野剂量分布的报道很多,如:Sorriaux 等[14]利用EBT3对放疗中的光子、电子及质子束的均匀性等特性进行了研究; Krzempek等[15]利用EBT对质子治疗的剂量分布进行了研究;王志斌等[16]利用EBT3胶片对医科达Leksell Gamma Knife PerfexionTM 头部伽马刀辐射场的半影、焦点剂量、照射野大小等进行了研究。在空间辐射剂量测量中,需要利用多种探测方法、多种探测仪器,相互补充、相互验证才能给出更可靠的空间辐射剂量学数据,热释光探测器(Thermo-Luminescent Detector,TLD)是主要使用的被动探测器之一,例如Matroshka实验装置是目前关于应用TLD进行空间探测的最大拟人化人体躯干研究设施,2004年,在国际空间站上利用装有数千个TLD的Matroshka直立人体模型对宇航员舱内活动和出舱活动(Extra-Vehicular Activity, EVA)进行了模拟,获得了不同深度不同器官的辐射剂量分布。TLD测量法已被证明是空间辐射剂量学研究的优选方法之一,是测量累积剂量首选的探测器之一[17-18]

      目前,国内在质子束流品质诊断和剂量测量技术方面,主要是中国原子能科学研究院和北京大学依托串列加速器开展的低能质子相关研究并已应用于辐射生物学研究[19-20]中,对于中能质子,由于之前一直缺乏能量合适的加速器设备和实验终端,尚未开展相关应用研究。2016年底,基于中国原子能科学研究院100 MeV强流质子回旋加速器的单粒子效应实验终端建设完成,为中能质子辐照技术和辐射生物学效应提供了研究平台。其引出的质子能量为30~100 MeV,能谱范围宽,十分适合用于模拟空间站辐射环境,同时也特别适用于浅层肿瘤(如皮肤癌、口腔癌、眼癌和鼻咽癌等)治疗相关研究,以及与治癌相关的辐射生物学基础研究。本研究以此为出发点,利用荧光屏、SEEM-FC在线测量方法,剂量胶片、热释光探测器离线分析方法和理论模拟计算,对单粒子效应实验终端引出的质子束流的物理特性,如照射野大小、束流均匀性,以及建立的SEEM-FC在线剂量测量系统的准确性进行分析和评估,探讨单粒子效应实验终端用于辐射生物学效应研究的适用性。

    • 购自美国ASHLAND公司生产的GAFCHROMICTM EBT3 胶片,尺寸: 25.4 cm×20.3 cm;购自北京瑞福特公司的CTLD-100天然LiF(Mg,Ti) TLD,规格尺寸:4.0 mm×4.0 mm×0.8 mm,分散性:经前期筛选实验,挑选出分散性好于3%的TLD用于本实验。

    • 为了得出热释光元件读数与剂量的关系,需要利用标准放射源对热释光元件进行刻度,得出剂量刻度因子。利用国防科工委放射性计量一级站的国家二级标准60Co γ放射源,以0, 0.02, 0.05, 0.1, 0.5, 0.8, 1, 2和4 Gy的不同剂量,照射经BR2000A(北京海阳博创辐射防护科技有限公司)退火炉退火处理后的CTLD-100。照射后,放置于铅盒内静置24 h后,使用RGD-3B热释光读出仪(北京海阳博创辐射防护科技有限公司)对发光数进行测量,统计热释光元件各剂量点读数的平均值和标准偏差,以实际剂量为横坐标,发光读数为纵坐标,作出拟合曲线,求出拟合方程,拟合方程通式为y=A+Bx,其中B为剂量刻度因子。

    • 采用国防科工委放射性计量一级站的标准60Co γ放射源,以0, 0.5, 1, 2, 4和8 Gy的不同剂量,照射EBT3剂量胶片。照射后,放置至少4倍照射时间后,使用日本EPSON公司生产的Expression 12000XL扫描仪,按照统一固定的方向对剂量胶片进行扫描获得胶片的图像,之后利用ImageJ图像分析软件[21]对胶片的颜色灰度值分布进行分析,作出灰度与γ照射剂量的响应标准曲线。

