研一放射生物学美

吸收剂量的测量电离辐射吸收剂量的测量一、电离室的工作机制二、电离室的工作特性三、电离室测量吸收剂量的原理四、其他几种吸收剂量的测量方法1、电离室基本原理

2、自由空气电离室

3、指形电离室

4、平行板电离室一、电离室的工作机制1、电离室基本原理两个互相平行的电极之间充满空气，虚线所包括的范围称为电离室灵敏体积。当电离辐射，如X或γ射线射入这个灵敏体积内，与其中的空气介质相互作用，产生次级电子。这些电子在其运动径迹上使空气中的原子电离，产生一系列正负离子对。在灵敏体积内的电场作用下，电子、正离子分别向两极漂移，使相应极板的感应电荷量发生变化，形成电离电流。在电子平衡条件下测到的电离电荷，理论上应为次级电子所产生的全部电离电荷。2、

自由空气电离室主要由两个相互平行的平板形电极构成，极间相互绝缘并分别连接到电源高压的正负端，电极间充有空气。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。电离室的灵敏体积是指通过收集极边缘的电力线所包围的两个电极间的区域。在灵敏体积外的电极称为保护环，其作用时使灵敏体积边缘外的电场保持均匀，并同时使绝缘子的漏电流不经过测量回路，减少对被测信号的影响。

与其他气体探测器不同的是，电离室一般以一个大气压左右的空气为灵敏体积，该部分可以与外界完全连通，也可以处于封闭状态，其周围是由导电的空气等效材料或组织等效材料构成的电极。随着极化电压V逐渐增加，气体探测器的工作状态就会从复合区、饱和区、正比区、有限正比区、盖革区一直变化到连续放电区。所谓电离室即工作在饱和区的气体探测器，因而饱和区又称电离室区。在该区，如果选择了适当的极化电压，复合效应便可忽略，也没有碰撞电离产生，此时可认为射线产生的初始离子对No恰好全部被收集，形成电离电流。该电离电流正比于No，因而正比于射线强度。在实际应用中，电离室的输出信号电流在10-10A量级，为弱电流，必须经过弱电流放大器（静电计）对其进行放大，此类静电计通常称为剂量测量仪。如下图所示，静电计实际上就是一个负反馈运算放大器。以三种方式测量电离室的输出信号：1、测量输出电荷量2、测量输出电流3、测量输出回路中形成的电压信号。自由空气电离室一般为国家一级或二级剂量标准实验室所配置，作为标准，对现场使用的电离室型剂量仪进行校准，并不适合于在现场如医院使用。3、指形电离室指形电离室是根据自由空气电离室的原理，为便于常规使用而设计的。图(a)表示的电离室，设想有圆形空气外壳，中心为充有空气的气腔。假定空气外壳的半径等于电离辐射在空气中产生的次级电子的最大射程，满足进入气腔中的电子数与离开的相等，电子平衡存在。此条件下的电离室可认为与自由空气电离室具有等同功能。如果将图(a)的空气外壳压缩，则可形成图(b)所表示的固态的空气等效外壳，其内表面涂有一层导电材料，形成外电极。所谓空气等效就是该种物质的有效原子序数与空气有效原子序数相等。由于固体空气等效材料的密度远大于自由空气的密度，该种材料中达到电子平衡的厚度可远小于自由空气的厚度。图(c)就是根据上述思想设计而成的指形电离室的剖面图。其内表面涂有一层导电材料，形成一个电极；另一个收集电极位于中心。指形电离室的材料一般选用石墨，它的有效原子序数小于空气（7.67）而接近于碳（6）,而收集电极一般使用铝（27）。如上所述，空气气腔中所产生的电离电荷，是由四周室壁中的次级电子所产生。为了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。

通常用作室壁材料的石墨，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略少于自由空气电离室。因此，选用有效原子序数略大的材料，制成中心收集电极，可补偿室壁材料的不完全空气等效。Farmer型指形电离室的基本结构(国内最普遍使用的）4、平行板电离室3平行板电离室平行板电离室的入射窗由0.01至0.03mm厚的聚酯薄膜等效材料组成，其内部有一扁平气腔，电极间距非常小(≤2mm)电离室的特点：①由于电离室的电极间距小，其气腔在辐射场中产生的扰动就非常小，使得它在电子束的测量中优于圆形电离室。②由于电离室的入射窗极薄，其有效测量点又位于气腔的前表面中心，它适于测量人体表面的剂量和建成区的剂量分布。4、平行板电离室

