应用开源的Geant4工具包, 对于不同的靶、过滤片和管电压组合进行了蒙特卡洛模拟, 得到了相应条件下的X射线能谱。模拟时, Geant4程序考虑了电子与靶碰撞发生的康普顿效应、光电效应、瑞利散射、轫致辐射和电离等物理过程^[1]。分析的能谱范围60keV ~ 250keV之间。对于电子和γ射线的射程截断值分别为500nm和3 000nm, 应用Penelope模型模拟的X射线谱与ISO4037报告^[2]数值进行了对比验证, 发现两者能谱平均值相差在2%以内。同时计算了本实验室的放疗、诊断和防护线质下能谱与平均能量。

由于X射线能谱提供完整的X射线的特性, 了解X射线能谱, 从医用角度来说可以减少病人以及放射工作人员所受辐射剂量和提高诊断图像质量为病人提供最优化的服务; 从剂量传递来说, 作为二级标准实验室了解不同线质下X射线能谱, 可以拓展工作内容, 提高工作效率。从1923年Kramers首次得到X射线能谱以来, 几个研究团体努力探寻简单、精确得到X射线能谱的方法, 由于实验测量X射线能谱非常消耗时间, 而且要求特殊的测量设备, 显然这不是一种简单的方法。随着计算机技术的发展, 现在有三种计算X射线能谱的方法:半经验模型、经验模型和蒙特卡洛模拟^[3], 经验、半经验模型的主要优点是消耗较少的计算时间, 但这些模型有一定局限性, 三种方法中蒙特卡洛模型是最慢的一种方法, 但是功能最强大的一种方法, 这主要是由于蒙特卡洛方法可以模拟射线穿越不同材料物质时发生的相关物理过程, 可以追踪所有粒子包括次级电子和次级光子, 直到它们能量耗尽。公共发表的蒙特卡洛程序代码主要有三种, 分别为: EGS4, MCNP和GEANT4。

Geant4是相对比较新的蒙特卡洛程序, 该程序适用于几乎所有已知的物理粒子, 并且可以覆盖研究的粒子反应过程。Geant4软件初始主要为了高能物理开发的, 随后它强大的功能很快扩展到其他领域, 包括空间和放射医学等领域。本工作是应用Geant4.9.3模拟放疗、诊断和防护线质的能谱, 这个模拟过程包括应用电子轰击靶然后发生各种物理过程, 产生的次级粒子通过不同过滤片的衰减情况, 包括各种靶-过滤片和管电压的不同组合, 得到放疗、诊断和防护线质下能谱, 结果并与ISO4037报告值进行了对比验证。

1 材料和方法 1.1 Geant4程序

Geant4是由一个国际合作组织开发的开源、面向对象的工具包, 它由C++语言编写, 可以模拟多种粒子在物质中的输运与物理反应过程, 程序提供了模拟过程的各种组件:物理材料, 各种粒子, 物理过程, 随机数数据, 几何图形和粒子轨迹的可视化等。Geant4工具包提供了多种物理模型来模拟粒子与物质相互作用过程, 用户需要考虑的是在模拟时依据要求选择合适的物理模型, 例如电磁物理模型和Penelope物理模型, 其中电磁物理模型可以处理能量在1keV以的电子碰撞过程, 而Penelope物理模型可以处理最低到250eV电子碰撞过程, 由于本工作需要考虑低能部分的能谱, 所以本工作采用Penelope模型进行物理模拟工作。Penelope物理模型包含一些重要的物理过程: X荧光射线产生、俄歇电子发射等。该模型要求用户输入每种粒子例如gamma, 电子和正电子等的截断阈值, 这个阈值定义为距离或者射程截断, 阈值在程序内部对不同材料转化成相应的能量截断, 在模拟X射线能谱时, 考虑效率和精度问题, 采用了电子和γ射线的射程截断值分别为500nm和3 000nm, 次级电子能量截断值设置为250eV。

1.2 X射线机及线质参数

二级标准实验室的X射线机为一台MG324, 其靶为金属钨, 阳极角度为22°, 焦斑大小4.0mm, 发射角度为40°, 真空管自带2.2mm厚Be窗。其各种线质参数参考ISO4037建立, 在实验室中共有三种线质, 分别为, 放疗线质, 诊断线质和防护线质, 其中诊断线质为固有过滤和附加2.5 mmAl得到的; 防护线质如表 1所示, 放疗线质如表 2所示。

1.3 建立X射线机模型

本文主要是模拟电子碰撞金属靶产生的韧致辐射光通过不同过滤片后得到的不同线质的能谱。依据ISO4037和本实验室MG324X射线机特性, 在模拟时有不同X射线过滤片选择, 包括固有过滤和附加过滤, 过滤片依据辐射线质的不同分别有铍、铝、铜、锡等材料制成。焦斑与探测区域之间的距离是1m, 焦斑与第一个过滤片的距离为10cm, 在这个距离内, 设置成真空环境, 光子穿越这个区域没有衰减, 其余区域设置成空气, 光子穿过探测区域后会记录其能量, 探测区域填充的是金属铅。模拟时不考虑焦斑尺寸的大小与Heel效应。整个模拟的几何示意图见图 1。

2 对比验证 2.1 与ISO4037结果对比验证

为了验证工作建立的X射线机模型正确, 首先与ISO4037报告中的结果进行了对比验证, 主要是对于窄谱和宽谱情况下进行了对比, 在窄谱时取管电压值分别为30kV、40kV、60kV和80kV, 宽谱时取管电压分别为60kV、80kV、110kV和150kV。详细参数见表 3和表 4, 其中的平均能量为ISO4037中给出的平均值。

由两表 3和表 4可知, Geant4计算能谱的平均值与ISO4037平均值的偏差在2%, 依据ISO4037要求, 平均能量的偏差在5%以内, 认为两个能谱基本一致, 因此Geant4计算的能谱基本正确。

2.2 模拟的二级标准实验室X射线机能谱

由于实验条件限制, 无法用实验方法测量X射线机能谱, 因此工作中一般采用有效能量来表示某一能谱, 但是有效能量与平均能量有一定的差别, 为了全面的了解能谱特性, 应用Geant4模拟了不同线质下的能谱和相应的平均能量。其中表 5 ~ 表 7中的平均能量为Geant4计算的相应能谱的平均值。图 2 ~ 图 4为摘取的放疗线质100kV、诊断线质150kV和防护线质60kV下的能谱示意图。

2.2.1 放疗线质(表 5) 2.2.2 放疗线质(表 6) 2.2.3 防护线质(表 7)

由表 5和表 7可见有效能量与平均能量存在差异, 两者不能等同。在放疗线质下, 平均能量与有效能量有较大的差异; 防护线质下, 随着管电压升高, 过滤片厚度增加, 平均能量与有效能量有较大差异。

3 结论

应用Geant4来模拟了二级标准实验室的放疗、诊断和防护线质能谱。模拟的能谱与ISO4037中的窄谱和宽谱进行了对比验证, 在对比中发现了Geant4计算的平均能量与ISO4037的平均能量相差在2%。计算了放疗、诊断和防护线质下的平均能量, 发现平均能量与有效能量存在较大的差异。Geant4能模拟各种条件下的X射线能谱, 对于研究X射线能谱特性有积极的意义。