吸收剂量测量-王大奖

电离辐射吸收剂量的测量

吸收剂量的测量电离辐射吸收剂量的测量一、电离室的工作机制二、电离室的工作特性三、电离室测量吸收剂量的原理四、其他几种吸收剂量的测量方法五、放射治疗工作中常用的剂量测量仪器电离辐射吸收剂量的测量目前有多种方法用于吸收剂量的测量，如在实验室中主要用的量热法和化学剂量计法，以及现场应用的电离室、热释光和胶片法等。其中电离室法是被国际权威学术组织和国家技术监督部门确定的、用于放射治疗吸收剂量校准及日常监测的主要方法。电离室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，由计算得出吸收剂量。一、电离室的工作机制

(一)电离室基本原理两个互相平行的电极之间充满空气，虚线所包括的范围称为电离室灵敏体积。当电离辐射，如X或γ射线射入这个灵敏体积内，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，使相应极板的感应电荷量发生变化，成电离电流。在电子平衡条件下测到的电离电荷，理论上应为次级电子所产生的全部电离电荷。

根据以上原理可以制成自由空气电离室主要由两个相互平行的平板型电极构成，极间相互绝缘并分别连接到电源高压的正负端，电极间充有空气。构成电离室的一个极板与电源高压的正端或负端相连，另一极板与静电计输入端相连，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个电极间的区域。在灵敏体积外的电极称为保护环，其作用时使灵敏体积边缘外的电场保持均匀，并同时使绝缘子的漏电流不经过测量回路，减少对信号的影响。在实际应用中，电离室的输出信号电流在10-10A量级，为弱电流，必须经过弱电流放大器（静电计）对其进行放大，此类静电计通常称为剂量测量仪。如下图所示，静电计实际上就是一个负反馈运算放大器。以三种方式测量电离室的输出信号：1、测量输出电荷量2、测量输出电流3、测量输出回路中形成的电压信号。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，在现场使用的电离室型剂量仪进行校准，并不适合于在现场如医院使用。(二)指形电离室指形电离室是根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的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等同功能。(二)指形电离室如果将图a的空气外壳压缩，则可形成图b所表示的固态的空气等效外壳。所谓空气等效就是该种物质的有效原子序数与空气有效原子序数相等。由于固体空气等效材料的密度远大于自由空气的密度，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)指形电离室图c就是根据上述思想设计而成的指形电离室的剖面图。指形电离室的材料一般选用石墨，它的有效原子序数小于空气（7.67）而接近于碳（6）。其内表面涂有一层导电材料，形成一个电极。另一个收集电极位于中心。如上所述，空气气腔中所产生的电离电荷，是由四周室壁中的次级电子所产生。为了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和能谱与空气中产生的一样。通常用作室壁材料的石墨，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略少于自由空气电离室。因此，选用有效原子序数略大的材料，制成中心收集电极，可补偿室壁材料的不完全空气等效。二、电离室的工作特性(一)电离室的方向性电离室本身有角度依赖性，其正确的使用方法是，平行板电离室应使其表面垂直于射束中心轴，指形电离室应使其主轴线与射束中心轴的入射方向相垂直。

