电离辐射的剂量和单位.ppt

1、电离辐射常用的物理量和单位,湖北省肿瘤医院放疗科 徐 利 明,电离辐射与物质的相互作用,电离辐射的概念 直接致电离粒子：电子、质子、粒子等带电粒子。 间接致电离粒子：光子、中子等不带电粒子。 中性原子（Neutrul Atom）获得正电荷或负电荷的过程称为电离（Ionization）。 由直接致电离粒子或间接致电离粒子或二者混合组成的辐射称为电离辐射。,带电粒子 （电子、质子、粒子等） 直接致电离粒子,不带电粒子 （光子、中子等） 间接致电离粒子,与原子中的电子碰撞 产生电离,与壳层电子或原子核作用产生次级粒子，导致原子 产生电离,直接电离,间接电离,电 离 辐 射,带电粒子与物质的相互作用,

2、作用方式 与核外电子发生非弹性碰撞 与原子核发生非弹性碰撞 与原子核发生弹性碰撞 与原子核发生核反应,带电粒子与物质的相互作用,总质量阻止本领（total mass stopping power) 定义：带电粒子在某一密度的物质中穿过一定路 径时的能量损失（电离损失和辐射损失） 要点： 不同能量或不同粒子的能量损失方式不同。 电子能量较低时，电离损失占优势；能量较 高时，辐射损失份额增加。,带电粒子与物质的相互作用,带电粒子的射程 定义：带电粒子进入物质后，沿入射方向至完全 停止位置所经过的距离 要点： 射程与路径长度的概念不同 重粒子的射程方向较直，而电子的射程方 向范围较宽 外推射程,0.

3、5mm R90 R50 Rp,Dmax D90 Ds D50 Dx,Rq,G=Rp/(Rp-Rq),电子束特性参数的定义,Dx：X线污染 Ds：表面剂量(表面 下0.5mm处吸收 剂量) Rp：电子射程 R90：90%剂量深度 R50：50%剂量深度,X（）射线与物质的相互作用,作用特征 光子不能直接引起物质原子的电离或激发，而是 首先把能量传递给带电粒子； 光子与物质的一次相互作用可以损失其能量的全 部或很大一部分，而带电粒子则是通过许多次相 互作用逐渐损失其能量； 光子入射到物质后呈指数衰减，而带电粒子则有 确切的射程。,X（）射线与物质的相互作用,作用方式 光电效应 概念：是一种光子同原

4、子相互作用并从原子内层发射出一个轨道电子的现象。原子由激发态返回基态时发出特征X线和俄歇电子。,光电子,特征辐射,俄歇电子,X（）射线与物质的相互作用,反冲电子,康普顿效应 概念：光子同原子的外层电子相互作用，光子损失一部分能量，电子获得能量而脱离原子。,X（）射线与物质的相互作用,电子对效应 概念：当光子从原子核旁经过时，在原子核库仑场的作用下形成一对正负电子的过程。入射产生电子对效应的能量必须大于1.02MeV，获得动能的电子通过电离或辐射的方式损失能量。,负电子e-,正电子e+,各种作用的相对重要性,三种主要作用形式与光子能量和吸收物质的有效原子序数相关，在10keV100 MeV能量范

5、围的低端部分光电效应占优势，依次是康普顿效应和电子对效应占优势，对水，三种效应占优势的能量范围依次是10 30keV， 30 keV 25MeV，25 100MeV。,吸收物质的原子序数,120 100 80 60 40 20 0,0.01 0.1 1 10 100,光子能量(MeV),=c,c=p,光电效用 占优势,电子对效用 占优势,康普顿效用 占优势,有效原子序数对质能吸收系数的影响,60-150keV： 骨吸收远远高于脂肪和肌肉； 150-250keV： 骨吸收高于脂肪和肌肉； 2-22MV： 单位质量的骨吸收略低于脂肪和肌肉；但单位厚度的骨吸收仍高于脂肪和肌肉； 22-25MV： 骨

6、吸收稍高于脂肪和肌肉；,相对质量吸收系数,10 5 2.5 1.0 0.5 0.2 0.1,0.01 0.1 1 10 100,光子能量(MeV),骨 肌肉 脂肪,人体骨、肌肉和脂肪相对于空气的质能吸收系数,光子的衰减,设定条件 单能窄束光子； 探测器与源保持固定 距离，但远离吸收 体； 只有原射线(Primary Beam）通过吸收 体；,散射光子,探测器,准直器,吸收体,散射光子,线性减弱系数（） 在上述条件下，光子数dN 的减少与初始入射光子数N和吸收体厚度dx成正比： dNN dx 或 dN=-N dx 上式还可以用于表达光子强度的变化： d I =I dx 单能电离辐射与物质作用时，

