010-51288063 010-69722055

當前位置:首頁 > 技術支持
技術支持/Technical Support

放射治療的中子探測

發布日期:2021-05-12 瀏覽次數:10

醫療技術在飛速發展的同時也要盡量避免其帶來的負影響,光中子作為醫用加速器產生的高能射線中不需要的粒子逐步得到重視和研究。但是與此相關的輻射防護措施并沒有得到及時地處理。由于醫用加速器設計不同(主要是機頭內部),性能也有很大差別,因此光中子的通量、能譜和劑量也有不同的分布規律。


基于參與復雜相互作用的粒子特點,可通過蒙特卡羅模擬和實驗測量兩個途徑來研究醫用加速器產生的光中子通量和能譜等物理量,從而對治療室中子劑量率進行監測,了解高能射線出束時治療室內外中子輻射水平,為中子輻射防護提供依據。


01放射治療中光中子測量手段


采用蒙特卡羅模擬和探測器直接測量中子劑量各有優勢。只要建立了直線加速器機頭構造的模型,蒙特卡羅程序就能夠模擬所有粒子在不同位置的運動學參數。但是對于加速器機頭多葉光柵運動過程中的粒子通量和能量變化目前無法計算,仍只能通過實驗儀器來監測,且由于蒙特卡洛模擬過程本身的隨機性,模擬結果可能存在誤差,需要通過較為準確的測量值進行評估矯正。


隨著中子探測器的發展,現有的探測器技術成熟,響應快,測量準確。采用探測器直接測量,可獲得相對精確的實時測量值,但探測器無法追蹤中子的運動軌跡,只能測量固定位置的中子物理參數。所以,蒙特卡羅模擬與實驗測量是技術上互補,數據結果上互相驗證的兩個重要工具。


中子的探測過程一般分為兩步:

第一,由中子與穿過的介質相互作用產生帶電粒子;

第二,用某種探測器記錄帶電粒子。


帶電粒子的探測器品種繁多,所以中子探測器有多種類型,本篇我們主要介紹一些常用于放射治療室中子的探測器。


02BF3(三氟化硼)正比計數器

BF3計數器是最通用的中子測量用探測器,它的基本結構和測量γ射線常用的蓋格米勒計數管基本一致,工作電壓在2000 V 左右。比例計數帶的的偏壓大到可以讓電離出來的初級離子產生次級電離。探測器收集到的電荷可能被擴大了一萬倍。


計數管內充 BF3 氣體,其中10B 濃縮到95%以上。BF3 是一種無色、刺激性氣味、且有腐蝕作用的有毒氣體,這也是為什么三氟化硼中子探測器外表面通常需要做好密封防潮,且在不使用時必須安全妥善儲存的原因。


熱中子與計數管內的硼具有較高的反應截面,硼捕捉中子并與中子作用放出的α粒子使氣體產生電離,在計數管內產生離子對,再經氣體放大輸出電信號。表示為 10B(n,α)7Li ,10B+ n → 7Li+ α+ 2790 keV 。


由于正比計數管記錄 α 與 7Li 核的效率可認為達到100%,所以 BF3 計數管探測中子的效率主要就是發生10B(n,α)7Li 反應的中子數與入射中子數之比。對于慢中子,10B 的反應截面按 1/v 律變化,即中子能量越大,發生上述反應的幾率越小,探測效率越低。所以對放射治療過程中產生的中子(絕大部分能量較低,屬于熱中子),該型探測器具有非常高的探測效率,但其工作環境的γ射線強度一般要在1 Sv/h 以下。


2.1 AB Rem-meter

BF3計數器的一個代表性產品為Anderson-Braun (AB)  Rem-meter

Rem-meter的響應與所有中子能量的吸收劑量和中子品質因子成正比。因此,從Rem-meter讀取的數據直接以rem(或Sv)為單位,而不是以rad(或Gy)為單位。


033He正比計數器


3He 正比計數器是另一種常見的中子測量用氣體探測器,以3He氣體為工作介質,基于 3He(n, p)T 反應,即3He + n →3H(T,氚核)+ 1H(p,質子) + 765 keV,反應能為 0.765 MeV。


對于熱中子,該反應也具有非常大的反應截面,與 10B(n,α)7Li 反應類似,反應截面與速度成反比,即遵從 1/v 律。這個反應的產物是氚核與質子,質子與氚核向相反的方向發射,使工作氣體電離,產生大量可被收集的電子——離子對,之后的信號產生過程與BF3計數管一致。


3He 的密度和厚度直接決定了對中子的探測效率,也使 3He 正比計數器具有探測效率高、性能穩定、無毒無害的優點。


3.1 WENDI

3He 正比計數器的一個代表產品為 WENDI(Wide Energy Neutron Detection Instrument, 寬能中子探測器)。它是美國Los Alamos國家實驗室和 San Jose 大學等研發的能量范圍從熱中子到 5 GeV 的寬能中子探測器,使用了大體積的 3He 管, 具有高靈敏度以及很強的γ抑制能力,即使對于高達1 Sv/h 水平的 γ 劑量率仍無需考慮串擾的影響。對于加速器的中子場有著更精確的等效劑量響應,對于環境水平的中子場具有實時測量能力。


