同步加速器质子治疗设施中中子探测器性能比较与辐射防护评估：实验与蒙特卡洛模拟研究

本研究针对同步加速器质子治疗设施中中子辐射监测难题，通过实验与TOPAS蒙特卡洛模拟，系统评估了WENDI-II/LUPIN-II环境剂量当量(H*(10))探测器及五种个人剂量当量(Hp(10))剂量计的性能。研究发现WENDI-II读数平均高14%，DOPEN径迹探测器与气泡探测器偏差最小(-33%)，TOPAS模拟与实验趋势一致（差异0-32%），为同步加速器设施的辐射防护提供了重要数据支持。

　　

在当今精准医疗时代，质子治疗因其"布拉格峰"特性成为肿瘤放疗的重要手段。然而鲜为人知的是，当高能质子束轰击治疗室内的物质时，会产生能量跨度惊人的次级中子辐射——从0.025 eV的"慢热"中子到与入射质子同量级的"极速"中子。这种看不见的"中子雨"不仅威胁医护人员安全，更可能影响治疗效果评估。尤其在欧洲首个采用日立同步加速器的西班牙纳瓦拉大学诊所质子中心（Clínica Universidad de Navarra），中子监测面临特殊挑战：传统探测器能否适应同步加速器特有的脉冲束流结构？不同原理的剂量计测量结果能否互换？

为解决这些问题，该机构联合西班牙能源环境技术研究中心（CIEMAT）的研究团队开展了一项开创性研究。他们创新性地将实验测量与TOPAS（基于Geant4的蒙特卡洛工具包）模拟相结合，在治疗室内设置20个监测点，系统比较了两种环境监测仪（WENDI-II和LUPIN-II）和五种个人剂量计（气泡探测器、DOPEN径迹探测器、NeutrakT、MCP6/MCP7热释光剂量计及NRF51电子个人剂量计）的性能差异。研究采用30×30×60 cm³固体水模体，照射10×10×10 cm³靶区（质子能量121-173 MeV），通过Bland-Altman统计分析和中子能谱解析，揭示了探测器间的量化关系。

关键技术方法包括：1) 使用扩展能量范围探测器测量H*(10)；2) 多类型个人剂量计同步布点测量H_p(10)；3) TOPAS模拟计算中子能谱及剂量当量；4) 通过14-20个空间位点的剂量分布建立三维防护模型。

【中子剂量在治疗室的分布】

实验数据显示，距离等中心0.45 m的束流方向位置（16号点）记录到最高H*(10)值218 μSv/Gy，而4.7 m外90°方位（14号点）仅检测到1.3 μSv/Gy。角度依赖性分析表明，中子场强度随偏离束流角度增大呈指数衰减，蒙特卡洛模拟成功再现了这一空间分布规律，验证了TOPAS在同步加速器环境下的适用性。

【探测器性能比较】

WENDI-II与LUPIN-II的测量差异揭示了一个有趣现象：前者读数系统性偏高14%，这可能源于二者对高能中子响应特性的差异。在个人剂量计中，CIEMAT研发的DOPEN径迹探测器表现突出，与气泡探测器偏差仅-33%，远优于商用NeutrakT（因高探测限导致性能受限）。值得注意的是，NRF51电子剂量计作为首款在质子治疗中心评估的该类设备，其数据填补了该领域的技术空白。

【蒙特卡洛验证】

TOPAS模拟与实验值的偏差范围（0-32%）表明，除涉及PMMA（有机玻璃）显著衰减的位置外，模拟能准确预测中子场行为。能谱分析更发现：随着距离增加，热中子占比显著升高，这解释了某些探测器在远距离点性能变化的原因。

这项发表于《Physica Medica》的研究具有三重里程碑意义：首次建立了同步加速器质子设施的中子剂量数据库，为欧洲同类在建中心（如意大利项目）提供了设计参考；证实WENDI-II/LUPIN-II组合监测方案的可靠性，解决了脉冲束流下的剂量监测难题；特别重要的是，研究提出的"DOPEN径迹探测器+气泡探测器"个人剂量组合方案，为西班牙等缺乏官方中子个人剂量服务的国家提供了合规解决方案。正如研究者强调的，这些发现不仅优化了辐射防护实践，更开创性地将蒙特卡洛模拟应用于事故剂量重建——当意外照射发生时，可通过模拟数据反推工作人员实际受照剂量，这项技术突破对保障质子治疗安全性具有深远影响。