60Coγ射线水吸收剂量量值传递方法初步研究

宋明哲，王 坤，叶宏生，魏可新，高 飞，侯金兵，王红玉，倪 宁

( 1.中国原子能科学研究院，北京 102413；2.中国计量科学研究院，北京 100013)

60Coγ射线水吸收剂量量值传递方法初步研究

宋明哲1，王 坤2，叶宏生1，魏可新1，高 飞1，侯金兵1，王红玉1，倪 宁1

( 1.中国原子能科学研究院，北京 102413；2.中国计量科学研究院，北京 100013)

60Co γ射线水吸收剂量是放射治疗体系的基础物理量，在辐射治疗中发挥着重要作用。开展60Co γ射线水吸收剂量值传递方法研究，可为我国γ射线水吸收剂量量值体系的建立提供重要技术支持。以PTW-30013电离室、PMMA水箱及三维移动平台为基础，建立量值传递标准装置；结合IAEA-TRS398报告的要求开展60Co γ射线水吸收剂量量值传递方法的初步研究。经量值传递后，PTW-30013电离室60Co γ射线水吸收剂量校准因子的扩展不确定度为0.90%(k=2)，辐射计量中心(IAEA次级标准计量实验室)60Co参考辐射γ射线水吸收剂量的扩展不确定度为1.4%(k=2)。结果表明，该量值传递方法可有效降低次级标准剂量实验室60Co γ射线水吸收剂量的测量不确定度。

60Co；γ射线水吸收剂量；量值传递

在电离辐射领域内，由于水与人体中碳水化合物性质类似，因而水被称为标准介质。在放射治疗中，通常是利用γ射线水吸收剂量Dw来度量人体所关心点的吸收剂量，因此，Dw被称为放射性治疗的处方剂量或参考剂量[1]。医院物理师在进行放射性治疗前，必须通过测量Dw来验证治疗计划的可行性。目前，我国仍以60Co γ射线空气比释动能作为基础物理量向全国进行量值传递，尚未建立以60Co γ射线水吸收剂量为基础的量值传递体系，现行的医用加速器输出剂量溯源方法仍以60Co γ射线空气比释动能为基础。整个放射治疗的量值传递过程分为四个步骤。第一步是国家60Co γ射线空气比释动能的量值复现，即进行空气比释动能的绝对测量，并将其传递到相关的次级标准实验室；第二步是工作级电离室剂量计在次级实验室进行校准，得到60Co空气比释动能校准因子；第三步是在医院利用校准过的工作级电离室剂量计对加速器进行校准[2]，该校准是在加速器的高能光子或电子辐射场中进行的；第四步是制定并验证放疗计划，实施治疗。即量值传递过程经过60Co空气比释动能、60Co空气吸收剂量、60Co γ射线水吸收剂量、加速器高能光子γ射线水吸收剂量四步量值传递，步骤十分繁琐且不确定度较大。仅第二步，次级标准实验室(简称SSDL)中由空气比释动能得到的水吸收剂量扩展不确定度已经约为2.5%(k=2)[3]。如果能够建立γ射线水吸收剂量量值体系，简化量值传递过程，可减少测量不确定度。

γ射线水吸收剂量量值体系的建立包括两个方面：一方面是量值复现，包括60Co γ射线水吸收剂量和高能光子γ射线水吸收剂量量值复现，目前我国已经初步完成了60Co γ射线水吸收剂量的量值复现和国际比对工作[4]。另一方面是量值传递，包括60Co γ射线水吸收剂量和高能光子水吸收剂量量值传递；其中60Co γ射线水吸收剂量值传递最初由IAEA-TRS398[5]和AAPM-TG51[6]协议书提出，目前已经被多个国家采用[7]。本研究首先要建立γ射线水吸收剂量值传递标准装置，结合IAEA-TRS398报告要求，开展从初级标准剂量实验室(简称PSDL)向SSDL的γ射线水吸收剂量值传递方法研究，为我国γ射线水吸收剂量体系建立提供技术支持。

