60Coγ射線水吸收劑量量值傳遞方法初步研究

宋明哲，王 坤，葉宏生，魏可新，高 飛，侯金兵，王紅玉，倪 寧

( 1.中國原子能科學研究院，北京 102413；2.中國計量科學研究院，北京 100013)

60Coγ射線水吸收劑量量值傳遞方法初步研究

宋明哲1，王 坤2，葉宏生1，魏可新1，高 飛1，侯金兵1，王紅玉1，倪 寧1

( 1.中國原子能科學研究院，北京 102413；2.中國計量科學研究院，北京 100013)

60Co γ射線水吸收劑量是放射治療體系的基礎物理量，在輻射治療中發(fā)揮著重要作用。開展60Co γ射線水吸收劑量值傳遞方法研究，可為我國γ射線水吸收劑量量值體系的建立提供重要技術支持。以PTW-30013電離室、PMMA水箱及三維移動平臺為基礎，建立量值傳遞標準裝置；結(jié)合IAEA-TRS398報告的要求開展60Co γ射線水吸收劑量量值傳遞方法的初步研究。經(jīng)量值傳遞后，PTW-30013電離室60Co γ射線水吸收劑量校準因子的擴展不確定度為0.90%(k=2)，輻射計量中心(IAEA次級標準計量實驗室)60Co參考輻射γ射線水吸收劑量的擴展不確定度為1.4%(k=2)。結(jié)果表明，該量值傳遞方法可有效降低次級標準劑量實驗室60Co γ射線水吸收劑量的測量不確定度。

60Co；γ射線水吸收劑量；量值傳遞

在電離輻射領域內(nèi)，由于水與人體中碳水化合物性質(zhì)類似，因而水被稱為標準介質(zhì)。在放射治療中，通常是利用γ射線水吸收劑量Dw來度量人體所關心點的吸收劑量，因此，Dw被稱為放射性治療的處方劑量或參考劑量[1]。醫(yī)院物理師在進行放射性治療前，必須通過測量Dw來驗證治療計劃的可行性。目前，我國仍以60Co γ射線空氣比釋動能作為基礎物理量向全國進行量值傳遞，尚未建立以60Co γ射線水吸收劑量為基礎的量值傳遞體系，現(xiàn)行的醫(yī)用加速器輸出劑量溯源方法仍以60Co γ射線空氣比釋動能為基礎。整個放射治療的量值傳遞過程分為四個步驟。第一步是國家60Co γ射線空氣比釋動能的量值復現(xiàn)，即進行空氣比釋動能的絕對測量，并將其傳遞到相關的次級標準實驗室；第二步是工作級電離室劑量計在次級實驗室進行校準，得到60Co空氣比釋動能校準因子；第三步是在醫(yī)院利用校準過的工作級電離室劑量計對加速器進行校準[2]，該校準是在加速器的高能光子或電子輻射場中進行的；第四步是制定并驗證放療計劃，實施治療。即量值傳遞過程經(jīng)過60Co空氣比釋動能、60Co空氣吸收劑量、60Co γ射線水吸收劑量、加速器高能光子γ射線水吸收劑量四步量值傳遞，步驟十分繁瑣且不確定度較大。僅第二步，次級標準實驗室(簡稱SSDL)中由空氣比釋動能得到的水吸收劑量擴展不確定度已經(jīng)約為2.5%(k=2)[3]。如果能夠建立γ射線水吸收劑量量值體系，簡化量值傳遞過程，可減少測量不確定度。

γ射線水吸收劑量量值體系的建立包括兩個方面：一方面是量值復現(xiàn)，包括60Co γ射線水吸收劑量和高能光子γ射線水吸收劑量量值復現(xiàn)，目前我國已經(jīng)初步完成了60Co γ射線水吸收劑量的量值復現(xiàn)和國際比對工作[4]。另一方面是量值傳遞，包括60Co γ射線水吸收劑量和高能光子水吸收劑量量值傳遞；其中60Co γ射線水吸收劑量值傳遞最初由IAEA-TRS398[5]和AAPM-TG51[6]協(xié)議書提出，目前已經(jīng)被多個國家采用[7]。本研究首先要建立γ射線水吸收劑量值傳遞標準裝置，結(jié)合IAEA-TRS398報告要求，開展從初級標準劑量實驗室(簡稱PSDL)向SSDL的γ射線水吸收劑量值傳遞方法研究，為我國γ射線水吸收劑量體系建立提供技術支持。

