微剂量及微剂量辐射效应

介绍发生在分子水平的原发辐射效应,射线能量在微组织水平的沉积,次级电子微剂量效应在细胞损伤中的作用,以及基因微剂量效应对细胞存活的影响,为定量描述各种微观辐射效应,更加准确认识和理解低剂量辐射诱导的各种生物效应,科学评估低剂量辐射的健康危害,引出微剂量和微剂量事件等术语和概念。     

细胞尺度10B不均匀分布对细胞微剂量影响的计算与分析

硼中子俘获治疗已经成为当前治疗恶性黑色素瘤、头颈部肿瘤等恶性肿瘤的有效手段之一。¹⁰B在细胞尺度上不均匀分布将直接影响到对肿瘤细胞失活剂量的控制。为研究含硼化合物在细胞内空间上分布不同对靶区细胞微剂量的影响,本工作利用Monte-Carlo工具包开发了用于计算¹⁰B（n,α）⁷Li产生的α与⁷Li对靶区剂量的模拟程序α-Li Version 1.0。通过此程序,计算了2种细胞尺寸、8种α粒子能量、3种源分布方式的细胞S值,并与MIRD委员会解析算法的计算结果进行对比,两者差异在1%以内;对不同细胞核半径、不同细胞半径及不同源位置等条件下的3 420种模型进行了模拟计算,证明了α粒子和⁷Li粒子在细胞内的S值存在差异性;最终获得的¹⁰B（n,α）⁷Li反应的细胞S值数据库,可用于细胞尺度¹⁰B不均匀分布情况下的高精度微剂量学计算。     

BNCT中载能粒子对肿瘤细胞损伤效应的Monte Carlo模拟及分析

为更好地了解硼中子俘获治疗(Boron neutron capture therapy,BNCT)中载能粒子穿过单个细胞引起的生物学效应以及理解在细胞或亚细胞水平上的微观剂量分布,采用Monte Carlo程序模拟载能粒子在人体细胞中的输运过程,给出了α粒子垂直细胞表面入射时的射程分布、径迹结构及靶损伤情况,同时模拟分析了^10B位于细胞中不同位置时主要载能粒子(α粒子和^7Li离子)在细胞中能量沉积情况和相应的细胞损伤与存活情况,为BNCT的微剂量研究提供了初步的理论依据。     

微剂量学的发展及其应用

电离辐射与人体组织的相互作用事件是分立的,在受照组织中的分布也是不均匀的。辐射在组织中沉积能量的事件可能对生物体及其内部细胞结构造成损伤。微剂量学是在微观(细胞、亚细胞)水平上研究电离辐射的能量沉积在空间、时间上的分布及按能量分布的情况,并探讨不同分布对生物效应的影响。在微剂量学领域中,主要用线能、比能及其相应的物理参数去预测辐射所引起的生物效应。本文从剂量学和微剂量学的联系谈起,简要叙述微剂量学的发展过程及相应的理论,介绍测量、计算微剂量的方法,并最后说明微剂量学在辐射生物学和放射治疗中的应用情况。     

高能~(56)Fe离子入射屏蔽材料的次级粒子模拟分析

空间辐射环境下的高能重离子入射屏蔽材料会产生大量次级粒子,为研究屏蔽材料产生的次级粒子对太空舱内辐射环境的影响,本文使用基于蒙特卡罗方法的Geant4软件模拟空间高能~(56)Fe离子入射铝、碳、聚乙烯、水4种屏蔽材料,分析透射屏蔽体的初级粒子及由屏蔽材料产生的次级电子、次级中子、次级质子和次级γ的能谱以及水吸收体中的能量沉积和深度剂量分布。分析产生的次级重粒子类型和能量,比较4种屏蔽材料对高能Fe离子的屏蔽性能。结果表明,聚乙烯材料对高能重离子的屏蔽性能最好,但同时产生的次级重粒子的能量最大,约为铝材料产生次级重粒子能量的4倍。屏蔽体产生所有次级粒子中,次级质子和原子序数为22-26的次级重粒子贡献最大。     

光子在组织等效介质中产生的次级电子能量分布研究

本文探讨了不同能量光子在组织等效物质中产生的次级电子在能量上的分布规律.依据理论分析和计算,明确了水作为组织等效材料的合理性,利用MC方法中粒子输运技术,对光子在介质中行为进行了真实模拟.通过大量模拟计算,得到了不同能量光子与介质中原子(H、O)相互作用的事件类型的比例分布情况以及在这些事件中产生的次级电子能量分布的真实情形.光子能量小于28keV时,光子与介质原子之间的作用以光电效应为主;能量为28～30keV的光子,光电效应与康普顿散射几率大致相等;能量大于30keV的光子,康普顿散射事件逐步占据主导地位,这种事件几率随光子能量的增加而增大.     

