发布日期：2021-05-12　浏览次数：10

医疗技术在飞速发展的同时也要尽量避免其带来的负影响，光中子作为医用加速器产生的高能射线中不需要的粒子逐步得到重视和研究。但是与此相关的辐射防护措施并没有得到及时地处理。由于医用加速器设计不同(主要是机头内部)，性能也有很大差别，因此光中子的通量、能谱和剂量也有不同的分布规律。

基于参与复杂相互作用的粒子特点，可通过蒙特卡罗模拟和实验测量两个途径来研究医用加速器产生的光中子通量和能谱等物理量，从而对治疗室中子剂量率进行监测，了解高能射线出束时治疗室内外中子辐射水平，为中子辐射防护提供依据。

01放射治疗中光中子测量手段

采用蒙特卡罗模拟和探测器直接测量中子剂量各有优势。只要建立了直线加速器机头构造的模型，蒙特卡罗程序就能够模拟所有粒子在不同位置的运动学参数。但是对于加速器机头多叶光栅运动过程中的粒子通量和能量变化目前无法计算，仍只能通过实验仪器来监测，且由于蒙特卡洛模拟过程本身的随机性，模拟结果可能存在误差，需要通过较为准确的测量值进行评估矫正。

随着中子探测器的发展，现有的探测器技术成熟，响应快，测量准确。采用探测器直接测量，可获得相对精确的实时测量值，但探测器无法追踪中子的运动轨迹，只能测量固定位置的中子物理参数。所以，蒙特卡罗模拟与实验测量是技术上互补，数据结果上互相验证的两个重要工具。

中子的探测过程一般分为两步：

第一，由中子与穿过的介质相互作用产生带电粒子；

第二，用某种探测器记录带电粒子。

带电粒子的探测器品种繁多，所以中子探测器有多种类型，本篇我们主要介绍一些常用于放射治疗室中子的探测器。

02BF3（三氟化硼）正比计数器

BF3计数器是最通用的中子测量用探测器，它的基本结构和测量γ射线常用的盖格米勒计数管基本一致，工作电压在2000 V 左右。比例计数带的的偏压大到可以让电离出来的初级离子产生次级电离。探测器收集到的电荷可能被扩大了一万倍。

计数管内充 BF3 气体，其中10B 浓缩到95%以上。BF3 是一种无色、刺激性气味、且有腐蚀作用的有毒气体，这也是为什么三氟化硼中子探测器外表面通常需要做好密封防潮，且在不使用时必须安全妥善储存的原因。

热中子与计数管内的硼具有较高的反应截面，硼捕捉中子并与中子作用放出的α粒子使气体产生电离，在计数管内产生离子对，再经气体放大输出电信号。表示为 10B(n,α)7Li ，10B+ n → 7Li+ α+ 2790 keV 。

由于正比计数管记录 α 与 7Li 核的效率可认为达到100%，所以 BF3 计数管探测中子的效率主要就是发生10B(n,α)7Li 反应的中子数与入射中子数之比。对于慢中子，10B 的反应截面按 1/v 律变化，即中子能量越大，发生上述反应的几率越小，探测效率越低。所以对放射治疗过程中产生的中子（绝大部分能量较低，属于热中子），该型探测器具有非常高的探测效率，但其工作环境的γ射线强度一般要在1 Sv/h 以下。

2.1 AB Rem-meter

BF3计数器的一个代表性产品为Anderson-Braun (AB)  Rem-meter

Rem-meter的响应与所有中子能量的吸收剂量和中子品质因子成正比。因此，从Rem-meter读取的数据直接以rem（或Sv）为单位，而不是以rad（或Gy）为单位。

033He正比计数器

3He 正比计数器是另一种常见的中子测量用气体探测器，以3He气体为工作介质，基于 3He(n, p)T 反应，即3He + n →3H（T，氚核）+ 1H（p，质子） + 765 keV，反应能为 0.765 MeV。

对于热中子，该反应也具有非常大的反应截面，与 10B(n,α)7Li 反应类似，反应截面与速度成反比，即遵从 1/v 律。这个反应的产物是氚核与质子，质子与氚核向相反的方向发射，使工作气体电离，产生大量可被收集的电子——离子对，之后的信号产生过程与BF3计数管一致。

3He 的密度和厚度直接决定了对中子的探测效率，也使 3He 正比计数器具有探测效率高、性能稳定、无毒无害的优点。

3.1 WENDI

3He 正比计数器的一个代表产品为 WENDI（Wide Energy Neutron Detection Instrument， 宽能中子探测器）。它是美国Los Alamos国家实验室和 San Jose 大学等研发的能量范围从热中子到 5 GeV 的宽能中子探测器，使用了大体积的 3He 管, 具有高灵敏度以及很强的γ抑制能力，即使对于高达1 Sv/h 水平的 γ 剂量率仍无需考虑串扰的影响。对于加速器的中子场有着更精确的等效剂量响应，对于环境水平的中子场具有实时测量能力。

