（粒子物理与原子核物理专业论文）法拉第筒校准丙氨酸对质子吸收剂量技术研究.pdf

兰州大学硕一f ：学位论文 摘要 本文开展了一系列的关于利用法拉第筒校准丙氨酸剂量计对质子吸收剂量 技术的研究。设计了一种新型法拉第筒，即限口法拉第筒( l i m i t e do p e n i n g f a r a d a yc u p - - l o f c ) ，并通过理论分析及性能测试证明l o f c 性能优于传统法拉 第筒；建立了一套法拉第筒校准薄膜剂量计的测量系统，其中包括束流散射系统、 束流监测系统、数据获取等系统，并通过对散射系统的分析提出了多膜散射理论， 即在能损相同的情况下多片散射膜产生的散射角大于单片散射膜产生的散射角； 同时设计了在该系统下利用法拉第筒校准丙氨酸剂量计的吸收剂量计算方法，并 利用该方法得了2 k g y - 3 0 k g y 剂量范围丙氨酸剂量计的剂量响应校准曲线；测 量了丙氨酸剂量计对1 0 m e v 质子b r a g g 峰的剂量响应，并利用上述校准曲线给 出质子b r a g g 峰吸收剂量；最后对该系统下法拉第筒校准丙氨酸剂量计对质子吸 收剂量的测量不确定度进行了评估，得到丙氨酸剂量计对质子b r a g g 坪区和峰区 的吸收剂量测量不确定度分别为3 5 5 和3 7 3 。 关键词：法拉第筒，丙氨酸剂量计，剂量响应，吸收剂量 兰州大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e dam e t h o do fc a l i b r a t i o na b s o r b e dd o s eo fa l a n i n ew i t h f a r a d a yc u pa tp r o t o nb e a ma n dd e s i g n e dan e wk i n do ff a r a d a yc u pn a m e dl i m i t e d o p e n i n gf a r a d a yc u p ( l o f c ) t h ep e r f o r m a n c eo fl o f ci ss u p e r i o rt o t r a d i t i o n a l f a r a d a yc u p ，w h i c hh a sb e e np r o v e db ym e a s u r i n gw i t ha c c e l e r a t o r sa n ds i m u l a t i n g w i t ha n s o f t t h r o u g ht h es e v e r a la p p r o a c h e ss u c ha sb e a ms c a t t e r i n gs y s t e md e s i g n ， b e a mm o n i t o r i n gs y s t e md e s i g n ，a n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ms t u d y , t h i sp a p e r e s t a b l i s h e das e to ff i l md o s i m e t e rc a l i b r a t i o ns y s t e mw i t hf a r a d a yc u p t h r o u g h a n a l y z i n gb e a ms c a t t e r i n gs y s t e m ，t h i sp a p e rp r e s e n t e dt h em u l t i - s c a t t e r i n gf i l m s t h e o r y ，w h i c hi ss c a t t e r i n ga n g l eo fm u l t i - f i l m si sl a r g e rt h a ns i n g l e f i l mw h e nt h e p r o t o ne n e r g yl o s si st h es a m e w eo b t a i n e da l a n i n er e s p o n s ec u r v eo f2 k g y 3 0 k g y r a n g ，a n dm e a s u r e da l a n i n eb r a g gp e a ka b s o r b e dd o s ea t1 0 m e vp r o t o nb e a m a tl a s t ， w ee v a l u a t e dt h eu n c e r t a i n t yo fc a l i b r a t i n gp r o t o na b s o r b e dd o s eo fa l a n i n ew i t h f a r a d a yc u p ，o b t a i n e dt h ep r o t o nl e v e lg r o u n da b s o r b