7、其强度与物质的性质和厚度有关，线性减弱系数（）为辐射能量和物质种类的函数，表示电离辐射穿过单位厚度的物质层时，其强度减少的分数值。用吸收物质的密度去除总的线性减弱系数，便得到质量减弱系 数/ 。,实验证明，就单能窄束而言， I（x）与x的函数在半对数坐标系统内是一条直线，这表明单能光子束的衰减符合指数吸收规律： I（x）= I 0 exp（-x） 引入半值层的概念：使束流强度减少到它的初始值的一半所需要的吸收体的厚度（HVL）。 当 x = HVL 时 I/I0 = 1/2 则 HVL = 0.693/ - 线性衰减系数,质能转移系数 （ t r/ ） 电离辐射在物质中穿行质量厚度为 m 2

8、kg 1 时， 因相互作用，其能量转移给电子的份额。 质量吸收系数（en / ） 电离辐射在物质中穿行单位长度时，其能量真正被物质吸收的份额。即 en / = t r / （1g） S I 单位： m2kg 1,电离辐射常用的物理量和单位 放射治疗的基础在于对辐射效应的研究和应用，因此就离不开对电离辐射的计量，需要有各种辐射量和单位，并具有如下功能： 能够用以表征辐射源的特性； 能够用于描述辐射场的性质； 能够度量电离辐射与物质相互作用时能量传 递及受照射物体内部的变化程度和规律。,辐射剂量学的发展,沿用了医药学中的“剂量”一词来描述，称为辐射剂量。 旧的概念和单位逐渐被淘汰。 逐渐全面采用国

9、际（SI）单位制。 SI单位制是比较科学的计量单位制 国际统一，便于交流； 物理量的定义确定后，即可直接写出单位，无须记住各种换算系数。,常用辐射量和单位历史演变简表,*RBE-相对生物效应,国际辐射单位和测量委员会,International Commission on Radiation Units and Measurements （ICRU） 成立于1925年，国际X射线单位委员会 http：//,法定计量单位,法定计量单位是政府以法令形式明确规定的在全国范围内使用的计量单位； 我国使用的法定计量单位是国际单位制（SI）为基础，保留少数国内外习惯或通用的单位；

10、计量单位由主单位与倍数和分数单位构成，在国家法定计量单位中，尽管一种物理量有大小若干单位，但有独立定义的只有一个，即主单位。 使用倍数或分数单位时，禁止使用两个词头来表示，如10-12m，只能记为pm，而不能记为m。,粒子注量(particle fluence),定义: 对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与其截面积da的比值。 意义：是以入射粒子数目来描述辐射场性质的物理 量。 dN 表达式： = 单位：m-2 da 粒子注量率：单位时间内粒子注量的增量 单位 m-2 S-1,能量注量(energy fluence),定义: 对辐射场中以某一点为球心的一个小球，进 入

11、该小球的所有粒子的能量dR与其截面积da 的比值。 意义：是以进入辐射场内某点处单位截面积球体的 粒子总动能来描述辐射场性质的物理量。 dR 表达式： = 单位：J m-2 da 能量注量率：单位时间内能量注量的增量 单位 J m-2 S-1,照射量(Exposure),定义：电离辐射在单位质量空气中释放出来的所有的次级电子 完全被空气阻止时在空气中形成的任何一种符号离子的总电荷量的绝对值。 意义：是根据电离辐射对空气电离本领的大小来度量X（）线的物理量。,表达式： X= d Q / d m d Q 在质量为dm的一个体积元的空气中，当光子产生的全部电子均被阻止于空气中时，在空气中所形成的任一

12、种符号的离子总电荷量的绝对值。 与能量注量的关系： X= （ en/）e/W e- 每一离子的电荷，W- 空气中每形成一个离子对所消耗的平均能量， （ en/）- 空气对给定能量的光子的质能吸收系数。,单 位： S I 单 位： 库仑千克-1（C Kg-1） 沿用单位： 伦琴（R） 换 算 ： 1 R=1静电单位电量/0.001293g =0.333 10 -9C/1.293 10 -6Kg =2.5810 -4 C Kg-1 1 C Kg-1 =3.877 10 -3R (标准状况下） 注：SI单位 Systeme International,、,应用范围： 仅适用与X（）辐射； 仅适用一定

13、发能量范围（10keV-3Mev）； 仅适用于空气中。,、,照射量率,定义: 单位时间内照射量的增量 d x 表达式: X= d t 单位: SI 单 位 CKg-1S -1 沿用单位 RS -1 Rmin -1 m Rh -1,吸收剂量,定义: 任何电离辐射, 授予质量 dm 的物质的平均能量 d 除以 dm 所得的商。 表达式: D=d/dm 单 位: S I单 位: JKg-1 专用名词: 戈瑞（G y） 1Gy=1JKg-1 沿用单位: 拉德（r ad） 换 算： 1rad=10 -2Gy, 在同样辐射条件下，不同物质吸收辐射能量的本领是不 一样的，因此在使用吸收剂量的概念时，应注明辐

14、射类 型、受照射的介质种类和特定位置。 与能量注量的关系： D= （ en/）,是度量单位质量的受照射物质吸收辐射能量多少的物 理量； 适用于任何类型和任何能量的电离辐射； 使用时须明确辐射类型、介质种类和特定位置。,特 征,吸收剂量率 各种电离辐射的生物效应，不仅与吸收剂量的大小有关，还与吸收剂量的速率有关，因此，在研究电离辐射的生物效应时，需要引入吸收剂量率的概念。 定义：单位时间内吸收剂量的增量。 dD 表达式： D = d t 单位： SI单位：J kg1 S 1 专用名称：Gy S 1 或 mGy h 1 等 沿用单位：rad S 1 或 mrad h 1 等,比释动能,定义：是间接

