《電離輻射的劑量和單位.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《電離輻射的劑量和單位.ppt（67頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、電離輻射常用的物理量和單位,湖北省腫瘤醫(yī)院放療科 徐 利 明,電離輻射與物質(zhì)的相互作用,電離輻射的概念 直接致電離粒子：電子、質(zhì)子、粒子等帶電粒子。 間接致電離粒子：光子、中子等不帶電粒子。 中性原子（Neutrul Atom）獲得正電荷或負電荷的過程稱為電離（Ionization）。 由直接致電離粒子或間接致電離粒子或二者混合組成的輻射稱為電離輻射。,帶電粒子 （電子、質(zhì)子、粒子等） 直接致電離粒子,不帶電粒子 （光子、中子等） 間接致電離粒子,與原子中的電子碰撞 產(chǎn)生電離,與殼層電子或原子核作用產(chǎn)生次級粒子，導致原子 產(chǎn)生電離,直接電離,間接電離,電 離 輻 射,,,,,,,帶電粒子
2、與物質(zhì)的相互作用,,作用方式 與核外電子發(fā)生非彈性碰撞 與原子核發(fā)生非彈性碰撞 與原子核發(fā)生彈性碰撞 與原子核發(fā)生核反應,帶電粒子與物質(zhì)的相互作用,,總質(zhì)量阻止本領（total mass stopping power) 定義：帶電粒子在某一密度的物質(zhì)中穿過一定路 徑時的能量損失（電離損失和輻射損失） 要點： 不同能量或不同粒子的能量損失方式不同。 電子能量較低時，電離損失占優(yōu)勢；能量較 高時，輻射損失份額增加。,帶電粒子與物質(zhì)的相互作用,,帶電粒子的射程 定義：帶電粒子進入物質(zhì)后，沿入射方向至完全 停止位置所經(jīng)過的距離 要點： 射程與路徑長度的概念不同
3、重粒子的射程方向較直，而電子的射程方 向范圍較寬 外推射程,,,,,,,,,,,,,0.5mm R90 R50 Rp,Dmax D90 Ds D50 Dx,Rq,G=Rp/(Rp-Rq),電子束特性參數(shù)的定義,Dx：X線污染 Ds：表面劑量(表面 下0.5mm處吸收 劑量) Rp：電子射程 R90：90%劑量深度 R50：50%劑量深度,,X（）射線與物質(zhì)的相互作用,,作用特征 光子不能直接引起物質(zhì)原子的電離或激發(fā)，而是 首先把能量傳遞給帶電粒子； 光子與物質(zhì)的一次相互作用可以損失其能量的全 部或很大一部分，而帶電粒子則是通過許多次相 互作用
4、逐漸損失其能量； 光子入射到物質(zhì)后呈指數(shù)衰減，而帶電粒子則有 確切的射程。,X（）射線與物質(zhì)的相互作用,,作用方式 光電效應 概念：是一種光子同原子相互作用并從原子內(nèi)層發(fā)射出一個軌道電子的現(xiàn)象。原子由激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時發(fā)出特征X線和俄歇電子。,,,,,,,,,,,,,,,光電子,特征輻射,俄歇電子,X（）射線與物質(zhì)的相互作用,,,,,,,,,,,,反沖電子,康普頓效應 概念：光子同原子的外層電子相互作用，光子損失一部分能量，電子獲得能量而脫離原子。,,,,X（）射線與物質(zhì)的相互作用,,電子對效應 概念：當光子從原子核旁經(jīng)過時，在原子核庫侖場的作用下形成一對正負電子的過程。入射
