(9.1)-9.辐射剂量测量基本原理

1第9讲辐射剂量测量基本原理2目录9.1X（γ）标准剂量监测原理9.2其他剂量监测原理9.3测量仪器的刻度和校准方法3仪器测量剂量学量的仪器测量测量仪器类型及具体方法测量指标测量的原理方法4测量的基本原理作用结果：、、

射线同物质作用使原子电离，产生正离子和负电子。在电场作用下，电子和正离子分别向正极和负极方向运动，引起电流，产生信号。辐射探测器：把电离产生的信息转化成可观测的、可输出的信号：电、光、热、径迹等。

放大与变换记录与存储

探测器----++++放射源5第四章腔室理论和剂量测量的电离法第一节法诺定理第二节布喇格－格雷(B-G)理论第三节斯宾瑟－阿蒂克斯理论第四节大腔室和中等腔室第五节空腔电离室第六节常用电离型剂量测量器件第七节剂量计的指标6腔室：为了确定射线在介质内的剂量学量(一般是吸收剂量)值，需要在介质中置入敏感元件(探测器)，因其密度可能与介质的相差较大，材料成分可能有所不同。以上情况会在介质内构成一个不连续的区域—腔室。空腔：若腔室填充材料为气体，则构成一个空腔。腔室理论：研究由腔室测得的信息，来确定介质中的D、K和X等剂量学量值的理论。引言7引言（续）电离法：利用电离电荷测量剂量的方法。电离室：把电离电荷不加放大地完全收集起来的器件。正比计数管：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。G-M计数管：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。8第一节法诺定理一定理描述二简要证明三分析讨论四应用9

定理：受注量均匀的初级辐射(为X、γ射线或中子)照射的给定组成的介质中的次级辐射注量也是均匀的，且与介质的密度以及介质密度从一点到另一点的变化无关。

一定理描述10二简要证明波尔兹曼扩散方程：11二简要证明（续）在稳恒场条件下：12二简要证明（续）考虑介质均匀、辐射场也均匀：13三分析讨论由法诺定理，可知：因介质无限大，而且受到均匀不带电粒子辐射，因此如果测量点被包围的厚度大于次级带电粒子最大射程，则在该点存在着带电粒子平衡；在不带电粒子的极化效应可以忽略的条件下，吸收剂量与介质的密度无关；缺点：适用范围比较狭窄，高能、低能均不适用；14四应用如果一个气体腔室及室壁由同样原子组成（密度可以不同）的材料构成，室壁的厚度d大于次级电子的最大射程Rmax，则在均匀的不带电粒子辐射场照射下空腔气体存在带电粒子平衡，此时室壁可以忽略，从而构成理想的“无壁”腔室。适用于中子和能量低于约1MeV的光子的测量仪器的制造的理论指导。15第二节布喇格-格雷(B-G)理论一B-G条件（两条基本假设）二B-G关系式三的计算

16

a.

腔室的线度比撞击腔室的带电粒子的射程小得多，以致腔室的存在不会干扰带电粒子辐射场。

b.

腔室内的吸收剂量完全是由穿过腔室的带电粒子产生的。在上述假定下，进入腔室的带电粒子将全部穿过腔室而不会停留在其中，且在腔室内产生的高能δ粒子可以忽略不计。此时带电粒子注量ΦE在腔室引入前后不变。按照这种假设，理想的B-G腔室应该是接近于一个“点”状的无限小腔室。一B-G条件（两条基本假设）17介质m中的腔室i待测量位置空腔（放置探测器）18在连续慢化近似条件下：二B-G关系式其中ΦE是介质m，按照假设也是腔室i中的带电粒子的谱分布。19二B-G关系式（续）由以上两式得：上式中：平均质量碰撞阻止本领之比；20

考虑腔室为充气空腔(i=g)，如果充气腔室在电离辐射条件下单位质量空腔气体中产生的电离电荷为Jg，则：二B-G关系式（续）——应用21三的计算

从前述公式可知，如何有效地获得是最关键的。3.1

起始能量为E0的电子的情况3.2单能光子束的情况3.3具有能谱分布的光子束的情况223.1起始能量为E0的电子的情况

设在单位质量介质m中产生的初始能量为E0的电子数为n0，那么在离边界大于电子射程的介质中的电子的慢化谱为：总质量阻止本领之比

证明：23注量能谱ΦE产生示意图24则：3.1

起始能量为E0的电子的情况（续）25的推导公式：3.1

起始能量为E0的电子的情况（续）26

设介质m的给定区域受到均匀的单能光子束照射，光子在单位质量介质中释放的能量在E0～E0+dE0之间电子数为nE0dE0，光子的能量为hv，则在电子平衡条件下，介质m中的吸收剂量可表示为：3.2

