基于新型空气等效材料的治疗水平电离室研究
摘 要：针对目前使用的治疗水平电离室石墨帽有效原子序数偏低，且易碎等问题，研究以空气电子密度、等效原子序数、反应截面为基础，模拟计算出空气等效材料的有效原子权重及质量配比。采用高纯石墨烯粉末作为基材，添加纯度为99.9%的偏氟材料，高温融化搅拌高压压制成空气等效板材，该材料导电率为0.03 S/cm，质量密度为1.8 g/cm3。以该空气等效板材为基础，设计加工一种新型的0.6 cm3治疗水平电离室，并采用不同材质的收集极做能响实验，确定收集极的材质。通过实验证明，该电离室漏电（零点漂移）为0.15%，测量重复性为0.07%，示值非线性为0.27%， X能量响应为1.63%， X/γ能量响应为-0.48%，杆旋转为0.46%，满足JJG 912——2010《治疗水平电离室剂量计》对电离室的要求。
关键词：石墨烯；空气等效；电离室；能量响应
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2017）08-0066-05
Abstract： The current the graphite cap of ionization chamber used in radiotherapy has low effective atomic number and is fragile. The effective atomic weight and mass ratio of air equivalent materials were simulated and calculated based on air electron density， equivalent atomic number and reaction cross section. High purity graphene powder was used as base materials and partial fluorine material with purity being 99.9% was added to manufacture air equivalent sheets via high temperature melting and stirring under high pressure conditions. Its conductivity is 0.03 S/cm and mass density is 1.8 g/cm3. A new type of 0.6 cm3 ionization chamber for radiotherapy made on the base material of air equivalent sheets was designed and processed and collectors made of different materials were used to carry out energy response， so as to determine the material of collectors. The test shows that the ionization chamber power leakage（zero drift） is 0.15%， the measurement repeatability is 0.07%， the indication nonlinearity is 0.27%， the X energy response is 1.63%， the X/γ energy response is -0.48% and the rod rotation is 0.46%， meeting the requirements of Ionization Chamber Dosimeters Used In Radiotherapy（JJG 912——2010） on ionization chamber.
Keywords： graphene； air-equivalent； ionization chamber； energy response
0 引 言
目前，放射治療是治疗恶性肿瘤的重要手段之一[1]，主要是采用直线加速器或者钴机产生的高能光子（X、γ）和高能电子来治疗恶性肿瘤。国际辐射单位和测量委员会ICRU第24号报告提出：原发肿瘤根治剂量的不确定度应低于±5%[2]。因此剂量的精准是进行放射治疗最基本的要素；绝对剂量测量是对病人进行放射治疗的重要依据，是设计治疗计划的基础。绝对剂量测量通常采用电离室探测器，结合静电计和水模完成。
