混合輻射場(chǎng)之雙熱發(fā)光劑量計(jì)劑量評(píng)估方法研究

1、混合輻射場(chǎng)之雙熱發(fā)光劑量計(jì)劑量評(píng)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(xué) 影像醫(yī)學(xué)研究所2清華大學(xué) 原子科學(xué)技術(shù)發(fā)展中心3元培科技大學(xué) 放射技術(shù)系摘要本研究使用雙熱發(fā)光劑量計(jì)(Dual-Thermoluminescence Dosimeter, 簡(jiǎn)稱Dual TLD) TLD-600和TLD-700，配合活化分析的鎘差法(cadmium difference method)，評(píng)估混合輻射場(chǎng)中的光子、中子的劑量分佈貢獻(xiàn)，並配合蒙地卡羅(Monte Carlo)方法的MCNP 4C程式來(lái)模擬計(jì)算混合輻射場(chǎng)中粒子和物質(zhì)發(fā)生的各種隨機(jī)的作用。計(jì)算結(jié)果再與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，以驗(yàn)證

2、實(shí)驗(yàn)值的正確性。臨床醫(yī)學(xué)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(chǎng)的臨床應(yīng)用，本研究之方法與技術(shù)可更準(zhǔn)確評(píng)估這些混合輻射場(chǎng)放射治療之劑量，並可供執(zhí)行治療之臨床醫(yī)療人員作為實(shí)際治療劑量評(píng)估之參考。關(guān)鍵詞：熱發(fā)光劑量計(jì)、中子劑量、蒙地卡羅、混合輻射場(chǎng)前言近年來(lái)根據(jù)95年衛(wèi)生署之統(tǒng)計(jì)報(bào)告指出，癌癥已經(jīng)連續(xù)排行在國(guó)人十大死因之首，平均每四人當(dāng)中就有一個(gè)人得到癌癥，罹患癌癥的病患不在少數(shù)?，F(xiàn)今對(duì)於癌癥之治療目前常見是利用放射線破壞癌細(xì)胞內(nèi)之去氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，簡(jiǎn)稱DNA），以達(dá)到抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)之目的。一般用於治療

3、腫瘤的高能直線加速器和試驗(yàn)中以核子反應(yīng)器進(jìn)行硼中子捕獲治療的照射場(chǎng)多為混合場(chǎng)，因?yàn)樗麄冊(cè)谥委煹倪^(guò)程中常會(huì)伴隨著光子和中子的產(chǎn)生，故治療環(huán)境空間如治療室的輻射劑量分佈評(píng)估是很重要的。 本研究使用雙熱發(fā)光劑量計(jì)(Dual-Thermoluminescence Dosimeter, 簡(jiǎn)稱Dual TLD) TLD-600和TLD-700，配合活化分析的鎘差法(cadmium difference method)，評(píng)估混合輻射場(chǎng)中的光子、中子的劑量分佈貢獻(xiàn)，並配合蒙地卡羅(Monte Carlo)方法的MCNP 4C程式來(lái)模擬計(jì)算混合輻射場(chǎng)中之輻射粒子和物質(zhì)發(fā)生的各種隨機(jī)作用。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較

4、，以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)值的正確性，並可供臨床醫(yī)療工作人員作為實(shí)際治療劑量評(píng)估之參考。材料與方法 本研究使用雙熱發(fā)光劑量計(jì)(Thermoluminescence Dosimeter, 簡(jiǎn)稱TLD) TLD-600和TLD-700來(lái)作為測(cè)量混和場(chǎng)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(yīng)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(duì)於熱中子的反應(yīng)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(lái)偵測(cè)熱中子；TLD700絕大部分為7Li，僅有微量之6Li，對(duì)於熱中子吸收作用不大，可視為幾乎僅對(duì)光子敏感1。本實(shí)驗(yàn)所使用之熱發(fā)光劑量計(jì)，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?yàn)?.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(cè)熱中子之劑量計(jì)。 光子劑量響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，乃將TLD-700與T

