切伦科夫辐射“双成像法”测量电子束发射度

利用切伦科夫辐射,OTR或荧光靶等光学诊断方法进行发射度测量,国内外绝大部分实验是用CCD相机观测电子束打靶产生的光斑,变化四极透镜的磁场梯度,应用“三梯度法”计算出发射度.文中提出了一种新的“双成像法”测量方法,使切伦科夫辐射光通过一长焦距的消色差薄透镜,分别在焦平面和像平面获取图像.通过图像处理,前者可分析出电子束散角分布,后者可分析出电子束径向分布,从而直接得到均方根发射度.该方法对束流相空间和电荷密度分布无需假设,无需借助“三梯度法”,较其他常规测量方法具有实验装置更简便、测量精度更高和适用性更广等优点.文中给出了该测量方法对北京大学DC?SC光阴极注入器的发射度测量进行计算机模拟实验的结果和分析.     

利用切伦科夫进行电子束发散角测量的模拟研究北大核心CSCD

利用切伦科夫辐射方向性极好的特性进行电子束发散角的测量是一个比较有希望的方法,但转换靶材料对电子的库伦作用力等因素又使得电子束散角展宽,对发散角的测量产生影响。在将转换靶划分成多重薄片并以串联的形式构建了靶模型,考虑了库仑力、多重散射、轫致辐射、电离等全物理过程作用效果的情况下,利用蒙特卡罗模拟软件相关程序对电子在靶材料中的发散过程进行了仿真。基于电子束散角分布与切伦科夫辐射光子分布相对应的原理,完成了对电子束发散角测量技术的模拟,获得了转换靶材料及其厚度、电子束能散、测量系统光学带宽等对电子束发散角测量的影响规律,为测量系统的设计及数据反演处理工作提供了指导性的建议。模拟结果显示,基于切伦科夫辐射进行电子束发散角测量的方法具有可行性,具有一定的对电子束发散角分布进行测量的能力。     

利用切伦科夫辐射进行电子束发散角及分布概况的测量技术研究

针对切伦科夫辐射特点,采用厚度尽量小的石英薄片作为转换靶,并将电子束以切伦科夫辐射角入射转换靶的形式构成一种电子束发散角分布的测量布局,并基于焦平面成像原理,研制了相应的电子束发散角光学测量系统。在强流脉冲直线感应加速器上完成了装置研制和测试工作,显示了电子束发散角分布测量系统可以获得电子束一定方向上的散角分布概况,测量结果具有一定的可信度,具有装置结构简单、数据处理难度低及速度快等特点。     

水下切伦科夫光光斑的蒙特卡罗模拟

分别采用分出截面法和积累因子法计算了水下放射性源透过一次屏蔽体的中子与射线的剂量场分布,并在这些分布条件下,利用Geant4软件射线在穿越二次屏蔽体后继而穿越后续水层,计算出在3 m水层中产生的切伦科夫(Cherenkov)光通量分布和光谱分布。以纯水为传播介质,在考虑Cherenkov光在不同水层中传播所造成的几何衰减和水层吸收等因素后,由计算获得了Cherenkov光光斑大小和强度分布。     

水下切伦科夫光光斑的蒙特卡罗模拟

分别采用分出截面法和积累因子法计算了水下放射性源透过一次屏蔽体的中子与射线的剂量场分布,并在这些分布条件下,利用Geant4软件射线在穿越二次屏蔽体后继而穿越后续水层,计算出在3 m水层中产生的切伦科夫(Cherenkov)光通量分布和光谱分布。以纯水为传播介质,在考虑Cherenkov光在不同水层中传播所造成的几何衰减和水层吸收等因素后,由计算获得了Cherenkov光光斑大小和强度分布。     

