射线的测量.doc

第五章 射线的测量 射线的测量是放射治疗的基础工作，与放疗的质量、疗效密切相关。电离辐射与物质相互作用产生的各种效应是测量各种电离辐射的基础。广泛应用于剂量测量工作的电离室，依据的就是辐射的电离效应。其它如辐射的热作用、化学作用以及使某些固体材料物理性质改变也都可以用于剂量测量。其中电离室法是被国际权威性学术组织和国家技术监督部门确定的、用于放射治疗吸收剂量校准及日常监测的主要方法，本章将重点阐述电离室法测量射线的原理、方法和步骤，并对其它测量方法的原理和应用作介绍。第一节 电离室电离室是最早应用的电离辐射探测器，迄今已有近百年的历史，至今仍被广泛应用。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（空气）相互作用过程中产生的电离电荷量，计算得出吸收剂量。一、电离室基本原理如图5-1所示，在空气中入射的X或射线通过光电、康普顿效应或电子对过程中将部分或全部能量转换给原子内的电子，这些高速电子沿其轨迹又产生电离。在离子收集电极的电场的作用下，正电荷向负极板运动，负电荷向正极板运动，所形成的电流可用静电计测量。根据照射量的定义，光子在特定体积内(图中阴影区)所产的电子必需在极板离子收集区内的空气中通过电离把它们全部的能量消耗掉，并且无遗漏地将全部正负电离电荷收集起来。然而，实际上在给定体积内产生的电子中有的会把它们的能量沉积在离子收集区之外，因而未被记录测量；另一方面，在给定体积之外产生的电子亦可能进入离子收集区内，并在其中发生电离。一旦前者的电离损失为后者的电离贡献所补偿时，即为达到了电子平衡状态，此时测量到的电离电荷，理论上应为次级电子所产生的全部电离电苘量。图5-1 电离室工作原理示意图自由空气电离室或标准电离室是根据上述原理而设计用于测量照射量的仪器。这种一级标准电离室通常仅安装在国家标准实验室内，主要用来校准次级标准剂量仪，后者再用于刻度现场使用的剂量仪。图5-2是自由空气电离室的结构图。一束从焦点S发出的X线经光栅D限束后，入射到一对平行板电场中，极板上加有高电压 (其场强数量级为 1OOV/cm),用于收集极板间空气介质中的离子。电离室有效测量长度为L，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，称为收集极C。电离室的灵敏体积是指由通过收集极边缘的电力线所包围的两电极间的区域。在灵敏体积外的电极称作保护环，两侧保护环的作用是使收集区内及边缘电场均匀无畸变。在实际应用中，电离室的输出信号电流约在l0-10A量级，为弱电流，必须使用弱电流放大器静电计对其进行放大，此类静电计通常被称为剂量测量仪。静电计可按积分剂量方式操作，也可按剂量率方式工作。取决收集电荷究竟是累积在电容上还是以电流形式流过电阻。图5-2 自由空气电离室的结构图用自由空气电离室做精确测量的条件十分严格。通常要对以下因素做校正，包括:空气衰减校正；离子复合校正；温度、压力和湿度对空气密度影响的校正；散射光子导致电离的校正等。用自由空气电离室测量高能X射线会遇到一些困难。当光子能量增大时，空气中所释放出的电子的射程也急剧增大。因此必须增大极板间距来维持电子平衡。但是，极板间距的加大又带来电场不均匀和离子复合等问题。虽然极板间距可采用高压空气的办法使之减小，但空气衰减、光子散射和离子收集效率降低等问题仍然存在。因此客观上对入射光子的能量有一个上限，超过该限度就无法对照射量作出精确的测定，该限度是3MeV。二、指形电离室自由空气电离室用于常规测量很不方便，一是太精密，二是体积过于庞大，它主要安装在标准实验室内用于校正指形电离室等仪表。指形电离室的原理见图5-3，在图a中，一球形体空气介质的中心部位有一空气腔，假定该空气球均匀地受到光子束照射，同时还假定外球和内腔间距离等于空气中产生电离电子的最大射程。如果进入腔内的电子数与离开腔体的电子数相同，那么就满足电子平衡条件。此外，只要能准确测量空气壳层释放出的电子在腔内产生的电离电荷，那么，根据已知腔内空气的体积或质量就能够算出在气腔中心每单位质量空气内的电荷，继而计算出射线的照射量。如果将图a气腔外的空气壳层压缩成图b中那样薄的等效固体壳，就形成一个指形电离室。虽然电离室壁是固体材料，但它与空气等价，也就是说它的有效原子序数与空气相同。此外，室壁的厚度刚好能建立电子平衡，即室壁厚度必须等于或大于在室壁内所释放的电子的最大射程。因为固体空气等效壁的密度比自由空气大得多，所以在指形电离室中建立电子平衡所需厚度就大大减小。例如，对100-25OkV范围内的X射线，室壁厚仅需1mm；对钴-60线，所需壁厚约为5mm。一般指形电离室的实际壁厚等于或小于lmm，为达到建立电子平衡所需的厚度可采用附加有机玻璃或其它材料制成的平衡帽的办法来增加总壁厚。图c表示的为根据上述设想而制成的指形电离室的剖面图。指形电离室壁材料一般选用石墨，它的有效原子序数小于空气(Z=7.67)，而接近于碳(Z=6.0)。