电离辐射吸收剂量的测量复习过程Word格式.docx

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E为粒子能量，

为同一位置粒子注量的能谱分布。

三、照射量

照射量X（exposure）等于dQ除以dm所得的商。

即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

X的单位为C.kg-1。

曾用单位为伦琴（R），1R＝2.58×

10-4C.kg-1。

照射量是用以衡量X（γ）辐射致空气电离程度的一个量，不能用于其它类型辐射（如中子或电子束等）和其他物质（如组织等）。

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，这点在X（γ）射线能量较高时会有明显意义。

如果X（γ）射线能量不是很高，次级电子发射的轫致辐射可以忽略，则空气中某点的照射量就是X（γ）辐射在该点空气中比释动能

的电离当量，即

在单能光子辐射场中，同一点上的照射量X与能量注量

有如下关系

e是每一离子的电荷，W是在空气中每形成一个离子对消耗的平均能量，

是空气对给定能量光子的质能吸收系数。

由于现有技术还不能对能量很低和很高的X（γ）射线的照射量做精确测量，因此照射量实际仅对光子能量介于几千电子伏至几兆电子伏范围内X（γ）射线适用。

照射（量）率：

单位时间内照射量的增量。

单位C.kg-1.s-1。

（曾用单位R.s-1）

四、吸收剂量

吸收剂量D（absorbeddose）等于

除以dm所得的商，即电离辐射给予质量为dm的介质的平均授予能

：

单位为J.kg-1；

专用名戈瑞（Gray，符合表示Gy），1Gy＝1J.kg-1。

曾用单位为拉德（rad），1Gy＝100rad。

吸收剂量是度量单位质量受照物质吸收电离辐射能量多少的一个量，它在辐射效应研究中是极为重要的。

因为辐射作用于物质引起的效应主要决定于该物质所吸收的辐射能量。

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。

由于在同样的照射条件下，不同物质，如骨和软组织等，吸收辐射能量的本领不一样，所以在论及吸收剂量时，应该明确辐射类型、介质种类和特定位置。

数值上吸收剂量可表示为

单位时间内吸收剂量的增量，称为吸收剂量率，单位为Gy.s-1。

五、比释动能

比释动能K（kineticenergyreleasedinmaterial，kerma）等于dEtr除以dm所得的商。

即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。

按照比释动能的定义，dEtr应包括带电电离粒子在轫致辐射中辐射的能量和发生在dm介质中二次效应产生的所有带电电离粒子如俄歇电子的能量。

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。

在带电粒子平衡条件下，数值上比释动能等于

g为次级带电粒子以轫致辐射损失其能量的份额。

六、当量剂量

当量剂量HT（equivalentdose）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。

单位为J.kg-1，专用名为希沃特（Sievert），符合为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。

应该指出，当量剂量只限于在辐射防护所涉及的剂量范围内使用。

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

间接致电离辐射在放射性治疗中主要指X（γ）辐射，即放射性核素产生的γ射线以及各类X射线治疗机和医用加速器产生的X射线。

X（γ）光子进入介质，经与介质相互作用损失能量，可以分为两步：

（a）入射光子将其全部或部分能量转移给介质而释放出次级电子；

（b）获得光子转移能量的大部分次级电子再与介质原子的电子相互作用，以使原子电离或激发的形式损失能量，即被介质吸收；

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。

比释动能是入射光子在作用点（a）处释放给次级电子的总动能；

而吸收剂量是次级电子沿其径迹（b）释放给介质的能量。

因此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

由于比释动能的计算点，与次级电子的能量沉积点即吸收能量的测量点和计算点不在同一位置，利用比释动能计算吸收剂量必须附加条件，而电子平衡或广义的带电粒子平衡就是其中最重要的条件之一。

