肿瘤放射物理学复习考试课件-放射物理-3、电离辐射吸收剂量的测量

第三章电离辐射吸收剂量的测量电离辐射沉积能量人体组织生物效应吸收剂量X(γ),电子束§1剂量学中的辐射量及其单位§2电离室测量吸收剂量的原理§3电离辐射质的确定§4吸收剂量的校准§6吸收剂量的其它测量方法§1剂量学中的辐射量及其单位国际辐射单位与测量委员会(ICRU)第33号报告（InternationalCommissiononRadiationUnitsandMeasurements)一、粒子注量（particlefluence)辐射场中以某一点为球心的一个小球，进入该小球的粒子数dN与其截面da的比值/dNda单位:m-2粒子注量率截面da必须垂直于粒子的入射方向二、能量注量（energyfluence）进入辐射场内某点处单位截面积球体的粒子总动能，它等于dR除以da所得的商。/dRda单位J.m-2能量注量率粒子注量和能量注量之间的关系：Emax0EEEdE单能非单能E为粒子能量E为同一位置粒子注量的能谱分布三、照射量（exposure）X（γ）辐射在质量为dm的空气中释放的全部次级电子（正负电子）完全被空气阻止时，在空气中形成的同一种符号的离子总电荷的绝对值（不包括因吸收次级电子发射的轫致辐射而产生的电离）dQ与dm的比值，即/XdQdm单位为C.kg-1。曾用单位为伦琴（R），1R＝2.58×10-4C.kg-1。照射（量）率：单位时间内照射量的增量。注意：1、照射量和照射量率只对空气而言，只是从电离本领的角度说明X射线或γ射线在空气中的辐射场性质，仅适用于X射线或γ射线。2、根据照射量的定义，dQ中不包括次级电子发生轫致辐射被吸收后产生的电离，这在X（γ）射线能量较高时会有明显意义。在单能光子辐射场中，同一点上的照射量X与能量注量Ψ之间的关系：(/).eneXWW=33.97eV四、吸收剂量（absorbeddose）/Dddmdm为被照射物质的质量，为其吸收的辐射能。吸收剂量的国际单位（SI）为：J·kg-1。国际单位专用名称是戈[瑞]（Gy），旧有专用单位为拉德（rad）,1Gy=100rad。d吸收剂量适用于任何类型和任何能量的电离辐射，以及适用于受到照射的任何物质。数值上吸收剂量可表示为:(/)enD五、比释动能（kineticenergyreleasedinmaterial，kerma）不带电电离粒子在质量为dm的介质中释放的全部带电粒子的初始动能之和。/trKdEdmK的单位为J.kg-1；专用名为Gy。比释动能用以衡量不带电电离粒子与物质相互作用时，在单位物质中转移给次级带电粒子初始动能的总和的多少的一个量，因此与吸收剂量不同，比释动能只适用于间接致电离辐射，但适用于任何介质。六、当量剂量（equivalentdose）当量剂量HT等于某一组织或器官T所接受的平均剂量DT，R，经辐射质为R的辐射权重因子（radiationweightfactor）wR加权处理后的吸收剂量。,TRTRRHwD单位为J.kg-1，专用名为希沃特（Sievert），符号为Sv，1Sv＝J.kg-1。当量剂量是辐射防护剂量学的基本的量，是在严格意义上的吸收剂量。辐射权重因子代表特定辐射在小剂量照射时诱发随机性效应的相对生物效应（RBE）的数值。RadiationWeightingfactorsRadiationTypeandEnergyRangeRadiationWeightingFactor,WRXandγrays,allenergies1Electrons,positronsandmuons,allenergies1Neutrons:10keV510keVto100keV10100keVto2MeV202MeVto20MeV1020MeV5Protons,(otherthanrecoilprotons)andenergy2MeV,2-5αparticles,fissionfragments