热释光剂量响应的非线性(英文)

基于热释光事件发生经历一个复杂的多阶段的过程和电离辐射与介质相互作用事件的随机性,并考虑到热释光材料中掺入的杂质所决定的电子陷阱和空穴陷阱的空间分布、电离辐射在介质中能量沉积的空间分布以及与加热温度相关的载流子漂移均直接影响热释光事件的产生,从统计学泊松分布导出一个一次作用和二次作用复合的热释光剂量响应函数,描述热释光剂量响应。响应函数中的两个特征参量,即一次作用因子R和特征剂量D_0,可表征热释光剂量响应的非线性特性和灵敏度。对热释光剂量响应的非线性与材料中所掺入的杂质成分和含量的关系,以及对入射粒子的传能线密度和热释光峰温等相关的一系列实验结果也作了较好的解释。     

6 MV医用加速器电子对效应的蒙特卡罗模拟研究

以Geant4编程构建6 MV医用加速器机头和照射条件,并通过实测数据比对验证模型的正确性,模拟加速器粒子输运过程,获取不同射野和不同层面的粒子相空间文件,以正电子和湮没光子为指标研究射野及各机头部件对电子对效应产生的影响,模拟电子对效应对加速器射束及水模中剂量沉积的影响。结果表明：射野面积越小,电子对效应产生越多;在靶、均整器及次级准直器处均会有较明显的电子对效应发生,其中次级准直器是主要的发生部件;电子对效应使射束中污染电子增加了约4%,降低了射束的平均能量,使射束粒子分布更加分散,增加了模体表面剂量及射野外剂量。     

低压闪烁室对220Rn浓度参考水平定值的方法

²²⁰Rn的准确测量是天然辐射照射剂量评价体系中的重要研究内容之一。普通闪烁室体积较大,对²²²Rn、²²⁰Rn及其子体衰变产生的不同能量的高能α粒子具有不同的探测效率。本文提出调低标准闪烁室内气压,使²²²Rn衰变产生的能量最小的α粒子在闪烁室内的射程大于闪烁室内任意两点间最长距离,这样,低压闪烁室对²²²Rn、²²⁰Rn及其子体衰变产生的α粒子探测效率相同。利用标准氡室可得到低压闪烁室对α粒子探测效率,进而可使用低压闪烁室对²²⁰Rn浓度参考水平定值。     

放射性核素电离空气电子离子对产生率计算

α衰变核素和β衰变核素发射的射线具有电离空气能力而被广泛应用于工业生产中。为研究α或β衰变核素对空气电离能力的大小,本研究采用蒙特卡洛方法模拟理想放射源发出带电粒子在空气中的能量沉积,并结合空气电离理论,计算放射源表面不同距离处电子离子对产生率。利用此计算方法,研究放射源形状、粒子能量、活度和粒子能量分布对电子离子对产生率的影响。结果表明,放射源表面空气中电子离子对产生率的大小主要受放射源活度的影响,而粒子能量及能谱分布等主要影响电离空气范围及电子离子对产生率衰减速率; 3.7×10⁶ Bq/cm²的α放射源最大电子离子对产生率可达10¹¹~10¹² cm^-3•s^-1量级, 3.7×10⁶ Bq/cm²的β放射源最大电子离子对产生率可达10⁹~10¹⁰ cm^-3•s^-1量级。研究结果可提供数据支持,为新的放射性同位素应用技术开发提供理论指导。     

150 keV质子辐照对GaAs子电池性能的影响

低能质子辐射会使电池产生较大的非电离能量损失,导致少数载流子寿命降低从而破坏GaInP/GaAs/Ge电池的电性能,其中尤以中间的GaAs子电池的衰减最严重。本文以卫星用主流GaInP/GaAs/Ge三结电池为研究对象,制备与三结电池中GaAs子电池相同尺寸结构和工艺的单结GaAs电池,以150 keV质子辐照后对其性能进行测试。测试结果表明,150 keV质子辐照后电池的量子效率衰减,且基区衰减最严重。光致发光测试结果显示,在3×10¹⁰、1×10¹¹、5×10¹¹ cm^-2辐照注量下,非辐射复合少数载流子寿命分别为2.22、0.67、0.13 ns。基于上述结果,利用多物理场仿真软件COMSOL建立了GaAs的物理模型,对GaAs子电池衰减进行仿真,将实验结果与模拟结果进行对比,两者电学参数的最大相对偏差为7%。仿真结果表明：中国空间站中电池的辐射衰减主要源于内辐射带中的质子,空间站轨道太阳能电池运行5 a,在太阳活动极大时,最大功率衰减约为7.6%,太阳活动极小时,最大功率衰减约为13.7%。     

