BNCT治疗束γ能谱仪的校准方法研究.pdf

第 卷第期原子能科学技术V o l ,N o 年月A t o m i cE n e r g yS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yA p r B N C T治疗束能谱仪的校准方法研究张书峰,石斌,肖鸿飞,陈军,刘蕴韬,张庆贤,宋明哲(中国原子能科学研究院,北京 ;成都理工大学,四川 成都 )摘要:受硼中子俘获疗法(B N C T)治疗束的特点所限,源项射线能谱的测量难度较大,国际上开展的相关工作很少,且未对其谱仪进行校准.为得到准确的源项能谱,本文主要开展了适用于B N C T治疗束能谱仪的校准方法研究.谱仪由高纯锗(HP G e)探测器及屏蔽系统组成,因为屏蔽效果很好,无法通过实验方法校准整个谱仪系统的响应.由于其主要影响因素是HP G e探测器的死层分布,谱仪可通过下述方法进行校准:对裸探测器进行校准,获取探测器的准确模型;利用精细测量及材料分析得到屏蔽体的精确模型,建立谱仪的计算模型;通过MC N P计算获得谱仪的响应函数.由此将结果溯源至相应的国家或国防标准,确保谱仪关键参数的准确可靠,为后续解谱工作奠定基础.关键词:能谱仪;响应函数;HP G e探测器;MC N P中图分类号:T L 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:;修回日期:通信作者:刘蕴韬;陈军d o i:/y z k y o u x i a n S t u d yo nC a l i b r a t i o nM e t h o do fS p e c t r o m e t e r f o rB N C TT r e a t m e n tZ HANGS h u f e n g,S H IB i n,X I AO H o n g f e i,CHE NJ u n,L I UY u n t a o,Z HANGQ i n g x i a n,S ONG M i n g z h e(C h i n aI n s t i t u t eo fA t o m i cE n e r g y,B e i j i n g ,C h i n a;C h e n g d uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,M i a n y a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:L i m i t e db yt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eb o r o nn e u t r o nc a p t u r et h e r a p y(B N C T)t r e a t m e n tb e a m,i t i sd i f f i c u l t t om e a s u r e t h er a ye n e r g ys p e c t r u mo f t h e s o u r c e t e r mT h e r ea r e f e wr e l e v a n tw o r kh a sb e e nc a r r i e do u t U pt on o w,o n l yt h ee n e r g ys p e c t r o m e t e rd i r e c t l ym e a s u r e dt h es o u r c et e r mr a y s,b u tt h es p e c t r o m e t e rw a sn o tb e e nc a l i b r a t e da n du n f o l d I no r d e rt oo b t a i na na c c u r a t ee n e r g ys p e c t r u mo ft h es o u r c et e r m,i t i sn e c e s s a r yt oc a l i b r a t et h ee n e r g ys p e c t r o m e t e ra n de s t a b l i s ht h er e l i a b l er e s p o n s e f u n c t i o no f t h e s y s t e m T h i sp a p e rb r i e f l y i n t r o d u c e s t h ee n e r g ys p e c t r o m e t e rd e s i g n e df o rB N C Tt r e a t m e n tb e a m,a n dm a i n l y i n t r o d u c e s t h ec a l i b r a t i o nm e t h o ds u i t a b l ef o rt h i ss p e c t r o m e t e r T h es p e c t r o m e t e rc o n s i s t so fah i g h p u r i t yg e r m a n i u m(H P G e)d e t e c t o r a n da s h i e l ds y s t e m S i n c e t h e e n t i r e s p e c t r o m e t e r i sd e s i g n e d f o rh i g hi n t e n s i t yn e u t r o n/m i x e df i e l d s,t h