5、產(chǎn)生電子對效應的能量必須大于1.02MeV，獲得動能的電子通過電離或輻射的方式損失能量。,,,,,,,,,,負電子e-,,,正電子e+,各種作用的相對重要性,,三種主要作用形式與光子能量和吸收物質(zhì)的有效原子序數(shù)相關，在10keV100 MeV能量范圍的低端部分光電效應占優(yōu)勢，依次是康普頓效應和電子對效應占優(yōu)勢，對水，三種效應占優(yōu)勢的能量范圍依次是10 30keV， 30 keV 25MeV，25 100MeV。,,,,,,,,,,吸收物質(zhì)的原子序數(shù),120 100 80 60 40 20 0,,,,,,,,,,,,,,,,,0.01 0.1 1 10 100,光子能量(Me
6、V),,,=c,c=p,光電效用 占優(yōu)勢,電子對效用 占優(yōu)勢,康普頓效用 占優(yōu)勢,有效原子序數(shù)對質(zhì)能吸收系數(shù)的影響,60-150keV： 骨吸收遠遠高于脂肪和肌肉； 150-250keV： 骨吸收高于脂肪和肌肉； 2-22MV： 單位質(zhì)量的骨吸收略低于脂肪和肌肉；但單位厚度的骨吸收仍高于脂肪和肌肉； 22-25MV： 骨吸收稍高于脂肪和肌肉；,,,,,,,,,,相對質(zhì)量吸收系數(shù),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,,,,,,,人體骨、肌肉和脂肪相對于空氣的質(zhì)能吸
7、收系數(shù),光子的衰減,,設定條件 單能窄束光子； 探測器與源保持固定 距離，但遠離吸收 體； 只有原射線(Primary Beam）通過吸收 體；,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,散射光子,探測器,準直器,吸收體,散射光子,線性減弱系數(shù)（） 在上述條件下，光子數(shù)dN 的減少與初始入射光子數(shù)N和吸收體厚度dx成正比： dNN dx 或 dN=-N dx 上式還可以用于表達光子強度的變化： d I =I dx 單能電離輻射與物質(zhì)作用時，其強度與物質(zhì)的性質(zhì)和厚度有關，線性減弱系數(shù)（）為輻射能量和物質(zhì)種類的函數(shù)，表示電離輻
8、射穿過單位厚度的物質(zhì)層時，其強度減少的分數(shù)值。用吸收物質(zhì)的密度去除總的線性減弱系數(shù)，便得到質(zhì)量減弱系 數(shù)/ 。,實驗證明，就單能窄束而言， I（x）與x的函數(shù)在半對數(shù)坐標系統(tǒng)內(nèi)是一條直線，這表明單能光子束的衰減符合指數(shù)吸收規(guī)律： I（x）= I 0 exp（-x） 引入半值層的概念：使束流強度減少到它的初始值的一半所需要的吸收體的厚度（HVL）。 當 x = HVL 時 I/I0 = 1/2 則 HVL = 0.693/ - 線性衰減系數(shù),質(zhì)能轉移系數(shù) （ t r/ ） 電離輻射在物質(zhì)中穿行質(zhì)量厚度為 m 2 kg 1 時， 因相互作用，其能量轉移給電子的份額
9、。 質(zhì)量吸收系數(shù)（en / ） 電離輻射在物質(zhì)中穿行單位長度時，其能量真正被物質(zhì)吸收的份額。即 en / = t r / （1g） S I 單位： m2kg 1,電離輻射常用的物理量和單位 放射治療的基礎在于對輻射效應的研究和應用，因此就離不開對電離輻射的計量，需要有各種輻射量和單位，并具有如下功能： 能夠用以表征輻射源的特性； 能夠用于描述輻射場的性質(zhì)； 能夠度量電離輻射與物質(zhì)相互作用時能量傳 遞及受照射物體內(nèi)部的變化程度和規(guī)律。,輻射劑量學的發(fā)展,沿用了醫(yī)藥學中的“劑量”一詞來描述，稱為輻射劑量。 舊的概念和單位逐漸被淘汰。 逐漸全面采用國際（SI）單位制。