1 实验方法

1.1 传递标准装置的建立

根据IAEA-TRS398报告要求，60Co γ射线水吸收剂量量值传递装置的基本元素为电离室和水箱，同时根据测量要求，电离室应可在一定范围内进行三维移动。本研究所建立的γ射线水吸收剂量量值传递标准装置包括：300 mm×300 mm×300 mm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)水箱(壁厚15 mm，窗厚4 mm)、去离子水、抽吸水泵、储水水箱、三维平台、平台控制器、平台控制软件、电离室支撑装置、PTW-30013(自防水)电离室、PTW-T10022主机、温度气压传感器等，装置框图如图1所示。

该装置的工作原理如下：用装满去离子水的PMMA水箱模拟无限大的水，同时为减小有机玻璃水等效性的不确定度，在水箱前壁中心开出直径150 mm、厚4 mm的入射窗。测量时，首先利用电离室支撑装置将电离室参考点置于辐射场的检验点上，利用PTW主机测量电离电荷；利用三维平台移动控制电离室移动，以确定距离误差所产生的不确定度；用浸没在水中且在辐射束外的温度传感器测量水中温度；用实验室内的气压传感器测量大气压力；测量结束后，利用水泵将去离子水抽入储水箱，以避免长期暴漏于空气中而可能造成污染。

1.2 校准因子的确定

60Co γ射线水吸收剂量的校准在中国计量科学研究院(PSDL)的60Co参考辐射场中进行。校准实验如图2所示，实验布置如图3所示。实验首先在参考条件下进行，将电离室测量置于检验点上，检验点距离水箱前表面5 g/cm2(水等效深度5 cm)；放射源有效中心与电离室参考点距离(SCD)设置为1 000 mm，放射源有效中心与水箱前表面距离(SSD)为950.8 mm。电离室的60Co γ射线水吸收剂量校准因子ND,W由公式(1)确定。

图1 60Co γ射线水吸收剂量量值传递标准装置框图Fig.1 60Co absorbed dose to water quantitative value transfer standard instrument schematic

图2 60Co γ射线水吸收剂量校准实验Fig.2 Calibration of an ionization chamber in terms of absorbed dose to water in 60Co γ reference radiation

Dw=M×ND,W

(1)

式(1)中，Dw为PSDL中60Co γ射线水吸收剂量的约定真值，Gy；M为经过修正后的电离电荷，C；M由公式(2)确定。

M=MrawPionPTPPelecPpol

(2)

式(2)中，Mraw为测量所得电离电荷，C；Pion为极化效应修正因子，由公式(3)确定；PTP为空气密度修正因子，由公式(4)确定；Pelec为静电计电荷测量修正因子，由于电离室与测量主机同时校准，此修正项为1；Pion为离子复合修正因子，通过双电压测量法给出，由公式(5)确定。

(3)

(4)

图3 60Co γ射线水吸收剂量校准实验布置图Fig.3 The calibrations scheme in terms of absorbed dose to water in 60Co γ reference radiation

式(4)中，T为测量得到的水中温度，℃；T0为参考温度，293.15 K；P为测量得到的实验室大气压，kPa。P0为参考大气压，101.3 kPa。

(5)

1.3 60Co γ射线水吸收剂量确定

PTW30013电离室经PSDL的60Co参考辐射场校准后，可获得ND,W，在中国原子能科学研究院辐射计量中心(SSDL)60Co参考辐射场中重复1.2节中的实验过程，即可将60Co γ射线水吸收剂量传递至SSDL。

2 结果与讨论

经PSDL校准后，PTW-30013型电离室+PTW-T10022主机的60Co γ射线水吸收剂量校准因子ND,W为5.387×107Gy/C,U=0.90%(k=2)；Pion为0.991 8(1±0.000 8)，Ppol为1.001 6(1±0.000 5)，PTP为1.013(1±0.001)，校准因子不确定度评定如表1所示。

