医院中子照射器治疗束中子参数测量

石 斌,张书峰,陈 军,刘显科,肖鸿飞,张紫竹,屈渤添,王 倩,曹 平,张庆贤,宋明哲,刘蕴韬

(1.中国原子能科学研究院 计量与校准技术国防科技重点实验室,北京 102413;2.中国科学技术大学 近代物理系,安徽 合肥 230026;3.成都理工大学 核技术与自动化工程学院,四川 成都 610059;4.北京凯佰特科技股份有限公司,北京 102413)

医院中子照射器是世界首台硼中子俘获治疗(boron neutron capture therapy, BNCT)专用的反应堆照射装置,额定功率30 kW,对称方向设置了热中子和超热中子两条照射孔道用于对患者进行照射,孔道直径均为12 cm[1]。在开展BNCT研究及临床应用前,需要对两条照射束的中子参数进行精确测量。本研究采用金箔活化的方法,分别测量两条束流出口处的热中子及超热中子注量率,并利用二维小车和金刚石探测单元组合成的扫描装置测量了中子和γ射线注量率的径向分布,为实现治疗束的品质表征和临床治疗计划的制定提供必要的数据基础,也为BNCT束流的质量控制提供参考方法。

1 测量原理

1.1 中子注量率

将裸金箔和覆镉金箔分别置于治疗束出口处照射,发生中子俘获反应产生具有放射性的核素198Au,由于镉对能量为0.5 eV以下的中子反应截面非常大,可认为覆镉金箔只与超热中子发生反应[2-3]。通过测量两个金箔的活度就可分别确定热中子和超热中子注量率。计算公式如式(1)和式(2)[4]。

(1)

(2)

其中,中子注量率波动修正因子kφ通过多次记录中子注量率监视系统计数来计算,计算公式如式(3)。

(3)

式中,n为照射期间记录的中子注量率监视系统测量的次数;λ为198Au的衰变常数,s-1;tr为中子照射时间,s;Ci为监视系统在第i个时间间隔的计数。

金箔自屏蔽修正因子ks通过式(4)计算。

(4)

式中,nAu为单位体积内197Au原子核核的数目,cm-3;σa为中子对197Au的吸收截面,cm2;DAu为金箔的厚度,cm。

镉对金箔活度影响的修正因子kCd通过式(5)计算。

(5)

式中,A′th为透过镉盒的热中子引起的金箔活度,Bq;ACd为超热中子引起的金箔活度,Bq;φ′th为透过镉盒的热中子注量率,cm-2·s-1;φepi为超热中子注量率,cm-2·s-1;σth为197Au(n,γ)反应在热能区的谱平均截面,cm2;σepi为197Au(n,γ)反应在超热能区的谱平均截面,cm2;NAu为金箔内197Au原子核的数目。

1.2 中子和γ射线注量率径向分布

金刚石探测器拥有高热导率、宽禁带、高载流子迁移率的特性,与其他半导体探测器相比,更能适应高温、强辐射场,同时拥有更低的暗电流和更好的信噪比,已被应用于α粒子、β粒子、γ射线和电子等的探测[5]。在金刚石探测器前增加转换体,可将中子转换成带电粒子[6-7],通过选择适当的转换体厚度及光阑大小(确定带电粒子探测立体角),将金刚石探测器计数率控制在可接受的程度,避免因死时间过大发生漏计数,从而导致结果产生较大误差。

对于热中子和超热中子,增加对低能中子灵敏的6LiF转换体将中子转换成α和3H进行探测,再通过有无镉屏蔽甄别出热中子和超热中子;对于快中子探测,转换体选择聚乙烯薄膜,通过测量反冲质子得到快中子的注量率径向分布[8-9]。

2 实验测量

2.1 治疗束出口处中子注量率

由蒙特卡罗方法模拟得到的两条束线束流出口处中子能谱,计算了197Au(n, γ)反应在不同中子能区的谱平均截面[4],见表1。可用于上述公式中相关参数的计算。

表1 197Au(n,γ)反应在不同中子能区的谱平均截面Table 1 Spectrum-averaged cross-section of 197Au(n, γ) reaction in different energy range

将裸金箔(直径3.5 mm,厚5 μm)和覆镉(壁厚1 mm的镉盒)金箔先后置于治疗束出口中心处,保持与束流方向垂直,照射一段时间后取下,利用4πβ-γ符合装置测量其活度A、ACd,代入公式(1)和(2)得到热中子和超热中子注量率。

