刘川凤，李德红，王红玉，张 健,*，杭仲斌，黄建微，倪 宁，高惠波，刘蕴韬,*，宋明哲,*
(1.中国计量科学研究院，北京 100029；
2.中国原子能科学研究院 计量与校准技术重点实验室，北京 102413；
3.原子高科股份有限公司，北京 102413)
近距离放射治疗是指将具有包壳的放射性核素植入人体组织，利用放射出的X或β射线对肿瘤靶区进行持续照射，从而实现肿瘤治疗的目的。近距离放射治疗是宫颈、眼部、颈部、乳腺或前列腺癌等肿瘤治疗的常用手段之一[1-5]。用于近距离放射治疗的粒籽源125I和103Pd具有半衰期短、易于防护、易于加工成微型结构的特点[6]。国际辐射单位与测量委员会(ICRU)[7]、美国医学物理师协会(AAPM)发布的56号报告[8]、欧洲放射与肿瘤学会(ESTRO)[9]和安德森癌症中心[10]提出，在近距离放射治疗过程中需要准确掌握放射源的输出量，并将其作为治疗过程中质量控制和质量保证的一部分。AAPM TG-43号[11]报告中明确提出将近距离放射治疗所需测量的物理量由粒籽源表观活度转变为粒籽源空气比释动能强度。空气比释动能强度可直接利用能量和剂量来表示对人体产生的效应[12]，且避免了使用一系列繁琐的转换计算，减小了临床应用放疗过程中处方剂量的不确定度。
目前国内近距离放射治疗放射源的质量控制还是基于粒籽源表观活度，测量时将粒籽源进行融化，测量液体状态时的活度，而在治疗过程中使用的是带有包壳的粒籽源，这两者存在一定的差异。采用空气比释动能强度的溯源和校准，可直接反映带有包壳的粒籽源在周围组织沉积的能量。因此为了实现该物理量的定值，有必要研制基于绝对测量原理，对粒籽源空气比释动能强度测量的初级标准装置，以提升近距离放射治疗质量控制水平，进一步优化量值传递体系。本文从测量原理出发，提出空气比释动能强度量值复现数学模型，利用蒙特卡罗模拟和理论分析对电离室的关键部件设计进行研究分析，确定电离室的结构尺寸。实验测量电离室的漏电流和125I粒籽源的空气比释动能强度，对测量结果进行分析说明，为建立初级标准装置奠定技术基础。
1.1 空气比释动能强度
(1)
1.2 量值复现数学模型
本研究采用外推法，多次改变电离室测量体积，得到单位体积内的沉积能量进行量值复现，其优势在于消除室壁效应。通过物理量的转换，引入可测量的电离电流，对电离电流与测量体积求偏导，得到单位体积的电离电流，则：
(2)
式中：Aeff为测量电极的有效面积，m2；
gair为由于韧致辐射损失的电子的份额(当电子能量小于100 keV时，近似为0)；
ρair为空气密度(1.204 6 kg/m3，温度为20 ℃，压强为1.013 25 kPa)；
d(kI)/dl为单位长度变化的电离电流(电流为减去本底电流和漏电流，经参考温度、压强和光子束散射修正)，A/m；
ki为影响因素的修正因子。
2.1 外推电离室结构设计原则
由于粒籽源的活度低，产生的剂量率小，现有的低能X射线标准装置有效测量体积小，导致电离电流信号弱，难以准确测量125I粒籽源空气比释动能强度。为此需要设计具有大的测量体积的电离室，并提高电离室有效测量体积占比，提高测量信号。根据粒籽源的外形尺寸、辐射射线的能量和参考位置处的剂量率，采用锥形束照射方式对外推电离室结构进行设计，主体部件包括：限束光阑、入射窗(高压极)薄膜、收集极、保护极、栅极及必要的支撑结构，图1所示为外推电离室结构示意图。
图1 外推电离室结构示意图Fig.1 Structure diagram of extrapolation ionization chamber
光阑主要起到限束的作用，穿过光阑孔的光束进入电离室测量体积并沉积能量，同时可屏蔽外界的射线，光阑中心轴与射线束中心同轴；
高压极、收集极和保护极均采用空气等效材料的薄膜构成。通过高压极施加极化电压(正高压或负高压)，在高压极和保护极之间形成均匀电场，以减少离子复合效应。对多个栅极环施加等压差的电势，以减少电场畸变，确保测量体积内电场均匀性，使得测量体积内产生的电子直接被收集极收集。收集极接静电计进行信号收集和处理，保护极接地，收集极与保护极等电势。
