張偉華,肖雪夫,王志強(qiáng),劉毅娜,李春娟,駱海龍
(中國(guó)原子能科學(xué)研究院,北京 102413)
TEPC以厘米量級(jí)的靈敏體積模擬微米量級(jí)的人體細(xì)胞組織,通過(guò)線能譜(加權(quán)轉(zhuǎn)換后為微劑量譜)可以得到吸收劑量、品質(zhì)因子以及劑量當(dāng)量;目前在國(guó)際上TEPC已被廣泛應(yīng)用于微劑量學(xué)、輻射防護(hù)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)學(xué)科研究。
TEPC作為一種標(biāo)準(zhǔn)儀器,可用于中子(n)、γ混合輻射場(chǎng)內(nèi)n、γ劑量當(dāng)量的測(cè)量。在混合輻射場(chǎng)中進(jìn)行n、γ劑量當(dāng)量分辨技術(shù)[1-3]研究時(shí),需要對(duì)重疊區(qū)內(nèi)γ輻射的響應(yīng)特性進(jìn)行研究,繼而從混合輻射場(chǎng)的微劑量譜中扣除γ劑量當(dāng)量貢獻(xiàn)。
FLUKA程序是一款相對(duì)發(fā)展完善成熟的MC模擬計(jì)算程序,可用于模擬多種粒子包括電離輻射與強(qiáng)子在任何靶物質(zhì)內(nèi)的輸運(yùn)及相互反應(yīng),可模擬的粒子能量有相當(dāng)寬的范圍,從20 TeV至1 keV(對(duì)于所有粒子),對(duì)于中子能量最低至熱中子能量段。FLUKA程序可應(yīng)用于輻射防護(hù)的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用領(lǐng)域,以及劑量學(xué)、輻射生物學(xué)、放射治療和宇宙射線的模擬計(jì)算等?;诖?,在純?chǔ)幂椛鋱?chǎng)對(duì)TEPC的響應(yīng)(微劑量譜)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量和蒙特卡羅(MC)模擬計(jì)算。
(1)
(2)
F(y)對(duì)y的微商稱(chēng)作頻率幾率密度函數(shù),又稱(chēng)作線能分布,用f(y)表示:
f(y)=dF(y)/dy
(3)
它是線能出現(xiàn)在y附近單位線能間隔內(nèi)的幾率。F(y)和f(y)滿(mǎn)足歸一化條件:
(4)
令d(y)dy作為線能y到y(tǒng)+dy之間的部分產(chǎn)生的吸收劑量占總吸收劑量的份數(shù),稱(chēng)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(shù)f(y)的乘積成正比,比例因子須滿(mǎn)足歸一化條件。故有:
(5)
[yd(y)]d(logy)
(6)
實(shí)際應(yīng)用時(shí)普遍將d(y)分布以半對(duì)數(shù)坐標(biāo)畫(huà)出圖形,依據(jù)公式(6)轉(zhuǎn)化為yd(y)分布,通常稱(chēng)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(duì)劑量譜的貢獻(xiàn),便于研究輻射場(chǎng)劑量的成分。
將組織等效正比計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)送到脈沖幅度分析器,可以測(cè)出信號(hào)譜分布N(h),它是幅度為h到h+Δh的道內(nèi)記錄的脈沖數(shù),Δh是分析器的道寬。單次事件在正比計(jì)數(shù)器中沉積的能量ε1與脈沖幅度成正比,設(shè)比例常數(shù)為c,則[6]
ε1=ch
(7)
在直徑為d的球體或者等高圓柱正比計(jì)數(shù)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(cè)量微劑量譜分布的表達(dá)式。
實(shí)驗(yàn)測(cè)量所用的電子學(xué)系統(tǒng)框圖示于圖1,實(shí)驗(yàn)測(cè)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(nèi)置α源刻度、中子源刻度。本工作自主研制了一臺(tái)TEPC樣機(jī),經(jīng)252Cf中子源刻度后在60Co、137Cs γ輻射場(chǎng)中進(jìn)行微劑量譜的測(cè)量。
圖1 電子學(xué)框圖Fig.1 Electronic system schematic
圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量微劑量譜Fig.2 Measured microdosimetric spectrum (60Co、137Cs)
FLUKA程序具有對(duì)探測(cè)器內(nèi)單次沉積事件進(jìn)行模擬的功能[9],利用DETECT記錄卡實(shí)現(xiàn)此功能,對(duì)TEPC在輻射場(chǎng)內(nèi)的脈沖幅度譜進(jìn)行了模擬。利用FLUKA程序模擬得到的脈沖幅度譜橫坐標(biāo)道數(shù)對(duì)應(yīng)能量,進(jìn)行線能刻度即能量值(道數(shù))除以所模擬體積的平均弦長(zhǎng),脈沖幅度譜經(jīng)過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換后得到微劑量譜。
FLUKA模擬TEPC脈沖幅度譜時(shí),其探測(cè)器結(jié)構(gòu)做簡(jiǎn)化處理,幾何模型示于圖3。探測(cè)器保護(hù)殼是直徑與高度相同的圓柱,外徑60 mm,厚度1.6 mm。鋁殼內(nèi)是組織等效塑料腔,腔體是一個(gè)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(qū)域(不含腔體本身)即為DETECT記錄卡的收集區(qū)。保護(hù)殼材料是鋁,程序模擬時(shí)采用的鋁材料參數(shù)為FLUKA程序自帶材料庫(kù)中的天然鋁。組織等效塑料腔體材料為組織等效塑料(型號(hào)A-150),其核素組成成分的質(zhì)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(nèi)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(jù)待模擬的2 μm細(xì)胞來(lái)確定,依據(jù)公式(12):