    • 质子实验在中国原子能科学研究院100 MeV强流质子回旋加速器的单粒子效应实验终端进行,该终端可实现质子能量在30~100 MeV范围快速可调,注量率在105~1012 particles/cm2/s范围连续可调[22]。在实验中,回旋加速器引出的100 MeV能量的质子束流,依次经四极磁铁、狭缝完成束流初次均匀化,双环双散射靶二次均匀化[23]后由钛窗引入大气,再通过SEEM和5.0 cm×5.0 cm限束光阑,到达探测器或样品表面,此时的能量降为90 MeV,对应的在水中的LET为0.8 keV/μm。研究中选用的注量率为1.0×107 particles/cm2/s,对应的剂量率为0.8 Gy/min,为辐射生物学研究较常使用的剂量率范围。

    • 利用激光定位系统分别对FC、ZnS荧光屏、剂量胶片、TLD点阵的中心进行定位。在实验过程中,首先以上游SEEM作为监督探测器,将FC移至束流中心位置,利用FC和SEEM同时测量注量,获得注量比例关系:

      $$ K=\frac{{N}_{\mathrm{F}\mathrm{C}}}{N\times S}, $$ (1)

      式中: NFCN分别为FC、SEEM所测得的质子计数;S为FC探测器准直孔面积(此处为3.14 cm2)。K值在一定时间内可认为为恒值。接着,在进行剂量胶片、TLD等样品照射时,将FC移开束流中心,将样品移至束流中心,以SEEM作为监督器监测束流,通过K值反推即可获得样品处照射注量。样品照射注量的计算公式为:

      $$F = K \times N',$$ (2)

      式中:F为样品的实际监测注量;N′为监督探测器SEEM的实际计数。

    • 在线测量:首先,在加速器供束条件下,利用ZnS荧光屏粗略观察质子束斑形状,在确定中心位置后,在5.0 cm×5.0 cm范围内,以15 mm为间隔(FC的开口直径为20 mm),将FC分别移至照射野的中心和四角位置,记录各个位置60 s内的计数N,按式(3)计算照射野的均匀性:

      $$\begin{split}&\bar X{\rm{ = }}\frac{{\sum\limits_{i = 1}^k {{N_i}} }}{k},\sigma {\rm{ = }}\sqrt {\frac{1}{{{\rm{k}} - 1}}\sum\limits_{i = 1}^k {{{({N_i} - \bar N)}^2}} } ,\\&{\text{均匀性}}\left( \% \right) = \left( {1 - \frac{\sigma }{{\bar N}}} \right)1 - \frac{\sigma }{{\bar N}},\end{split}$$ (3)

      式中:$\bar X$k次测量的平均值;k为测量次数;${N_{\rm{i}}}$为第i次测量的结果;$\sigma $为标准偏差。

      离线测量:质子束流以水平方向入射,分别对置于样品架上的7.0 cm×7.0 cm大小的剂量胶片,7×7阵列(共49片)摆放、最大面积为5.2 cm×5.2 cm的TLD探测器进行照射。以上游的SEEM作为监督器,对照射到胶片和TLD探测器上的剂量进行监测。照射剂量由式(4)计算得到:

      $$D{\rm{ = }}\frac{{1.6 \times {{10}^{ - 9}} \times {\rm{LET}} \times F}}{\rho },$$ (4)

      式中:D(Gy)为吸收剂量;LET(keV/$ \mathrm{\mu }\mathrm{m} $)为质子在生物介质中(以水替代)的传能线密度;F(particles/cm2)为质子注量;$ \rho $($ \mathrm{g}/ $cm3)为水的密度。

      照射后,将剂量胶片保存于避光处,4倍照射时间后分析胶片的灰度分布,获得二维和三维位置关系图;TLD置于铅盒内,24 h后,用RGD-3B热释光读出仪进行测量,使用式(3)对实验数据进行计算,获得束流均匀性的相关信息。

    • 离线分析:用剂量胶片和TLD评估质子束流剂量监测的准确性。以不同剂量0, 0.5, 1, 2, 4, 8 Gy和0, 0.5, 1, 2, 4 Gy分别照射剂量胶片和TLD。照射结束后,使用与均匀性测量相同的分析方法进行数据处理,并将测量结果与标准钴源标定的剂量曲线进行比较和分析。