电离室是最早的电离辐射探测器[3]之一，100多年来一直被广泛使用。目前在临床广泛使用的指形电离室，是由英国物理学家Farmer最初设计，后由Aird和Farmer改进的所谓Farmer型指形电离室，它能为放疗范围内的所有能量提供稳定而可靠的次级标准。国际上有名的治疗水平电离室生产厂家有美国的CAPINTEC，美国Standard Imaging公司，英国的NE公司、德国的PTW公司等。而常见的治疗水平电离室都采用石墨作室壁材料，它的有效原子序数Z=6.0，小于空气平均等效原子序数（x=7.67）[4]，这种室壁材料在空气气腔中产生的电离电荷会略少于自由空气电离室。由于石墨电离室容易损坏，因此本文通过计算空气等效材料的原子配比及质量配比，以高纯石墨烯为基材，制造出空气等效板材，并控制加工工艺，设计加工了一种0.6 cm3治疗水平电离室，并且按照JJG 912——2010《治疗水平电离室剂量计》对电离室的要求进行了性能测试。
1 测量设计原理
电离室主要测量光子和电子在空气或其他介质中所授予的辐射剂量，其测量原理是：当电离室受到射线照射时，在电离室壁中产生的次级电子进入电离室空腔内，使电离室内的气体电离，产生由一个电子和一个正离子组成的离子对[5]，这些离子向周围区域自由扩散。而在构成电离室的收集极和高压极上施加直流高压，则带电粒子就会在电场的作用下被收集极收集，其工作原理见图1。
依据布拉格-格雷空腔理论，电离室吸收的电离辐射的能量Em与气腔中所产生的电离量Ja应有如下关系：
式（2）则表示气腔中产生的电离电荷量只和介质中实际吸收的能量有关。对于中低能X（γ）射线测量时，只要电离室壁材料和空气等效，则对空腔的大小没有特别限制，但是对于高能电离辐射，则空腔要足够小，要小于次级电子的最大射程。
2 空气等效材料的研制
最理想的电离室是自由空气电离室，由于自由空气电离室体积较大，只能用于实验室作为基准电离室，不适于现场使用。指形电离室则采用自由空气电离室的原理设计，具有体积小，现场使用方便等特点。为了使指形电离室与自由空气电离室具有相同的效应，指形电离室的室壁应与空气等效，即在指形电离室室壁产生的次级电子数和能谱与空气中产生的相当[6]。空气的有效原子序数为7.67，标准大气压下空气密度为1.29 g/cm3，因此模拟计算出空气的有效原子权重及其质量分数见表1。
石墨烯粉末平均层数为5～6层，平均厚度小于3 nm，片层尺寸为5～10 μm，比表面积是40～60 m2/g，灰分小于3%。
按照原子序数比，本文采用高导电石墨烯粉末作为基材，添加含氫氧氟材料、硅材料进行加工制作出空气等效材料。将含氢氧和硅的偏氟材料（纯度为99.9%），进行高精度粉碎，然后添加石墨烯粉末，搅拌均匀，加温至160°后高压压制成板材，板材质量密度为1.8 g/cm3，导电率为0.03 S/cm。
3 电离室结构设计及加工
电离室对周围介质的扰动会影响测量结果，因此，用于放射治疗的电离室体积通常小于1 cm3 [7]。本文设计的电离室和Farmer电离室结构类似，有效灵敏体积为0.6 cm3，结构如图2所示。图中1为高压极，由空气等效材料制作；2为收集极；3为保护极，采用铍青铜镀金，减弱灵敏体积边缘电场的畸变，减少漏电流；4、5为绝缘子，采用高绝缘的聚三氟氯乙烯材料制作。
采用自行研发的空气等效材料制作治疗级电离室的收集电极和电离室外电极，确保电离室的坚固性、耐用性；增加保护极，减少漏电损失，并改善灵敏体积边缘处电场均匀性。
采用同轴通孔构件，并增加固定帽缘，使装配简单、接触良好、空气间隙少，外部接缝处均采用环氧树脂粘接，确保防水性能良好。
收集极的直径为1 mm，在灵敏体积中的长度为21.7 mm；高压极壁厚为0.5 mm，内径为6.0 mm，与大气相通，有效体积为0.6 cm3。
在加工过程中，对于电离室帽内壁和收集极进行研磨，去除加工毛刺，减少漏电流。
4 性能实验
依据国家计量检定规程JJG 912——2010《治疗水平电离室剂量计》中的要求，对所研制的电离室进行了漏电（零点漂移）、重复性、示值非线性、X能量响应、X/γ能量响应、电离室旋转影响等试验，所有实验均连接9606B型剂量仪进行。加工成型的电离室配合厚度为4.4 mm的有机玻璃平衡帽，实物图如图3所示。
4.1 漏电（零点漂移）