其内表面涂有一层导电材料。形成一个电极。另一个电极位于中心，是由较低原子序数材料如石墨、铝等制成的收集电板。如上面所提到的，空气气腔中所产生的电离电荷，是由其四周室壁中的次级电子所产生的。为使指形电离室与自由空气电离室具有相同的效应，它的室壁应与空气外壳等效，即在指形电离室壁中产生的次级电子数和能谱与在空气中产生的一样。通常用作室壁的材料，为石墨、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会略少于自由空气电离室。为此，选用有效原子序数略大的材料，制成中心收集电极，并注意其几何尺寸和在空腔中的位置，可部分补偿室壁材料的不完全空气等效。图5-3 指形电离室的原理图目前在临床广泛使用的指形电离室，是由英国物理学家Farmer最初设计，后由Aird和Farmer改进的所渭Farmer型指形电离室，它能为放疗范围内的所有能量提供稳定而可靠的次级标准。这种电离室的示意图见图5-4,其结构的实际尺寸和中央电极均在图中标明。室壁用纯石墨制成，中央电极用纯铝制成,绝缘体材料是聚三氯氟乙烯,电离室的收集体积通常为0.6cc。该种电离室中心收集极的直径l.Omm，在灵敏体积中的长度为20.5mm，经实验确定，该种电离室有很好的能量响应特性(1%-4%)。电离室的能量响应示于图5-5，纵坐标为校准因子，横坐标以X线半值层为单位绘制。其响应曲线在半值层大于0.3mmCu时近乎为常数。实验还表明用4MV的 X射线照射、且整个电离室杆均处于射野中时，该电离室的总泄漏约为0.4%。图5-4 Farmer型指形电离室基本结构图5-5 Farmer型指形电离室能量响应曲线三、电离室的工作特性为了保证电离室测量的精度，除定期(一般每年一次)将其和静电计送国家标准实验室校准外。在实际使用时，必须了解电离室本身所具有的特性，并注意掌握正确的使用方法和按照测量的要求给予必要的修正。（一）、电离室的灵敏度电离室的灵敏度通常以能测到剂量率的最低限来表示。对临床要求为0.lcGy/h，防护要求为0.5uSV/h。电离室的灵敏度与电离室体积成正比与电离室电容成反比。（二）、电离室的杆效应电离室的杆效应指电离室的金属杆、绝缘体、电缆(包括某些前置放大器)等因受辐照产生微弱的电离，叠加在电离室的信号电流中，形成电离室的测量误差。它不同于原发在杆内和体模内的散射线所作的贡献。在辐射场中绝缘性能降低、寄生的空气隙等都会增加电离电流。现代电离室的这个效应已很小可忽略不计，但长期停用后再次使用时该效应稍大，故应连续作几次空白测试之后再作正式测量。对X()射线，其杆效应表现有明显的能量依赖性，能量越大，杆效应越明显。而对电子束，表现不甚明确，似6MeV电子束的杆效应最大。另一特点是，当电离室受照范围较小时，杆效应变化较大，而当受照长度超过lOcm时，基本不再变化。（三）、电离室的方向性由于电离室本身固有的角度依赖性，电离室的灵敏度会受电离辐射的入射方向的影响。使用时平行板电离室应使其前表面垂直于射线束的中心轴，指形电离室应使其主轴线与射线束中心轴的人射方向相垂直。电离室的角度依赖性直接影响电离室的灵敏体积，同时指形电离室的角度依赖性还与中心电极和室壁制作工艺如室壁厚度的均匀性等有关。（四）、电离室的饱和特性接受辐照的电离室当电极间的电压逐渐增大时，其电离电流在开始阶段几乎呈直线式增长，随后变得缓慢。终达到饱和值(图5-6)。当入射电离辐射的强度不变时，电离室的输出信号电流I随其工作电压V变化的关系，称为电离室的饱和特性。电离电流最初随电压的增大是由于在低压条件下离子收集不完全所致，正、负离子在弱电场中不易分离，很快再次结合，增加电场强度可使这种复合减到最小。如果在达到饱和状态后电压再继续增大，离子因电场的加速又能获得足够的能量来与气体分子发生碰撞而产生电离。其结果是离子急剧倍增。电离室应在饱和电压条件下工作，以保证不会因电压的涨落变化而引起离子电流的改变。图5-6 电离室饱和特性曲线（五）、电离室的复合效应如上所述，电离室的极间电压要高到既能减少离子复合效应又不至产生额外电离为好， 不同电离室设计和电离强度情况下，总会由于复合效应而损失一定量的电离电荷，这种影响可用收集效应表示。收集效应定义为所收集到的离子数与离子产额的比率，该值可用双电压法测量。该方法是在两种不同极板电压下测量辐射场，一种是工作电压V1，另一种远比工作电压低许多V2，将这两种电压下的测得的收集电荷数Q1和Q2代入IAEA277报告所推荐的二次多项式计算得出复合校正因子Ps Ps= a0a1(Q1/ Q2)a2(Q1/ Q2)2 （5-1）式中ai为实验拟合系数。