电子比能和细胞S值的Monte-Carlo计算

电离辐射通过它们产生的次级电子将能量传递给生物介质。在核医学以及BNCT等放射诊断和治疗中，放射性核素在细胞尺度上的分布是不均匀的。为了解电离辐射与生物介质的直接作用，需对电子的细胞微剂量学进行研究。本文运用Monte-Carlo方法的几种不同程序计算电子的细胞S值和单次事件比能分布。S值的计算结果与MIRD委员会以及其它的理论计算结果基本一致，单次事件比能分布的计算结果与PENELOPE的结果符合很好。     

亚细胞微观硼浓度测量方法研究

硼中子俘获治疗(BNCT)中亚细胞微观¹⁰B的分布对确定细胞凋亡概率和细胞核内的沉积剂量有重要意义。本工作研究采用CR-39固体径迹探测器测量亚细胞结构中¹⁰B浓度的方法,通过激光标记、光电镜扫描及图像重建方式获得了生物切片中各细胞器的径迹密度,在ICP-AES宏观测量基础上计算出相应细胞器的浓度。实验结果表明,固体径迹探测器与激光标记和电镜扫描结合可实现亚细胞结构中微观¹⁰B分布浓度的测量。     

CR39探测器的带电粒子能量响应研究

为在神光系列激光装置上开展惯性约束聚变(ICF)带电粒子诊断,通过0.7~10 MeV加速器质子源和241 Am放射性同位素α粒子源完成了CR39探测器的质子和α粒子能量响应实验研究,结合TRIM程序和半经验模型建立了CR39刻蚀动力学模拟程序,模拟分析了p、D、T和α粒子在正入射和斜入射条件下CR39的径迹形状与能量响应特征,对多种ICF带电粒子谱仪的CR39探测器单元的设计提出了优化方案。     

亚细胞尺度氚非均匀分布下单粒子效应的蒙特卡罗模拟计算

利用蒙特卡罗程序Geant4构建了正常肺上皮细胞体素模型,结合Geant4自建DNA模型,模拟计算了氚在亚细胞尺度不同靶区的物理作用和DNA损伤效应,分析了氚处于不同滞留状态下β单粒子对细胞内环境及DNA的影响。结果表明,氚的滞留状态对不同靶区的作用呈规律性变化,源项为细胞核时,源靶组合N->N与N->C的能量沉积E_细胞核/E_细胞质比值差异最为显著,微剂量学特征值S_N->N最大。β单粒子作用于DNA产生的集簇损伤尺寸一般＜3,且多为简单单链断裂（SSSB）类型,尽管产生的集簇损伤尺寸≥3的比例(<5%)很低,但仍有产生集簇损伤尺寸高达6的可能。源项为细胞核时,产生双链断裂（DSB）的产额是单链断裂（SSB）的5%,其中复杂双链断裂（CDSB）约占DSB的20%,相比细胞质、细胞源项,CDSB产额最大。     

Power Consumption in Positive Ion Beam Converter with Electrostatic Electron Suppressor

The power recovery characteristics of an in-line direct beam converter provided with electrostatic electron suppressor were studied numerically by tracing the orbits of fast primary ions and secondary charged particles generated along their beam path by collision with background gas molecules. It is shown that, in reference to the electrostatic field potential at the point of impact, the energy distribution of secondary ions impinging on the suppressor has two peaks—one corresponding to a zone of high positive potential surrounding the collector and the other to one of slightly negative potential around the electron suppressor. Secondary electron emission from the suppressor is ascribed mainly to the latter peak, associated with impingement of slower secondary ions. Far much power consumed in secondary particle acceleration is spent for emitting electrons from the suppressor than for secondary ions generated by beam-gas collision. The upper limit of background pressure is discussed on the basis of criteria prescribed for restricting the power consumed in this secondary particle acceleration, as for practical convenience of electrode cooling. Numerical examples are given of calculations based on particle trajectory analysis of both primary ions and secondary particles, for the case of a 100 keV-proton sheet beam 10 cm thick of 35mA/cm² current density.     

TiD_(1.92)热解析的动力学行为研究

采用热分析和理论计算的方法对TiD1.92粉末的解析行为进行了研究。计算的TiD1.92粉末有3类解析峰,均与TiD1.92解析中发生相变导致的氘扩散速率变化有关。球形颗粒模型的解析与平板颗粒模型的解析因其相变和扩散机制不同导致β→α相变解析峰表现出一定的差异。TiD1.92粉末的热分析结果与平板颗粒模型的计算结果完全一致,其中δ相和β相钛氘化物的解析由表面反应控制,β→α相变阶段的解析由氘在α相的扩散控制,实验获得氘在钛表面的解析活化能为152.8kJ/mol以及氘在α相中的扩散活化能为68.6kJ/mol。