（生物医学工程专业论文）新型金刚石薄膜辐射剂量计的基础研究及设计.pdf

新型金刚石薄膜辐射剂量计的基础研究及设计 金刚石薄膜的相组成纯度。系统研究了不同的形核、生长工艺参数对金刚石薄 膜的生长和质量的影响。研究结果表明：基片位置3 ? 5 c m 处( 9 6 0 0 c ) ，成核阶 段甲烷浓度0 7 2 一1 0 8 ，压力5 3 k p a ，功率1 3 0 0 w 的情况下，并控制c 也生 长浓度在在0 3 - 0 5 范围，采用循环刻蚀工艺都能获得 1 0 0 取向金刚石膜， 氢等离子体的刻蚀作用在生长过程中十分重要，实验结果显示通过控制纯氢等 离子体循环刻蚀工艺，能有效刻蚀掉非晶态碳和石墨，有效提高金刚石薄膜的 相组成纯度，其电阻率较无纯氢等离子体循环刻蚀工艺的提高了3 个数量级。 优化的循环生长工艺制备出电阻率在1 0 “q c m 数量级的 1 0 0 取向膜。 为了进一步提高金刚石薄膜纯度，除去薄膜表面的非金刚石成分，分别采 用原位氧、空气、氮、氢等离子体对沉积出的金刚石薄膜进行后处理，电学测 量结果表明原位等离子体后处理能不同程度地提高薄膜的电阻率( 最大提高6 个数量级，从1 0 9 至, 1 - 1 0 1 5 q c m ) ；等离子体后处理是一种简便有效且无污染 的提高金刚石膜电阻率的工艺方法，有利于降低金刚石膜剂量计的漏电流，提 高器件的信噪比和辐射响应灵敏度。 从分形的角度研究了金刚石薄膜材料表面分形维数和电阻率的相互关系。 研究发现造成薄膜表面分形维数随电阻率呈现不同的变化趋势可能与制备工艺 和不同的等离子后处理方式有关。当d 界于某个范围( 2 8 5 - 2 9 2 ) 时，l o g ( p ) 趋于一个稳定值，p 将不随d 的变化而变化；当d 大于某个值( 2 9 2 ) 时， l o g ( p ) 随d 的增大而增大，d 与p 呈线性正相关关系；而当d 小于某个值( - - 2 7 8 ) 时，l o g ( p ) 随d 的减小而增大，h p p 随d 的减小而有所增大。 制备了三明治m i s 结构的p t 金刚石薄膜s i 的光导型x 射线辐射剂量计， 使用稳态x 光源对辐射剂量计的性能研究表明：剂量计对x 光有高的灵敏度和 良好的线性光电响应关系，灵敏度与s i 流强计在同一个数量级。 研究了不同薄膜纯度对金刚石薄膜辐射剂量计光响应性的影响，结果表明 薄膜的纯度越高，电阻率值越大，相应膜做成剂量计的光电流值越大，采用形 核一刻蚀一生长- n 蚀一生长循环工艺合成金刚石薄膜纯度和电阻率最大，相 应膜做成的剂量计灵敏度最高。 研究了不同薄膜取向、取向度、厚度和晶粒大小对这种新型剂量计的响应 特性的影响。结果表明：金刚石薄膜辐射剂量计对x 光响应的灵敏度不仅受薄 膜相组成和纯度的影响，也受薄膜取向和取向度的影响。在同一取向的情况下， 膜的纯度越高其灵敏度也越高；在纯度相近的情况下， t o o l 取向膜做成剂量 四j i l 大学博士学位论文 计的灵敏度高于 t t t 取向膜做成的；【1 0 0 的取向度越高，灵敏度越高，这是 由于 1 0 0 取向度越高，薄膜的晶体结构越完整，晶粒间界和缺陷越少，降低了 对载流子传输的强烈散射，其x 射线辐照下的光电流越高，剂量计的灵敏度也 就越高。研究还发现薄膜厚度和晶粒尺寸对辐射剂量计的x 响应性能有较大的 影响，晶粒尺寸越大，剂量计辐射响应的灵敏度就越高。这是由于金刚石薄膜 厚度越大，晶粒越大，薄膜内晶界和陷阱中心密度相应减少，也就是说其晶界 和载流子陷阱中心( 缺陷和杂质) 就越少。因此，载流子被俘获几率也就越小， 载流子在外加偏压下的输运受到晶粒问界的散射作用就小，这就意味着更多的 光生载流子可以被电极收集，光电流就大，灵敏度高。 研究了不同的等离予体后处理方法对剂量计光响应性的影响，结果表明等 离子体原位后处理金刚石膜是一种较为有效的提高器件x 光响应灵敏度的方 法。其中原位氧等离子后处理的金刚石薄膜制成的器件对x 光的灵敏度高于原 位氮、氢、空气等离子处理后的薄膜，这是由于原位氧更能有效地刻蚀生成膜 表层的石墨态c 和c - h 键，有效地减少生成膜中非金刚石相含量，提高了膜的 纯度，因而其灵敏度也就越高。 金刚石薄膜辐射剂量计响应时间研究发现由于所制各的金刚石薄膜内存在 深能级缺陷和杂质，造成了其对x 光的响应速度慢，要1 6 一1 8 分钟左右的较长 时间电流信号才能基本稳定。指出降低金冈石薄膜缺陷密度或预辐照是缩短响 应时问的有效方法。 关键词：金刚石薄膜辐射剂量计电阻率分形x 光响应性 新型金刚石薄膜辐射剂量计的基础研究及设计 s t u d yo nn e wt y p er a d i a t i o nd o s i m e t e r sb a s e do n d i a m o n dt h i nf ii m s s p e c i a l i t y ：b i o m e d i c a le n g i n e e r i n g p h o c a n did a t e ：l i a ox i a o m i n gs u p e r vis o t ：r a nj u n g u o a b s t r a c t d i a m o n dh a san u m b e ro