填充等离子体的介质同轴波导中的切伦科夫辐射

 利用自洽线性场理论，导出了薄环形相对论电子注通过填充等离子体的介质同轴波导中的注波互作用色散方程，得到了注波互作用产生切伦科夫辐射的同步条件和波增长率。分析了填充等离子体后的波与电子注之间的能量交换及等离子体密度对色散特性、波增长率和注波能量交换的影响。分析结果表明：切伦科夫辐射是由沿介质同轴波导传播的慢波与沿薄环形相对论电子注传播的负能空间电荷波耦合所致，且其耦合强度与电子注的密度成正比；输出频率和波增长率随着填充等离子体密度的增大而提高；保持一定的输出频率，增大电子注的束流可得到高的微波输出功率。     

水下Co-60源切伦科夫辐射的蒙卡模拟

随着核应用领域的不断拓宽,放射源丢失事故发生的概率也随之增加。机载伽马谱仪可有效搜寻地面放射源,然而对于放射源丢失于水域的情况,由于伽马射线经由水层屏蔽后可探测性降低,故利用放射源在水中产生的切伦科夫辐射对其进行搜寻显得十分重要。采用MCNP与Geant4相结合的方法,以及在Geant4程序中采用接续计算技巧,对Co-60源在水中的切伦科夫光产生以及传输进行了计算,计算表明,切伦科夫光经水中传播后,主要波段在300~600 nm,强度呈由边缘到中心渐强的特征分布,分布范围大致与放射源在水中的深度一致,在水中传输300 m后其光通量约为100 cm^-2,可利用光谱特征和强度分布特征对其进行测量。     

大气切伦科夫望远镜

两台自动跟踪大气切伦科夫望远镜已经在北京天文台兴隆观测站投入运行,它们用于寻找甚高能γ射线点源和研究点源的发射特性以及探测甚高能γ射线强度的空间分布. 本文介绍望远镜的结构和牲能以及在观测条件下的测试结果.     

水基切伦科夫μ子探测器的研究

利用高速带电粒子在透明介质中产生切伦科夫辐射的特性,以蒸馏水作为辐射介质,搭建了一个小尺寸(π×22.52cm2×45 cm)的切伦科夫探测器,对能量在GeV量级的μ子进行了相应的测量,考虑其他能量损耗、光传输和收集效率、阴极量子效率后,实验结果与理论估计值有比较高的相符度,可以初步断定仪器具备探测GeV量级μ子的能力.     

空间辐射环境及人体剂量蒙特卡罗模拟

针对空间辐射环境进行了理论分析,并使用蒙特卡罗方法,对银河宇宙射线及典型太阳质子事件进行了模拟。通过分析常规屏蔽对空间辐射场及人体剂量的影响、屏蔽下的次级粒子产额等,验证了蒙特卡罗工具包Geant4应用于空间辐射防护研究的准确性。模拟发现：在常规屏蔽厚度的情况下,对于太阳质子事件,由于其能量主要分布在低能量段(100 MeV以下),屏蔽效果随屏蔽厚度的增加明显增大,1 g/cm2 Al等效厚度屏蔽皮肤剂量可降低至其初始剂量值的8%左右,10 g/cm2 Al等效厚度的屏蔽可降低至初始剂量值的048%左右;而对于银河宇宙射线,由于其平均能量较高,屏蔽层的屏蔽作用并不明显,在浅层组织剂量甚至有所增加。     

蒙特卡罗技术在放射诊断剂量快速计算中的应用

采用蒙特卡罗（MC）技术研究放射性核素131I的放疗特性。给出了131I衰变过程的MC抽样表达式,实现了含电子和光子的混合抽样模拟。对水客体中131I衰变的MC模拟结果表明：131I能够有效地治疗甲状腺肿瘤而几乎不影响正常组织。变密度客体的MC模拟结果表明：沉积能量与面密度之间的关系与密度无关,满足卷积核自适应的要求;并且MC模拟能够提供剂量卷积核函数,为快速剂量计算提供数据。     

蒙特卡罗技术在放射诊断剂量快速计算中的应用

采用蒙特卡罗（MC）技术研究放射性核素131I的放疗特性。给出了131I衰变过程的MC抽样表达式,实现了含电子和光子的混合抽样模拟。对水客体中131I衰变的MC模拟结果表明:131I能够有效地治疗甲状腺肿瘤而几乎不影响正常组织。变密度客体的MC模拟结果表明:沉积能量与面密度之间的关系与密度无关,满足卷积核自适应的要求;并且MC模拟能够提供剂量卷积核函数,为快速剂量计算提供数据。     