15、致电离粒子与物质相互作用时，在单位质量物质中由间接致电离粒子释放出来的全部带电粒子的初始动能总和。 表达式：K= d E t r /dm 单位： 同吸收剂量。,比释动能,意义：是衡量在单位质量物质中转移给次级带电粒子初始动能总和的多少的物理量。 只适用于间接致电离辐射,但适用于任何物质。 在带电粒子平衡条件下,可表示为: K = （ en/）/(1-g),照射量、吸收剂量和比释动能的关系,间接致电离辐射的能量转移和吸收 光子将部分或全部能量转移给介质释放出次级电子 次级电子与原子中的电子作用，将能量转移给介质 少数次级电子与介质原子的原子核作用发生韧致辐射产生X线。,hv,hv,hv”,a,b

16、,照射量、吸收剂量和比释动能的关系,间接致电离辐射的能量转移和吸收,比释动能,吸收剂量,介质,直 接 致电离粒子,间 接 致电离粒子,电子平衡： 照射量定义中所说的电离电荷并不是在给定体积内产生的，而是在给定体积内被X（）辐射的光子释放出来的次级电子，在这个体积元内走完它们的路程时总共产生的电离电荷，因此，在测量时就必须保持电子平衡。,带电粒子平衡, 定义： 如果进入一特定的小体积内的次级电子带入的能量，与离开这个小体积的次级电子所带走的能量相等，则这个小体积内的中心点存在电子平衡。,V,P,d, 平衡条件： 由小体积V向各个方向伸展的距离d，至少大于由初级辐射所产生的次级带电粒子的最大射程R

17、max。在dRmax的区域内辐射的强度和能谱恒定不变。 在上述同样的区域内，介质对次级带电粒子的阻止本领及对初级辐射的质能吸收系数恒定不 变。,带电粒子平衡,V,P,d,下述情况下不存在 带电粒子平衡： 辐射源附近辐射场极不均匀，随 着离源距离的增加而急剧变化。 两种物质相邻的界面附近。这里 不但辐射场不均匀，而且两种物 质对初级辐射的质能吸收系数及对次级带电粒子的阻止本领不同， 且d Rmax。 高能辐射产生的带电粒子动能很大，当初级辐射穿过等于次级带电 粒子的平均射程的物质厚度时有明显的减弱。,照射量与吸收剂量的关系,当在空气中满足电子平衡条件时 X = （ en/）e/W D = （ e

18、n/） D = X W/e 1R=2.5810-4 C/kg Da (cGy) = Da(J/kg) 10-2 =X (R)2.58 10-4(C/kg) 33.97(J/ C) = 0.876(cGy/R )X(R),照射量与比释动能的关系,当在空气中满足电子平衡条件时 X = （ en/）e/W K = （ en/）/(1-g) K = X W/e ( g 忽略不计) 或 K = Kcol + Krad,吸收剂量与比释动能的关系,电子平衡系数：光子辐射在某一小体积元内沉积的能量dep于光子辐射在同体积元内电离过程中释放的能量Ecol之比： qe = Edep / E col qe1 时，平

19、衡未建立，比释动能大于吸收剂量 qe 1 时，电子平衡建立，比释动能等于吸收剂量 qe 1 时，平衡点以后，比释动能小于吸收剂量,吸收剂量与比释动能的关系,D 一级标准(Primary Standard); 校正因素较多： 空气衰减 离子复合 空气密度（温度、气压和湿度） 散射光子导致的电离等 能量上限3Mev。,自由空气电离室结构,柱形电离室,电离室结构 电离室工作特性 电离室的方向性 电离室的饱和特性 电离室的杆效应 电离室的复合效应 电离室的极化效应 环境因素对电离室工作特性的影响 电离室的维护与保养,柱形电离室的结构,空气壳,空气腔,固体空气壳,空气腔,绝缘体,中心电极,室壁,空气腔,

20、电离室的工作特性,电离室的方向性： 角度依赖性是柱形电离室所固有的，与电离室的灵敏体积有关，与中心电极和室壁的制作工艺有关；与室壁厚度的均匀性有关。,180,0,90,270,0.75 0.50 0.25,Farmer 2571 指形电离室的灵敏度 与射线入射角度的关系（电离室方向性,电离室的工作特性,电离室的饱和特性： 即使没有外加电场的作用，电离辐射产生的正、负离子也会因热运动而由密度高处向密度低处进行扩散移动，随着电离室工作电压的增加，电离室的输出信号电流会随之增加，至饱和。,收集极电流 I,电离室工作电压 V,O,A,B,C,电离室饱和特性曲线,电离室的工作特性,电离室的杆效应： 电离室的金属杆和电缆会产生微弱的电离，叠加在电离室的信号电流中，一般较小（小于1%）。,+,+,+,电离室的