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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%。
位置 FC计数/N 注量率/(particles/cm2/s) 平均注量率 束流中心 293.6 9.7×106 9.7×106 左上角 282.4 9.4×106 标准差 右上角 290.9 9.6×106 2.5×105 左下角 301.7 10.0×106 均匀性 右下角 299.2 9.9×106 97.4% 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。
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%。
区域 面积/cm2 均值±SD 均匀性 C2, I8(7×7) 5.2×5.2 102.5±9.3 90.9% D3, H7(5×5) 3.7×3.7 107.9±4.4 95.9% E4, G6(3×3) 2.2×2.2 110.8±2.5 97.6% 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。
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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。
如图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。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。剂量/Gy γ射线均值±SD 质子均值±SD 校正剂量/Gy 偏差/% 0.5 49.1±3.1 50.9±3.5 5.2×10–1 4.0 1 96.5±6.1 106.2±6.7 1.1 10.0 2 194.3±8.5 216.6±9.8 2.2 10.0 4 389.5±6.8 419.6±4.5 4.3 7.5 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。
剂量/Gy γ射线/Gy 中子/Gy 共计剂量/Gy γ偏差/% 共计偏差/% 0.5 2.6×10–4 90.2×10–4 92.9×10–4 0.5×10–1 1.9 1 5.3×10–4 180.5×10–4 185.8×10–4 0.5×10–1 1.9 2 10.5×10–4 361.0×10–4 371.5×10–4 0.5×10–1 1.9 4 21.1×10–4 722.0×10–4 743.1×10–4 0.5×10–1 1.9 8 42.1×10–4 1444.0×10–4 1486.1×10–4 0.5×10–1 1.9 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。
Study on Quality Diagnosis and Dose Measurement Accuracy Evaluation of 100 MeV Proton Beam
doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2020029
- Received Date: 2020-05-11
- Rev Recd Date: 2020-07-22
- Available Online: 2021-11-22
- Publish Date: 2020-12-20
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Key words:
- middle-energy proton /
- beam quality diagnosis /
- accuracy of dose measurement /
- dose film /
- thermo-luminescence detector /
- proton therapy /
- space radiobiolog
Abstract: The biological effect of proton radiation is an important foundation of space radiobiology and proton radiotherapy, which can provide scientific basis for the estimation of risk to crews in space radiation and optimization design of proton therapy. It is necessary to establish irradiation technology for biological samples by accelerator. The protons with middle-energy generated by 100 MeV cyclotron established recently by the China Institute of Atomic Energy have the highest energy in China, particularly suitable for the research of space radiobiology and proton therapy. In present study, the methods of proton beam diagnosis and dose measurement were established. The beam quality, such as the size and uniformity of irradiation field, and the accuracy of dose measurement system, was analyzed and evaluated by means of in-beam and off-line methods. The results show that LiF(Mg, Ti) thermo-luminescence detector with good response to photon dose also has good dose response to 90 MeV protons, which can be used to evaluate the accuracy of dose of protons with middle-energy. The uniformity of 100 MeV proton beam is better than 90% in 5.0 cm×5.0 cm irradiation field. The accuracy of in-beam dose measurement system is better than 93%. The beam quality and dose measurement conditions of proton basically meet the requirements of radiobiology, which can provide reliable guarantee for the research of radiobiological effects.
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 |