将电离室连接主机，并放置在距离X辐射源1 m处的位置，使剂量仪处于测量状态，待X辐射源出束，剂量仪读数为0.065 4 Gy后，停止出束，等待5 min后，读数为0.065 2 Gy，计算其零点漂移为0.15%。
4.2 测量重复性
将电离室插入90Sr稳定性监督源中，每次测量1 min，重复测量10次，根据贝塞尔公式计算其相对标准偏差，公式如下：
电离室的重复性测量数据及计算结果见表2。
4.3 示值非线性
同样利用4.2中的稳定性监督源，测量时间分别为10，30，60，100，300，600，900 s，设置100 s的测量数据为参考测量点，用以下公式计算每个点与参考点的测量误差Vi值：
式中：Ri——第i个测量点的仪器读数；
ti——达到读数Ri所用的时间；
tr——达到参考测量读数所用的时间；
Rr——参考点的仪器读数。
其中最大的非线性度为0.27%，而剂量的非线性主要来源于所连接的静电计。
4.4 X能量响应
根据JJG 912——2010中对治疗水平电离室的要求，在X（60～250 kV）、γ（60Co）能量范围内，能量响应不应大于±4%[8]。
X能量响应实验采用中能X射线照射量国家副基准，该副基准由自由空气电离室、电离电流测量装置和中能X射线发生器组成。其主要技术指标如下：
1）能量范围为：60～250 kV；
2）空气比释动能范围：8.76×10-3～8.76 Gy；
3）半值层的范围：0.05 mmCu～3.0 mmCu；
4）定位系统精度：<0.1 mm；
5）年稳定性：±0.1%；
6）合成不确定度：Uc=0.4%（k=3）。
副基准的辐射质及过滤条件如表4所示。
常规的收集极材料一般为纯度为99.99%的纯铝，直径为1 mm。因此本文比较了纯铝收集极和空气等效材料收集极的测试能量响应。
在中能X射线5种辐射质下分别测量计算出每个能量下的响应因子，以参考辐射质（180 kV）的响应因子比较计算出能量响应。
采用本文设计的空气等效电离室帽，在测量时，更换相同长度的纯铝收集极、纯铝涂覆0.01 mm厚石墨收集极、空气等效材料收集极，分别得到以下实验数据，见表5～表7。
通常来说，收集极材料需采用与室壁相同的材料或者纯铝制成[9]。室壁材料用纯石墨制成的电离室其中心收集极采用纯铝材料，这是因为采用有效原子序数略大的材料制成中心收集极，则可部分补偿室壁材料的不完全空气等效。但是由表5～表7中实验数据可以看出，针对同一个空气等效材料室壁，采用纯铝收集极X能响高达25.05%，纯铝收集极涂覆石墨能响有所改善，为9.77%；而采用和室壁同种材料的收集极能响为1.63%，能响最佳。同时也表明本文研制的空气等效材料是与空气等效的，不需要由中心收集极来进行室壁材料补偿。
4.5 X/γ能量响应
比较本文的空气等效电离室与PTW的0.6cc标准电离室（型号为TW30013，编号009172）的能响。将两只电离室放置在辐射场均匀区，距离为1 m，以溯源到国家基准的PTW0.6cc标准电离室测量结果作为标准值，算出校准因子并将其归一到参考能量（180 kV）上得到X/γ能量响应，测量数据见表8。由表中数据可以看出，研制的空气等效电离室X/γ能量响应为-0.48%，远小于规程中的±4%的要求。
4.6 电离室的杆旋转
将电离室放置在距中能X辐射源1 m处，将正对着源的方向作为参考方向[10]，记为0°，将电离室围绕中心轴旋转90°，180°，270°。X辐射源输出管电压为180 kV，管电流为8.4 mA，分别得到不同角度对应的数据见表9。计算杆旋转响应误差最大为0.46%。
4.7 实验结果
通过以上实验，得到研制的空气等效电离室的技术指标如表10所示，该技术指标完全符合JJG 912
——2010规程中对电离室的要求。
5 结束语
本文基于高纯石墨烯粉末的空气等效材料，严格控制加工工艺，制作出治疗水平空气等效电离室。对初级辐射与空气具有近似相同的吸收系数、并对次级电子具有相当的原子阻止本领，依据JJG 912——2010《治疗水平电离室剂量计》，对电离室进行了测试，均符合规程中标准电离室的要求，漏电小、测量重复性高、非线性好、能量响应好、耐用，适合临床放射治疗剂量的测量，可大量推广至全国各医院及计量部门。
参考文献
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[10] 治疗水平电离室剂量计：JJG 912-2010[S]. 北京：中国质检出版社，2010.
（编辑：莫婕）
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