es h i e l de f f e c to ft h es p e c t r o m e t e ri ss oe f f e c t i v e,a n d i t i s i m p o s s i b l e t oc a l i b r a t e t h er e s p o n s eo f t h e e n t i r e s p e c t r o m e t e r s y s t e mt h r o u g he x p e r i m e n t a lm e t h o d s B ya n a l y z i n gt h es p e c t r o m e t e rs y s t e m,t h ed e a dl a y e rd i s t r i b u t i o no ft h e H P G ed e t e c t o ri st h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r,a n do t h e rs t r u c t u r e sc a nb ea c c u r a t e l yo b t a i n e dt h r o u g h X r a yr a d i o g r a p h ya n dg e o m e t r i cm e a s u r e m e n t s T h e r e f o r e,t h ec a l i b r a t i o nm e t h o do f t h es p e c t r o m e t e r i sa s f o l l o w s:o b t a i na na c c u r a t em o d e lo ft h e H P G ed e t e c t o rb y X r a yr a d i o g r a p h ya n dc a l i b r a t i o n;u s ep r e c i s i o n m e a s u r e m e n t s,f i n eg e o m e t r i cm e a s u r e m e n t a n dm a t e r i a l a n a l y s i s t oo b t a i na na c c u r a t em o d e l o ft h es h i e l d,a n de s t a b l i s hac a l c u l a t i o nm o d e lo f t h es p e c t r o m e t e r;a c q u i r et h er e s p o n s ef u n c t i o no ft h es p e c t r o m e t e rs y s t e mt h r o u g h M o n t eC a r l oNp a r t i c l et r a n s p o r tc o d e(MC N P)c a l c u l a t i o n,a n dt h ee n e r g ys p a n sf r o m M e Vt oM e V w i t ha ne n e r g yi n t e r v a lo f k e VAm o n gt h e m,t h e H P G ed e t e c t o rd e a dl a y e rd i s t r i b u t i o nc a nb ec o n f i r m e du s i n gt h e f o l l o w i n gs t e p s T h e e f f i c i e n c yo f t h eH P G ed e t e c t o rw a s c a l i b r a t e du t i l i z i n gs t a n d a r ds o u r c e sa n dh i g h e n e r g yr e f e r e n c e r a d i a t i o nf i e l d s T h ed e a d l a y e rd i s t r i b u t i o no ft h e H P G ed e t e c t o r w a sa d j u s t e d u s i n g MC N Pt oe n s u r ea g r e e m e n tb e t w e e nc a l c u l a t e da n dm e a s u r e de f f i c i e n c i e s,t h e r e b yd e t e r m i n i n gt h eg e o m e t r i cd i s t r i b u t i o no f t h ed e a d l a y e r T h e r e f o r e,u s i n gac o m b i n a t i o no fM o n t eC a r l os i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lm e t h o d s,t h e r e s u l t s c a nb e t r a c e d t o t h e c o r r e s p o n d i n gn a t i o n a l o rn a t i o n a l d e f e n s es t a n d a r d s,e n s u r i n gt h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo f t h ek e yp a r a m e t e r so f t h es p e c t r o m e t e r,a n d l a y i n gt h e f o u n d a t i o nf o rs u b s e q u e n t s p e c t r u mu n f o l dw o r kK e yw o r d s:e n e r g ys p e c t r o m e t e r;r e s p o n s e f u n c t i o n;H P G ed e t e c t o r;MC N PB N C T作为二元靶向疗法,理论上可选择性地将高L E T的粒子及L i离子输送至肿瘤细胞,且不危及正常组织,是一种理想的治疗手段.