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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(fù)電荷的過(guò)程稱(chēng)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(chēng)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(jí)粒子，導(dǎo)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(yīng),帶電粒子與物質(zhì)的相互作用,,總質(zhì)量阻止本領(lǐng)（total mass stopping power) 定義：帶電粒子在某一密度的物質(zhì)中穿過(guò)一定路 徑時(shí)的能量損失（電離損失和輻射損失） 要點(diǎn)： 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(shí)，電離損失占優(yōu)勢(shì)；能量較 高時(shí)，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(jìn)入物質(zhì)后，沿入射方向至完全 停止位置所經(jīng)過(guò)的距離 要點(diǎn)： 射程與路徑長(zhǎng)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(guò)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(yīng) 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(gè)軌道電子的現(xiàn)象。原子由激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時(shí)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(yīng) 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(duì)效應(yīng) 概念：當(dāng)光子從原子核旁經(jīng)過(guò)時(shí)，在原子核庫(kù)侖場(chǎng)的作用下形成一對(duì)正負(fù)電子的過(guò)程。入射
5、產(chǎn)生電子對(duì)效應(yīng)的能量必須大于1.02MeV，獲得動(dòng)能的電子通過(guò)電離或輻射的方式損失能量。,,,,,,,,,,負(fù)電子e-,,,正電子e+,各種作用的相對(duì)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(guān)，在10keV100 MeV能量范圍的低端部分光電效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)，依次是康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)，對(duì)水，三種效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)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(shì),電子對(duì)效用 占優(yōu)勢(shì),康普頓效用 占優(yōu)勢(shì),有效原子序數(shù)對(duì)質(zhì)能吸收系數(shù)的影響,60-150keV： 骨吸收遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)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(duì)于空氣的質(zhì)能吸
7、收系數(shù),光子的衰減,,設(shè)定條件 單能窄束光子； 探測(cè)器與源保持固定 距離，但遠(yuǎn)離吸收 體； 只有原射線(Primary Beam）通過(guò)吸收 體；,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,散射光子,探測(cè)器,準(zhǔn)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(dá)光子強(qiáng)度的變化： d I =I dx 單能電離輻射與物質(zhì)作用時(shí)，其強(qiáng)度與物質(zhì)的性質(zhì)和厚度有關(guān)，線性減弱系數(shù)（）為輻射能量和物質(zhì)種類(lèi)的函數(shù)，表示電離輻
8、射穿過(guò)單位厚度的物質(zhì)層時(shí)，其強(qiáng)度減少的分?jǐn)?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(shí)驗(yàn)證明，就單能窄束而言， I（x）與x的函數(shù)在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)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(qiáng)度減少到它的初始值的一半所需要的吸收體的厚度（HVL）。 當(dāng) x = HVL 時(shí) I/I0 = 1/2 則 HVL = 0.693/ - 線性衰減系數(shù),質(zhì)能轉(zhuǎn)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(shí)， 因相互作用，其能量轉(zhuǎn)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(zhǎng)度時(shí)，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(chǔ)在于對(duì)輻射效應(yīng)的研究和應(yīng)用，因此就離不開(kāi)對(duì)電離輻射的計(jì)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(chǎng)的性質(zhì)； 能夠度量電離輻射與物質(zhì)相互作用時(shí)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(xué)的發(fā)展,沿用了醫(yī)藥學(xué)中的“劑量”一詞來(lái)描述，稱(chēng)為輻射劑量。 舊的概念和單位逐漸被淘汰。 逐漸全面采用國(guó)際（SI）單位制。