电子平衡或带电粒子平衡是剂量学的一个重要的概念。

如果所有离开小体积

的次级电子带走的能量，恰好等于进入小体积

的次级电子带入的能量，则称在O点处存在“电子平衡”。

电子平衡成立的条件：

（1）小体积

周围的X（γ）辐射场必须均匀，以使

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

周围的辐射强度和能谱不变，而且要求

周围（图中虚线以内部分）的介质是均匀的。

（2）小体积

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。

严格将，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

根据照射量的定义，在电子平衡条件下，它与X（γ）光子辐射在空气中的能量注量的关系为

而当X（γ）光子辐射的能量限于60Coγ射线的能量1.25MeV以下时，它在空气中产生的次级电子发生轫致辐射的份额很低，约0.003，如忽略不计，则

可写成

得到在空气介质中照射量和比释动能的关系

实际上在低原子序数介质如空气、水、软组织中，电子的初始动能的大部分消耗于与介质电子发生非弹性碰撞，引起原子的电离或激发，仅有一小部分消耗于与原子核发生辐射效应（轫致辐射）。

这样，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

当满足电子平衡条件，并且由次级电子产生的轫致辐射可以忽略时，吸收剂量和比释动能在数值上是相等的。

当电子平衡条件不能建立时，为使两者之间进行数值转换，需引入一个电子平衡系数qe，它表示X（γ）光子辐射在一小体积单位内沉积的能量Edep与X（γ）光子辐射在同体积内电离过程中释放的能量Ecol之比，即qe＝Edep/Ecol。

第二节电离室测量吸收剂量原理

一、电离室的工作机制

电离室是最早应用的电离辐射探测器，其测量吸收剂量的基本过程是，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

两个互相平行的电极之间充满空气，称为电离室灵敏体积。

当电离辐射，如X射线或γ射线射入电离室的灵敏体积内，与其中的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中的原子电离，产生一系列的正负离子对。

在灵敏体积内的电场作用下，电子、正离子分别向两极漂移，引起相应极板的感应电荷量发生变化，从而在外接电路中形成电离电流。

在电离平衡条件下，测量到的电离电荷，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。

主要由两个互相平行的平板形电极构成，电极间相互绝缘并分别连接到高压电源的正负端，电极间充有空气。

构成电离室的一个极板连接到高压电源的正极或负极，另一极板与静电计的输入端相连，称为收集极。

电离室的灵敏体积是指通过收集极边缘的电力线所包围的两极间区域。

在灵敏体积外的电极称为保护环，其作用有两个，其一是使灵敏体积边缘的电力线保持均匀，其二是防止绝缘子的漏电流进入测量回路，减少对被测信号的影响。

实际应用中，电离室输出的信号电流约为10-10A量级，为弱电流，必须使用弱电流放大器——静电计对其进行放大，此类静电计通常称为剂量测量仪。

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

指形电离室（thimblechamber）是依据自由空气电离室的原理，为便于常规使用而设计的。

图（a）表示的电离室设想有圆形空气外壳，中心为充有空气的气腔。

假定空气外壳的半径等于电离辐射在空气中产生次级电子的最大射程，满足进入气腔中的电子数与离开的相等，电子平衡存在。

此条件下的电离室可认为与自由空气电离室具有同等功能。

图（b）是将图（a）的空气外壳压缩，而形成固态的空气等效外壳。

所谓空气等效是指该种物质的有效原子序数与空气的有效原子序数相等。

由于固态空气等效材料的密度远远大于自由空气的密度，所以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。

