石英是一种物理和化学性质均十分稳定的、具有热释光（TL）剂量学特性的无机材料，常用于热释光断代[1]，核事故中环境剂量测量、剂量重建与回顾性监测研究[2-3]，以及核爆中的剂量测量[4]。如切尔诺贝利核事故中核电站附近污染区的辐射剂量测定[5]，广岛、长崎原子弹爆炸以及核试验场的核爆辐射剂量测定[4]等等。石英有着广泛的剂量学应用，但其在放射治疗剂量测量中还缺乏应用研究。在放射治疗中，传统的剂量测量方法包括电离室、胶片和热释光[6-7]。选用的传统热释光材料为氟化锂[8]，但随着辐射探测技术的发展和新型材料的研发，玻璃剂量计现已被国际原子能机构（IAEA）等国际组织推荐使用，并广泛用于放射治疗输出剂量核查[9-10]。而石英有着稳定的物理化学性质，抗辐射性能强，甚至可以测量核爆中的超高辐射剂量，随着新型放疗设备逐渐向着高能量和高剂量率化的趋势发展[11]，其在放射治疗剂量测量中的应用是值得探索的。
通常，石英具有从60℃到375℃之间的多个TL发光峰，不同种类石英的发光峰的数量和发光温度有较大差异[12]。石英的低温峰存在显著的衰退现象，其约为110℃的低温峰在2 h内衰退可达50%[13]，该低温峰剂量响应线性范围约为0.1～1.5 Gy[14]，低于放射治疗中使用的剂量水平。而其高温峰几乎不存在衰退现象，几乎不需要考虑衰退对剂量测量的影响，故在本实验中将对石英的高温峰进行研究，但需要设置预加热处理，以消除低温峰对测量的影响[15]。石英的种类很多，可分为天然石英和人工合成石英两个大类，天然石英由于形成环境复杂，其内部杂质的种类和含量会相差很大，热释光特性也会有显著差异[16]。本研究采用热释光特性相对稳定的人工合成的石英玻璃，并对其高温峰的热释光特性进行研究，包括发光曲线的测定、不同的退火条件和不同的预加热条件对测量结果的影响，并研究石英玻璃在常规放射治疗剂量水平下剂量响应的线性和分散性。基于以上研究结果，分析其用于放射治疗剂量测量的可行性。
1 材料与方法 1.1 实验仪器与测量工具本研究中使用的实验仪器与测量工具包括：螺旋测微器（日本Mitutoyo公司），万分之一电子天平（瑞士Mettler Toledo公司），TLD-2000B热释光精密退火炉（中国北京康科洛电子有限公司），马弗炉（美国Thermo Fisher Scientific公司），PTW UNIDOS标准剂量仪（德国PTW公司），PTW 30013型标准电离室（德国PTW公司），HarshawTLD-3500型热释光读出仪（美国Thermo Fisher Scientific公司）。
1.2 石英材料本研究中选用的石英材料为纯度99.99%的人工合成石英玻璃，该材料经过1300℃软化和1500℃熔融处理后，再经固化成坨，最后按照尺寸要求进行切割并研磨抛光。最后形成直径为4 mm，厚度为1 mm的石英玻璃样品，供本研究使用。
石英玻璃样品在实验前需经过适当的清洁处理。之后对每一个样品进行编号，并利用经过校准的螺旋测微器和万分之一电子天平分别测量每一个样品的尺寸和质量。经测量，石英玻璃样品的实际直径为（4 ± 0.002） mm、厚度为（1 ± 0.002） mm、质量为（27.7 ± 0.05） mg。
1.3 石英玻璃样品的退火石英材料在加工、运输及存放期间不可避免地受到一定剂量的辐射。退火，不但可以有效消除该辐射对实验结果的干扰，还对石英的热释光特性有着显著的影响。人工合成石英的常用退火温度为430℃下、10 min和600℃下、1 h[5,12]。故在本研究中，分别采用430℃下、10 min和600℃下、1 h，对石英玻璃样品进行了退火处理，并研究了石英玻璃样品在不同退火条件下的热释光特性和剂量学方面的差异。430℃退火选用的是TLD-2000B热释光精密退火炉，600℃退火选用的是马弗炉。
1.4 石英玻璃样品的照射将经过430℃和600℃退火的石英玻璃样品在国家次标准剂量学实验室（SSDL）Co-60参考辐射场下进行照射。照射位置的空气比释动能率是利用PTW UNIDOS标准剂量仪以及PTW 30013型标准电离室确定的。再将经过430℃和600℃退火的石英玻璃样品放置于射野中心的照射位置，进行照射。先各取10个样品进行4 Gy的照射，以分别研究不同退火条件下石英玻璃的发光曲线以及优化热释光测量参数；再各取10个样品进行2 Gy的照射，以分别测量石英玻璃剂量响应的分散性；再各取21个样品，分别进行0.5、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0和10.0 Gy的照射，在上述每个剂量点，430℃和600℃退火的石英玻璃样品各为3片，以分别测量2种退火条件下剂量响应的线性。
