2026, Vol. 46
2. 鹏博(海南)硼中子医院，琼海 571430;
3. 中国辐射防护研究院，太原 030006
2. Panboron (Hainan) BNCT Hospital, Qionghai 571430, China;
3. China Institute for Radiation Protection, Taiyuan 030006, China
硼中子俘获治疗(Boron neutron capture therapy，BNCT)是一种结合含硼药物与中子照射的二元靶向放射治疗技术，其疗效与副作用高度依赖于治疗位置的中子注量与能谱[1-4]。因此，对BNCT产生的中子场进行精确测量和质量控制至关重要。
2025年国内发布了BNCT设备质量控制检测相关的规范与标准[5-6]，其中应用的金活化法也是国际公认的测量热中子与超热中子注量的标准方法之一[7-8]，原理是利用197Au(n, γ)198Au反应，生成放射性核素198Au，通过测量198Au的特征γ射线(411.8 keV)，可反推中子注量特性[9-10]。
目前，国内外常用高纯锗γ能谱仪开展特征γ射线的测量，且对于同轴高纯锗探测器，在中等能量区域效率曲线变化相对平缓，能量相差<1 keV的两条γ射线，其探测效率的差异主要源于探测器响应函数的微小变化，而在几何、吸收条件相同时，该差异通常很小，在多数应用中可以忽略或通过一个理论修正因子进行校正[11-12]。基于此，本研究通过高纯锗γ能谱仪，对152Eu点源进行有源效率刻度，并用仪器内置的无源效率刻度软件(laboratory sourceless calibration software, LabSOCS)[13-14]分别对152Eu和198Au点源进行无源效率刻度，将效率值进行对比和验证。考虑到实际应用中198Au点源半衰期较短，为2.69 d，且成本较为昂贵，提出使用152Eu在411.1 keV处的效率值替代198Au在411.8 keV处的效率值，以计算经中子辐照后198Au的单核反应率，从而为BNCT中子注量特性的快速、准确分析提供关键技术参考。
材料与方法1.中子照射装置：本研究使用的BNCT中子照射装置由日本住友重机械工业株式会社生产，型号为BNCTS-2-3，最大准直器：ϕ150 mm、质子束能量30 MeV、峰值质子束流强1 000 μA、水模体中最大热中子注量率为1.4×109 n·cm-2·s-1。
2.测量仪器：本研究使用的固定式超低本底高纯锗γ能谱仪由美国CANBERRA公司生产，型号为GSW200，该谱仪相对于3"×3"NaI(Tl)晶体的探测效率为54.6%，对60Co发射的1 332 keVγ射线的能量分辨力为1.68 keV，屏蔽体为15 cm壁厚圆柱型复合屏蔽铅室，制冷方式为液氮制冷，配置LabSOCS无源效率刻度软件。该仪器经中国计量科学研究院检定合格，且在有效期内，测量前完成能量刻度和效率刻度。
3.标准样品：此次实验所用的标准源为中国计量科学研究院生产的152Eu点源，参考时间为2022年9月18日12点，参考活度为8 295 Bq，扩展不确定度为3%。
4.水体模与金丝：本研究使用的两个水体模尺寸分别为20 cm×20 cm×20 cm，璧厚2 mm；30 cm × 30 cm × 30 cm，璧厚5 mm。
使用的金丝为高纯度(99.99%)的细圆柱形金丝，两种规格，直径和长度分别为0.25 mm、10 cm和0.5 mm、20 cm。
5.测量方法
(1) 有源效率计算：对于本研究所用GSW200谱仪，为降低级联符合相加效应和样品几何形状、性状的影响[15]，测量时将152Eu标准点源置于铅室内距离探测器平面高度12.5 cm处，采用配套GENIE 2000软件进行数据获取和分析，为降低统计误差，应保证在411.1 keV γ能量峰处的净峰面积＞20 000[15]。
(2) 无源效率计算：无源效率刻度是基于10多种点源在不同位置的测量效率，并利用计算机软件模拟γ射线与探测器及周围物质的相互作用过程，可计算出不同形状不同位置样品的探测效率[16]。根据本研究标准源的材料、源距离探头表面的位置和出厂的表征曲线，使用谱仪配置的LabSOCS无源效率刻度软件进行无源效率模拟计算，得到152Eu点源在411.1 keV和198Au点源在411.8 keVγ能量峰处的全能峰探测效率值，且已进行级联符合相加效应修正[17]。
(3) 深度中子注量特性：在水体模中使用金活化法测量深度中子注量特性[5-6]。将金丝嵌入质量控制检测用的定制水模体内部并保持固定，沿束流轴线放置，金丝前端紧贴水体模内壁，具体见图 1A。选择治疗设备参考准直器(ϕ120 mm，外凸100 mm)，照射时输送质子电荷量为1.2 C。辐照结束后，将金丝切割为小段，考虑较深位置处的中子注量较低，故前8段每段长5 mm，后6段每段长10 mm，共计14段，并使用高纯锗γ能谱仪在距离探测器表面12.5 cm高度处进行测量，考虑测量距离大于10倍金丝长度，故将金丝近似为点源。根据以下式(1)计算每段金丝单核反应率，以最大反应率值为100%，得到沿束轴线方向上随深度变化的相对反应率曲线[5]。