      理论模拟计算:100 MeV回旋加速器产生的质子能量较高,在束流传输的过程中质子会与束流线上的多个金属元件以及管道发生碰撞,通过发生核反应产生一定量的次级粒子,如中子和γ射线。这些次级粒子可能会影响剂量测量的准确性,并造成额外剂量贡献,需要对其进行评估。但由于这些次级粒子的能谱范围宽,较难通过实验手段实现准确测量。本研究中利用蒙特卡罗模拟程序Geant4,对100 MeV质子束流在传输过程中产生的主要次级粒子中子、γ射线进行模拟计算。根据单粒子实验装置的实际情况,经相应的简化后,以流强为1 nA的100 MeV质子为源项,沿束流传输方向依次添加关键几何体,如管道、双环双散射靶、钛窗、SEEM等,根据实际距离进行模拟,获得在目标位置处(探测器或样品处)中子与质子、γ射线与质子的数目比值,并以此比值对次级粒子产生的剂量贡献进行分析和估算。

    • 束流照射野的均匀性是影响辐射生物学效应生物学终点的重要因素。以细胞存活率为例,相关理论研究表明,当照射野均匀度大于95%,方可将实际的照射野作为理想情况处理,受不均匀照射野照射,细胞存活率高于理想照射条件的结果,均匀度越差细胞存活率越大[24]。因而,采用在线测量和离线测量两种分析方法,对束流均匀性进行对比分析,其结果如下:

      在线测量结果:图1为实验终端样品架上ZnS荧光屏处90 MeV质子的束斑形状,从图中可看出,此时荧光屏发光均匀,束流中心位置未偏移,照射野面积约为5.0 cm ×5.0 cm。表1为FC在X-Y平面以15 mm为间隔,在照射野的中心和四角位置处,通过3次测量得到的注量率的平均结果,可见,在5.0 cm×5.0 cm范围内,束流均匀性约为97.4%。

      图  1  (在线彩图)ZnS荧光屏上的质子束斑

      表 1  FC均匀性在线统计结果

      位置FC计数/N注量率/(particles/cm2/s)平均注量率
      束流中心293.69.7×1069.7×106
      左上角282.49.4×106标准差
      右上角290.99.6×1062.5×105
      左下角301.710.0×106均匀性
      右下角299.29.9×10697.4%

      离线测量结果:剂量胶片作为放射治疗中分析剂量分布的常用方法,其结果具有同时性,即照射后立即显色,且受照剂量越大,颜色越深。图2(a)是1 Gy质子照射后的剂量胶片图像,胶片的变色区域为正方形,其几何中心与束流中心基本重合,变色面积约为5.1 cm×5.1 cm,这与限束光阑大小基本吻合;胶片变色区域整体灰度较均匀,仅边缘区域灰度较浅,这可能是由于质子穿过限束光阑时,打到光阑边缘发生散射所造成;在灰度分布三维图2(b)中,同样也可以看到,整体较为均匀,边缘区域略不均匀。剂量胶片结果与ZnS荧光屏显示结果较为一致。通过对剂量胶片进行灰度分析,得到中心5.0 cm×5.0 cm范围内均匀性为94.1%,与FC在线扫描结果基本符合。

      图  2  (在线彩图)照射后的剂量胶片(a)及其三维分布图(b)

      TLD具有灵敏度高、量程范围宽、受环境因素影响小和重复使用性好等优点,常用于测量α、β、γ和中子等多种核辐射,被广泛用于辐射防护、放射医学和放射生物学等领域[25],是探测低LET辐射的主要被动探测器。根据王根良等[26-27]的理论计算,当LiF(Mg,Ti)的厚度为0.8 mm时,其对50~100 MeV质子的热释光效率为1.0,此时无厚度效应;因而从理论上讲,可以使用TLD进行90 MeV质子的测量。

      以TLD阵列中心为原点,如图3所示,利用均匀性式(3),分别计算TLD阵列测得的不同区域的均匀性,由表2可知,在中心3.7 cm×3.7 cm(阵列5×5)和2.2 cm×2.2 cm(阵列3×3)范围内均匀性分别为95.9%和97.6%,这与剂量胶片及FC在线测量获得的结果较为一致,也与本实验室利用SEU监测器测量的在2 cm×2 cm范围内的均匀性为95.7%相一致[22]。由于TLD是阵列排布,无法获得连续面积的均匀性,当统计范围从3.7 cm×3.7 cm增至5.2 cm×5.2 cm(大于限束光阑)时,由于散射问题及束斑面积原因,导致边缘TLD的测量数据减小而离散度增加,均匀性变差,为90.9%。结合TLD本身的分散性为3%,可以认为,束流中心5.0 cm×5.0 cm范围内束流均匀性好于90.9%。