e dd o s eo fa l a n i n eu n c e r t a i n t yi s 3 5 5 ，a n dp r o t o nb r a g gp e a ka b s o r b e dd o s eo fa l a n i n eu n c e r t a i n t yi s3 7 3 k e y w o r d s ：f a r a d a yc u p ，a l a n i n ed o s i m e t e r , d o s er e s p o n s e ，a b s o r b e dd o s e l i 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下独立进 行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成 果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容 外，不包含任何其他个人和集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 人的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式 标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关职务作品，知识产权归属 兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸制版和电子版， 允许论文被有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编 本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：兰啦导师签名： 烨 兰州大学硕士学位论文 1 1 课题来源及研究内容 第一章绪论 本课题来源于国防技术基础“十一五”重点项目。针对我国目前尚未建立质子 吸收剂量标准方法以及我国现有质子辐射源的现状，利用中国原子能科学研究院 h i 1 3 串列加速器和5 s d h 2 串列加速器及e m x 型e s r 谱仪的基础上，从低能 质子入手，在5 1 0 m e v 质子辐照下，以法拉第筒为绝对剂量测量方法，研究法 拉第筒校准丙氨酸剂量计对质子的吸收剂量技术。设计一套法拉第筒校准系统， 包括束流散射系统、束流监测系统、数据获取系统等。通过测量丙氨酸剂量计对 质子吸收剂量的剂量响应线性关系，以及探索测量质子b r a g g 峰吸收剂量，对丙 氨酸剂量计进行校准。同时，为今后高能质子吸收剂量测量和校准打下一定的基 础，以满足我国空间电离辐射、抗辐射加固和质子治疗研究中对质子吸收剂量测 量的需求。 1 2 质子吸收剂量研究的必要性 1 2 1 质子应用范围 质子是核物理和粒子物理实验研究中用以产生反应的重要轰击粒子，同时它 也是宇宙射线的主要成分。由于质子在材料中具有独特的剂量分布特点和较高的 传能线密度( l e t ) ，被广泛应用于医疗、材料改性、农业育种和抗辐射加固等 各领域。 首先，质子治疗肿瘤与x 射线、丫射线及电子束相比存在很多优点。x 射线， y 射线及电子束都在不同程度上使被照肿瘤的周围正常细胞受到较大伤害，剂量 的有效利用率低，均不是理想的治疗射线，如图1 1 【1 1 。质子治疗是利用其独特的 深度剂量分布特点，即在粒子入射通道上有一低剂量的坪区，而在接近粒子射程 末端时出现一个高剂量i 拘b r a g g 峰区，然后又急速下降到零。在b r a g g 峰处质子 能量损失最大，对细胞的杀伤能力最强。因此，可以通过能量调制，将尖锐的 b r a g g 峰扩展后形成与肿瘤大小吻合的扩展b r a g g 峰( s p r e a do u tb r a g gp e a k ， 兰州丈学碗i 学位论文 s o b p ) ，使b r a g g 峰正好对准病灶部位并使其覆盖全部肿瘤深度 贫| ，、1 | f i 一岔碍、 yr ” 。ip 尽 图11 组织内各种射线的剂量分布曲线 马秩峰等人【利用质子b r 4 站峰治癌。图1 1 给出 1 2 0 m e v l h + 1 贯穿液体水时 形成的b h 站峰。由图可见，质子束有两个比常规射线d o c o ，x 射线) 显而易 见的优点： 1 ) 对于一个精确对准肿瘤病灶处的质子b 珀g g 峰，肿瘤处就受到最大的照 射剂量，而肿瘤前的正常细胞只受到l ，3 左右的峰值剂量，因此对正常细胞造成 很小的损伤； 2 溶锐的b f 8 鹊峰在其射程末端时急剧下降，这样能确保肿瘤后部的正常细 胞基本上不受伤害。 幽12 质子与光子衰减曲线对比 德国自1 9 9 8 年以来利用6 8 m e v 的质子治疗嚣治好了7 5 0 多例的眼癌病人。 利用质子柬治疗眼癌【”，首先利用x 射线成像系统确定出病灶部位的准确位置， 然后用6 8 m e v 的质子束对准病灶郝位，使病灶部位在3 0 s 内接受1 5 g y 辐射剂 量，从而杀死肿瘤细胞。目前关于质子治疗的技术仍在研究当中，主要问题均集 中在辐照剂量的确定方面。 