第2章-剂量学原理-量和单位(共17页).doc

精选优质文档-----倾情为你奉上第二章剂量学原理，量和单位J.P. SEUNTJENSDepartment of Medical PhysicsMcGill University, Health CentreMontreal, Quebec, CanadaW. STRYDOMDepartment of Medical PhysicsMedical University of Southern AfricaPretoria, South AfricaK.R. SHORTTDivision of Human HealthInternational Atomic Energy AgencyVienna翻译 蒋晓芹 柏森 王石2.1 绪论兴趣点的辐射测量和辐射效应的研究需要不同的辐射场特性辐射剂量学涉及在给定介质中测量直接或间接电离辐射能量沉积的方法为描述射线束，定义了许多量和单位，最常使用的剂量学的量和单位如下所示本节也给出空腔理论的简单讨论，用于计算介质中剂量计的响应2.2 光子注量和能量注量 下列量用于描述单能电离射线束：粒子注量、能量注量、粒子注量率和能量注量率这些量通常用于描述光子束，也可用于描述带电粒子束。

•粒子注量Φ是dN 除以dA 的商，此处dN是入射在横截面积dA的球体上粒子数： (2.1)注量的单位为m-2使用横截面积dA 的球体以最简单方式描述了只考虑每个粒子垂直方向上的面积dA这一事实，因此粒子注量与辐射入射角无关•平面粒子注量是通过平面单位面积的粒子数目，因此依赖于粒子束的入射角度•能量注量是dE 除以dA 的商，此处dE是入射在横截面dA 的球体的辐射能量： (2.2)能量注量的单位是J/m2可以用下列关系式通过粒子注量计算能量注量： (2.3)此处E是粒子能量，dN 是能量为E的粒子数目几乎所有现实的光子或粒子束都是多能的，并且上面定义的概念需要适用于这些射束粒子注量谱和能量注量谱的概念分别替代了粒子注量和能量注量它们分别定义为： (2.4)及 (2.5)此处及分别是能量为E的粒子注量谱和能量注量谱的微分。

图2.1显示一个 kVp 值为250 kV和附加1 mm 铝及1.8 mm铜（靶材料：钨；固有滤过：2mm铍）的中能X射线机产生的光子注量和能量注量谱在连续韧致辐射谱上双尖形表示钨靶中产生的 Kα 及 Kβ 特征X射线图 2.1 距X射线机的靶1米处的光子注量和能量注量谱，X射线机球管电压为250kV，并附加1mm 铝及1.8mm铜（靶材料：钨；固有滤过：2mm铍）粒子注量率是除以dt的商，此处是在时间间隔dt内注量的增量 (2.6)单位为m-2•s－1 能量注量率（也称强度）是除以dt的商，此处是在时间间隔dt内能量注量的增量： (2.7)能量注量率的单位为W/m2或J m-2s－12．3比释动能比释动能（Kerma）是kinetic energy released per unit mass的第一个字母缩写它是一个适用于间接电离辐射，如光子和中子的非随机量它计算从间接电离辐射转移到直接电离辐射的平均数量值，不考虑转移后的发生的情况。

下列讨论将局限于光子光子的能量分两步授予给物质第一步，光子辐射通过多种光子相互作用（光电效应，康普顿效应及电子对生成）将能量转移给次级带电粒子（电子）第二步，带电粒子通过原子激发或和电离将能量转移给介质 本文中，比释动能定义为单位质量dm 中间接电离辐射转移给带电粒子（电子）的平均能量： (2.8)比释动能的单位是焦耳•千克－1（J/kg）比释动能单位的名称是戈瑞（Gy）,1 Gy ＝ 1 J/kg2.4. CEMACema是单位质量转换的能量（converted energy per init mass）的简写它是一个适用于直接电离辐射，如电子和质子的非随机量cema 的C是dEc 除以dm的商，此处dEc 是带电粒子在质量为dm 的材料中碰撞损失的能量，不包括次级电子的损失 （2.9）Cema 的单位是 焦耳•千克－1（J/kg），名称是戈瑞（Gy）,1 Gy ＝ 1 J/kg2.5吸收剂量 吸收剂量是同时适用于间接和直接电离辐射两者的非随机量。

对间接电离辐射，能量分两步授予物质第一步（产生比释动能），间接电离辐射以动能方式转移能量给次级带电粒子；第二步，带电粒子转移部分动能给介质（产生吸收剂量）并以辐射损失形式（韧致辐射、飞行湮灭）失去一部分能量吸收剂量与随机量授予能相关，定义为由电离辐射授予给有限体积V内质量为 m 物质的平均能量 ： （2.10）授予能 是进入感兴趣体积所有能量减去离开此体积所有能量的总和，考虑了在该体积内任何质量－能量转化如电子对的产生使能量减少1.022 MeV，而电子－正电子湮灭增加相同数量的能量注意因为电子在介质中穿行并沿着轨迹沉积能量，能量的吸收与比释动能所描述的能量转移发生在不同位置吸收剂量的单位是 焦耳•千克－1，名称是戈瑞（Gy）2.6阻止本领 阻止本领在辐射剂量学中广泛使用，但很少测量而必须从理论上计算出对电子和正电子使用 Bethe 理论来计算阻止本领 线性阻止本领定义为带电粒子在单位路径长度损失的能量比的期望值（dE/dx）质量阻止本领定义为线性阻止本领除以吸收介质的密度，因为除以吸收介质的密度几乎就排除了阻止本领对质量密度的依赖性，下面对密度影响的更深层次讨论除外。