,heavynuclei20[ICRU60,1991]辐射防护中常用的辐射量和单位描述辐射场的量（粒子注量，能量注量）辐射剂量学中使用的量（吸收剂量，比释动能，照射量）辐射防护常用的量限值量（当量剂量，有效剂量等）实用量（剂量当量等）七、照射量、吸收剂量、比释动能的关联和区别（一）间接致电离辐射的能量转移和吸收在放射性治疗中主要指X（γ）辐射，其与介质相互作用损失能量，可以分为两步：（a）全部或部分能量转移，次级电子；（b）大部分次级电子以电离或激发的形式损失能量；而少数次级电子与介质原子的原子核作用，发生轫致辐射产生X射线。光子能量在（a）点释放出次级电子的损失，即光子的能量转移，以比释动能来度量；沿径迹（b）的损失，即光子的能量被介质吸收，以吸收剂量来度量。只有当次级电子的射程很短，能量很低时，此时介质作用点（a）处体积元内所吸收的次级电子能量，即吸收剂量，在数值上恰好等于入射光子释放给作用点（a）处的比释动能。（二）电子平衡利用比释动能计算吸收剂量必须附加的最重要条件之一：电子平衡或广义的带电粒子平衡。“电子平衡”：在O点处，所有离开小体积ΔV的次级电子带走的能量，恰好等于进入小体积ΔV的次级电子带入的能量。（三）照射量和比释动能在电子平衡条件下，并且由次级电子产生的轫致辐射可以忽略时，两者的关系为：WKXe实际上，在低原子序数介质如空气、水、软组织中，比释动能可以分成两部分，即colradKKK因此，空气介质中照射量和比释动能的关系实际为colWKXe（四）照射量和吸收剂量当满足电子平衡条件时，在空气介质中，照射量和吸收剂量数值上的关系照射量和吸收剂量的转换关系式：.aWDXe(/)(/).33.97(/)aDJkgXCkgJC()().0.876(/)aDcGyXRcGyR（五）吸收剂量和比释动能在满足电子平衡条件下，且由次级电子产生的轫致辐射可以忽略时，介质中某一点的吸收剂量和比释动能在数值上是相等的。在电子平衡条件不满足时，引入一个电子平衡系数qe。电子平衡系数定义：表示X（γ）光子辐射在一小体积单位内沉积的能量Edep与在同体积内电离过程中释放的能量Ecol之比，即qe＝Edep/Ecol满足电子平衡时对几个区域的说明：⊙在建成区域内某一体积单元，X()射线产生次级电子的能量并未在此小体积中全部被沉积。即：qe1.0⊙当其深度等于次级电子的最大射程时，X()射线在介质中的衰减可以忽略，满足电子平衡。即：qe=1.0⊙随深度进一步增加，X()射线按指数衰减，使其比释动能下降，X()射线产生的次级电子主要沿入射方向，在某一点沉积能量的次级电子产生于沉积点前面，因此，在平衡点之后qe1.0吸收剂量比释动能照射量电子平衡次级电子的韧致辐射可以忽略.aWDXeD＝KWKXe小结：基本概念照射量、吸收剂量、比释动能（定义、单位）电子平衡及其成立的条件照射量、吸收剂量、比释动能的关联和区别§2电离室测量吸收剂量的原理确定吸收剂量的主要和常用方法：用剂量计测量在介质内设一个充气空腔。如果知道空腔内的带电粒子注量与空腔周围介质中的带电粒子注量之间的关系，就可以由空腔内的电离电荷来确定介质中的吸收剂量。利用电离电荷测量剂量的方法称为电离法。一、电离室的工作机制基本过程：通过测量电离辐射在与物质相互作用过程中产生的次级粒子的电离电荷量，由计算得到吸收剂量。（一）电离室的基本原理电离辐射在灵敏体积内与空气介质相互作用产生次级电子。这些电子在其运动径迹上使空气原子电离，产生正、负离子对。在灵敏体积内的电场作用下，正、负离子向两极漂移在外电路形成电流。在电离平衡条件下，测量到的电荷，理论上应该为次级电子所产生的全部电离电荷量。根据这一原理制成自由空气电离室。一般为国家一级或二级剂量标准实验室所配置，作为标准，主要用于对现场使用的电离室型剂量仪进行校准，并不适合现场如医院使用。