放射治疗中使用的平行板电离室典型结构如上页所示。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。入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。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。4、平行板电离室平行板电离室的主要优点之一是腔内散射扰动效应小，可以认为电离效应基本是由电子束入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。平行板电离室的有效测量点位于空气气腔前表面的中心，且不随入射电子束的能量而改变。这些特性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。4、平行板电离室对于能量低于10MeV的电子束，推荐使用平行板电离室测量其吸收剂量，而能量低于5MeV的电子束必须使用平行板电离室。对于X（γ)射线，特别是高能X（γ)射线，一般不用平行板电离室作吸收剂量的校准主要是因为电离室壁扰动因子的不确定性较大的缘故。4、平行板电离室

1、方向性

2、杆效应

电离室的3、饱和性工作特性4、复合效应5、极化效应6、环境因素二、电离室的工作特性

1.电离室的方向性

电离室的灵敏度会受电离辐射的入射方向的影响。所以电离室的正确使用方法为：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入射方向相垂直，如图。水模体中电离室测量吸收剂量的几何条件Farmer2571指形电离室的灵敏度与射线束入射角的关系曲线（角度是指与电离室所在平面法向的夹角）电离室的角度依赖性及其原因：电离室的灵敏度体积会受到电离辐射的方向的影响。电离室的角度依赖性与中心电极和室壁的制作工艺如室壁厚度的均匀性有关等。2.电离室杆效应电离室的灵敏度，也会受到电离室金属杆和电缆在电离辐射场中的被照范围的影响。因为电离室的金属杆和绝缘体及电缆，在电离辐射场中会产生微弱的电离，叠加在电离室的信号电流中，形成电离室杆的泄漏，这叫做杆效应。实验表明，（1）对于X(γ)射线，杆效应表现有明显的能量依赖性，能量越大，杆效应越明显。而对于电子束，表现不甚明确。（2）当电离室受照范围较小时，杆效应变化较大，当受照长度超过10cm时，基本不再变化。3.电离室的饱和特性正负离子的运动形式漂移运动：电离辐射产生的正、负离子在电场作用下的运动；扩散运动：电离辐射产生的正、负离子，在没有外加电场的作用或电场强度不够大时，因热运动由密度大处向密度小处扩散，导致宏观的带电粒子流动，称为离子、电子的扩散运动。复合效应：正离子与负离子在到达收集极前可能相遇复合成中性的原子或分子，复合效应会损失一部分由电离辐射产生的离子对数，从而影响电离效应与电离室输出信号之间的关系。当入射电离辐射的强度不变时，电离室的输出信号电流I随工作电压V变化的关系，称为“电离室的饱和特性”。

电离室测量的结果与电离室的工作电压有关。当电离室的工作电压较低时，正负离子的复合与扩散作用显得较为突出。电离辐射在电离室中产生的正负离子，在达到收集极前可能相遇复合成中性的原子或分子。图中OA段，随着电离室的工作电压逐渐增加，正负离子的漂移运动的速度加大，逐渐克服了复合效应与扩散作用的影响，输出信号电流也逐渐增加。如下图所示：

AB段内，由于复合与扩散影响已基本消除，信号电流不再随工作电压改变而保持稳定，此段称为电离室的饱和区。电离室正常工作时，其工作电压应处于这一范围。随着工作电压的继续提高，BC段电离室内电场过强，因离子或电子运动速度加大，产生碰撞电离，离子数目变大，信号电流急剧上升，超出电离室正常工作状态。4.电离室的复合效应正、负离子复合效应的影响可用收集效应表示。定义：电离室收集的电离离子对数与电离辐射产生的电离离子对数之比。随电离室极板电压的增加，收集效率不断提高，主要归于随电压的增加，复合效应减弱的缘故，为克服电离室的复合效应，应适当选择工作电压，使收集效率达到99%。