(二)电离室的饱和特性电离辐射在空气中产生的正负离子，在没有外加电场的作用或电场强度不够大时，会因热运动由密度大处向密度小处扩散，导致宏观的带电粒子流动，称为离子，电子的扩散运动。同时，正离子与负离子在到达收集极前可能相遇复合成中性的原子或分子，这种复合会损失一部分由电离辐射产生的离子对数，从而影响电离效应与电离室输出信号之间的对应关系。当电离室工作电压较低时，正负离子的复合与扩散作用显得较为突出。如下图所示：当入射电离辐射的强度不变时，电离室的输出信号电流I随工作电压V变化的关系，称为“电离室的饱和特性”。图中OA段，电离室工作电压逐渐增高，离子或电子的飘移速度加大，逐渐克服复合与扩散作用的影响，输出信号电流也逐渐增加。AB段内，由于复合与扩散影响已基本消除，信号电流不再随工作电压改变而保持稳定，此段称为电离室的饱和区。电离室正常工作时，其工作电压应处于这一范围。随着工作电压的继续提高，BC段电离室内电场过强，因离子或电子运动速度加大，产生碰撞电离，离子数目变大，信号电流急剧上升，超出电离室正常工作状态。饱和区(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范围的影响。因为电离室的金属杆和绝缘体及电缆，在电离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，这叫做杆效应。实验表明，对于X(γ)射线，杆效应表现有明显的能量依赖性，能量越大，杆效应越明显。而对于电子束，表现不甚明确。另一特点是，当电离室受照范围较小时，杆效应变化较大，当受照长度超过10cm时，基本不再变化。它影响射野输出因子的测量精度。(四)电离室的复合效应：电离室即使工作在饱和区，也存在正、负离子复合效应的影响。复合效应的校正，通常采用称为“双电压”的实验方法。具体做法: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，然后利用以下公式计算复合校正因子：Ps=a0+a1(Q1/Q2)+a2(Q1/Q2)2式子中，ai为实验拟合系数。不同类型的电离辐射的a1值可查表得。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产生的速率。对医用加速器的脉冲式辐射，特别是脉冲扫描式辐射，复合效应的校正尤为重要；但对于放射性核素产生的γ射线（如钴-60），复合效应非常小。(五)电离室的极化效应对给定的电离辐射，电离室收集的电离电荷会因收集极工作电压极性的改变而变化，这种变化现象称为极化效应。改变电离室工作电压的极性会影响它的收集效率。(六)环境因素对工作特性的影响非密闭型电离室，空腔中的空气质量随环境温度和气压变化而改变，即气压或温度变化时，空气质量都会改变，就会直接影响电离室测量的灵敏度，现场使用时必须给予校正。校正系数与温度和气压的关系为：Kpt=(273.2+t)/(273.2+T)•(1013/p)式中T为电离室在国家实验室校准时的温度，一般为20˚C或22˚C；t为现场测量时的温度；p为现场测量时的气压。

三、电离室测量吸收剂量的原理由电离室工作原理可以看到它的作用是测量电离辐射在空气中或在空气等效壁中产生的次级粒子的电离电荷。而在空气中每产生一对正负离子所消耗的电子动能，对所有的电子来说，基本是一个常数，即平均电离能为W/e=33.97J/C。e是每一个离子的电荷，W是空气中每形成一个离子对所消耗的平均能量用电离室测量吸收剂量可以分为两步：首先测量由电离辐射产生的电离电荷，然后利用空气的平均电离能计算并转换成电离辐射所沉积的能量，即吸收剂量。由于电离室本身特性的限制，采用这种方法测量吸收剂量时，对不同能量的电离辐射，所依据的基础和计算方法不同。(一)中低能X(γ)射线吸收剂量的测量根据照射量的定义，如果用于测量的指形电离室符合条件①室壁由空气等效材料制成；②室壁厚度(或加平衡帽后)可达到电子平衡；③气腔体积可精确测定，则可以用来直接测量照射量，再转换为吸收剂量。(3-18)对中低能X(γ)射线来说，电子平衡能够建立，介质中的吸收剂量可用相同位置处的照射量进行转换。需要注意的是这种测量的前提条件：电离室壁材料不仅要空气等效，而且壁厚要满足电子平衡条件。(二)高能电离辐射吸收剂量的测量上述用电离室测量照射量，再转换为吸收剂量的方法，前提条件是必须建立电子平衡，这只对能量不高于2MV的X(γ)射线适用。另外，照射量的定义仅适用于X(γ)光子辐射，不能用于其它类型的电离辐射，如电子、中子等。布拉格－格雷空腔理论可以用来直接从测量结果计算吸收剂量。布拉格－格雷空腔理论认为，电离辐射在介质中的沉积能量即介质吸收剂量，可通过测量其置放在介质中的小气腔内的电离电荷转换。假设在一均匀介质中有一充有空气的气腔，电离辐射如X(γ)射线入射，它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，也可以是在电离室空气等效壁材料中产生的次级电子所致。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)射线光子在空腔中所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及能谱分布；③气腔周围的邻近介质中，X(γ)射线的辐射场是均匀的。(续)也就是说气腔的引入并不改变次级电子的分布，则介质所吸收的电离辐射的能量Em与气腔中所产生的电离量Ja应有如下关系：