10、SI單位制是比較科學(xué)的計(jì)量單位制 國(guó)際統(tǒng)一，便于交流； 物理量的定義確定后，即可直接寫(xiě)出單位，無(wú)須記住各種換算系數(shù)。,常用輻射量和單位歷史演變簡(jiǎn)表,,,,*RBE-相對(duì)生物效應(yīng),,,國(guó)際輻射單位和測(cè)量委員會(huì),International Commission on Radiation Units and Measurements （ICRU） 成立于1925年，國(guó)際X射線單位委員會(huì) http：//www.icru.org/,法定計(jì)量單位,法定計(jì)量單位是政府以法令形式明確規(guī)定的在全國(guó)范圍內(nèi)使用的計(jì)量單位； 我國(guó)使用的法定計(jì)量單位是國(guó)際單位制（SI）為基礎(chǔ)，保留少數(shù)國(guó)內(nèi)外習(xí)慣或通用的單位； 計(jì)量單位
11、由主單位與倍數(shù)和分?jǐn)?shù)單位構(gòu)成，在國(guó)家法定計(jì)量單位中，盡管一種物理量有大小若干單位，但有獨(dú)立定義的只有一個(gè)，即主單位。 使用倍數(shù)或分?jǐn)?shù)單位時(shí)，禁止使用兩個(gè)詞頭來(lái)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(duì)輻射場(chǎng)中以某一點(diǎn)為球心的一個(gè)小球，進(jìn) 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(lái)描述輻射場(chǎng)性質(zhì)的物理 量。 dN 表達(dá)式： = 單位：m-2 da 粒子注量率：?jiǎn)挝粫r(shí)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(duì)輻射場(chǎng)中以某一點(diǎn)為球心的一個(gè)小球，進(jìn) 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(jìn)入輻射場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)處單位截面積球體的 粒子總動(dòng)能來(lái)描述輻射場(chǎng)性質(zhì)的物理量。 dR 表達(dá)式： = 單位：J m-2 da 能量注量率：?jiǎn)挝粫r(shí)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(lái)的所有的次級(jí)電子 完全被空氣阻止時(shí)在空氣中形成的任何一種符號(hào)離子的總電荷量的絕對(duì)值。 意義：是根據(jù)電離輻射對(duì)空氣電離本領(lǐng)的大小來(lái)度量
13、X（）線的物理量。,表達(dá)式： X= d Q / d m d Q 在質(zhì)量為dm的一個(gè)體積元的空氣中，當(dāng)光子產(chǎn)生的全部電子均被阻止于空氣中時(shí)，在空氣中所形成的任一種符號(hào)的離子總電荷量的絕對(duì)值。 與能量注量的關(guān)系： X= （ en/）e/W e- 每一離子的電荷，W- 空氣中每形成一個(gè)離子對(duì)所消耗的平均能量， （ en/）- 空氣對(duì)給定能量的光子的質(zhì)能吸收系數(shù)。,單 位： S I 單 位： 庫(kù)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(biāo)準(zhǔn)狀況下） 注：SI單位 Systeme International,、,應(yīng)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(shí)間內(nèi)照射量的增量 d x 表達(dá)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(dá)式: D=d/dm 單 位: S I單 位: JKg-1 專(zhuān)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(lǐng)是不 一樣的，因此在使用吸收劑量的概念時(shí)，應(yīng)注明輻射類(lèi) 型、受照射的介質(zhì)種類(lèi)和特定位置。 與能量注量的關(guān)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(lèi)型和任何能量的電離輻射； 使用時(shí)須明確輻射類(lèi)型
16、、介質(zhì)種類(lèi)和特定位置。,特 征,吸收劑量率 各種電離輻射的生物效應(yīng)，不僅與吸收劑量的大小有關(guān)，還與吸收劑量的速率有關(guān)，因此，在研究電離輻射的生物效應(yīng)時(shí)，需要引入吸收劑量率的概念。 定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)吸收劑量的增量。 dD 表達(dá)式： D = d t 單位： SI單位：J kg1 S 1 專(zhuān)用名稱(chēng)：Gy S 1 或 mGy h 1 等 沿用單位：rad S 1 或 mrad h 1 等,比釋動(dòng)能,定義：是間接致電離粒子與物質(zhì)相互作用時(shí)，在單位質(zhì)量物質(zhì)中由間接致電離粒子釋放出來(lái)的全部帶電粒子的初始動(dòng)能總和。 表達(dá)式：K= d E t r
17、 /dm 單位： 同吸收劑量。,比釋動(dòng)能,意義：是衡量在單位質(zhì)量物質(zhì)中轉(zhuǎn)移給次級(jí)帶電粒子初始動(dòng)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(dòng)能的關(guān)系,間接致電離輻射的能量轉(zhuǎn)移和吸收 光子將部分或全部能量轉(zhuǎn)移給介質(zhì)釋放出次級(jí)電子 次級(jí)電子與原子中的電子作用，將能量轉(zhuǎn)移給介質(zhì) 少數(shù)次級(jí)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(dòng)能的關(guān)系,間接致電離輻射的能量轉(zhuǎn)移和吸收,比釋動(dòng)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(shuō)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(lái)的次級(jí)電子，在這個(gè)體積元內(nèi)走完它們的路程時(shí)總共產(chǎn)生的電離電荷，因此，在測(cè)量時(shí)就必須保持電子平衡。,,,,,,,帶電粒子平衡,,,,, 定義： 如果進(jìn)入一特定的小體積內(nèi)的次級(jí)電子帶入的能量，與離開(kāi)這個(gè)小體積的次級(jí)電子所帶走的能量相等，則這個(gè)小體積內(nèi)的中心點(diǎn)存在電子平衡。,,,,,V,,,,P,d,,,, 平衡條件： 由小體積V向各個(gè)方向伸展的距離d，至少大于由初級(jí)輻射所產(chǎn)生的次級(jí)帶電粒子的最大射程Rmax。在dRmax的區(qū)域內(nèi)輻射的強(qiáng)度和能譜恒定不
