混合辐射场之双热发光剂量计剂量评估方法研究

1、混合輻射場之雙熱發光劑量計劑量評估方法研究邱美晴1 許芳裕2 游澄清1,3 劉鴻鳴21元培科技大學 影像醫學研究所2清華大學 原子科學技術發展中心3元培科技大學 放射技術系摘要本研究使用雙熱發光劑量計(Dual-Thermoluminescence Dosimeter, 簡稱Dual TLD) TLD-600和TLD-700，配合活化分析的鎘差法(cadmium difference method)，評估混合輻射場中的光子、中子的劑量分佈貢獻，並配合蒙地卡羅(Monte Carlo)方法的MCNP 4C程式來模擬計算混合輻射場中粒子和物質發生的各種隨機的作用。計算結果再與實驗結果相比較，以驗證

2、實驗值的正確性。臨床醫學如高能(10MV以上)直線加速器放射治療與硼中子捕獲治療等均為包含光子與中子等輻射之混合輻射場的臨床應用，本研究之方法與技術可更準確評估這些混合輻射場放射治療之劑量，並可供執行治療之臨床醫療人員作為實際治療劑量評估之參考。關鍵詞：熱發光劑量計、中子劑量、蒙地卡羅、混合輻射場前言近年來根據95年衛生署之統計報告指出，癌症已經連續排行在國人十大死因之首，平均每四人當中就有一個人得到癌症，罹患癌症的病患不在少數。現今對於癌症之治療目前常見是利用放射線破壞癌細胞內之去氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，簡稱DNA），以達到抑制腫瘤細胞生長之目的。一般用於治療

3、腫瘤的高能直線加速器和試驗中以核子反應器進行硼中子捕獲治療的照射場多為混合場，因為他們在治療的過程中常會伴隨著光子和中子的產生，故治療環境空間如治療室的輻射劑量分佈評估是很重要的。 本研究使用雙熱發光劑量計(Dual-Thermoluminescence Dosimeter, 簡稱Dual TLD) TLD-600和TLD-700，配合活化分析的鎘差法(cadmium difference method)，評估混合輻射場中的光子、中子的劑量分佈貢獻，並配合蒙地卡羅(Monte Carlo)方法的MCNP 4C程式來模擬計算混合輻射場中之輻射粒子和物質發生的各種隨機作用。計算結果與實驗結果相比較

4、，以驗證實驗值的正確性，並可供臨床醫療工作人員作為實際治療劑量評估之參考。材料與方法 本研究使用雙熱發光劑量計(Thermoluminescence Dosimeter, 簡稱TLD) TLD-600和TLD-700來作為測量混和場輻射劑量之工具，TLD-600與TLD-700均為氟化鋰成份之TLD，天然的鋰元素含有6Li與7Li二種同位素，6Li在自然界之豐度為7.52，而7Li在自然界中之豐度為95.52，與熱中子作用反應式分別為6Li（n,）3H與 7Li（n,）8Li，作用截面則分別為940邦(barn, 1barn=10-24cm)與0.0036邦。TLD-600含95.62之6Li

5、與4.38之7Li，TLD-700則含有0.07之6Li 與99.93之7Li。此兩種TLD有不同含量的鋰，對於熱中子的反應不同，TLD-600由於6Li之含量較高且與熱中子作用截面大，可以用來偵測熱中子；TLD700絕大部分為7Li，僅有微量之6Li，對於熱中子吸收作用不大，可視為幾乎僅對光子敏感1。本實驗所使用之熱發光劑量計，尺寸大小為3.1×3.1×0.89 mm3，密度為2.64 g/cm3，重量約28 mg，有效原子序為8.2，以TLD-600與TLD700兩種TLD互相搭配，利用6Li含量之不同，作為偵測熱中子之劑量計。 光子劑量響應實驗，乃將TLD-700與T

