張書峰，李春娟，宋明哲，倪 寧，石 斌，劉蘊(yùn)韜，刁立軍，陳 軍，肖鴻飛，張慶賢，唐新懿，劉顯科，李林航，李 超，曹 平

(1.中國原子能科學(xué)研究院 計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102413；2.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059；3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系，安徽 合肥 230026)

硼中子俘獲治療(BNCT)作為基于10B(n,α)7Li反應(yīng)的二元靶向療法，可選擇性地殺死腫瘤細(xì)胞而幾乎不傷害正常組織，是目前理想的癌癥治療手段之一。與快中子放射治療不同，BNCT是利用與10B相互作用截面大的低能中子(熱中子或超熱中子)作為輻射質(zhì)的放療形式，根據(jù)中子的產(chǎn)生方式，無論采取何種手段(反應(yīng)堆、加速器或放射性核素中子源等)產(chǎn)生所需要的熱中子或超熱中子，都不可避免地伴隨光子[1]，即BNCT治療束為n/γ混合束，且能量分布范圍寬。由于BNCT的二元特性，其與傳統(tǒng)放射治療或質(zhì)子、重離子療法相比，臨床治療中產(chǎn)生的劑量成分更為復(fù)雜，主要包括以下四種[2-4]：① 硼劑量DB，來自10B(n,α)7Li俘獲反應(yīng)產(chǎn)生的α粒子和7Li；② 快中子劑量Dn，來自超熱、快中子彈性散射1H(n,n’)1H產(chǎn)生的反沖質(zhì)子；③ 氮?jiǎng)┝緿p，來自14N(n,p)14C俘獲反應(yīng)產(chǎn)生的580 keV質(zhì)子；④ 光子劑量Dγ，來自1H(n,γ)2H俘獲反應(yīng)產(chǎn)生的2.23 MeV γ射線和治療束中伴隨的γ射線。其中，起治療作用的是DB，而其他劑量成分為伴隨的污染劑量。在典型BNCT治療的最大劑量處，Dγ約占總劑量的20%，其中約50%來自治療束本身伴隨的光子，并隨組織深度增加，Dγ占比增大，而光子劑量的變化情況與光子的能量有關(guān)[5]。因此，為制定準(zhǔn)確的治療計(jì)劃，需掌握治療束中伴隨的光子能譜，從而對(duì)光子劑量的貢獻(xiàn)予以準(zhǔn)確評(píng)估。盡管在照射器設(shè)計(jì)時(shí)，可通過蒙特卡羅模擬獲得治療束中光子的能量分布信息[6]，但由于束慢化及整形系統(tǒng)所用材料中均存在雜質(zhì)，因而在高強(qiáng)度中子照射下會(huì)產(chǎn)生難以預(yù)知的次級(jí)光子，因此需設(shè)計(jì)適用于BNCT治療束的光子譜儀，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量予以確認(rèn)。本文根據(jù)BNCT治療束的特點(diǎn)建立光子譜儀的計(jì)算模型，結(jié)合蒙特卡羅模擬方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)源項(xiàng)光子譜的快速準(zhǔn)確測(cè)量，并對(duì)譜儀的響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，為后續(xù)光子譜的解譜過程提供必要條件。

1 BNCT治療束光子能譜測(cè)量發(fā)展現(xiàn)狀

對(duì)于硼中子俘獲治療(BNCT)治療束光子能譜的測(cè)量，國際上的相關(guān)研究報(bào)道很少，主要原因在于：① 受BNCT治療束的特點(diǎn)所限，光子能譜的測(cè)量難度較大，技術(shù)尚不成熟；② 在處方劑量的不確定度評(píng)定中，與含硼藥物的選擇性、硼濃度成像與分析、輻射生物劑量學(xué)以及其他物理劑量學(xué)參數(shù)等引入的不確定度相比，由污染光子劑量評(píng)估引入的不確定度尚可接受[7-13]。然而，隨著BNCT相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，提高污染光子劑量評(píng)估的準(zhǔn)確性，必將對(duì)充分發(fā)揮BNCT精準(zhǔn)靶向治療的優(yōu)勢(shì)起到推動(dòng)作用。