fp r o p e r t i e st h a tm a k ei tap o t e n t i a l l y r e m a r k a b l em a t e r i a lf o ru s ea s ar a d i a t i o nd o s i m e t e ri n c l u d i n g h i g h - t e m p e r a t u r eo p e r a t i o n s t a b i l i t y ，h i g hr a d i a t i o nh a r d n e s s ，t h e r e s i s t a n c et oh i g hi r r a d i a t i o nf l u x e sa n di t st i s s u ee q u i v a l e n c e i n a d d i t i o n ，t h ed i a m o n di sd o n t o x i ca n di n e r tt ot i s s u ef l u i d ，s oi t i s s u i t a b l ef o ri n v i v or a d i a t i o nd e t e c t i o n u pt on o w , s i d l ec r y s t a l d i a m o n dg r o w nb yc v d ( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) a n dn - d o p e dd i a m o n dh a v e n o tb e e n m a d eag r e a tb r e a k t h r o u g h ，t h e r e f o r e ，t h ef a b r i c a t i o no f h i g h - p e r f o r m a a c er a d i a t i o nd o s i m e t e r sb a s e do nd i a m o n df i l m sw i t hh i g h p h a s e - p u r i t ya n dh i g h d e g r e ep r e f e r e n t i a lo r i e n t a t i o nh a sb e e no n eo f t h eh i g h l i g h t s t h ea i mo ft h i ss t u d yi st od e v e l o pan e wk i n do fr a d i a t i o nd o s i m e t e r b a s e do nd i a m o n dt h i nf i l m st oo v e r c o m ed r a w b a c k so ft h ec u r r e n tw i d e l y u s e dr a d i a t i o nd o s i m e t e r s ，s u c ha sl o ws e n s i t i v i t y ，p o o rs p a t i a l r e s o l u t i o n ，l o wr a d i a t i o nh a r d n e s s ，s h o r te n d u r a n c ea n ds oo n i nt h i s p a p e r ，i no r d e rt oo b t a i nt h ed i a m o n dt h i nf i l m sw i t hh i g hp u r i t ya n d b i g h d e g r e eo r i e n t a t i o n ，t h ei n f l u e n c eo fn u c l e a t i o np a r a m e t e r s ，g r o w t h p a r a m e t e r sa n di n - s i t up l a s m ap o s t t r e a t m e n t so nt h eq u a l i t yo fd i a m o n d f i l m sw a ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yu s i n ga b e l l j a rt y p em w p c v d ( m i c r o w a v e p l a s m aa s s i s t e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) s e t u p t h es u r f a c em o r p h o l o g y o fd i a m o n dt h i nf i l m sw a si n v e s t i g a t e db yaf r a c t a lm e t h o d r a d i a t i o n 四川大学博士学位论文 d o s i m e t e r sb a s e do nd i a m o n dt