表1 60Co γ射线水吸收剂量校准因子不确定度评定Table 1 Uncertainty analysis for the calibration of an ionization chamber in terms of absorbed dose to water in 60Co γ reference radiation

利用PTW-30013型电离室+PTW-T10022主机测量辐射计量中心的60Co γ射线水吸收剂量25.71 Gy/h,U=1.4%(k=2)，不确定度评定列于表2。

表2 60Co γ射线水吸收剂量测量不确定度评定Table 2 Uncertainty analysis for the measurement of absorbed dose to water in 60Co γ reference radiation

图4 SSD固定为950.8 mm时电荷测量结果与电离室深度的关系Fig.4 Net charge as a function of chamber depth (normalized to the current at 5 g/cm2equivalent depth with 950.8 mm SSD)

图5 SCD固定为1 000 mm时电流测量结果与电离室深度的函数关系Fig.5 Net charge as a function of chamber depth (normalized to the current at 5 g/cm2 e quivalent depth with 1 000 mm SCD)

由IAEA-TRS398报告可知，采用直接量值传递方法，SSDL实验室内60Co γ射线水吸收剂量的扩展不确定度可以控制在1.2%(k=2)以内，本研究所得结果为1.4%(k=2)，主要由于SSDL中SSD的定位是通过激光器配合轨道标尺来完成的，距离定位精度仅为±1 mm，所以产生了较大的不确定分量。在以后的工作中，可采用标准量杆来定位，以减小定位不准而产生的不确定度。

3 结论

由于定位精度限制，本研究未能将SSDL实验室60Co γ射线水吸收剂量的不确定度控制在1.2%(k=2)以内，但是采用直接传递γ射线水吸收剂量的方法已经将60Co γ射线水吸收剂量的不确定度由2.5%(k=2)降低至1.4%(k=2)，说明该直接量传方法具有一定优越性。本研究为国内首次开展60Co γ射线水吸收剂量量值传递方法研究，为我国γ射线水吸收剂量量值体系的建立提供重要技术支持。

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Preliminary Study on the Quantitative Value Transfer Method of Absorbed Dose to Water in60Co γ Radiation

SONG Ming-zhe1, WANG Kun2, YE Hong-sheng1, WEI Ke-xin1, GAO Fei1, HOU Jin-bing1, WANG Hong-yu1, NI Ning1

(1.ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China；2.NationalInstituteofMetrologyofChina,Beijing100013,China)

Absorbed dose to water in60Co γ radiation is the basic physics quantity in the quantitative value system of radiation therapy, it is very necessary for radiation therapy. The study on the quantitative value transfer method of absorbed dose to water in60Co γ Radiation could provide important technical support to the establishment of Chinese absorbed dose to water quantity system. Based on PTW-30013 ionization chamber, PMMA water phantom and 3D mobile platform, quantitative value transfer standard instrument was established, combined with the requirement of IAEA-TRS398, developed preliminary study of60Co absorbed dose to water quantity value transfer method. After the quantity value transfer, the expanded uncertainty of absorbed dose to water calibration factor of PTW-30013 was 0.90% (k=2), the expanded uncertainty of absorbed dose to water of60Co γ reference radiation in Radiation Metrology Center (SSDL of IAEA) was 1.4% (k=2). The results showed that, this value transfer method can reduce the uncertainty of60Co absorbed dose to water effectively in Secondary Standard Dosimetry Laboratory.

60Co; absorbed dose to water; quantitative value transfer

10.7538/tws.2015.28.01.0028

2014-05-21;

2014-11-11

科技支撑项目(2011BA102B01)

宋明哲(1983—)，男，吉林省松原人，博士，辐射防护计量专业

TL84

A

1000-7512(2015)01-0028-05