年,在 布 鲁 克 海 文 国 家 实 验 室(B N L)进行了第个硼中子俘获疗法(B N C T)临床试验,后续在世界各地的反应堆上进行了多次实验 ,证明了其有效性.由于核反应堆难以用于医疗用途,基于加速器的B N C T正在积极发展中.B N C T是综合学科,涉及中子源、药物、成像及治疗计划,需要各界人员的共同努力.随着各项技术的改进,B N C T的精准治疗可达到预期效果.B N C T的剂量成分主要包括 B剂量、中子剂量、质子剂量和光子剂量,除 B剂量外均为污染剂量.其中光子剂量分为两部分,治疗束中伴随的射线和在人体组织中引起的成分.组织中氢捕获热中子(H(n,)H)产生的 M e V射线可通过蒙特卡罗模拟准确得到;而由于束慢化及整形系统中所用的材料存在各种杂质,在高强度中子束流照射下会产生难以预知的射线,治疗束内伴随的射线部分无法利用计算准确获取,因此需通过实验确认.能谱仪利用直接测量法获取测量谱,但需通过响应函数解谱才能得到源项能谱.为确保谱仪关键参数的准确可靠,本文开展谱仪的响应函数校准方法的研究,使其溯源至标准射线源,并利用MC N P建立谱仪的响应函数.能谱仪结构B N C T治疗束的要求为超热束中子注量率 c m s,注量率 c m s.设计过程参考医院中子照射器(I HN I)超热中子束的中子和源项的能谱、半径及方向余弦分布,利用MC N P模拟优化设计了中子和屏蔽准直系统的几何结构,该谱仪也适用于其他B N C T治疗束.设计中考虑了以下几个主要因素:尽可能屏蔽掉中子,以避免探测器的辐射损伤;探测器的计数率应满足电子学系统的要求,以使测量的脉冲幅度谱不因计数率过高(死时间过大)而出现堆垒现象;尽可能降低次级射线计数的占比;重量和体积的可操作性.计算了多种几何结构的组合,综合考虑以上几个方面,最终确定的能谱示意图见图,其中,探测器采用高分辨率的H P G e探测器;中子屏蔽体由两部分第期张书峰等:B N C T治疗束能谱仪的校准方法研究图能谱仪结构示意图F i g S t r u c t u r ed i a g r a mo fe n e r g ys p e c t r o m e t e r组成,靠近束出口处为聚乙烯(直径 c m,厚度 c m);准直器前为聚乙烯(直径 c m,厚度 c m)和L iC O(直 径 c m,厚 度c m);准直器由铅(探头周围铅厚度为c m)和钨(直径 c m,厚度 c m)组成,钨中心开一直径c m的准直孔.能谱仪响应函数的校准由于中子和屏蔽准直系统的存在,因而无法直接通过实验的方法校准整个谱仪系统的响应函数.通过经验和分析可知,影响谱仪响应函数的因素主要包括:H P G e探测器的几何结构(材料和尺寸)及死层分布;中子和屏蔽准直系统的几何结构(材料 和尺寸).其中,H P G e探测器的尺寸由X照相得到,中子和屏蔽准直系统的几何结构可通过材料分析和精细的几何测量准确测定,唯一无法利用上述方法确定的是H P G e探测器的死层分布,因此只能采用实验方法得到该参数.然后建立整个谱仪系统的精确模型,通过蒙特卡罗模拟计算得到较准确的谱仪响应函数.裸探测器的校准H P G e探测器死层分布的确定方法如下:利用标准源和高能参考辐射场校准H P G e探测器的效率,同时通过蒙特卡罗模拟计算H P G e探测器的效率,两者对比调整死层的位置和厚度,使校准和计算的探测效率一致,由此可确定H P G e探测器的死层分布 .具体工作过程如下.首先,利用标准源和高能参考辐射场校准H P G e探测器的效率,采用的源和高能参考辐射场具体参数列于表、,能量范围覆盖 k e V M e V.实验室已具备半衰期较长的 标 准源:Am、B a、C s、C o和 E u,能量可覆盖至 M e V.C o放射源半衰期较短(T/d),由质子轰击铁靶(F e(p,n)C o)制 备 得 到.铁 靶 厚 度 为 m、纯度为 ,质子束由H I 串列加速器提供,由于反应截面在质子能量为 M e V时最大为 m b,经过S R I M计算,入射质子能量为 M e V时,该反应的产额最大,可在短时间内得到所需活度的 C o放射性源.通过反康普顿低本底谱仪对 C o活度进行定值,得到其活度为 B q,其相对合成标准不确定度为 ,由此将能量扩展至 M e V.在利用标准源校准时探测器与源的距离(源距)为 c m.为校 准H P G e探 测 器 在 高 能 区(M e V)的效率,在 S DH 串列加速器上,采用质子打靶的反应建立相应高能射线参考辐射场.通过质子轰击C a F靶(F(p,)O,靶厚为 gc m)产生 M e V的射线,靶片距离探测器表面 c m.利用质子能量在 k e V时的共振反应 ,该能量下,该共振反应较孤立,M e V的分支比较高,可选用较厚的靶进行实验,减少照射时间.入射质子与靶核 F生成复合核 N e,复合核由激发态退激至 O不同能态,发射 M e V时对应能量为 M e V.