蒙卡方法对新型移动式低能X射线剂量特性研究

目前新型可移动式低能光子放射治疗设备INTRABEAM的应用越来越广泛。针对该设备产生的X射线剂量特性研究甚少,为准确掌握其在组织内的剂量分布带来一定挑战。针对INTRABEAM系统产生的X射线在空气和水中的剂量学特征进行研究。利用MCNP6中增加的原子弛豫过程,对产生的光子能谱、百分深度剂量曲线和近距离治疗剂量参数(二维各向异性函数和径向剂量分布)进行计算研究。结果表明,模拟得到的空气中注量谱有精细的电子跃迁特征峰,在空气中30 cm处平均能量为20.0 keV,产生百分剂量深度接近x-3变化趋势;二维各向异性函数由Be管壁靠近Ni管壁中变化趋势出现转折,径向剂量函数在小于10 mm处出现陡降,而后变化相对缓慢。利用蒙卡方法计算的TG-43文件中必要数据为临床剂量计算使用的治疗计划系统提供参考方法和数据,便于在术中放射治疗进行有效剂量计算。

粒子源水吸收剂量绝对测量装置内部电场模拟

拟研制125I粒子源水吸收剂量绝对测量电离室,通过Maxwell软件建立电离室内部模型,模拟得出电离室无保护极、不同保护极环宽度,不同绝缘环宽度、不同栅极个数、不同栅极形状和不同栅极厚度下的电场强度分布,并进行了定性和定量的分析。结果表明:绝缘环宽度的增加会使收集极边缘处的边缘效应增强,应尽量使绝缘环宽度减小;在设计电离室时,应当使保护极宽度和收集极半径比值不低于2。当栅极个数为15个时,电场强度的变化幅度可减少为1%左右,表明通过增加栅极个数能有效改善电场的均匀性。相较于栅极截面为圆形和三角形,当栅极截面为矩形时,电场强度的变化幅度较小。栅极厚度越大,栅极边缘处的边缘效应越严重,应尽量减少栅极厚度。本次研究结果将为后续粒子源水吸收剂量绝对测量标准装置的优化设计提供支撑。

β辐射个人剂量当量H_(p)(0.07)和H_(p)(3)的国际比对结果

为建立我国β辐射组织吸收剂量基准并使之达到国际等效,中国计量科学研究院(NIM)于2019年参与了由欧洲计量组织(EURAMET)组织、德国物理技术研究院(PTB)主导的BIPM KCDB:EURAMET.RI(Ⅰ)-S16比对。NIM采用β辐射组织吸收剂量基准装置对传递电离室进行校准,确定了在^(85)Kr和^(90)Sr/^(90)Y源β辐射场中入射角为0°、45°、60°下H_(p)(0.07)的校准因子以及^(90)Sr/^(90)Y源各角度下H_(p)(3)的校准因子。比较了此次工作获得的校准因子与EURAMET提供的参考值之间的差异。9项比对结果与参考值的相对偏差均优于±1%,比对结果已纳入国际计量局关键比对数据库(KCDB),实现了β辐射个人剂量当量H_(p)(0.07)和H_(p)(3)量值的国际互认。

电离辐射剂量监测仪表国际标准的进展

随着辐射防护领域的不断进步,电离辐射剂量仪表相关国际标准也在持续更新迭代,为总结该领域IEC、ISO标准的发展现状,为剂量仪表的生产、选用提供参考,通过调研、比较相关标准的不同版本,梳理了光子、β和中子剂量监测仪表相关IEC、ISO标准的发展概况和最新版本所做的修改与更新,并比较了现行不同标准对于仪表各方面性能要求、规范的差异。可以看出,各监测分类下的国际标准在发展过程中趋于统一,不再按探测器种类等进行划分,且整体应用范围更为广泛,但脉冲辐射剂量仪表相关标准仍有待发展;适用于同一监测分类的不同标准对于仪表的性能要求基本一致,但由于IEC、ISO标准的制定目的、应用场景不同,两者在性能要求、规范上的侧重点会存在差异。

48 keV~1.25 MeV X/γ射线空腔电离室研制及性能测试

防护水平电离室广泛应用于核设施、放射治疗和辐射环境监测等剂量率的测量,为了提高防护水平电离室的国产化水平,设计了测量防护水平剂量率的空腔电离室。通过理论计算、蒙特卡罗模拟对电离室的室壁厚和保护极进行研究。在不同能量辐射场中对电离室性能进行测试,测试结果表明:电离室漏电流绝对值小于5 fA,工作坪区为200~800 V。在N60~N250的X辐射场和^(137)Cs、^(60)Coγ辐射场中对电离室的能量响应进行测试,当剂量率归一化到^(60)Co时,电离室能量响应相对偏差在±5%之内,电离室在半年内的长期稳定性和角响应都优于0.5%。所述电离室能够实现3 mGy/h~30 Gy/h剂量率的测量,且与约定剂量率相对偏差优于±5%。