h i nf i l m sw e r em a d ea n dt h e i r p h o t o e l e c t r i c a lp e r f o r m a n c e sw e r ei n v e s t i g a t e dw i t hs t e a d y s t a t ex - r a y t h ee f f e c to ft h ed i a m o n df i l m sc o n s t i t u t i o n ，s t r u c t u r e ，f i l mt h i c k n e s s a n dg r a i ns i z eo nt h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e sa n dt h er e s p o n s et ox - r a y w a sa l s os t u d i e di nd e t a i l i no r d e rt oi m p r o v et h ep u r i t yo fd i a m o n dt h i nf ii m s ，t h ef o l l o w i n g m e t h o d sw e r eu s e d ：s c r a t c h i n gt h es is u b s t r a t es u r f a c em a n u a l l yw i t ht h e d i a m o n dp o w d e ra n dc l e a n i n gi tw i t hu l t r a s o n i cv i b r a t o rt op r e t r e a ts i s u b s t r a t e ：t h ec y c l i cd e p o s i t i o nt e c h n i q u et op r e p a r ed i a m o n dt h i nf i l m s t h ee f f e c to fn u c l e a t i o np a r a m e t e r s ，g r o w t hp a r a m e t e r sa n dd i f f e r e n t d e p o s i t i o nt e c h n i q u e so nt h eq u a l i t ya n dt h eo r i e n t a t i o no fd i a m o n df i l m s w a ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h er e s u l t ss h o wt h a t 1 0 0 o r i e n t e dd i a m o n d f i l m sc a nb ep r e p a r e dw i t ht h ec y c l i cd e p o s i t i o nt e c h n i q u eu n d e rt h e f o l l w i n gc o n d i t i o n s ：s u b s t r a t ep o s i t i o n3 7 5 c m ( s u b s t r a t et e m p e r a t u r e 9 6 0 。c ) ，n u c l e a t i o nm e t b a n ec o n c e n t r a t i o n0 7 2 一1 0 8 ，p r e s s u r e5 3 3 k p a ， n u c l e a t i o nm i c r o w a v ep o w e r1 3 0 0 wa sw e l la sg o w t hm e t h a n ec o n c e n t r a t i o n o 3 一0 5 i na d d i t i o n ，w i t ht h eo p t i m a lc y c li cd e p o s i t i o nt e c h n i q u e 。 t h er e s i s t i v i t yo ff i l mc a nb ei n c r e a s e dt o5 9 x1 0 1 1 q c mb y3o r d e r s o fm a g n i t u d ed u et ot h ee f f e c t i v er e d u c t i o ni nt h ec o n t e n to ft h eg r a p h i t e a n do t h e rn o n - d i a m o n dp h a s e sw i t h i nt h ed i a m o n dt h i nf i l m , c o m p a r e dw i t h t h en u c l e a t i o n - g r o w t h t e c h n i q u ea n dt h en u c l e a t i o n - e t c h i n g - g r o w t h t e c h n i q u e i n - s i t uo x y g e n ，a i r , n i t r o g e na n dh y d r o g e np l a s m ap o s t t r e a t m e n tw a s u s e dr e s p e c t i v e l yf o r t h ea s g r o w nf i l m st oi m p r o v et h e i rs u r f a c ep u r i t y e l e c t r i c a lm e a s u r e m e n t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h er e s i s t i v i t yi si n c r e a s e d g r e a t l yu pt oa b o u t6o r d e r so fm a g n i t u d e ( f r o m1 0 t o1 0 ”q c m ) t h e r e s u l t sa l s oi n d i c a t et h a ti n - s i t up l a s m ap o s t t r e a t m e n ti sa ne f f e c t i v e a n de c o n o m i c a la p p r o a c ht oi m p r o v et h er e s i s t i v i t yo fd i a m o n dt h i nf i l m s m o r e o v e r ，i th e l p sr e d u c et h el e a k a g ec u r r e n to fr a d i a t i o nd o s i m e t e r s ， i m p r o v et h es i g n a lt on o i s ea sw e l la si n c r e a s et h es e n s i t i v i t yo f r a d i a t i o nd o s i m e t e r v 新型金刚石薄膜辐射剂量计的基础研究及设计 t h es u r f a c em o r p h o l o g yo ft h ed i a m o n df i l m sw a sd e s c r i b e df r o mt h e f r a c t a lp o i n to fv i e w 。a n dt h ef r a c t a ld i m e n s i o nw a sc o r r e l a t e dw i t ht h e r e s i s t i v i t yo ft h ef i l m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef r a c t a lb o xd i m e n s i o n m a yb er e l a t e dw i t hd i f f e r e n td e p o s i t i o nt e c h n i q u e s ，d e p o s i t i o n c o n d i t i o n sa n dd i f f e r e n ti n - s i t up l a s m ap o s t - t r e a t m e n t s t h er e s u l t s a l s os h o wt h a tw h e nf r a c t a lb o xd i m e n s i o nw a sa b o v e2 9 2 。i tp r e s e n t s p o s i t i v e l yc o r r e l a t i v er e l a t i o nw i t ht h el o g a r i t h mo fr e s i s t i v i t y ( l o g ( p ) ) ：w i t h i nac e r t a i nr a n g ea p p r o x i m a t e l yf r o m2 8 5t o2 9 2 t h e r e s i s t i v i t yd o e sn o tc h a n g ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h ef r a c t a ld i m e n s i o n ； h o w e v e r ，w h e nt h ed i m e n s i o ni sb e l o w2 7 8 ，t h er e s i s t i v i t yi n c r e a s e sw i t h t h ed e c r e a s e o ft h ef r a c t a lb o xd i m e n s i o n d o s i m e t e r sw i t hs i m p l ep t d i a m o n df i l m s is a n d w i c hs t r u c t u r ew e r e m a d