电离室的电离收集效率的修正（PS）通常采用双压法，即电离室的极化电压分别取V1和V2，V1是电离室的正常工作电压，V1/V2值一般在3～10之间。用相同的辐射条件辐照电离室，测量得到相应的收集电离电荷数Q1和Q2。连续辐射束中的修正因子PS脉冲式或脉冲扫描电离辐射，当取正常工作电压V1时：PS=ao+a1(Q1/Q2)+a2(Q1/Q2)2

ai为实验拟合系数。不同类型的电离辐射的ai值可查表得

双电压法确定电离室复合效应的实验数据曲线脉冲辐射二次项拟合系数

脉冲扫描辐射二次项拟合系数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；但对于连续式电离辐射，如放射性核素产生的γ射线（如钴-60），复合效应非常小。5.极化效应(PolarityEffect)

对给定的电离辐射，电离室收集的电离电荷，会因收集极电压极性的改变而变化，这种现象称为极化效应。

对相同的电离辐射，当电离室的极化电压大小相同，极性相反时，如果测得的电离电流的绝对值分别为|I+|和|I-|，则2（|I+|-|I-|）/（|I+|+|I-|）即为该电离室的极化效应。

极化效应不是由电离辐射产生的电离或者绝缘不好形成的电荷（流）所产生的效应，而是极化电压极性不同引起的效应。为提高测量精度，可选择电离室合适的工作电压来减小极化效，也可以通过电离室的设计和辅助电路给予减弱。电离室的极化效应应控制在0.5%以内。6.环境因素对电离室工作特性的影响

用非密封电离室测量时，对剂量计的读数M，要进行电离室空腔的空气密度和相对湿度的校正。电离室空气密度效应的修正空气密度效应的修正，即温度、气压的修正。当温度相差3℃，测量结果偏差达1%。其修正因子（20℃或22℃与101.3kPa为参考值）：如测量室气压P=102.4kPa，室温t=24℃，则：相对湿度的校正相对湿度的校正源于空气和水蒸气的电子密度不同，以及产生一对离子所需的能量（电离功）不同造成的。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%，而现场测量时的相对湿度在20%-70%之间，则相对湿度的校正通常小于1%，故在大多数情况下可忽略不计。

三、电离室测量吸收剂量的原理由电离室工作原理可以看到它的作用是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对正负离子所消耗的电子动能，对所有能量的电子来说，基本是一个常数，即平均电离能为W/e=33.97J/C。e是每一个离子的电荷，W是在空气中每形成一个离子对所消耗的平均能量用电离室测量吸收剂量可以分为两步：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和照射量定义的限制，采用这种方法测量吸收剂量时，对不同能量的电离辐射，所依据的基础和计算方法不同。1、高能时，电子平衡难以建立。2、照射量仅适用于X(r)光子和空气。(一)中低能X(γ)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符合条件：①室壁由空气等效材料制成；②室壁厚度(或加平衡帽后)可达到电子平衡；③气腔体积可精确测定，则可以用来直接测量照射量，再转换为吸收剂量。满足电子平衡条件，在空气介质中：

Da=X*W/e

照射量:Q为在空气中释放的电离电荷，ρ为气腔中的空气密度，V为气腔体积，A为传输系数，表示能量通过室壁的份额，其值略小于1.测量的是介质是空气的照射量，即使使用平均电离能W/e，来转换成吸收剂量也是介质是空气，那么如何来测某种介质，如水模的呢？如何理解电子平衡电子平衡是利用比释动能计算吸收剂量必须附加的条件。①小体积△V周围的X(γ)辐射场必须是均匀的，以使△V周围X(γ)光子释出的电子注量率保持不变。这不仅要求△V周围的辐射强度和能谱不变，而且要求△V周围(图中虚线以内部分)的介质是均匀介质。②小体积△V在各个方向离介质边界的距离d要足够大至少要大于次级电子在介质中的最大射程Rmax。(一)中低能X(γ)射线吸收剂量的测量（方法）吸收剂量在任何介质中的数值可以用表示，其中，能量注量，质能吸收系数。假设，为空气中某点的能量注量，为相同位置以某种介质（如水）置换空气后的能量注量。

