基于新型空氣等效材料的治療水平電離室研究

楊勇，張從華，龔嵐，周媛媛，宋玉，劉雪梅

（1.中測測試科技有限公司，四川成都610021；2.四川中測輻射科技有限公司，四川成都610021）

基于新型空氣等效材料的治療水平電離室研究

楊勇1，張從華1，龔嵐1，周媛媛1，宋玉2，劉雪梅2

（1.中測測試科技有限公司，四川成都610021；2.四川中測輻射科技有限公司，四川成都610021）

針對目前使用的治療水平電離室石墨帽有效原子序數(shù)偏低，且易碎等問題，研究以空氣電子密度、等效原子序數(shù)、反應(yīng)截面為基礎(chǔ)，模擬計(jì)算出空氣等效材料的有效原子權(quán)重及質(zhì)量配比。采用高純石墨烯粉末作為基材，添加純度為99.9%的偏氟材料，高溫融化攪拌高壓壓制成空氣等效板材，該材料導(dǎo)電率為0.03S/cm，質(zhì)量密度為1.8g/cm3。以該空氣等效板材為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)加工一種新型的0.6cm3治療水平電離室，并采用不同材質(zhì)的收集極做能響實(shí)驗(yàn)，確定收集極的材質(zhì)。通過實(shí)驗(yàn)證明，該電離室漏電（零點(diǎn)漂移）為0.15%，測量重復(fù)性為0.07%，示值非線性為0.27%，X能量響應(yīng)為1.63%，X/γ能量響應(yīng)為-0.48%，桿旋轉(zhuǎn)為0.46%，滿足JJG 912——2010《治療水平電離室劑量計(jì)》對電離室的要求。

石墨烯；空氣等效；電離室；能量響應(yīng)

0 引言

目前，放射治療是治療惡性腫瘤的重要手段之一[1]，主要是采用直線加速器或者鈷機(jī)產(chǎn)生的高能光子（X、γ）和高能電子來治療惡性腫瘤。國際輻射單位和測量委員會ICRU第24號報(bào)告提出：原發(fā)腫瘤根治劑量的不確定度應(yīng)低于±5%[2]。因此劑量的精準(zhǔn)是進(jìn)行放射治療最基本的要素；絕對劑量測量是對病人進(jìn)行放射治療的重要依據(jù)，是設(shè)計(jì)治療計(jì)劃的基礎(chǔ)。絕對劑量測量通常采用電離室探測器，結(jié)合靜電計(jì)和水模完成。

電離室是最早的電離輻射探測器[3]之一，100多年來一直被廣泛使用。目前在臨床廣泛使用的指形電離室，是由英國物理學(xué)家Farmer最初設(shè)計(jì)，后由Aird和Farmer改進(jìn)的所謂Farmer型指形電離室，它能為放療范圍內(nèi)的所有能量提供穩(wěn)定而可靠的次級標(biāo)準(zhǔn)。國際上有名的治療水平電離室生產(chǎn)廠家有美國的CAPINTEC，美國Standard Imaging公司，英國的NE公司、德國的PTW公司等。而常見的治療水平電離室都采用石墨作室壁材料，它的有效原子序數(shù)Z=6.0，小于空氣平均等效原子序數(shù)（Zˉ=7.67）[4]，這種室壁材料在空氣氣腔中產(chǎn)生的電離電荷會略少于自由空氣電離室。由于石墨電離室容易損壞，因此本文通過計(jì)算空氣等效材料的原子配比及質(zhì)量配比，以高純石墨烯為基材，制造出空氣等效板材，并控制加工工藝，設(shè)計(jì)加工了一種0.6cm3治療水平電離室，并且按照J(rèn)JG 912——2010《治療水平電離室劑量計(jì)》對電離室的要求進(jìn)行了性能測試。

1 測量設(shè)計(jì)原理

電離室主要測量光子和電子在空氣或其他介質(zhì)中所授予的輻射劑量，其測量原理是：當(dāng)電離室受到射線照射時(shí)，在電離室壁中產(chǎn)生的次級電子進(jìn)入電離室空腔內(nèi)，使電離室內(nèi)的氣體電離，產(chǎn)生由一個電子和一個正離子組成的離子對[5]，這些離子向周圍區(qū)域自由擴(kuò)散。而在構(gòu)成電離室的收集極和高壓極上施加直流高壓，則帶電粒子就會在電場的作用下被收集極收集，其工作原理見圖1。

