剂量学及测量的基本概念

第四章辐射剂量学的基本概念

在X射线用于诊断和治疗的年代，曾试图依据它们与其它物质的化学和生物学反应来测定电离辐射。例如胶片乳胶对辐射的感光、某些化学化合物的颜色改变和人体皮肤的潮红反应等都与吸收的辐射量有关，这只能对辐射剂量作出粗略估计。在放射治疗中，所谓皮肤红斑剂量(SkinErythemaDose，SED)是指刚好使人体皮肤出现潮红反应的辐射剂量。虽然SED后来被弃之不用，而采用了更加精确的测量单位，如伦琴等，但皮肤红斑却被物理学家用作评估放射治疗反应的近似指标。这在kV级X线照射中是很有意义的，因为皮肤往往是提高肿瘤致死剂量的受限器官。当兆伏级X线成为放射治疗的主要手段时，由于剂量建成效应使皮肤剂量大为降低，所以才放弃用皮肤反应作为评估的依据。一.照射量X是直接量度X或γ光子对空气电离能力的量，可间接反映X射线或γ射线辐射场的强度大小或光子数多少的一种物理量。定义:X或γ光子在单位质量的空气中所产生的总电荷量（或辐射强度或光子数）.照射量仅适应于能量在10KeV~3MeV范围内的X射线或γ射线照射量X(C/kg)或(R伦琴)伦琴的定义:在X或γ射线照下,0.001293g空气(相当于0ºC和101kPa大气压下1cm3干燥空气的质量)所产生的次级电子形成总电荷量为1静电单位的正离子或负离子.即换算:1个单价离子的电荷量是4.8×10-10静电单位,因此产生1静电单位电荷量的离子对为

带电粒子在空气中形成一对离子所耗平均能量为33.85eV,因此1R照射量在0.00129g空气中交给次级电子的能量相当于2.083×109×33.85=7.05×1010eV1RX射线或γ射线照射量的等值定义:

a.在0.00129g空气中形成的1静电单位电荷量的正离子或负离子；b.在0.00129g空气中形成2.083×109对离子；c.在0.00129g空气中交给次级电子7.05×1010eV或11.3×10-9J的辐射能量；d.在1g空气中交给次级电子87.3×10-7J

的辐射能量.照射量率:指单位时间内照射量变化率二.比释动能K注意区别：

照射量是以电离电量的形式间接反映射线在空气中辐射强度的量，不反映射线被物质吸收而使能量转移的过程。比释动能是描述不带电致电离粒子与物质相互作用时，把多少能量传给了带电粒子的物理量。在辐射防护中，常用比释动能的概念推断生物组织中某点的吸收剂量或计算中子的吸收剂量等。比释动能K定义：

X或γ光子等非电离辐射粒子在与物质相互作用时，物质中原子核外电子接受能量形成次级粒子射线，在单位质量的物质中，不带电粒子转移给带电粒子的全部初始动能之和叫作比释动能。(J/kg)或(Gy)数学表述:不带电射线使物质释放出来的全部带电粒子初始动能之和与物质质量之比.比释动能率(Gy/s)X或γ光子传能给带电粒子(K)电离、激发（被物质吸收D）轫致辐射（不被物质吸收）三.吸收剂量D：物质吸收辐射能量的多少(J/kg)或(Gy)旧单位(rad)1Gy=100radX或γ射线与物质相互作用时，能量转换分两个阶段进行：第一：X(γ)E

带电粒子(K)第二：带电粒子

电离、激发物质吸收(D)

定义:单位质量的物质,对任意种辐射能量均值的吸收量.

吸收剂量的单位：

国际单位：焦耳.千克-1（J.Kg-1）专名：戈瑞（Gy),毫戈瑞（mGy），微戈瑞(Gy）1Gy=100cGy=1J.Kg-11rad=10-2Gy=1cGy吸收剂量率的单位：国际单位：焦耳.千克-1.秒-1（J.Kg-1.S-1）

专名：戈瑞每秒（Gy.S-1）吸收剂量率(Gy/s)讨论:X或γ能量除转换成电子初始动能外,还有核与电子间束缚能及散射光子能量等.电子初始动能还有一部分转换成轫致辐射等能量.例题1:

质量为0.2g的物质,10s内吸收电离辐射的平均能量为100尔格,求该物质的吸收剂量和吸收剂量率.解:dm=0.2g=2×10-4kg;dEen=100erg=10-5J;dt=10sP•dah1h2h3h4h54.粒子注量Φ定义:进入单位截面积球体内的粒子数.(m-2)实际辐射场中.每个粒子具有不同的能量,即Emax~0各种可能值,粒子能量计算公式为:粒子注量率:(m-2s-1)5.能量注量定义：进入单位截面积小球所有粒子能量的总和

dELΨ=———dαSi单位焦耳米-2或Jm-2

能量注量率：单位时间内进入单位截面积小球所有粒子能量的总和

dΨψ=———dtSi单位焦耳·米-2秒-1或J·m-2S-1粒子注量与能量注量的关系两者都是描述辐射场强度的辐射量，前者是粒子数，后者是粒子能量，如果知道每一个粒子的能量E,就可知道能量注量。Ψ=ΦE单能Emax

Ψ=∫0ΦEdE辐射量照射量X比释动能K吸收剂量D剂量学含义表征X,γ射线在空气中辐射强度大小的物理量表征非带电粒子在关心体积内交给带电粒子损失的能量表征任何辐射在关心体积内被物质吸收的能量适用介质空气任何介质任何介质适用辐射类型X,γ射线电子中子光子等任何辐射照射量和比释动能之间的区别

比释动能与吸收剂量的关系两者单位相同，概念有区别；不带电粒子与物质相互作用，产生带电粒子和其它次级不带电电离粒子而损失能量，是第一步；带电粒子把能量授予物质,是第二步。比释动能表示第一步结果；吸收剂量则表示第二步结果。因此，只有满足次级电子平衡条件和韧致辐射忽略不计时，比释动能才等于吸收剂量。吸收剂量与照射量的关系照射量X与吸收剂量D是两个意义完全不同的辐射量。照射量只能作为X或γ射线辐射场的量度，描述电离辐射在空气中的电离本领；而吸收剂量则可以用于任何类型的电离辐射，反映被照介质吸收辐射能量的程度,必须注意的是，在应用此量度时，要指明具体涉及的受照物质，诸如空气、肌肉或者其他特定材料。但是，在两个不同量之间，在一定条件下相互可以换算。对于同种类、同能量的射线和同一种被照物质来说，吸收剂量是与照射量成正比的。

吸收剂量与照射量：这两个物理量间，在相同的条件下又存在着一定的关系。关系如下：

D=f.X=0.876(cGY/R).X(R)式中：f=0.876(cGY/R)为空气中照射量-吸收剂量转换系数又叫伦琴拉德转换因子

放射性活度（A）

(RADIOACTIVEACTIVITY)是指一定量的放射性核素在一个很短的时间间隔dt内发生的核衰变数dN

dNA=-------=N=N0e-t=A0e-t

dt

式中：dN--时间间隔dt内放射性核素的核衰变数，

---衰变常数，表示单位时间内每个原子核衰变的概率，

A0-初始时刻该放射性核素的放射性活度。国际单位：贝可勒尔（Bq），MBq，GBq，TBq

专用单位：居里（Ci），毫居里（mCi）

1Ci=3.7x1010Bq=3.7x104MBq=3.7x10GBq=3.7x10-2TBq

放射性活度与照射量率的关系

.放射性活度（A）和照射量率（X）的关系如下：

。

AX=————R2式中：X--照射量率，库伦/千克.秒；伦/秒；伦/小时，

A--源的放射性活度，贝可；居里，--照射量率常数，库伦.米2/千克；库伦.米2/小时.居里，

1居里的点源在1米处1小时内所产生的照射量率，

R--观察点到源的距离，米。对60CO，=2.56x10-18库伦.米2/千克=1.32伦.米2/小时.居里对192Ir，=4.72伦.厘米2/小时.毫居里第五章.放射线的测量

利用空气电离室测量.根据照射量的定义设计,分若干种类.最准确的叫自由空气电离室又叫标准电离室.

