水吸收劑量計(jì)性能測(cè)試

張園月，許詩朦，楊 乾

（中國測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

自十九世紀(jì)發(fā)現(xiàn)射線以來，許多天然放射性核素逐漸為人類所利用；隨著科技的發(fā)展和人們需求的提高，大量人工輻射源被研制出來，如使用放射性物質(zhì)的輻照器和產(chǎn)生輻照的機(jī)器或裝置。它們被廣泛用于輻射加工、輻射育種、新材料研究、公眾健康診斷及腫瘤治療等行業(yè)。

近年來，我國癌癥患者顯著增加，全國用于腫瘤治療的醫(yī)用加速器、60Co遠(yuǎn)距離治療機(jī)、后裝近距離治療機(jī)等裝置有近2000臺(tái)。每天有大量的公眾接受放射診斷檢查或放射腫瘤治療。

放射腫瘤治療是利用輻射對(duì)癌細(xì)胞的作用，給以適當(dāng)?shù)膭┝空丈洌种苹驓⑺腊┘?xì)胞，達(dá)到治療腫瘤的目的。治療時(shí)一方面要求有足夠多的劑量照射到腫瘤上，保證腫瘤被有效消滅或抑制；另一方面又希望照射的劑量盡量小，確保癌癥周圍正常組織少受到照射，降低正常組織的損傷，對(duì)腫瘤治療的要求非常嚴(yán)格。放射治療機(jī)治療患者前，必須經(jīng)過校準(zhǔn)，建立治療時(shí)間或機(jī)器數(shù)與校準(zhǔn)點(diǎn)水中吸收劑量的準(zhǔn)確關(guān)系。該校準(zhǔn)非常重要，是制定治療方案和治療計(jì)劃的基礎(chǔ)。

使用治療水平劑量計(jì)校準(zhǔn)放射治療機(jī)的水中吸收劑量，校準(zhǔn)值的準(zhǔn)確與否取決于測(cè)量方法、劑量計(jì)的性能和溯源方式與途徑。測(cè)量的劑量計(jì)必須直接或間接溯源到國家基準(zhǔn)，以保證量值的準(zhǔn)確可靠。為保證量值的統(tǒng)一，我國建立了60～250 kV X射線和60Coγ射線照射量基準(zhǔn)，并于近期將其分別改制為相應(yīng)的空氣比釋動(dòng)能基準(zhǔn)，滿足了水中吸收劑量測(cè)量溯源的需要[1-2]，但與國際上相比也存在明顯局限。自2000年開始，國際上相繼建立了水吸收劑量基準(zhǔn)，直接校準(zhǔn)用于水中吸收劑量測(cè)量的劑量計(jì)，簡(jiǎn)化了用戶水中吸收劑量的測(cè)量。目前我國還無法開展治療水平劑量計(jì)的水吸收劑量校準(zhǔn)，為與國際接軌并提升國內(nèi)水吸收劑量的測(cè)量能力，中國測(cè)試技術(shù)研究院與加拿大合作研制60Coγ射線水吸收劑量絕對(duì)測(cè)量裝置，解決國內(nèi)水吸收劑量無法直接溯源的問題；同時(shí)，研制新的劑量計(jì)，提升其性能，為放射治療中水中吸收劑量的測(cè)量提供更好的手段[3-4]。

1 劑量計(jì)

9606B劑量計(jì)由靜電計(jì)、電源、MCU控制單元、AD轉(zhuǎn)換器、顯示單元、極化電壓?jiǎn)卧?、通信單元和電離室組成。劑量計(jì)可配接多種電離室，以滿足測(cè)量不同種類、能量范圍、劑量大小的射線需要。示意圖如圖1所示。

劑量計(jì)核心單元是靜電計(jì)，它是一個(gè)高增益負(fù)反饋放大器，具有極高的輸入阻抗和極小的偏置電流。電離室為指形電離室，空間為0.6 cm3，是充滿氣體的前端封閉的空腔，空腔也是電離室的外電極，其中心是收集極，兩極間加一定電壓。射線照射到電離室，在腔內(nèi)引起氣體電離產(chǎn)生離子對(duì)，在極間電場(chǎng)作用下，電離離子定向移動(dòng)形成電離電流，電離電流經(jīng)靜電計(jì)放大，放大后的信號(hào)由AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，經(jīng)控制單元處理后，將其顯示出來或進(jìn)一步送到上位機(jī)處理。