10、SI單位制是比較科學的計量單位制 國際統(tǒng)一，便于交流； 物理量的定義確定后，即可直接寫出單位，無須記住各種換算系數(shù)。,常用輻射量和單位歷史演變簡表,,,,*RBE-相對生物效應,,,國際輻射單位和測量委員會,International Commission on Radiation Units and Measurements （ICRU） 成立于1925年，國際X射線單位委員會 http：//www.icru.org/,法定計量單位,法定計量單位是政府以法令形式明確規(guī)定的在全國范圍內(nèi)使用的計量單位； 我國使用的法定計量單位是國際單位制（SI）為基礎，保留少數(shù)國內(nèi)外習慣或通用的單位； 計量單位
11、由主單位與倍數(shù)和分數(shù)單位構成，在國家法定計量單位中，盡管一種物理量有大小若干單位，但有獨立定義的只有一個，即主單位。 使用倍數(shù)或分數(shù)單位時，禁止使用兩個詞頭來表示，如10-12m，只能記為pm，而不能記為m。,粒子注量(particle fluence),,定義: 對輻射場中以某一點為球心的一個小球，進 入該小球的粒子數(shù)dN與其截面積da的比值。 意義：是以入射粒子數(shù)目來描述輻射場性質(zhì)的物理 量。 dN 表達式： = 單位：m-2 da 粒子注量率：單位時間內(nèi)粒子注量的增量 單位 m-2 S-1,能量注量(energ
12、y fluence),,定義: 對輻射場中以某一點為球心的一個小球，進 入該小球的所有粒子的能量dR與其截面積da 的比值。 意義：是以進入輻射場內(nèi)某點處單位截面積球體的 粒子總動能來描述輻射場性質(zhì)的物理量。 dR 表達式： = 單位：J m-2 da 能量注量率：單位時間內(nèi)能量注量的增量 單位 J m-2 S-1,照射量(Exposure),,定義：電離輻射在單位質(zhì)量空氣中釋放出來的所有的次級電子 完全被空氣阻止時在空氣中形成的任何一種符號離子的總電荷量的絕對值。 意義：是根據(jù)電離輻射對空氣電離本領的大小來度量
13、X（）線的物理量。,表達式： X= d Q / d m d Q 在質(zhì)量為dm的一個體積元的空氣中，當光子產(chǎn)生的全部電子均被阻止于空氣中時，在空氣中所形成的任一種符號的離子總電荷量的絕對值。 與能量注量的關系： X= （ en/）e/W e- 每一離子的電荷，W- 空氣中每形成一個離子對所消耗的平均能量， （ en/）- 空氣對給定能量的光子的質(zhì)能吸收系數(shù)。,單 位： S I 單 位： 庫侖千克-1（C Kg-1） 沿用單位： 倫琴（R） 換 算 ： 1 R=1靜電單位電量/0.001293g =0.333 10 -9C/1.
14、293 10 -6Kg =2.5810 -4 C Kg-1 1 C Kg-1 =3.877 10 -3R (標準狀況下） 注：SI單位 Systeme International,、,應用范圍： 僅適用與X（）輻射； 僅適用一定發(fā)能量范圍（10keV-3Mev）； 僅適用于空氣中。,、,照射量率,定義: 單位時間內(nèi)照射量的增量 d x 表達式: X= d t 單位: SI 單 位 CKg-1S -1 沿用單位 RS -1 Rmin -1 m Rh -1,,,吸收劑
15、量,定義: 任何電離輻射, 授予質(zhì)量 dm 的物質(zhì)的平均能量 d 除以 dm 所得的商。 表達式: D=d/dm 單 位: S I單 位: JKg-1 專用名詞: 戈瑞（G y） 1Gy=1JKg-1 沿用單位: 拉德（r ad） 換 算： 1rad=10 -2Gy,, 在同樣輻射條件下，不同物質(zhì)吸收輻射能量的本領是不 一樣的，因此在使用吸收劑量的概念時，應注明輻射類 型、受照射的介質(zhì)種類和特定位置。 與能量注量的關系： D= （ en/）,是度量單位質(zhì)量的受照射物質(zhì)吸收輻射能量多少的物 理量； 適用于任何類型和任何能量的電離輻射； 使用時須明確輻射類型