      图  3  (在线彩图)TLD 7×7阵列图

      表 2  TLD均匀性统计结果

      区域面积/cm2均值±SD均匀性
      C2, I8(7×7)5.2×5.2102.5±9.390.9%
      D3, H7(5×5)3.7×3.7107.9±4.495.9%
      E4, G6(3×3)2.2×2.2110.8±2.597.6%

      综上所述,利用在线与离线手段相结合所监测的数据表明,在束流中心5.0 cm×5.0 cm范围内,束流均匀性好于90%,可基本满足照射细胞时对束流均匀性的要求[24],使得在内径为5.0 cm的培养皿或面积为5.0 cm×5.0 cm的培养瓶内培养的所有单层细胞都能接受到剂量基本一致的照射,进而确保实验数据的准确性。

    • 利用与束流均匀性相同的分析方法对剂量胶片和TLD的离线测量数据进行处理,将获得的数据与利用标准钴源标定的剂量曲线进行对比,评估90 MeV质子照射的剂量准确性。

      图4所示,为剂量胶片经不同剂量照射后的离线分析的灰度结果(均已扣除本底)。质子照射剂量值与灰度的近似拟合公式为:${\rm{Gray}} = 190.4 - 12.6(1 - {{\rm{e}}^{ - {\rm{Dose}}/0.4}}) - 80(1 - {{\rm{e}}^{ - {\rm{Dose}}/3.3}})$,可以看到,质子与标准γ射线在相同剂量下的灰度值基本吻合,最大偏差在1.4%以内。由于剂量胶片没有能量响应,对质子、γ射线等的响应可认为是一致的,因而,可直接利用γ射线标定的灰度-剂量标准曲线,绘制质子照射后剂量胶片灰度对应的剂量曲线,并以理论照射剂量为横坐标,剂量胶片测得的剂量为纵坐标绘图,如图5所示。可见,质子在0.5~8 Gy时,与γ射线的标准曲线基本重合,偏差在5.5%以内。

      图  4  (在线彩图)γ射线与质子照射剂量胶片的灰度结果

      图  5  (在线彩图)γ射线与质子照射后剂量胶片的剂量值结果

      TLD的离线测量结果如图6所示,可以看到,对于质子,照射剂量与热释光读出仪的测量计数具有良好的线性响应关系,与标准γ射线相一致,其中标准γ射线的拟合公式为:$y \!=\! 98.2x{\rm{ - }}0.14$,质子的拟合公式为:$y \!=\! 105.29x{\rm{ - }}0.84$,质子的剂量刻度因子相比标准γ射线,其偏差为7%。如表3所列,为测量得到的质子与γ射线的实验数据(均已扣除本底),可见,相对于γ射线,TLD测得的质子剂量的偏差均为正偏差,在0.5~4 Gy范围内最大偏差10%。分析造成测量偏差的原因可能如下:① 可能是由于在照射过程中,质子与管道、散射靶等发生核反应产生的伴随γ射线导致(实验所用TLD为7LiF,与中子不反应,故不考虑中子),其剂量贡献值将在后面的模拟计算中进行估算;② TLD本身具有3%的分散性,这也是造成测量偏差的一个原因。总的来看,LiF(Mg,Ti) TLD对90 MeV质子剂量响应性好,可用于中能质子注量测量准确性评估,这与王根良等[26-27]的理论计算结果相一致。

      图  6  (在线彩图)γ射线与质子照射后TLD的剂量响应曲线

      表 3  热释光片剂量准确性统计结果

      剂量/Gyγ射线均值±SD质子均值±SD校正剂量/Gy偏差/%
      0.549.1±3.150.9±3.55.2×10–14.0
      196.5±6.1106.2±6.71.110.0
      2194.3±8.5216.6±9.82.210.0
      4389.5±6.8419.6±4.54.37.5

