固体微剂量探测器组织等效换算教学实验设计_余松科.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 2 期 2023 年 2 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.2 Feb.2023 收稿日期:2022-08-20 基金项目:教育部产学协同合作育人项目（202102046084）；成都大学 20212023 年人才培养质量和教学改革项目（cdjgb2022140，cdjgb2022141）；成都大学 CC 国家众创空间 2021 年度创新创业教育专项（ccyg202101005）作者简介:余松科（1990），男，四川成都，博士，助理研究员，主要从事微剂量学及微剂量探测器研究，。通信作者:唐琳（1988），女，四川成都，博士，副教授，主要从事核信号处理及相关教学工作，。引文格式:余松科，谢贞建，唐琳，等.固体微剂量探测器组织等效换算教学实验设计J.实验技术与管理,2023,40(2):170-174.Cite this article:YU S K,XIE Z J,TANG L,et al.The experiment design of solid-state microdosimeter tissue equivalence conversionJ.Experimental Technology and Management,2023,40(2):170-174.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.02.029 固体微剂量探测器组织等效换算教学实验设计 余松科1，谢贞建1，唐 琳2，廖先莉2 （1.成都大学 科技处，四川 成都 610106；2.成都大学 电子信息与电气工程学院，四川 成都 610106）摘 要：固体微剂量探测器是辐射生物效应评估中的前端探测装置，常采用硅或金刚石制成。但由于其材料与生物组织存在差异，需要对探测器测得的沉积能量谱进行组织等效换算，以便了解相同辐射环境下生物组织中的沉积能量分布。要完成固体微剂量探测器的组织等效换算，需对阻止本领理论、沉积能量分布、能谱等效换算等相关理论知识有一定的了解和掌握。该文将固体微剂量探测器组织等效换算纳入辐射物理实验教学，有助于学生掌握相关理论，构建知识体系，培养创新意识和创新能力。为使实验过程安全可靠，该教学实验主要通过 Geant4 蒙特卡洛模拟软件来完成。关键词：固体微剂量探测器；组织等效换算；实验教学；Geant4 中图分类号：O582；TL11 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)02-0170-05 The experiment design of solid-state microdosimeter tissue equivalence conversion YU Songke1,XIE Zhenjian1,TANG Lin2,LIAO Xianli2(1.Department of Science and Technology,Chengdu University,Chengdu,610106,China;2.School of Electronic Information and Electrical Engineering,Chengdu University,Chengdu,610106,China)Abstract:Solid-state microdosimeters are the front-end device for radiation biological effects evaluation,which is often made of silicon or diamond.However,since the material of silicon or diamond is not tissue equivalent,a conversion from the energy deposition spectra in these material to tissue is reqiured.To achieve this,knowledge about stopping power theory,energy deposition distribution,and spectrum scaling is required.In this work,the equivalent conversion of solid-state microdosimeter was introduced in radiation physics experimental teaching,which is not only conducive to students in relevant theories learning and knowledge system formation,but also to students creative consciousness and ability development by studying the discipline frontiers.In order to make the experimental process safe and reliable,the teaching experiment is mainly completed by the Geant4 simulation.Key words:solid-state microdosimeter;tissue equivalence conversion;experimental teaching;Geant4 带电粒子穿过生物组织时，会与组织原子的原子核或轨道电子发生库伦相互作用并损失部分能量，该能量沉积在生物组织内会造成生物分子电离或激发，破坏分子的化学结构，导致细胞失活或病变，严重时甚至造成细胞死亡。