如对于100～250keV的X射线，其空气等效壁的厚度约为1mm，就可达到电子平衡。

图（c）是根据上述设想而制成的指形电离室的剖面图。

壁材料一般选石墨，它的有效原子序数小于空气（7.76），而接近于碳（6.0）。

其内表面涂有一层导电材料，形成一个电极。

另一电极位于中心，是由较低原子序数材料如石墨、铝等制成的收集板。

如上面所提到的，空气气腔中所产生的电离电荷，是由产生于其四周室壁中的次级电子所引起的。

为使指形电离室与自由空气电离室具有相同的效应，它的室壁应与空气外壳等效，即在指形电离室壁中产生的次级电子数目和能谱与在空气中产生的一样。

通常用作室壁的材料，为石墨、酚醛树脂和塑料，其有效原子序数略小于空气的有效原子序数，这种室壁材料在空气气腔中产生的电离电荷也会略少于自由空气电离室。

为此选用有效原子序数略大的材料制成中心收集极，并注意其几何尺寸和在空腔中的位置，可部分补偿室壁材料的不完全空气等效。

目前国内普遍使用的是指形电离室，是由英国物理学家Farmer最初设计，后由Aird和Farmer改进的所谓Farmer型指形电离室。

二、电离室的工作特性

为保证电离室测量的精度，除定期（一般每年一次）将其和静电计送国家标准实验室校准外，在实际使用时，必须了解电离室本身所具有的特性，并注意掌握正确的使用方法和按照测量给予必要的修正。

（一）电离室的方向性

由于电离室本身固有的角度依赖性，电离室的灵敏度会受到电离辐射的入射方向的影响。

正确的使用方法：

平行板电离室应使其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

正负离子的复合与扩散，会影响电离效应与电离室输出信号之间的关系。

当入射电离辐射的强度保持不变时，电离室的输出信号电流I随其工作电压V变化的关系，称为“电离室的饱和特性”。

图中OA段，电离室的工作电压逐渐增高，电子和离子的漂移速度加大，逐渐克服复合与扩散的影响，输出信号电流逐渐增加。

AB段内，由于复合与扩散的影响已基本消除，信号电流不再随工作电压的改变而改变，基本保持恒定，此段称为电离室的饱和区。

电离室正常工作时，其工作电压应当处于这一范围。

随着工作电压的进一步升高，BC段电离室内电场过强，离子或电子的运动速度加大，产生碰撞电离，使离子对数目变大，信号电流急剧上升，超出电离室正常工作状态。

边缘效应和绝缘子的漏电流使得电离室在AB饱和区段，其收集极电流随工作电压的升高而有所增加。

饱和区段的长度及其电流的变化是衡量电离室饱和特性的主要技术指标。

（三）电离室的杆效应

电离室的灵敏度，也会受到电离室金属杆和电缆在电离辐射场中的被照射范围的影响。

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，形成电离室杆的泄漏，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％，故在实际应用中应尽量避免并给予校正。

具体测量时，虚线所示的电离室的受照长度保持不变

电离室的杆效应特点：

（1）对X（γ）射线，其杆效应表现有明显的能量依赖性，能量越高，杆效应越明显。

而对电子束表现不甚明显，大致是6MeV的电子束杆效应最大。

（2）当电离室受照范围较小时，杆效应变化较大，而当受照长度超过10cm时，基本上不再变化。

（四）电离室的复合效应

电离室即使工作在饱和区，也还是存在正、负离子的复合效应（recombinationeffect）的影响，并随辐射类型和辐射强度（注量率）变化，这种影响可用收集效应表示。

收集效应表示电离室收集的电离离子对数目与由电离辐射产生的电离离子对数目之比。

复合效应的修正，采用“双电压”的实验方法。

具体作法是，对相同的辐射场，电离室分别加两种不同的工作电压V1和V2，其中V1为常规工作电压，并且V1和V2的比值要大于或等于3，得到不同工作电压时的收集电荷数Q1和Q2。