Benchmarking and validation of a Geant4–SHADOW Monte Carlo simulation for dose calculations in microbeam radiation therapy

Microbeam radiation therapy (MRT) is a synchrotron‐based radiotherapy modality that uses high‐intensity beams of spatially fractionated radiation to treat tumours. The rapid evolution of MRT towards clinical trials demands accurate treatment planning systems (TPS), as well as independent tools for the verification of TPS calculated dose distributions in order to ensure patient safety and treatment efficacy. Monte Carlo computer simulation represents the most accurate method of dose calculation in patient geometries and is best suited for the purpose of TPS verification. A Monte Carlo model of the ID17 biomedical beamline at the European Synchrotron Radiation Facility has been developed, including recent modifications, using the Geant4 Monte Carlo toolkit interfaced with the SHADOW X‐ray optics and ray‐tracing libraries. The code was benchmarked by simulating dose profiles in water‐equivalent phantoms subject to irradiation by broad‐beam (without spatial fractionation) and microbeam (with spatial fractionation) fields, and comparing against those calculated with a previous model of the beamline developed using the PENELOPE code. Validation against additional experimental dose profiles in water‐equivalent phantoms subject to broad‐beam irradiation was also performed. Good agreement between codes was observed, with the exception of out‐of‐field doses and toward the field edge for larger field sizes. Microbeam results showed good agreement between both codes and experimental results within uncertainties. Results of the experimental validation showed agreement for different beamline configurations. The asymmetry in the out‐of‐field dose profiles due to polarization effects was also investigated, yielding important information for the treatment planning process in MRT. This work represents an important step in the development of a Monte Carlo‐based independent verification tool for treatment planning in MRT.     

Analysis of the relationship between neutron dose and Cerenkov photons under neutron irradiation through Monte Carlo method

To theoretically explore the feasibility of neutron dose characterized by Cerenkov photons, the relationship between Cerenkov photons and neutron dose in a water phantom was quantified using the Monte Carlo toolkit Geant4. Results showed that the ratio of the neutron dose deposited by secondary electrons above Cerenkov threshold energy to the total neutron dose is approximately a constant for monoenergetic neutrons from 0.01 eV to 100 eV. With the initial neutron beam energy from 0.01 eV to 100 eV, the number of Cerenkov photons has a good correlation with the total neutron dose along the central axis of the water phantom. The changes of neutron energy spectrum and mechanism analysis also explored at different depths. And the ratio of total neutron dose to the intensity of Cerenkov photons is independent of neutron energy for neutrons from 0.01 eV to 100 eV. These findings indicate that Cerenkov radiation also has potential in the application of neutron dose measurement in some specific fields.     

Measurement-based Monte Carlo simulation of high definition dose evaluation for nasopharyngeal cancer patients treated by using intensity modulated radiation therapy

Measurement-based Monte Carlo (MBMC) simulation using a high definition (HD) phantom was used to evaluate the dose distribution in nasopharyngeal cancer (NPC) patients treated with intensity modulated radiation therapy (IMRT). Around nasopharyngeal cavity, there exists many small volume organs-at-risk (OARs) such as the optic nerves, auditory nerves, cochlea, and semicircular canal which necessitate the use of a high definition phantom for accurate and correct dose evaluation. The aim of this research was to study the advantages of using an HD phantom for MBMC simulation in NPC patients treated with IMRT. The MBMC simulation in this study was based on the IMRT treatment plan of three NPC patients generated by the anisotropic analytical algorithm (AAA) of the Eclipse treatment planning system (Varian Medical Systems, Palo Alto, CA, USA) using a calculation grid of 2 mm². The NPC tumor was treated to a cumulative dose of 7000 cGy in 35 fractions using the shrinking-field sequential IMRT (SIMRT) method. The BEAMnrc MC Code was used to simulate a Varian EX21 linear accelerator treatment head. The HD phantom contained 0.5 × 0.5 × 1 mm³ voxels for the nasopharyngeal area and 0.5 × 0.5 × 3 mm³ for the rest of the head area. An efficiency map was obtained for the amorphous silicon aS1000 electronic portal imaging device (EPID) to adjust the weighting of each particle in the phase-space file for each IMRT beam. Our analysis revealed that small volume organs such as the eighth cranial nerve, semicircular canal, cochlea and external auditory canal showed an absolute dose difference of ≥200 cGy, while the dose difference for larger organs such as the parotid glands and tumor was negligible for the MBMC simulation using the HD phantom. The HD phantom was found to be suitable for Monte Carlo dose volume analysis of small volume organs.     