电离室的基本结构高压极(K)：正高压或负高压；收集极(C)：与测量仪器相联的电极，处于与地接近的电位；保护极(G)：又称保护环，处于与收集极相同的电位；负载电阻(RL)：电流流过时形成电压信号。自由空气电离室基本结构（二）指形电离室（thimblechamber）图（a）：设想空气外壳，中心空气气腔。外壳的半径等于空气中次级电子的最大射程，满足电子平衡。与自由空气电离室具有相同功能。（二）指形电离室（thimblechamber）图（b）：将图（a）的空气外壳压缩，而形成固态的空气等效外壳。该种材料中达到电子平衡的厚度可远小于自由空气的厚度。（二）指形电离室（thimblechamber）图（c）：指形电离室的剖面图。壁材料一般选石墨，内表面涂有导电材料，形成一个电极。中心收集极由原子序数较低的材料制成。室壁与空气外壳等效。（二）指形电离室（thimblechamber）Farmer型电离室二、电离室的工作特性了解电离室本身所具有的特性，注意掌握正确的使用方法和给予必要的修正。（一）电离室的方向性电离室的灵敏度会受到电离辐射入射方向的影响。正确的使用方法：平行板电离室应使其前表面垂直于射线的中心轴；指形电离室应使其主轴线与射线束中心轴的入射方向相垂直。（二）电离室的饱和性在电离室电压较低时因热运动导致带电离子由密度大处向密度小处扩散，正负离子在到达收集极前可能相遇复合成中性原子或分子，影响电离效应和电离室信号之间对应关系。电离室工作电压逐渐增加，离子漂移速度增加，复合和扩散基本消除，电离室输出信号不再随工作电压而变化。电离室工作在电离室的饱和区。电压继续增高，碰撞电离使离子数目增殖，输出电流急剧上升，超出正常工作电压。OA段：逐渐克服复合与扩散的影响，电流↑。AB段：复合与扩散消除，电流基本保持恒定。BC段：产生碰撞电离，电流↑。（三）电离室的杆效应电离室的金属杆和绝缘体及电缆，在辐射场中，会产生微弱的电离，叠加在电离室的信号电流中，影响电离室的灵敏度，这一效应称为杆效应。电离室的杆效应一般较小（1%），但也有的电离室会高达10％，在实际应用中应尽量避免并给予校正。（四）电离室的复合效应电离室工作在饱和区中也还是存在复合效应，可采取“双电压法”作校正。电离室分别在两个电压V1和V2下，收集的电荷分别为Q1和Q2。V1为正常工作电压，V1和V2的比值要大于3。利用二次多项式计算复合校正因子PS。对脉冲式或脉冲扫描式辐射，不同的(V1/V2)有不同的ai值。20112212(/)(/)sPaaQQaQQ（五）电离室的极化效应（polarityeffect）对于给定的电离辐射，电离室收集的电离电荷会随收集极工作电压极性的变化而变化，这种变化现象称为极化效应。引起极化效应的主要原因是：（1）对指型电离室，因电离室结构造成空间电荷分布依赖于电离室收集极的极性，又因正负离子迁移率不同造成收集效率的差异，这种差异可通过提高收集电压而减少，但不能完全消除。（2）电离室灵敏体积以外收集到的电流也会引起电离室极化。消除极化效应的影响可通过改变电离室工作电压极性，取其测量平均值。极化效应应在0.5%。（六）温度气压效应对非密闭电离室，电离室空腔中的空气密度随环境的温度和气压而变化。对温度和气压的校正公式为：此处，t和p分别为测量现场的温度和气压，t的量纲为0C，p的量纲为mbar(毫巴)，T为国家标准实验室校准该电离室时(包括静电计)的温度，一般都转换为200C。273.21013273.2pttKTp三、电离室测量吸收剂量的原理原理：电离室可以用来测量电离辐射在空气或空气等效壁中产生的次级粒子的电离电荷。另外，在空气中产生一对正负离子对所消耗的电子动能，基本为一常数，即平均电离能为W/e＝33.97J/C。用电离室测量吸收剂量分两步：（1）用电离室测量由电离辐射产生的电离电荷；（2）用空气的平均电离能计算并转换成电离辐射沉积的能量，即吸收剂量。（一）中低能X（γ）射线吸收剂量的测量低于2MV-X射线或钴-60射线能量时，电离室的室壁可以满足电子平衡条件，介质中的吸收