然后用IAEA推荐的二次多项式计算得出复合校正因子Ps

式中ai为实验拟合系数。

结论：

电离室的复合效应依赖于电离室的几何尺寸、工作电压的选择和正负离子的产生速率。

对医用加速器的脉冲式辐射，特别是脉冲扫描式辐射，复合效应的校正尤其重要；

但对连续式电离辐射，如放射线核素产生的γ射线，复合效应非常小。

（五）电离室的极化效应

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（polarityeffect）。

当电离室正常工作在饱和区时，引起极化效应的主要原因是：

（1）对于指形电离室，主要是电极结构的形式，使得电荷的空间分布依赖于收集极电压的极性。

因为正负离子的迁移速率不同，造成电离室收集效率的差异，对这一差异可以通过提高收集极电压而减小，但不能完全消除。

（2）由高能光子产生的高能次级电子如康普顿电子形成康普顿电流，这也会因收集极的不同极性或增加或减小信号电流。

消除这一误差，可以通过变换电离室工作电压的极性，将不同极性电压下测量得到的结果的平均值，视为真实的电离电流。

（3）电离室灵敏体积以外收集到的电流，也会引起极化效应。

电离室的极化效应对电子束测量的影响，高于对光子的测量影响，并且随能量的减小而增加。

为了提高电离室的测量精度，电离室的极化效应应控制在5％以内。

（六）环境因素对电离室工作特性的影响

非密闭型电离室，现场使用时，必须给予校正。

如温度以

为单位，气压以mbar（毫巴）为单位，校正系数与温度和气压的关系：

T为电离室在国家实验室校准时的温度，一般为20

或22

；

t为现场测量时的温度；

p为现场测量时的气压。

电离室受空气湿度的影响较小。

如校准时的相对湿度为50％，而现场相对湿度为20％～70％范围内，不需要做相对湿度校正。

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/C＝33.97J/C。

用电离室测量吸收剂量分两步：

首先用电离室测量由电离辐射产生的电离电荷，然后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。

由于电离室本身的特性限制，采用这种方法测量吸收剂量，对不同的电离辐射，依据的基础和计算方法是不同的，必须分别对待：

（一）中低能X（γ）射线吸收剂量的测量

如果指形电离室满足：

（1）室壁由空气等效材料制成；

（2）室壁的厚度（或加平衡帽后）可达到电子平衡；

（3）气腔的体积可以精确测量而确定。

用其直接测量照射量时有：

式中Q为在气腔中释放的电离电荷，A为传输系数，表示能量通过室壁的份额，其值略小于1。

假定

为空气中某点的能量注量，

为相同位置以某种介质（如水）置换空气后的能量注量。

在电子平衡条件下，分别计算空气中和介质中的吸收剂量。

两者的关系为

，

将空气的吸收剂量和照射量的转换关系代入，得

（二）高能电离辐射吸收剂量的测量

用电离室测量照射量，然后转换为吸收剂量的方法，其前提条件是电子平衡。

而电子平衡只能在X（γ）射线的能量不高于2MVX射线或钴－60γ射线的能量时才能达到。

另外照射量的定义仅适用与X（γ）光子辐射，不能用于其它类型的电离辐射如电子和中子等。

布拉格－格雷（Bragg－Gray）空腔理论认为，电离辐射在介质中沉积的能量即吸收剂量，可以通过测量其置放在介质中的小气腔内的电离电荷量转换得到。

电离辐射在介质中产生的次级电子穿过气腔时会在其中产生电离。

这种电离可以是X（γ）射线在气腔空气中产生的次级电子所致，也可以是电离室空气壁等效材料中产生的次级电子所致。

前者称“气体作用”，后者称为“室壁作用”。

假定气腔的直径远远小于次级电子的最大射程，则以下三个假定成立：

（1）X（γ）射线在空腔中产生的次级电子的电离，即“气体作用”可以忽略；

（2）气腔的引入并不影响次级电子的注量和能谱分布；

（3）气腔周围的邻近介质中，X（γ）射线的辐射场是均匀的。