与自由空气电离室不同，该电离室的有效测量点为高压极膜内表面中心，电离室有效测量体积为极板间距l与收集极面积Aeff的乘积。相比自由空气电离室，外推电离室的高压极和收集极位于束线照射的路径上，为了实现带电粒子平衡外推电离室的设计需要满足以下条件：1) 采用外推技术实现测量时，极板间距的最小值至少为光子与空气相互作用产生的最大能量电子在空气中射程的两倍，根据连续慢化近似(CSDA)射程(RCSDA)计算，极板间距最小为3 cm；
2) 经限束光阑后的光子完全覆盖收集极，且超出收集极边缘尺寸至少为最大能量电子在空气中的射程；
3) 在测量体积内，需具有均匀的、不发生畸变的电场，使得产生的带电粒子沿电场线方向运动恰好被收集极收集。
2.2 电离室关键结构设计
1) 极板间距设计
高压极和收集极之间的距离决定了光子束在电离室内部穿过的路径长度，足够大的极板间距，可增加测量点，同时增加电离室的收集体积，提高空气比释动能强度测量下限。电离室的设计要求为：在均匀有限介质中，满足带电粒子平衡的条件要求在电离粒子的最大射程范围内，能均匀地释放出电离粒子，即要求入射的初级粒子辐射场应是均匀的，意味着要求入射辐射路径上没有衰减。这是永远达不到的，但由此带来的误差在某种近似条件下可忽略，否则，需进行衰减修正。通常认为光子在测量体积内发生的衰减应小于1%，则介质受到光子能量低于1 MeV的X或γ射线的照射时，可认为在介质中出现良好的带电粒子近似平衡。利用单能平行束光子的衰减公式I=I0e-μd，粗略计算当光子能量取30 keV时光子在测量体积的衰减，光子在空气中的μ/ρ为0.353 8 cm2/g，衰减小于1%时，极板间距最大取20 cm。为了得到较大的测量体积同时满足小的光子衰减，极板间距的最大值取20 cm，因此确定极板间距的变化为3～20 cm。
2) 光阑设计
在满足带电粒子平衡的条件下，光阑开孔遵循两个基本原则：首先经光阑限束后的光束需全部覆盖收集极，且超出收集极边缘的距离至少要大于由于相互作用产生的最大能量的电子在空气中1倍射程；
其次，经过限束光阑后的主光束尽可能限制在电离室腔体内，避免束线照射到电离室室壁以引起光子散射。光阑材料选用密度为18.5 g/cm3的钨合金(W-89%，Ni-7%，Fe-4%)。根据极板间距和5 cm收集极半径，利用几何关系计算光阑张角约为32°，光阑厚度为8 mm，以尽量减小散射光子进入测量体积。
3) 高压极设计
粒籽源所释放的射线进入测量体积之前必须经过高压极，为了减少高压极材料对光子的衰减，高压极厚度应尽量小，同时满足带电粒子平衡条件，高压极膜厚度需大于光子与空气相互作用产生的最大能量的电子射程。高压极和收集极均采用空气等效材料，即具有相同的有效分子序数、线衰减系数和组织本领等，常用的空气等效材料有聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)或聚乙烯[16]。准确测量电子在介质中的射程是非常困难的，采用RCSDA代替电子在材料中的射程。125I粒籽源的平均能量为28 keV，最大能量为35.49 keV，分别计算能量为30 keV和40 keV时的RCSDA(表1)，从表1中可看出，膜厚度选取30 μm足够满足要求。
表1 电子在不同材料中的RCSDA Table 1 RCSDA of electron on different materials
上述空气等效材料本身电阻较大，可直接视为绝缘材料，而电离室探测过程中需要对高压极施加一定的电压，以便与收集极之间形成电场，对由于电离作用产生的正负离子进行收集和测量。因此需要在空气等效的绝缘基材表面添加导电层用来导电，导电材料选用空气等效的铝材料。
导电材料的功能主要是导电，其厚度不需要太厚，太厚的铝层会增加光子的衰减。为了研究导电材料的厚度，利用MCNP程序构建电离室的三维模型，通过不断增加导电层的厚度，与理想条件下(即导电层厚度为0)电离室内沉积的能量进行比较，利用F6卡记录在测量体积内光子沉积的能量，计算结果示于图2。当铝层厚度在20 μm以内时，对测量体积内沉积能量的影响在千分之一以内，当铝层厚度接近4 μm时，相对误差为万分之几。
图2 MCNP模拟计算0～20 μm厚铝层在测量体积内沉积的能量Fig.2 Deposited energy in measured volume with 0-20 μm aluminum thickness by MCNP
