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(xué)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(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；目前在國際上TEPC已被廣泛應(yīng)用于微劑量學(xué)、輻射防護等領(lǐng)域的基礎(chǔ)學(xué)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(nèi)n、γ劑量當(dāng)量的測量。在混合輻射場中進行n、γ劑量當(dāng)量分辨技術(shù)[1-3]研究時，需要對重疊區(qū)內(nèi)γ輻射的響應(yīng)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(dāng)量貢獻。

FLUKA程序是一款相對發(fā)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(zhì)內(nèi)的輸運及相互反應(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(yīng)用于輻射防護的基礎(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算等?；诖?，在純γ輻射場對TEPC的響應(yīng)(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(shù)，又稱作線能分布，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，比例因子須滿足歸一化條件。故有：

(5)

[yd(y)]d(logy)

(6)

實際應(yīng)用時普遍將d(y)分布以半對數(shù)坐標畫出圖形，依據(jù)公式(6)轉(zhuǎn)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(shù)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(nèi)記錄的脈沖數(shù)，Δh是分析器的道寬。單次事件在正比計數(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測量微劑量譜分布的表達式。

實驗測量所用的電子學(xué)系統(tǒng)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(nèi)置α源刻度、中子源刻度。本工作自主研制了一臺TEPC樣機，經(jīng)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(xué)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(nèi)單次沉積事件進行模擬的功能[9]，利用DETECT記錄卡實現(xiàn)此功能，對TEPC在輻射場內(nèi)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(shù)對應(yīng)能量，進行線能刻度即能量值(道數(shù))除以所模擬體積的平均弦長，脈沖幅度譜經(jīng)過計算轉(zhuǎn)換后得到微劑量譜。

FLUKA模擬TEPC脈沖幅度譜時，其探測器結(jié)構(gòu)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(nèi)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(qū)域(不含腔體本身)即為DETECT記錄卡的收集區(qū)。保護殼材料是鋁，程序模擬時采用的鋁材料參數(shù)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(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細胞來確定，依據(jù)公式(12)：

圖3 TEPC結(jié)構(gòu)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?qū)EPC在γ輻射場中的脈沖幅度譜進行了模擬，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(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三個單能點γ輻射的微劑量譜進行比較，結(jié)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(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三個中低能光子的微劑量譜進行比較結(jié)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(nèi)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(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

3 小結(jié)

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(jié)果表明，光子在細胞內(nèi)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(chǔ)。

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：

[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.