歐洲委員會(huì)聯(lián)合研究中心(EU-JRC)提出了兩種可行的實(shí)驗(yàn)方法：① 直接測(cè)量法，即將探測(cè)器置于治療束上直接測(cè)量治療束出射的初級(jí)光子能譜。為過濾掉中子且避免高強(qiáng)度輻射對(duì)探測(cè)器的輻射損傷，以及由于探測(cè)系統(tǒng)死時(shí)間過大而造成的計(jì)數(shù)過飽和效應(yīng)，需對(duì)探測(cè)器進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠帘魏蜏?zhǔn)直；② 間接測(cè)量法，即利用適當(dāng)?shù)纳⑸潴w(與光子相互作用以康普頓散射為主，與中子的相互作用截面低)對(duì)治療束進(jìn)行散射，在某一角度測(cè)量散射束的次級(jí)光子能譜，并通過譜的重建得到初級(jí)光子能譜。對(duì)以上兩種方法進(jìn)行分析：直接測(cè)量法無需譜的重建，可直接得到初級(jí)光子能譜，測(cè)量結(jié)果的不確定度相對(duì)較?。欢g接法對(duì)于通常采用錐形準(zhǔn)直的BNCT治療束(呈發(fā)散分布)，在譜的重建過程中可能存在不唯一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，且在高能區(qū)存在重建譜壓縮的問題，因此利用直接測(cè)量法更為準(zhǔn)確、可靠[14-15]。

2 光子譜儀的設(shè)計(jì)

BNCT治療束為n/γ混合束，且能量范圍寬(對(duì)于基于反應(yīng)堆的治療束，中子熱能約10 MeV；光子約100 keV～11 MeV)、注量率高(中子≥109cm-2·s-1，光子≥107cm-2·s-1)。根據(jù)BNCT治療束特點(diǎn)，其測(cè)量需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題主要有：① 譜儀可覆蓋全部光子能量范圍；② 譜儀應(yīng)具有好的能量分辨能力，以提高測(cè)量譜的能量分辨率，降低光子劑量的不確定度；③ 譜儀屏蔽系統(tǒng)可有效屏蔽中子，并降低光子強(qiáng)度，以使譜儀正常工作，同時(shí)盡量減少中子在屏蔽體中誘導(dǎo)產(chǎn)生的次級(jí)光子；④ 建立準(zhǔn)確可靠的譜儀響應(yīng)函數(shù)。根據(jù)上述分析，光子譜儀的設(shè)計(jì)思路如下：① 采用能量分辨率高的高純鍺(HPGe)作為探測(cè)器，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠帘魏蜏?zhǔn)直，以抑制中子并降低光子輻射強(qiáng)度，直接測(cè)量治療束的初級(jí)光子能譜；② 利用蒙特卡羅程序優(yōu)化屏蔽體的幾何結(jié)構(gòu)，通過選取適當(dāng)?shù)钠帘尾牧?，盡量減少次級(jí)光子的產(chǎn)生；③ 使用蒙特卡羅程序模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的方法獲取初級(jí)光子能譜，測(cè)量能譜中包括治療束中的光子與中子在屏蔽體內(nèi)引起的次級(jí)光子，為精確扣除次級(jí)光子成分，需通過精密的幾何測(cè)量與材料成分分析確認(rèn)屏蔽體結(jié)構(gòu)，然后利用蒙特卡羅模擬得出準(zhǔn)確的次級(jí)光子譜，再將扣除次級(jí)光子后的測(cè)量能譜通過解譜來獲取治療束的初級(jí)光子能譜。

2.1 光子準(zhǔn)直器和中子屏蔽體的材料選擇

光子準(zhǔn)直器材料應(yīng)具有良好的光子屏蔽效果，以確保治療束中的光子只能通過準(zhǔn)直孔進(jìn)入探測(cè)器。光子的屏蔽通常采用重金屬，常用的材料有Pb和W，比較兩種材料對(duì)10 MeV γ射線的線衰減系數(shù)(質(zhì)能衰減系數(shù)與密度的乘積，分別為0.564 cm-1和0.919 cm-1)，在相同厚度情況下，W的屏蔽效果更好，有利于減小準(zhǔn)直器的體積，且W的硬度更大、不易變形，因而選擇W作為準(zhǔn)直器的材料。

