BNCT混合輻射場劑量測量方法

{ 劑量測量方法 }

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精彩內容

為了保證治療的效果和治療過程中病人的安全，在治療前必須確定用於治療的射線束的特性，即測量中子的通量和伴隨γ的劑量，還必須測量出體模中的吸收劑量，制定合適的治療計劃。治療過程中，由於熱中子和超熱中子在組織中的衰減很快，四種劑量成分的相對貢獻變化顯著，治療過程中必須實時測量病人所受的吸收劑量以保證治療的效果。目前主要用累積劑量測量和實時監測兩種方法進行BNCT的劑量測量。

累積劑量測量

累積測量方法的優點是能夠精確的測量中子和γ的劑量。常規的測量方法是金絲活化法，監測患者所受劑量。比如，將金絲置入患者體內一定深度，在BNCT照射過程中，熱中子與金（Au）發生核反應，產生放射性核素。照射一定時間後，將金絲取出，測量活化反應，反推金絲所在組織處的硼濃度或中子通量。但由於熱釋光探測器(TLD)具有量程寬、尺寸小、可重複使用、靈敏度高等特點而被廣泛應用。

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熱釋光劑量計

其是利用某些磷光體在製備過程中加進某些雜質，在磷光體內形成空穴，當熱釋光劑量計在輻射場中受到射線的輻照後，射線的能量被儲存在這些空穴中，當在專門的測量儀上測量時，經對劑量計加熱，儲存在空穴中的射線能量便以光的形式釋放出來，該光的強度與接受的能量成正比(照射量)，熱釋光由此而得名(TL)。按其轉換原理，熱釋光劑量計測的是射線的能量，但由於是用照射量方法刻度的，所以測量值採用的單位是倫琴(R)。

熱釋光劑量計在放射防護中的用途是非常廣泛的，如事故處理、倒源劑量監測、輸出量的測試、個人劑量監測、環境累積劑量監測等。

目前用的比較多的是LiF熱釋光探測器。6LiF對熱中子和γ都有響應，而7LiF只對γ有響應。因此，一對6LiF和7LiF探測器能夠測量熱中子和γ劑量。但是目前用於硼中子俘獲治療的中子束的主要成分是超熱中子，簡單的一對6LiF和7LiF探測器不能測量出超熱中子的劑量貢獻。為了解決這個問題，波蘭的克拉科夫核物理研究所(INP)，建立了新的熱釋光劑量計。新發明的熱釋光探測器由探測器及屏蔽容器兩部分組成。探測器是6LiF(Mg，Ti)片子，屏蔽容器是由非活化的6LiF製成(圖3.1)。屏蔽容器的作用是吸收掉熱中子成分，容器中的6LiF探測器測量到的就是超熱中子的劑量。採用這種方法可以解決超熱中子的劑量測量問題。

圖 1小型TL探測器和屏蔽容器的設計(單位：mm)

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組織等效正比計數器（TEPC）

其依據的是在給定組成的介質中，受到注量均勻的初級輻射如中子的照射，介質中的次級輻射注量也是均勻的，且與介質的密度以及介質密度從一點到另一點的變化無關的物理定理，以厘米量級的靈敏體積模擬微米量級體積的微觀組織，測定中子或者帶電粒子在微觀組織介質中的能量轉移和沉積。

組織等效正比計數器可對中子、γ輻射場的中子、γ劑量當量進行分辨，可直接模擬測量人體細胞組織的吸收劑量以及劑量當量，比其他測量方法更適合於評估物體在輻射場中的輻射效應。該測量方法可為反應堆、核電站、加速器等大型核設施周圍中子劑量當量的測量提供方法，為評估現場人員的輻射防護提供參考標準。在BNCT實施過程中，可以使用TEPC測量伽馬射線、快中子、熱中子等在人體組織中微劑量分布。

在組織等效正比計數器進行實驗之前，需要選擇與輻射場匹配的組織等效混合氣體，並確定出壓強，實現微觀組織模擬的可行性。組織等效氣體的選擇需要考慮組織成分的性質、氣體增益性質，以及氣體成分和壁材料成分是否匹配。目前的，組織等效氣體主要選用兩種混合氣體：一是由Rossi和Failla等人發展的混合氣體，以甲烷為主；另一種是由Srdoc發展的等效氣體，以丙烷為主。這兩種混合氣體的詳細的成分見表格1。