照射前，将石英玻璃样品按照退火温度和拟照射的剂量分组标记，选取的石英玻璃样品均为随机选取；照射完成后，将所有样品避光保存于暗盒中。
此外，本实验中，还设置了未经照射的对照样品组。
1.5 发光曲线的测定照射后的石英玻璃，应尽快进行发光曲线的测定，以免低温峰的快速衰退。分别将吸收剂量为4 Gy的经430℃和600℃退火的石英玻璃样品，放入HarshawTLD-3500型热释光读出仪中，进行发光曲线的测定。
HarshawTLD-3500型热释光读出仪，包括用于单一元素 TL 检测器的样品抽屉、线性可编程式加热系统和带有相关电子设备的冷却光电倍增管，用于测量 TL 光输出。样品盘加热包含焊接的热电偶，可保证温度的重现性。加热温度最高为400℃（有最高温度为600℃的高温型号，但本实验中使用的读出仪为400℃的标准型号）。该读出仪配套的操作软件为WinREMS，具有读出仪控制、测量参数调节和读出结果储存等功能。
在发光曲线的测定实验中，热释光读出仪测量参数为，室温—385℃的线性升温（该热释光读出仪可升到的最高温度为400℃），升温速率为5℃/s。分别测定430℃和600℃退火的石英玻璃样品的发光曲线。本研究中热释光读出仪在加热过程中均通氮气。在测量实验开始前，测量实验过程中，以及测量实验结束后，需多次进行热释光读出仪光源稳定性检测。在本实验中，光源稳定性良好，测量实验开始前、过程中和结束后，光源读数一致。
1.6 预热温度的最优化在430℃退火的石英玻璃的发光曲线中，除了250℃的主TL发光峰外，还存在低温峰，低温峰的一部分隐匿于主峰中，为了消除低温峰对测量的影响，需进行预热处理。分别进行了100℃、120℃、150℃和200℃预热条件下（预热时间为20 s），发光曲线的测定，通过对发光曲线的形状和相对热释光信号强度的分析，得出最佳的预热温度。
600℃退火的石英玻璃样品照射后未进行预热处理。
1.7 石英玻璃样品的剂量响应线性以430℃退火的石英玻璃为例，将吸收剂量为0.5、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0和10.0 Gy的每个剂量值各3个样品分别放入热释光读出仪中，读出参数为：预热温度150℃，持续时间20 s，升温速率5℃/s，最高温度350℃，并记录每个样品的相对热释光信号强度。每个剂量值对应的相对热释光信号强度为3个样品读数的平均值。画出每个剂量值与相对热释光信号强度对应的剂量响应线性图，并计算线性相关系数。
对于600℃退火的石英玻璃，读出参数为：室温—350℃的线性升温，升温速率5℃/s。
1.8 石英玻璃样品的剂量响应分散性分别测量430℃和600℃退火的石英玻璃样品的剂量响应分散性，读出参数同1.7，将吸收剂量为2 Gy的10个样品的读数求平均值，并计算标准差和变异系数。
2 结 果 2.1 发光曲线退火条件为430℃下、10 min的石英玻璃的发光曲线如图1所示，主发光峰温度约为250℃，存在低温峰，低温峰与主发光峰有部分重叠。
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图 1 430℃退火条件下石英玻璃的发光曲线 Figure 1 Thermoluminescence glow curve of 430℃ annealed quartz glass |
退火条件为600℃下、1 h的石英玻璃的发光曲线如图2所示，主发光峰温度约为180℃。
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图 2 600℃退火条件下石英玻璃的发光曲线 Figure 2 Thermoluminescence glow curve of 600℃ annealed quartz glass |
退火条件为430℃下、10 min的石英玻璃在100℃、120℃、150℃和200℃预热条件下（持续时间均为20 s）的发光曲线如图3所示，最佳预热温度为150℃。
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图 3 不同预加热温度下430℃退火的石英玻璃的发光曲线 Figure 3 Thermoluminescence glow curves of 430℃ annealed quartz glass with different preheating temperatures 注：A，预加热温度为100℃；B，预加热温度为120℃；C，预加热温度为150℃；D，预加热温度为200℃。 |
