劑量學及測量的基本概念

第四章輻射劑量學的基本概念

在X射線用于診斷和治療的年代，曾試圖依據(jù)它們與其它物質(zhì)的化學和生物學反應來測定電離輻射。例如膠片乳膠對輻射的感光、某些化學化合物的顏色改變和人體皮膚的潮紅反應等都與吸收的輻射量有關，這只能對輻射劑量作出粗略估計。在放射治療中，所謂皮膚紅斑劑量(SkinErythemaDose，SED)是指剛好使人體皮膚出現(xiàn)潮紅反應的輻射劑量。雖然SED后來被棄之不用，而采用了更加精確的測量單位，如倫琴等，但皮膚紅斑卻被物理學家用作評估放射治療反應的近似指標。這在kV級X線照射中是很有意義的，因為皮膚往往是提高腫瘤致死劑量的受限器官。當兆伏級X線成為放射治療的主要手段時，由于劑量建成效應使皮膚劑量大為降低，所以才放棄用皮膚反應作為評估的依據(jù)。一.照射量X是直接量度X或γ光子對空氣電離能力的量，可間接反映X射線或γ射線輻射場的強度大小或光子數(shù)多少的一種物理量。定義:X或γ光子在單位質(zhì)量的空氣中所產(chǎn)生的總電荷量（或輻射強度或光子數(shù)）.照射量僅適應于能量在10KeV~3MeV范圍內(nèi)的X射線或γ射線照射量X(C/kg)或(R倫琴)倫琴的定義:在X或γ射線照下,0.001293g空氣(相當于0oC和101kPa大氣壓下1cm3干燥空氣的質(zhì)量)所產(chǎn)生的次級電子形成總電荷量為1靜電單位的正離子或負離子.即換算:1個單價離子的電荷量是4.8×10-10靜電單位,因此產(chǎn)生1靜電單位電荷量的離子對為

帶電粒子在空氣中形成一對離子所耗平均能量為33.85eV,因此1R照射量在0.00129g空氣中交給次級電子的能量相當于2.083×109×33.85=7.05×1010eV1RX射線或γ射線照射量的等值定義:

a.在0.00129g空氣中形成的1靜電單位電荷量的正離子或負離子；b.在0.00129g空氣中形成2.083×109對離子；c.在0.00129g空氣中交給次級電子7.05×1010eV或11.3×10-9J的輻射能量；d.在1g空氣中交給次級電子87.3×10-7J

的輻射能量.照射量率:指單位時間內(nèi)照射量變化率二.比釋動能K注意區(qū)別：

照射量是以電離電量的形式間接反映射線在空氣中輻射強度的量，不反映射線被物質(zhì)吸收而使能量轉(zhuǎn)移的過程。比釋動能是描述不帶電致電離粒子與物質(zhì)相互作用時，把多少能量傳給了帶電粒子的物理量。在輻射防護中，常用比釋動能的概念推斷生物組織中某點的吸收劑量或計算中子的吸收劑量等。比釋動能K定義：

X或γ光子等非電離輻射粒子在與物質(zhì)相互作用時，物質(zhì)中原子核外電子接受能量形成次級粒子射線，在單位質(zhì)量的物質(zhì)中，不帶電粒子轉(zhuǎn)移給帶電粒子的全部初始動能之和叫作比釋動能。(J/kg)或(Gy)數(shù)學表述:不帶電射線使物質(zhì)釋放出來的全部帶電粒子初始動能之和與物質(zhì)質(zhì)量之比.比釋動能率(Gy/s)X或γ光子傳能給帶電粒子(K)電離、激發(fā)（被物質(zhì)吸收D）軔致輻射（不被物質(zhì)吸收）三.吸收劑量D：物質(zhì)吸收輻射能量的多少(J/kg)或(Gy)舊單位(rad)1Gy=100radX或γ射線與物質(zhì)相互作用時，能量轉(zhuǎn)換分兩個階段進行：第一：X(γ)E

帶電粒子(K)第二：帶電粒子

電離、激發(fā)物質(zhì)吸收(D)

定義:單位質(zhì)量的物質(zhì),對任意種輻射能量均值的吸收量.

