γ輻射場中TEPC微劑量譜的測量與模擬

張偉華，肖雪夫，王志強，劉毅娜，李春娟，駱海龍

(中國原子能科學研究院，北京 102413)

TEPC以厘米量級的靈敏體積模擬微米量級的人體細胞組織，通過線能譜(加權轉換后為微劑量譜)可以得到吸收劑量、品質因子以及劑量當量；目前在國際上TEPC已被廣泛應用于微劑量學、輻射防護等領域的基礎學科研究。

TEPC作為一種標準儀器，可用于中子(n)、γ混合輻射場內n、γ劑量當量的測量。在混合輻射場中進行n、γ劑量當量分辨技術[1-3]研究時，需要對重疊區內γ輻射的響應特性進行研究，繼而從混合輻射場的微劑量譜中扣除γ劑量當量貢獻。

FLUKA程序是一款相對發展完善成熟的MC模擬計算程序，可用于模擬多種粒子包括電離輻射與強子在任何靶物質內的輸運及相互反應，可模擬的粒子能量有相當寬的范圍，從20 TeV至1 keV(對于所有粒子)，對于中子能量最低至熱中子能量段。FLUKA程序可應用于輻射防護的基礎研究與應用領域，以及劑量學、輻射生物學、放射治療和宇宙射線的模擬計算等。基于此，在純γ輻射場對TEPC的響應(微劑量譜)進行了實驗測量和蒙特卡羅(MC)模擬計算。

1 γ輻射場微劑量譜測量

1.1 微劑量譜

(1)

(2)

F(y)對y的微商稱作頻率幾率密度函數，又稱作線能分布，用f(y)表示：

f(y)=dF(y)/dy

(3)

它是線能出現在y附近單位線能間隔內的幾率。F(y)和f(y)滿足歸一化條件:

(4)

令d(y)dy作為線能y到y+dy之間的部分產生的吸收劑量占總吸收劑量的份數，稱d(y)是線能的劑量幾率密度。d(y)與線能y和頻率幾率密度函數f(y)的乘積成正比，比例因子須滿足歸一化條件。故有：

(5)

[yd(y)]d(logy)

(6)

實際應用時普遍將d(y)分布以半對數坐標畫出圖形，依據公式(6)轉化為yd(y)分布，通常稱之為微劑量譜[5]。此微劑量譜可以比較直觀地給出各種粒子對劑量譜的貢獻，便于研究輻射場劑量的成分。

1.2 實驗測量

將組織等效正比計數器的輸出信號送到脈沖幅度分析器，可以測出信號譜分布N(h)，它是幅度為h到h+Δh的道內記錄的脈沖數，Δh是分析器的道寬。單次事件在正比計數器中沉積的能量ε1與脈沖幅度成正比，設比例常數為c，則[6]

ε1=ch

(7)

在直徑為d的球體或者等高圓柱正比計數器中，線能y為

(8)

線能y的分布可表示為

(9)

(10)

(11)

式(11)為利用TEPC測量微劑量譜分布的表達式。

實驗測量所用的電子學系統框圖示于圖1，實驗測量得到的γ輻射微劑量譜示于圖2。TEPC的刻度方法有三種[7-8]，低能X射線刻度、內置α源刻度、中子源刻度。本工作自主研制了一臺TEPC樣機，經252Cf中子源刻度后在60Co、137Cs γ輻射場中進行微劑量譜的測量。

圖1 電子學框圖Fig.1 Electronic system schematic

圖2 實驗測量微劑量譜Fig.2 Measured microdosimetric spectrum (60Co、137Cs)

2 FLUKA模擬

FLUKA程序具有對探測器內單次沉積事件進行模擬的功能[9]，利用DETECT記錄卡實現此功能，對TEPC在輻射場內的脈沖幅度譜進行了模擬。利用FLUKA程序模擬得到的脈沖幅度譜橫坐標道數對應能量，進行線能刻度即能量值(道數)除以所模擬體積的平均弦長，脈沖幅度譜經過計算轉換后得到微劑量譜。

FLUKA模擬TEPC脈沖幅度譜時，其探測器結構做簡化處理，幾何模型示于圖3。探測器保護殼是直徑與高度相同的圓柱，外徑60 mm,厚度1.6 mm。鋁殼內是組織等效塑料腔，腔體是一個直徑與高度相同的圓柱，其外徑為50 mm，厚度為3 mm。組織等效塑料腔包圍的區域(不含腔體本身)即為DETECT記錄卡的收集區。保護殼材料是鋁，程序模擬時采用的鋁材料參數為FLUKA程序自帶材料庫中的天然鋁。組織等效塑料腔體材料為組織等效塑料(型號A-150)，其核素組成成分的質量百分比是H 10.2%，C 76.8%，N 3.65%, O 5.9%,F 1.7%，Ca 1.8%。鋁殼與組織等效塑料腔間的空隙以及腔室內均是組織等效氣體，該氣體是基于丙烷的混合氣體[10](64.4%CH4,32.5%CO2,3.1%N2)。氣體密度需根據待模擬的2 μm細胞來確定，依據公式(12)：

圖3 TEPC結構簡圖Fig.3 TEPC sketch

(12)

公式(12)中ρm為細胞密度，1.0 g/cm3，ΔXm為細胞直徑 ，2 μm，ΔXg為探測器直徑，4.4 cm。

采用FLUKA程序對TEPC在γ輻射場中的脈沖幅度譜進行了模擬，經轉換后得到微劑量譜。模擬所得6、8、10 MeV三個單能點γ輻射的微劑量譜示于圖4。由圖4可見，三個能量點的微劑量譜變化不大，此能量區間內的γ輻射沉積線能基本一致，并且均終止于10 keV/μm。10 MeV、1.2 MeV以及662 keV三個單能點γ輻射的微劑量譜進行比較，結果示于圖5，由圖5可見，其沉積線能均是基本在10 keV/μm以內。隨著γ輻射能量降低，662 keV的高線能端份額增多，而10 MeV的低線能端份額較多。60、300、662 keV三個中低能光子的微劑量譜進行比較結果示于圖6，由圖6可以見，隨著輻射能量降低，其沉積線能逐漸趨向于高線能端，也就是說低能光子較之高能光子更容易在細胞組織內沉積能量。同時從圖4、圖5以及圖6可看出，無論光子能量高低與否，在細胞組織內的沉積線能基本低于10 keV/μm，而中子輻射所致線能一般高于10 keV/μm，這即是后期進行n、γ劑量分辨方法研究的理論基礎。

圖4 高能γ微劑量譜Fig.4 High energy γ radiation microdosimetric spectra

圖5 高中能γ微劑量譜Fig.5 High and medium energy γ radiation microdosimetric spectra

圖6 中低能光子微劑量譜Fig.6 Medium and low energy photon microdosimetric spectra

3 小結

本研究采用FLUKA程序，對TEPC在高、中、低能光子輻射場的微劑量譜進行了模擬。結果表明，光子在細胞內沉積線能隨著能量降低而逐漸升高；無論初始入射光子能量高低與否，沉積線能基本低于10 keV/μm。這也正是n、γ劑量分辨方法的理論基礎。

在60Co、137Cs γ輻射場，利用TEPC進行了微劑量譜的測量，實驗測量微劑量譜與模擬微劑量譜符合較好。目前實驗工作只進行了60Co、137Cs γ輻射單能點的微劑量譜測量，下一步將進行其他能點的光子微劑量譜測量。

參考文獻：

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