ea n de x a m i n e dw i t hs t e a d y s t a t ex - r a ys o u r c e t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ep h o t o c u r r e n to u t p u ti sp r o p o r t i o n a lt ot h ei n c i d e n t 卜r a yf l u x t h e r e s u l t sa l s os h o wt h a tt h es e n s i t i v i t yo ft h ed o s i m e t e r sb a s e do nd i a m o n d t h i nf i l m si st h es a m eo r d e ro fm a g n i t u d ea st h es id i o d ed o s i m e t e r t h ee f f e c to ff i l mp u r i t yo nt h er e s p o n s et ox - r a yw a s s t u d i e d p u r i t y a n dr e s i s t i v i t yo ft h ed i a m o n df i l m sp r e p a r e db yd i f f e r e n td e p o s i t i o n t e c h n i q u e sa r ed i f f e r e n t t h ed o s i m e t e rb a s e do nt h ef i l mw i t ht h ec y c l i c t e c h n i q u eh a sh i g h e rs e n s i t i v i t yt h a nt h a tw i t ho t h e rc o n v e n t i o n a l d e p o s i t i o nt e c h n i q u e s t h ed e p e n d e n c eo ft h ee l e c t r i c a lp e r f o r m a n c e sa n dt h er e s p o n s et o i r r a d i a t i o no nt h ec o n s t i t u e n t ，s t r u c t u r e 。f i l mt h i c k n e s sa n dg r a i ns i z e o ft h ef i l mw a ss t u d i e d t h es e n s i t i v i t yo ft h er a d i a t i o nd o s i m e t e ri s a f f e c t e dn o to n l yb yp u r i t ya n dp h a s ec o n s t i t u e n t so ft h ef i l m , b u ta l s o b yt h eo r i e n t a t i o no ft h ef i l mt h er e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h es a m e o r i e n t a t i o n ，t h eh i g h e rt h er e s i s t i v i t yo ft h ef i l m , t h eh i g h e rp u r i t y a n dt h eh i g h e rs e n s i t i v i t y i na d d i t i o n ，w i t ht h es i m i l a rf i l mp u r i t y ， t h ed o s i m e t e rb a s e do n 1 0 0 】d i a m o n df i l mh a sh i g h e rs e n s i t i v i t yt h a n t h a tb a s e do n i i i 】d i a m o n df i l m t h eh i g h e rt h ei n t e n s i t yo f 五i 五1 1 1 ) ， t h eh i g h e rt h es e n s i t i v i t y t h er e a s o ni st h a t 1 0 0 - o r i e n t e dd i a m o n d 四川大学博上学位论文 f i l mh a st h eb e t t e rc r y s t a ls t r u c t u r e ，t h el e s sg r a i nb o u n d a r i e sa sw e l l a st h el e s sd e f e c t s t h er e s u l t sa l s os u g g e s tt h a tt h ef i l mt h i c k n e s s a n dg r a i ns i z