圖為WENDI


3.2 球型中子儀

3He正比計數器另一個產品為YT-0611N球型中子劑量當量率儀,由主機與聚乙烯慢化球殼組成。球殼的外徑通常為 5-40 cm,取決于中子的最大能量,直徑越大則所測的中子能量越高,最內層球殼的內徑通常為 2 cm 左右,所以在球殼中心必須放置體積較小的熱中子探測器。根據嵌套的球層數量不同和中心的探測器件不同,所測中子能量范圍也有所區別,所以其涵蓋的中子能量范圍可以非常廣(從熱中子到 GeV的中子),且操作簡單,受到大多數實驗室的使用。




圖為YT-0611N球型中子劑量當量率儀


04氣泡探測器(Bubble Detector,BND)

氣泡探測器是一種靈敏、準確的中子劑量計。氣泡探測器響應與劑量率和能量無關、有非常好的各向同性的角響應,極為難得的是對伽馬輻射的靈敏度為零。


在檢測器內部,過熱液體的細小液滴分散在整個透明聚合物中。當中子撞擊液滴時,液滴立即蒸發,形成可見的氣泡被困在凝膠中,在中子經過的路上所產生的一系列氣泡就構成了徑跡,液滴的數量提供了組織等效中子劑量的直接測量結果。該探測器具有極高的中子靈敏度,而且適用的中子能量范圍可達 100 eV~10 MeV。

一些氣泡探測器只有拇指大小,可以將它們夾在外套上或置于襯衫的口袋中、放置在難以接近的區域,或者在中子源附近使用以進行快速評估。氣泡探測器被認為是唯一能滿足國際放射防護委員會 ICRP 60 要求的個人中子劑量計。


05固體核徑跡探測器


固體徑跡探測器 (Solid State Nuclear Track Detectors, SSNTDs) 是一種能夠探測帶電粒子、γ射線和中子的比較成熟的探測器。以最簡單的固體核徑跡探測器為例,主體是一片透明的固體,如云母、玻璃或塑料,經過粒子照射之后,經化學藥劑(如NaOH)浸蝕后,在固體表面層就顯出粒子的徑跡,用顯微鏡即可觀測。


商業用的中子徑跡探測器使用聚苯乙烯做轉換器,將快速中子產生的反沖質子,和(或) 使用硼酸化轉換器從中子捕獲產生的α粒子的徑跡固化。


其優點包括: 相對便宜的價格;均勻性和光學特性好;對電離輻射非常敏感,探測能量范圍廣;靈敏度對環境條件比較穩定;體積小而且不需要供電;可以長期存檔保存等。

圖為CR-39固體徑跡探測器



06TLD(熱釋光)探測器


熱釋光劑量儀和熱釋光片是利用熱致發光原理記錄累積輻射劑量的一種器件。熱釋光劑量儀將接收照射的熱釋光片加熱,并用光電倍增管測量熱釋光輸出,即可讀出輻射劑量值。


熱釋光片的主體部分為磷光體,最常用的材料是LiF(氟化鋰),當熱釋光片在輻射場中受到射線的輻照后,磷光體被照射過后產生自由電子和空穴,后電子和空穴又被俘獲,而把這些晶體加熱后,被俘獲的電子獲得足夠的能量逃逸出來與空穴結合,同時多余的能量以光輻射的形式釋放出來射線的能量被儲存在這些空穴中,當在專門的熱釋光劑量儀上測量時,經對熱釋光片加熱,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,熱釋光由此而得名。


TLD在中子檢測上利用人體為快中子的減速器,一些中子彈到人體再被彈回到TLD上。再與 TLD-600 ( 6LiF(Mg, Ti) ) 中的 6Li 通過(n,α)反應,產生的α粒子和氚核將其動能沉積在 TLD 中。TLD-600 部件也會吸收伽瑪的能量沉積。


為了只獲得中子的劑量,TLD 通常還包括中子不敏感部件,旨在測量伴隨中子的伽馬劑量,例如 7LiF(Mg,Ti),通常稱為 TLD-700。該磷光體對熱中子非常不敏感,如果將其與相似的幾何形狀和質量的 6LiF(Mg,Ti)部件配對,則中子響應為:


中子的沉淀劑量 = 總沉淀劑量 (6Li部件) – 伽瑪劑量 (7Li部件)


熱釋光探測器具有很多優點,靈敏度高、量程寬,可測X、γ、α、β,n和 p 等射線,體積較小,可制成各種形狀的膠片佩章,以供個人劑量監測使用,即使擱置很長時間后,其讀數衰減很少,在核醫學、輻射防護領域中是一種有效的工具 。





色情五月天(淫妻交换小说)