1 實驗方法

1.1 傳遞標準裝置的建立

根據(jù)IAEA-TRS398報告要求，60Co γ射線水吸收劑量量值傳遞裝置的基本元素為電離室和水箱，同時根據(jù)測量要求，電離室應可在一定范圍內(nèi)進行三維移動。本研究所建立的γ射線水吸收劑量量值傳遞標準裝置包括：300 mm×300 mm×300 mm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)水箱(壁厚15 mm，窗厚4 mm)、去離子水、抽吸水泵、儲水水箱、三維平臺、平臺控制器、平臺控制軟件、電離室支撐裝置、PTW-30013(自防水)電離室、PTW-T10022主機、溫度氣壓傳感器等，裝置框圖如圖1所示。

該裝置的工作原理如下：用裝滿去離子水的PMMA水箱模擬無限大的水，同時為減小有機玻璃水等效性的不確定度，在水箱前壁中心開出直徑150 mm、厚4 mm的入射窗。測量時，首先利用電離室支撐裝置將電離室參考點置于輻射場的檢驗點上，利用PTW主機測量電離電荷；利用三維平臺移動控制電離室移動，以確定距離誤差所產(chǎn)生的不確定度；用浸沒在水中且在輻射束外的溫度傳感器測量水中溫度；用實驗室內(nèi)的氣壓傳感器測量大氣壓力；測量結(jié)束后，利用水泵將去離子水抽入儲水箱，以避免長期暴漏于空氣中而可能造成污染。

1.2 校準因子的確定

60Co γ射線水吸收劑量的校準在中國計量科學研究院(PSDL)的60Co參考輻射場中進行。校準實驗如圖2所示，實驗布置如圖3所示。實驗首先在參考條件下進行，將電離室測量置于檢驗點上，檢驗點距離水箱前表面5 g/cm2(水等效深度5 cm)；放射源有效中心與電離室參考點距離(SCD)設置為1 000 mm，放射源有效中心與水箱前表面距離(SSD)為950.8 mm。電離室的60Co γ射線水吸收劑量校準因子ND,W由公式(1)確定。

圖1 60Co γ射線水吸收劑量量值傳遞標準裝置框圖Fig.1 60Co absorbed dose to water quantitative value transfer standard instrument schematic

圖2 60Co γ射線水吸收劑量校準實驗Fig.2 Calibration of an ionization chamber in terms of absorbed dose to water in 60Co γ reference radiation

Dw=M×ND,W

(1)

式(1)中，Dw為PSDL中60Co γ射線水吸收劑量的約定真值，Gy；M為經(jīng)過修正后的電離電荷，C；M由公式(2)確定。

M=MrawPionPTPPelecPpol

(2)

式(2)中，Mraw為測量所得電離電荷，C；Pion為極化效應修正因子，由公式(3)確定；PTP為空氣密度修正因子，由公式(4)確定；Pelec為靜電計電荷測量修正因子，由于電離室與測量主機同時校準，此修正項為1；Pion為離子復合修正因子，通過雙電壓測量法給出，由公式(5)確定。

(3)

(4)

圖3 60Co γ射線水吸收劑量校準實驗布置圖Fig.3 The calibrations scheme in terms of absorbed dose to water in 60Co γ reference radiation

式(4)中，T為測量得到的水中溫度，℃；T0為參考溫度，293.15 K；P為測量得到的實驗室大氣壓，kPa。P0為參考大氣壓，101.3 kPa。

(5)

1.3 60Co γ射線水吸收劑量確定

PTW30013電離室經(jīng)PSDL的60Co參考輻射場校準后，可獲得ND,W，在中國原子能科學研究院輻射計量中心(SSDL)60Co參考輻射場中重復1.2節(jié)中的實驗過程，即可將60Co γ射線水吸收劑量傳遞至SSDL。