退火条件为430℃下、10 min的石英玻璃在吸收剂量为0.5～10 Gy范围内的剂量响应线性如图4所示，线性相关系数为0.9984。
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图 4 430℃退火的石英玻璃的剂量响应线性 Figure 4 Linearity of dose response of 430℃ annealed quartz glass |
退火条件为600℃下、1 h的石英玻璃在吸收剂量为0.5～10 Gy范围内的剂量响应线性如图5所示，线性相关系数为0.9911。
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图 5 600℃退火的石英玻璃的剂量响应线性 Figure 5 Linearity of dose response of 600℃ annealed quartz glass |
本实验中的对照样品组读数约为1.5 nC, 与放射治疗剂量水平几百、几千nC的读数相比，该本底读数微乎其微，可忽略不计。
2.4 石英玻璃的剂量响应分散性退火条件为430℃下、10 min的石英玻璃在吸收剂量为2 Gy时的相对热释光信号强度为（1081 ± 10.5） nC，变异系数为0.97%。
退火条件为600℃下、1 h的石英玻璃在吸收剂量为2 Gy时的相对热释光信号强度为（914 ± 12.8）nC，变异系数为1.4%。
3 讨 论本研究中使用的石英玻璃样品为人工合成石英，生产工艺易于控制，可获得质量稳定的实验样品。样品切割精度很高，尺寸精度达到2‰ mm，这也保证了极好的质量一致性。因此在研究中不需要考虑样品之间因质量差异而造成的热释光读数差异。简化了测量步骤，也提高了剂量测量的准确性。
人工合成石英的发光峰对退火条件比较敏感[12]，从本实验的发光曲线中可以看出，经430℃和600℃退火的石英玻璃样品的发光曲线之间，有着显著的差异，发光峰的温度和数量都不相同。这说明退火温度对石英玻璃的热释光特性有着显著影响，随着退火温度的升高，发光峰的数量可能会降低。由于石英玻璃的熔点达到约1500℃，有必要继续研究更高退火温度对石英发光峰的温度和数量变化的影响并进行机制分析，如800℃和1000℃的退火温度。此外，可以观察到，在发光曲线385℃附近，有读数升高的现象，说明石英玻璃在385℃以上可能还存在一个温度更高的高温峰，该峰更不易衰退，吸收的辐射可以得到更好的保存，具有研究价值，有必要对该发光峰进行进一步研究。本研究中，利用热释光读出仪测量时，测量温度的上限应设定为350℃，以消除该高温峰对测量结果的影响。
在预加热处理中，对于430℃退火的石英玻璃，100℃和120℃的预加热温度，无法有效消除低温峰的影响。而200℃的预加热温度，虽然可以完全消除低温峰的影响，但也大幅削弱了待测发光峰的信号强度，发光峰处的相对热释光信号强度下降约40%。而150℃的预热温度，在有效削弱低温峰信号强度的同时，还可以几乎完全保留待测发光峰的信号强度（信号强度只下降约5%），故150℃的退火温度，应为理想的退火温度。然而，对于200℃的预加热温度，仍有继续研究的价值，虽然经该温度预热处理后，待测发光峰的信号强度大幅降低，但如果读数仍能有着良好的剂量响应线性和分散性，仍可以作为石英玻璃在放射治疗剂量测量时所选择的预热温度。而对于600℃退火的石英玻璃，由于主发光峰温度偏低，并且低温峰不明显，故未进行预热处理。
本研究中选用的吸收剂量范围是0.5～10.0 Gy，属于常规放射治疗剂量测量水平。在今后的研究中，有必要研究石英玻璃，在更高剂量范围的剂量响应线性和分散性，以及在辐射防护剂量水平的热释光和剂量学特性。
依据研究结果，退火条件为430℃下、10 min的石英玻璃的剂量响应线性和剂量响应分散性明显优于退火条件为600℃下、1 h的石英玻璃。此外，退火条件为430℃下、10 min的石英玻璃的TL发光峰约为250℃，温度较高，信号强度会更稳定。而退火条件为600℃下、1 h的石英玻璃的TL发光峰约为180℃，发光峰温度偏低，估计会受到环境温度影响而易于发生衰退现象。因此，退火条件为430℃下、10 min的石英玻璃更具有适用于放射治疗中的剂量测量的可能性。
| [1] |
黄鹤桥, 魏明建. 辐射剂量计——石英375℃的热释光(TL)峰[J]. 核技术, 2006, 29(11): 826-829. Huang HQ, Wei MJ. The 375℃ thermoluminescence (TL) peak of quartz[J]. Nucl Techniq, 2006, 29(11): 826-829. DOI:10.3321/j.issn.0253-3219.2006.11.007 |