在与质子束 方向用H P G e探测器测量射线,方向用金硅面垒探测器测量粒子,其比例关系为 ,可用粒子定量射线强度.金硅原子能科学技术第 卷表H P G e探测器效率校准采用的标准源T a b l eS t a n d a r ds o u r c e f o r e f f i c i e n c yc a l i b r a t i o no fH P G ed e t e c t o r放射性核素射线能量/k e V活度/B q半衰期放射性核素射线能量/k e V活度/B q半衰期 Am a C s a C o a E u a C o d B a a 表H P G e探测器效率校准采用的高能参考辐射场T a b l eH i g he n e r g yr e f e r e n c er a d i a t i o nf i e l du s e d i ne f f i c i e n c yc a l i b r a t i o no fH P G ed e t e c t o r高能反应质子能量Ep/M e V能量E/M e V能量E/M e V分支比P/P F(p,)O ()A l(p,)S i ()()图金硅面垒探测器测量的 F(p,)O反应伴随粒子脉冲幅度谱F i g S p e c t r u mo f F(p,)Or e a c t i o nw i t hp a r t i c l e sm e a s u r e db yA u S i s u r f a c eb a r r i e rd e t e c t o r面垒探测器测量的粒子脉冲幅度谱如图所示.利用质子打A l靶(A l(p,)S i,厚度为 gc m)产生 M e V和 M e V的射线,该反应为共振反应,不同能量的质子入射,产生的射线能量不同,出射的射线为级联反应,低能射线与高能射线一一对应.根据级联的低、高能分支比获得所需高能射线的强度 .H P G e探测器测量的高能区射线脉冲幅度谱如图所示,由于该反应产额较低,为平衡测量时间,探测器放置在距靶片 c m的位置.其次,利用蒙特卡罗程序模拟计算不同死层厚度时H P G e探测器的效率,并与实验效率进行比较,从而获得所有校准能量点两者相对偏差的绝对值之和u(式(),u与顶部死层厚度和底部死层厚度的关系曲线如图所示.综合考虑u取最小值时各能量点c,i与e x p,i的绝对偏差,最终确定顶部和底部对应的死层厚度,并将该死层厚度下计算的H P G e探测器效率曲线与校准结果进行比较,两者符合较好,如图所示.图中各能点均归一到源距 c m时的探测效率,平均每点的相对偏差的绝对值为 ,相对偏差的绝对值在 M e V能点最大为 .uiiic,ie x p,ic,i()第期张书峰等:B N C T治疗束能谱仪的校准方法研究图HP G e探测器测量的高能区脉冲幅度谱F i g S p e c t r u mo fh i g he n e r g yr e g i o nm e a s u r e db yH P G ed e t e c t o r图HP G e探测器死层厚度与的关系曲线F i g C u r v eo f r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e a dl a y e r t h i c k n e s sa n do fHP G ed e t e c t o r图实验和模拟计算的H P G e探测器效率F i g E f f i c i e n c yo fHP G ed e t e c t o rc a l c u l a t e db ye x p e r i m e n t a n ds i m u l a t i o n其中:u为各能点的实验效率与模拟效率的相对偏差的绝对值之和;ui为实验效率与模拟效率的相对偏差的绝对值;c,i为模拟效率;e x p,i为实验效率.屏蔽体几何结构的确认通过X照相获得了所用H P G e探测器的结构尺寸,如图所示,其中死层结构已由上图根据X照相得到的H P G e探测器结构示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f s t r u c t u r eo fH P G ed e t e c t o ro b t a i n e df r o mX r a yr a d i o g r a p h y述方法确定.已利用游标卡尺等工具测量得到中子和屏蔽准直系统组成单元的结构尺寸(组装前),采用原子发射分析等方法获得了中子和屏蔽准直系统组成单元的杂质含量(MC N P模拟计算中假设杂质均匀分布在各材料中).由此建立了谱仪系统精细的计算模型(图).原子能科学技术第 卷图MC N P中能谱仪结构示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f s t r u c t u r eo fe n e r g ys p e c t r o m e t e r i nMC N P能谱仪响应函数的建立利用蒙特卡罗模拟计算整个谱仪系统的响应函数,能量范围为 M e V,能量间隔 k e V.源采用单能面源输入,源其他参数与I HN I超热中子束的参数一致,即半径分布和方向余弦.计算结果如图所示,根据谱仪的响应函数可由脉冲幅度谱得到治疗束的源项注量能谱.图能谱仪响应函数F i g R e s p o n s e f u n c t i o no fe n e r g ys p e c t r o m e t e r结论本文针对研制的能谱仪建立了适用于B N C T治疗束特点的谱仪系统的校准方法.