依據(jù)布拉格-格雷空腔理論，電離室吸收的電離輻射的能量Em與氣腔中所產(chǎn)生的電離量Ja應(yīng)有如下關(guān)系：

圖1 電離室工作原理圖

式（2）則表示氣腔中產(chǎn)生的電離電荷量只和介質(zhì)中實(shí)際吸收的能量有關(guān)。對于中低能X（γ）射線測量時(shí)，只要電離室壁材料和空氣等效，則對空腔的大小沒有特別限制，但是對于高能電離輻射，則空腔要足夠小，要小于次級電子的最大射程。

2 空氣等效材料的研制

最理想的電離室是自由空氣電離室，由于自由空氣電離室體積較大，只能用于實(shí)驗(yàn)室作為基準(zhǔn)電離室，不適于現(xiàn)場使用。指形電離室則采用自由空氣電離室的原理設(shè)計(jì)，具有體積小，現(xiàn)場使用方便等特點(diǎn)。為了使指形電離室與自由空氣電離室具有相同的效應(yīng)，指形電離室的室壁應(yīng)與空氣等效，即在指形電離室室壁產(chǎn)生的次級電子數(shù)和能譜與空氣中產(chǎn)生的相當(dāng)[6]?？諝獾挠行г有驍?shù)為7.67，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣密度為1.29g/cm3，因此模擬計(jì)算出空氣的有效原子權(quán)重及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。

表1 空氣的有效原子權(quán)重及質(zhì)量分?jǐn)?shù)

石墨烯粉末平均層數(shù)為5～6層，平均厚度小于3nm，片層尺寸為5～10μm，比表面積是40～60m2/g，灰分小于3%。

按照原子序數(shù)比，本文采用高導(dǎo)電石墨烯粉末作為基材，添加含氫氧氟材料、硅材料進(jìn)行加工制作出空氣等效材料。將含氫氧和硅的偏氟材料（純度為99.9%），進(jìn)行高精度粉碎，然后添加石墨烯粉末，攪拌均勻，加溫至160°后高壓壓制成板材，板材質(zhì)量密度為1.8g/cm3，導(dǎo)電率為0.03S/cm。

3 電離室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工

電離室對周圍介質(zhì)的擾動會影響測量結(jié)果，因此，用于放射治療的電離室體積通常小于1cm3［7］。本文設(shè)計(jì)的電離室和Farmer電離室結(jié)構(gòu)類似，有效靈敏體積為0.6cm3，結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中1為高壓極，由空氣等效材料制作；2為收集極；3為保護(hù)極，采用鈹青銅鍍金，減弱靈敏體積邊緣電場的畸變，減少漏電流；4、5為絕緣子，采用高絕緣的聚三氟氯乙烯材料制作。

圖2 電離室結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

采用自行研發(fā)的空氣等效材料制作治療級電離室的收集電極和電離室外電極，確保電離室的堅(jiān)固性、耐用性；增加保護(hù)極，減少漏電損失,并改善靈敏體積邊緣處電場均勻性。

采用同軸通孔構(gòu)件，并增加固定帽緣，使裝配簡單、接觸良好、空氣間隙少，外部接縫處均采用環(huán)氧樹脂粘接，確保防水性能良好。

收集極的直徑為1mm，在靈敏體積中的長度為21.7mm；高壓極壁厚為0.5mm，內(nèi)徑為6.0mm，與大氣相通，有效體積為0.6cm3。

在加工過程中，對于電離室帽內(nèi)壁和收集極進(jìn)行研磨，去除加工毛刺，減少漏電流。

4 性能實(shí)驗(yàn)

依據(jù)國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG 912——2010《治療水平電離室劑量計(jì)》中的要求，對所研制的電離室進(jìn)行了漏電（零點(diǎn)漂移）、重復(fù)性、示值非線性、X能量響應(yīng)、X/γ能量響應(yīng)、電離室旋轉(zhuǎn)影響等試驗(yàn)，所有實(shí)驗(yàn)均連接9606B型劑量儀進(jìn)行。加工成型的電離室配合厚度為4.4mm的有機(jī)玻璃平衡帽，實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 治療水平電離室實(shí)物圖

4.1 漏電（零點(diǎn)漂移）

將電離室連接主機(jī)，并放置在距離X輻射源1m處的位置，使劑量儀處于測量狀態(tài)，待X輻射源出束，劑量儀讀數(shù)為0.0654Gy后，停止出束，等待5min后，讀數(shù)為0.0652Gy，計(jì)算其零點(diǎn)漂移為0.15%。