| [2] |
戴光复, 苑淑渝, 常贺新, 等. 石英前剂量热释光剂量方法研究[J]. 中国辐射卫生, 1996, 5(1): 50-52. Dai GF, Yuan SY, Chang HX, et al. The study on pre-dose thermoluminescence method of quartz[J]. Chin J Radiol Health, 1996, 5(1): 50-52. DOI:10.13491/j.cnki.issn.1004-714X.1996.01.028 |
| [3] |
范亚光, 张良安, 戴光复, 等. 利用前剂量技术进行辐射事故剂量重建的研究[J]. 中国辐射卫生, 2003, 12(3): 134-136. Fan YG, Zhang LA, Dai GF, et al. The study on radiation accident dose reconstruction with the pre-dose technique[J]. Chin J Radiol Health, 2003, 12(3): 134-136. DOI:10.3969/j.issn.1004-714X.2003.03.002 |
| [4] |
Maruyama T, Kumamoto Y, Noda Y. Reassessment of γ doses from the atomic bombs in Hiroshima and Nagasaki[J]. Radiat Res, 1988, 113(1): 1-14. DOI:10.2307/3577175 |
| [5] |
Sato H, Takatsuji T, Takada J, et al. Measuring the external exposure dose in the contaminated area near the Chernobyl nuclear power station using the thermoluminescence of quartz in bricks[J]. Health Phys, 2002, 83(2): 227-236. DOI:10.1097/00004032-200208000-00007 |
| [6] |
赵红福, 赵志鹏, 王志强, 等. 参与IAEA/WHO医用加速器剂量输出比对的结果及分析[J]. 中国辐射卫生, 2019, 28(1): 69-71. Zhao HF, Zhao ZP, Wang ZQ, et al. Results and analysis of participation in the medical accelerator dose output comparison organized by IAEA/WHO[J]. Chin J Radiol Health, 2019, 28(1): 69-71. DOI:10.13491/j.issn.1004-714X.2019.01.019 |
| [7] |
李明生, 姜庆寰, 程金生. 应用Geant4模拟EBT3胶片的能量响应和质子射程测量[J]. 中国辐射卫生, 2022, 31(6): 669-673. Li MS, Jiang QH, Cheng JS. Energy response and proton range measurement with EBT3 film simulated by geant4[J]. Chin J Radiol Health, 2022, 31(6): 669-673. DOI:10.13491/j.issn.1004-714X.2022.06.005 |
| [8] |
王为, 沈奕晨, 蒋马伟. 探讨热释光在螺旋断层放射治疗系统和直线加速器中剂量标定[J]. 中国医学物理学杂志, 2019, 36(11): 1261-1266. Wang W, Shen YC, Jiang MW. Dosimeteric calibration of thermoluminescence in helical tomotherapy system and linear accelerator[J]. Chin J Med Phys, 2019, 36(11): 1261-1266. DOI:10.3969/j.issn.1005-202X.2019.11.004 |