式中w/e为电子的平均电离能；

(

S/ρ)m/(

S/ρ)a

为介质与空气的平均质量阻止本领率之比。此式即是布拉格－格雷关系式。用布拉格－格雷理论测量吸收剂量时不需要电子平衡条件。中低能X(γ)射线吸收剂量的测量高能电离辐射吸收剂量的测量式中，为空气腔中产生的电离电荷量。为介质的平均质量阻止本领，即入射带电粒子在靶物质中穿行单位质量距离时电离损失的平均能量。是粒子注量，dN是进入截面积为da的粒子数。小结综合低能和高能电离辐射的测量原理，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要空气等效，而且壁厚要满足电子平衡条件。小结2、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和介质中实际吸收的能量有关。对中低能X(γ)射线测量时，只要电离室壁材料和空气等效，对空腔的大小没有特别的限制。如在空气中测量低水平辐射，电离室体积往往比较大。小结3、用空腔理论测量高能电离辐射的吸收剂量时，空腔应足够小，一般要小于次级电子的最大射程，但也不能过小，以致造成由次级电离产生的电子大量跑出气腔，而使布拉格－格雷关系式失效四、辐射测量的其它方法1、量热法它是一种测量介质中的吸收剂量最直接、最基本的方法。它所依据的的基本原理是：当介质受到电离辐射照射后，介质所吸收的辐射能量除少部分可能引起化学反应外，主要会转换成热能，从而导致该介质温度的升高。温度的变化直接反映了介质吸收辐射能量的程度，由此可确定介质的吸收剂量。量热法测量吸收剂量，不像电离室法那样，剂量转换和计算中需要有与辐射质相关的参数，如阻止本领、扰动因子，钴-60照射量校准因子等的校正，只需要了解水的比热，以及对热敏电阻的校准。作为吸收剂量的直接方法，量热法具有良好的能响特性及测量精度，一般在国家标准实验室作为吸收剂量的测量基准。2、化学剂量法化学剂量法指的是：物质吸收电离辐射的能量而引起化学变化，如果这一变化可以被测定，即可使用它来测量吸收剂量。其基本原理是测量物质吸收辐射能量后引起的化学变化，从而测定吸收剂量。测量精度最高的是硫酸亚铁化学剂量计，或称为弗瑞克（Frickedosimeter）。它的基本原理是，硫酸亚铁水溶液经电离辐射照射，溶液中的二价铁离子Fe2+会被氧化成三价铁离子Fe3+。Fe3+的浓度正比于硫酸亚铁水溶液所吸收的辐射能量，用紫外分光光度计，在波长为244nm和304nm处测量三价铁离子的浓度，即可确定吸收剂量。3、热释光剂量计基本原理：根据固体能带理论，具有晶体结构的固体，因含有杂质，造成晶格缺陷，称为“陷阱”。当价带上的电子获得电离辐射的能量，跃迁到导带，不稳定而落入“陷阱”。如对物质加热，会使电子重新回到价带上，并将电离辐射给予的能量，以可见光的形式辐射出去。发光强度与“陷阱”所释放的电子数成正比，而电子数又与物质吸收辐射能量有关。能带理论：根据能带理论，固体中运动电子的能量谱值由一系列连续的具有一定宽度的能带（band）组成，两个相邻的能带之间的区域因不能被电子占据而被称为禁带（bandgap）。金属都有着被电子部分占据的宽能带，即导带（conductionband），其中的电子填充情况容易因电场作用而改变，因此表现出良好的导电性。对绝缘体或半导体而言，能带系列则全被电子恰好填满，其中最高的满带称为价带（valenceband）价带之上经过一定宽度的禁带过渡才是空着的导带。