通常中子屏蔽體主要采用彈性散射截面較大的中子慢化材料與吸收截面較大的中子吸收材料的組合，光子譜儀初步設(shè)計(jì)時(shí)，中子屏蔽體采用聚乙烯與碳酸鋰材料。在模擬過程中發(fā)現(xiàn)，雖然治療束經(jīng)過20 cm聚乙烯與15 cm聚乙烯和5 cm碳酸鋰組合后的中子注量比為0.021，但在探測(cè)器位置產(chǎn)生的中子注量比為0.71。這是由于n/γ混合束經(jīng)過15 cm聚乙烯后的譜平均能量為83 keV，在該能量下，雖然聚乙烯的中子吸收效果約為碳酸鋰的0.015，但聚乙烯的彈性散射效果比碳酸鋰好。中子與1H、6Li的彈性散射微分截面示于圖1，由圖1可見，在n/γ混合束入射角為0°～90°范圍內(nèi)，1H的彈性散射截面約為6Li的50倍，經(jīng)過聚乙烯后的中子角分布角前傾更少，所以5 cm聚乙烯與5 cm碳酸鋰的屏蔽效果差別不大。

圖1 中子與1H、6Li的彈性散射微分截面Fig.1 Elastic scattering differential cross sections of neutron 1H, 6Li

由于中子屏蔽體后是光子準(zhǔn)直器，因此考慮光子準(zhǔn)直器對(duì)中子屏蔽效果的影響，結(jié)果示于圖2，由圖2可見，碳酸鋰對(duì)低能中子的吸收更好，治療束經(jīng)20 cm聚乙烯后的譜平均能量為199 keV，經(jīng)過15 cm聚乙烯與5 cm碳酸鋰后的譜平均能量為1 433 keV。通過比較鎢對(duì)中子的吸收截面(圖3)，鎢對(duì)199 keV中子的屏蔽效果約為1 433 keV中子的2倍。因此，聚乙烯與鎢的組合使探測(cè)器接收的中子更少，并且中子與聚乙烯產(chǎn)生的次級(jí)光子成分更簡單，最終選擇聚乙烯作為BNCT治療束的中子屏蔽材料。

圖2 經(jīng)過不同中子屏蔽體后的治療束中子能譜Fig.2 The neutron energy spectrum of the treatment beam through different neutron shields

圖3 鎢的中子吸收截面Fig.3 Neutron absorption cross section of tungsten

2.2 譜儀屏蔽準(zhǔn)直系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為得到利用MCNP程序優(yōu)化設(shè)計(jì)譜儀屏蔽準(zhǔn)直系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)，以理論計(jì)算的醫(yī)院中子照射器(IHNI)[16]超熱束中子和光子能譜為源項(xiàng)(圖4)，模擬計(jì)算不同幾何結(jié)構(gòu)屏蔽準(zhǔn)直系統(tǒng)下的關(guān)鍵參數(shù)，包括：探測(cè)器內(nèi)的中子注量率、光子計(jì)數(shù)率以及次級(jí)光子占比(次級(jí)光子計(jì)數(shù)率/初級(jí)光子計(jì)數(shù)率)等。通過計(jì)算譜儀探測(cè)器距源不同位置并改變中子屏蔽體與光子準(zhǔn)直器之間距離的各種情況，綜合考慮以上各參數(shù)及系統(tǒng)的質(zhì)量等因素，最終確定的譜儀屏蔽準(zhǔn)直系統(tǒng)示于圖5，各參數(shù)結(jié)果列于表1。

表1 光子能譜測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)Table 1 The structure and performance parameters of photon energy spectrum measurement system

圖4 超熱中子濾束裝置出口處中子、光子注量率分布Fig.4 Neutron and photon fluence rate distribution at the beam port of the epithermal thermal neutron filter