嘶_m静矧辄o it 兰州人学硕士学位论文 质子注入材料可以使材料表面改性，通过调整质子的注入剂量和注入能量， 可以很好地改进表面性能。例如，质子注入硅片在低温退火后内部形成裂纹，高 温退火内部形成带有非晶化内壁的空腔结构，从而有利于杂质的吸附。 质子注入聚酰亚胺( p i ) 聚合物1 4 j 不仅可以使聚酰亚胺表面硬度增加，也可以 增加基体结构的刚度。硬度和刚度的增加提高了聚酰亚胺的承载能力和抵抗对偶 剪切及粘着的能力，所以质子注入后，其耐磨性得到提高。 另外，质子注入碲镉汞( h 9 1 x c d xt e ，m c t ) 5 | ，可形成具有优良性能的p 1 1 结且其性质与质子的注入剂量有着较明显的依赖关系。如图1 3 ： 图1 3 不同质子注入剂量的n o n p 结i v 特性( 7 7 k ) ，( a ) 2 x 1 0 1 5c m 2 ，( b ) 2 x 1 0 1 5 c m 2 光照， ( c ) 4 x 1 0 1 5 c m 2 ，( d ) 4 x 1 0 1 5 锄2 光照【6 1 当注入剂量为2 x 1 0 1 5 锄之时，p - n 结的值得到了明显的提高( m 约达 4 9 0 0 锄2 ) 。但当注入剂量大于2 x 1 0 1 5 c m 之时，p - n 结的阻值出现了明显的下降。 其原因在于当注入剂量大于2 x 1 0 1 5 c m 。2 后，质子在m c t 材料中已引起了很多缺 陷，导致p n 结区出现高密度的深能级辅助电流在p n 结区的隧穿，形成极大的漏 电流，从而使得在i v 曲线上p n 结势垒的二极管效应明显衰退。 利用质子辐照农作物种子，诱导其产生遗传性变异，可以创造出一些新品种。 加速器产生的高能质子来模拟空间辐射农作物生物学效应研究，具有较高的实用 价值。质子是属于高传能线密度( l e t ) f l 勺粒子，其辐射品质因数为y 射线、硬x 射线、电子等辐射的5 - 2 0 倍，其相对生物效应( r b e ) 也高得多。在一个给定 的吸收剂量下，高l e t 离子比低l e t 辐射能诱导更多的非重接性d n a 双链断 裂，其诱导的染色体畸变的有效性较低l e t 辐射高数倍。 兰州人学硕卜学位论文 施巾帼等人【6 ，7 】先后研究了质子对小麦的诱变效应和质子散射对小麦种胚 d n a 损伤的修复影响。研究表明，经质子辐射的小麦生物损伤随剂量的提高而 加重，在一定能量范围内( 6 m e v 以下) ，随能量的增加而加大，超过一定能量， 生物损伤有所减轻。经质子辐射的小麦较经y 辐射的小麦其诱变效果显著，突变 谱宽，有益突变平率明显高于y 射线，且较易诱发早抽穗性状变异。研究明确了 诱变小麦的适宜能量为4 m e v ，适宜剂量为1 4 x 1 0 1 0 3 7 1 0 1 0p c m 2 。 孙逊等人【8 】研究了不同能量不同剂量的质子散射西瓜种子和质子束散射甜 瓜种子的辐射生物效应。结果表明，质子辐照可诱发染色体结构变异及分裂行为 异常，随着质子能量和剂量的提高，染色体畸变细胞率呈增加趋势。质子对染色 体的致畸效应有微核、染色体桥、断片等。从突变效应看，早熟突变较多。 可见，质子放射治疗、材料改性、农业育种等领域均存在广泛的应用。 1 2 2 质子吸收剂量研究的必要性 本世纪6 0 年代，人类开始了伟大的载人航天时代。在地球外空间，电离辐射 是航天活动中必然遇到且不可避免的重要环境因素。空间的电离辐射成分与地面 有很大不同，辐射强度也比地面本底高。地球轨道空间辐射粒子包括地磁场俘获 辐射带( v a na l l e n 带) 粒子和宇宙射线。地磁场俘获辐射带粒子主要是电子、 质子以及少量的重离子，地磁场俘获辐射带中质子能量可达5 0 m e v ，电子的最高 能量达7 m e v ；宇宙射线有两种来源，即来自于太阳耀斑爆发的太阳宇宙射线和来 自于太阳系以外的银河宇宙射线。银河宇宙射线主要由质子( 8 5 ) 、氦离子( 1 4 ) 和高能重离子( 1 ) 组成。太阳宇宙射线主要是质子( 9 0 - - 9 5 ) 和氦离子，而高 能重离子相对于银河宇宙射线本底可忽略【9 1 。 对于应用于卫星或空间飞行器的电子学系统，在天然空间辐射环境中往往因 经受空间辐射而导致性能减低或失灵，甚至最终导致卫星或空间飞行器的灾难性 的后果。美国1 9 7 1 至1 9 8 6 年发射的卫星中共发生了1 5 8 9 次异常现象，其中与空间 粒子辐射有关的占7 0 ，由空间辐射对电子学系统的辐射破坏造成的占3 8 1 。 空间电离辐射质子注量率范围一般在1 0 4 - - - 1 0 7 c m - 2 s ，其中1 5 r e 至2 8 r e ( r e = 6 3 8 0 k m 为地球半径) 高度内的地球内辐射带中的质子能量为( o 4 - 5 0 ) m e v ，2 8 r e 至1 2 r e 高度的外辐射带、太阳宇宙线和银河宇宙线的质子能量则在 兰州大学硕上学位论文 ( 1 0 1 0 0 0 ) m e v 。空间辐射对电子学系统的辐射破坏主要有三种方式：1 ) 总剂 量电离损伤；2 ) 单粒子效应；3 ) 位移损伤。