在电子平衡条件下，查表射线能谱的分布和原射线散射线的注量对中低能X(γ)射线来说，电子平衡能够建立，介质中的吸收剂量可用相同位置处的照射量进行转换。需要注意的是这种测量的前提条件：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。(一)中低能X(γ)射线吸收剂量的测量（总结）(二)高能电离辐射吸收剂量的测量上述用电离室测量照射量，再转换为吸收剂量的方法，前提条件是必须建立电子平衡，这只对能量不高于2MV的X射线或钴-60γ射线适用。另外，照射量的定义仅适用于X(γ)光子辐射，不能用于其它类型的电离辐射，如电子、中子等。布拉格－格雷空腔理论认为，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来转换。假设在一均匀介质中有一充有空气的气腔，电离辐射如X(γ)射线，它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(γ)射线在气腔空气中产生的次级电子所致（气体作用），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（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：①X(γ)射线光子在空腔中所产生的次级电子的电离，即“气体作用”可忽略；②气腔的引入并不影响次级电子的注量及能谱分布；③气腔周围的邻近介质中，X(γ)射线的辐射场是均匀的。(续)也就是说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Em与气腔中所产生的电离量Ja

应有如下关系：

式中w/e为电子的平均电离能；(

S/ρ)m/(

S/ρ)a为介质与空气的平均质量阻止本领率之比。此式即是布拉格－格雷关系式。高能电离辐射吸收剂量的测量式中，为空气腔中产生的电离电荷量。 为介质的平均质量阻止本领，即入射带电粒子在靶物质中 穿行单位质量距离时电离损失的平均能量。是粒子注量，dN是进入截面积为da的粒子数。入射带电粒子的能量转移通过线性质量阻止本领来衡量如何理解电子平衡和布拉格-格雷空腔之间的区别电子平衡是指，进入小体积的电子和跑出小体积的电子数目相等。那么说在这个组织内建立了电子平衡。电子平衡只是针对低能的X射线而言，对于高能X射线，因为产生的高能远射程的次级电子，使得电子平衡不再成立。而布拉格-格雷空腔，它是指对于高能X射线或者高能电离辐射，介质的吸收剂量可以通过放置在其中的小气腔的电离电荷量来转换。而不需要建立电子平衡。如何理解电子平衡和布拉格-格雷空腔之间的区别对于电子平衡，进入小体积的和出小体积的电子数目相等低能e-1高能e-1电子平衡布拉格格雷空腔对于布拉格-格雷空腔示意图，黑色箭头表示介质中产生的高能次级电子，红色表示X射线在小空气腔电离产生的次级电子，蓝色和绿色都表示高能次级电子在穿射空气时产生的电子。布拉格-格雷理论是：红色带走的能量忽略不计，没有绿色的电子，能量全部由蓝色电子沉积。小结综合低能和高能电离辐射的测量原理，需注意以下几点：1、中低能X(γ)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。2、用布拉格－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。小结综合低能和高能电离辐射的测量原理，需注意以下几点：3、用空腔理论测量高能电离辐射的吸收剂量时，空腔应足够小，一般要小于次级电子的最大射程，但也不能过小，以致造成由次级电离产生的电子大量跑出气腔，而使布拉格－格雷关系式失效。4、对中低能X(γ)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，电离室体积往往比较大。

四、辐射测量的其它方法1、量热法它是一种测量介质中的吸收剂量最直接、最基本的方法。它所依据的的基本原理是：当介质受到电离辐射照射后，介质所吸收的辐射能量除少部分可能引起化学反应外，主要会转换成热能，从而导致该介质温度的升高。温度的变化直接反映了介质吸收辐射能量的程度，由此可确定介质的吸收剂量。量热法测量吸收剂量，不像电离室法那样，剂量转换和计算中需要有与辐射质相关的参数，如阻止本领、扰动因子等，只需要了解水的比热，以及对热敏电阻的校准。作为吸收剂量测量的直接方法，量热法具有良好的能响特性及测量精度，一般在国家标准实验室作为吸收剂量的测量基准。2、化学剂量计法