| $R R=\frac{\lambda C M f_{\mathrm{s}} f_{\mathrm{c}}}{\varepsilon I_\gamma m P i_{\mathrm{e}} N_{\mathrm{A}} f_{\mathrm{g}}\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda t_0}\right)\left(\mathrm{e}^{-\lambda t_1}-\mathrm{e}^{-\lambda t_2}\right)}$ | (1) |
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注：右侧图为左侧的局部放大 图 1 金丝辐照示意图 A.深度中子注量特性；B.照射野中子注量对称性 Figure 1 Schematic diagrams showing gold wire irradiation A. Depth-varying neutron fluence characteristics; B. Neutron fluence symmetry in the irradiation field |
式中，RR为活化金丝单核反应率，s-1；λ为衰变常数，s-1；C为特征γ射线的峰计数；M为活化金丝的摩尔质量，g/mol；ε为高纯锗γ能谱仪对特征γ射线的探测效率，无量纲；m为活化金丝重量，g；Iγ为特征γ射线的发射概率；P为活化金丝或其化合物中靶元素的纯度，无量纲；ie为活化金丝或其化合物中靶元素的同位素丰度，无量纲；NA为阿伏伽德罗常数，mol-1；t0为活化金丝开始辐照至辐照结束时间，s；t1为活化金丝开始辐照至γ能谱开始测量的时间，s；t2为活化金丝开始辐照至γ能谱结束测量的时间，s；fs为自吸收修正系数；fc为级联符合修正系数，金丝可取1；fg为几何因子修正系数。
为验证测量结果的准确性，选择厂家检测时3个有代表性治疗深度对应的相对反应率(包含Dmax，最大相对反应率)作为基线值，按式(2)进行最大偏差对比[5]。厂家的相对反应率基线值分别为水下深度中心值9.5 mm处，92.9%；水下深度中心值19.5 mm处，100%；水下深度中心值57 mm处，46.3%。
| $D_n=\left|\frac{D_i-D_{i \mathrm{b}}}{D_{i \mathrm{b}}}\right|_{\max } \times 100 \%$ | (2) |
式中，Dn为相对反应率与基线值的最大偏差，%；Di为第i个深度处金丝的相对反应率，%；Dib为第i个深度处金丝的相对反应率基线值，%。
(4) 照射野中子注量对称性：在水体模中使用金活化法测量照射野中子注量对称性[5-6]。将金丝嵌入质量控制检测用的定制水模体内部并保持固定，金丝位于Dmax深度处并垂直于束流轴线放置，距离水体模内壁1.5 cm，具体见图 1B。选择治疗设备参考准直器(ϕ120 mm，外凸100 mm)，照射时输送质子电荷量为2.8 C。辐照结束后，将金丝切割为小段，每段长10 mm，共计20段[9]，并使用高纯锗γ能谱仪在距离探测器表面12.5 cm高度处进行测量。根据式(1)计算每段金丝单核反应率。按以上方法照射两次可分别得到垂直于束流轴线的横向和纵向两条主轴方向上的金丝单核反应率曲线，根据以下式(3)分别计算横向和纵向的照射野中子注量对称性[5]。
| $S_n=\left|\frac{R_{(x)}}{R_{(-x)}}\right|_{\max } \times 100 \%$ | (3) |
式中，Sn为照射野中子注量对称性，%；R(x)为照射野内对称于束流轴线两个位置处的金丝单核反应率较大值，s-1；R(-x)为照射野内对称于束流轴线两个位置处的金丝单核反应率较小值，s-1。
结果1.探测效率结果：高纯锗γ能谱仪对152Eu在411.1 keVγ能量峰处的有源全能峰探测效率值、无源模拟全能峰探测效率值分别为4.58×10-3和4.69×10-3；对198Au在411.8 keVγ能量峰处无源模拟全能峰探测效率值为4.71×10-3。
2.深度中子注量特性—金丝单核反应率结果：采用高纯锗γ能谱仪测量活化金丝，测量时198Au探测效率取为4.58×10-3，分析深度中子注量特性，每段金丝单核反应率、相对反应率(以最大反应率值为100%)及厂家检测时3个有代表性治疗深度对应的相对反应率基线值结果列于表 1。水下深度中心值19.5 mm附近，单核反应率最大为1.08×10-13 s-1，与相对反应率基线最大值吻合；在水下深度中心值9.5 mm附近相对反应率为89.4%，相对反应率基线值为92.9%，相对偏差为-3.77%；在水下深度中心值57 mm附近，相对反应率为46.0%，相对反应率基线值为46.3%，相对偏差为-0.65%。金丝单核反应率与水下深度中心值对应的曲线见图 2。
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表 1 深度中子注量特性——活化金丝的单核反应率结果 Table 1 Depth-varying neutron fluence characteristics: single nuclear reaction rates for activated gold wires |
