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用于质子治疗剂量测量的新型掺杂Gd3+的硅基光纤材料

DOI：10.1038/s41598-019-52608-5 期刊：Scientific Reports 出版年份：2019 更新时间：2025-09-16 10:30:52
摘要： 光纤凭借其卓越的空间分辨率和质子束中无明显切伦科夫辐射污染的特性，在小野质子治疗精准剂量测定领域展现出应用前景。大多数闪烁体探测器存在一个已知缺陷：当处于高线性能量转移区域（如质子束布拉格峰区域）时会出现信号淬灭现象。本研究采用溶胶-凝胶技术制备新型光纤体材料，探究其在质子治疗剂量测定中的潜力。该类玻璃由非晶态二氧化硅(SiO2)掺杂钆离子(Gd3+)构成，在质子辐照下会呈现约314纳米的独特发光带，展现出优异的发光特性。这些光纤由里尔大学研制，并在TRIUMF质子治疗设施中采用8.2-62.9 MeV质子束及2-6 nA引出束流进行测试。我们测量了剂量率依赖性和淬灭效应，并与同样采用溶胶-凝胶技术制备的掺铈(Ce3+)和铜(Cu+)二氧化硅光纤进行对比。三种光纤在辐照下均呈现强紫外(Gd)或可见光(Cu,Ce)发光，其发射强度与质子通量直接相关。值得注意的是，直径0.5毫米的Gd3+掺杂光纤展现出更优的布拉格峰分辨率，其Birks常数kB为(0.0162±0.0003) cm/MeV，显著低于Ce3+光纤的(0.0333±0.0006) cm/MeV和Cu+光纤的(0.0352±0.0003) cm/MeV，表明其淬灭效应明显减弱。据我们所知，这是首次报道二氧化硅基光纤材料具有如此优异的kB值，明确显示该光纤比常规塑料闪烁体具有更低的淬灭特性。该结果表明这种无机光纤材料在质子治疗剂量测定领域具有重要应用潜力。
作者： C. Hoehr，A. Morana，O. Duhamel，B. Capoen，M. Trinczek，P. Paillet，C. Duzenli，M. Bouazaoui，G. Bouwmans，A. Cassez，Y. Ouerdane，S. Girard，A. Boukenter，H. El Hamzaoui
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

利用溶胶-凝胶技术研究创新光纤块体材料在质子治疗剂量测定中的潜力。

研究成果

掺杂钆离子（Gd3+）的光纤材料因其尺寸微小、剂量率依赖性良好且对质子能量依赖性弱，在高传能线密度区域可降低猝灭效应，成为质子治疗剂量测量的理想候选材料。研究发现，该掺钆光纤的Birks常数kB显著低于掺铈（Ce3+）和掺铜（Cu+）光纤，表明其猝灭效应更弱。这一结果证实了该无机光纤材料在质子治疗剂量测量领域具有巨大应用潜力。

研究不足

探测器直径为0.5毫米可能导致布拉格峰在空间上无法完全分辨，且体积平均效应可能干扰对猝灭特性的单独表征。采用直径250微米或更小的探测器或许能解决布拉格峰区域的体积平均问题。

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