化学剂量计法指的是：物质吸收电离辐射的能量而引起化学变化，如果这一变化可以被测定，即可使用它来测量吸收剂量。其基本原理是测量物质吸收辐射能量后引起的化学变化，从而测定吸收剂量。测量精度最高的是硫酸亚铁化学剂量计，或称为弗瑞克（Frickedosimeter）。它的基本原理是，硫酸亚铁水溶液经电离辐射照射，溶液中的二价铁离子Fe2+会被氧化成三价铁离子Fe3+。Fe3+的浓度正比于硫酸亚铁水溶液所吸收的辐射能量，用紫外分光光度计，在波长为244nm和304nm处测量三价铁离子的浓度，即可确定吸收剂量。3、热释光剂量计（TLD）基本原理：根据固体能带理论，具有晶体结构的固体，因含有杂质，造成晶格缺陷，称为“陷阱”。当价带上的电子获得电离辐射的能量，跃迁到导带，不稳定而落入“陷阱”。如对物质加热，会使电子重新回到价带上，并将电离辐射给予的能量，以可见光的形式辐射出去。发光强度与“陷阱”所释放的电子数成正比，而电子数又与物质吸收辐射能量有关。常用的热释光材料为氟化锂（LiF）其有效原子序数为8.2，与软组织（7.4）比较接近，适合临床应用。能带理论：根据能带理论，固体中运动电子的能量谱值由一系列连续的具有一定宽度的能带（band）组成，两个相邻的能带之间的区域因不能被电子占据而被称为禁带（bandgap）。对半导体而言，能带系列则全被电子恰好填满，其中最高的满带称为价带（valenceband）。价带之上经过一定宽度的禁带过渡才是空着的导带。绝缘体满带与空带之间隔着较宽的禁带，电场很难使能带的填充情况改变，因而不产生电流。半导体的能带填充情况很像绝缘体,但是空导带与价带之间的禁带比绝缘体窄得多,因此可以引入杂质或热激发,使空导带出现了少数电子。热释光剂量计高温退火：热释光材料的剂量响应与其受辐射和加热历史有关，热释光剂量计(TLD)元件使用前要进行高温退火,目的是为了消除探测器本底剂量和测读后的残余剂量,重新建立TLD元件内部的电子缺陷平衡。实际应用中要根据被测元件在读出器上做出的发光曲线来确定。如下图发光曲线,第一个主峰是140℃（140℃以下的发光峰为杂散辐射），第二个主峰是240℃。TLD测量的升温程序可定为:预热温度140℃,读出温度240℃,退火温度300℃。热释光剂量计TLD剂量刻度：热释光测量得到的TLD值是一组相对值,随读出器灵敏度调节而任意变化,因此对测量值需要确定其与标准辐照值的关系,即进行刻度----即对TLD照射已知剂量,然后测量读数,确定读数值与剂量值之间的比例系数。刻度方法常用点刻度法、线刻度法。热释光剂量计要求刻度的剂量值在剂量计的使用剂量范围内。通过测量，给出剂量计刻度因子，并利用刻度因子，对待测剂量计的剂量值进行测读计算：单点剂量刻度法：其中D是指佩带剂量计所受照射的剂量 D1是指刻度剂量计受照射剂量 NTL是指佩带剂量计的读数 NTL1是指刻度剂量计的读数（除去了刻度本底值）

比如取1个TLD，只照射一个照射剂量点D1，照射5次得到5个读数，取平均值后得到NTL1，D1/NTL1就得到了比例系数。热释光剂量计线刻度法也称回归方程法或最小二乘法,实际工作中就是用剂量计的TLD读数值和刻度源照射剂量值拟合出一条直线,计算公式为按最小二乘法原理得出的公式:y=kx+b,其中,y为热释光读出器计数,x为照射器的照射量,k为曲线斜率,b为曲线截距,k和b按下式计算:n为照射剂量点的个数，例如选择8个照射剂量点（x）,分别为:50,100,150,200,250,300,350,400,每个剂量点照射20次，然后取平均值(y)。线刻度法：热释光剂量计根据上述最小二乘法拟合得到的直线方程为:y=1.16x-4.5,x=(y+4.5)/1.16,单位为mGy。X(mGy)50100150200250300350400Y(平均读数)57115172229286343401457刻度数据结果：热释光剂量计常用TL