6、LD-600分批置於照射場(chǎng)，使用3Ci 137Cs射源進(jìn)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(shù)（單位為nC），電量與光子劑量的關(guān)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(zhuǎn)換劑量的光子劑量轉(zhuǎn)換因子。中子劑量響應(yīng)校正則是將雙TLD置於反應(yīng)器混合場(chǎng)中，進(jìn)行照射，以1 MW之反應(yīng)器功率分別照射裸金箔、包覆鎘金箔、裸TLD、包覆鎘TLD等，評(píng)估量測(cè)點(diǎn)之熱中子通量；參考金箔法所獲得之熱中子通量經(jīng)由通量-劑量轉(zhuǎn)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(shè)條件T

7、LD-600之電量計(jì)讀值，可得到TLD-600之中子劑量響應(yīng)。 TLD-700由於6Li含量極少，受到照射後所產(chǎn)生的螢光反應(yīng)可將之視為均來(lái)自於光子的劑量貢獻(xiàn)。由於在混合場(chǎng)中相同照射條件下，TLD-600應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)。此外，利用鎘片會(huì)吸收熱中子或?qū)⒖熘凶訙p速的特性，包鎘之TLD無(wú)法量到原來(lái)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(shí)度量，可以分出熱中子與能量高

8、於熱中子之快中子，其關(guān)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(zhuǎn)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(chǎng)照射對(duì)裸TLD-600和TLD-700所造成的總電量，為由對(duì)裸TLD-600所造成的電量，為由對(duì)裸TLD-700所造成的電量，為由超熱中子對(duì)裸TLD-600所造成的電量，為由超熱中子對(duì)裸TLD-700所造成的電量，為由熱中子對(duì)裸TLD-600所造成的電量，為由熱中子對(duì)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(shè)Li與7i對(duì)-ray具有相同的反應(yīng)，忽略TLD-700對(duì)熱中子的反應(yīng)與Li與7i對(duì)其他能量的中子所造成的劑量。 本研究利用雙偵測(cè)器：TLD-700與TLD-600置入水假體表面並將假體放置於於清華開放水池式反應(yīng)器(Tsing Hua Open-pool Reactor，簡(jiǎn)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(jìn)行評(píng)估比較，如圖1所示，以評(píng)估反應(yīng)器照射時(shí)之水假體表面的

10、中子與光子劑量分佈。在混合場(chǎng)對(duì)劑量的計(jì)算，由於粒子與物質(zhì)發(fā)生各種作用的機(jī)率為隨機(jī)，故可應(yīng)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(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況，以MCNP 4C程式模擬計(jì)算在反應(yīng)器射束出口水假體表面之中子能譜，並計(jì)算單一中子能量的響應(yīng)模擬(模擬能量0.025eV-14MeV之範(fàn)圍)結(jié)果，以得到對(duì)應(yīng)單一中子能量每平方公分-每個(gè)中子所造成的克馬(Kerma，單位為Gy)。連續(xù)能譜的等效響應(yīng)乃將模擬之連續(xù)能譜作為中子源輸入，再以MCNP程式計(jì)算其等效響應(yīng)值；比較等效響應(yīng)值與單一能量中子響應(yīng)之結(jié)果，即可找出連續(xù)能譜中子的等效能量，以此等效能量可計(jì)算相對(duì)於熱中子之響應(yīng)修正值，以修

11、正金箔法對(duì)高能量中子劑量低估的部份。 圖1. 以THOR反應(yīng)器照射水假體，度量水假體表面之光子與中子劑量實(shí)驗(yàn)設(shè)置圖。結(jié)果與討論 本實(shí)驗(yàn)以137Cs照射場(chǎng)5使用3Ci射源，進(jìn)行不同的劑量照射，獲得光子劑量轉(zhuǎn)換因子，TLD-700與TLD-600的劑量與計(jì)讀電量間之關(guān)係分別為：D(mGy)=0.2013Q(nc)和D(mGy)=0.1983Q(nc)。中子劑量響應(yīng)校正則是將雙TLD置於反應(yīng)器混合場(chǎng)中，進(jìn)行照射。金箔法所獲得之熱中子通量經(jīng)轉(zhuǎn)換因子2換算成為熱中子劑量，來(lái)推論雙TLD法之中子劑量轉(zhuǎn)換因子。MCNP程式需要輸入空間中每個(gè)部份的幾何形狀及其材質(zhì)組成以及對(duì)於射源的描述。本研究依照實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情

