掺杂石英光纤辐射传感器的制备及其在放疗剂量监测中的应用

Radiotherapy is an important treatment method. The monitoring and verification of delivering dose ensure an effective and safe radiotherapy treatment for patients. In recent years, the development of new radiotherapy techniques requires dosimeter having higher sensitivity and spatial resolution, and providing real time and in vivo measurements. The conventional dosimeters have been unable to meet the requirements. In this proposal, we plan to develop a silica optical fiber dosimeter by using scintillation materials doped silica fiber as sensors. The main contents include that analyzing luminescent mechanism and characteristics of doped elements in the silicon dioxide (SiO2) network structure according to the principle of atomic physics and solid luminescence, combined with first-principles calculation method; studying the fabricating technique and sensing properties related with doped elements, concentration and methods; and investigating the dose response, dose rate, energy and angle dependence of silica optical fiber dosimeter in the dose range for radiotherapy. The developed silica optical fiber dosimeter will be able to meet the requirements of dose monitoring and verification for new radiotherapy techniques, and provide more accurate, effective and safer treatment for cancer patients.

放疗是治疗肿瘤的重要手段，对患者吸收剂量的监测和验证是放疗有效和安全的重要保障。近年来发展的放疗新技术，要求剂量计具有更高的灵敏度和空间分辨率，并且能够进行实时在体（in vivo）监测，常规的剂量计已经无法满足要求。本项目拟采用掺杂发光材料的石英光纤作为辐射传感器，研究和制备一种新型的用于放疗的石英光纤剂量计。主要研究内容包括，运用原子物理和固体发光原理，并结合第一性原理计算方法，从微观结构上研究掺杂元素在二氧化硅（SiO2）网格中的发光机理和辐射致发光光谱的特性；从掺杂元素、掺杂方式和掺杂浓度等方面研究石英光纤传感器的制备技术及其相关传感特性；从辐射能量、剂量、剂量率和照射角度等方面研究光纤剂量计在放疗剂量范围内对电离辐射的响应特性。本项目研究成果将能满足放疗新技术对剂量监测和验证的要求，为肿瘤患者提供更加有效、精准和安全的放射治疗。

以掺杂发光材料的石英光纤作为辐射传感器的测量系统，也称石英光纤剂量计，具有探头体积微小，空间分辨率高，与传输光纤兼容性好等优点，并且石英光纤具有良好的环境适应性，不受温度、湿度等环境条件的影响，特别是可以避免电磁干扰，因此能够实现远程、在体、实时的辐射剂量监测，在电离辐射测量领域，特别是对放疗剂量的实时在体监测，有着重要的应用前景。本项目以研制石英光纤辐射传感系统为目标，围绕石英光纤发光材料的合成、石英闪烁光纤的制备和石英光纤辐射传感系统的设计三个方面，进行了全面的系统的研究，具体研究内容和重要结果如下：（1）利用密度泛函理论，通过高斯程序，构建了掺杂发光元素的石英材料的微结构模型，经过优化计算获得了发光中心的发光特性参数，从理论上阐明了掺杂元素在石英材料中的发光机理。同时，分别利用溶胶凝胶法和共沉淀法，合成了掺杂发光元素的石英光纤材料，测试分析了发光材料的发光特性。理论和实验的研究结果表明，掺杂三价铈离子的发光材料，发光效率高，闪烁特性好；掺杂三价镱离子的发光材料在近红外的发光可以有效避开光纤中的缺陷发光和切伦科夫发光，更易于传输；铈镱共掺可以有效提高镱的发光效率。三种方式掺杂的发光材料均适用于制备石英光纤辐射传感器，即石英闪烁光纤。（2）在探索了用常规方法制备石英闪烁光纤的基础上，提出了用改进的插棒法，成功制备了石英包层晶体纤芯的石英闪烁光纤，并具体针对石英包层YAP:Ce闪烁光纤的制备工艺技术进行了全面的优化，制备的闪烁光纤闪烁特性好，并且具有较大的折射率差和较宽的发射光谱。（3）以石英包层YAP:Ce闪烁光纤作为辐射传感光纤，搭建了一套全光纤的辐射传感系统，通过对伽马辐射源钴60和放疗用医用加速器辐射进行测试，结果表明石英光纤辐射传感系统对辐射剂量和剂量率均有良好的响应，并且辐射响应和剂量大小具有很好的线性关系。