吸收劑量的單位：

國際單位：焦耳.千克-1（J.Kg-1）專名：戈瑞（Gy),毫戈瑞（mGy），微戈瑞(Gy）1Gy=100cGy=1J.Kg-11rad=10-2Gy=1cGy吸收劑量率的單位：國際單位：焦耳.千克-1.秒-1（J.Kg-1.S-1）

專名：戈瑞每秒（Gy.S-1）吸收劑量率(Gy/s)討論:X或γ能量除轉(zhuǎn)換成電子初始動能外,還有核與電子間束縛能及散射光子能量等.電子初始動能還有一部分轉(zhuǎn)換成軔致輻射等能量.例題1:

質(zhì)量為0.2g的物質(zhì),10s內(nèi)吸收電離輻射的平均能量為100爾格,求該物質(zhì)的吸收劑量和吸收劑量率.解:dm=0.2g=2×10-4kg;dEen=100erg=10-5J;dt=10sP?dah1h2h3h4h54.粒子注量Φ定義:進入單位截面積球體內(nèi)的粒子數(shù).(m-2)實際輻射場中.每個粒子具有不同的能量,即Emax~0各種可能值,粒子能量計算公式為:粒子注量率:(m-2s-1)5.能量注量定義：進入單位截面積小球所有粒子能量的總和

dELΨ=———dαSi單位焦耳米-2或Jm-2

能量注量率：單位時間內(nèi)進入單位截面積小球所有粒子能量的總和

dΨψ=———dtSi單位焦耳·米-2秒-1或J·m-2S-1粒子注量與能量注量的關系兩者都是描述輻射場強度的輻射量，前者是粒子數(shù)，后者是粒子能量，如果知道每一個粒子的能量E,就可知道能量注量。Ψ=ΦE單能Emax

Ψ=∫0ΦEdE輻射量照射量X比釋動能K吸收劑量D劑量學含義表征X,γ射線在空氣中輻射強度大小的物理量表征非帶電粒子在關心體積內(nèi)交給帶電粒子損失的能量表征任何輻射在關心體積內(nèi)被物質(zhì)吸收的能量適用介質(zhì)空氣任何介質(zhì)任何介質(zhì)適用輻射類型X,γ射線電子中子光子等任何輻射照射量和比釋動能之間的區(qū)別

比釋動能與吸收劑量的關系兩者單位相同，概念有區(qū)別；不帶電粒子與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生帶電粒子和其它次級不帶電電離粒子而損失能量，是第一步；帶電粒子把能量授予物質(zhì),是第二步。比釋動能表示第一步結果；吸收劑量則表示第二步結果。因此，只有滿足次級電子平衡條件和韌致輻射忽略不計時，比釋動能才等于吸收劑量。吸收劑量與照射量的關系照射量X與吸收劑量D是兩個意義完全不同的輻射量。照射量只能作為X或γ射線輻射場的量度，描述電離輻射在空氣中的電離本領；而吸收劑量則可以用于任何類型的電離輻射，反映被照介質(zhì)吸收輻射能量的程度,必須注意的是，在應用此量度時，要指明具體涉及的受照物質(zhì)，諸如空氣、肌肉或者其他特定材料。但是，在兩個不同量之間，在一定條件下相互可以換算。對于同種類、同能量的射線和同一種被照物質(zhì)來說，吸收劑量是與照射量成正比的。

吸收劑量與照射量：這兩個物理量間，在相同的條件下又存在著一定的關系。關系如下：

D=f.X=0.876(cGY/R).X(R)式中：f=0.876(cGY/R)為空氣中照射量-吸收劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)又叫倫琴拉德轉(zhuǎn)換因子

放射性活度（A）

(RADIOACTIVEACTIVITY)是指一定量的放射性核素在一個很短的時間間隔dt內(nèi)發(fā)生的核衰變數(shù)dN

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

dt

式中：dN--時間間隔dt內(nèi)放射性核素的核衰變數(shù)，

---衰變常數(shù)，表示單位時間內(nèi)每個原子核衰變的概率，

A0-初始時刻該放射性核素的放射性活度。國際單位：貝可勒爾（Bq），MBq，GBq，TBq

專用單位：居里（Ci），毫居里（mCi）

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

放射性活度與照射量率的關系

.放射性活度（A）和照射量率（X）的關系如下：

。

AX=————R2式中：X--照射量率，庫倫/千克.秒；倫/秒；倫/小時，

A--源的放射性活度，貝可；居里，--照射量率常數(shù)，庫倫.米2/千克；庫倫.米2/小時.居里，

1居里的點源在1米處1小時內(nèi)所產(chǎn)生的照射量率，

R--觀察點到源的距離，米。對60CO，=2.56x10-18庫倫.米2/千克=1.32倫.米2/小時.居里對192Ir，=4.72倫.厘米2/小時.毫居里第五章.放射線的測量

利用空氣電離室測量.根據(jù)照射量的定義設計,分若干種類.最準確的叫自由空氣電離室又叫標準電離室.

