重离子束水吸收剂量的电离法实验研究

金孙均，王 坤,*，王志鹏，范耀东，杨小元，张 健，贺鹏博，申国盛，戴天缘，李 强

(1.中国计量科学研究院，北京 100029；2.北京市计量检测科学研究院，北京 100029；3.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000)

重离子在介质中的能量损失率在其射程末端急剧增大，形成Bragg峰，即绝大部分能量沉积于射程末端。结合适当的方法可对重离子注入人体的深度及能量分布进行精确调整，极大降低对病灶周边正常组织的危害[1-2]。正因为这种特性，重离子治疗近些年来在国内外放疗领域颇受重视[3-4]。当前世界范围内已有13台大型重离子治疗装置。我国目前已建成了3台重离子治疗示范装置[5]，并自主设计了相应的治疗计划系统[6]，更多的重离子治疗装置建设已在筹划之中。

水吸收剂量是放射治疗的处方剂量，与高能光子束的水吸收剂量的溯源方法类似，重离子束的水吸收剂量也是通过相关计算方法溯源至60Co γ水吸收剂量基准[7]。目前，重离子束的水吸收剂量溯源的不确定度约3%，而高能光子束的不确定度可小于1.5%。存在上述差距的原因可简单概括为：1) 重离子与水和其他介质的相互作用的物理过程较光子而言更复杂多变。光子通过光电效应、康普顿散射、电子对生成3种机制与介质发生相互作用，而重离子与介质的相互作用机制却可能包括弹性散射、非弹性散射、深度非弹性散射、库伦激发等，导致理论计算的重离子束的关键物理量(如阻止本领比)要较光子束的复杂得多[8-10]。2) 高能光子束水吸收剂量的绝对测量研究已广泛开展，包括加拿大、美国、德国等国家早已建立相应的装置用于高能光子束水吸收剂量的量值复现[11-13]。因此，高能光子束的水吸收剂量溯源已有相对较多的绝对测量实验结果作为支撑，重离子束水吸收剂量的绝对测量研究则相对处于起步阶段[14]。

指形电离室和平板电离室是最常见的用于重离子束水吸收剂量测量的探测器装置，Jäkel等[15]用指型电离室验证了重离子束治疗计划算法的准确性。Kanai等[16]在质子、重离子束深度曲线的不同位置对指形电离室和平行板电离室的交叉校准进行了比较研究。德国物理技术研究院(PTB)的Osinga-Blättermann等[17]利用绝对测量方法开展了重离子束水吸收剂量的量值复现研究，该团队的最新研究结果表明FC65-G和TW30013两种指形电离室的重离子束辐射质修正因子kQ分别较国际原子能机构(IAEA)现行的398号报告中给出的建议值偏大1.1%、偏小0.4%。中国计量科学研究院已具备高能光子束水吸收剂量绝对测量能力，并于2016年完成了国际计量局(BIPM)的关键比对，相关测量能力与先进国家取得了等效互认[18]。中国计量科学研究院正计划开展重离子束水吸收剂量的绝对测量研究，逐步完善我国放射治疗量值溯源体系。本文在重离子治疗装置上用传统电离法开展了重离子束水吸收剂量测量工作。

1 实验

在武威重离子治疗中心的医用重离子加速器示范装置上，利用能量为400 MeV/u、束流强度约为1.5 nA且具有6 cm展宽Bragg峰(SOBP)的碳离子束开展实验工作，该能量的碳离子束在水中的射程约为271.4 mm。图1为实验设置示意图，用于测量的水箱容积为30 cm×30 cm×30 cm，其壁材料为20 mm厚的有机玻璃，入射窗的有机玻璃厚度为2.61 mm，水平入射的束流在水箱的入射窗前表面形成10 cm×10 cm的方形辐射野。

图1 实验设置示意图Fig.1 Schematic layout for experimental setup

1.1 探测器设置

本工作用FC65-G-1736、TW30013-4678、TW30013-9166和TW34001-2412 4只电离室进行测量，其中FC65-G与TW30013均为常见的指形电离室，TW34001是平板电离室。以上电离室用于测量时的有效深度均为水下30 mm，考虑了水箱前窗的水等效厚度[19]以及各电离室在测量重离子束水吸收剂量时的有效测量点，指形电离室的有效测量点为定位前0.75rcyl(rcyl为电离室半径)，平板电离室的有效测量点为其表面后1 mm[20]。实验前，这4只电离室均进行了60Co γ水吸收剂量的校准，实验过程中它们先后、交替地被安装到位开展相关测量。从图1可看出，测量电离室位于深度剂量曲线的平台区，剂量变化平缓，较适合开展前期的剂量学研究工作，如Kanai等在平台区开展了电离室的交叉校准研究[16]、Osinga-Blättermann等的绝对测量研究亦是在平台区进行[17]。在测量电离室侧后方，安装另外1只指形电离室(编号为TW30013-9086)用于同步监测入射束的相对强度，以便对4只测量电离室的数据进行归一分析。实验中，用数字化温度气压计对水箱中的温度及测量环境的气压进行同步监督，温度计探头安装在水模体中恰当位置，避免与束流相互干扰。加速器自带的监督电离室位于束流管道的下游，该电离室为平行板电离室，其内部充入氮气进行探测，有效探测面积为200 mm×200 mm，可完全覆盖束流[21]。

