γ輻射場(chǎng)中TEPC微劑量譜的測(cè)量與模擬

張偉華，肖雪夫，王志強(qiáng)，劉毅娜，李春娟，駱海龍

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

TEPC以厘米量級(jí)的靈敏體積模擬微米量級(jí)的人體細(xì)胞組織，通過(guò)線能譜(加權(quán)轉(zhuǎn)換后為微劑量譜)可以得到吸收劑量、品質(zhì)因子以及劑量當(dāng)量；目前在國(guó)際上TEPC已被廣泛應(yīng)用于微劑量學(xué)、輻射防護(hù)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)學(xué)科研究。

TEPC作為一種標(biāo)準(zhǔn)儀器，可用于中子(n)、γ混合輻射場(chǎng)內(nèi)n、γ劑量當(dāng)量的測(cè)量。在混合輻射場(chǎng)中進(jìn)行n、γ劑量當(dāng)量分辨技術(shù)[1-3]研究時(shí)，需要對(duì)重疊區(qū)內(nèi)γ輻射的響應(yīng)特性進(jìn)行研究，繼而從混合輻射場(chǎng)的微劑量譜中扣除γ劑量當(dāng)量貢獻(xiàn)。

FLUKA程序是一款相對(duì)發(fā)展完善成熟的MC模擬計(jì)算程序，可用于模擬多種粒子包括電離輻射與強(qiáng)子在任何靶物質(zhì)內(nèi)的輸運(yùn)及相互反應(yīng)，可模擬的粒子能量有相當(dāng)寬的范圍，從20 TeV至1 keV(對(duì)于所有粒子)，對(duì)于中子能量最低至熱中子能量段。FLUKA程序可應(yīng)用于輻射防護(hù)的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用領(lǐng)域，以及劑量學(xué)、輻射生物學(xué)、放射治療和宇宙射線的模擬計(jì)算等?；诖?，在純?chǔ)幂椛鋱?chǎng)對(duì)TEPC的響應(yīng)(微劑量譜)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量和蒙特卡羅(MC)模擬計(jì)算。

1 γ輻射場(chǎng)微劑量譜測(cè)量

1.1 微劑量譜

(1)

(2)

F(y)對(duì)y的微商稱(chēng)作頻率幾率密度函數(shù)，又稱(chēng)作線能分布，用f(y)表示：

f(y)=dF(y)/dy

(3)

它是線能出現(xiàn)在y附近單位線能間隔內(nèi)的幾率。F(y)和f(y)滿(mǎn)足歸一化條件:

(4)

令d(y)dy作為線能y到y(tǒng)+dy之間的部分產(chǎn)生的吸收劑量占總吸收劑量的份數(shù)，稱(chēng)d(y)是線能的劑量幾率密度。d(y)與線能y和頻率幾率密度函數(shù)f(y)的乘積成正比，比例因子須滿(mǎn)足歸一化條件。故有：

(5)

[yd(y)]d(logy)

(6)

實(shí)際應(yīng)用時(shí)普遍將d(y)分布以半對(duì)數(shù)坐標(biāo)畫(huà)出圖形，依據(jù)公式(6)轉(zhuǎn)化為yd(y)分布，通常稱(chēng)之為微劑量譜[5]。此微劑量譜可以比較直觀地給出各種粒子對(duì)劑量譜的貢獻(xiàn)，便于研究輻射場(chǎng)劑量的成分。

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

將組織等效正比計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)送到脈沖幅度分析器，可以測(cè)出信號(hào)譜分布N(h)，它是幅度為h到h+Δh的道內(nèi)記錄的脈沖數(shù)，Δh是分析器的道寬。單次事件在正比計(jì)數(shù)器中沉積的能量ε1與脈沖幅度成正比，設(shè)比例常數(shù)為c，則[6]

ε1=ch

(7)

在直徑為d的球體或者等高圓柱正比計(jì)數(shù)器中，線能y為

(8)

線能y的分布可表示為

(9)

(10)

(11)

式(11)為利用TEPC測(cè)量微劑量譜分布的表達(dá)式。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量所用的電子學(xué)系統(tǒng)框圖示于圖1，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的γ輻射微劑量譜示于圖2。TEPC的刻度方法有三種[7-8]，低能X射線刻度、內(nèi)置α源刻度、中子源刻度。本工作自主研制了一臺(tái)TEPC樣機(jī)，經(jīng)252Cf中子源刻度后在60Co、137Cs γ輻射場(chǎng)中進(jìn)行微劑量譜的測(cè)量。

圖1 電子學(xué)框圖Fig.1 Electronic system schematic

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量微劑量譜Fig.2 Measured microdosimetric spectrum (60Co、137Cs)