電離室極間電壓由極化電壓?jiǎn)卧a(chǎn)生，可在0～300V范圍內(nèi)，以50V步進(jìn)改變，且極化電壓極性可反轉(zhuǎn)，可同時(shí)滿足復(fù)合損失測(cè)量和極性效應(yīng)測(cè)量的需要。通常將電離室極化電壓設(shè)為-300V。

上位機(jī)可通過通信單元實(shí)現(xiàn)對(duì)劑量計(jì)的控制，完成劑量計(jì)參數(shù)的修改和劑量測(cè)量，實(shí)現(xiàn)劑量計(jì)參數(shù)和測(cè)量結(jié)果的上傳。

圖1 劑量計(jì)原理框圖

吸收劑量測(cè)量的準(zhǔn)確性與溯源、測(cè)量方法、測(cè)量過程和劑量計(jì)的品質(zhì)有關(guān)，劑量計(jì)的性能主要包括重復(fù)性、非線性、能量響應(yīng)、漏電（零點(diǎn)漂移）等因素。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

中能X射線空氣比釋動(dòng)能絕對(duì)測(cè)量裝置（副基準(zhǔn)級(jí)），由X輻射源、附加過濾、弱電流測(cè)量系統(tǒng)、基準(zhǔn)電離室、定位平臺(tái)組成。X射線輻射源為德國YXLON公司生產(chǎn)MG325型，管電壓范圍為15～320 kV，出窗為3mmBe窗。通過改變附加過濾，在60～250 kV管電壓范圍建立相應(yīng)的輻射質(zhì)，如表1所示，在距焦點(diǎn)1m處的測(cè)試平面上，其射野為φ10 cm。量值測(cè)量系統(tǒng)為平行平板型自由空氣電離室和基于湯遜補(bǔ)償法的弱電流測(cè)量系統(tǒng)。使用絕對(duì)測(cè)量的方法復(fù)現(xiàn)距焦點(diǎn)1m處的空氣比釋動(dòng)能。電離室定位準(zhǔn)確度＜0.5mm。

60Coγ射線空氣比釋動(dòng)能（治療水平）標(biāo)準(zhǔn)裝置由60Coγ射線源、儲(chǔ)源室、準(zhǔn)直器、定位平臺(tái)和標(biāo)準(zhǔn)治療水平劑量計(jì)組成，源的平均能量為1.25MeV，距源1m處野為φ10cm，電離室定位準(zhǔn)確度＜0.5mm[5-6]。

90Sr監(jiān)督源：該源為90Srβ射線源，其半衰期為28.5年。

被測(cè)儀器：9606B劑量計(jì)。

3 測(cè)量方法和結(jié)果

3.1 重復(fù)性

表1 中能輻射質(zhì)

劑量計(jì)的主機(jī)與電離室相連，預(yù)熱15min，檢查漏電流，待漏電流符合要求后，取下電離室平衡帽，將電離室沿90Sr監(jiān)督源上的定位孔放入源室中，同時(shí)將溫度計(jì)從溫度計(jì)孔放入，靜置30min，等待電離室與源室內(nèi)溫度充分平衡，將劑量計(jì)內(nèi)部定時(shí)設(shè)為60 s，測(cè)量劑量計(jì)60 s內(nèi)的讀數(shù)。相同條件下重復(fù)測(cè)量10次，由下式以相對(duì)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算它的重復(fù)性，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 樣品的重復(fù)性

式中：Ri——第i次的讀數(shù)；

3.2 非線性

按重復(fù)性測(cè)量的方法安排測(cè)量?jī)x器，在Low量程上進(jìn)行測(cè)試，該量程滿量程為2.0000，分別在0.3000，0.500 0，1.0000，1.5000，1.8000 附近選擇 5 個(gè)點(diǎn)，以該量程中間點(diǎn)為參考點(diǎn)，參考重復(fù)性測(cè)量時(shí)每分鐘內(nèi)的讀數(shù)，計(jì)算示值累積到每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間，逐一將每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間設(shè)置到劑量計(jì)，測(cè)量每個(gè)測(cè)量時(shí)間段內(nèi)的示值，用下式計(jì)算每個(gè)測(cè)量點(diǎn)與參考點(diǎn)的相對(duì)誤差Vi值，用其中最大偏離值表示儀器的非線性，測(cè)量結(jié)果見表3[7]。