一.照射量的测量1、自由空气电离室电子平衡1、自由空气电离室自由空气电离室又叫标准型电离室

(Free·AirIonizationChanlber)有两个光栏（入射和出口），工作气体就是空气,有两个极性相反的平行电极。阴影部分为测量体积V当光子束穿过充满空气的两个互相平行的电极板之间时，经与空气介质相互作用，形成次级电子。这些电子使空气原子电离产生的正负离子在极间电场的作用下，分别被两个电极所收集。当入射光子能量较低，达到电子平衡，测量到的电离电荷，即为次级电子所产生的全部电离量。椐这一原理，可制成“自由空气电离室”（见图）。步骤(1)设法隔离已知质量的空气(2)测量该空气中X、γ线使物质放出的次级粒子电离产生的同种离子总电量。1、自由空气电离室造成空气室非稳定态的因素空气对X线的吸收和散射离子的复合入口对X线吸收产生多余次级电子电离室壁的阻止使电子损失的能量温度气压变化引起的空气密度改变所以必须进行校正,统一标准.国家级的叫基本标准,对省市(次级标准)统一校正.自由空气电离室很大,约20m2,成本高,技术复杂,不能作现场仪器,只能作标准.2、实用空气电离室特点(1)空气压缩,减小电离室体积(2)压缩空气可用等效材料替(Z接近),如石墨,有机玻璃,石蜡(3)体积小,可现场携带测量.2、实用空气电离室电离室的校准测量条件:(1)室壁与空气等效

(2)准确得知空气腔体积

(3)室壁厚度满足电子平衡条件

方法定期校准(20°C,760mmHg)用两种电离室同时测量已知强度的X、γ线源,得出实用空气电离室的校准因子.

对医学和防护学有意义的量是吸收剂量。吸收剂量一般通过间接测量来获取，考察某点能量沉积产生的理化变化，间接反映该点物质吸收的射线能量。经过适当校准，给出D的大小。二.吸收剂量的测量吸收剂量（AbsorbedDose）吸收剂量是指电离辐射在单位质量的介质中沉积（Imparted）的平均能量。旧单位为拉德（rad），SI单位为戈瑞（Gy）。其单位（Gy）的定义是每千克（kg）物质吸收1焦耳（J）能量时的吸收剂量。1rad=10-2J/kg=1cGy。吸收剂量与照射量区别：（1）吸收剂量被广泛地应用于不同电离辐射的类型、能量及各种介质。（2）吸收剂量反映的是射束在介质中被吸收的情况，而照射量则是指辐射在空气中电离量的大小。在临床上，吸收剂量更重要，更被医生所关注，它的量值是通过使用剂量计及电离室对照射量进行精确的测算而确定的。二.吸收剂量的测量1、基本测量——量热法

任何物质受照射后吸收的射线能量都会以热的形式表现.能量——热量——温度.测量——热量计。由于辐射使温度升高的值T只有10-210-3°C,故测量技术要求很高,只能做标准仪器校对其它测D的仪器.二.吸收剂量的测量1、基本测量——量热法介质热电偶吸收体现场大多通过照射量的测量换算成吸收剂量.电离室测量法ω为电离一对离子所需平均电离能=33.97eV对任意物质(Gy)(Gy)2、电离室测量法二.吸收剂量的测量光子能量水骨骼肌肉光子能量水骨骼肌肉0.010MeV35.35137.2135.850.020MeV34.15163.9535.500.030MeV33.68170.1635.270.040MeV34.03160.4735.620.050MeV34.57138.7635.890.060MeV35.08112.7936.010.080MeV36.1274.0336.400.100MeV36.7456.2036.740.200MeV37.7137.9537.330.300MeV37.4436.3637.090.400MeV37.4435.9736.980.500MeV37.4435.8537.090.600MeV37.4435.8537.090.800MeV37.4035.6637.051.00MeV37.4035.7437.052.00MeV37.4435.7036.983.00MeV37.2935.9736.984.00MeV37.1236.0536.745.00MeV36.9836.2036.596.00MeV37.2136.7836.788.00MeV37.0537.0536.5910.0MeV36.2437.2136.01不同光子能量对应几种物质的f值(单位:Gy/C/kg)已测知二.吸收剂量的测量例题2用电离室测得体模内一点空气照射率为例题1(Gy)