^(125)I粒子源强度绝对测量方法研究进展

近距离放射治疗是一种有效的癌症治疗手段,^(125)I(碘-125)粒子源因其具有短半衰期、易于制成微型结构、易于防护等优势常用于近距离放射治疗。医学物理师进行治疗计划设计时,主要依据粒子源在组织周围剂量分布的公式,公式中表征粒子源强度的物理量由放射源的表观活度改为空气比释动能强度,准确测量粒子源强度已成为国际上研究的热点问题。本研究介绍^(125)I粒子源在组织中剂量分布计算公式的发展,分析国际上粒子源强度(包括空气比释动能强度、参考空气比释动能率和水吸收剂量)绝对测量技术的研究现状,总结测量源强度的标准装置及测量方法。针对国内粒子源在癌症治疗中的使用量非常大,国内相关的标准规范不完善及国内对源强度测量技术和方法缺乏的现状,提出源强度测量的相关建议,以期实现国内粒子源强度的量值溯源和传递。

国产6711型^(125)I粒子源剂量学参数模拟研究

采用MCNP软件对国产6711型^(125)I粒子源剂量率常数、径向剂量函数、一维各向异性函数和二维各向异性函数等四个剂量学参数进行模拟计算研究。结果表明,剂量率常数与TG 43-U1报告推荐值误差为-0.83%;获得了(0.05~10)cm范围内的径向剂量函数,并对(0.25~10)cm范围数据进行五阶多项式拟合,提高了拟合函数的精度;得到(0.25~7)cm范围内的一维各项异性函数和二维各向异性函数,通过与文献比较,发现国产6711型粒子源源芯结构的差异会引起一维各向异性函数和二维各向异性函数的偏大现象。

外推电离室内部电场模拟研究

目前国际上将空气比释动能强度作为近距离治疗125I粒子源剂量计算及评价粒子源强度的物理量。测量粒子源空气比释动能强度的标准装置拟采用外推电离室,外推电离室结构设计会影响内部电场,内部电场的均匀性对电离电荷有效收集产生一定的影响。该文利用Maxwell软件建立电离室结构,研究有无保护电极以及栅极个数和栅极尺寸对内部电场均匀性的影响,对模拟得到的电场图进行分析,得到结论为当保护电极半径大于收集极半径时,增加栅极的个数,并且当栅极中心间距小于保护电极环宽的1/10时,有利于增加电离室内部电场的均匀性,对外推电离室的设计提供一定的参考。

125I粒子源剂量计算参数模拟研究

国产125I粒子源的银棒末端结构为直角型,与典型的6711型粒子源结构略有不同,结构不同会对剂量计算参数产生一定影响。本文针对国产粒子源结构,利用蒙特卡罗方法计算美国医学物理学家协会(AAPM)在TG43-U1报告中推荐的剂量计算参数,并分析研究银棒末端结构对剂量计算参数的影响。模拟得到国产125I粒子源剂量率常数为0.955 cGy·h^-1·U^-1(空气比释动能强度基于点探测器计算得到),与TG43-U1推荐值较接近,两者仅相差1.03%,更加精细地计算了在源中垂线0.05~10 cm(1 cm间隔)范围内的径向剂量函数,拟合得到较好的经验公式,得到在0°~90°(5°间隔)、距源中心0.25~7 cm(2 cm间隔)范围内的二维各向异性函数,通过对比分析得到银棒末端为直角型结构时的二维各向异性函数在r=0.25 cm处会引起驼峰区。

脉冲X射线剂量测量方法

为了解决主动式电子剂量率仪在脉冲辐射条件下的溯源需求,评估主动式电子剂量率仪测量脉冲辐射剂量的准确性,本文采用栅控技术于中国计量科学研究院建立了用于辐射防护剂量量值传递的脉冲X射线参考辐射场,具有曝光时间可调的特性。对脉冲X光管的管电压、曝光时间、脉冲上升/下降时间、辐射场均匀野大小进行了测试,同时对脉冲辐射场空气比释动能率测量方法进行了研究。研究结果如下:利用介入法示波器测量管电压,测量值与管电压预设值在100 kV时,相对偏差为0.19%。在建立的均匀辐射场中,利用电离室实现了脉冲场的空气比释动能率的测量,当管电压为60 kV,管电流为50 mA时空气比释动能率约为3 mGy/s。本文研究结果可为后续空气比释动能率定值提供参考。

基于电离法的pA级直流恒流源系统的研究

为建立稳定的pA级直流电流源,采用了基于电离法建立的恒流源系统,该系统包括γ射线辐射场和空腔电离室系统.利用γ辐射场对电离室辐照产生稳定的电离电流作为电流源的源头.结合环境参数采集装置、高增益负反馈单元和控制系统对直流恒流源的重复性和稳定性进行测量.测量结果表明,该恒流源系统的重复性相对标准偏差为0.04%和半年内的稳定性相对漂移为0.18%,表明可用于提供稳定的pA级直流恒流源.