4) 收集极设计
收集极的面积直接影响了电离室有效测量体积的大小，增大收集极的半径有利于增加有效测量体积。过大的收集极半径会使电离室整体结构增大，对应的光阑锥角增大，增加了光子的发散修正，引起较大的不确定度。根据电离室测量体积及极板间距的调整范围，结合其他国家的研究经验[17-19]，本研究中使用的收集极半径选为5 cm，根据极板间距的调整范围，有效收集体积为235～1 570 cm3。
5) 保护极设计
平行极板形成的电场由于边缘效应会引起电场畸变，为了减小电场畸变，收集极外设置了保护极，收集极和保护极共面，且收集极和保护极之间应具有绝缘体将两部分隔开，保护极的环宽度至少大于收集极半径[20]。保护极环宽度设为9 cm时，则收集体积为1 847～12 315 cm3，有效测量体积占比为12%。
为了优化收集极和保护极的结构，结合绝缘环的加工技术，考虑了两种结构，一种是采用PET膜结构，另一种采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)块状结构。利用MCNP软件进行蒙特卡罗模拟，建立电离室模型，在这两种情况下，分别对电离室测量体积的沉积能量与理想情况(收集极设置为空气)进行对比。由于PMMA具有一定的脆性，可进行的机械加工厚度为1 cm，PET膜设为25 μm，为加快MCNP计算速度，将电离室的模型进行了简化(图3)。表2列出了不同收集极结构在测量体积内沉积能量模拟结果对比，可看出，PET膜对能量沉积的影响在0.07%左右，PMMA块状结构对能量沉积的影响为9.5%，因此PET膜结构是作为收集极较好的选择。收集极和保护极中间的绝缘槽采用蚀刻技术加工，绝缘槽的精度可控制在±0.01 mm，图4为绝缘槽为0.3 mm的收集极。
6) 栅极分压设计
由于放疗用的粒籽源发射的光子能量低于50 keV，电离室采用了锥形大体积外推结构。为保证锥形测量体积内电场均匀性满足测量要求，参考了用于测量平行束低能光子的自由空气电离室中通过多栅极施加等压差的电势方法，以减少锥形测量体积内电场的畸变、确保测量体积内产生的电子能被收集。根据文献[20]的分析，设计了40个栅极环，栅极厚度为4 mm，相邻栅极间间距为1 mm。栅极通过分压电路板与一定阻值的电阻串联，使得栅极电势依次呈增加变化趋势。由于电阻的阻值与栅极分到的电压呈正比，电阻值的差异会影响栅极间电势差的不同，导致测量体积内的不同栅极间电场强度不一致，因此需对电阻提出要求为：稳定性好、接入的各电阻的阻值相对偏差须好于电场非均匀性的要求。对接入电路中的每个电阻进行测量，测量结果如图5所示。接入的定值电阻最小阻值为0.995 MΩ，最大阻值为1.002 MΩ，与名义值1.000 MΩ的相对误差为-0.5%～0.2%，由此造成的电场强度的变化范围为0.7%，远小于电场5%非均匀性的要求。
a——电离室结构；
b——收集极和保护极结构图3 MCNP建立的电离室结构示意图Fig.3 Schematic of ionization chamber structure by MCNP
表2 不同收集极结构在测量体积内沉积能量模拟结果对比Table 2 Comparison of simulation result of deposited energy in measured volume with different collecting electrodes
图4 绝缘槽为0.3 mm的收集极Fig.4 Collecting electrode with 0.3 mm width insulation
对接入电路中的每个栅极电压依次进行测量，总电压依次设置为-200、-400、-800和-1 600 V，测量结果如图6所示，将每次测量的结果进行线性拟合，拟合后的曲线线性回归决定系数均在0.999 9以上，表明栅极电压呈均匀增加，满足测量要求。
图6 栅极电压的线性增加情况Fig.6 Linear increase of grid voltage
3.1 漏电流测量
利用该电离室对原子高科股份有限公司提供的6711型粒籽源进行空气比释动能强度的测量。为了保证测量结果的准确性，每次测量前将快门关闭，测量电离室漏电流。漏电流的产生可分为两类，一类是由于本底射线造成的本底电流，本底射线引起的本底电流大小与测量体积相关；