不同类型的电离辐射的ai值分别列于表5-1、表5-2，和显示于图 5-8中表5-1 脉冲式电离辐射，不同V1/V2比值时的ai值V1/V2a0a1a22.02.337-3.6362.2992.51.474-1.5871.1143.01.198-0.87530.67733.51.080-0.54210.46274.01.022-0.36320.34135.00.9745-0.18750.21356.00.9548-0.10750.14958.00.9502-0.037320.0875010.00.9516-0.010410.05909表5-2 脉冲扫描式电离辐射，不同V1/V2比值时的ai值V1/V2a0a1a22.04.711-8.2424.5332.52.719-3.9772.2613.02.001-2.4021.4043.51.665-1.6470.98414.01.486-1.2000.73405.01.279-0.75000.47416.01.177-0.50810.33428.01.089-0.28900.202010.01.052-0.18960.1398实验证实电离室的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；但对连续式电离辐射，如放射性核素产生的射线 (如钴-60射线)，复合效应非 常小。（六）、电离室的极性效应由电离室收集到的电离电荷有可能会因收集极电压的极性改变而发生变化，该现象称做极性效应。产生极性效应的原因有：对指形电离室，因电离室的电极结构的形式，造成空间电荷的分布依赖于电离室收集极的极性。因为正负离子的迁移率不同，造成收集效率的差异。这一差异可通过提高收集极电压而减少，但并不能最终被消除；由高能光子发射的康普顿电子形成了一种与气体电离不同的电流，又称康普顿电流。根据收集电极的极性变化，它可以使收集电流增大或减小。在此情况下真实的电离电流可通过颠倒电离室电压极性，再对两读数取均的方式来确定；在电离室灵敏体积外收集到的电流可能受极性效应的影响，该电流可能在屏蔽设计不理想的收集器电路上被记录，也可能因为连接电离室与静电计的电缆被辐照所致。一般来说电子线测量中电离室的极性效应相对于光子束测量要明显，且随电子线能量的增大而增大。对任何品质的辐射线，在颠倒正、负极板电压条件下所测定的电离电流差均应小于0.5%。（七）、环境因素对工作特性的影响对大多数非密封型电离室，它们的响应要受空气温度、压力和相对湿度的影响。因为空气的密度取决于温度和压力，按照气体定律，电离室气腔中空气的密度和质量将随温度降低或压力的增高而增大，反之亦然。每单位空气质量所收集到的电离电荷，即电离室读数也将随温度降低或压力增高而增大。现场使用时，必须给予校正。如温度，气压以mbar(毫巴)为单位，校正系数与温度和气压的关系为: Kpt=273+t/273+T1013/P （5-2）式中T为电离室在国家实验室校准时的温度，一般为2O或22，t为现场测量时的温度，P为现场测量时的气压。电离室工作环境中空气的相对湿度的影响一般比较小。如电离室校准时的相对湿度为50%，若现场测量时的相对湿度在 20%-70%范围内，不需要对电离室的灵敏度作相对湿度的校正。如上所述，电离室及静电计有其固有的一些特性。为保证吸收剂量测量的精度，除对其正确使用外，在选择时也应该注意其相关的技术指标。表5-3和表 5-4给出放射治疗测量用的电离室和静电计应具备的性能技术指标。表5-3 适用于放射治疗测量用的电离室的主要指标漏电流受电离辐射照射前,5min内漏电流应小于10-14A;照射后,1min内漏电流应小于510-13A和5min内小于10-13A重复性钴-60照射5Gy,读数重复性应在0.5%以内杆效应10cm35cm射野,电离室主轴与照射野长轴平行,照射后的读数与照射野旋转90后的读数差别应小于0.5%能量响应电离室对中低能X射线(半价层2mmAl到4mmCu)的响应应与钴-60射线(测量时戴平衡帽)的相应系数差别小于5.0%角度依赖性指形电离室沿其主轴旋转,角度依赖性应小于0.5%极化效应X()光子辐射条件下,改变电离室收集极极性,电离室响应差别应小于0.5%收集效率用”双电压”法测量直线加速器X射线辐射场,剂量率为4Gy/min,收集效率应好于99.5%环境影响非密闭性电离室的灵敏体积应在1h内达到与环境的热平衡表5-4 适用于放射治疗测量用的静电计的主要指标预热预热10min后,零点漂移24h内应小于1mV本底电流经电离辐射照射前,及照射后30s内,本底电流应小于510-15A刻度线性刻度线性好于0.01%环境敏感性环境温度变化每摄氏度,零点漂移小于150V反馈电容的泄漏静态时,静电计读数变化率每分钟小于0.05%四、特殊电离室指形电离室多用于高能X、射线的吸收剂量的测量，要求电离室灵敏体积内剂量变化梯度要小，不适于作表面剂量测量和剂量建成区内的测量。下面简要介绍两种可行上述测量的特殊电离室。（一）、外推电离室外推电离室的特点是极间距连续可调(图5-8)。X线束流通过一薄层塑箔进入电离室，塑箔上镀有一层碳，形成导电极。另一个电极或称收集电极，呈园盘状，大小像钱币，四周是保护环。电极间距可用微米螺旋精确调节，测量时通过调整极间距可得出一条电离电荷-电极间距函数曲线，将电离曲线外推致零间距即可求出表面剂量。