用于国产6711型^(125)I粒籽源空气比释动能强度测量的外推电离室初步研究

近距离放射治疗用^(125)I粒籽源具有低能、低剂量率的特点,基于绝对测量原理,利用现有的自由空气电离室无法实现空气比释动能强度的准确测量,因此设计了测量^(125)I粒籽源的空气比释动能强度专用的外推电离室。电离室的设计需要满足带电粒子平衡条件,通过蒙特卡罗模拟计算与理论分析对电离室的关键部件结构设计进行了研究,包括光阑、高压极、收集极、栅极及分压电阻等。设计的专用电离室采用锥形束照射方式,增加电离室的有效测量体积占比,相比自由空气电离室有效测量体积占比由0.3%提升至12%。采用电荷积分法对活度标称值为3.404×10^(7) Bq的6711型^(125)I粒籽源空气比释动能强度进行了测量,测量结果为1.250μGy·m^(2)·h^(-1)(U_(rel)=1.6%,k=2)。通过进一步优化设计,该外推电离室可用于粒籽源空气比释动能强度的量值复现,为建立近距离放疗剂量的量值传递体系提供技术基础。

β射线吸收剂量参考辐射场测量研究

β射线对于人体皮肤的浅表剂量的监测是外照射个人剂量监测的重要部分。为研究建立β辐射剂量国防计量最高标准,依照ISO 6980国际标准,对名义活度分别为3.7 GBq的^(147) Pm、460 MBq的^(90) Sr+^(90) Y和3.7 GBq的^(85) Kr 3种放射源的辐射场特性进行研究。实验得到^(147) Pm、^(90) Sr+^(90) Y和^(85) Kr放射源分别在20、30、30 cm带展平过滤时的剩余最大能量为0.16、2.00、0.58 MeV。β污染、光子污染及辐射场均匀性在规定值的±5%以内,均满足ISO 6980标准要求。利用外推电离室对测量点处带展平过滤的皮肤组织等效材料的吸收剂量率进行测量,对涉及到的电离室有效面积及入射窗引起的散射和衰减等修正因子进行了详细的计算,测量得到^(147) Pm、^(90) Sr+^(90) Y和^(85) Kr分别在距源20、30、30 cm处的吸收剂量率分别为8.352、39.24、154.08 mGy/h,并与出厂证书给出的剂量值进行对比,最大相差0.52%,在可接受范围内。

X射线参考辐射装置固有过滤层厚度的测量

固有过滤层厚度是X射线参考辐射装置的重要性能参数之一,需要进行定量测量。本研究以新版本ISO 4037-1标准规范为依据,以N系列辐射质(N-20~N-350)的X射线参考辐射装置为例,通过PTW30013电离室测量不同尺寸次级光阑下的辐射野,建立符合要求的实验环境。结果表明,采用半值层法测量得到该参考辐射装置的固有过滤层厚度为0.122 mm Al;通过增加铝过滤片厚度得出N-40~N-350辐射质下4 mm Al等效固有过滤层厚度;利用单质铝金属和铍金属在不同能量下质能衰减系数的转化关系,得出N-20~N-30辐射质下1 mm铍的等效固有过滤层厚度。本研究结果可为X射线参考辐射装置固有过滤的测量提供一定的参考。

基于ISO 4037-1:2019对60~250 kV窄谱系列X射线参考辐射质的研建

以ISO 4037-1:2019为依托,使用大体积自由空气电离室作为测量器具,采用半值层法建立60~250 kV窄谱系列X射线参考辐射质,实验得出的各辐射质的第1半值层和第2半值层的值均在标准规定的误差范围内。使用高纯锗谱仪对建立的X射线参考辐射质进行测量,得到不同辐射质下的脉冲幅度谱。数据处理和分析结果表明,建立的60~250 kV窄谱系列X射线参考辐射质的谱分辨率、平均光子能量和有效能量与ISO 4037-1:2019的推荐值有较好的一致性。本次实验建立的60~250 kV窄谱系列X射线参考辐射质满足ISO 4037-1:2019要求。