圖5 設(shè)計(jì)的光子測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the designed photon measuring system

2.3 譜儀響應(yīng)函數(shù)的校準(zhǔn)方法

為了通過解譜得到BNCT治療束的光子能譜，需建立準(zhǔn)確、可靠的譜儀響應(yīng)函數(shù)。由于整個(gè)譜儀是針對(duì)高強(qiáng)度中子/光子混合場(chǎng)設(shè)計(jì)，包含中子和光子屏蔽準(zhǔn)直系統(tǒng)，因而無法對(duì)其整體在全能區(qū)進(jìn)行響應(yīng)校準(zhǔn)，為此采用如下方法對(duì)其響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)：① 利用蒙特卡羅程序計(jì)算裸HPGe探測(cè)器在全能區(qū)的響應(yīng)；② 由于HPGe探測(cè)器可能存在死層，通過調(diào)研分析[17-18]，其是響應(yīng)函數(shù)計(jì)算偏差的主要來源，因而在已建立的X、γ參考輻射場(chǎng)中對(duì)裸HPGe探測(cè)器的響應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)，通過蒙特卡羅程序模擬計(jì)算，調(diào)整HPGe探測(cè)器的死層分布，使計(jì)算和測(cè)量的響應(yīng)一致，從而確定死層的幾何分布；③ 通過精密幾何測(cè)量和材料成分分析，準(zhǔn)確獲得譜儀屏蔽準(zhǔn)直系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)，結(jié)合HPGe探測(cè)器的死層分布結(jié)果，建立整個(gè)譜儀系統(tǒng)的計(jì)算模型，通過蒙特卡羅程序計(jì)算得到譜儀的響應(yīng)函數(shù)；④ 在已建立的輻射加工級(jí)137Cs和60Co參考輻射場(chǎng)中，驗(yàn)證整個(gè)譜儀系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)的計(jì)算結(jié)果并予以適當(dāng)調(diào)整。

利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量與蒙特卡羅程序模擬計(jì)算相結(jié)合的方法，調(diào)整HPGe探測(cè)器中死層分布，HPGe探測(cè)效率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比示于圖6。由圖6可知，在能量小于3.5 MeV的低能區(qū)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量與模擬計(jì)算結(jié)果吻合較好，最大相對(duì)誤差為6.3%。根據(jù)低能區(qū)的結(jié)果可確定探測(cè)器的死層分布，但為獲取更精準(zhǔn)的計(jì)算模型，將在3.5～11 MeV的高能區(qū)進(jìn)一步對(duì)探測(cè)器進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖6 HPGe探測(cè)效率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison between experimental results and simulation results of HPGe detection efficiency

3 結(jié)論

譜儀為國內(nèi)首次針對(duì)BNCT治療束設(shè)計(jì)的光子能譜測(cè)量系統(tǒng)，通過模擬計(jì)算與理論分析相結(jié)合的方法選取了屏蔽材料的最佳組合，綜合考慮了各項(xiàng)參數(shù)，設(shè)計(jì)了適用于BNCT治療束特點(diǎn)的新型光子譜儀，以實(shí)現(xiàn)在治療束流強(qiáng)度下光子能譜的快速準(zhǔn)確測(cè)量，解決了BNCT治療束光子譜源項(xiàng)的實(shí)驗(yàn)確認(rèn)問題，為治療計(jì)劃的精準(zhǔn)制定提供了必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

為確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確與可靠，針對(duì)譜儀的關(guān)鍵參數(shù)——響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行了校準(zhǔn)方法研究，解決了主要影響量——探測(cè)器死層分布的確定問題，并在低能區(qū)(3.5 MeV以下)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果最大誤差為6.3%，可通過解譜方式獲取BNCT治療束的源項(xiàng)γ能譜。譜儀的性能參數(shù)是根據(jù)IHNI超熱中子治療束的源項(xiàng)分布、IAEA推薦BNCT治療束的中子及γ注量率計(jì)算得出，在實(shí)際測(cè)量過程中可能與設(shè)計(jì)的性能參數(shù)不同，但譜儀可對(duì)BNCT治療束進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。