外推电离室可用于特殊剂量测定，例如测量培养基浅表层剂量以及电子线和粒子在入射体模表面的剂量测定等。图5-8外推电离室结构示意图（二）、平行板电离室平行板电离室被许多国家和国际学术组织推荐用来校准放射治疗中的电子束，特别是较低能量的电子束如E0lOMeV的电子束的吸收剂量。这主要是由于平行板电离室的结构特点和物理特性，如扰动影响小、有效测量点易于确定等，对电子束吸收剂量的校准和沿线束入射方向剂量梯度变化较大区域的测量有很明显的优点和较高的测量精度。对于X()射线，特别是对于高能X()射线，一般不用平行板电离室作吸收剂量的校准。图5-9平行板电离室的基本结构示意图放射治疗中使用的平行板电离室，典型结构如图5-9所示。电离室的空气气腔为圆柱形状，面向线束入射方向的是入射窗。人射窗内表面涂有导电材料，形成外电极。内电极是一个相对于外电极的圆盘，镶嵌于绝缘体中，为电荷信号的收集电极。平行板电离室的灵敏体积是内外电极之间的电力线所穿过的范围，一般为0.05-0.5cm3。环绕内电极，并与其有相同电位的第三电极是保护环，起保持灵敏体积边缘电场均匀的作用。平行板电离室的主要优点之一，是腔内散射扰动效应Pcav小。因此可认为电离效应基本是由电子束人射通过入射窗而产生的，而由电离室侧壁产生的电离效应可以忽略。这一设计确定了平行板电离室的有效测量点Peff位于空气气腔前表面的中心，且不随人射电子束的能量而改变。从实践角度考虑，为使Pcav和Peff，的设定达到最大限度的合理，平行板电离室必须有一扁平气腔，即气腔直径与高度之比应比较大(如10倍)，气腔高度不能超过2mm，收集电极应被保护电极所环绕，保护环宽度不小于气腔高度的1.5倍。同时为减小径向射线束不均匀性的影响，收集极的直径应不超过2Omm，而入射窗的厚度应限制为lmm。另外，为使气腔能较快与外环境的温度和气压达到平衡，电离室应有气孔与外界相通。综上所述，并考虑电子束吸收剂量的校准要求，适合于电子束吸收剂量测量要求的平行板电离室的特性，列于表5-5。表5-5 适合电子束吸收剂量测量要求的平行板电离室特性电离室几何尺寸 入射窗厚度1mm 收集电极直径20mm 保护环宽度与空气气腔高度的比值1.5 空气气腔高度2mm腔内散射扰动效应,Pcav1%室壁和反向散射扰动效应,Pwall1%极化效应1%漏电流10-14A长期稳定性0.5%五、电离室测量吸收剂量的原理电离室是用来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的电离电荷。而在空气中每产生一正负离子对所消耗的电子动能，对所有能量的电子来讲，基本是一常数，即平均电离能为W/e=33.97J/C。显然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。由于电离室本身特性的限制，采用这种方法测量吸收剂量时，对不同能量的电离辐射，依据的基础和计算方法有所不同。下面分别给予介绍。（一）、中低能X()射线吸收剂量的测量根据照射量的定义，如果用于测量的指形电离室满足以下三个条件：室壁由空气等效材料制成； 室壁厚度(或加平衡帽后)可达到电子平衡；气腔体积可精确测量而确定。那么对中低能X()射线吸收剂量的测量就可由直接测量的照射量转换成吸收剂量。根据前一章的介绍，当满足电子平衡条件时，在空气介质中，照射量和吸收剂量数值上的关系为： Da=X(W/e) (5-3)插入物理量单位，式(5-3)改写为： Da（cGy）=Da (J/kg) 10-2=X(R) 2.5810-4 (C/kg) 33.97(J/C) (5-4)整理后 Da（cGy）=0.876(cGy/R) X(R) (5-5)由式(5-5)可看出，当满足电子平衡条件时，在空气介质中，照射量和吸收剂量的转换系数为0.876。组织作为介质时，在照射量定义适用的能量范围内照射量和吸收剂量的转换公式为： Dm0.876X (5-6)式(5-6)中，Dm为介质吸收剂量，以cGy为单位；（en/）m为某种介质（m）的质能吸收系数；（en/）a为在空气（a）的质能吸收系数；X为照射量（R）。令fm0.876，则转换公式可改写为：DmfmX (5-7)fm代表RcGy的转换系数，因临床上被照射介质是人体组织，主要有软组织（包括肿瘤）、肌肉、骨和水，这些介质根据不同能量射线照射时的测定可知其吸收系数，并按空气的吸收系数，得出各种不同的介质在不同能量照射时的fm值（表5-6），经查表，可将组织中某一深度处的照射量（R）转换为吸收剂量（cGy）。表5-6给出在满足电子平衡条件下的水、软组织、骨骼和肌肉组织的fm数值。由于像水、软组织和肌肉组织等材料的原子序数与空气相接近，在lOkeV-lOMeV X线区段（en/）m /（en/）a变化不大，fm值很接近；而骨骼则由于有效原子序数高，不仅在 lOkeV-lOOkeV能量区段fm值的很大，且当X线能量从3OkeV增至175keV时，fm由最大值4.24急剧降至1.00。