图为WENDI

3.2 球型中子仪

3He正比计数器另一个产品为YT-0611N球型中子剂量当量率仪，由主机与聚乙烯慢化球壳组成。球壳的外径通常为 5-40 cm，取决于中子的最大能量，直径越大则所测的中子能量越高，最内层球壳的内径通常为 2 cm 左右，所以在球壳中心必须放置体积较小的热中子探测器。根据嵌套的球层数量不同和中心的探测器件不同，所测中子能量范围也有所区别，所以其涵盖的中子能量范围可以非常广（从热中子到 GeV的中子），且操作简单，受到大多数实验室的使用。

图为YT-0611N球型中子剂量当量率仪

04气泡探测器（Bubble Detector，BND）

气泡探测器是一种灵敏、准确的中子剂量计。气泡探测器响应与剂量率和能量无关、有非常好的各向同性的角响应，极为难得的是对伽马辐射的灵敏度为零。

在检测器内部，过热液体的细小液滴分散在整个透明聚合物中。当中子撞击液滴时，液滴立即蒸发，形成可见的气泡被困在凝胶中，在中子经过的路上所产生的一系列气泡就构成了径迹，液滴的数量提供了组织等效中子剂量的直接测量结果。该探测器具有极高的中子灵敏度，而且适用的中子能量范围可达 100 eV～10 MeV。

一些气泡探测器只有拇指大小，可以将它们夹在外套上或置于衬衫的口袋中、放置在难以接近的区域，或者在中子源附近使用以进行快速评估。气泡探测器被认为是唯一能满足国际放射防护委员会 ICRP 60 要求的个人中子剂量计。

05固体核径迹探测器

固体径迹探测器 (Solid State Nuclear Track Detectors, SSNTDs) 是一种能够探测带电粒子、γ射线和中子的比较成熟的探测器。以最简单的固体核径迹探测器为例，主体是一片透明的固体，如云母、玻璃或塑料，经过粒子照射之后，经化学药剂（如NaOH）浸蚀后，在固体表面层就显出粒子的径迹，用显微镜即可观测。

商业用的中子径迹探测器使用聚苯乙烯做转换器，将快速中子产生的反冲质子，和(或) 使用硼酸化转换器从中子捕获产生的α粒子的径迹固化。

其优点包括: 相对便宜的价格；均匀性和光学特性好；对电离辐射非常敏感，探测能量范围广；灵敏度对环境条件比较稳定；体积小而且不需要供电；可以长期存档保存等。

图为CR-39固体径迹探测器

06TLD（热释光）探测器

热释光剂量仪和热释光片是利用热致发光原理记录累积辐射剂量的一种器件。热释光剂量仪将接收照射的热释光片加热，并用光电倍增管测量热释光输出，即可读出辐射剂量值。

热释光片的主体部分为磷光体，最常用的材料是LiF（氟化锂），当热释光片在辐射场中受到射线的辐照后，磷光体被照射过后产生自由电子和空穴，后电子和空穴又被俘获，而把这些晶体加热后，被俘获的电子获得足够的能量逃逸出来与空穴结合，同时多余的能量以光辐射的形式释放出来射线的能量被储存在这些空穴中，当在专门的热释光剂量仪上测量时，经对热释光片加热，储存在空穴中的射线能量便以光的形式释放出来，该光的强度与接受的能量成正比，热释光由此而得名。

TLD在中子检测上利用人体为快中子的减速器，一些中子弹到人体再被弹回到TLD上。再与 TLD-600 ( 6LiF(Mg, Ti) ) 中的 6Li 通过（n，α）反应，产生的α粒子和氚核将其动能沉积在 TLD 中。TLD-600 部件也会吸收伽玛的能量沉积。

为了只获得中子的剂量，TLD 通常还包括中子不敏感部件，旨在测量伴随中子的伽马剂量，例如 7LiF（Mg，Ti），通常称为 TLD-700。该磷光体对热中子非常不敏感，如果将其与相似的几何形状和质量的 6LiF（Mg，Ti）部件配对，则中子响应为：

中子的沉淀剂量 = 总沉淀剂量 (6Li部件) – 伽玛剂量 (7Li部件)

热释光探测器具有很多优点，灵敏度高、量程宽，可测X、γ、α、β，n和 p 等射线，体积较小，可制成各种形状的胶片佩章，以供个人剂量监测使用，即使搁置很长时间后，其读数衰减很少，在核医学、辐射防护领域中是一种有效的工具 。

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