其中质子主要产生总剂量电离损伤、 单粒子效应和位移损伤：电子主要产生总剂量电离损伤；而高能重离子主要产生单 粒子效应。下图为e x p l o r e r - 5 5 航天器内质子、电子和轫致辐射对总剂量的贡献 随总剂量的变化情况【1 0 】。由图1 4 可见，航天器内的总剂量大部分也是由质子贡 献的。 1 0 02 0 03 0 0 s h l e l dt h i c k n e s s ( m t l jo fa l ) 图1 4e x p l o r e r - 5 5 航天器内质子、电子和轫致辐射对总剂量的贡献 多年来，对半导体器件及电路的总剂量效应研究主要依赖于6 0 c o 源产生的y 射线 来模拟空间辐射环境，而空间辐射环境比较复杂，主要包括高能质子、电子等， 所以在评估空间辐射环境下的使用寿命时，需要研究质子与实验室6 0 c o 吖源之间 总剂量效应的等效性。质子在穿过靶物质时，与靶原子的核外电子发生作用，使 靶原子电离，产生电子空穴对。电离过程中放出的高能电子( d 电子) 具有足够的 能量，可继续引起其它原子的电离。由于质子的质量大，在与物质作用损失能量 的过程中，运动方向变化不大，它的轨迹几乎是直线。质子与器件灵敏层相互作 用，在灵敏层沉积能量，产生电子空穴对，电子空穴对在外加电场的作用下向相 反的方向漂移，由于电子的迁移率比较大，且热氧化s i 0 2 中电子陷阱较少，电 子可快速移至正电极。而空穴的迁移较慢，在漂移过程中，部分空穴被空穴陷阱 俘获，形成陷阱电荷，陷阱电荷使器件的电参数发生变化，如闭值电压漂移、迁 移率降低、漏电流增大等，可影响到整个电路的性能，降低系统的使用寿命。 目前我国文献报道中给出的质子剂量都是用质子注量表示的，而质子对电子 学器件、半导体器件及电路的总剂量效应主要与单位质量被照物体上沉积的能量 即吸收剂量有关。迄今为止，我国在质子吸收剂量的测量和校准方面丌展的工作 兰州入学硕匕学位论文 很少，同时也未见有关质子吸收剂量测量标准方面的报道。因此，为了满足空间 电离辐射和抗辐射加固中对质子吸收剂量测量和校准需求，迫切需要建立质子吸 收剂量的校准方法。 兰州人学顾上学位论文 第二章国内外研究现状 2 1 质子吸收剂量测量体系研究现状 目前，国际上报道的可用于测量质子吸收剂量的系统很多，如量热计、电离 室、法拉第筒、热释光剂量计、d i o d e 剂量计【1 1 】等，另外还报道了d i a m o n d 剂量 计【1 2 】、闪烁体探测器【1 3 】以及双硅s t r i p 探测器f 1 4 】等探测系统在质子吸收剂量测量 上的新应用。尽管质子吸收剂量的测量系统很多，但国际上推荐的作为质子吸收 剂量标准测量系统的只有量热计、电离室和法拉第简，它方法则主要作为常规测 量监测方法。 量热法是测量吸收剂量最直接、最基本的一种绝对剂量测量方法。在要测量 吸收剂量的部位放一小块吸收体作为敏感材料，借助热敏电阻测量吸收体的温 升，从而推算吸收剂量。但由于量热计测量灵敏度低，平均每1 g y 的吸收剂量在 水中只能产生0 2 3 m k 的温升，而要精确测出温升则需要复杂、昂贵、体积相对 庞大的装置以及特殊的技术才能实现。另外存在限制其测量准确度的热亏损和保 温等技术问题，因此该法很少在国际上应用与质子吸收剂量测量。目前，只有美 国的v e r h e y 和h j b r e d e 德引1 5 j 相继报道了利用组织等效和水量热计进行高能 质子吸收剂量的测量和校准，合成标准不确定度一般在2 一3 。 电离室法是一种通用的吸收剂量测量方法，其优越性在于其测量精度较高， 应用广泛，且可根据具体的测量要求来设计其外观结构，是当今辐射剂量学领域 的一种基础方法，国际上报道的用于质子吸收剂量测量和校准的电离室主要有平 板电离室和指型电离室。电离室法主要用于测量高能质子，因为电离室测量装置 需置于空气中。国际上利用该法进行质子吸收剂量校准的有美国的 v a t n i t s k y 1 6 , 1 7 、瑞典的m e d i n l l 8 】等，他们分别对平行板电离室和指形电离室进行 了研究，其中主要利用平行板透射电离室监测质子束流变化，利用指型电离室作 为参考剂量计进行质子吸收剂量的校准。 法拉第筒法是测量质子注量的一种最简单、最可靠的方法。它主要是利用吸 收体将初级入射粒子束完全阻止，然后由内筒将所有带电粒子全部收集的原理制 成，可见它所测量的电流完全由入射粒子束流强度所决定，因此很早便得到了广 兰州大学硕一l 学位论文 泛的应用。国际上利用该法进行质子吸收剂量测量的有美国的n e w h a u s e r 1 9 】、意 大利的c a m b r i a y 2 0 1 等。i c r u 5 9 号报告关于质子临床剂量测量中收录了该方法作 为质子注量的标准测量方法。 本文主要研究低能质子的吸收剂量校准技术，根据吸收剂量体系研究现状， 国际上推荐的作为质子吸收剂量标准测量系统的只有量热计、电离室和法拉第 筒，但量热计由于测量条件的限制很难应用于本实验。且由于本文研究的为低能 质子的吸收剂量校准技术，因此也不易采用电离室法进行测量。因此本文采用法 拉第筒法校准质子的吸收剂量。 