1.2 数据获取

基于LabVIEW平台开发数据获取系统用于本次实验的数据获取。该系统可同步收集两台静电计的数据以及温度气压并对所采集的电离电荷进行空气密度修正。本实验的测量电离室以及监督电离室的电离电荷信号均由KEITHLEY 6517B型高精度静电计收集。测量时，设置每实验轮次的电荷采集模式早于出束且晚于停束，以便能完全收集在束的电离电荷，4只电离室均各自采集了6组数据用于进行重离子束水吸收剂量的计算。

1.3 修正项的测量与评价

电离室的极化效应和离子复合效应修正除与电离室自身的参数(如灵敏体积等)相关，也受具体的辐射束影响[22]。重离子束条件下的极化效应kpol的计算公式为：

(1)

其中：M为电离室常规工作高压设置下的读数；M+、M-分别为正、负极性条件下的读数。FC65-G、TW30013和TW34001 3种电离室的工作高压分别为300、400、400 V。

电离室在重离子束条件下的离子复合效应修正应考虑一般复合和初始复合的贡献，一般复合修正ks的计算公式为：

(2)

式中：a0、a1、a2为常系数[7]，查表可得；M1、M2分别为电离室加不同高压下的读数，通常情况下M1对应于常规工作高压下的读数。

初始复合修正的评价则需测量若干个高压条件V1、V2、…下对应的结果M1、M2、…，其中M1为常规工作高压V1对应的读数。考虑以下计算过程：

(3)

(4)

利用碳离子束测量得出的4只电离室的极化效应、离子复合效应的修正因子列于表1。表1中也列出了60Co γ辐射束条件下的相关电离室的极化效应和离子复合效应修正因子和各修正因子的标准不确定度，可看出，各电离室在重离子束条件下极化效应及离子复合效应修正因子的不确定度均显著大于60Co γ辐射束条件下的相应结果。

表1 各电离室在碳离子束和60Co γ辐射束下的极化效应和离子复合效应修正Table 1 Correction for polarity and recombination effects of ionization chambers with carbon ion beam and 60Co γ beam

2 数据分析与结果

2.1 两种方法的归一对比

图2 重离子加速器的稳定性以及利用加速器MU和电离室归一的比较Fig.2 Stability of heavy ion accelerator and comparison for normalization with synchronized MU and ionization chamber

利用加速器监督电离室的MU参数，评价得出了实验状态下的碳离子束流的输出稳定性约为0.3%，示于图2，为更直观评价一系列数据，图2给出了±0.5%的参考限。对测量电离室的结果进行归一，一方面可利用TW30013-9086监督电离室的同步测量数据，另一方面亦可借助加速器监督电离室所测量的MU值，这两种方法对测量电离室归一的对比示于图2，可看出由加速器监督电离室的MU进行的归一结果要显著好于利用实验安装在水箱中的TW30013-9086监督电离室归一的结果，特别是当加速器的束流输出变化相对较剧烈时(图2中由矩形框标注的测量点)。

对图2中的两组结果进行分析可得：加速器MU归一和TW30013-9086监督电离室归一的稳定性分别为0.4%、0.8%，可见采用加速器MU进行实验数据的归一相对较好。后续的工作中也会进一步优化采用电离室监督测量的方案，如尝试使用较大测量面积的电离室。

2.2 12C离子束的水吸收剂量

电离法测量重离子束的水吸收剂量Dw[7]按下式进行计算：

(5)

表2 电离室测量重离子束水吸收剂量相关的计算参数Table 2 Calculation parameter of absorbed-dose to water of heavy ion beam measured by ionization chamber

图3 电离室测量能量400 MeV/u具有6 cm SOBP的12C离子束水吸收剂量结果比较Fig.3 Comparison for absorbed-dose to water of 12C ion beam with energy of 400 MeV/u and SOBP of 6 cm via ionization chamber

表3 电离室测量重离子束水吸收剂量的不确定度分析Table 3 Uncertainty analysis of absorbed-dose to water of heavy ion beam measured by ionization chamber

3 总结与讨论

本工作用传统电离法开展了能量400 MeV/u、具有6 cm SOBP的12C离子束水吸收剂量的测量，对重离子束条件下相关电离室的修正项和不确定度开展了评价研究。分别参考IAEA398报告和绝对测量得出的各电离室的辐射质修正因子，得到了重离子束水吸收剂量的电离室测量结果，并结合实验研究对电离室测量重离子束水吸收剂量的不确定度进行了分析。

开展重离子束水吸收剂量的绝对测量研究的难度较大，目前仅少数几个发达国家进行了相关工作。在正式开展重离子束水吸收剂量的绝对测量前，需以本工作或其他相关研究为先导，熟悉重离子束水吸收剂量绝对测量研究开展的各种条件。更系统的相关研究工作正在进行之中。

感谢武威医用重离子加速器示范装置的运行人员提供的支持和帮助。