利用几何测量及原子发射光谱分析得到屏蔽系统的尺寸和材料,并在标准射线源和高能参考辐射场下对裸探测器进行了校准,由此建立了能谱仪的精确模型,确保了谱仪关键参数的准确可靠.通过MC N P模拟程序计算了谱仪在I HN I超热中子治疗束下的响应函数,为谱仪后续解谱工作奠定了基础.参考文献:B A R THRF,C O D E R R EJA,V I C E N T EMGH,e t a l B o r o nn e u t r o nc a p t u r e t h e r a p yo f c a n c e r:C u r r e n t s t a t u sa n d f u t u r ep r o s p e c t sJ C l i n i c a l C a n c e r R e s e a r c h,():F A R RLE,S WE E T W H,L O C K S L E Y H B,e ta l N e u t r o nc a p t u r et h e r a p yo fg l i o m a su s i n gb o r o nJT r a n sAm N e u r o lA s s o c,:KANKAAN R AN TAL,S AA R I L AHT I K,MAK I T I EA,e t a l B o r o nn e u t r o nc a p t u r e t h e r a p y(B N C T)f o l l o w e d b yi n t e n s i t y m o d u l a t e dc h e m o r a d i o t h e r a p ya sp r i m a r yt r e a t m e n to f l a r g eh e a da n dn e c kc a n c e rw i t hi n t r a c r a n i a li n v o l v e m e n tJR a d i o t h e r a p y&O n c o l o g yJ o u r n a lo ft h eE u r o p e a nS o c i e t yf o rT h e r a p e u t i cR a d i o l o g y&O n c o l o g y,():J O E N S UU H,KANKAAN R AN T AL,S E P P LT,e t a l B o r o nn e u t r o nc a p t u r et h e r a p yo fb r a i nt u m o r s:c l i n i c a l t r i a l sa t t h e f i n n i s hf a c i l i t yu s i n gb o r o n o p h e n y l a l a n i n eJ J o u r n a l o fN e u r o O n c o l o g y,():KAWA B A T AS,M I YA TAK ESI,N ON O GU CH IN,e ta l S u r v i v a lb e n e f i tf 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i s o nb e t w e e ns p e c t r as i m u l a t e db y MC N Pa n dc o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a lo n e sJN u c l e a rE l e c t r o n i c s&D e t e c t i o nT e c h n o l o g y,第期张书峰等:B N C T治疗束能谱仪的校准方法研究 ():(i nC h i n e s e)K O L E S KA M,V I E R E R B L L,MA R E K MD e v e l o p m e n t o f t h eMC N P Xm o d e l f o r t h ep o r t a b l e HP G e d e t e c t o rJ R a d i a t i o n P h y s i c s&C h e m i s t r y,:牟婉君,李梅,刘国平H P G e谱仪点源效率与探测高度的相关性研究J核电子学与探测技术,():MU W a n j u n,L IM e i,L I U G u o p i n g R e l a t i v i t ya n a l y s i so ft h ee f f i c i e n c yo fp o i n ts o u r c e sa n dd e t e c t i o nh e i g h tb y H P G e s p e c t r o m e t e rJN u c l e a r E l e c t r o n i c s&D e t e c t i o n T e c h n o l o g y,():(i nC h i n e s e)MAHD IK H,AK R AMS C a l c u l a t i o nt h e c r o s ss e c t i o n sa n d n e u t r o n y i e l d f o r F e(p,n)C or e a c t i o n a n d r e v e r s e r e a c t i o nJJ o u r n a l o fK u f a P h y s i c s,():D I E UME G 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