4.2 測量重復(fù)性

將電離室插入90Sr穩(wěn)定性監(jiān)督源中，每次測量1min，重復(fù)測量10次，根據(jù)貝塞爾公式計(jì)算其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，公式如下：

式中：Ri——第i次的讀數(shù)，i=1，2，…，10；

Rˉ——10次讀數(shù)的平均值。

電離室的重復(fù)性測量數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 重復(fù)性測量數(shù)據(jù)

4.3 示值非線性

同樣利用4.2中的穩(wěn)定性監(jiān)督源，測量時(shí)間分別為10，30，60，100，300，600，900 s，設(shè)置100s的測量數(shù)據(jù)為參考測量點(diǎn)，用以下公式計(jì)算每個點(diǎn)與參考點(diǎn)的測量誤差Vi值：

式中：Ri——第i個測量點(diǎn)的儀器讀數(shù)；

ti——達(dá)到讀數(shù)Ri所用的時(shí)間；

tr——達(dá)到參考測量讀數(shù)所用的時(shí)間；

Rr——參考點(diǎn)的儀器讀數(shù)。

表3 非線性測量數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果

其中最大的非線性度為0.27%，而劑量的非線性主要來源于所連接的靜電計(jì)。

4.4 X能量響應(yīng)

根據(jù)JJG 912——2010中對治療水平電離室的要求，在X（60～250kV）、γ（60Co）能量范圍內(nèi)，能量響應(yīng)不應(yīng)大于±4%[8]。

X能量響應(yīng)實(shí)驗(yàn)采用中能X射線照射量國家副基準(zhǔn)，該副基準(zhǔn)由自由空氣電離室、電離電流測量裝置和中能X射線發(fā)生器組成。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1）能量范圍為：60～250kV；

2）空氣比釋動能范圍：8.76×10-3～8.76Gy；3）半值層的范圍：0.05mmCu～3.0mmCu；4）定位系統(tǒng)精度：〈0.1mm；5）年穩(wěn)定性：±0.1%；

6）合成不確定度：Uc=0.4%（k=3）。

副基準(zhǔn)的輻射質(zhì)及過濾條件如表4所示。

表4 副基準(zhǔn)的輻射質(zhì)及過濾條件

常規(guī)的收集極材料一般為純度為99.99%的純鋁，直徑為1mm。因此本文比較了純鋁收集極和空氣等效材料收集極的測試能量響應(yīng)。

在中能X射線5種輻射質(zhì)下分別測量計(jì)算出每個能量下的響應(yīng)因子，以參考輻射質(zhì)（180 kV）的響應(yīng)因子比較計(jì)算出能量響應(yīng)。

采用本文設(shè)計(jì)的空氣等效電離室帽，在測量時(shí)，更換相同長度的純鋁收集極、純鋁涂覆0.01mm厚石墨收集極、空氣等效材料收集極，分別得到以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表5～表7。

表5 純鋁收集極測量數(shù)據(jù)

表6 純鋁收集極表面涂覆石墨測量數(shù)據(jù)

表7 空氣等效材料收集極測量數(shù)據(jù)

通常來說，收集極材料需采用與室壁相同的材料或者純鋁制成[9]。室壁材料用純石墨制成的電離室其中心收集極采用純鋁材料，這是因?yàn)椴捎糜行г有驍?shù)略大的材料制成中心收集極，則可部分補(bǔ)償室壁材料的不完全空氣等效。但是由表5～表7中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，針對同一個空氣等效材料室壁，采用純鋁收集極X能響高達(dá)25.05%，純鋁收集極涂覆石墨能響有所改善，為9.77%；而采用和室壁同種材料的收集極能響為1.63%，能響最佳。同時(shí)也表明本文研制的空氣等效材料是與空氣等效的，不需要由中心收集極來進(jìn)行室壁材料補(bǔ)償。

4.5 X/γ能量響應(yīng)

比較本文的空氣等效電離室與PTW的0.6cc標(biāo)準(zhǔn)電離室（型號為TW30013，編號009172）的能響。將兩只電離室放置在輻射場均勻區(qū)，距離為1m，以溯源到國家基準(zhǔn)的PTW0.6cc標(biāo)準(zhǔn)電離室測量結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)值，算出校準(zhǔn)因子并將其歸一到參考能量（180kV）上得到X/γ能量響應(yīng)，測量數(shù)據(jù)見表8。由表中數(shù)據(jù)可以看出，研制的空氣等效電離室X/γ能量響應(yīng)為-0.48%，遠(yuǎn)小于規(guī)程中的±4%的要求。