外推电离室关键参数测量方法的研究

为实现外推电离室对β辐射吸收剂量的准确测量,按照外推电离室参数对性能的影响程度,对PTW23392型外推电离室进行漏电流、饱和曲线、离子收集效率、外推曲线和电离室零点位置与有效收集面积5大参数的测量。实验使用^(90)Sr/^(90)Y和^(85)Kr放射源(带展平过滤)进行测量和分析研究。极板间距取0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm 5个位置,将极板间距外推至零,以求满足Bragg-Gray理论。实验得出结论:漏电流的范围为0.2~2.2 fA;由饱和曲线可知,当给外推电离室施加电压5 V、10 V、15 V、20 V、25 V时,外推电离室处于饱和区域;电离室离子收集效率均在99.3%以上;外推曲线的线性拟合度均在0.998以上。以上数据满足IEC-60731和IAEA TRS-398要求。通过电压阶跃法得出电离室的零点位置为0.0086 cm处,有效收集面积为7.2272 cm^(2)。因此,可确定此外推电离室满足β辐射吸收剂量测量的基本要求。

X射线参考辐射场主要特性参数测试

为了验证对本文建立的X射线参考辐射场的主要特性参数是否满足ISO 4037.1-2019标准的要求,对管电流线性、相对管电位差、固有滤过、辐射野均匀性和散射辐射的影响五个方面进行了测量与研究.实验测试结果表明,本实验室建立的X射线参考辐射场在20~450 kV管电压下,相对管电位差最大为3.45%,最小为0.01%;X射线机固有滤过为0.122 mm铝(Al);距离焦斑1 m处水平方向均匀性好于95%的辐射野直径为98 mm,竖直方向均匀性好于95%的辐射野直径为97 mm;所在环境的散射辐射影响小于5%.以上结果均符合ISO 4037.1-2019标准的要求.

组织等效参考人体模设计与研究

为了开展人体对电离辐射吸收剂量研究,利用3D打印技术研制了组织等效参考人体模。对体模材料的有效原子序数及单位质量电子密度进行了计算,利用实验验证了密度、元素组成比及质量衰减系数等参数,并基于蒙特卡罗方法模拟得到体模材料的质量衰减系数,将上述参数与标准值进行比对。验证结果表明体模制作材料具有针对(60)^Coγ射线的组织等效性。在(60)^Coγ辐射场中开展了器官吸收剂量实验,利用指型电离室测量了体模组织器官中的吸收剂量。基于MCNP软件获得部分修正因子及各器官材料与空气质能吸收系数之比,得到各器官吸收剂量值,为放射治疗质量保证工作提供参考。

不同海拔高度下γ射线空气衰减系数的计算

在航空γ剂量率测量过程中由于海拔高度跨度大,γ射线空气衰减系数会受到海拔高度、温度、气压与空气密度的影响,故需要进行相应修正。利用蒙特卡罗(MCNP)法模拟γ射线在不同空气密度下的线衰减系数。利用经验公式计算不同海拔高度下的空气密度,利用MCNP法建立γ谱仪模型,计算不同海拔高度、不同密度条件下的γ光子注量,根据指数衰减原理计算不同空气密度下的线衰减系数。结果表明,由经验公式求出的空气密度模拟得出的空气质量衰减系数与美国NIST推荐值最大相对误差为-17.3%;在γ射线参考辐射场中用衰减板进行实验验证,^(60)Co源的最大相对误差为6.0%,137 Cs源的最大相对误差为5.3%。本工作为后续低空近地辐射剂量的研究工作奠定了基础。

H-450 X射线参考辐射质的研建及验证

根据PTB和ISO 4037-1:2019要求,关于高空气比释动能系列(H系列)X射线参考辐射质的推荐数据,外推得出H-450的附加过滤为6.24 mm Cu,第一半值层(HVL_(1st))为(5.39~5.52)mm Cu,平均光子能量为(214.25~214.78)keV,剂量率为11.51 Gy/h(距离焦斑为1 m处,管电流为10 mA)。随后,使用PTW32005电离室作为测量器具,采用半值层法建立H-450 X射线参考辐射质,得出HVL_(1st)为5.37 mm Cu,第二半值层(HVL_(2nd))为5.97 mm Cu,同质系数为0.9。最后,使用PTW30013次级标准电离室测量得出H-450 X射线参考辐射质下距离焦斑1 m,管电流为10 mA时的剂量率值为11.98 Gy/h,与理论值的相对误差为4.07%。采用MCNP 5软件对H-450 X射线参考辐射质进行能谱模拟并计算得出其平均光子能量为200.4 keV。