一.照射量的測量1、自由空氣電離室電子平衡1、自由空氣電離室自由空氣電離室又叫標準型電離室

(Free·AirIonizationChanlber)有兩個光欄（入射和出口），工作氣體就是空氣,有兩個極性相反的平行電極。陰影部分為測量體積V當光子束穿過充滿空氣的兩個互相平行的電極板之間時，經(jīng)與空氣介質(zhì)相互作用，形成次級電子。這些電子使空氣原子電離產(chǎn)生的正負離子在極間電場的作用下，分別被兩個電極所收集。當入射光子能量較低，達到電子平衡，測量到的電離電荷，即為次級電子所產(chǎn)生的全部電離量。椐這一原理，可制成“自由空氣電離室”（見圖）。步驟(1)設法隔離已知質(zhì)量的空氣(2)測量該空氣中X、γ線使物質(zhì)放出的次級粒子電離產(chǎn)生的同種離子總電量。1、自由空氣電離室造成空氣室非穩(wěn)定態(tài)的因素空氣對X線的吸收和散射離子的復合入口對X線吸收產(chǎn)生多余次級電子電離室壁的阻止使電子損失的能量溫度氣壓變化引起的空氣密度改變所以必須進行校正,統(tǒng)一標準.國家級的叫基本標準,對省市(次級標準)統(tǒng)一校正.自由空氣電離室很大,約20m2,成本高,技術復雜,不能作現(xiàn)場儀器,只能作標準.2、實用空氣電離室特點(1)空氣壓縮,減小電離室體積(2)壓縮空氣可用等效材料替(Z接近),如石墨,有機玻璃,石蠟(3)體積小,可現(xiàn)場攜帶測量.2、實用空氣電離室電離室的校準測量條件:(1)室壁與空氣等效

(2)準確得知空氣腔體積

(3)室壁厚度滿足電子平衡條件

方法定期校準(20°C,760mmHg)用兩種電離室同時測量已知強度的X、γ線源,得出實用空氣電離室的校準因子.

對醫(yī)學和防護學有意義的量是吸收劑量。吸收劑量一般通過間接測量來獲取，考察某點能量沉積產(chǎn)生的理化變化，間接反映該點物質(zhì)吸收的射線能量。經(jīng)過適當校準，給出D的大小。二.吸收劑量的測量吸收劑量（AbsorbedDose）吸收劑量是指電離輻射在單位質(zhì)量的介質(zhì)中沉積（Imparted）的平均能量。舊單位為拉德（rad），SI單位為戈瑞（Gy）。其單位（Gy）的定義是每千克（kg）物質(zhì)吸收1焦耳（J）能量時的吸收劑量。1rad=10-2J/kg=1cGy。吸收劑量與照射量區(qū)別：（1）吸收劑量被廣泛地應用于不同電離輻射的類型、能量及各種介質(zhì)。（2）吸收劑量反映的是射束在介質(zhì)中被吸收的情況，而照射量則是指輻射在空氣中電離量的大小。在臨床上，吸收劑量更重要，更被醫(yī)生所關注，它的量值是通過使用劑量計及電離室對照射量進行精確的測算而確定的。二.吸收劑量的測量1、基本測量——量熱法

任何物質(zhì)受照射后吸收的射線能量都會以熱的形式表現(xiàn).能量——熱量——溫度.測量——熱量計。由于輻射使溫度升高的值T只有10-210-3°C,故測量技術要求很高,只能做標準儀器校對其它測D的儀器.二.吸收劑量的測量1、基本測量——量熱法介質(zhì)熱電偶吸收體現(xiàn)場大多通過照射量的測量換算成吸收劑量.電離室測量法ω為電離一對離子所需平均電離能=33.97eV對任意物質(zhì)(Gy)(Gy)2、電離室測量法二.吸收劑量的測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不同光子能量對應幾種物質(zhì)的f值(單位:Gy/C/kg)已測知二.吸收劑量的測量例題2用電離室測得體模內(nèi)一點空氣照射率為例題1(Gy)