12、況，模擬計(jì)算在反應(yīng)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(jì)算混合輻射場(chǎng)中粒子和物質(zhì)發(fā)生的各種隨機(jī)的作用。單一中子能量的響應(yīng)模擬(模擬能量0.025eV-14MeV之範(fàn)圍)結(jié)果，如圖3所示。由圖3結(jié)果可知，對(duì)中低能量中子而言，TLD-700的中子響應(yīng)遠(yuǎn)小於TLD-600的中子響應(yīng)(約差了103倍)，因此TLD-700的中子貢獻(xiàn)可予忽略。連續(xù)能譜的等效響應(yīng)乃將圖2之能譜作為中子源輸入，再以MCNP程式計(jì)算其等效響應(yīng)值；比較連續(xù)能譜中子在TLD-600之等效響應(yīng)值與單一能量中子響應(yīng)之結(jié)果如圖4，可找出連續(xù)能譜中子的等效能量約為

13、7.25´10-6MeV，依據(jù)圖5之TLD-600相對(duì)中子響應(yīng)修正因數(shù)(以熱中子能量0.025 eV之響應(yīng)值為歸一化標(biāo)準(zhǔn))，則實(shí)際混合輻射場(chǎng)之中子連續(xù)能譜可以等效能量計(jì)算出相對(duì)於熱中子之響應(yīng)修正值(約為0.85)，進(jìn)行修正。圖2. 反應(yīng)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(chǎng)克馬因子與通量-劑量轉(zhuǎn)換因子（MCNP 4C）圖4為在水假體表面TLD-600相對(duì)中子克馬數(shù)相對(duì)與能量。圖5 為TLD-600之相對(duì)中子響應(yīng)修正因數(shù)(以熱中子能量0.025 eV之響應(yīng)值為歸一化標(biāo)準(zhǔn))。 利用上面的實(shí)驗(yàn)方法，以THOR照射實(shí)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(zhuǎn)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(jìn)行劑量評(píng)估時(shí)，常將TLD置入假體內(nèi)之小孔，經(jīng)照射後計(jì)讀TLD可評(píng)估假體內(nèi)之輻射劑量，但因包覆鎘片之直徑較假體內(nèi)之小孔直徑大，因此較難使用包覆鎘片的

15、方法進(jìn)行評(píng)估；若直接以裸金箔讀值進(jìn)行評(píng)估，所評(píng)估出之中子貢獻(xiàn)之TLD-600讀值應(yīng)為熱中子劑量與部分快中子劑量貢獻(xiàn)之加總，但TLD-600之中子電量-劑量轉(zhuǎn)換因子乃針對(duì)熱中子，因此能量高於熱中子之快中子部分因劑量響應(yīng)較小因此會(huì)有低估的情形，故考慮如圖5之中子劑量響應(yīng)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(jié)論在TLD之標(biāo)準(zhǔn)使用程序上，需先經(jīng)過(guò)TLD穩(wěn)定性篩選，再重複數(shù)次相同的劑量照射條件下，篩選出反應(yīng)穩(wěn)定且變化在平均讀數(shù)可接受範(fàn)圍內(nèi)（通常為±5）的TLD 6 。本研究利用雙偵測(cè)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(yīng)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(jìn)行評(píng)估；並配合蒙地卡羅(Monte Carlo)方法MCNP 4C程式來(lái)模擬計(jì)算連續(xù)能譜的等效響應(yīng)，找出連續(xù)能譜中子的等效能量，以此等效能量可計(jì)算相對(duì)於熱中子之響應(yīng)修正值，以修正對(duì)高能量中子劑量低估的部份。利用TLD-700與TLD-600雙熱發(fā)光劑量計(jì)法可更準(zhǔn)確與有效地評(píng)估出混合輻射場(chǎng)內(nèi)之光子與中子劑量，並可供執(zhí)行治療之臨床醫(yī)療人員作為實(shí)際治療劑量評(píng)估之參考。參考文獻(xiàn)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