单能光子束情况273.2

单能光子束情况（续）按基础定义，得到平均质量碰撞阻止本领之比：而对应腔室内的平均吸收剂量：28

假设光子能量是连续分布的，能量注量的谱分布为Ψhv。在CPE条件下：3.3

连续光子谱29第三节斯宾瑟—阿蒂克斯理论一B-G理论的缺陷二考虑δ射线的影响后的B-G理论修正三考虑腔室引入后干扰的影响修正30

试验表明，B-G理论计算结果与实验结果有差异，原因有二：

1、假定带电粒子的能量碰撞损失过程连续；

2、受腔室的实际制作线度导致腔室内外的δ射线分布不平衡；在满足B-G理论对腔室线度要求的前提下，受包围介质的差异以及腔室的线度差异，会造成δ粒子在腔室内外的不平衡，出现比电离Ja与腔室大小有关的情况。如果腔室线度较大(仍然满足B-G线度要求)，此时会因辐射场受到较强的干扰而导致Ja降低。一B-G理论的缺陷31电离室产生电荷Ja随腔室线度、器壁材料的关系32二考虑δ射线的影响后的B-G理论修正修正方法：1设定一个能量阈值Δ，对应的δ粒子的射程为腔室平均弦长的一半；2根据Δ把δ射线分为慢组、快组慢组的δ粒子认为其能量就地沉积；快组的δ粒子因具备足够强的传输能力，而被视为独立辐射而包括在初级带电粒子注量中；33二考虑δ射线的影响后的B-G理论修正（续）对B—G腔室(即S—A腔室)：在考虑了δ射线影响的介质中Dm的表示定限质量碰撞阻止本领Δ取射程为腔室平均弦长一半的电子的能量值。

34(S-A公式

)由上式得：介质m中的吸收剂量Dm的计算公式：二考虑δ射线的影响后的BG理论修正（续）35考虑了腔室干扰带电粒子辐射场的D的表示式中：Pu为干扰修正因子(Perturbationcorrectionfactor)，包括辐射场干扰及位移修正。三考虑腔室引入后辐射场干扰影响的修正引入腔室i前引入腔室i后36第四节大腔室和中等腔室一腔室的变化二大腔室三中等腔室四电子束测量的应用

37一腔室的变化a小腔室（剂量主要来自e1(crossers)）；b中等腔室（剂量来自e1(crossers),e2(starters),e3(stoppers),e4(insiders)的综合作用）；c大腔室(剂量主要来自e4(insiders))；38一腔室的变化（续）39一腔室的变化（续）40

腔室线度远大于次级带电粒子的射程的腔室，可以忽略周围介质中产生的带电粒子对腔室内能量吸收的贡献。注意：此时腔室线度仍不足以对X/γ等不带电粒子辐射场造成足够的干扰，即可以忽略这种干扰。二大腔室41大腔室示意图42由得：

在腔室材料组成均匀，且距离边界大于次级电子最大射程时，在腔室范围内存在带电粒子平衡情况：二大腔室（续）43对于由B—G腔室和一个壁厚大于次级电子最大射程的室壁组成的厚壁腔室：大腔室模型主要用来处理厚壁电离室情况；二大腔室（续）44二大腔室（续）考虑如果精心设置室壁w材料与腔室气体的原子组成相同或等效时，则有：45

腔室线度可以与次级带电粒子射程相比拟的腔室，此时光子照射下腔室内的电子由2部分组成：起源于周围介质，其注量即对腔室内的能量沉积的相对贡献随腔室线度增大而减小，其下极限即B-G腔室；产生于腔室内部，对腔室内的能量沉积的相对贡献随腔室线度增大而上升，其上极限即大腔室；

从实际情况三中等腔室46中腔室示意图47α=1:——大腔室α=0:——B—G腔室

若用α代表腔室内产生的次级带电粒子对腔室室内能量沉积的贡献份额，则1-α代表介质中产生的次级带电粒子的贡献份额。三中等腔室（续）48对于由B—G腔室和室壁w构成的中等腔室：α依赖于空腔的线度和次级带电粒子的射程或能量，对于与空气的平均原子序数接近的介质和室壁，α对材料的组成不敏感。三中等腔室（续）49三中等腔室（续）罗正明——李德平理论（L-L理论）50三中等腔室（续）L-L理论的优点细节非常详尽，可以精细地刻画腔室内外电子的变化情况；通用，适用于任何尺寸的腔室，已经于Attix（1958）等做的电离室测量38keVX射线的实验结果进行了很好的对比；L-L理论的缺点模型过于复杂，对探测器设计的实践指导意义不够明快简洁。L-L理论与蒙特卡罗方法和软件的结合是主流趋势。51四电子束测量的应用