原因在于低能X线与物质相互作用以光电效应为主时，（en/）m近似与原子序数Z的立方成正比、能量E的立方成反比，fm达到峰值，当能量再进一步增长时，康普顿效应主宰了局面对大多数介质而言电子密度大致相等，则fm值类同。表5-6满足电子平衡条件时对于不同光子能量，水和不同组织的fm值光子能量（MeV）fm（cGyR-1）水软组织肌 肉骨0.010.0150.020.030.040.050.060.080.10.150.20.30.40.50.60.811.5234568100.9110.9000.8920.8840.8870.9000.9160.9420.9560.9670.9690.9700.9710.9710.9710.9710.9710.9710.9710.9680.9650.9660.9580.9510.9450.8400.8290.8210.8170.8270.8490.8770.9180.9400.9560.9590.9610.9610.9620.9610.9620.9620.9620.9610.9580.9550.9510.9470.9400.9330.9210.9210.9190.9180.9220.9290.9370.9490.9560.9600.9610.9620.9620.9620.9620.9620.9620.9620.9620.9590.9560.9520.9480.9410.9353.463.854.074.244.033.522.901.941.451.060.9780.9410.9330.9300.9280.9270.9270.9620.9270.9310.9370.9420.9470.9570.965（二）、高能电离辐射吸收剂量的测量从测量照射量计算吸收量的作法受到多重的限制：X（）线能量不得高于2MeV；不适用于电子平衡未建立的情况；照射量一词仅适用于X线和线光子辐射，不适用于其它粒子。为此在下文中将引入一套应用范围更广，可直接从测量结果计算吸收量的理论和方法，即布喇格-格雷(Bragg-Gray)空腔理论。图5-10布喇格-格雷空腔理论示意图布喇格-格雷(Bragg-Gray)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量抟换。设在一均匀介质中，有一充有空气的气腔，如图5-10所示电离辐射如X()射线其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()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次级电子所致。前者称气体作用，后者称室壁作用。假定气腔的直径远远小于次级电子的最大射程，则以下三个假定成立: X()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；气腔的引人并不影响次级电子的注量及能谱分布；气腔周围的邻近介质中，X()射线的辐射场是均匀的。说明气腔的引入并不改变次级电子的分布，则介质所吸收的电离辐射的能量Dm与气腔中所产生的电离量Ja应有如下关系： Dm=JaW/e (5-8)式(5-8)中W/e为电子的平均电离能；为介质与空气的平均质量阻止本领之比。上式即为布喇格-格雷关系式。布喇格-格雷关系式成立与否依赖于气腔大小，室壁材料和电离辐射的能量。实验表明，只有像石墨等与空气有效原子序数相近的室壁材料，在电离辐射能量较高以及气腔几何尺寸适中的条件下，上式才能较为精确的成立。随着电离辐射能量的降低，气腔尺寸的增大，气腔的气体作用不可忽略，以致造成气腔内和室壁材料中电子分布不均匀，布喇格-格雷关系式会逐渐失效。公式中使用的质量阻止本领依赖于次级电子的能谱，计算较为复杂。例如次级电子在气腔内的电离过程中会产生次级电离，形成二次电子即电子，其射程较长，可将部分能量带出气腔以外，而布喇格-格雷理论假设次级电子在气腔中的能量损失是连续的，并完全消耗在气腔气体的电离过程中。因此阻止本领的计算，应利用Spencer-Attix理论。Spencer-Attix理论要点是，将次级电离的二次电子的能量按某一能量分为两能量段，该能量值称为截止能量以表示。能量为的电子的射程约等于气腔的直径。能量低于的二次电子为慢电子，相反称为快电子。慢电子的能量被认为消耗在气腔内；而能量高于的快电子，计算阻止本领时不被包括在其中，经这种处理的阻止本领称为限制性平均阻止本领，截止能量为。在测量高能电离辐射的吸收剂量时，截止能量一般取l0-3OkeV。综合低能X()射线和高能电离辐射(包括电子、X()射线等)的测量原理，需注意以下几点:中低能X()射线吸收剂量的测量，首先测量的可以是照射量，但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；用布喇格-格雷理论测量吸收剂量时，就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实际吸收的能量有关。