在FLASH电子束条件下，对自主研发的亚毫米间距平行板电离室进行的性能研究

《Radiation Measurements》：Performance Study on an In-House-Developed Submillimeter-Spacing Parallel-Plate Ionization Chamber under FLASH Electron Beam

本研究设计并开发了一种亚毫米间距平行板电离室（UHDR IC），用于超高通量放疗（FLASH-RT）电子束剂量测量。通过Gotz一维传输模型和有限元分析确定关键结构参数，验证其漏电流（±3 fA）、电荷收集饱和电压（200-400 V）、长期稳定性（0.64%）及剂量线性（R2=0.99989），与Alanine剂量计结果一致，极化效应达10.29%，证实其适用于FLASH放疗剂量学。

　　

刘子强|秦佳佳|王冠博|郝艳梅|程建波|张晓乐|王华贵|邓宁琴|杭中兵|李德宏|刘传峰

中国南方大学，衡阳，421001

摘要

在超高剂量率（UHDR）条件下进行精确的剂量测量仍然是实现FLASH放疗的一个主要挑战。本研究设计并开发了一种亚毫米间距平行板电离室（UHDR IC），用于UHDR电子束的测量。利用Gotz一维传输模型和有限元分析得出了UHDR IC的关键结构参数。该电离室的电极间距为0.236毫米，灵敏体积为18.54立方毫米。其在60Co γ射线场以及由FLASH加速器提供的UHDR电子辐照下的性能得到了验证。UHDR IC的泄漏电流小于±3 fA，在200–400伏特电压下达到电荷收集饱和，并表现出长期稳定性，八个月内的变化率为0.64%。剂量线性在5–45 Gy范围内保持良好，决定系数R2=0.99989；每次脉冲的剂量线性（DPP线性）在0.41至1.63 Gy范围内也得到保持，R2=0.99892。UHDR IC的响应与用作绝对剂量测量的丙氨酸剂量计的结果一致。在UHDR辐照下，极化效应变得显著，达到了10.29%。结果表明，UHDR IC具有稳定的性能，能够提供可靠的UHDR辐照测量结果，为FLASH剂量测量提供了一种替代检测器选项。

引言

FLASH放疗（FLASH-RT）以超过40 Gy/s的超高剂量率（每次脉冲剂量>0.6 Gy/pulse）进行辐照，已被证明可以减少正常组织的毒性、缩短治疗时间，并可能降低总体治疗成本（Tao等人，2025年；Ashraf等人，2020年）。这些现象通常被称为“FLASH效应”（McManus等人，2020年；Favaudon等人，2019年；Chabi等人，2021年；Zhu等人，2023年；Vozenin等人，2019年；Schuler等人，2017年；Esplen等人，2020年），这激发了人们对UHDR辐照临床应用的兴趣日益增加。

尽管具有这些优势，但可靠的剂量测量仍然是实施FLASH-RT的主要挑战之一（Boag等人，1996年）。在UHDR条件下，传统电离室会出现明显的离子复合和饱和现象，导致测量结果严重偏低且不确定性增加（Di Martino等人，2005年；Petersson等人，2017年；Laitano等人，2006年；Bourgouin等人，2022年）。缺乏准确且可追溯的参考剂量测量方法继续阻碍了FLASH技术的广泛应用。

已经研究了一系列替代检测器，包括量热计、基于闪烁体的系统和半导体器件，用于UHDR应用。然而，诸如剂量率依赖性、有限的时间分辨率和系统复杂性等问题限制了它们的实用性（Gotz等人，2017年；Marinelli等人，2022年；Velthuis等人，2017年；Khanna等人，2022年；Bisogni，2021年）。发光检测器，如光刺激发光（OSL）和热释光（TL）剂量计，由于其在剂量率上的独立性和小体积，被广泛用于放射生物学中的FLASH实验，但它们依赖于辐照后的读出和信号处理，因此不适用于UHDR条件下的实时束流监测或参考剂量测量（Karsch等人，2012年）。胶片剂量测量也常用于FLASH测量（Spzala等人，2021年）；尽管其剂量响应基本不受剂量率影响，但延迟和非线性的颜色发展限制了其实时读出的能力，从而影响了其在调试或参考剂量测量中的适用性（Jaccard等人，2017年；Karsch等人，2012年）。

平行板电离室非常适合高每次脉冲剂量的电子束剂量测量，因为较小的电极间距可以缩短离子传输时间并减轻空间电荷效应。现有的商用电离室在这种条件下仍存在显著的离子复合损失，限制了其在UHDR领域的应用（Lang等人，2025年；Andreo等人，2000年）。

在这项工作中，开发了一种亚毫米间距的平行板电离室（UHDR IC），用于UHDR电子束剂量测量。利用Gotz一维传输模型和有限元分析得出了该电离室的关键结构参数。该电离室在60Co γ射线场以及UHDR辐照下进行了性能验证，使用丙氨酸剂量计作为绝对剂量参考。本研究旨在评估自主研发的电离室在UHDR电子束辐照下的性能。

章节摘录

电离室设计

所开发的电离室采用平行板配置，包括一个高压电极、一个收集电极和一个防护环。高压电极由聚醚醚酮（PEEK，密度：1.32 g/cm3，化学式：C??H??O?）制成，因其高电稳定性、低湿度敏感性和最小的热膨胀性而被选中，这些特性有利于保持亚毫米级的电极间距。入口窗和后壁都采用了...

泄漏电流

泄漏电流是指在没有辐照的情况下，由于电极材料、绝缘组件或外部因素引起的微小残余电流。在-400伏至+400伏的偏压范围内测量了泄漏电流。如图7所示，泄漏电流在整个电压范围内保持在±3 fA以内。该电离室的亚毫米电极间距专为UHDR应用设计，优化的防护环设计对此起到了重要作用...

讨论

对于FLASH放疗剂量测量，已经提出了多种检测器，包括基于钻石的检测器和专为FLASH放疗设计的电离室。

钻石检测器具有几个关键优势，例如极快的电荷收集时间、非常小的灵敏体积以及在超高每次脉冲剂量（DPP）条件下的剂量率独立性。商用设备，如flashDiamond（PTW）和SC-CVD（单晶化学气相沉积）...

结论

在这项研究中，利用Gotz一维传输模型和有限元分析确定了亚毫米间距平行板电离室的关键结构参数。基于这些结果，成功开发了一种电极间距为0.236毫米的原型电离室。其性能在中国国家计量研究院（NIM）的60Co γ射线场以及West的e-Flash200A系统提供的UHDR电子束辐照下进行了评估...

CRediT作者贡献声明

刘传峰：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、概念构思。刘子强：撰写 – 初稿撰写、方法论、实验研究、数据分析。秦佳佳：实验研究、数据管理。王冠博：方法论、实验研究、数据管理。邓宁琴：实验研究。杭中兵：监督、项目管理和方法论、数据分析。郝艳梅：方法论、实验研究。

未引用参考文献

Bourgouin等人，2022年。

利益冲突声明

作者声明本研究在没有任何可能被视为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行。

致谢

作者感谢中国国家计量研究院（NIM）通过基础研究基金[AKYZD2311-2]的关键领域研究项目和国家自然科学基金青年项目[ZRQN2603]提供的财政支持。作者还感谢四川大学华西医院提供的实验支持。