由于腔室计算公式中带电粒子注量ΦE并未指定来源，前面的公式也可以用于电子束的测量：与前述《剂量学》(4.27)式不同，校正因子pu包括辐射场干扰校正和有效测量点位移校正2项。52第五节空腔电离室一结构二绝对空腔电离室三空腔电离室的刻度四光子和电子束吸收剂量的测量五自由空气中光子束的X和Kc,a测量六中子比释动能和吸收剂量的测量七中子——γ混合场中吸收剂量的测量53一结构54一结构（续）改进的采用圆柱-球形结构。材料方面，电离室壁和收集电极,均采用高密度高纯度石墨（洛林石墨,密度1.85g/cm3)。电离室绝缘材料采用特制聚乙烯,其绝缘电阻高,辐射下性能稳定。保护电极及电离室杆材料均采用铝。55总体性质1.空腔电离室：基于腔室理论制作、使用；2.形状：没有限制，可根据用途和制造条件决定。3.组成：室壁、充气空腔、收集电极、绝缘体、连接部件说明：﹡材料应尽量满足匹配的要求。

﹡室壁厚度以保证带电粒子平衡为条件。4.复合修正：Pion56测量自由空气中比释动能的组织等效塑料电离室57空腔电离室测量介质吸收剂量的步骤第一步：确定空腔气体的平均吸收剂量Dg；

第二步：按腔室理论由Dg求出对应点的介质的吸收剂量Dm；

问题的核心：确保Dg的测量准确度和精确度；581.定义：有效体积Vg(或有效质量mg

=ρVg)，不用在辐射场中刻度就可以精确测定。Qg用静电计精确测定。二绝对空腔电离室可以作为初级标准对其它剂量计进行刻度使用。59引申：初级标准与次级标准(1)初级标准最高计量学量的测量仪器。通过基本物理量的测量来确定量值。测量结果的准确度通过参与国际比对被验证了的。(2)次级标准用初级标准刻度了的，具有长期精密度的稳定性的仪器。(3)应用标准

用次级标准进行刻度，用于日常测量应用。

60刻度原因：

a.一般商用电离室的Vg或mg难于确定，因此在使用之前需要刻度(性价比妥协的产物)；

b.目的在于给出剂量计灵敏体积中的平均剂量与剂量计响应的关系。三空腔电离室的刻度3.1

刻度因子3.2参考射束中的刻度因子3.3应用射束中的刻度因子613.1刻度因子定义：设M为对离子复合和漏电等因素修正后的电离室的指示值，则定义刻度因子：显然。如果刻度得到了Ng，根据M即可以确定的大小。623.1刻度因子（续）绝对空腔电离室的刻度因子：对于绝对空腔电离室，显示值就是Qg。63对Vg=1cm3充干燥空气的空腔电离室，在一个大气压和22℃时有：c.由m0T0=mT得：a.PV=nRT。n为气体摩尔数，R为气体常数。

b.在0℃，1个大气压下空气的密度为0.0012929g/cm3。3.1刻度因子（续）64在光子辐射场中时：

则：(Gy·C-1)3.1刻度因子（续）65带电粒子平衡条件下在空气介质中有：3.2参考射束中的刻度因子663.2参考射束中的刻度因子（续）

把带有平衡帽的空腔电离室(构成厚壁腔室)放入上述刻度辐射场中：67对于刻度辐射场来讲，由上式得：

设在照射条件下，电腔室的有效读数为Mc，则按定义，刻度因子Ng,c为：3.2参考射束中的刻度因子（续）683.2参考射束中的刻度因子（续）

若空腔电离室在参考射束中按照射量X刻度过，刻度因子为：则有：69上式中：Mu为有效读数(经过修正的)；3.3应用射束中的刻度因子702）重粒子（包括中子）的值与光子的不同，则：有了Ng,u，就可以得到。讨论：1）应用射束为高能光子束或高能电子束，

则：3.3应用射束中的刻度因子（续）9.1X（γ）标准剂量监测原理1、电离室测量吸收剂量的原理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。9.1.1电离室测量吸收剂量原理电荷量Q平均电离能W/e带电粒子动能E带电粒子平衡吸收剂量D电离室直接测量气体质量Vρ（EK）入射粒子沉积的能量3、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电离电荷。而在空气中每产生一对正负粒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。用电离室测量吸收剂量可分为两步：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。由于电离室本性特性的限制，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。2、自由空气电离室测量机制-中低能X(γ)射线两个相互平行的电极之间充满空气，虚线所包括范围，称为电离室灵敏体积。当电离辐射，如X或γ射线摄入这个灵敏体积内，与其中的空气介质相互作用，产生次级电子。这些电子在其运动轨迹上使空气中的原子电离，产生一系列正负离子对。在灵敏体积的电场作用下，电子、正离子分别向两级漂移，使相应极板的感应电荷量发生变化，形成电离电流。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。（1）自由空气电离室结构主要由两个相互平行的平板电极构成，极间相互绝缘并连接到电源电压的正负端，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，称为收集级。电离室的灵敏体积是指通过收集级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，其作用是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。电极丝保护电极在实际应用中，电离室的输出信号电流在10-10A数量级，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：a.测量输出电荷量b.测量输出电流c.测量输出回路中形成的电压信号（2）指形电离室指形电离室是根据自由空气电离室原理，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，满足进去气腔中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。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。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。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，可部分补偿室壁材料的不完全空气等效。用电离室测量剂量的前提条件是必须建立电子平衡，只对能量不高于2MeV的X(γ)线适用。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。对中低能X(γ)射线来说，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，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。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，作为标准剂量监测仪器，对现场使用的同类或其他类型剂量仪进行校准，并不适合于在现场（如医院）使用。（3）总结2、电离室的工作特性电离室本身具有角度依赖性，电离室的灵敏度会受电离辐射的入射方向的影响。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垂直。（1）电离室的方向性（2）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，会因为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比较突出.。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，电离室的输出信号逐渐增高，离子或电子的漂移速度加大，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，其工作电压应是处于这一范围，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。（3）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测量精度（4）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:

式子中，a1为实验拟合系数。不同类型的电离辐射的ai值不同。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对产生的速率。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。（5）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现象。改变电离室工作电压的极性会影响它的收集效率。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℃或22℃；t为现场测量时的温度；p为现场测量时的气压。（6）环境因素对工作特性的影响3、布拉格-格雷空腔电离室测量剂量-高能γ(X)射线布拉格-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。电荷量Q吸收剂量D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电子所致。假定气腔的直径远远小于次级电子的最大射，则以下三个假定成立：①X(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气腔周围的临近介质中，X(γ)射线的辐射场是均匀的。则介质所吸收的电离辐射的能量Dm与气腔中所产生的电荷量Qg应有如下关系：式中：Wg/e为电子的平均电离能，(S/ρ)m/(S/ρ)g

为介质与气体g的平均质量阻止本领率之比此式即是布拉格-格雷关系式符合布拉格-格雷理论成立假设的电离室称为布拉格-格雷电离室；不需要电子平衡条件，这也是能够测量高能射线剂量的原因。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，首先测量的是照射量，电离室材料不仅要空气等效，而且壁厚要满足电子平衡条件。2、用布拉格-格雷理论测量吸收剂量时，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的实际吸收的能量有关。对中低能X(γ)射线时，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。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，但也不能过分小，以致造成由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。小结9.2其他剂量监测原理1、空腔电离室测量电子束的吸收剂量与测量高能γ(X)射线的格瑞空腔电离室测量原理一样，测量电子传递给介质的能量-吸收剂量，通过放置气体空腔内次级电子电离的电离电荷转换。放入空腔电离室后辐射场扰动修正E，MeVr＝0.25cmr＝0.5cmr＝0.8cm1234510200.9470.9700.9780.9840.9860.9920.992—0.9580.9700.9770.9810.9890.955——0.9620.9720.9770.9870.993对于不同的电子平均能量E，内径为r的空腔电离室在水中的扰动修正因子9.2.1β粒子和电子束的剂量测量电离室空腔气体的平均吸收剂量到介质中吸收剂量的转换因子水中深度，cm电子表面能量E0，MeV456810121415160.536.334.934.534.133.70.735.634.934.534.133.71.034.935.334.934.533.733.332.932.932.61.535.635.334.534.133.733.333.332.92.034.935.634.934.533.733.333.332.93.035.634.934.533.733.733.34.035.634.934.534.133.75.035.635.334.034.5ICRUNO.21报告，水中不同深度CE值Gy/(Ckg-1)N-电离室的刻度因子9.2.1β粒子和电子束的剂量测量2、外推电离室测量组织中的β吸收剂量981.1结构特点﹡空腔体积可（调节）改变；﹡入射箔窗很薄，但可加吸收箔，以改变射线入射到空腔前的吸收层厚度；﹡反映不均匀介质交界面附近D的变化规律和弱贯穿辐射产生的吸收剂量在介质中的衰减规律。﹡用于测量电子束、β射线、软X射线在物体浅表部位产生的吸收剂量分布，以及各种类型射线在过渡区产生的剂量空间分布。

991.2吸收剂量的深度分布

按D的定义，当腔室的厚度为x时，射线在工作气体中产生的吸收剂量为：改变有效测量体积的厚度X，测量得到多个结果，外推即可得到表面剂量Dg(0)。100外推示意图101与相对应。

由于测量气体不可能和待测量介质完全等效，因此当求时介质厚度X‘要修正，即做等效厚度处理：

1.3待测介质吸收剂量的等效厚度处理与相对应。1021.4具体分类对电子束和β射线，在无限薄室壁（或无壁）条件下：对于x射线和厚壁：若室壁与空腔电离室等效（即消除室壁影响），有：9.2.2中子剂量的测量

中子剂量的测量，与γ射线相比，要困难一些，因为：1.中子与物质相互作用的复杂性，中子引起的次级辐射是多样性的，中子的能量可转化为质子、α粒子、重反冲核、γ光子等的能量。此外，中子与物质相互作用的截面与中子能量也有比较复杂的关系。

