Gafchromic EBT3薄膜在中子照射下的放射变色响应

本研究系统评估了Gafchromic? EBT3胶片在缓中子和快中子场中的响应，通过扫描及光谱分析发现其RGB通道光学密度与中子通量高度相关，缓中子场灵敏度显著更高。Urbach能量可有效表征 neutron irradiation induced structural changes，为放射治疗中子剂量验证提供新方法。

　　

Omar M. Kotb | Elsayed K. Elmaghraby | M. El Ghazaly | Amal Mohamed

埃及扎加齐格大学理学院物理系，44519扎加齐格

摘要

系统研究了Gafchromic^TM EBT3薄膜对慢中子和快中子场的响应，以评估其作为中子探测器的潜力。EBT3薄膜在高分辨率中子剂量计中的可靠性使其适用于基于中子的放射治疗，其中准确的中子通量映射对于治疗计划和验证至关重要。通过平板扫描和紫外-可见光吸收光谱分析量化了薄膜的响应，以确定其光学特性，如带隙和Urbach能量。慢中子和快中子都引起了可测量的光学密度变化，这表明薄膜通过内部转换机制（质子反冲等）具有内在的中子敏感性。

平板扫描分析显示，在红色、绿色和加权灰色通道中存在有用的动态范围，并且这些范围与中子通量高度相关。与快中子场相比，慢中子场下的响应显著更高，且达到饱和的速度更快。这种增强的敏感性归因于慢中子场中固有的即时和延迟伽马辐射的叠加效应，这给仅使用中子的剂量测量带来了挑战。结果表明，Urbach能量是一个高度敏感的参数，优于标准的光学密度和带隙测量方法，可用于表征中子辐照的结构效应，为传统的通量估计提供了一种补充技术。

引言

高线性能量传递（LET）辐射在放射治疗中具有独特优势，因为它能够在定义明确的体积内分配大量能量，从而催生了诸如质子治疗、快中子治疗和硼中子俘获治疗（BNCT）等新型疗法[1][2][3]。在快中子治疗和BNCT中，由于中子是主要的治疗粒子，因此准确绘制中子通量图非常重要，尤其是在治疗前规划和束流与人体相互作用之前。因此，中子束的评估不仅是基于中子的放射治疗中的难点，也是许多高能X射线和加速器治疗装置[4][5]以及辐射检测研究[6]中的难点，而中子辐射的相对生物效应（RBE）值较大进一步增加了这一复杂性。

放射变色薄膜作为一种被动二维（2D）探测器，是金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）[7]、齐纳二极管[8]和光刺激发光（OSL）剂量计[9]等主动剂量计的有希望的替代品。这些薄膜具有多种优点，包括出色的空间分辨率、宽治疗剂量范围、自显影能力、使用方便、低能量依赖性、接近组织等效性、良好的光隔离性和防水性，使其适用于水模[10][11][12][13][14][15][16]。Gafchromic^TM EBT3薄膜是对EBT2型的改进，其对称结构可以最小化牛顿环效应[14][15][16][17][18][19][20]。该薄膜由一层${}^6\text{Li}\left(n{,}^3\text{H}\right)\alpha$反应产生的活性层组成，厚度为$28\mu m，其中含有标记染料、稳定剂和其他添加剂，对各种类型的辐射都具有低能量依赖性和敏感性，并夹在两个透明聚酯背衬之间。$

鉴于上述基于中子的放射治疗的重要性，当前的中子探测技术在临床应用中存在显著限制。传统的剂量计，包括活化箔、气泡探测器和热释光剂量计，空间分辨率较低（通常$>1毫米），能量依赖性需要复杂的校正因子，并且无法提供二维剂量分布。这些限制可能会影响治疗精度，从而导致次优的临床结果。所提出的放射变色薄膜解决方案提供了亚毫米级的空间分辨率（低至$$25\mu m），能够精确绘制关键结构周围的剂量分布。接近组织等效性可以减少校正因子，并同时测量中子和伽马成分；最重要的是，它提供了长期有效的剂量记录，用于治疗验证。从患者角度来看，这些技术优势意味着更精确的肿瘤定位、减少正常组织并发症，并可能提高局部控制率。此外，治疗后能够验证实际输送的剂量，从而提高放射治疗项目的质量保证，这对于分次治疗尤为重要，因为每次分次治疗都具有较高的生物效应。$

本研究调查了EBT3放射变色薄膜对慢中子和快中子谱的响应。通过两种不同的光学测量方法评估了薄膜的响应：紫外-可见光吸收光谱分析和平板扫描，分析了红色、绿色和蓝色（RGB）通道。主要目标是确定薄膜的颜色通道水平与中子通量之间的相关性，并确定辐照后薄膜的光学带隙和Urbach能量的变化。

EBT3放射变色薄膜

本研究使用了Gafchromic? EBT3放射变色薄膜。这些薄膜是商业购买的，按照制造商的规格进行处理，无需额外准备。每个薄膜样本使用精密手术刀在昏暗的光线下切割成2厘米×2厘米的块状。所有测量过程中，薄膜直接放置在扫描仪玻璃或分光光度计样品架上，无需额外的背衬材料。这种薄膜是一种用于放射治疗的自显影薄膜。

光学响应和颜色通道分析

EBT3放射变色薄膜在表2所示的不同时间持续时间内接受了指定的慢中和快中子场的辐照，对应不同的中子通量。图1和图2分别展示了用慢中和快中子辐照的一些样品薄膜。

从视觉上看，随着中子暴露量的增加，EBT3薄膜的颜色从原来的浅绿色逐渐变为更深的绿色/蓝绿色（图1、图2）。

结论

对Gafchromic^TM EBT3薄膜在慢中和快中子场下的响应特性研究表明，它们通过内部转换机制具有中子剂量测量的潜力，无需外部转换器。主要结果从中子相互作用机制、光谱灵敏度和伽马辐射贡献、动态范围和线性以及Urbach能量与带隙能量的变化等方面进行了解释。

CRediT作者贡献声明

Omar M. Kotb：撰写 – 审稿与编辑、资源准备、方法论、数据管理。Elsayed K. Elmaghraby：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、资源准备、形式分析、概念化、验证。M. El Ghazaly：撰写 – 审稿与编辑、软件开发、资源准备、形式分析、概念化。Amal Mohamed：撰写 – 审稿与编辑、资源准备。

资助

作者们没有为这项研究和文章的撰写获得任何财务支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。