对中低能X()射线测量时，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，电离室体积往往较大。空腔理论测量高能电离辐射的吸收剂量时，气腔应足够小，一般要小于次级电子的最大射程，但也不能过份小，以致造成由次级电离产生的电子大量跑出气腔，而使布喇格-格雷关系式失效。第二节 热释光剂量计热释光剂量计的探测元件(TLD)是属于固体探测器的一种。具有体积小(小于0.lcm3)、灵敏度高(1O-5Gy)、量限宽(10-3-1OGy)、剂量率依赖性小、响应稳定、环境适应性好、测量对象广泛、有测量的同时性(测量元件和测量仪器分离，故多个元件可同时受照)、便于邮寄比对等等一系列优点。而元件辐射特性的分散性较大是其重要缺点。其测量精度取决于元件的种类、形状、筛选以及热释光读出仪的性能，与电离室法相比精度低，用于防护目的的元件误差可达10%一20%，治疗用的一般应小于5%，当严格筛选可达到2%以下。测量时用电离室测值作比对。一、原理许多晶体材料具有热释光现象，这是指当晶体被射线辐照后有少量的吸收能量滞留在晶阵中，而当晶体被加热时又转为可见光形式释放的过程。这部分可见光可由所谓读出器进行测量并转换成辐射剂量值。读出器的原理参见图5-11:将辐照后的晶体放置在加热盘内，并通过间接热传导方式或直接地接用高温气体加热，释放的可见光由光电倍增管转换成光电流，进一步放大后以发光曲线主峰下积分面积或峰值高度方式做定量测量。图5-11 热释光剂量计框图尽管热释光的微观理论尚未被透彻了解，但大体上可由图5-12来解释。即在单个原子中，电子通常处在特定的分立的能级上，但在晶阵中这些电子的能级被原子核相互作用所干扰，彼此产生偏移，能级分布呈现为有一定宽度的能带：包括电子不可涉足的禁带、允许驻留的能带，后者进一步分成处于基态的价带和处于激发态的导带。为提高晶体对辐射的灵敏度，可人为在晶体内掺入杂质，这些杂质元素在禁带中形成许许多多的亚稳态能级陷阱。一般说来处于价带上的电子被辐照后，从外界吸收了足够的能量跃至导带，遗留所谓的正电子空穴在价带中，电子和空穴两种电荷分别存留在晶体的导带和价带中，直至电子返回价带才能复合、消失，返回过程释放的可见光称做荧光，其能量与能级差相对应。有时候电子也会落入杂质能级陷阱。囤陷电子要再次从外界获取能量(加热)才能经导带返回价带，为区分荧光与这种辗转释放的可见光，后者取名为磷光发射，磷光过程在室温下进行得十分缓慢，但在中等加热温度下(200-400)则相当明显。图5-12热释光剂量计原理图热释光与温度的函数关系曲线称做发光曲线。由图5-13可见，随着加热温度的升高释放囤陷电子的几率也随之增加，热释光发光强度亦增强，达到峰值后因陷阱逐渐清空而骤减。又由于磷光体在禁带中包含不同能级的陷阱，所以发光曲线可有若千个发光峰。配备有计算机接口的高档热释光剂量计读出器可将加温曲线和热释光曲线同时显示茌屏上，使用者可同时监测升温和发光强度随时间的变化。图5-13热释光剂量元件的发光曲线加热程序可分为三个区段:预加热阶段，其温度稳定控制在80-120，用于释放杂散辐射导致的低温段发光峰(深度浅的陷阱)；测量区段，以线性升温模式加热释放全部主峰囤陷电子，并以积分(测电荷)或微分 (测电流)方式进行测量；高温退火区段，用于清除晶体内残留TLD信号。定期检查加温曲线和典型热释光剂量计发光曲线是热释光剂量系统QA-QC措施的重要组成部分。二、热释光剂量计的种类TLD材料种类繁多，主要有氟化锂(LiF)，硼酸锂(LiBO4)，硫酸钙(CaSO4)及氟化钙(CaF2)氧化铝(Al2O3)等,其中氟化锂的特性最适合临床应用,原因是:其有效原子序数为8.2与软组织(7.4)很接近；剂量数据完整(如阻止本领率和质能吸收系数等)；对紫外线不敏感，不易潮解；产品形式多样，如粉末、超薄基片、冲压片及柱状棒等。三、热释光剂量计使用1. 退火处理热释光剂量计的剂量响应灵敏度与以往辐照史和加热方式关系密切，用于测量的TLD元件应事先去除滞留影响，同时按固定的热处理(退火)程序重建灵敏度。对氟化锂(LiF)元件，标准的退火程序是高温400加热一小时，然后低温80加热24小时(或16小时);由400降至80的冷却速度对灵敏度重建水平有决定性的影响，冷却速率快，灵敏度越高，但不稳定，也不易重复。为此可在室温下自然冷却，该方式很实用，宜操作，对元件特性干扰最少。2. 超线性超线性在一定剂量范围内，TLD元件的测量剂量与发光强度呈线性关系，超过一定域值剂量后会出现灵敏度超前提高的非线性特征。对LiF而言，超线性在lOGy区段开始出现。使用中需注意将元件适当分组，同批组的元件仅使用在指定的剂量区段，如防护水平段 (10-6-10-2Gy)，治疗水平段 (10-2-10Gy)及高剂量生物实验水平段(10-103Gy)。3. 