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图 2 金丝单核反应率与水下深度曲线 Figure 2 Curve showing the water depth-varying single nuclear reaction rate for gold wires |
3.照射野中子注量对称性—金丝单核反应率结果：采用高纯锗γ能谱仪测量活化金丝，198Au探测效率取为4.58×10-3，分析横向和纵向的照射野中子注量对称性，以束流轴线为中心，向两侧延伸，作出横向和纵向金丝单核反应率对称性曲线，详见图 3，4。横向照射野中子注量对称性为98.7%~105.9%；纵向照射野中子注量对称性为99.9%~108.0%。
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图 3 横向金丝单核反应率对称性曲线 Figure 3 Curve showing the lateral symmetry of the single nuclear reaction rate for gold wires |
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图 4 纵向金丝单核反应率对称性曲线 Figure 4 Curve showing the vertical symmetry of the single nuclear reaction rate for gold wires in the direction |
讨论
本研究选用的152Eu是一种长半衰期(13.5年)、多γ射线能量的标准刻度源，且基于以下理论考虑：①能量代表性：411.1 keV能量与目标核素198Au的411.8 keV能量极为接近，符合能量近似原则，为后续效率替代奠定基础。②峰形与干扰：411.1 keV峰在152Eu能谱特征明显，强度适中，且附近无强干扰峰，有利于精确净面积计算，降低拟合值误差。结果表示152Eu在411.1 keV处的有源全能峰探测效率与自身无源模拟全能峰探测效率的相对偏差为2.40%，与198Au在411.8 keV处无源模拟全能峰探测效率的相对偏差为2.84%，均在标准源不确定度(3%)范围内一致，效率值结果准确。关于152Eu存在的级联符合相加效应，会导致有源效率值(4.58×10-3)被低估，理论上该值经符合相加修正后与自身无源效率值的相对偏差会更小，也会更加接近198Au效率值(4.71×10-3)。
本研究通过有源效率刻度、无源效率模拟计算和效率替代等方法相互验证了全能峰探测效率值，为研究结果的准确性提供可靠保障，也为后续根据实际条件开展工作提供检测思路：在缺乏198Au标准源的情况下，可采用152Eu的411.1 keV全能峰探测效率替代198Au的411.8 keV全能峰探测效率，或使用无源效率刻度软件进行模拟计算，开展相关的研究工作。
本研究中BNCT照射装置的中子注量深度分布特性和照射野对称性结果显示，水下深度中心值19.5 mm附近活化金丝单核反应率达到峰值，9.5和57 mm水下深度中心值处相对反应率与基线值的相对偏差分别为-3.77%和-0.65%，符合《硼中子俘获治疗设备质量控制检测规范》(T/WSJD 92-2025)[5]和《硼中子俘获治疗设备放射防护与质量控制检测标准》(T/CSRP 03-2025)[6]允许的±5%误差范围内，且中子注量深度分布特性曲线与国外开展同类型治疗设备对比趋势高度一致[18]，进一步证实了本研究的合理性和可现性；在照射野对称性方面，横向对称性测定结果为98.7%~105.9%，纵向对称性为99.9%~108.0%，最大偏差8.0%仍控制在T/WSJD 92- 2025[5]和T/CSRP 03-2025[6]要求的±10%阈值以内，且通过横向和纵向对称性分布曲线可以看出，束流轴线两侧曲线呈良好对称分布，表明准直器对中性能、靶体均匀性及束流引出系统的整体稳定性均处于受控状态；值得注意的是，纵向对称性偏差略高于横向，提示在后续设备维护与周期检测中可重点关注束流引出系统垂直方向的准直微调机构，为设备性能持续优化提供明确方向。上述研究结果证实，金活化法能够有效应用于BNCT中子注量特性的定量分析，同时进一步确认在中等能量区域效率曲线变化相对平缓，能量相差较小处，以替代探测效率开展检测工作的可行性与可靠性。
国内首台获批临床应用的BNCT治疗系统标志着我国正式进入BNCT临床应用时代。本研究基于该治疗系统，为其出厂验收、装机调试及周期性状态检测提供了一套经济、高效的核心检测方法，支撑束流参数与治疗计划系统的闭环调控，推动实现从束流性能表征到长期稳定性监控的全生命周期质量管理；也助力金活化法从实验室研究工具向临床级质量控制标准方法迈进，为我国BNCT技术的规范化临床应用提供坚实的计量学支撑与质量保障体系参考；同时，本研究构建的效率验证与中子注量特性评价框架，亦可拓展至其他热中子束流装置(如BNCT治疗以外的中子俘获材料研究、中子探测器标定等领域)，具有显著的方法普适性与推广价值。
利益冲突 本文由署名作者按以下贡献声明独立开展，不涉及各相关方的利益冲突
作者贡献声明 路天翔负责现场检测、数据处理及文章撰写；朱夫海、赵锡鹏、张震负责实验设计、文章审阅及现场测量；李玉文、杨凯、熊强、武钊、梁润成、黄李涵参与文献调研、协助数据统计整理、现场测量
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