表 1四種元素的質量百分比

實時測量方法

相對於累積測量，實時測量的優點是在治療過程中能夠實時監測病人所受的劑量。為了不影響中子場的分布特徵，這就要求實時測量系統的探頭部分體積很小。用電纜或者光纖連接探頭作為信號傳輸工具，可以讓光電倍增管或電子學儀器免受輻射場照射，不被干擾。

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用小型PN結硅探測器測量熱中子通量和γ劑量率

圖 2為小型PN結硅探測器的結構示意圖。如圖所示，在探測器的端面塗上6LiF，利用核反應6Li( n，α)3H將熱中子轉換成可探測信號。根據6LiF質量的不同(如2.5、0.25和0.025 μg)可以測量不同通量的熱中子(109～105n cm-2s-1。同時，硅探測器對γ射線也有響應。由於，核反應產生的3H(2.7MeV)和α粒子(2.1MeV)的能量較高，形成的脈衝能量高於γ射線。根據此可以甄別出中子和γ的劑量貢獻。

圖2小型PN結硅探測器結構

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小型BGO探測器測量中子和γ射線的劑量當量

日本的原子能研究實驗室用BGO閃爍體與光纖連接組成了此BGO閃爍探測器測量系統，其構造如圖3.3所示。在BGO閃爍體外，用6LiF作屏蔽層可以吸收混合場中的熱中子，則探測到的只是γ射線；在BGO閃爍探測器外包一層Cd片，可將熱中子轉化為γ射線，被BGO閃爍體探測到的劑量代表熱中子的劑量貢獻。兩種不同屏蔽材料(6LiF和Cd片)的BGO閃爍探測器可以分別測出混合場中γ和熱中子的劑量。

圖 3 BGO光纖閃爍探測器結構圖

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光纖閃爍探測器

其是用光纖作為光導連接探頭和光電倍增管，將閃爍體產生的光信號傳輸到光電倍增管。光纖探測器的關鍵是探頭部分的研製。

名古屋大學的核能學院的做法是將ZnS(Ag)粉末、中子轉換體和粘貼膠按重量比1：1：2混合粘到光纖的一端作為閃爍探頭，厚度是0.3 mm，光纖的另一端連著小型光電倍增管。測量熱中子通量時，用6LiF粉末做中子轉換體。利用核反應6Li(n，T)4He，將中子轉換成一個α粒子和氚核。當α粒子或氚核撞擊到ZnS(Ag)上，使其閃爍發光。閃爍光通過光纖傳輸到電子儀器部分，然後被放大記錄。而在快中子能量範圍內，中子轉換體是使用232Th粉末。若閃爍體中不摻雜中子轉換體，則可以用來測量γ射線.

日本國家計量院為了增強中子---γ的甄別能力，研製的小型探測器的探頭部分由ZnS(Ag)薄膜和中子轉換體6LiF薄片組成。具體方法是將25μm厚的ZnS噴到12μm厚的醋酸纖維素上，然後將5μm的6LiF真空蒸發到醋酸纖維素的另一側。由於α粒子的射程要小於氚核，所以α粒子最終醋酸纖維素阻止了，只有氚核能打到ZnS上。用此探測器測量的中子脈衝譜如圖3.4所示。低能區的計數是由γ射線貢獻的。在中子能區的脈衝峰只是由氚引起的。據此可以在波谷設置閾值甄別n---γ。為了降低γ對中子計數的影響，在這之後提出用反符合技術消除γ 的計數。

日本東京大學的方法同樣是用光纖傳輸信號，而閃爍體用的是含硼和不含硼的塑料閃爍體。含硼塑料閃爍體能同時探測到中子和γ，不含硼的塑料閃爍體只對γ有響應。用這兩種塑料閃爍體組成的一對光纖閃爍探測器可以分別測量中子和γ的劑量

圖 4中子脈衝譜

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