另一类是由于周围存在的杂散电场等原因造成的电流。
采用电荷积分形式，电荷积分时间至少在120 s以上，在同一个极板间距下，至少进行10次重复测量，求得多次测量平均值，测量的漏电流标准偏差小于2 fA，最大漏电流小于30 fA。图7为不同测量体积的漏电流，可看出，漏电流与极板间距呈近似线性变化。拟合得到的收集体积与漏电流的关系为：I=-0.001 54V+0.791 19，R2为0.969 64，其中1.54×10-3fA/cm3是由于本底射线进入测量体积产生的漏电流，0.791 2 fA是由于杂散电场等造成的漏电流。
图7 不同测量体积的漏电流Fig.7 Leakage current of different measurement volumes
3.2 粒籽源空气比释动能强度测量
对标称值为3.404×107Bq的6711型125I粒籽源进行空气比释动能强度测量。利用远程控制软件，调整电离室极板间距、快门开关、高压极电压及粒籽源旋转，测量得到的电离电流的标准偏差小于3 fA，平均值的相对标准偏差小于0.7%。为了消除电离室的极化效应，分别在正负高压下进行测量，将两次测量结果绝对值相加并取平均值作为电离电流，将不同极板间距下的电离电流进行最小二乘法拟合，如图8所示，拟合曲线公式为I=0.871 85l-0.711 03(R2=0.999 98)，将其他的修正因子一并代入式(2)，最终测量得到的粒籽源空气比释动能强度为1.250 μGy·m2·h-1，扩展相对不确定度为1.6%(k=2)。
AAPM TG43报告给出的6711型的125I粒籽源单位活度的空气比释动能强度参考值为1.270 μGy·m2·h-1·mCi-1，表明此量仅供粒籽源厂家提供放射源时使用，不作为准确的物理量值。根据原子高科股份有限公司提供的源活度，计算得到本实验得到的单位活度空气比释动能强度为1.359 μGy·m2·h-1·mCi-1，两者相对误差为7.0%。产生误差的原因为：一方面是由于原子高科股份有限公司提供的源活度并非严格意义上的表观活度，存在较大误差；
另一方面可能是放射源的定位导致的。因此，为了最终验证本研究测量结果的准确性，需要开展国际比对实验，同时，从测量结果来看，外推电离室的设计初步实现了空气比释动能强度的测量。
图8 不同极板间距下电离电流Fig.8 Ionization current with different electrodes
为实现125I粒籽源空气比释动能强度绝对测量，设计了专用的锥形束照射的外推电离室。从空气比释动能强度定义出发得到测量空气比释动能强度量值复现的数学模型。为了满足带电粒子平衡条件，对电离室的关键结构，包括光阑、入射极、收集极、保护极、栅极和分压电路板的设计，利用蒙特卡罗模拟、理论分析和实验测量3方面进行了研究分析。设计完成的外推电离室相比低能X射线自由空气电离室有效测量体积占比由0.2%提升至12%。测量不同体积的漏电流大小，得到单位体积产生的漏电流为1.54×10-3fA/cm3，与NIST推荐值相接近，通过采用外推测量技术，初步实现了对6711型125I粒籽源空气比释动能强度的测量。下一步工作将开展国际比对以验证空气比释动能强度量值复现能力。
猜你喜欢 栅极极板动能 新动能，源自创新力金桥(2022年4期)2022-05-05科学家首次实现亚1纳米栅极长度晶体管科学导报(2022年17期)2022-04-02关于地铁列车用IGBT栅极驱动器的研究交通科技与管理(2020年9期)2020-09-10新动能，新聊城走向世界(2018年11期)2018-12-26创新，动能转换的“加速度”金桥(2018年4期)2018-09-26为构建开放创新新高地增添动能人大建设(2018年7期)2018-09-19多晶硅栅极刻蚀过程中边缘刻蚀缺陷的研究及改善科技资讯(2017年25期)2017-10-20UPS的使用安装维护和运行山东工业技术(2017年1期)2017-01-24电容器与带电粒子在电场中的运动测试题中学生数理化·高二版(2016年10期)2016-12-24平行板电容器演示实验的分析与反思お中学物理·高中(2016年1期)2016-05-26