      利用蒙特卡罗模拟程序Geant4[23]对质子束流在传递过程中与管道、散射靶等物质反应产生的次级粒子(主要是伴随γ射线和中子)进行简化模拟,根据如图7所示的单粒子束线管道的分布,依次增加关键几何体,得到如图8所示,目标位置处产生的中子与质子数目比值(n/p)、γ射线与质子数目比值(γ/p)的变化情况,可见,在SEEM处,n/p和γ/p分别为1.2×10–3和1.4×10–4,该比例为归一至单个质子入射的情况,因而不随入射粒子数的变化而变化。利用式(4),根据不同剂量值照射的质子注量,对次级粒子的剂量值进行估算,其中γ射线的LET(对应于水中)为0.3 keV/μm,次级中子由于在0~100 MeV能量范围内均有,大部分在20 MeV以下,而各能量的中子产生的剂量难以估算,故以常用的14 MeV(对应于水中LET为12 keV/μm)中子作估算。估算结果如表4所列,次级γ射线造成的剂量偏差为0.05%,次级中子造成的剂量偏差为1.85%,次级粒子的剂量主要由中子贡献。在考虑TLD本身的分散性的情况下,可得次级γ射线造成的TLD的剂量偏差为3.0%;次级γ射线和中子造成的胶片剂量的偏差为1.9%。可见,次级粒子产生的剂量很低,诱发的生物效应基本可以忽略不计。

      图  7  (在线彩图)质子辐照装置简化示意图

      表 4  理论模拟次级中子和γ射线产生的剂量值

      剂量/Gyγ射线/Gy中子/Gy共计剂量/Gyγ偏差/%共计偏差/%
      0.52.6×10–490.2×10–492.9×10–40.5×10–11.9
      15.3×10–4180.5×10–4185.8×10–40.5×10–11.9
      210.5×10–4361.0×10–4371.5×10–40.5×10–11.9
      421.1×10–4722.0×10–4743.1×10–40.5×10–11.9
      842.1×10–41444.0×10–41486.1×10–40.5×10–11.9

      图  8  (在线彩图)Geant4模拟100 MeV质子在束线不同位置处产生的n/p、γ/p结果

      综合实验测量和理论模拟计算的结果,TLD测得的质子在0.5~4 Gy范围内的最大偏差为7.0%,这与实验测量得到的质子与标准γ射线的剂量刻度因子的偏差相一致;剂量胶片测量的0.5~8 Gy的最大偏差为3.6%,这与在线测量SEEM-FC探测器的系统误差为10%以内基本符合。这说明,在束流稳定的条件下,现阶段在100 MeV强流质子回旋加速器单粒子实验终端上建立的剂量监测系统的测量最大偏差在7%以内,其在线监测注量系统准确可靠,基本可用于不同剂量(0~8 Gy)质子辐射生物效应实验的研究。

      同时,由于受质子加速器能量的限制,目前仅有国产LiF探测器对30 MeV以下质子的响应特性报道,而本研究则提供了LiF探测器对LET为0.8 keV/μm的90 MeV质子剂量响应的实验数据,且获得的结果与Mukherjee[28]理论计算的结果相一致:当质子的LET小于8.4 keV/μm(即质子能量大于12 MeV)时,探测器相对热释光效率为1.0。因此,在0.5~4 Gy时,使用LiF(Mg,Ti) TLD对90 MeV质子进行剂量测量和准确性评估是可靠的,这为中能质子束流品质诊断和剂量测量准确性评估提供了一种离线方法,对剂量胶片等其他离线诊断和测量方法做了有效补充。

    • 对光子剂量响应好的LiF(Mg,Ti)热释光探测器,对90 MeV质子同样具有良好的剂量响应关系,可作为中能质子剂量准确性评估的手段之一。基于100 MeV强流质子加速器单粒子实验终端建立的ZnS荧光屏和SEEM-FC在束测量技术,剂量胶片和TLD离线分析以及理论计算方法,可多方位诊断和评估所建终端的物理参数特性。加速器引出的100 MeV质子,经过双环双散射靶均匀化后,在5.0 cm×5.0 cm照射野范围内,均匀性好于90%,建立的SEEM-FC在线剂量测量系统准确性好于93%。单粒子实验终端引出的质子束流的照射野范围、均匀性及剂量监测准确性基本能满足生物样本的要求,可为质子辐射生物学效应研究提供良好的实验条件和数据可靠保障。

      致谢 感谢中国原子能科学研究院回旋加速器设计中心100 MeV强流质子回旋加速器运行人员在照射实验中给予的帮助和支持;感谢国防科工委放射性计量一级站在标准60Co γ射线照射实验中给予的帮助和支持,以及提供用于TLD测量的RGD-3B热释光读出仪。

参考文献 (28)

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