19、變。 在上述同樣的區(qū)域內(nèi)，介質(zhì)對(duì)次級(jí)帶電粒子的阻止本領(lǐng)及對(duì)初級(jí)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(chǎng)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(chǎng)不均勻，而且兩種物 質(zhì)對(duì)初級(jí)輻射的質(zhì)能吸收系數(shù)及對(duì)次級(jí)帶電粒子的阻止本領(lǐng)不同， 且d Rmax。 高能輻射產(chǎn)生的帶電粒子動(dòng)能很大，當(dāng)初級(jí)輻射穿過(guò)等于次級(jí)帶電 粒子的平均射程的物質(zhì)厚度時(shí)有明顯的減弱。,照射量與吸收劑量的關(guān)系,當(dāng)在空氣中滿足電子平衡條件時(shí) 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(dòng)能的關(guān)系,當(dāng)在空氣中滿足電子平衡條件時(shí) X = （ en/）e/W K = （ en/）/(1-g) K = X W/e ( g 忽略不計(jì)) 或 K = Kcol + Krad,吸收劑量與比釋動(dòng)能的關(guān)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(guò)程中釋放的能量Ecol之比： qe = Edep / E col qe1 時(shí)，平衡未建立，比釋動(dòng)能大于吸收劑量 qe 1 時(shí)，電子平衡建立，比釋動(dòng)能等于吸收劑量 qe 1 時(shí)，平衡點(diǎn)以后，比釋動(dòng)能小于吸收劑量,吸收劑量與比釋動(dòng)能的關(guān)系,,,,,,D 一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(Primary Standard); 校正因素較多： 空氣衰減 離子復(fù)合 空氣密度（溫度、氣壓和濕度） 散射光子導(dǎo)致的電離等 能量上限3Mev。,自由空氣電離室結(jié)構(gòu),柱形電離室,電離室結(jié)構(gòu) 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(yīng) 電離室的復(fù)合效應(yīng) 電離室的極化效應(yīng) 環(huán)境因素對(duì)電離室工
22、作特性的影響 電離室的維護(hù)與保養(yǎng),柱形電離室的結(jié)構(gòu),,,,,,,,,,,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(lài)性是柱形電離室所固有的，與電離室的靈敏體積有關(guān)，與中心電極和室壁的制作工藝有關(guān)；與室壁厚度的均勻性有關(guān)。,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(guān)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(méi)有外加電場(chǎng)的作用，電離輻射產(chǎn)生的正、負(fù)離子也會(huì)因熱運(yùn)動(dòng)而由密度高處向密
23、度低處進(jìn)行擴(kuò)散移動(dòng)，隨著電離室工作電壓的增加，電離室的輸出信號(hào)電流會(huì)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(yīng)： 電離室的金屬桿和電纜會(huì)產(chǎn)生微弱的電離，疊加在電離室的信號(hào)電流中，一般較小（小于1%）。,,,,,,,,+,+,+,電離室的工作特性,電離室的復(fù)合效應(yīng)： 正離子和負(fù)離子在到達(dá)收集極之前可能相遇復(fù)合成中性的原子或分子，即使工作在飽和區(qū)，這種復(fù)合效應(yīng)依然存在，并隨輻射類(lèi)型和輻射強(qiáng)度變化。 “雙電壓法 ”可在一定程度上校正復(fù)合效應(yīng)。,電離室的工作特性,電離室的極化效應(yīng)： 對(duì)給定的電離輻射，由
24、電離室收集到的電離電荷可能會(huì)因?yàn)槭占瘶O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(huì)形成一種與氣體電離不同的電流（Compton Current），導(dǎo)致收集極電流的增大或減小； 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(yīng)的影響； 因電離室的電極結(jié)構(gòu)的形式，造成了空間電荷的分布依賴(lài)于收集極的極性，因?yàn)檎?fù)離子的遷移率不同，造成了收集效率的差異，可通過(guò)提高收集極電壓減少，但不能消除； 電子束的極化效應(yīng)較光子束明顯，但調(diào)整后應(yīng)控制在0.5%以?xún)?nèi)。,環(huán)境因素對(duì)工作特性的影響,電離室的復(fù)合效應(yīng)： 大多數(shù)電離室為非密閉型，會(huì)受到空氣密度的影響，因此，須對(duì)溫度、氣壓和濕度進(jìn)行校正。,,,適用于放射治療測(cè)量用的電離室的主要指標(biāo),適用于放射治療測(cè)量用的靜電計(jì)的主要指標(biāo),照射量的測(cè)量,基本原理 被施加了極化電壓的電離室 能夠?qū)⑽⑷跣盘?hào)電流放大的電路 具有量程的靜電計(jì),照射量的測(cè)量,在已知輻射品質(zhì)、輻射場(chǎng)幾何條件下經(jīng)PSDL或SSDL校準(zhǔn)的電離室 X = MNcKtpCsCst M-劑量?jī)x讀數(shù) Nc-電離室校正因子 Ktp-空氣密度校正因子 Cs-離子復(fù)合校正因子 Cst-桿泄露校正因子,自由空氣電離室結(jié)構(gòu),,謝 謝,
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