总的说就是，气腔的引入不会次级电子的分布产生影响。

这样介质吸收电离辐射的能量Em与气腔中所产生的电离量Ja应有以下关系：

布拉格－格雷关系式：

为介质与空气的平均质量阻止本领之比。

实验表明，只有像石墨等与空气有效原子序数相近的室壁材料，在电离辐射能量较高，气腔几何尺寸适中的条件下，布拉格－格雷关系式才能较为精确的成立。

综合低能X（γ）射线和高能电离辐射（包括电子、X（γ）射线等）的测量原理，需注意以下几点：

（1）中低能X（γ）射线吸收剂量的测量，首先测量的可以是照射量，但电离室壁材料不仅空气等效，而且室壁厚度要满足电子平衡条件；

（2）利用布拉格－格雷理论测量吸收剂量时，就不需要电子平衡条件，因为根据空腔电离理论，气腔中产生的电离电荷量只与介质实际吸收的能量有关。

（3）对中低能X（γ）射线测量时，只要电离室壁材料和空气等效，对空腔的大小并没有实际的限制。

如在空气中测量低水平辐射时，电离室的体积往往较大。

用空腔理论测量高能电离辐射的吸收剂量时，气腔应足够小，一般要小于次级电子的最大射程，但也不能过分小，以致造成由次级电子电离产生的电子大量跑出气腔，而使布拉格－格雷关系式失效。

第三节电离辐射质的确定

电离辐射质即辐射能量。

放射治疗中常用的电离辐射是X（γ）射线和高能电子束，在确定吸收剂量时，其所用的许多参数都依赖于电离辐射的能量，但由于对电离辐射的能量进行规定和测量有时比较复杂，所以放射治疗临床上对能量的关心，主要集中在电离辐射穿透物质的本领上。

因此，电离辐射质的定义为电离辐射穿射物质的本领。

一、X（γ）射线质的确定

放射性治疗中所用的X（γ）射线又分中低能和高能X射线、某些放射性核素产生的γ射线，它们的射线质确定的方法不尽相同，需分别对待。

（一）中低能X射线

中低能X射线质，通常用半价层（halfvaluelayer，HVL）来表示，它可通过X射线光子束贯穿某种介质的减弱程度来定义和确定。

假设在吸收体厚度为

处，入射的光子数为N，穿过

薄层时，有dN个光子与吸收体的原子发生相互作用，则

进一步变换为：

式中N0为入射的光子数，

为吸收体厚度，

为线性衰减系数。

该式称为X（γ）射线穿过介质时的指数吸收规律。

临床上使用的半价层（HVL）定义为使入射X（γ）射线光子强度或注量率减低一半时所需要的某种材料吸收体的厚度，它与线性吸收（线性衰减）系数的关系：

因线性吸收系数

依赖于射线质和吸收体的材料，所以用某种材料的半价层值就可以表示射线穿射介质的本领，即可用它表示X（γ）射线的射线质。

临床剂量学中，半价层通常按X射线机的球管电压的大小和使用的过虑板，分别用铝或铜材料的厚度来表示，如2mmAl，0.5mmCu等。

半价层值需要在窄束条件下通过实验测量，如图3-19所示。

为避免散射射线对测量精度的影响，电离室至少距吸收体50cm以上，并使用小照射野（即窄束条件）进行测量。

为了得到临床上需要的半价层的X射线，用改变X射线机球管的电压和相应过滤板的不同组合通过测量达到。

对半价层相同的射线质，其X射线的能谱也会不同，百分深度剂量分布也可能不同。

因此，中低能X射线质除用半价层表示外，还应给出管电压数，或同质性系数h（homogeneitycoefficient），它定义为第1半价层和第2半价层的比值。

表3-6中低能X射线质的有关参数

（二）放射性核素产生的γ射线

与X射线不同，每种放射性核素放出的γ射线的衰变过程是特定，根据其衰变纲图，可以很清楚的了解所用放射性核素的γ射线能量。

例如钴-60在其衰变过程中释放两种不同能量的γ射线，1.17MeV和1.33MeV，因它们的衰变概率基本相同，所以它们的平均能量为1.25MeV。

因此，放射治疗中放射性核素的γ射线质，一般用其核素名和辐射类型表示，如钴-60γ射线、铯-137γ射线等。

（三）高能X射线

高能X射线质的几种表示方法：

（1）标称加速电位。

高能X射线的射线质原则上也可以用半价层来表示，但是因高能X射线的穿透