面向个人剂量计校准的小尺度伽玛参考辐射模拟研究

针对伽玛射线个人剂量计基于标准伽玛参考辐射进行校准时检定效率低、校准工作复杂和需要远程送检的关键技术问题,建构了1 Ci ¹³⁷Cs放射源小尺度参考辐射场物理模型,采用蒙特卡罗方法,研究了小尺度参考辐射场内的剂量分布、装置结构和待检剂量计变化导致散射射线对剂量场的影响,获得了待检剂量计形状、数量、类型和装置结构产生的散射伽玛射线对小尺度参考辐射量值定度的影响结果。研究结果表明,1 Ci ¹³⁷Cs可以为小尺度参考辐射辐射场检验点提供1.5 mSv/h的伽玛遂行剂量率,辐照个人剂量计载台直径30 cm束斑上的剂量率相对标准偏差约为0.48%。当载台厚度为20 mm时,散射射线对小尺度参考辐射检验点处剂量率值的影响率为3.27%,高于剂量计尺寸（1.62%）和剂量计数量（0.56%）的影响。     

241Am-Be中子参考辐射的蒙特卡罗模拟研究

研究用于校准场所中子剂量监测仪表的241Am-Be中子参考辐射场计量特性。采用蒙特卡罗方法模拟了空气自由中子参考辐射(FRNR),GB/T 14055规定的最小尺寸中子参考辐射(SRNR)和实际中子参考辐射(ARNR)中不同检验点处中子周围剂量当量率、散射中子占比和能谱分布特征。研究结果表明,空气对FRNR中的剂量率和能谱分布影响小,近似为理想中子参考辐射;采用5%含硼聚乙烯作屏蔽的最小尺寸SRNR可减少热中子,降低散射中子占比,影锥法不适用于小尺寸中子参考辐射中对散射中子的修正;ARNR中的散射中子更少、占比更低,影锥法所得散射中子占比与理论值基本一致。     

中国数字人体男性数学模型建立及外辐射模拟

基于中国数字人男一号高分辨人体结构数据集,通过最小包围盒方法获取中国数字人体男性体素模型各器官空间位置和尺寸信息,建立了中国数字人体男性数学模型,并通过变形实现了不同身高模型的构建。采用蒙特卡罗方法进行了不同能量下光子中子的外部辐射模拟。通过结果对比发现,数学模型与体素模型模拟结果趋势一致,但器官位置和质量对剂量影响较大,低能级下尤为明显。对于不同身高模型,小型个体剂量大于大型个体,深层器官剂量较浅层器官对器官尺寸更为敏感。数学模型定义简单,存储空间小,有利于人体辐射剂量的快速计算。     

中国数字人体男性数学模型建立及外辐射模拟

基于中国数字人男一号高分辨人体结构数据集,通过最小包围盒方法获取中国数字人体男性体素模型各器官空间位置和尺寸信息,建立了中国数字人体男性数学模型,并通过变形实现了不同身高模型的构建。采用蒙特卡罗方法进行了不同能量下光子中子的外部辐射模拟。通过结果对比发现,数学模型与体素模型模拟结果趋势一致,但器官位置和质量对剂量影响较大,低能级下尤为明显。对于不同身高模型,小型个体剂量大于大型个体,深层器官剂量较浅层器官对器官尺寸更为敏感。数学模型定义简单,存储空间小,有利于人体辐射剂量的快速计算。