2.2 中子和γ射线注量率径向分布

实验采用的探测器示于图1,金刚石晶体灵敏区体积为3.6 mm×3.6 mm×0.1 mm,陶瓷底衬直径10 mm,厚1.6 mm。最终选用的转换体厚度为1 μm,真空蒸镀在10 μm的铝底衬上,光阑设置为直径4 mm。在转换体和金刚石晶体之间设置了4 mm的空气层,可以使6Li(n,α)3H反应产生的α沉积大部分能量,同时不影响3H被金刚石晶体探测。利用Geant4模拟了热中子入射上述探测器结构,在金刚石晶体上的能量沉积谱示于图2,低能部分和高能部分分别为反应产生的α和3H经过空气层衰减后的能量沉积谱,中间“空谷”部分是由于空气对α和3H阻止本领不同所导致,据此可以更好地统计3H计数,避免α影响。

图1 裸金刚石及安装好外壳和转换体的探测器Fig.1 Bare and assembled diamond detector

图2 模拟得到的能量沉积谱Fig.2 Simulated energy deposition spectrum

图3 径向分布测量装置Fig.3 Radial distribution measuring device

采用二维移动平台作为探测器支撑以及移动载体。将探测器固定在自动控制移动的平台上,使探测器前表面位于治疗束出口平面上。扫描步长为4 mm,每个位置点测量时间为60 s。扣除本底和噪声之后的计数即为探测器的有效计数,对于单次测量来说,探测器有效计数的分布即可直接反映注量率的分布。

3 结果与讨论

3.1 治疗束出口处中子注量率

治疗束出口处裸金箔和覆镉金箔的测量数据列于表2。

表2 金箔测量数据Table 1 Data of measured gold foil

利用式(1)和式(2)计算两条治疗束的热中子和超热中子注量率,修正因子取值列于表3,测量结果列于表4,其中不确定度主要由金箔活度不确定度、197Au(n,γ)反应谱平均截面的不确定度[10]和修正因子的不确定度组成[4],三者相互独立最后合成标准不确定度列于表5。

表3 修正因子计算结果Table 3 Results of correction factor

表4 中子注量率测量结果Table 4 Results of neutron fluence rate measurement

表5 中子注量率测量结果不确定度Table 5 Uncertainty of neutron fluence rate measurement results

由表5数据可以看出,与超热中子束相比,热中子束上的镉对于金箔活度的影响更大,这是由于热中子束中,能量低于0.5 eV的中子所占比例远大于能量在0.5 eV以上的中子,镉对低能中子的透过率不能忽略,需要根据能谱和截面进行计算修正;同时,与热中子能区相比,超热中子能区197Au(n,γ)反应截面不确定度较大,是导致超热中子注量率不确定度较大的主要原因。

在额定功率运行时,医院中子照射器热中子束出口处热中子注量率为1.75×109cm-2·s-1,超热中子束出口处超热中子注量率为3.14×108cm-2·s-1,与采用同样测量方法的文献[4]相比均有下降,分析原因为反应堆经过十余年的运行后,反应性下降,造成堆芯中子注量率降低,从而影响束流出口处的热中子注量率。

3.2 中子和γ射线注量率径向分布

热中子束和超热中子束出口处中子和γ射线注量率的径向分布测量结果示于图4。可以看出:1) 测量的热中子束和超热中子束出口处中子注量率径向分布基本符合预期,孔道准直器孔径边缘处和孔径外的差异来源于探测器位置灵敏度(灵敏区尺寸)和室散射中子的影响。

a——热束热中子;b——热束超热中子;c——热束快中子;d——热束γ射线;e——超热束热中子;f——超热束超热中子;g——超热束快中子;h——超热束γ射线图4 注量率径向分布测量结果Fig.4 Radial distribution measurement results

在准直器孔径内的中子注量率分布相对较为均匀,而在孔径外,中子注量率迅速下降,说明准直器对中子起到很好的准直作用;2) 测量的热中子束和超热中子束出口处γ射线注量率径向分布基本符合预期,在准直器孔径内的γ射线注量率分布相对较为均匀,而在孔径外,γ射线注量率先上升后下降,是由于准直器材料为含硼聚乙烯,中子与其反应后产生次级γ射线,造成此处γ射线注量率上升。

本研究利用同一探测器外加不同转换体的方式对照射束不同参数进行了测量,与文献[4]相比,更为简单便捷,同时测量结果符合较好。

4 小结

针对BNCT医院中子照射器开展了照射束物理参数测量实验。利用金箔活化片测量了束流出口处的热中子和超热中子注量率,利用金刚石探测器外加转换体的方式进行了热中子、超热中子、快中子和γ射线注量率径向分布的实验测量,结果显示,热中子束的热中子注量率为1.75×109cm-2·s-1,超热中子束的超热中子注量率为3.14×108cm-2·s-1;治疗束绝大部分成分分布在束流孔径内,靠近束流边缘会出现指数级下降现象,表明准直器的准直屏蔽效果较好。可为后续开展相关实验和测试提供必要的参数支持,为BNCT质量控制提供参考方法。