2.对不同能量的中子，辐射权重因子相差很大。3.实际测量的中子往往存在于它与射线的混合辐射场中。它们的辐射权重因子不同，必须区分它们或排除射线的干扰。1051）中子测量对空腔电离室的特殊要求对测中子而言，满足B-G条件的空腔尺寸太小，无法制造。跟据法诺定理，处于均匀的不带电粒子辐射场中的均匀电离室的空腔可以扩大而保持空腔与室壁中的次级带电粒子注量相等。结论：

1.采用室壁与空腔气体原子组成相同的均匀电离室是非常必要的；

2.对于组织等效材料，要严格氢、氮元素的含量！9.2.2中子剂量的测量1、空腔电离室测量中子的吸收剂量2）中子剂量Dm的测量由得1、空腔电离室测量中子的吸收剂量中子吸收剂量公式：近似解决方案：若电离室经过60Coγ参考射束刻度，即Ng,c已知，则:在CPE和辐射场均匀时:1、空腔电离室测量中子的吸收剂量2）中子剂量Dm的测量为刻度系数，若定义：

则有：吸收剂量公式：1、空腔电离室测量中子的吸收剂量2）中子剂量Dm的测量若用两个对中子有不同响应的剂量计放入中子-γ混合场：

当使用电离室测量中子吸收剂量时，由于它对γ射线也有响应，这时所测得的将是中子和γ射线两者的总的吸收剂量。要区分它们是比较麻烦的，一般要使用两个电离室，其中一个要选用不含氢的材料作为室壁使它对中子是不灵敏的，利用它们的读数之差，得出中子的吸收剂量。3）中子与γ射线的甄别一、中子能量的分组为方便起见，中子剂量及其测量一般按中子能量分类分别进行讨论。中子按能量大致可分为四组：慢中子（包括热中子）、中能中子、快中子和高能中子。在遇到中子的各种场合，一般快中子对中子总剂量的贡献是主要的，而热中子仅占次要地位。在靠近反应堆、加速器一类装置的地方，中能中子剂量也占相当的比例。9.2.2中子剂量的测量和γ射线的情况一样，可以利用电离室、正比计数管等探测器来测定中子在介质中的吸收剂量。室壁材料一般选用含氢物质。快中子在壁上可打出反冲质子。当空腔足够小，反冲质子穿过它仅有一小部分能量损失在其中时，那末在室壁材料中的中子吸收剂量和空腔气体内的电离量仍满足布拉格-戈瑞关系。若室壁材料选用组织等效材料，则可测量机体组织的吸收剂量。经计算表明，聚乙烯（C2H4）n、聚苯乙烯（C8H8）n等是机体组织（C35H353O16N10）n较好的等效材料。因此，为测组织中吸收剂量，室壁材料常选用聚乙烯材料，而室内充乙烯气体。9.2.2中子剂量的测量中子与γ射线的甄别

当使用电离室测量中子吸收剂量时，由于它对γ射线也有响应，这时所测得的将是中子和γ射线两者的总的吸收剂量。要区分它们是比较麻烦的，一般要使用两个电离室，其中一个要选用不含氢的材料作为室壁使它对中子是不灵敏的，利用它们的读数之差，得出中子的吸收剂量。9.2.2中子剂量的测量

当使用正比计数管来测量时，可以把仪器做得对γ射线很不灵敏从而把中子、γ射线区分开来。这是根据γ射线在室壁中打出的次级电子所引起的脉冲，远小于由中子打出的反冲质子所引起的脉冲，因而前者很容易用电子学线路甄别掉。除非γ射线很强（如相应地达到0.1Gy/h，有数个次级电子的脉冲同时发生，以致叠加的合成脉冲可以和反冲质子的脉冲相比拟，才需要考虑γ射线的干扰。因此，正比计数管在快中子剂量测量方面比电离室更经常使用。正比计数管的γ射线甄别9.2.2中子剂量的测量中子吸收剂量测量的探测器组织等效均质电离室：双电离室：含氢与不含氢正比计数器：脉冲幅度甄别去除射线影响9.2.2中子剂量的测量中子—γ混合场中吸收剂量的测量K=为刻度系数，若定义：

S=1/K则有：

若用两个对中子有不同响应的剂量计放入中子—γ混合场，则：9.2.2中子剂量的测量介绍用相同思路研究的222Rn/220Rn剂量计9.2.2中子剂量的测量二、中子剂量当量的测量中子能谱是中子剂量当量测量难点：方杰，252，图8。99.2.2中子剂量的测量难点的解决：在一定能量范围内，使仪器的探测效率η（En）正比于中子与含氢材料反冲质子快中子慢化9.2.2中子剂量的测量9.2.2中子剂量的测量9.2.3测量剂量的其它方法1、G－M计数器在剂量测量中的应用