2 FLUKA模擬

FLUKA程序具有對(duì)探測(cè)器內(nèi)單次沉積事件進(jìn)行模擬的功能[9]，利用DETECT記錄卡實(shí)現(xiàn)此功能，對(duì)TEPC在輻射場(chǎng)內(nèi)的脈沖幅度譜進(jìn)行了模擬。利用FLUKA程序模擬得到的脈沖幅度譜橫坐標(biāo)道數(shù)對(duì)應(yīng)能量，進(jìn)行線能刻度即能量值(道數(shù))除以所模擬體積的平均弦長(zhǎng)，脈沖幅度譜經(jīng)過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換后得到微劑量譜。

FLUKA模擬TEPC脈沖幅度譜時(shí)，其探測(cè)器結(jié)構(gòu)做簡(jiǎn)化處理，幾何模型示于圖3。探測(cè)器保護(hù)殼是直徑與高度相同的圓柱，外徑60 mm,厚度1.6 mm。鋁殼內(nèi)是組織等效塑料腔，腔體是一個(gè)直徑與高度相同的圓柱，其外徑為50 mm，厚度為3 mm。組織等效塑料腔包圍的區(qū)域(不含腔體本身)即為DETECT記錄卡的收集區(qū)。保護(hù)殼材料是鋁，程序模擬時(shí)采用的鋁材料參數(shù)為FLUKA程序自帶材料庫(kù)中的天然鋁。組織等效塑料腔體材料為組織等效塑料(型號(hào)A-150)，其核素組成成分的質(zhì)量百分比是H 10.2%，C 76.8%，N 3.65%, O 5.9%,F 1.7%，Ca 1.8%。鋁殼與組織等效塑料腔間的空隙以及腔室內(nèi)均是組織等效氣體，該氣體是基于丙烷的混合氣體[10](64.4%CH4,32.5%CO2,3.1%N2)。氣體密度需根據(jù)待模擬的2 μm細(xì)胞來(lái)確定，依據(jù)公式(12)：

圖3 TEPC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 TEPC sketch

(12)

公式(12)中ρm為細(xì)胞密度，1.0 g/cm3，ΔXm為細(xì)胞直徑 ，2 μm，ΔXg為探測(cè)器直徑，4.4 cm。

采用FLUKA程序?qū)EPC在γ輻射場(chǎng)中的脈沖幅度譜進(jìn)行了模擬，經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到微劑量譜。模擬所得6、8、10 MeV三個(gè)單能點(diǎn)γ輻射的微劑量譜示于圖4。由圖4可見(jiàn)，三個(gè)能量點(diǎn)的微劑量譜變化不大，此能量區(qū)間內(nèi)的γ輻射沉積線能基本一致，并且均終止于10 keV/μm。10 MeV、1.2 MeV以及662 keV三個(gè)單能點(diǎn)γ輻射的微劑量譜進(jìn)行比較，結(jié)果示于圖5，由圖5可見(jiàn)，其沉積線能均是基本在10 keV/μm以?xún)?nèi)。隨著γ輻射能量降低，662 keV的高線能端份額增多，而10 MeV的低線能端份額較多。60、300、662 keV三個(gè)中低能光子的微劑量譜進(jìn)行比較結(jié)果示于圖6，由圖6可以見(jiàn)，隨著輻射能量降低，其沉積線能逐漸趨向于高線能端，也就是說(shuō)低能光子較之高能光子更容易在細(xì)胞組織內(nèi)沉積能量。同時(shí)從圖4、圖5以及圖6可看出，無(wú)論光子能量高低與否，在細(xì)胞組織內(nèi)的沉積線能基本低于10 keV/μm，而中子輻射所致線能一般高于10 keV/μm，這即是后期進(jìn)行n、γ劑量分辨方法研究的理論基礎(chǔ)。

圖4 高能γ微劑量譜Fig.4 High energy γ radiation microdosimetric spectra

圖5 高中能γ微劑量譜Fig.5 High and medium energy γ radiation microdosimetric spectra

圖6 中低能光子微劑量譜Fig.6 Medium and low energy photon microdosimetric spectra

3 小結(jié)

本研究采用FLUKA程序，對(duì)TEPC在高、中、低能光子輻射場(chǎng)的微劑量譜進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，光子在細(xì)胞內(nèi)沉積線能隨著能量降低而逐漸升高；無(wú)論初始入射光子能量高低與否，沉積線能基本低于10 keV/μm。這也正是n、γ劑量分辨方法的理論基礎(chǔ)。

在60Co、137Cs γ輻射場(chǎng)，利用TEPC進(jìn)行了微劑量譜的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)測(cè)量微劑量譜與模擬微劑量譜符合較好。目前實(shí)驗(yàn)工作只進(jìn)行了60Co、137Cs γ輻射單能點(diǎn)的微劑量譜測(cè)量，下一步將進(jìn)行其他能點(diǎn)的光子微劑量譜測(cè)量。

參考文獻(xiàn)：

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