肿瘤放射物理学3.ppt

程品晶 （cheng-pj@) 核科学技术学院,放射物理学,,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 （International Commission on Radiation Units and Measurements) 一、粒子注量（particle fluence) 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,,单位: m-2,粒子注量率,二、能量注量（energy fluence） 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所得的商单位J.m-2,能量注量率,粒子注量和能量注量之间的关系：,,,单能,非单能,E为粒子能量,,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,,,,,,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：,,W=33.97eV,,,,,,四、吸收剂量（absorbed dose）,,,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:,,,,,,,五、比释动能（kinetic energy released in material，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（equivalent dose） 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（radiation weight factor）wR加权处理后的吸收剂量单位为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Radiation Weighting factors,[ICRU 60, 1991],,,,,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，次级电子一产生就将其获得的光子转移能量全部释放给作用点附近的介质，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 电子平衡或广义的带电粒子平衡是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”： 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电子平衡成立的条件： （1）小体积ΔV周围的X（γ）辐射场必须均匀，以使ΔV周围X（γ）光子释放的次级电子的注量率保持不变这不仅要求ΔV周围的辐射强度和能谱不变，而且要求ΔV周围（图中虚线以内部分）的介质是均匀的 （2）小体积ΔV在各个方向离开介质边界的距离d要足够大，至少要大于次级电子的最大射程严格讲，上述条件难以实现，特别是近辐射源处，辐射强度随位置变化显著；以及两种不同介质的交界处，为非均匀介质，都不可能满足电子平衡的条件 但在实践中，需对某些条件作些处理，以使在一定的精度范围内，可认为电子平衡成立如当X（γ）射线能量较低时，由于次级电子射程相对较短，X（γ）光子的衰减可以忽略，则在某些受照射的介质中，可认为近似存在电子平衡三）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 ：,,,,,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,,因此，空气介质中照射量和比释动能的关系实际为,,,,,,（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：,,,,,,,,,（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,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,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,,,,,,,,,,,,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,D＝K,,,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在一般情况下是将辐射敏感元件置于介质内，根据敏感元件提供的特定信息确定介质的吸收剂量辐射敏感元件的密度可能与介质的相差较大，材料成分可能有所不同，从而在介质内构成一个不连续的区域，称为腔室。

腔室可以由气体、液体或固体材料构成气态的腔室称作空腔利用电离电荷测量剂量的方法称为电离法 电离辐射探测器： 把电离电荷不加放大地完全收集起来的器件叫电离室 将每个辐射粒子产生的初始电荷成比例地加以放大的气体放电器件叫正比计数器 对每一个电离事件均给出一个经过放大但幅度与初始电离事件的大小无关的信号，这种器件叫G-M计数管正比计数器,G-M计数管,电离室,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二）指形电离室（thimble chamber）,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（thimble chamber）,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（thimble chamber）,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（thimble chamber） 指型电离室为空气等效电离室，室壁用固态的空气等效材料制成，其有效原子序数接近空气的有效原子序数(Z=7.67)由于固态空气的密度远大于自由空气，即室壁可以做的很薄就可达到电子平衡室壁材料通常使用石墨，有效原子序数接近碳(Z=6)，因此室壁材料在空腔中产生的电荷略小于自由空气电离室，选用有效原子序数略大的铝材料制成的中心电极可部分补偿室壁材料的不完全空气等效二、电离室的工作特性 实际使用时，必须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Q2V1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。

五）电离室的极化效应（polarity effect） 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）对指形电离室，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）环境因素的影响 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。