空气的η/E在一定能量范围内变化不大计数器计数率与照射量率、空气比释动能率、吸收剂量率大致正比方杰，255，图8。12Cu阴极G－M计数器，0.5~2.5MeV能量范围内，读数与平均值的偏差在15％以内；低能段，G－M计数器能响差；G－M计数器不适用于强辐射场，死时间问题。1、G－M计数器在剂量测量中的应用2、闪烁计数器和正比计数器在剂量测量的应用剂量测量原理和G-M计数器类似，但因为可以能量甄别，剂量测量准确性更高。晶体材料的原子序数接近空气的有效原子序数，则能量响应好。有机闪烁体和无机闪烁体能响大不相同。9.2.3测量剂量的其它方法闪烁计数器测量剂量灵敏度高，可用于小剂量的现场监测。9.2.3测量剂量的其它方法3、胶片剂量计黑度：9.2.3测量剂量的其它方法胶片对低于100keV光子的响应比高能光子的响应高很多倍。因此外包一层金属过滤片（如Cu、Cd、Pb、Sn、Al等）；监测胶片要与标准片以及本底片在相同条件下一起显影、定影；受环境温度、湿度影响大；处理过的胶片可长期储存。特点：4、荧光玻璃剂量计-光释光剂量测量原理利用光致发光原理，在磷酸盐为基体的玻璃中加入少量偏磷酸银。银离子俘获电子形成发光中心，在365nm的紫外光照射下，放出荧光。量程宽，10-4～3×103Gy；可重复使用；响应与照射量率无关；受环境影响小;测量准确度高，重现性好特点：9.2.3测量剂量的其它方法5、热释光剂量计

具有晶格结构的固体材料受到辐射照射时，禁带中的电子受激被陷阱（晶格缺损形成的带电中心）捕获。当固体材料被加热到一定温度时，电子返回禁带时，发出兰绿色的光，光的强度与固体所受的剂量相关。热释光元件：LiF、Li2B4O7(Mn)、CaF2(Mn)、BeO、CaSO4(Mn)、CaSO4(Dy)9.2.3测量剂量的其它方法表2.5某些热释光元件的特性参数热释光体LiFCaSO4（Mn）有效原子序数最大发光峰波长，10-10m发光主峰温度，0C发光峰数目测量有效范围，Sv线性区，Sv能量响应，30keV/60Co衰退热中子响应8125×10-5~10310-4~51.25第1小时内20％以后每年5％4.8×10215.55000110110-7~10210-7~102108小时30％8天65％9.2.3测量剂量的其它方法CaF2

、CaSO4测量低能光子有相当大的能量依赖性，需用过滤方法修正；LiF、Li2B4O7、BeO对光子的响应与能量关系小；材料中加入6Li或10B，可测量中子；量程宽：LiF为5×10-5～10-3Gy，Li2B4O7为10-5～104Gy。9.2.3测量剂量的其它方法六、测量吸收剂量的量热方法式中：c－吸收体的比热J·kg-1·℃-1；△T－是吸收体温度的改变量。1Gy的照射石墨水9.2.3测量剂量的其它方法9.2辐射探测仪器9.2.1测量仪器的种类

测量仪器必须能够探测并定量显示外照射和可能进入人体引起内照射的污染情况。在工作中常用两种类型的仪器，剂量率仪（针对外照射）、污染监测仪（针对表面污染和内照射）。1.剂量率仪

剂量率仪能贯穿辐射和β粒子辐射。图9.2.1是两种常用的测量率仪。大多数剂量率仪能够测量γ和X射线产生的剂量率。如果仪器有很薄的端窗,还可探测β射线产生的剂量率。前面讨论外照射危害的防护中指出,α粒子不能穿透皮肤,因而不必考虑外照射危险。9.2.1辐射探测仪器9.2.1.1测量仪器的种类1.剂量率仪

因此,一般不考虑对α粒子进行外照射剂量率测量。测量中子较为困难,因为中子不能直接引起电离,测量中子的仪器需要特殊的设计。在日常测量中,监测中子并不普遍,本章对中子的测量也不做更深入的讨论。剂量率仪通常能直接给出读数,单位为微希沃每[小]时，μSv.