2 2 丙氨酸e s r 测量体系研究现状 丙氨酸剂量计具有测量的粒子种类繁多，测量范围宽( 1 g y - 一1 0 5 g y ) ，稳定 性好、可重复测量、组织等效等优点。因此世界各国正致力于将丙氨酸剂量计建 立成吸收剂量测量的标准体系。目前丙氨酸e s r 剂量测量系统已成功的应用于 电子和6 0 c o 吖射线剂量测量，并建立了相应的测量标准。但对于质子等带点粒 子的测量尚未建立剂量响应的标准体系。因此本文试图采用法拉第筒校准丙氨酸 剂量计对质子的吸收剂量，从而希望建立一套法拉第筒对丙氨酸剂量计对质子吸 收剂量的标准体系。 丙氨酸( a a l a n i n e ) 为生物体中含有的有机物质，具有较好的生物组织等效 性，其分子结构式为： c h 3 - c i h c o o h 旦h 3 一亡h c o o h + n h 2 n h o 经射线辐照后，丙氨酸分子吸收辐射能量，并诱发形成自由基 c h ，一c h c o o h ，该自由基浓度与辐照剂量在一定范围内成一定比例关系， 直到剂量饱和。自由基浓度可利用e s r 谱仪定量测量，其e s r 波谱表现为谱线 强度比是1 ：4 ：6 ：4 ：1 的五重峰( 此为自由基与周围质子作用形成的超精细分裂) ， 见图2 1 。 兰州火学硕j ：学位论文 图2 1 标准丙氨酸e s r 波形 利用e s r 谱仪测量丙氨酸的信号强度如下所示： h 。 日。笙2 糕 m s gs 式中石表示待测丙氨酸剂量计，s 表示参考丙氨酸剂量计；m 为丙氨酸剂量计质 量；g 为e s r 谱仪的增益系数。参考剂量计的作用是为了消除e s r 谱仪在丙氨 酸剂量计测量过程中发生变化而带来的影响。 一般情况下，丙氨酸剂量计由纯度达9 5 w t 以上的精细丙氨酸微晶和一种 聚合物黏合剂均匀混合加工制成柱状、片状或薄膜状。可用作黏合剂的有多种： 如高熔点的石蜡、低分子量的聚烯烃、乙烯基聚合物以及具有低e s r 信号的环 氧化物、蜡或涂料等。在丙氨酸剂量计中对辐射敏感的材料是丙氨酸，粘合剂在 辐射的作用下不产生或很少产生自由基，因而几乎没有影响。 本论文实验用的丙氨酸剂量计为自制而成，将丙氨酸粉末与低密度聚乙烯 ( l d p e ) 按比例在一定温度下进行热混合造粒，再利用挤出法制备成卷，厚度为 2 0 0l am ，然后人工裁剪成长3 0m m 、宽1 0m m 的丙氨酸薄膜剂量计，剂量计密 度p = 1 2 6 9 c m 3 。 表2 1 丙氨酸薄膜剂量计组成 对于丙氨酸剂量计的发展可追溯到二十世纪五十年代。1 9 5 9 年美国r a n d o l p h 等人1 2 l l 发现几种氨基酸多晶6 0 c o 叫射线和x 射线辐照后能生成长寿命的自由基。 兰州人学硕七学位论文 1 9 6 2 年美国b r a d s h o w 等人【2 2 1 提出，将丙氨酸结晶粉末作为固体剂量计，用e s r 谱仪测定电离辐射在丙氨酸中产生的自由基数目。1 9 8 0 年以后西德辐射与环境 研究中心( g s f ) r e g u l l a 和d e f i n e r 2 3 1 将丙氨酸多晶粉末和石蜡混合制成剂量计， 用e s r 分析法进行了辐射剂量测量研究。 此后，对于丙氨酸剂量计的测量研究工作便陆续展开。 1 9 8 8 年罗达玲等人【2 4 】研究并测量了丙氨酸剂量计在较宽的光子和电子能量 范围的吸收剂量响应。图2 2 ( a ) ( b ) 分别为经6 0 c o - ，l 射线和2 m e v 电子辐照过的丙 氨酸剂量计的剂量响应曲线。结果显示1 0 y - - 1 0 5 g y 剂量范围内，e s r 剂量响应 h 与吸收剂量d 呈线性关系。 a e 斌g 图2 2 ( a ) 丙氨酸e s r 系统对6 0 c 0 r y 射线的剂量响应曲线 ( b ) 丙氨酸e s r 系统对2 m e v 电子束的一段剂量响应曲线 美国国家标准技术研究院( n i s t ) 1 9 9 0 年建立丙氨酸剂量计测量系统以来， 对丙氨酸剂量计在丫源上的校准进行了一系列的校准实验。n i s t 于2 0 0 5 年测量 的丙氨酸剂量计对于7 射线的e s r 剂量响应校准曲线如图2 3 所剥2 引，7 源分别 采用g c 2 0 7 ( 5 0 5 2 g y s ) 矛ig c 2 3 2 ( 1 0 0 1 g y s ) 。可见其测量重复性及剂量响应线性 均很好，目前n i s t 对于丫吸收剂量的测量扩展不确定度在2 范围内( 后= 2 ) ， 并成功的建立了丙氨酸剂量计对于y 射线的吸收剂量测量标准体系，并进行量值 传递服务。 兰州人学硕上学位论文 图2 3 丙氨酸剂量计对于y 射线的e s r 剂量响应校准曲线 可见，丙氨酸e s r 剂量测量系统已成功的应用于印c o 吖射线剂量测量的标 准体系，但对于质子吸收剂量测量的标准体系还尚未建立，丙氨酸剂量计对于质 子吸收剂量的测量还有待于进一步的研究。 1 9 9 6 年s o n o r i 和e d e r r i c o 等人【2 6 】利用m a r k u s 电离室对丙氨酸剂量计进行 了校准。实验利用替代法将丙氨酸剂量计与电离室置于相同位置进行分别辐照， 测量了丙氨酸剂量计对于质子b r a g g 峰坪区与峰位的吸收剂量。