| [9] |
Oonsiri P, Kingkaew S, Vannavijit C, et al. Investigation of the dosimetric characteristics of radiophotoluminescent glass dosimeter for high-energy photon beams[J]. J Radiat Res Appl Sci, 2019, 12(1): 65-71. DOI:10.1080/16878507.2019.1594092 |
| [10] |
Izewska J, Bokulic T, Kazantsev P, et al. 50 Years of the IAEA/WHO postal dose audit programme for radiotherapy: what can we learn from 13756 results?[J]. Acta Oncol, 2020, 59(5): 495-502. DOI:10.1080/0284186X.2020.1723162 |
| [11] |
刘小军, 马文. 高剂量率放射治疗生物学效应研究进展[J]. 中国医学装备, 2022, 19(12): 181-186. Liu XJ, Ma W. The latest research progress on FLASH-RT biological effect[J]. China Med Equip, 2022, 19(12): 181-186. DOI:10.3969/J.ISSN.1672-8270.2022.12.038 |
| [12] |
Akhani TB, Kale YD, Gandhi YH. Study of Thermal and optical sensitivity of higher thermo luminescence glow peaks in synthetic quartz material[J]. Int J Innov Res Comput Sci Technol, 2022, 10(2): 568-580. DOI:10.55524/ijircst.2022.10.2.109 |
| [13] |
赵英, 张继红, 马燕, 等. 石英前剂量热释光测量方法研究[J]. 原子能科学技术, 2011, 45(4): 483-486. Zhao Y, Zhang JH, Ma Y, et al. Measurement method of quartz pre-dose thermoluminescence[J]. Atom Energ Sci Technol, 2011, 45(4): 483-486. |
| [14] |
张继红, 万俊生, 赵英, 等. 石英前剂量热释光影响因素研究[J]. 核技术, 2012, 35(4): 286-290. Zhang JH, Wan JS, Zhao Y, et al. The influence factors on quartz pre-dose thermoluminescence[J]. Nucl Techniq, 2012, 35(4): 286-290. |
| [15] |
林志凯, 隈元芳一. 天然石英热释光剂量学特性及剂量测量方法[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2003, 23(3): 195-197. Lin ZK, Wei YFY. Dosimetric characteristics and dose measurement method of natural quartz thermoluminescence[J]. Chin J Radiol Med Prot, 2003, 23(3): 195-197. DOI:10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2003.03.022 |
| [16] |
陈义珍, 崔莹, 张卫东, 等. 量程至MGy的石英剂量计性能研究[J]. 同位素, 2022, 35(4): 317-323. Chen YZ, Cui Y, Zhang WD, et al. The performance of quartz dosimeter with range to MGy[J]. J Isot, 2022, 35(4): 317-323. DOI:10.7538/tws.2021.youxian.066 |