能量响应不同种类的TLD元件，由于有效原子序数的不同，用低能X线辐照时灵敏度存在很大差异;对同一种TLD元件，灵敏度基本不依赖于X()射线光子的能量，但对于低于lOMeV的电子束，灵敏度下降5%-10%。4. 衰退效应用TLD做辐射测量后，若将被照计量元件搁置一旁、延迟读出会引起信号减弱，这一现象称衰退效应，其原因是处于浅陷阱的电子从外界，主要是紫外光，获取较少的能量就能经导带返回价带而呈稳态。为减少衰退效应的影响，读出器加热程序中的预加热段(80-12O)可排除低温峰对测量结果的影响，或者辐照后对元件做10O/lOmin退火处理，再保存起来。5. 本底信号未受辐照的TLD元件在读出过程也显示读数(约0.2mGy)，这主要由以下原因造成的：光电倍增管的暗电流改善的办法是将光电管严格避光，测量前提前24小时通电预热。来源于TLD中的残留信号。对此应对手头现有TLD元件不仅按灵敏度分组，还要按使用剂量范围分组，用于低环境本底防护测量的元件绝不应用于高剂量放疗区段，反之亦然。元件的本底发光这可能是由于加热时，剂量元件表面起化学反应而发光或者是粉末元件中晶粒相对运动，摩擦导致，减弱本底信号的方法是加热读出过程通入无氧氮气用来抑制氧化作用。本底信号的量级可通测量洁净加热盘本底及未辐照的TLD元件读出差来判断。6. 元件的清洁处理为获得准确的剂量数据，使用中避免油污和尘屑沾污，严禁用裸手操作，因为这些物质在高温加热时会燃烧发光，产生误读数。操作时可用扁口镊子夹持元件，最好用真空镊子吸附，防止划伤晶片表面。元件使用时应用塑料小代盛放封口，一但被污染可用分析纯无水甲醇浸泡清洗，切忌用肥皂水清洗液处理，处理后可自然风千，按标准程序退火，重建灵敏度，去除残留杂质的影响。四、热释光剂量计的刻度购买的TLD在分成不同批组前应先用Co-60线做三次预照射及退火处理，使元件TL特性趋于稳定，辐照体模应设计成便元件位于射野中心剂量分布均匀的区域，上面覆盖建成材料5mm且照射时间长短根据预先设定的剂量,由电离室方法刻度结果确定。第四次辐照后，将已处于稳定状态的TLD在读出装置上进行测量，并记录该批组各元件的读数及平均值，从而得出每片元件相对平均值的偏差，然后归档备用。第三节 胶片剂量计感光胶片是由乳胶透明片基和溴化银晶体涂层组成。当胶片接受电离辐射或可见光辐照时，在受照晶体内发生化学变化而形成潜影影像。冲洗胶片时，感光的晶体被还原成金属银颗粒。定影时未感光的晶体颗粒被定影液冲洗掉，在其位置处留下空白，不受定影剂影响的金属呈黑色。胶片变黑的程度取决于所沉积的游离银的数量，即取决于吸收的辐射能。最早测量辐射照射的剂量曲线分布的胶片是放射性胶片。这种胶片的能量吸收和能量转移性质与组织等效材料的生物属性不一致，并且普通光线照射也会改变它的性质，在操作时还必须进行定影、显影等化学处理。最近推出的慢感光胶片是专门用来测量电离辐射的，它的空间分辨率高，对吸收剂量的测量准确度较高，对可见光线不敏感，数据处理和操作简单，一次测量即可获得二维剂量分布，已应用于医学辐射测量的许多领域。一、原理慢感光胶片剂量计在射线或者紫外线照射后，颜色由无色转变成蓝色等颜色，其颜色深度与受照剂量有关，利用黑度扫描计系统通过测量颜色深度即可确定剂量计的受照剂量。胶片的变黑程度可以用胶片黑度计确定。该仪器由光源、可控制光线方向的光栅以及光密度探测器（光电管）三部分构成。光学密度（optical density）是用来定量表示胶片黑的程度，用符号OD表示，定义为:OD=lg(I0/It) (5-9)式(5-9)中I0是黑度扫描计用来读光线入射强度，It光线透过强度。没有曝光的胶片也能阻挡少量光线，形成本底密度，测量密度扣除本底密度称为净密度。按照上式，只要用黑度计测量出了净光学密度，就可在剂量刻度曲线上查到相应的剂量值，或用这个值除以单位剂量引起的响应值也可求出胶片的受照剂量。胶片的光学密度，采用的扫描方法有两种，一种是传统的方法，另一种是影像系统方法。传统的方法使用小光源和探测器，在探测器和光源中间移动胶片进行扫描。它的一种改进型是固定胶片而移动光源和探测器，每次只能测量一个剂量点。影像方法用均匀的光源从胶片的背后照射，用一种影像系统测量透过胶片的光线强弱来获得胶片的光线密度。这种方法测量速度快，一次测量能得到胶片的所有信息。黑度扫描计的主要特性除了扫描类型外，还有灯源性质（类型、波长和大小）、探测器类型、空间和信号分辨率、密度范围、扫描速度和采集时间等方面。在使用胶片时需要注意以下事项:(1)胶片刻度胶片在应用前必须准确刻度受照剂量与胶片响应之间的关系。胶片刻度需在大照射野下进行，将胶片放在照射野的中心，射线用均匀性好的光子流。(2)颜色稳定与时间的关系照射后胶片的颜色没有完全固定，随着存放时间的增加，颜色会逐渐变深， 因此在不同时间段，测出的剂量是不一样的。(3)分次照射与剂量率的影响一定剂量的一次性照射和分次照射在胶片上的剂量响应有一些小的差异。尽管差异值一般小于1%，但是在测量时也应引起重视。