结果表明丙氨酸 剂量计测量的吸收剂量与m a r k u s 电离室测量的吸收剂量能够很好的吻合( 如图 2 4 ) 。 d e p t hi nw a t e r ( m m ) 图2 4 丙氨酸剂量计与m a r k u s 电离室对于质子吸收剂量的测量 2 0 0 5 年，m f u e r s t n e r l 2 7 】等人利用m o n t ec a r l of l u k a 模拟计算了2 4 g e v c 的质子及剂量，并绘制了剂量响应曲线( 如图2 5 所示) ，可见在l o g y - 1 0 4 g y 口v口计。可口口iio口钼 兰州人学硕上学位论文 吸收剂量范围内丙氨酸e s r 剂量响应与吸收剂量基本呈直线关系，当吸收剂量 大于1 0 4 g y 时，曲线发生偏转，剂量响应与吸收剂量不再呈直线关系，且质子吸 收剂量的剂量响应线性段略低于7 射线的剂量响应线性段。原因在于质子具有较 高的l e t ( 1 i n e a re n e r g yt r a n s f e r ，l e d 。 图2 5f l u k a 模拟丙氨酸e s r 剂量响应与吸收剂量之间的关系 可见，丙氨酸剂量计对于质子吸收剂量的测量已相继展开，并取得了一定得 成果，但尚不成熟。因此对于质子吸收剂量的测量仍需继续研究，从而最终建立 丙氨酸剂量计对于质子吸收剂量测量的标准体系。 兰州人学硕j j 学位论文 第三章吸收剂量测量原理及影响因素 3 1f c 测量吸收剂量基本原理 吸收剂量是剂量学和辐射防护领域中一个非常重要的量。它适用与任何类型 的电离辐射、任何被照射的物质，并适用于内外照射。 吸收剂量d 的严格定义是：任何电离辐射授予质量为d m 的物质的平均能量 把除以d m ，即： d = d e d i n ( 3 - 1 ) 吸收剂量的s i 制名称是戈瑞，符号为g y 。 另一个很重要的物理量是单位质量的转换能量( o ，c 定义为： c = s p ( 3 2 ) c 代表重带电粒子与靶物质核外电子的相互作用产生的能量损失，这个量等 于一定注量带电粒子辐照靶物质时由于与核外电子相互作用单位质量内的能量 损失，式中刮p 是质量碰撞阻止本领，单位是j m 2 k 9 1 ，f 是注量，单位为m 2 带电粒子向靶物质的能量传递主要有两阶段过程： ( 1 ) 带电粒子与靶原子核中核外电子的非弹性碰撞，导致原子的电离或激发 而损失能量： ( 2 ) 次级电子( 各射线) 传递能量。 由于次级电子( 如d 射线) 传递能量，吸收剂量p ) 不等于单位质量的转换能量 ( o 。对于2 5 0 m e v 的质子在组织中的d 射线的最大射程是2 5 r a m ，因此存在一定 能量被d 射线传递。但如果质子产生的次级电子能量较低、射程较小，使得质子 辐照靶物质时d 射线平衡，吸收剂量便与单位质量的转换能量相等。对于能量为 几十m e v 以下的质子，满足吸收剂量与单位质量的转换能量相等的关系，因此所 得单位质量的转换能量( o 的值即为吸收剂量的值。此时，对于能量为e 、注量为 ，的质子，质子吸收剂量可表示为： d = 一1 6 0 2 x 1 0 1 0 t p s ( e ) p ( 3 3 ) 当入射质子能量存在一定的能谱分布时，吸收剂量( 单位g y ) 可由下式表示： 兰州大学硕上学位论文 d = 一1 6 0 2 1 0 1 。，( e ) ( s ( e ) p ) 扭( 3 - 4 ) 在利用法拉第筒测量质子吸收剂量时，法拉第筒直接测量得到的计数为入射 粒子的电荷数a ，由q 可推出质子的吸收剂量d i 捌。推导过程如下： 法拉第筒测量的粒子数n ；卫 ( 3 5 ) z 。 式中a 收集的电荷，乙每个粒子携带的平均电荷数 粒子注量痧t 二( 3 6 ) 口 因此单能质子吸收剂量( 3 3 ) 式可表示为： d ；一1 6 0 2 1 0 一l 。u - - s ( e ) p 口 对于质子能量存在一定能谱分布时，吸收剂量可表示为： ( 3 - 7 ) 。( e ) - - - 1 6 0 2 1 0 - 。，等s ( 驯舭 ( 3 i 、，r ) 口，气、 其中( d 为每个能量点下的粒子数，s ) 为碰撞阻止本领，且 s ( e ) ；一譬一4 万z 2 e 4 z n 1 n ( 华) 一i n ( 1 一声z ) 一卢：】 出 m o v ( 3 9 ) 式中m 口为电子的静止质量，p = v c ，c 为光速，为阻止介质中单位体积的 原子数目，为介质原子的平均电离电势，代表该原子中各壳层电子的激发和电 离能之平均值。以e v 为单位可以近似表示为，一9 1 z ( i + 1 9 z 。2 乃) 。根据上述公 式一删血随带电粒子速度增加而减少到一极小值之后，又重新随速度增加而增 加。这就是著名的贝特布洛赫( b e t h e b l o c k ) 公式。 根据( 3 9 ) 式，可以得到具有实际应用价值的规律。 ( 1 ) 同种粒子入射到不同介质中，其- - d e d x 与介质的电子密度n z 成正比。 高原子序数、高密度的介质对同一带电粒子具有更大的阻止本领。 ( 2 ) 质子、a 粒子等带电粒子在介质中的阻止本领与其质量无关，而只与 其速度相关。 ( 3 ) 带电粒子在介质中的阻止本领与其所带电荷数z 的平方成正比。 兰州大学硕_ j j 学位论文 ( - d e d x ) ，；丝：她 利用上面规律可知，对于相同介质有：( - a e d x ) z z ；。诈z ；毛 可见当介质相同，入射粒子种类相同时，阻止本领只与入射粒子能量有关。 3 2 测量吸收剂量影响因素 ( 1 ) 电荷的影响： 在利用法拉第筒测量粒子注量咖的过程中，主要利用咖；掣，其中n 为 d a 电荷数，a 为辐照面积。由法拉第筒直接测量，法拉第筒测量的准确度一般受 吸收体材料、抑制电极、筒体本身结构等因素的影响。对于吸收体材料，现在公 认的为石墨，因为与其他导电材料相比较，石墨的次级电子发射系数小，能够提 高法拉第筒的测量准确度；抑制电极主要用于在法拉第筒筒口抑制次级电子，抑 制电极对次级电子的束缚能力越强，法拉第筒的测量准确度越高，一般加速器上 的法拉第筒施加的抑制电压为一3 0 0 v 。而传统法拉第筒的测量准确度远不能达 到本课题研究的需要，因此需要对法拉第筒进行改进。 ( 2 ) 入射面积a 的影响 为了准确确定质子入射面积，采用具有一定尺寸准直孔的钽片进行限束，由 于一般质子束斑直径较小，这就需要测量时先将质子束散射到较大的面积使其完 全覆盖靶框的准直孔，然后才能通过该准直孑l 获得准确的质子入射面积。由于通 过光学变焦直接调整束流面积很难达到我们需要的面积大小，因此在剂量计f j 端 放置了散射膜。根据不同入射质子能量以及散射情况，可根据需要更换不同厚度 的散射膜。同时，由于单片散射膜散射角较小，拟在能损尽量小的情况下，通过 降低散射膜厚度而增加散射膜数量来增大散射角。因此实验前，首先需要利用 s r i m 进行模拟计算，根据入射质子能量及加速器束流情况选择不同厚度、不同 组合的散射膜。 ( 3 ) 碰撞阻止本领的影响 由( 3 9 ) 式可知，本实验中碰撞阻止本领叩) 的测量准确度主要由入射粒 子能量e 决定。由加速器出射的单能粒子束经散射膜散射及穿透丙氨酸剂量计 之后，造成一定程度的能损及能谱展宽。只有准确计算质子在散射膜后表面及丙 氨酸剂量计后表面的能量及能谱展宽，才能提高吸收剂量测量的准确度。本实验 兰州大学硕上学位论文 采用s r i m 程序对质子能损及能谱展宽进行计算，同时对由于能谱展宽而带来的 s ( d 计算不确定度进行了评估。 ! 州大学硬学位论文 第四章法拉第筒校准丙氨酸剂量计测量系统的建立 本实验针对法拉第简校准丙氪酸剂量计测量需求以及现有加速器实验条件建 立了一套利用法拉第筒校准丙氨酸薄膜剂量计的测量系统。整个系统( 如图41 ) 可分为柬流散射系统，柬流监测系统和数据获取系统。下面将对该测量系统做一 一介绍。 柬触射系统 柬流监视最缱数据簸般系统 4 1 束流散射系统 往l4l 法拉第筒校准丙氨酸剂量计测量系统 在利用法拉第筒校准丙氨酸剂量计对质子的吸收剂量时，通过将法拉第筒置 于丙氨酸剂量计之后实时记录通过丙氨酸剂量计的粒子数来进行校准。在测量的 过程中需要准确确定质子辐照面积，因此在丙氨酸剂量计的前端放有一定面积限 束孔的t a 片，当使柬斑直径扩展到完全覆盖限束孔时，辐照面积即为t a 片限柬 孔的面积。根据不同应用需要，本实验主要采用l o 3 0 m m 2 和8 1 5 m m 2 两种规 格的丙氨酸剂量计，前端的t a 片准直孔相应为5 x 2 0 m m 2 和5 x l o m m 2 ，准直孔 的尺寸主要是根据丙氮酸剂量计的规格确定的，同时也综合考虑其他因素，如果 限束孔的面积太小会增加测量的不确定度限柬孔的面积太大会增加束斑展宽的 难度。由于加速器的束斑直径大多在f 3 - 6 m m 范围，因此除利用光学系统变焦外， 兰州大学硕士学位论文 还需要在束流路径上附加散射膜的办法才能使束斑展宽。本文通过s r i m 程序分 别对a u 、t a 两种材料的散射膜进行模拟计算，并确定了所需的散射膜厚度。 4 1 1 散射膜材料的选择 对于散射膜的材料选择，在大多数物理实验中，一般选择a u 膜作为散射膜 ( n a = 7 9 ，p = 1 9 3 1 1g c m 3 ) 。不过，由于t a 具有原子序数大，活化截面小的优点 ( n t = 7 3 ，p = 1 6 6 0 1g c m 3 ) ，所以我们分别制作了a u 膜和t a 膜。首先，利用s r i m 程序分别计算了两种散射膜在相同能量，相同厚度的情况下对质子产生的能损情 况，结果见表4 1 。 表4 1 不同厚度的a u 、t a 膜对质子能损情况 5 m e v1 0 m e v 1 , u m5 , u m1 0 t m1 , u r n 5 “m 1 0 t m a u 膜1 0 8 5 5 1 1 1 0 0 3 5 1 7 5 3 5 2 1 a 膜 0 9 7 4 8 8 9 9 10 9 2 1 5 6 3 1 3 由表4 1 可见，在厚度相同的情况下，a u 膜与t a 膜对于相同能量入射质子 产生的能损相差很小。