eh a v eg r e a te f f e c t so nt h er e s p o n s eo fd o s i m e t e r st ox r a y t h et h i c k e rt h ef i l mi s ，t h el a g e rt h eg r a i ns i z ei s ，a n dt h u st h eh i g h e r t h es e n s i t i v i t yi s t h er e a s o ni st h a tw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ef i l m t h i c k n e s sa n dt h eg r a i ns i z e ，t h ef i l mh a sl e s sg r a i nb o u n d a r i e s ，w h i c h a r ea b u n d a n to ft r a p s ( d e f e c t sa n d o ri m p u r i t i e s ) t h a tc a ns e i z et h e c a r r i e r s ，a n dt h u sh a sl o w e rd e n s i t yo ft r a p p i n gc e n t e r sa n db e h a v e s b e t t e rp h o t o e l e c t r i c a lp e r f o r m a c e t h ee f f e c to fd i f f e r e n tp l a s m ap o s t t r e a t m e n t so nt h er e s p o n s et o x i r a yw a ss t u d i e d t h ex - r a yf l u x p h o t o c u r r e n tc h a r a c t e r i z a t i o ns h o w s t h a ti n - s i t up l a s m ap o s t t r e a t m e n tc a ni m p r o v et h es e n s i t i v i t yo ft h e d o s i m e t e r sb a s e do nd i a m o n df i l m st ox r a yi r r a d i a t i o n i n - s i t uo x y g e n p l a s m ap o s t t r e a t m e n tc a nl e a dt ot h eh i g h e rs e n s i t i v i t yo ft h e d o s i m e t e r si nc o m p a r i s o nw i t hi n - s i t ua i r ，n i t r o g e na n dh y d r o g e np l a s m a p o s t t r e a t m e n tr e s p e c t i v e l y b e c a u s ei tc 8 1 1d e c r e a s em o r ee f f e c t i v e l y t h ec o n t e n to fg r a p h i t ea n dc - hb o n di nt h ea s g r o w nf i l m sa n di m p r o v e t h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fan e wt y p ed o s i m e t e rb a s e do nt h ed i a m o n d t h i nf i l n t i m e 。d e p e n d e n tp h o t o c u r r e n t so fr a d i a t i o nd o i m e t e r st ox 。r a ys h o w t h a t p h o t o c u r r e n ts i g n a l sb e c o m es t a b l ea f t e r 1 6 一1 8m i n u t e s t h e e x t e n d e dp e r i o dt or e a c hs i g n a ls a t u r a t i o nf o rt h ed o s i m e t e r si sr e l a t e d t os o m ed e e p - l e v e ld e f e c t sa n di m p u r i t i e sw i t h i nt h ed i a m o n dt h i nf i l m s i ta l s os u g g e s t st h a tr e d u c i n gt h ed e f e c td e n s i t yo ft h ef i l m sa n d p r e i r r a d i a t i o