h-1。以前,曾用过毫雷姆每[小]时(mrem.h-1

)作为剂量率的单位,与μSv.h-1的转换关系如下:1mrem.h-1

=10μSv.h-19.2.1辐射探测仪器9.2.1测量仪器的种类1.剂量率仪

图9.2.1两种常用剂量率仪G-M管剂量率仪电离室剂量率仪9.2.1辐射探测仪器9.2.1测量仪器的种类1.剂量率仪

有些专门用于剂量测量或环境监测的剂量率仪以μGy.h-1为单位,严格讲,μGy.h-1与μSv.h-1之间的转换取决于射线能量和受辐照的对象,二者有一-个转换系数,但在大多:数场合下,对γ射线和X射线而言,通常假定Gy和Sv是相等的,即转换系数为1。提示:在大多数与辐射安全相关的剂量率测量中,对于γ射线和X射线源:1mGy=1mSv应该注意到,剂量率仪测量的是电离辐射对探测材料的作用效果。在辐射防护中,我们更关心的是辐射对人体的作用效果。9.2.1辐射探测仪器9.2.1.1测量仪器的种类2.污染监测仪常用到的两类污染监测仪:表面污染监测仪(用于测量表面污染)，空气污染监测仪(用于测量空气污染)。不管用哪一种污染监测仪一台仪器是完不成表面污染和空气污染测量的,也就是说,仪器是有针对性的。另外,对不同的核素,仪器的探测效率也不同(0%~30%不等)。一个重要的结论就是:有的污染监测仪器对某些核素是探测不到的。记住:没有一台辐射监测仪是万能的,有些污染监测仪探测不到某些放射性核素。9.2.1辐射探测仪器9.2.1测量仪器的种类2.污染监测仪1)表面污染监测仪表面污染监测仪必须具有探测物体表面是否受到低水平放射性污染的功能。尤其是具有探测α核素污染的功能,因为α核素即使污染水平很低，只要进入体内就会造成严重的内照射剂量。表面污染监测仪通常由数据显示仪表和一个探头组成,探头可视探测需要进行更换,以便用来测量不同类型的辐射。图9.2.2是一个典型的表面污染仪及两个不同探测类型的探头。表面污染监测仪探测到的辐射代表的是探头所在区域的总的污染水平,其中包括固定污染和活动(可去除)污染两部分。9.2.1辐射探测仪器9.2.1测量仪器的种类2.污染监测仪1)表面污染监测仪可去除的放射性物质能够以某种途径进入人体造成内照射危害,所以知道可去除污染所占的份额非常重要。当然，最好不要出现任何放射性污染。如果表面污染只包括固定污染一项,则只涉及外照射的问题。如果一部分固定污染变成活动污染,产生的剂量率就复杂、严重多了。大多数的污染监测仪给出的污染水平是以每秒计数(eps)或每分计数(cpm)为单位。标准单位是以单位面积的活度来表示的(如Bq.cm-1或Bq.m-1)。为了与国家或国际上给出的标准限值进行比较,需要将eps或cpm转换成Bq.cm-1或Bq.cm-1。图9.2.3所示为测量表面污染和单位显示。9.2.1辐射探测仪器9.2.1测量仪器的种类2.污染监测仪1)表面污染监测仪表面污染监测仪和配置的探头测量表面污染图9.2.2表面污染监测仪和配置的探头9.2.1辐射探测仪器9.2.1测量仪器的种类2.污染监测仪1)表面污染监测仪有些表而污染监测仪也能直接给出以Bq.m-2为单位的测量结果。使用这类仪器有一个前提,即必须使该仪器用待测的放射性核素进行过检定(用待测核素的标准源对仪器校准),否则,该仪器显示的污染数值可能是不可靠的。记住:当使用以Bq.m-2为单位的表面污染监测仪时,必须确认该仪器事前用待测核素的标准源进行过校准。9.2.1辐射探测仪器9.2.1测量仪器的种类2.污染监测仪2)空气污染监测仪监测目的:对空气污染进行监测和量化,评估潜在的危害。空气污染既要考虑外照射危险,又要考虑内照射危险。一方面通过呼吸,污染物吸入体内(产生内照射),另一方面混合在云层中的放射性气体会产生严重的外照射剂量。空气污染监测比表面污染监测更复杂,空气污染呈现3种形式:(1)颗粒物(由微粒组成,如灰尘、烟尘);(2)气体(含放射性核素的气体);(3)蒸汽(含放射性核素的小液珠,或室温下在空气中星固态或液态的放射性核素)；9.2.1辐射探测仪器9.2.1测量仪器的种类2.污染监测仪2)空气污染监测仪不同类型的气体污染,监测程序略有不同。一般,监测空气污染包含两个阶段。首先用空气采样器进行过滤收集,然后把收集的滤纸(膜)放在仪器上进行测量。有的空气采样设备既能采样又能直接测量(如实时空气污染监测仪)。但先取样再测量的方式更普遍。最后,将所测得的计数再转换为Bq.m-3,便于与国家和国际标准比较。注意:现场虽然实时给出了连续测量的以Bq.cm-3或Bq.m-1为单位的读数,但要注意仪器必须事前用待测的放射性核素标准源进行校准，否则测量结果是不准确的。实时空气污染监测仪在发现空气污染超标时要有报警功能。9.2.1辐射探测仪器9.2.2选择合适的仪器9.2.2.1探测仪器的选择选择测量仪器时,下列几方而是必须考虑的:(1)仪器类型(是进行剂量率测量还是进行表面污染测量);(2)探测辐射的类型(如α、β、γ、X射线或中子);(3)探测射线能量的大小(如keV或MeV);(4)对仪器灵敏度的要求(uSv.

h-1、mSv.

h-1、Sv

.