若只鉴于散射束流的要求，a u 、t a 膜均可适用，但由于 a u 的韧性远不如t a ，在束流管道抽真空时很容易破裂，而且t a 的活化截面相 对a u 更低，因此最后选择t a 作为散射膜。 4 1 2 散射膜厚度的选择 散射膜厚度的选择应根据实际测量装置的安排、t a 片限束孔的大小以及散 射膜距丙氨酸剂量计的距离来确定。根据s r i m 模拟计算的结果，以散射前的质 子束作为点源计算，对于5 m e v 的质子，经8 # r n t a 膜散射后，其平均散射角为 2 8 。，在距散射膜3 5 0 m m 处束斑直径约3 4 m m ，可以完全覆盖5 x 2 0 m m 2 限束孔； 同理，对于1 0 m e v 质子，t a 散射膜厚度要达到2 吮m ，才能完全覆盖5 x 2 0 m m 2 限束孔，但如果采用5 x 1 0 m m 2 型号的限束孔，则散射膜的厚度只需1 0 。,urn 4 1 3 散射膜片数的选择 表4 2 为s r l m 计算的相同厚度，相同能损情况下，不同片数的t a 膜对于 质子的散射角情况。 兰州人学硕十学位论文 表4 2 相同能损不同片数的t a 膜对于质子的平均散射角 可见在能损相| 一的情况下，散射膜的片数越多，对于相同能量的质子平均散 射角越大。其主要原因在于：质子穿过散射膜的过程中，与膜材料发生多次库伦 散射而具有一定的偏转角，库伦散射分布的代表理论是m o l i 色r e 库伦散射分布【2 9 1 。 对于高斯分布，峰中心9 8 的粒子角分布宽度遵循下列公式： 2 警何 1 + 0 0 3 8 h 枷 ( 4 - 1 ) 其中，p ，触，z 分别为动量、速度、和入射粒子所携带的电荷量，x x o 为散 射膜相对于辐射长度的散射厚度。x 为散射膜厚度，单位g c m 2 ，则辐射波长x 0 i ， 7 16 4 9 c m 一2 a 以n = ；= _ “z ( z + 1 ) l n ( 2 8 7 , , i z ) ( 4 2 ) 只与散射膜本身材料的原子序数有关。 - 一2 j _ - - + 童生：感 p l a n e 、 一 山n e r 一 图4 2 粒子经过散射膜进行多库仑散射描绘图【2 9 l 对于同一束粒子，分别经过厚度x ，和两片厚度为x 2 的散射膜，设其散射 角分别为q h 岣和唧岫：，砟h = 乞吃p h n e ( 4 - 3 ) 则对于单片膜情况： 一乃警何 1 + 0 0 3 8 h 棚( 4 - 4 ) 兰州人学硕上学位论文 对于两片膜近似情况： o p l a n e 2 = - 2 乃警咖瓦 1 + 0 0 3 8 h ( 4 - 5 ) 郎。，4 i1 + 0 。0 3 8 1 n ( x x 。) 一=一-。一 q 毗 21 + 0 0 3 8 1 n ( x 2 x 口) 对于散射膜为t a 材料，经计算x o = 5 8 4 9 c m 2 ，( , o r 。= 1 6 6 9 c m 3 。) ( 4 - 6 ) 因此计算到，实验所应用的t a 膜厚度应在1 6 6 x 1 0 。3 9 c m 2 - _ 4 9 8 x 1 0 。3 9 c m 2 之间，配8 4 1 。4 x x 0 5 6 8 1 0 3 0 2 8 4 x l o - 4 x x 0 8 5 3 x 1 0 - 3 时，i p l a n e l 均小 于1 ，即啡岫 唧h 。：。 说明在不增加散射膜厚度的情况下，两片散射膜的散射角大于单片散射膜产 生的散射角。同样道理可以证明多膜射散射角大于同等厚度的单膜散射角。 根据上述多膜散射理论，在具体实验中，本文采用双散射膜进行散射。 4 2 束流监测系统 束流监测系统由金硅面垒探测器和一套o r t e c 公司生产的高压电源( 5 5 6 ) 、 前放( 1 4 2 a ) 、主放( 5 7 0 ) 、单道( 5 5 1 ) 及计数器( 9 7 4 ) 组成。 在进行b r a g g 峰区剂量校准实验时，由于丙氨酸剂量计将质子完全阻止，无 法采用法拉第筒实时测量入射质子数，因此采用金硅面垒探测器对束流进行侧向 监测，这需要在辐照丙氨酸剂量计前先利用法拉第筒对金硅面垒探测器测量的计 数进行校准并给出校准因子，然后在辐照丙氨酸剂量计时通过该校准因子给出零 向丙氨酸辐照位置处的质子计数。 由于实验过程中束斑不稳定，为了保证校准因子不变，其前提条件是入射到 散射膜上的质子束斑面积保持不变，这样才能保证校准因子不随束流强度的改变 而变化，为此需要在散射膜前添加一个准直孔，使初始束斑面积大于该准直孔， 即使束斑跳动，其入射面积仍能完全覆盖准直孔，从而保证入射到散射膜上的质 子束斑面积保持不变。 为了观察束斑形状和位置，利用z n s 制作了荧光靶，其制作过程如下：将 兰州大学硕上学位论文 石英玻璃片置于烧杯底部，分别加入z n s 粉末与约1 0 的有机玻璃粉末，然后 加入少量有机溶剂二氯乙烷( 加有机玻璃的目的在于其溶解后可提高z n s 在石 英玻璃表面的附着度) 使z n s 均匀分散覆盖石英玻璃片面积，置于通风厨中让 有机溶剂挥发，待干燥后避光保存待用。实验时将荧光靶与束流成4 5 。角放置在 管道中央，利用摄像头在9 0 。方向进行侧向监测，然后利用显示器在控制室观察 束斑的形状、位置，得到合适面积的束