紫外线能够使得慢感光胶片产生化学反应，因此，在生产、运输和使用过程中尽量避免紫外线照射。(4)环境因素的影响一般情况下，剂量的刻度环境和应用环境是不一样的。温度、相对湿度、灯光和气体等环境因素对剂量响应有一定的影响，其中，温度和相对湿度的影响较大。实际测量时应对这些因素进行修正。胶片在受照射时的不同温度对剂量响应有影响， 实际照射时的温度与刻度环境时的温度一致，能将温度对剂量响应的影响减少到最低。胶片在照射后的储存时间里和数据读出时，温度和相对湿度都会产生影响。在剂量数据读出时，相同的胶片在不同温度下用分光光度测定法测量，随着温度的上升，吸收波长会向短波长迁移，振幅增加。二、应用胶片剂量验证系统常应用于调强放疗的质量保证，该系统由：胶片、胶片冲洗机、胶片数字化仪和胶片剂量测量软件组成。测量过程分为胶片曝光、冲洗、数字化、软件分析等步骤。胶片剂量验证的基本步骤如下：模体的扫描与重建；患者IMRT计划的设计；计算计划在模体内的剂量分布，并将计划搬到模体上产生混合计划；混合计划在模体上的实施；以最优化的条件冲洗胶片并数字化和分析；混合计划与实测点或平面剂量的登记与比较；分析误差来源，并提交验证报告。用胶片剂量仪测量时环节很多，易导致许多误差，所以在每个环节上都要认真仔细，尽量避免。表5-7给出了胶片测量可能的误差来源表5-7胶片测量可能的误差来源误 差 来 源胶片冲洗温度、溶剂和混合因素变化因模体深度不同引起的波谱变化治疗验证中射线方向变化，因而引起胶片深度和波谱变化半影区域和MLC照射野边缘的低能光子造成胶片过渡曝光加速器输出的变化胶片任意一侧的空气间隙不同批次胶片的辐射响应不同 存放和照射环境条件变化引起胶片响应的变化胶片数字化仪测OD的变化 校正照射野的光子光谱与较大或较小治疗照射野的波谱稍有不同第四节 半导体剂量计半导体剂量仪使用的探测器实际上是一种特殊的PN型二极管，配备电子学的测量和显示线路而构成半导体剂量仪。可配带多个探头，可同时测量，分别读数。在相对测量中被广泛的应用，如全身照射、近距离治疗的体内剂量、X刀等的剂量。特别对电子线的百分深度量测量中有其独到之处。一、原理根据半导体理论，如在硅晶体中掺入比硅高一价的杂质，如磷，则会使这种有杂质的晶体形成大量参与导电并形成电流的自由电子，这类杂质原子称为施主(donor)，这类晶体称为N型硅晶体。若在硅晶体中掺入比硅低一价的杂质，如硼，则可以形成大量参与导电并形成电流的空穴。空穴是荷正电的载流子。这类杂质原子称为受主(acceptor)，这种由空穴参与导电并形成电流的硅晶体称为P型硅晶体。通过特殊的制作工艺，把P型晶体和N型晶体结合起来，则在结合面（界面）两边的一个小区域里，即PN结区，N型晶体一侧由于电子向P型晶体扩散而显正电，P型晶体一侧由于空穴向N型晶体扩散而显负电。界面附近呈现的正、负电性统称为空间电荷，由于这种空间电荷的存在，就在界面两边很小的PN结区域里形成静电场和电位差。当这种探测器受到电离辐射照射时，会产生新的载流子-电子和空穴对，在电场作用下，它们很快分离并分别被“拉”到正极和负极，形成脉冲信号。当一个光子或者一个电子穿过PN结时，会在晶格中产生若干电子空穴对。照射产生的大量电子空穴对，在PN结位垒作用下定向运动，这就形成可供测量的电流。在硅材料中产生一个电子空穴对仅需约3.6eV的能量，在空气中则需要33.97eV。此外，硅的密度是2.3，空气的密度是0.001293，所以相同体积的半导体探头要比电离室的灵敏度约高18000倍。故而半导体探头可以做的很小（0.3-0.7mm3）、很薄，除了常规用于测量剂量梯度比较大的区域，如剂量建成区、半影区、德剂量分布和用于小野剂量分布的测量外，近十年来，半导体探测器越来越被广泛的用于患者治疗过程中的剂量监测。在热效应的影响下，半导体探测器即使在无偏压状态工作，也会产生“暗”电流。暗电流会增大本底信号，半导体探测器的另一个主要缺陷是，高能辐射轰击硅晶体，会使得晶格发生畸变，导致探头受损，灵敏度下降。对于给定的探头，受损程度依赖于辐射类型和受照累积剂量，除此之外，半导体探测器的灵敏度还受到环境温度，照射野大小以及脉冲式电离辐射场中的剂量率的影响。二、Mapcheck半导体剂量仪半导体探头的工艺经过改良现在已发展成配套系列产品，以sunnuclear公司产品为例，已有Mapcheck1175、Mapcheck1092、Daily QA 3-Daily QA Accelerated等，用于调强、三维适形计划验证，以及日常加速器工作状态的校验等。下面简单介绍Mapcheck1175（图5-14）的性能。Mapcheck半导体剂量仪是sunnuclear公司研制生产的多通道半导体剂量仪。具有规格体积小而且可以方便快捷的获得绝对剂量数据，但其可靠性依然依赖于半导体阵列的数量以及验证计划的设计。图5-14 Mapcheck-1175实图1、剂量学特性（1）脉冲剂量响应：即检查不同剂量率的探头的响应。在脉冲0-2Gy时Mapcheck半导体剂量仪的脉