252Cf中子后裝治療機劑量測量方法初步研究*

李明生 程金生*

252Cf中子后裝治療機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射線靈敏度響應基本相同的組織等效電離室和一個僅對γ射線響應而對中子基本無響應的石墨電離室測量中子-γ射線混合場劑量，并應用計算值驗證測量結果。結果：通過計算關鍵參數，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，其測量值與計算值相比最大偏差為-5.22%。結論：應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；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、氧增強比(oxygen enhancement ratio，OER)低等特點，同時伴有瞬發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，應用252Cf中子源后裝方法治療腔道內腫瘤的技術在國內得到了較快發展，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，以達到最佳治療效果，252Cf中子源發射的中子-γ射線混合場的劑量測量是關鍵要素。在國內中子-γ射線混合場測量中尚無詳細方法與明確的標準；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中子后裝治療機的中子劑量率和γ射線劑量率，并對測量結果與計算值進行了對比驗證。

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，其發射中子、γ射線、β粒子和α粒子。252Cf中子源約97%發生α衰變，約3%發生自發核裂變，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中子發射率為2.314×106中子/s。252Cf的中子能量為連續能譜形式，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，當電離室處于中子-γ射線混合場時，其壁及空腔內氣體被電離，電離室收集被電離的粒子，通過收集電荷來確認輻射場劑量大小。電離室收集的電荷主要是電離室壁產生的次級帶電粒子(如電子、質子等)，因此不同材料的電離室對中子和γ射線具有不同的響應。

雙電離室技術最早由Attix[3]提出，隨后其他國家的研究人員利用該項技術測量了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射線靈敏度響應基本相同，石墨電離室對中子基本不響應而對γ射線響應。在測量中子-γ混合場時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氣體，以保證測量的準確性[8-10](見表1)。

表1 電離室規格

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；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-戈瑞轉化系數；dT為替代因子；kT為組織等效電離室對中子的靈敏度響應(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化系數；L/ρ組織等效材料與組織等效氣體的平均限制質量碰撞阻擋本領比；WN為中子碰撞產生的每對離子對所需能量[J/C]；WC為60Co發射光子產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量能量吸收系數比。

δ為組織等效電離室對中子和γ射線靈敏度響應修正因子[9](公式4)。

δ一般認為＜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。

石墨電離室計算公式也類似，如公式6所示：

利用公式(5)和公式(6)可得中子劑量計算公式7和γ射線劑量計算公式8。

2 測量結果

2.1 測量參數計算

測量中子-γ射線混合場劑量時，需要知道電離室對中子和γ射線的靈敏度響應系數kT、kU、hU和hT值。在實際應用中假定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，該值應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)計算kT。kU計算值缺乏準確性，可直接從文獻獲取[13-14]。

組織等效電離室對中子的靈敏度響應系數kT計算方法主要依據ICRU 45號報告，1.00±0.02，Wn/Wc=1.08；252Cf發射中子平均能量為2.1 MeV，依據李士俊[15]電離輻射劑量學基礎提供數據，kWATER/kA-150=1.033；＝1.011；將上述參數帶入公式(3)，可得到kt＝0.91。(ft)C為水中的倫琴-戈瑞轉化系數[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[10，12]，計算方法見公式(2)。

2.2 實驗測量

實驗測量工作是在一臺252Cf中子后裝治療機上進行的，測量時該機中子源含量為580.97 μg。劑量儀為PTW-UNIDOS，測量時兩個電離室置于水模體中，設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，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個數據，數據為測量平均值(見表2)。

表2 電離室測量的值(R/min)

表2中數據相當于公式(1)中的MT，該值經過電離室的校準因子修正、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-戈瑞轉化后，利用公式(7)和公式(8)對測量值進行數據處理，其得到的數據見表3。

表3 數據處理結果(Gy/h)

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

表4 計算值與測量值的偏差

3 討論

本研究進行了雙電離室法測量252Cf中子后裝治療機中子-γ射線混合場劑量的方法研究，計算出了相關參數，利用參數測量了距中子源不同位置處的中子和γ射線劑量率值，并與計算值進行了對比驗證。表4顯示，本次測量結果與計算值的最大偏差為-5.22%。結果表明，測量方法與測量參數的選取合適，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引入了較多參數，如：kT、kU、fT、dT和Awall等，每項參數的引入均帶來了測量結果的誤差。各項誤差的累積導致總劑量偏差達到較高的范圍。據粗略估計，各項因子引入的誤差達3.6%；電離室校準因子NX及其溫度氣壓修正因子的誤差為1.8%；在測量時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5.0%；重復測量帶來的誤差為0.8%，加之其他因素(如源到位誤差等)致使測量結果與計算值偏差范圍從-5.22%～4.08%。

現階段電離室很難在純中子場中進行中子靈敏度響應校準，相關的參數是通過計算或者直接引用文獻值，這給測量結果帶來了不確定性。

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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

衛生行業科研專項(201002009)“輻射危害控制與核輻射衛生應急處置關鍵技術研究及其應用”

①中國疾病預防控制中心輻射防護與核安全醫學所 輻射防護與核應急中國疾病預防控制中心重點實驗室 北京 100088 *通訊作者: addila@qq.com

李明生,男,(1980- ),碩士，助理研究員。中國疾病預防控制中心輻射防護與核安全醫學所輻射防護與核應急中國疾病預防控制中心重點實驗室，從事輻射防護與劑量測量工作。