式中：ti——第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)的設(shè)置時(shí)間；

Ri——達(dá)到第i個(gè)測(cè)量時(shí)間時(shí)的讀數(shù)；

tr——參考點(diǎn)的設(shè)置時(shí)間；

Rr——達(dá)到參考測(cè)量時(shí)間時(shí)的讀數(shù)。

3.3 能量響應(yīng)

劑量計(jì)響應(yīng)為劑量計(jì)測(cè)量示值與劑量約定真值的比，它與劑量率的大小、示數(shù)和入射射線的種類及能量有關(guān)。水吸收劑量計(jì)用于60～300kV X射線、2～50MV 醫(yī)用光子束和電子束、60Co（137Cs）γ 射線、50～250MeV 質(zhì)子束、100～450MeV/u重離子束的劑量測(cè)量，使用能量范圍寬[8-10]。在相同劑量（率）時(shí)，劑量計(jì)對(duì)不同能量的響應(yīng)不一樣。劑量計(jì)的能量響應(yīng)取決于電離室，其主要變化在60～300kV X射線和X射線與60Coγ射線能量段，分為X線能量響應(yīng)和X、γ能量響應(yīng)。

使用中能X射線空氣比釋動(dòng)能絕對(duì)測(cè)量裝置測(cè)試劑量計(jì)的X射線能量響應(yīng)。將被測(cè)劑量計(jì)置于場(chǎng)中，電離室置于復(fù)現(xiàn)量值位置，其測(cè)量點(diǎn)與量值參考點(diǎn)重合，分別在 60，100，135，180，250 kV 管電壓時(shí)的輻射質(zhì)下（其管電流和附加過濾與量值復(fù)現(xiàn)時(shí)相同），測(cè)量劑量計(jì)示值，各測(cè)量點(diǎn)的示值與該點(diǎn)的復(fù)現(xiàn)量值之比即為該點(diǎn)的響應(yīng)，用其中最大響應(yīng)值減去最小響應(yīng)值，然后除以參考輻射質(zhì)下（180 kV的輻射質(zhì)）的響應(yīng)，即得到該劑量計(jì)的X線能量響應(yīng)。

表3 樣品的非線性

表4 樣品的能量響應(yīng)

將劑量計(jì)置于60Coγ射線空氣比釋動(dòng)能（治療水平）標(biāo)準(zhǔn)裝置輻射場(chǎng)中，其電離室置于1m處的測(cè)試平面上，測(cè)量劑量計(jì)的示值，測(cè)得的示值與該點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)值比較，計(jì)算出60Coγ射線響應(yīng)，用該響應(yīng)與X射線參考輻射質(zhì)的響應(yīng)之差，除以X射線參考輻射質(zhì)的響應(yīng)，得到X、γ射線的能量響應(yīng)，測(cè)試結(jié)果見表4。

4 結(jié)束語

測(cè)試數(shù)據(jù)表明：9606B劑量計(jì)的重復(fù)性小于0.1%，滿足JJG 912——2010《治療水平電離室劑量計(jì)》檢定規(guī)程和IEC 60731——2011《用于放射治療的電離室劑量計(jì)》中劑量計(jì)重復(fù)性應(yīng)小于0.5%的要求；劑量計(jì)的非線性小于0.1%，滿足JJG 912——2010和IEC 60731——2011中要求該項(xiàng)指標(biāo)小于±1%的要求；電離室的X線能量響應(yīng)小于3.0%，滿足JJG 912——2010和IEC 60731——2011中該項(xiàng)指標(biāo)不大于4%的要求；電離室的X與γ能量響應(yīng)小于±1.5%，滿足JJG 912——2010和IEC 60731——2011中該項(xiàng)指標(biāo)不大于±4%的要求。

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