表8 X/γ能響測量數(shù)據(jù)

4.6 電離室的桿旋轉(zhuǎn)

將電離室放置在距中能X輻射源1m處，將正對著源的方向作為參考方向[10]，記為0°，將電離室圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)90°，180°，270°。X輻射源輸出管電壓為180kV，管電流為8.4mA，分別得到不同角度對應(yīng)的數(shù)據(jù)見表9。計(jì)算桿旋轉(zhuǎn)響應(yīng)誤差最大為0.46%。

表9 桿旋轉(zhuǎn)不同角度的測量數(shù)據(jù)

4.7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過以上實(shí)驗(yàn)，得到研制的空氣等效電離室的技術(shù)指標(biāo)如表10所示，該技術(shù)指標(biāo)完全符合JJG 912——2010規(guī)程中對電離室的要求。

表10 空氣等效電離室的技術(shù)指標(biāo)

5 結(jié)束語

本文基于高純石墨烯粉末的空氣等效材料，嚴(yán)格控制加工工藝，制作出治療水平空氣等效電離室。對初級輻射與空氣具有近似相同的吸收系數(shù)、并對次級電子具有相當(dāng)?shù)脑幼柚贡绢I(lǐng)，依據(jù)JJG 912——2010《治療水平電離室劑量計(jì)》，對電離室進(jìn)行了測試，均符合規(guī)程中標(biāo)準(zhǔn)電離室的要求，漏電小、測量重復(fù)性高、非線性好、能量響應(yīng)好、耐用，適合臨床放射治療劑量的測量，可大量推廣至全國各醫(yī)院及計(jì)量部門。

[1]胡逸明，楊定宇.腫瘤放射治療技術(shù)[M].北京：北京醫(yī)科大學(xué)中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)聯(lián)合出版社，1999：163-177.

[2]程金生，李開寶，趙招羅，等.RT-101型0.6cm3指型電離室的研制[J].中華放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)雜志，2002，24（3）：275-277.

[3]安繼剛.電離輻射探測器[M].北京：原子能出版社，1995：5.

[4]胡逸明.腫瘤放射物理學(xué)[M].北京：原子能出版社，1999：85-87.

[5]朱國雄，黃寧，夏翔.MC法模擬電離室的空氣等效材料[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2002，36（4）：392-395.

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[9]計(jì)量測試技術(shù)手冊：電離輻射[M].北京：中國計(jì)量出版社，1997：12.

[10]治療水平電離室劑量計(jì)：JJG 912-2010[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2010.

（編輯：莫婕）

Research of the new air-equivalent material ionization chamber dosimeters used in radiotherapy

YANG Yong1，ZHANG Conghua1，GONG Lan1，ZHOU Yuanyuan1，SONG Yu2，LIU Xuemei2
（1.NIMTT Measurement and Testing Technology Co.，Ltd.，Chengdu 610021，China；2.Sichuan Radiation Technology Co.，Ltd.，Chengdu 610021，China）

The current the graphite cap of ionization chamber used in radiotherapy has low effective atomic number and is fragile.The effective atomic weight and mass ratio of air equivalent materials were simulated and calculated based on air electron density，equivalent atomic number and reaction cross section.High purity graphene powder was used as base materials and partial fluorine material with purity being 99.9%was added to manufacture air equivalent sheets via high temperature melting and stirring under high pressure conditions.Its conductivity is 0.03 S/cm and mass density is 1.8 g/cm3.A new type of 0.6 cm3ionization chamber for radiotherapy made on the base material of air equivalent sheets was designed and processed and collectors made of different materials were used to carry out energy response，so as to determine the material of collectors.The test shows that the ionization chamber power leakage（zero drift）is 0.15%，the measurement repeatability is 0.07%，the indication nonlinearity is 0.27%，the X energy response is 1.63%，the X/γ energy response is-0.48%and the rod rotation is 0.46%，meeting the requirements of Ionization Chamber Dosimeters Used In Radiotherapy（JJG 912——2010）on ionization chamber.

graphene；air-equivalent；ionization chamber；energy response

A

1674-5124（2017）08-0066-05

2017-04-09；

2017-05-20

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)（2013YQ090811）

楊勇（1964-），男，四川成都市人，研究員，主要從事輻射計(jì)量檢測技術(shù)研究。

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.08.014