2 結(jié)果與討論

經(jīng)PSDL校準后，PTW-30013型電離室+PTW-T10022主機的60Co γ射線水吸收劑量校準因子ND,W為5.387×107Gy/C,U=0.90%(k=2)；Pion為0.991 8(1±0.000 8)，Ppol為1.001 6(1±0.000 5)，PTP為1.013(1±0.001)，校準因子不確定度評定如表1所示。

表1 60Co γ射線水吸收劑量校準因子不確定度評定Table 1 Uncertainty analysis for the calibration of an ionization chamber in terms of absorbed dose to water in 60Co γ reference radiation

利用PTW-30013型電離室+PTW-T10022主機測量輻射計量中心的60Co γ射線水吸收劑量25.71 Gy/h,U=1.4%(k=2)，不確定度評定列于表2。

表2 60Co γ射線水吸收劑量測量不確定度評定Table 2 Uncertainty analysis for the measurement of absorbed dose to water in 60Co γ reference radiation

圖4 SSD固定為950.8 mm時電荷測量結(jié)果與電離室深度的關系Fig.4 Net charge as a function of chamber depth (normalized to the current at 5 g/cm2equivalent depth with 950.8 mm SSD)

圖5 SCD固定為1 000 mm時電流測量結(jié)果與電離室深度的函數(shù)關系Fig.5 Net charge as a function of chamber depth (normalized to the current at 5 g/cm2 e quivalent depth with 1 000 mm SCD)

由IAEA-TRS398報告可知，采用直接量值傳遞方法，SSDL實驗室內(nèi)60Co γ射線水吸收劑量的擴展不確定度可以控制在1.2%(k=2)以內(nèi)，本研究所得結(jié)果為1.4%(k=2)，主要由于SSDL中SSD的定位是通過激光器配合軌道標尺來完成的，距離定位精度僅為±1 mm，所以產(chǎn)生了較大的不確定分量。在以后的工作中，可采用標準量桿來定位，以減小定位不準而產(chǎn)生的不確定度。

3 結(jié)論

由于定位精度限制，本研究未能將SSDL實驗室60Co γ射線水吸收劑量的不確定度控制在1.2%(k=2)以內(nèi)，但是采用直接傳遞γ射線水吸收劑量的方法已經(jīng)將60Co γ射線水吸收劑量的不確定度由2.5%(k=2)降低至1.4%(k=2)，說明該直接量傳方法具有一定優(yōu)越性。本研究為國內(nèi)首次開展60Co γ射線水吸收劑量量值傳遞方法研究，為我國γ射線水吸收劑量量值體系的建立提供重要技術支持。

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Preliminary Study on the Quantitative Value Transfer Method of Absorbed Dose to Water in60Co γ Radiation

SONG Ming-zhe1, WANG Kun2, YE Hong-sheng1, WEI Ke-xin1, GAO Fei1, HOU Jin-bing1, WANG Hong-yu1, NI Ning1

(1.ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China；2.NationalInstituteofMetrologyofChina,Beijing100013,China)

Absorbed dose to water in60Co γ radiation is the basic physics quantity in the quantitative value system of radiation therapy, it is very necessary for radiation therapy. The study on the quantitative value transfer method of absorbed dose to water in60Co γ Radiation could provide important technical support to the establishment of Chinese absorbed dose to water quantity system. Based on PTW-30013 ionization chamber, PMMA water phantom and 3D mobile platform, quantitative value transfer standard instrument was established, combined with the requirement of IAEA-TRS398, developed preliminary study of60Co absorbed dose to water quantity value transfer method. After the quantity value transfer, the expanded uncertainty of absorbed dose to water calibration factor of PTW-30013 was 0.90% (k=2), the expanded uncertainty of absorbed dose to water of60Co γ reference radiation in Radiation Metrology Center (SSDL of IAEA) was 1.4% (k=2). The results showed that, this value transfer method can reduce the uncertainty of60Co absorbed dose to water effectively in Secondary Standard Dosimetry Laboratory.

60Co; absorbed dose to water; quantitative value transfer

10.7538/tws.2015.28.01.0028

2014-05-21;

2014-11-11

科技支撐項目(2011BA102B01)

宋明哲(1983—)，男，吉林省松原人，博士，輻射防護計量專業(yè)

TL84

A

1000-7512(2015)01-0028-05