16、、介質(zhì)種類和特定位置。,特 征,吸收劑量率 各種電離輻射的生物效應，不僅與吸收劑量的大小有關，還與吸收劑量的速率有關，因此，在研究電離輻射的生物效應時，需要引入吸收劑量率的概念。 定義：單位時間內(nèi)吸收劑量的增量。 dD 表達式： D = d t 單位： SI單位：J kg1 S 1 專用名稱：Gy S 1 或 mGy h 1 等 沿用單位：rad S 1 或 mrad h 1 等,比釋動能,定義：是間接致電離粒子與物質(zhì)相互作用時，在單位質(zhì)量物質(zhì)中由間接致電離粒子釋放出來的全部帶電粒子的初始動能總和。 表達式：K= d E t r
17、 /dm 單位： 同吸收劑量。,比釋動能,意義：是衡量在單位質(zhì)量物質(zhì)中轉移給次級帶電粒子初始動能總和的多少的物理量。 只適用于間接致電離輻射,但適用于任何物質(zhì)。 在帶電粒子平衡條件下,可表示為: K = （ en/）/(1-g),照射量、吸收劑量和比釋動能的關系,間接致電離輻射的能量轉移和吸收 光子將部分或全部能量轉移給介質(zhì)釋放出次級電子 次級電子與原子中的電子作用，將能量轉移給介質(zhì) 少數(shù)次級電子與介質(zhì)原子的原子核作用發(fā)生韌致輻射產(chǎn)生X線。,,,,,,,,,,hv,hv,hv”,a,b,,照射量、吸收劑量和比釋動能的關系,間接致電離輻射的能量轉移和吸收,比釋動能,吸收劑量,介質(zhì),直 接
18、致電離粒子,間 接 致電離粒子,,,,,電子平衡： 照射量定義中所說的電離電荷并不是在給定體積內(nèi)產(chǎn)生的，而是在給定體積內(nèi)被X（）輻射的光子釋放出來的次級電子，在這個體積元內(nèi)走完它們的路程時總共產(chǎn)生的電離電荷，因此，在測量時就必須保持電子平衡。,,,,,,,帶電粒子平衡,,,,, 定義： 如果進入一特定的小體積內(nèi)的次級電子帶入的能量，與離開這個小體積的次級電子所帶走的能量相等，則這個小體積內(nèi)的中心點存在電子平衡。,,,,,V,,,,P,d,,,, 平衡條件： 由小體積V向各個方向伸展的距離d，至少大于由初級輻射所產(chǎn)生的次級帶電粒子的最大射程Rmax。在dRmax的區(qū)域內(nèi)輻射的強度和能譜恒定不
19、變。 在上述同樣的區(qū)域內(nèi)，介質(zhì)對次級帶電粒子的阻止本領及對初級輻射的質(zhì)能吸收系數(shù)恒定不 變。,,,,,,,帶電粒子平衡,,,,,,,,,V,,,,P,d,,,,下述情況下不存在 帶電粒子平衡： 輻射源附近輻射場極不均勻，隨 著離源距離的增加而急劇變化。 兩種物質(zhì)相鄰的界面附近。這里 不但輻射場不均勻，而且兩種物 質(zhì)對初級輻射的質(zhì)能吸收系數(shù)及對次級帶電粒子的阻止本領不同， 且d Rmax。 高能輻射產(chǎn)生的帶電粒子動能很大，當初級輻射穿過等于次級帶電 粒子的平均射程的物質(zhì)厚度時有明顯的減弱。,照射量與吸收劑量的關系,當在空氣中滿足電子平衡條件時 X = （ en/）e/W
20、 D = （ en/） 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),照射量與比釋動能的關系,當在空氣中滿足電子平衡條件時 X = （ en/）e/W K = （ en/）/(1-g) K = X W/e ( g 忽略不計) 或 K = Kcol + Krad,吸收劑量與比釋動能的關系,電子平衡系數(shù)：光子輻射在某一小體積元內(nèi)沉積的能量dep于光子輻射在