在空气中某点处照射量为0.1C/kg,求空气中该点处的吸收剂量.解

,已知光子的能量为0.1MeV,求该点的吸收剂量率。解查表得f水=36.74Gy/C/kgD水=3、吸收剂量的其他测量方法

热释光片(LiF等)~晶格缺陷.辐射照射——激活价电子成自由电子;缺陷吸收电子(正比);测量时,加热电子逸出,并以光的形式释放能量.由电子数目和发光强度确定吸收剂量的大小.热释光剂量仪胶片剂量测定法射线在胶片上感光,光密度变化与吸收强度有关.二.吸收剂量的测量由于灵敏度高、体积小，适于测量辐射场梯度变化较大的区域，如建成区、半影区及深度量、离轴比、等剂量曲线等；尤其在电子束的剂量测量中，由于硅与水的质量阻止本领基本不依赖于电子束能量的变化，故可直接以深度电离曲线表示百分深度剂量曲线。半导体剂量仪二.吸收剂量的测量多功能数字化γ谱仪移动式空气放射性监测仪(α/β)二.吸收剂量的测量α/β/γ闪烁探头核应急个人剂量计二.吸收剂量的测量三.射线质的测量1、400kV以下X线质的测定X线的质即穿透本领——低能段用半价层表示2、高能X线能量的测定用水模中半值深度HVD(剂量一半时的深度)，或用测定在10cm,20cm两处电离比确定X线的质。X线能量与HVD的关系射线能量最大剂量深度50%剂量深度4MeV6MeV8MeV10MeV12MeV15MeV18MeV20MeV1.0cm1.5cm2.0cm2.5cm2.5cm3.0cm3.0cm3.0cm13.8cm15.5cm17.1cm18.1cm18.8cm20.0cm21.3cm21.8cm指数衰减校准剂量的测量X和r射线的吸收剂量公式：D=M.Ktp.Nc.F电子束射线的吸收剂量公式：D=M.Ktp.Nc.CEM为剂量仪表读数，Nc为记录仪校准因子,F和CE分别是X®射线和电子束的照射量-吸收剂量转换因子，Ktp为空气密度校准因子。第七节剂量的标定在临床上,射束质的测定：(1)对于400kV以下的X射线，以其高压、附加过滤和第一半值层表示，例如：180kV，0.5Cu+1Al过滤,HVL=0.5mmCu。(2）对放射性核素γ射线的品质通常用平均能量和核素名称来描述。例如从钴-60源发出的两条γ射线可表述为能量分别为1.17MeV和1.33MeV的平均能量1.25MeV。(3)对于加速器产生的高能X射线,其射线值大多用峰值能量来说明，很少采用半值层，束流的平均能量约为峰值能量的1/3；在IAEATRS277报告中以TPR20/TPR10（组织模体比：由电离室有效测量点上方的水深分别为20cm和10cm，测量出相应的吸收剂量的比值，即TPR20/TPR10）表示。(4)对于电子束是以其吸收剂量或电离量沿电子束轴衰减到其最大值50%的深度，即半值深度，表示其水表面平均能量Ēo。一.中低能X射线质的确定通常使用测量半价层的办法，即使用某一种金属材料，作为对于X射线的吸收体，使射线衰减到原强度的一半所需要的这种材料的厚度（半价层）来表示中低能X射线的质即能量。对于管电压小于或大于100kV的X射线分别采用铝或铜。例如：180kV，0.5Cu+1Al过滤,或HVL=0.5mmCu;其能量高低取决于：①吸收体材料的原子序数。②半值的吸收体的厚度。二.高能X射线质（能量）的确定

1、穿透性通常加速器生产厂家在随机文件中给出的是加速器X射线的穿透性。测定方法：SSD为100cm，水模表面射野为10cm×10cm，电离室的有效测量点在水模内沿射线束中心轴移动，测出水下10cm深度处的剂量与最大剂量的比值(穿透性)。或测出水体模中最大剂量的一半（Dmax/2）所在深度也称半值深度即用水体模中射线中心轴上50%剂量深度来确定X射线的质。最大吸收剂量(MaximunAbsorbedDose)辐射在模体中沿辐射束轴产生的吸收剂量率中的最大者，称为最大吸收剂量。百分深度剂量（PercentageDepthDose,PDD）固定照射野和源皮距条件下，模体内任意深度d处的吸收剂量率Dd与射束轴上参考点（一般取最大剂量点）d0的吸收剂量率Dd0的百分数比值PDD，即PDD=Dd/Dd0100%。测量方法：源至水模表面距离SSD=100cm，模体表面的辐射野FSZ=10cm×10cm，射线束轴与模体垂直。若用圆柱形电离室，电离室轴线与束轴垂直；若用平行板电离室，束轴垂直于平行板电离室的入射面。电离室的有效测量点沿束轴移动,分别测出水深为10cm与20cm处的吸收剂量D10与D20，并确定D20/D10的比值。2.剂量比（D20/D10）3.组织模体比（TPR2010）测量方法：源至电离室有效测量点的距离SCD=100cm，过这点并与束轴垂直的平面上射野FSZ=10cm×10cm在保持SCD不变的情况下，由电离室有效测量点上方的水深分别为20cm和10cm，测量出相应的吸收剂量的比值，即TPR2010（图13）。表6组织模体比、剂量比与能量的相应关系TPR2010D20/D10MV0.600.5203.50.620.5353.90.640.550