人体中子剂量由于其复杂性不能直接使用仪器测量, 而是间接测量, 然后理论估算。测量中既要选择测量对象, 即某一核素的某一能量的γ光子, 还要选择探测器。由于需要测活度, 还要对探测器进行效率刻度。由于测量对象是液态的, 故探测效率刻度需要的刻度源也必须在相同几何测量条件下使用与样本同体积的液态效率刻度源。这种刻度源需要在专业的实验室才能制备, 成本高, 储存和运输都不方便。本文通过理论推导, 实验验证, 省略效率刻度这一过程, 总结出更为简单、便捷的测量流程。

1 测量对象的选取

在中子意外照射条件下, 高能中子被人体慢化成热中子, 被人体H、N、Cl、Na、K和Ca吸收, 发生中子俘获反应。多数俘获反应产生稳定或寿命非常长的核素(即²H、¹⁴C、³⁶Cl、⁴⁰K), 部分生成短寿命的放射性同位素。这些同位素以发射γ光子辐射的方式退激发, γ辐射能量是受激核的特征性质。通过实验计数在已知照射剂量的照射条件下, 测量特定能量γ光子的数目, 估算受到照射的中子剂量。由于长寿命同位素天然本底较高, 为了找到合适的测量对象, 我们对四种常见短寿命同位素进行了理论分析。

从表 1中我们可以看出⁴⁹Ca元素的半衰期太短(8.72min), 如果事故照射地点和测量仪器之间距离较远, 可能测量不到⁴⁹Ca的衰变粒子计数。³⁸Cl的半衰期虽然比⁴⁹Ca长一些, 但小于40min。在半衰期方面³⁸Cl和⁴²K相比²⁴Na的半衰期没有优势。而活化产生的²⁴Na核素的初始活度是⁴²K核素的5.5倍。基于活度和半衰期的考虑, 在测量时选择²⁴Na核素比较合适。此外, ²⁴Na发射的两种能量的γ光子能量为1.368MeV和2.754 MeV, 国际原子能机构(IEAE)推荐的标准源中⁶⁰Co 1.173MeV和1.333MeV的两种能量的γ峰正好在²⁴Na的1.368MeV的γ峰附近, 可以很好地满足²⁴Na1.368MeVγ峰的能量刻度^[1]。

利用10mGy裂变中子源照射下的初始活度和BOMAB体模^[2]计算出体模中活化产物1m处初始剂量率与时间的关系。

从图 2中我们可以清楚地看出, 在4h后人体模型的活化产物中的放射性几乎来²⁴Na, 其他同位素的剂量率接近为零。所以, 受照后静置待测量血液样品4h可以减少其他核素的干扰。

2 测量血液中²⁴Na的放射性选用的光峰

²⁴Na在衰变时发射出两种能量分别为1.368MeV和2.754MeV的γ光子。在高活度条件下, 用1.368MeV的光峰计数²⁴Na活度比用2.754MeV的光峰效率更高。但在低活度条件下, 40 K的1.461 MeV的峰总在人体内存在, 干扰²⁴Na的1.368MeV的峰, 计数²⁴Na的2.754MeV能量的峰有更好的统计结果。

就目前的应用来看, 选用1.368MeV的峰比较有优势。原因有以下三点:①能量为2.754MeV的γ射线的能量在已知同位素源中是最高的, 且在该能量附近没有可供利用的标准放射源用于能量刻度。只能通过曲线拟合的方法外推, 其误差较大; ②能量为1.368MeV的γ光子的绝对强度100%高于能量为2.754MeV的γ光子的99.85%;③能量为1.368MeV的光峰的探测效率高于能量为2.754MeV的光峰的探测效率。

3 实验原理

人体血液中含有的23Na在受到中子照射后活化为²⁴Na, ²⁴Na又会衰变为²³Na。通过测量²⁴Na在一定时间内衰变发出的γ光子数, 得出一定剂量照射条件下血液中的²⁴Na衰变放出的光子数, 计算出照射剂量与计数率的比值F。在遇到受照情况后, 我们就可以直接在相同测量条件下直接计数, 而不需要对仪器设备进行效率刻度求得活度。然后利用已有的事故条件下的照射剂量与计数率的比值F计算受照体在事故中的受照剂量。

为在照射实验中获得准确的照射剂量, 使用国际上通用的双电离室方法测量^[3], 即一个对中子和γ辐射灵敏度基本相同的组织等效电离室(以T表示)和一个对中子不太灵敏而对γ辐射灵敏的石墨电离室(以u表示)配对使用, 以确定中子源照射下组织中的中子和γ吸收剂量。中子吸收剂量即为:

(1)

照射剂量与计数率的比值F即为:

(2)

4 实验方法

用比格狗代替人体(狗的尺寸为:长60cm, 宽11cm, 高52cm, 重10.8kg), 在清华大学200号中子反应堆的1号孔道中照射, 然后采取3mL血样。

4.1 照射条件

单侧照射。

4.2 测量仪器 4.2.1 电离室

均采用军事医学科学院研制的电离室。① 81T-TE11型流气式指形组织等效电离室, 用于测量受照体中测量点处的中子和γ辐射总剂量; ②80S-G1型流气式指形石墨电离室, 用于测量受照体测量点处的γ剂量; 上述两个电离室灵敏体积标称值都为0.5cm³, 壁厚0.5mm, 测量时外加平衡套。③80S-TE1监督电离室。

4.2.2 电离电流测量

采用PTW UNIDOS剂量仪。

4.2.3 γ谱仪

由CABERRA的NaI探测器、计算机、GENIUS -2000软件及铅屏蔽室搭建成的γ谱测量系统。

5 实验结果及分析 5.1 照射参数

清华200号动物照射参数见表 3。

5.2 测量获得的γ谱

本底测量了36 000s, 在减去本底时, 用血样的谱减去本底的二十分之一即可得到去本底后的血样γ谱。如图 3、4、5。为了让图形更直观一些, 纵坐标的最大值(VFS)统一取128。图中的红色标记区, 是根据²⁴Na的1.369 MeV的光峰手动设置的感兴区(ROIs), 其能量范围在1.315 MeV~1.502MeV之间。

图 4的γ谱的测量时间是10h, 所以天然本底中的⁴⁰K 1.461MeV的峰比较明显。图 5是去本底后的血液样品γ谱, 但也有明显的⁴⁰K1.461MeV的峰的干扰, 说明血液样品中含有放射性核素⁴⁰K, 且高于本底水平。

5.3 峰计数结果分析

计数时, 我们依据软件提供的不确定度进行解谱, 并进行了人工干预。测得的数据记录在表 4中。由于测量时间与照射时间的间隔超过了一个²⁴Na的一个半衰期, 故我们对计数结果进行了衰变校正。表 4中NaI探测器测量的γ光子数有一定统计涨落, 原因是在解谱过程中γ峰的边缘不能精确界定。

5.4 剂量与计数率之比F的值 6 讨论

在事故情况下, 只要在相同条件下测量出cpm值, 我们就可以利用F值快速估算受照体的受照剂量。本文与以往的测量方法有以下几点不同:

(1)  以前测量的是离体血样, 且需要标准源对测量仪器进行效率刻度。在该方法中, 我们针对整个活狗进行照射, 再取样, 来模拟人体受照条件, 且避免了对仪器进行效率刻度。

(2)  用狗血代替人血有一定的依据, 两者在成份上相似。狗的生理指标比较稳定, 其不同年龄、不同性别的比格狗的血钠含量略有差异, 取其平均值为(3.71 ± 0.69) mg/mL^[4]。而人的血钠浓度约为(2.21 ± 0.33) mg/mL^[5]。狗的血钠浓度为人的血钠浓度的1.19~2.34倍。血钠浓度对剂量估算的影响要进一步研究。

(3)  本文中只给出本实验条件下的计数率与狗受照剂量的关系, 只适合本实验条件下的测量。如果更换测量装置, 应该先导出计数率与活度之间的关系, 再求得活度与受照剂量的关系。

(4)  由于狗的形体尺寸与人的尺寸存在差异, 这一因素在实际应用时也应重点考虑。一种观点是, 小的表面积与体积的比值补偿了大的俘获几率, 对受照体的活度变化没有显著贡献^[6]。另一种观点是, 不同尺寸模型对于相同能量贡献的入射中子来说, 从²⁴Na的比活度到剂量的转换差别小于15%^[7]。

本文仅仅对²⁴Na的测量作了一些简单的比较和思考, 对当前测量使用的方法作一个提炼和概括, 为后续的实验做准备。但测量时间对cpm值的影响等需要考虑的问题还没有解决, 实验动物与人体之间的差异究竟是多大, 需要在下一步实验中加以解决, 给出定量的结果。

在意外中子照射情况下, 探索了人体受到的中子照射剂量与固定测量条件下的计数率的关系, 适用于快速为照射事故后的医学救护提供具有较高可信度的剂量学数据。