21、同體積元內(nèi)電離過程中釋放的能量Ecol之比： qe = Edep / E col qe1 時，平衡未建立，比釋動能大于吸收劑量 qe 1 時，電子平衡建立，比釋動能等于吸收劑量 qe 1 時，平衡點以后，比釋動能小于吸收劑量,吸收劑量與比釋動能的關系,,,,,,D 一級標準(Primary Standard); 校正因素較多： 空氣衰減 離子復合 空氣密度（溫度、氣壓和濕度） 散射光子導致的電離等 能量上限3Mev。,自由空氣電離室結構,柱形電離室,電離室結構 電離室工作特性 電離室的方向性 電離室的飽和特性 電離室的桿效應 電離室的復合效應 電離室的極化效應 環(huán)境因素對電離室工
22、作特性的影響 電離室的維護與保養(yǎng),柱形電離室的結構,,,,,,,,,,,空氣殼,空氣腔,固體空氣殼,空氣腔,,,,,絕緣體,中心電極,室壁,空氣腔,,,,,,電離室的工作特性,電離室的方向性： 角度依賴性是柱形電離室所固有的，與電離室的靈敏體積有關，與中心電極和室壁的制作工藝有關；與室壁厚度的均勻性有關。,180,,,,,,,,,,,,,,,,,,,0,90,270,0.75 0.50 0.25,Farmer 2571 指形電離室的靈敏度 與射線入射角度的關系（電離室方向性,電離室的工作特性,電離室的飽和特性： 即使沒有外加電場的作用，電離輻射產(chǎn)生的正、負離子也會因熱運動而由密度高處向密
23、度低處進行擴散移動，隨著電離室工作電壓的增加，電離室的輸出信號電流會隨之增加，至飽和。,,,,收集極電流 I,電離室工作電壓 V,O,A,B,C,電離室飽和特性曲線,電離室的工作特性,電離室的桿效應： 電離室的金屬桿和電纜會產(chǎn)生微弱的電離，疊加在電離室的信號電流中，一般較?。ㄐ∮?%）。,,,,,,,,+,+,+,電離室的工作特性,電離室的復合效應： 正離子和負離子在到達收集極之前可能相遇復合成中性的原子或分子，即使工作在飽和區(qū)，這種復合效應依然存在，并隨輻射類型和輻射強度變化。 “雙電壓法 ”可在一定程度上校正復合效應。,電離室的工作特性,電離室的極化效應： 對給定的電離輻射，由
24、電離室收集到的電離電荷可能會因為收集極電壓極性的改變而發(fā)生變化，其產(chǎn)生原因有多種： 高能光子產(chǎn)生的康普頓電子會形成一種與氣體電離不同的電流（Compton Current），導致收集極電流的增大或減??； 電離室靈敏體積以外收集到的電流（Extracmeral Current）也可能受到極化效應的影響； 因電離室的電極結構的形式，造成了空間電荷的分布依賴于收集極的極性，因為正負離子的遷移率不同，造成了收集效率的差異，可通過提高收集極電壓減少，但不能消除； 電子束的極化效應較光子束明顯，但調(diào)整后應控制在0.5%以內(nèi)。,環(huán)境因素對工作特性的影響,電離室的復合效應： 大多數(shù)電離室為非密閉型，會受到空氣密度的影響，因此，須對溫度、氣壓和濕度進行校正。,,,適用于放射治療測量用的電離室的主要指標,適用于放射治療測量用的靜電計的主要指標,照射量的測量,基本原理 被施加了極化電壓的電離室 能夠將微弱信號電流放大的電路 具有量程的靜電計,照射量的測量,在已知輻射品質(zhì)、輻射場幾何條件下經(jīng)PSDL或SSDL校準的電離室 X = MNcKtpCsCst M-劑量儀讀數(shù) Nc-電離室校正因子 Ktp-空氣密度校正因子 Cs-離子復合校正因子 Cst-桿泄露校正因子,自由空氣電離室結構,,謝 謝,
電離輻射的劑量和單位.ppt
