双电离室法用于BNCT中的光子、热中子和超热中子的响应研究

硼中子俘获疗法(BNCT)是一种两步法技术:硼化合物在肿瘤中积累,然后用定制的热或超热中子束直接照射含硼肿瘤.从这个意义上说,准确、一致和可靠的剂量测定程序非常重要.由于中子-伽马射混合射束的复杂性,在BNCT应用中很难像传统放射治疗一样,精确地提供患者治疗的剂量.到目前为止,已使用了不同类型的探测器:电离室、TLD、凝胶剂量计、半导体探测器和金丝活化法.由于在这种混合场中存在不同的辐射,剂量测定过程包括使用三个或更多个这样的探测器,以便分别测量每个剂量分量.在所有提到的技术中,将测量的量转换为组织中吸收的剂量并不简单.问题的复杂性是众所周知的,因此需要标准剂量测定程序来为BNCT提供更佳的精度和准确性.2003年,根据欧洲主要BNCT团体中不同合作伙伴的工作,制定了一份关于BNCT剂量测定的建议指南(Voorbraak和Järvinen, 2003年).该报告指出双电离室技术(PICT)作为测量伽玛射线和中子剂量在模体内分布的推荐方法.这也许是BNCT射束剂量测定的少数几种可能技术中最好的一种.它的重要性早已得到认可,并在麻省理工学院BNCT小组的剂量测定交换计划中得到高度重视(Riley等,2002).在PICT技术中,其中一个电离室对中子敏感,另一个对中子相对不敏感,因此中子和伽马吸收剂量是分别确定的.这似乎是一种简单的方法,但它并不简单,有时统计波动会产生物理上不符合实际的结果.主要困难在于,两个电离室或多或少都对束中所有能量的光子和中子做出响应,而其中一个电离室应该仅对光子敏感,而另一个电离室则对光子和快中子敏感.为了保持这些探测器对射束中指定辐射的"纯粹"响应,建议探测器信号的超热中子和热中子响应分量应分开处理.这需要在高强度热中子场中校准探测器,但欧洲只有少数探测器可用.热校准的方法已经被研究过(Raaijmakers等,1996;Baugh,2003),但尚未明确建立,热中子设备本身的校准方法也需要统一.

从这个意义上说,为了比较和改进双电离室方法,本文提出了一项相互比较研究:在临床光子束中进行光子校准后,两对相同的电离室应用于佩滕超热中子和热中子设备中.本研究的目的是评估两对TE(TE)和Mg(Ar)电离室在相似实验条件下对光子、热中子和超热中子的响应.这是建立中子剂量测定通用标准方法的第一步,是比较BNCT临床试验结果的基本要求之一.

使用了两对相同的Exradin电离室:填充纯度99.999%氩气(Mg(Ar),M2型)的镁电离室和填充3.2%氮气组织等效气体的组织等效电离室.按分压计算,二氧化碳含量为32.4%,甲烷含量为64.4%(TE(TE),T2型).所有电离室的灵敏体积均为0.53cm³,壁厚为1mm.通过电离室的气流由流量计控制10ml/min的流速.在测量开始之前,将电离室充气至少1小时.使用两台2670A型Farmer剂量仪测量60秒内的累积电荷.ICs的工作电压为-250V(佩滕电离室)或+300V(伯明翰电离室).已对温度、压力和漏电流进行了校正.

测量是在伯明翰伊丽莎白女王大学医院使用医科达精密直线加速器在6MV和10MV临床光子束中进行的.将电离室放置在尺寸为40cmx40cmx20cm(宽x高x长)的PMMA框架水箱中.PMMA壁厚为1.2cm深度为2.5cm和5cm,入口窗口直径为24cm,厚度为0.5cm,在每组测量之前和之后均采用检查源来检测电离室性能可能发生的变化.用每个电离室在水箱2.5cm和5cm深度处的平均响应,以及相应的剂量,计算光子校准因子对水的剂量.

测量是在荷兰佩滕低通量反应堆(LFR)的纯热中子场中进行的.该场具有较大的热中子注量和较低的伽马剂量率污染,小于1Gy/h(Vroegin-deweij,1997).对于30kW的反应堆功率,通过箔测量确定,在电离室辐照位置处的自由空气中的热中子通量为7,162x10cm^-2s^-1.探测器被放置在视野中心的自由空气中,光束轴垂直于电离室轴.每个电离室分别在裸露状态下和有6mm锂帽(见图1)的状态下照射.假设热中子通量被锂帽减小到零,并且忽略帽中产生的任何伽马射线.每次电离的热中子响应,电离室的读数由裸露时获得的电离室读数与使用锂帽时获得的读数之间的差异确定.两个电离室的使用电压均为-250V.尽管如此,对伯明翰电离室进行了+300V测试,发现平均读数差异不到1%.

图1. 在佩滕LFR热中子束中心的裸电离室(左)和带Li-6帽的电离室(右)

测量是在荷兰佩滕的高通量反应堆(HFR)中使用临床超热中子束进行的.裸露的电离室在15cmx15cmx15cm PMMA水箱中沿中心束轴在2.5cm深度进行照射.水箱到光束出口的距离为30cm.与LFR测量一样,所有电离室均使用-250V电压.伯明翰电离室检查了使用+300V电压时可能存在的极性效应.

光子校准测量的结果列于表1.光子校准因子(在水中的剂量)以佩滕每种类型的电离室与伯明翰相应电离室(佩滕/伯明翰)之间的比率表示.光子校准因子比率显示,与伯明翰的相比,佩滕的M2和T2腔室的光子灵敏度略高.尽管如此,每个电离室在光子灵敏度方面都表现出非常好的时间稳定性.伯明翰电离室的光子灵敏度与之前在相同临床光子束中获得的结果一致,误差在1.1%以内.佩滕电离室的光子灵敏度与之前在60Co伽马射线场中获得的结果一致在3%以内.

表2列出了热中子束设备(LFR)和BNCT超热中子设备(HFR)中Mg(Ar)电离室测得的比率.LFR中M2室的响应表示为热中子敏感性(计算如上所示),而在HFR中则表示为电离室对来自混合束的光子和中子的响应.目前尚未研究锂帽中可能的氢含量,它的存在将在热中子场中产生伽马,需要在未来的研究中加以考虑.对于目前的比较来说,同样的电离室具有相同的实验条件是很重要的.

两个Mg(Ar)电离室对热中子具有相同的灵敏度,并且当暴露于混合束中的光子和中子时,反应相同.原始数据的比率显示两个M2型电离室之间的变异性小于2%.