线性和质量阻止本领的典型单位分别是 MeV/cm 和 MeV cm2/g 已知两种类型的阻止本领：碰撞（电离）阻止本领，是带电离子与原子轨道电子的相互作用；辐射阻止本领来自带电离子与原子核的相互作用非限制性质量碰撞阻止本领表示所有硬性和软性碰撞中带电粒子能量损失的平均比•软碰撞发生在带电粒子经过原子时相距较远（例如： b ＞＞ a 时，b为碰撞参数，a为原子半径），碰撞的净效应是在一次碰撞中转移给吸收介质原子的能量非常小•在硬碰撞中（即 b≈a），发出带有一定能量的次级电子（常指δ电子或历史上的δ射线）并形成单独的径迹•在非限制性质量碰撞阻止本领中，由于硬碰撞允许转移给轨道电子的最大能量是电子动能的一半（无区别粒子的碰撞）或者正电子的全部动能（有区别粒子的碰撞）作为软性和硬性碰撞结果，重带电粒子、电子和正电子的质量阻止本领理论，将软碰撞的Bethe理论与由于硬碰撞的能量转移的阻止本领相结合对质量为 M、速度为 v的重带电粒子，这个结果如下其中因硬性碰撞，能量转移限制为 ， (2.11)其中 是经典电子半径（2.82fm）;Z 是发射的电荷，以电子电荷作单位；I 是介质的平均激发能；C/Z 是壳修正。

平均激发能I 是吸收物质原子的所有电离和激发能的几何平均值因为束缚效应影响I 的准确值，计算模型常不能精确地估计此值因此，I 值通常在重粒子束中通过测量阻止本领得到，因为这些测量的散射影响最小对单元素物质，I 随Z近似呈线性关系平均 I ＝ 11.5 Z对混合物（化合物），假定用累加阻止本领来计算I，则考虑混合物（化合物）中每种原子构成的权重分额 当途经的粒子速度不再远大于阻止介质中原子的电子时，壳修正C/Z考虑质量阻止比减少，即导致不遵从Born近似的效应，这是质量碰撞阻止本领推导的基础K层电子第一个受其影响，接着是L层电子，等等C/Z是介质和快带电粒子速度的函数从方程(2.11)可作看出：•质量阻止本领不依赖于入射质量，反比于入射速度的平方注意对数中 2mev2 与碰撞过程中的任何粒子的动能无关• 质量阻止本领对动能 EK ≈ 3 mec2 逐渐平坦成宽范围的极小值• 起主要作用的因子 Z/A 造成从碳到铅阻止本领降低约 20％• 给定介质中，因依赖于入射电荷的平方（z2），导致双倍电荷的重粒子表现为四倍的阻止本领 对电子和正电子，由于软性碰撞的能量转移与硬性碰撞的能量转移混合在一起，自由电子使用 Moller（对电子）和Bhabba（对正电子）横截面。

根据 ICRU 37 号报告，电子和正电子的全部质量碰撞阻止本领为： (2.12)对电子束使用F-：对正电子束使用F＋：方程中 ，密度效应修正考虑了由于远离粒子径迹的原子施加在快带电粒子上的有效库伦力因为带电粒子引起介质极化而降低的情况密度效应影响阻止本领中软性碰撞部分该效应对较高密度材料与较低密度材料的阻止本领比值（如，水与空气）产生明显影响，并且已发展出各种模型 质量辐射阻止本领是韧致辐射形成中产生电子或正电子的能量损失率Bethe－Heitler 理论推导出质量辐射阻止本领的公式： (2.13)此处 ；是里德堡常数； 是 Z和 EK 的函数，变化范围是在5.33与15之间，对应能量从 0.5 MeV 到 100 MeV这个因子随正比于EK 的辐射阻止本领同时增加，它是图2.2中描述的大于 2 MeV 能量的总阻止本领增加的原因注意质量辐射阻止本领依赖于 Z2 而质量碰撞阻止本领依赖于Z，这使得在高Z物质中质量辐射阻止本领的这类能量损失更明显为计算转移给感兴趣的局部区域的能量，引入了限制质量碰撞阻止本领概念通过限定转移给次级带电粒子（）能量的阈值（常表示为），高能次级粒子允许从感兴趣区域逃逸。

限制阻止本领低于非限制阻止本领能量阈值的选择依赖于遇到的问题，对于涉及的问题，这些问题包括电离室常用的阈值为10 KeV（在空气中 10 KeV 的射程通常是2 mm 数量级）对微剂量学的量，通常将 100 KeV 作为一个合理的阈值图2.2非限制和限制(,使用 和100 KeV ) 碳（）的总质量阻止本领，基于 ICRU 37 号报告发表的数据垂直线表示在非限制 和限制质量阻止本领开始作为分辨动能增长的起始点介质的限制线性碰撞阻止本领（也作为传能线密度（LET）），对带电粒子，它为 除以 dl，此处 是由于在 dl 穿透距离中的软性和硬性碰撞的能量损失减去超过动能的带电粒子释放的总动能 （2.14）限制质量碰撞阻止本领是限制线性碰撞阻止本。