6、LD-600分批置於照射場，使用3Ci 137Cs射源進行不同劑量的照射，給予0.1、1、3、8、13 mSv等五種光子劑量，分別獲得電量讀數（單位為nC），電量與光子劑量的關係曲線即為TLD之光子劑量校正曲線，以此方法即可獲得電量轉換劑量的光子劑量轉換因子。中子劑量響應校正則是將雙TLD置於反應器混合場中，進行照射，以1 MW之反應器功率分別照射裸金箔、包覆鎘金箔、裸TLD、包覆鎘TLD等，評估量測點之熱中子通量；參考金箔法所獲得之熱中子通量經由通量-劑量轉換因子(flux to dose conversion factor)2換算成為熱中子劑量，以推論中子劑量，比較相同照射位置與照設條件T

7、LD-600之電量計讀值，可得到TLD-600之中子劑量響應。 TLD-700由於6Li含量極少，受到照射後所產生的螢光反應可將之視為均來自於光子的劑量貢獻。由於在混合場中相同照射條件下，TLD-600應可獲得與TLD-700同樣的光子劑量，以此可反推回TLD-600之光子電量貢獻值；TLD-600之總電量值扣除掉本身的光子電量值即為TLD-600的中子電量貢獻。此外，利用鎘片會吸收熱中子或將快中子減速的特性，包鎘之TLD無法量到原來之熱中子(因其已被鎘所吸收掉)，但可度量到被緩速的快中子，而裸TLD則可度量到熱中子與少部分快中子；使用包鎘材料之TLD與裸TLD同時度量，可以分出熱中子與能量高

8、於熱中子之快中子，其關係如公式1至公式7。最後再以熱中子之電量乘上熱中子的劑量轉換因子，即可獲得欲知的熱中子劑量。 (公式1) (公式2)(公式3) (公式4)(公式5) (公式6) (公式7)其中，為混合場照射對裸TLD-600和TLD-700所造成的總電量，為由對裸TLD-600所造成的電量，為由對裸TLD-700所造成的電量，為由超熱中子對裸TLD-600所造成的電量，為由超熱中子對裸TLD-700所造成的電量，為由熱中子對裸TLD-600所造成的電量，為由熱中子對裸TLD-700所造成的電量，為覆鎘之TLD-600照射後所造成的總電量，為覆鎘之TLD-700照射後所造成的總電量，為覆鎘

9、TLD-600受照射所造成的電量，為覆鎘TLD-700受照射所造成的電量，為包覆鎘TLD-600受超熱中子照射所造成的電量，為包覆鎘TLD-700受超熱中子照射所造成的電量。在本研究中，假設Li與7i對-ray具有相同的反應，忽略TLD-700對熱中子的反應與Li與7i對其他能量的中子所造成的劑量。 本研究利用雙偵測器：TLD-700與TLD-600置入水假體表面並將假体放置於於清華開放水池式反應器(Tsing Hua Open-pool Reactor，簡稱THOR)射束出口6公分處(離地約0.9公尺高)，條件以1MW功率照射30分鐘進行評估比較，如圖1所示，以評估反應器照射時之水假體表面的

10、中子與光子劑量分佈。在混合場對劑量的計算，由於粒子與物質發生各種作用的機率為隨機，故可應用蒙地卡羅法之MCNP 4C程式以模擬粒子遷移3,4。本研究依照實驗的實際情況，以MCNP 4C程式模擬計算在反應器射束出口水假體表面之中子能譜，並計算單一中子能量的響應模擬(模擬能量0.025eV-14MeV之範圍)結果，以得到對應單一中子能量每平方公分-每個中子所造成的克馬(Kerma，單位為Gy)。連續能譜的等效響應乃將模擬之連續能譜作為中子源輸入，再以MCNP程式計算其等效響應值；比較等效響應值與單一能量中子響應之結果，即可找出連續能譜中子的等效能量，以此等效能量可計算相對於熱中子之響應修正值，以修

11、正金箔法對高能量中子劑量低估的部份。 圖1. 以THOR反應器照射水假體，度量水假體表面之光子與中子劑量實驗設置圖。結果與討論 本實驗以137Cs照射場5使用3Ci射源，進行不同的劑量照射，獲得光子劑量轉換因子，TLD-700與TLD-600的劑量與計讀電量間之關係分別為：D(mGy)=0.2013Q(nc)和D(mGy)=0.1983Q(nc)。中子劑量響應校正則是將雙TLD置於反應器混合場中，進行照射。金箔法所獲得之熱中子通量經轉換因子2換算成為熱中子劑量，來推論雙TLD法之中子劑量轉換因子。MCNP程式需要輸入空間中每個部份的幾何形狀及其材質組成以及對於射源的描述。本研究依照實驗的實際情