na r ev e r ye f f e c t i v et oi m p r o v et h ep h o t o e l e c t r i c a l r e s p o n s ep e r f o r m a n c e so ft h ed o s i m e t e r s ： k e y w o r d s ：d i a m o n dt h i nf i l m ；r a d i a t i o nd o s i m e t e r ；r e s i s t i v i t y ；f r a c t a l ： r e s p o n s et ox - r a y 四川大学博士学位论文 第一章前言 1 1 放射治疗技术的发展及要求 自1 8 9 5 年伦琴发现x 射线及1 8 9 8 年居里夫妇发现天然放射性元素钋和镭以 来，人们就开始进行有关对玻璃、陶瓷、水及其他材料的辐照实验，并将辐照 用于医学透视及探伤的探索及研究。1 8 9 6 年2 月在澳大利亚开始使用x 射线作疾 病诊断0 1 。自1 8 9 9 年首次报道放射线治愈肿瘤脚至今，放射治疗己走过了1 0 0 多 年的历史，从无到有，不断拓展。目前，恶性肿瘤已经成为严重危害人类健康 的常见病、多发病。在我国恶性肿瘤的现症患者约有5 0 0 万人，每年新发病人数 约有2 5 0 万人，每年死于恶性肿瘤的患者约有1 5 0 万人，恶性肿瘤已成为人类致 死的主要原因之一瞳”。根据世界卫生组织的统计，在全部恶性肿瘤中，现在大 约有4 5 的病人可以被治愈，其中2 2 被手术治愈，1 8 被放疗治愈，余下5 被药 物治愈。放疗已是恶性肿瘤的根治手段之一，已成为恶性肿瘤的三大治疗手段 之一，是当今治疗恶性肿瘤最常用的方法之一。中国的肿瘤患者中约有7 0 接受 放疗，日本新发现的肿瘤病人5 0 用放疗，美国新发现的肿瘤病人5 0 6 0 用放 疗。有的是在手术前，有的是在手术后，有的是配合化疗。也就是说放射治 疗肿瘤无论是作为主要手段，还是作为辅助手段，都有很大的作用”。特别是 随着计算机、物理学等高新技术的发展，放射疗法在肿瘤的医治中越来越受到 重视和发挥了更大的作用。但由于放射疗法是一种破坏性的治病技术手段，存 在一定的危险性，因而随着放射治疗技术应用的日趋普遍，如何在保证疗效的 基础上，减少或不增加正常组织损伤的情况下，最大限度地将剂量集中到病变 即靶区内杀灭肿瘤细胞，改善肿瘤局部控制，以期提高患者的生存率、生存质 量和减少正常组织的并发症，进一步提高其治疗的可靠性和安全性，成为放疗 技术中一个日显突出的问题，促使人们从相关治疗设备到照射技术、辐射剂量 学等诸方面不断进行深入的开发、研究和完善。 放射治疗的原理“4 1 是给机体组织投射小束的电离辐射能( x 射线、y 射线 等) ，并通过其与组织细胞的相互作用产生能量转移，在人体细胞中，光子释放 的能量继发性地产生电子和其它高反应性粒子，这些电子和粒子作用于胞核与 胞浆的d n a 和其它细胞器而造成损伤。双链d n a 的断裂是导致细胞死亡的主要 新型金刚石薄膜辐射剂量计的基础研究及设计 机制。辐射还能通过其他机制产生作用。辐射对正常细胞和恶性肿瘤细胞的影 响是不一样的。正常细胞可以修复辐射造成的损伤并且再生，而恶性肿瘤细胞 则缺乏这种修复能力。放射治疗成功的关键在于取决于对病人靶区实施准确、 一致的商剂量照射，以将其全部杀死；但同时尽可能减少对健康组织的照射， 以避免使周围正常组织承受的剂量过大而超越了正常细胞的耐受性，以致引发 严重的并发症。要达到这个目标，这就要求必须对从剂量仪的使用和校准到实 施病人照射的各个环节实行剂量学质量保证。使放疗过程中辐射剂量及其梯度 受到严格精确的监测和控制。 电离辐射作用于机体后，其能量传递给机体的分子、细胞、组织和器官， 造成辐射生物效应的后果，按作用机理可分为确定性效应和随机性效应。 在电离辐射作用后，若是组织中损失的细胞数足够多，而且这些细胞又相 当重要，将会造成可能观察到的损伤，主要表现为组织或器官功能不同程度的 丧失。当照射剂量很小时，产生这种损害的概率为零；若剂量高于某一水平( 阈 值) ，概率很快到了1 0 0 9 6 。在超过阈值以后，损伤的严重程度会随剂量的增加 而加重。辐射的这种效应称为确切性效应嘲 当机体受到辐射后，一些细胞受损而死亡，而另一些细胞发生了变异而不 死亡，有可能形成一个变异了的予细胞克隆。当机体的防御机制不健全时，经 过不同的潜伏期，有一个变异的但仍存活的体细胞生成的这个细胞克隆可能导 致恶性病变，即发生癌症。这种发生概率( 不是严重程度) 随照射剂量的增加而 增大，而严重程度与照射剂量无关，不存在阂孑f ! j 量的效应称为随机性效应嘲。 为了医疗诊断的目的，把微量的放射性核素注入到人体中是不会影响人体 健康的，但是如果是强度很大的射线则会造成对人体的危害，引起疾病，所以 人体要避免受到强烈的射线照射。在使用强度很大的放射源时，要采取屏蔽措 旌，对人体进行安全防护。这样的话电离辐射抑制活细胞生命功能的能力就可 以成功地应用于破坏恶性肿瘤。 在放射治疗技术应用的初期，主要使用镭管或镭模直接贴敷肿瘤，或用镭 针插入肿瘤进行组织间放疗，即近距离放疗。