h-1,最大量程cps或Bq

.cm-2)。把上述条件考虑后，就会缩小选择的范围。9.2.1辐射探测仪器9.2.2选择合适的仪器9.2.2.1探测仪器的选择1.仪器类型仪器选择视测量的需要而定。需要进行详细的测量时,通常测量内容有剂量率、表面和空气污染。只进行某一项测量时,了解测量仪器的类型是很有必要的。记住:剂量率的单位是μSv.

h-1或mSv.h-1,表面污染水平的单位是ep=(或转化为Bq

.cm-2),空气污染水平的单位是Bq.

m-3。2.辐射类型在前面已介绍过探测辐射的方法,不同的探测器针对不同的辐射类型。了解不同射线产生的辐射对于测量非常重要。当监测剂量率时,α粒子穿不透皮肤的角质层,因此,α粒子外照射剂量不予考虑。9.2.1辐射探测仪器9.2.2选择合适的仪器9.2.2.1探测仪器的选择2.辐射类型剂量率仪主要用来监测β、γ、X射线和中子辐射。剂量率仪虽可以监测一种或几种类型的辐射,但对不同的辐射,其灵敏度响应是不同的。在混合辐射场中,如果要对不同类型辐射引起的剂量率进行精确测量,需要区分射线类型,因为射线类型不同.能量不同,其剂量贡献因子就不一样。用典型的端窗G-M管或电离室(见图9.2.3)测量光子和β剂量率时,可用一个薄的金属片来屏蔽掉β粒子。9.2.1辐射探测仪器9.2.2选择合适的仪器9.2.2.1探测仪器的选择2.辐射类型图9.2.3典型的电离室剂量率监测仪9.2.1辐射探测仪器9.2.2选择合适的仪器9.2.2.1探测仪器的选择2.辐射类型测量中子的仪器对γ辐射也有响应,导致读数比实际中子剂量率高。为避免这些情况发生.应了解工作环境中的γ剂量率,然后从中子剂量仪读数中将γ剂量率扣除掉。γ剂量可用常规的测量仪器来获得。污染监测仪可能对不同类型的辐射都有响应。为了确定核素和量化辐射的贡献大小，需要区分辐射的类型和强度。对探测信号进行电子甄别来分辨,是一种途径,或者用滤板滤掉其他的辐射。当然,有甄别功能的仪器用起来方便。选择合适的测量污染的探测器时,记住下面几点非常有用:9.2.1辐射探测仪器9.2.2选择合适的仪器9.2.2.1探测仪器的选择2.辐射类型(1)ZnS闪烁探头和正比计数器探头可用来区分α和β射线。(2)β探测器对光线敏感,即使在一个低γ辐射环境中也会产生较多的计数。(3)α探头和磷光体通常对光子不敏感。(4)G~M管对α、β、光子都有响应,但不能直接区分。9.2.1辐射探测仪器9.2.2选择合适的仪器9.2.2.1探测仪器的选择2.辐射类型选择仪器时,需要综合考虑仪器的优缺点,取长补短。当监测低辐射能的特殊核素时，如平衡天然铀和天然钍,此核素既有α,又有β和γ辐射,由于α粒子很容易被屏蔽,能测到β辐射和r辐射。如果γ辐射很高，测出的β结果会被错误地高估。所以为了避免出现这所以为了避免出现这种情况,要么用α探测器单独测a,要么用一个β探测器,把β射线屏蔽掉先测γ。或者直接用一台经过γ源标定的仪器测γ,就会发现测量a和β的仪器,其灵敏度响应比测量γ射线的灵敏度响应要好。9.2.1辐射探测仪器9.2.2选择合适的仪器9.2.2.1探测仪器的选择3.射线能量能量响应对仪器来说非常关键。测量X射线或γ射线的剂量率,仪器常用Cs-137源来检定,Cs-137源的特征射线能量是0.66MeV。检定后的仪器如果用来测量别的核素放出的不同能量的射线,测量结果会高估或低估。一般情况下,尽管不同类型的G-M探测器的能量响应不同,但对X和r射线而言,大多数仪器经过能量补偿修正,在0.1~3MeV能量范围响应一致,G-M探测器的能量补偿是在探头周围加了一层金属，有选择性地减少低能辐射。9.2.1辐射探测仪器9.2.2选择合适的仪器9.2.2.1探测仪器的选择3.射线能量对表面污染监测仪器,探测方法和探头设计决定了测量的辐射类型和射线能量。对感兴趣的核素的测量要认真核对。氚水和含氚的化合物很难直接用仪器测量,常用闪烁液来测量，把待测的液体加入闪烁液中，然后在夜闪仪中进行计数测量。4.仪器灵敏度选择剂量率仪要考虑到对灵敏度的要求。例如一个简单的电离室,可以测量能量范围很宽的β.X或γ射线,但是要测量很低剂量率(如0.1μSv.h-1)时,就需要很大的电离室，体积大了用起来不方便。剂量率单位有μSv.h