满带与空带之间隔着较宽的禁带，电场很难使能带的填充情况改变，因而不产生电流。半导体的能带填充情况很像绝缘体,但是空导带与价带之间的禁带比绝缘体窄得多,因此可以引入杂质或热激发,使空导带出现了少数电子,或价带中出现少数空穴,或兼有二者,从而有一定的导电性。(北京核仪器厂生产)FJ-411退火炉辐照器FJ-417微机热释光剂量仪热释光剂量系统TLD高温退火：TLD元件使用前要进行高温退火,目的是为了消除探测器本底剂量和测读后的残余剂量,重新建立TLD元件内部的电子缺陷平衡。产品说明书中给定的退火温度只是一个参考值,实际应用中要根据被测元件在读出器上做出的发光曲线来确定。如下图发光曲线,第一个主峰是140℃（140℃以下的发光峰为杂散辐射），第二个主峰是240℃。TLD测量的升温程序可定为:预热温度140℃,读出温度240℃,退火温度300℃。TLD剂量刻度：热释光测量得到的TLD值是一组相对值,随读出器灵敏度调节而任意变化,因此对测量值需要确定其与标准辐照值的关系,即进行刻度----即对TLD照射已知剂量,然后测量读数,确定读数值与剂量值之间的比例系数。刻度方法常用点刻度法、线刻度法和自身刻度法。如TLD较少，则可采用单点剂量刻度，此法要求刻度的剂量值在剂量计的使用剂量范围内。通过测量，给出剂量计刻度因子，并利用刻度因子，对待测剂量计的剂量值进行测读计算：单点剂量刻度法：线刻度法也称回归方程法或最小二乘法,实际工作中就是用剂量计的TLD读数值和刻度源照射剂量值拟合出一条直线,计算公式为按最小二乘法原理得出的公式:y=kx+b,其中,y为热释光读出器计数,x为照射器的照射量,k为曲线斜率,b为曲线截距,k和b按下式计算:n为照射剂量点的个数，例如选择8个照射剂量点,分别为:50,100,150,200,250,300,350,400mR,每个剂量点照射20只TLD线刻度法：根据上述最小二乘法拟合得到的直线方程为:y=1.16x-4.5,从而根据照射量与吸收剂量的转换关系可得:D=(y+4.5)/1.16×0.00876,这里D为吸收剂量,单位为mGy。4、胶片剂量仪当胶片受可见光或电离辐射照射时，溴化银（AgBr）晶体颗粒中的银离子（Ag+）还原成银原子（Ag），数个银原子就形成所谓的“潜影”。洗片时，洗片液分子促使晶体颗粒的Ag+还原为Ag，这种转变在含有“潜影”的晶体颗粒中进行的更加迅速，因此选择合适的洗片时间就形成高黑度差别的影像。胶片在剂量学中的应用主要由三个方面：1、检查射野的平坦度和对称性。2、获得临床常用的剂量学数据，如高能X(γ)射线的离轴比，电子束的百分深度剂量和离轴比。3、验证剂量分布，如相邻射野间的计量分布的均匀性，治疗计划系统剂量计算的精确度。胶片剂量仪的优点是：①同时测量一个平面内所有点的剂量，可减少照射时间和测量时间；②有很高的空间分辨率；③可以测量不均匀固体介质中的剂量分布。但由于银卤化物胶片灵敏度受射线能量和洗片条件影响很大，限制了它的应用，使用前，需要对胶片进行刻度和校准。测量时应保持胶片与模体紧密贴合，以免空气间隙造成不规则的花斑和条纹5、半导体剂量仪半导体剂量仪使用的探测器实际上是一种特殊的PN型二极管，它的主要特点是灵敏度高。近十几年来，半导体探测器越来越广泛用于患者治疗过程中的剂量监测。五、放射治疗工作中常用的剂量测量仪器IBARFA300三维剂量分析仪IBAMatriXX电离室矩阵测量仪IBAWP1D绝对剂量测量水箱一维二维三维WP1D是一维独立的水箱，按照TG51和IAEATR