12、況，模擬計算在反應器射束出口在水假體表面之中子能譜如圖2所示。配合蒙地卡羅(Monte Carlo)方法的MCNP 4C程式以模擬計算混合輻射場中粒子和物質發生的各種隨機的作用。單一中子能量的響應模擬(模擬能量0.025eV-14MeV之範圍)結果，如圖3所示。由圖3結果可知，對中低能量中子而言，TLD-700的中子響應遠小於TLD-600的中子響應(約差了103倍)，因此TLD-700的中子貢獻可予忽略。連續能譜的等效響應乃將圖2之能譜作為中子源輸入，再以MCNP程式計算其等效響應值；比較連續能譜中子在TLD-600之等效響應值與單一能量中子響應之結果如圖4，可找出連續能譜中子的等效能量約為

13、7.25´10-6MeV，依據圖5之TLD-600相對中子響應修正因數(以熱中子能量0.025 eV之響應值為歸一化標準)，則實際混合輻射場之中子連續能譜可以等效能量計算出相對於熱中子之響應修正值(約為0.85)，進行修正。圖2. 反應器射束出口在水假體表面之中子通量圖3 TLD-700與TLD-600在混合場克馬因子與通量-劑量轉換因子（MCNP 4C）圖4為在水假體表面TLD-600相對中子克馬數相對與能量。圖5 為TLD-600之相對中子響應修正因數(以熱中子能量0.025 eV之響應值為歸一化標準)。 利用上面的實驗方法，以THOR照射實際，距照射口射束中心6 cm處水假體表

14、面之TLD-600和TLD-700讀值分別為4026224.352 nC和11813.462 nC；包覆鎘之TLD-600和TLD-700讀值分別為2065771.561 nC和48302.914 nC；TLD-600之熱中子電量-劑量轉換因子為0.322×10-4 cGy/nC，將其值代入公式7中，可求得距照射口射束中心6cm處熱中子劑量為64.302 cGy，水假體表面之光子劑量為2.378cGy。考量臨床上使用之Rando擬人假體，進行劑量評估時，常將TLD置入假體內之小孔，經照射後計讀TLD可評估假體內之輻射劑量，但因包覆鎘片之直徑較假體內之小孔直徑大，因此較難使用包覆鎘片的

15、方法進行評估；若直接以裸金箔讀值進行評估，所評估出之中子貢獻之TLD-600讀值應為熱中子劑量與部分快中子劑量貢獻之加總，但TLD-600之中子電量-劑量轉換因子乃針對熱中子，因此能量高於熱中子之快中子部分因劑量響應較小因此會有低估的情形，故考慮如圖5之中子劑量響應修正因子可予修正，而獲得較正確之總中子劑量值(約為152.069cGy)。 結論在TLD之標準使用程序上，需先經過TLD穩定性篩選，再重複數次相同的劑量照射條件下，篩選出反應穩定且變化在平均讀數可接受範圍內（通常為±5）的TLD 6 。本研究利用雙偵測器：TLD-700與TLD-600置入水假體表面並將假體放置於於THOR

16、反應器射束出口6公分處(離地約0.9公尺高)，以1MW功率照射30分鐘進行評估；並配合蒙地卡羅(Monte Carlo)方法MCNP 4C程式來模擬計算連續能譜的等效響應，找出連續能譜中子的等效能量，以此等效能量可計算相對於熱中子之響應修正值，以修正對高能量中子劑量低估的部份。利用TLD-700與TLD-600雙熱發光劑量計法可更準確與有效地評估出混合輻射場內之光子與中子劑量，並可供執行治療之臨床醫療人員作為實際治療劑量評估之參考。參考文獻1Barquero R.,Mendez R., Vega-Carrillo H.R et al.,“Neutron spectra and dosimetric features around an 18 MV accelerator”,Health Physics, 88(1),48-58(2005).2Rogus R., Harling O., Yanch J.,“Mixed field dosimetry of an epithermal neutron beams for boron neutron capture therapy at the MITR-II research reactor”,Medical Phy