开展辐射生物效应评估有助于理解生物组织辐射损伤作用机理，这在辐射防护、放射治疗以及外太空探索等领域都具有十分重要的意义。由于直接测量微观体积内的能量沉积不可行，常采用微观体积的等效模型来研究生物组织内的沉积能量分布1。但由于探测器材料通常并不是组织等效的，需要将等效模型测得的能量分布按照一定的物理原理进行组织等效换算，这样才能得到该辐射环境下生物组 余松科，等：固体微剂量探测器组织等效换算教学实验设计 171 织中的辐射沉积能量分布。微剂量探测器主要有气体和固体两类，固体微剂量探测器能直接将灵敏体积制成生物组织大小，因而可以准确表征入射辐射与生物组织之间的相互作用，近年来引发了广泛关注2-4。常用的固体微剂量探测器主要有硅和金刚石两种。它们的材料特性与生物组织之间存在一定差异，在进行沉积能量测量后需以对应组织为参照进行等效换算。目前，固体微剂量探测器的组织等效换算方法主要有平均射程比3,5和线能比6-7两种。前者以入射辐射在探测器和生物组织中平均射程之比进行换算，后者则基于相同辐射环境中相同沉积能量分布下探测器与生物组织的线能比进行换算。Rosenfeld 认为，当质子能量从 0.1 MeV 增大到200 MeV 时，射程比会从 0.5 变化到 0.8，使用平均射程比会引入最高约 15%的系统误差3。线能比在重带电离子和质子场中的等效换算效果较好8，但探测器与生物组织中相同沉积能量分布的确定过程较为繁琐9。本文以最新研究成果为依托，尝试将相同条件下固体微剂量探测器与同等大小生物组织中沉积能量分布的等效换算应用于辐射物理实验教学，通过实验的开展帮助学生将辐射物理相关知识串接起来，使学生在加深理论知识理解的同时了解学科前沿应用，培养和提升创新思维和创新能力。1 实验方案 本实验的实验方案如图 1 所示。图 1 实验方案示意图 考虑到放射样品会有安全隐患，本实验采用Geant4 蒙特卡洛仿真模拟软件来完成实验。鉴于水通常被认为是生物组织良好的近似材料9，实验选用水作为固体微剂量探测器组织等效换算的组织参照物。如图 1 所示，固体微剂量探测器的组织等效换算是在质子场中进行的，30 MeV 的单能质子源在距离探测器表面 5 cm 处垂直入射。探测器采用边长为 d 的立方体，其填充材料依次设置为硅、金刚石和水体，以此获得相同大小微剂量探测器与水体中的沉积能量分布。Kellerer 指出，尽管入射粒子在介质中的平均损失能量与平均沉积能量相同，但由于 射线的存在，沉积能量分布与能量损失歧离并不相同，需要对能量损失歧离进行修正才能得到准确的沉积能量谱10。鉴于修正过程较为复杂，我们用能量损失歧离来近似描述入射粒子在介质中的沉积能量分布。当质子穿过的介质较厚时，歧离函数图像服从高斯分布11。考虑到高斯分布分析简单、计算方便，利于学生学习和掌握，本实验以沉积能量分布服从高斯函数为例，完成固体微剂量探测器的组织等效换算。国际辐射单位和测量委员会（ICRU）在 49 号报告中给出了歧离函数服从正态分布的条件11：max1T=（1）式中，Tmax表示质子与介质原子的电子单次相互作用中的最大损失能量。222emax22exp()1m cT=-（2）其中，me表示电子静止质量，c为真空光速，为质子入射速度与光速的比值。比例系数为：222ee22r m c z NZx=（3）其中，re是经典电子半径，z为质子的电荷量，N为单位体积内介质的原子数目，Z为介质的原子序数，x为介质的厚度。忽略质子在空气中的能量损失，根据上述条件可求出在30 MeV质子入射下，水体中沉积能量分布服从高斯函数时，水体膜最小厚度约为474.76 m。为确保质子在所选用介质中的沉积能量分布服从高斯分布，实验将探测器和水体的厚度设为500 m，即d=500 m。当沉积能量谱服从高斯分布时，歧离函数通常表示为12 21()()exp22ENxSFENxWNxW-=-|（4）式中，S为阻止截面，NxS表示平均能量损失，W为歧离参数，NxW为歧离函数方差。将阻止截面和歧离参数分别定义为12 d()STT=（5）2d()WTT=（6）式中，T和d(T)分别表示能量损失和该能量损失的微分截面。根据碰撞理论，质子与介质相互作用的微分截面为13 222220edd()24ezTTm v T=|（7）式7中，e表示电子电荷量，v表示入射质子的速度，172 实 验 技 术 与 管 理 0表示真空介电常数。由此，得出阻止截面和歧离参数分别为 222max20mine4ln4TezSTm v=|（8）222maxmin20e2()4ezWTTm v=-|（9）需要说明的是，重带电粒子与介质的相互作用包括硬碰撞和软碰撞两种，且两种碰撞的截面相当13。因此，在阻止截面计算时需乘以系数2（见式（8）。由式（8）和式（9），求得歧离函数的平均损失能量与方差的换算关系：222emean22222e22exp()(1)22 ln(1)m cEINxWm cI-|-|=-|-|（10）式中，Emean=NxS为平均能量损失，I为平均电离/激发能。图2给出了本实验方案下Geant4模拟与上述理论计算的对比结果。由图可知，在该实验方案下，质子在固体微剂量探测器和水中的沉积能量分布是服从高斯分布的，且仿真模拟结果与理论计算结果有较好的吻合度。图 2 Geant4 模拟结果与理论计算结果对比 2 实验原理与方法 2.1 组织等效换算方法 设F(E,x)是质子穿过介质层x的沉积能量分布，F(E,y)为质子穿过介质层y的沉积能量分布。假设两个介质层的材料相同且紧邻排列，质子穿过x层的沉积能量为E，穿过y层的沉积能量为EE，如 图3所示。由于能量沉积事件的统计独立性，质子在x+y层中的沉积能量分布可由质子在x层和y层中沉积能量分布的乘积确定12：0(,)(,)(,)d()EFE xyFE x FEE yE+=-（11）这就是统计物理中的查普曼-柯尔莫戈洛夫（Chapman-Kolmogorov）方