然而这些方法只适用于位于浅表 的肿瘤，或自然腔道能进入部位的肿瘤，而且对体积较大肿瘤的放射剂量分布 不佳，最重要的缺点是对医护人员的辐射量较大。上世纪3 0 年代发明了于伏x 线治疗机，5 0 年代发明了屯。放疗机( 平均能量1 1 2 5w ) ，放射治疗开始成为 一个独立的学科。6 0 年代以后随着加速器的问世( 兆伏x 线，6 1 8 w ) 。在外 2 婴查兰堡主竺堡堡苎 照射放疗设备出现后，近距离放疗逐步被减少使用。然而至8 0 年代起，随着 计算机技术的发展，由计算机控制的近距离后装放疗机问世，使近距离放疗再 次被人们应用。现代的后装放疗机使放射源放置的位置达到完全精确，剂量计 算精确，并且完全避免了对工作人员的辐射。因而又形成了外放射和近距离放 射共存的局面。6 0 年代末由瑞典等生产了y 刀，其后又出现了x 刀，开创了立 体定向放疗技术。由于放射物理学，特别是电子计算机和c t 技术的高度发展， 推动了放疗技术的飞速发展，使上世纪6 0 年代日本放疗学家高桥的原体治疗 ( 适形放射治疗) 得以实现，并且更进一步达到了调强放射治疗。这些先进技术 使我们能在给靶区高剂量均匀的照射，而周围正常组织受到的剂量很小。在不 增加正常组织损伤的情况下，提高靶区剂量，进而改善肿瘤局部控制，以期提 高生存率。 电离辐射与物质的相互作用是研究辐射效应和进行荆量测量的物理基础。 相互作用的结果导致了辐射粒子的能量在物质中发生转移和吸收，从而引起物 质物理的、化学的乃至生物的变化。因此，电离辐射给与物质的能量多少，是 电离辐射与物质相互作用程度的主要标志。所有电离辐射与物质相互作用时产 生的热、力：光、电等效应都已被研究并用来测量和记录电离辐射。 一般说来，完整的放射治疗是由放射治疗机器，放射物理剂量测量，放射 治疗计划系统和照射技术诸方面协调配合完成，任何一方面的欠缺都难以达到 理想的治疗效果。在放疗全过程的四个环节中，辐射剂量的准确测定不仅影响 着治疗的有效性，还是保证其使用安全性的关键环节( 如前所述) 。因此，从 6 0 年代开始m ，世界卫生组织、国际辐射防护委员会、国际辐射单位和测量委 员会对放射治疗中的剂量学问题和质量控制与保证均予以足够的重视，并在各 种专业报告中作了详细解释和规定。按最新要求，放射治疗的吸收剂量的精度 必须控制在5 以内，这个5 的误差包括：与放射治疗测量有关引入的误 差；吸收剂量推算与转换的误差；治疗计划的误差；实际治疗时的误差。 国外一般对两类误差控制在1 以内，可见对剂量测定的要求十分苛刻。 一种能接受的剂量可以达到较高的肿瘤控制率和较小的可以接受的并发症发生 率( 在5 年内应低于5 ) 。目前，在发达国家辐射剂量的测量均纳入了标准化、 规范化管理，每个放疗部门必须配备辐射剂量仪，定期对放疗设备的输出量和 均整性进行监测和校正。 随着放射治疗技术朝着更精确、更个体化的方向发展，以到达精确定位、 3 新型金刚石薄膜辐射剂量计的基础研究及设计 精确设计和精确治疗的目的，因而剂量测量在放疗中具有十分重要的作用。鉴 于剂量测量在放射治疗中的重要性，对其所用的检测仪器剂量计的要求也 就十分严格。除需具备高的测量精度外，它还应满足性能稳定可靠、使用寿命 长、空间分辨率及灵敏度高( 这对于近来发展十分迅速的大剂量梯度照射疗法 十分重要) 等一系列要求。目前常用的剂量计主要有三种嘲：胶片剂量计、电 离室剂量计和s i 二极管剂量计。就医学和辐射防护学而言，最经常使用的是电 离室剂量计。从电离辐射与物质的相互作用可知，当电离辐射通过空气时，空 气就会被电离，从而在辐射粒子通过的径迹上产生大量的离子对，即带负电荷 的电子和带正荷的正离子。在外加电场的作用下，这些电子和正离子将分别向 两个电极定向移动，从而在两个电极上累积电荷。根据收集电荷的量可以测定 照射量。这就是电离室剂量计的工作原理。 此外，还有胶片剂量仪、半导体测量仪等。前者的基本原理是：感光胶片 吸收屯离辐射的能量，经显影、定影等化学处理后，其光学黑度会发生变化， 其变化程度依赖于所吸收的辐射能量。通常胶片的光学黑度与剂量的关系即感 光曲线，不呈线性变化。但经特殊方法处理的胶片，感光曲线在一定的剂量范 围内是条直线。采用这种胶片根据实验结果绘制感光曲线，即可用光学黑度 曲线来表示相对的剂量曲线( 必须控制剂量水平在感光曲线的线性区) 。对后者 来说根据半导体理论，在n 型材料和p 型材料之间的p - - n 结，形成一个空间电 荷区，它的作用犹如两个导电电极之间的绝缘层，很类似于空气电离室气腔中 的空气，即所谓的“固体电离室”，可直接用于电离辐射的测量嘲。上述三种 剂量计在使用过程中均存在一些不足之处“”：如胶片剂量计无法进行实时监 控和测量；电离室剂量计由于以气体为“感光”介质，体积大，结构复杂，很 难克服固有的灵敏度低和空间分辨率差的弱点；s i 二极管剂量计易受辐照损伤 破坏而引起性能衰退，可靠性较差，使用寿命不长，并且输出信号有环境温度、 辐射类型和能量依赖性，读数推算复杂困难等缺陷。而金刚石具有一系列作为 高质量辐射剂量计所需的综合物理化学性质“”，如宽禁带，高的电子和空穴 迁移率，高的击穿电压和高的饱和速度。强抗辐射性，耐腐蚀，适合高温环境下 工作，与人体软组织接近的原子序数( 分别为6 和7 4 ) 等，从理论上讲完全 可以具备灵敏度和空间分辨率高、可靠性好、寿命长、无辐射类型和能量依赖 性等优异