圖3 TEPC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 TEPC sketch
(12)
公式(12)中ρm為細(xì)胞密度,1.0 g/cm3,ΔXm為細(xì)胞直徑 ,2 μm,ΔXg為探測(cè)器直徑,4.4 cm。
采用FLUKA程序?qū)EPC在γ輻射場(chǎng)中的脈沖幅度譜進(jìn)行了模擬,經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到微劑量譜。模擬所得6、8、10 MeV三個(gè)單能點(diǎn)γ輻射的微劑量譜示于圖4。由圖4可見(jiàn),三個(gè)能量點(diǎn)的微劑量譜變化不大,此能量區(qū)間內(nèi)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(gè)單能點(diǎn)γ輻射的微劑量譜進(jìn)行比較,結(jié)果示于圖5,由圖5可見(jiàn),其沉積線能均是基本在10 keV/μm以?xún)?nèi)。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(gè)中低能光子的微劑量譜進(jìn)行比較結(jié)果示于圖6,由圖6可以見(jiàn),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(shuō)低能光子較之高能光子更容易在細(xì)胞組織內(nèi)沉積能量。同時(shí)從圖4、圖5以及圖6可看出,無(wú)論光子能量高低與否,在細(xì)胞組織內(nèi)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(jìn)行n、γ劑量分辨方法研究的理論基礎(chǔ)。
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
本研究采用FLUKA程序,對(duì)TEPC在高、中、低能光子輻射場(chǎng)的微劑量譜進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明,光子在細(xì)胞內(nèi)沉積線能隨著能量降低而逐漸升高;無(wú)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(chǔ)。
在60Co、137Cs γ輻射場(chǎng),利用TEPC進(jìn)行了微劑量譜的測(cè)量,實(shí)驗(yàn)測(cè)量微劑量譜與模擬微劑量譜符合較好。目前實(shí)驗(yàn)工作只進(jìn)行了60Co、137Cs γ輻射單能點(diǎn)的微劑量譜測(cè)量,下一步將進(jìn)行其他能點(diǎn)的光子微劑量譜測(cè)量。
參考文獻(xiàn):
[1]Menzel HG, Schuhmacher H. Experimental Uncertainties and Applicability of the Proportional counter Method for the Dertermination of Photon Dose Fractions in Neutron Beams[R]//In:Ion Chambers for Neutron Dosimetry. Broese: EUR6782EN, 1980: 337-343.
[2]Kota C, Maughan RL, Tattam Da. Use of low-pressure tissue equivalent proportional counters for the dosimetry of neutron beams used in BNCT and BNCEFNT[J]. Med Phys, 2000,27(3).
[3]Burmeister J, Kota C, Maughan RL, et al. Miniature tissue-equivalent proportional counters for BNCT and BNCEFNT dosimetry[J]. Med Phys,2001,28(9).
[4]Rossi HH, Zaider M. Microdosimetry and Its Applications, Chapter II[M]. Berlin:Springer, Heidlberg, 1996.
[5]Farahmand M. A novel Tissue-Equivalent Proportional Counter based on a Gas Electron Multiplier[D]. TU-Delft, 2004.
[6]田志恒.輻射劑量學(xué) [M].北京:原子能出版社,1992:126-127.
[7]Dietze G, Menzel HG, Buhler G. Calibration of tissue-equivalent proportional counters used as radiation protection do dosemeters[J]. Radiation Protection Dosimetry, 1984, 9 (3):245-249.
[8]Schrewe UJ, Brede HJ, Pihet P, et al.On the calibration of tissue-equivalent proportional counters with buil tin α particle sources[J]. Radiation protection dosimetry, 1988, 23 (1):249-252.
[9]Rollet S, Beck P, Ferrari A, et al. Dosimetric considerations on tepc fluka-lation and measurements[J]. Radiation Protection Dosimetry, 2004, 110, (1) : 833-837.
[10]Srdoc D. Experimental technique of measurement of microscopic energy Distribution in irradiated matter using Rossi Counte[J].Radiat Res, 1970,43:302.