在空氣中某點處照射量為0.1C/kg,求空氣中該點處的吸收劑量.解

,已知光子的能量為0.1MeV,求該點的吸收劑量率。解查表得f水=36.74Gy/C/kgD水=3、吸收劑量的其他測量方法

熱釋光片(LiF等)~晶格缺陷.輻射照射——激活價電子成自由電子;缺陷吸收電子(正比);測量時,加熱電子逸出,并以光的形式釋放能量.由電子數(shù)目和發(fā)光強度確定吸收劑量的大小.熱釋光劑量儀膠片劑量測定法射線在膠片上感光,光密度變化與吸收強度有關.二.吸收劑量的測量由于靈敏度高、體積小，適于測量輻射場梯度變化較大的區(qū)域，如建成區(qū)、半影區(qū)及深度量、離軸比、等劑量曲線等；尤其在電子束的劑量測量中，由于硅與水的質(zhì)量阻止本領基本不依賴于電子束能量的變化，故可直接以深度電離曲線表示百分深度劑量曲線。半導體劑量儀二.吸收劑量的測量多功能數(shù)字化γ譜儀移動式空氣放射性監(jiān)測儀(α/β)二.吸收劑量的測量α/β/γ閃爍探頭核應急個人劑量計二.吸收劑量的測量三.射線質(zhì)的測量1、400kV以下X線質(zhì)的測定X線的質(zhì)即穿透本領——低能段用半價層表示2、高能X線能量的測定用水模中半值深度HVD(劑量一半時的深度)，或用測定在10cm,20cm兩處電離比確定X線的質(zhì)。X線能量與HVD的關系射線能量最大劑量深度50%劑量深度4MeV6MeV8MeV10MeV12MeV15MeV18MeV20MeV1.0cm1.5cm2.0cm2.5cm2.5cm3.0cm3.0cm3.0cm13.8cm15.5cm17.1cm18.1cm18.8cm20.0cm21.3cm21.8cm指數(shù)衰減校準劑量的測量X和r射線的吸收劑量公式：D=M.Ktp.Nc.F電子束射線的吸收劑量公式：D=M.Ktp.Nc.CEM為劑量儀表讀數(shù)，Nc為記錄儀校準因子,F和CE分別是X?射線和電子束的照射量-吸收劑量轉(zhuǎn)換因子，Ktp為空氣密度校準因子。第七節(jié)劑量的標定在臨床上,射束質(zhì)的測定：(1)對于400kV以下的X射線，以其高壓、附加過濾和第一半值層表示，例如：180kV，0.5Cu+1Al過濾,HVL=0.5mmCu。(2）對放射性核素γ射線的品質(zhì)通常用平均能量和核素名稱來描述。例如從鈷-60源發(fā)出的兩條γ射線可表述為能量分別為1.17MeV和1.33MeV的平均能量1.25MeV。(3)對于加速器產(chǎn)生的高能X射線,其射線值大多用峰值能量來說明，很少采用半值層，束流的平均能量約為峰值能量的1/3；在IAEATRS277報告中以TPR20/TPR10（組織模體比：由電離室有效測量點上方的水深分別為20cm和10cm，測量出相應的吸收劑量的比值，即TPR20/TPR10）表示。(4)對于電子束是以其吸收劑量或電離量沿電子束軸衰減到其最大值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射線質(zhì)的確定通常使用測量半價層的辦法，即使用某一種金屬材料，作為對于X射線的吸收體，使射線衰減到原強度的一半所需要的這種材料的厚度（半價層）來表示中低能X射線的質(zhì)即能量。對于管電壓小于或大于100kV的X射線分別采用鋁或銅。例如：180kV，0.5Cu+1Al過濾,或HVL=0.5mmCu;其能量高低取決于：①吸收體材料的原子序數(shù)。②半值的吸收體的厚度。二.高能X射線質(zhì)（能量）的確定

1、穿透性通常加速器生產(chǎn)廠家在隨機文件中給出的是加速器X射線的穿透性。測定方法：SSD為100cm，水模表面射野為10cm×10cm，電離室的有效測量點在水模內(nèi)沿射線束中心軸移動，測出水下10cm深度處的劑量與最大劑量的比值(穿透性)?；驕y出水體模中最大劑量的一半（Dmax/2）所在深度也稱半值深度即用水體模中射線中心軸上50%劑量深度來確定X射線的質(zhì)。最大吸收劑量(MaximunAbsorbedDose)輻射在模體中沿輻射束軸產(chǎn)生的吸收劑量率中的最大者，稱為最大吸收劑量。百分深度劑量（PercentageDepthDose,PDD）固定照射野和源皮距條件下，模體內(nèi)任意深度d處的吸收劑量率Dd與射束軸上參考點（一般取最大劑量點）d0的吸收劑量率Dd0的百分數(shù)比值PDD，即PDD=Dd/Dd0100%。測量方法：源至水模表面距離SSD=100cm，模體表面的輻射野FSZ=10cm×10cm，射線束軸與模體垂直。若用圓柱形電離室，電離室軸線與束軸垂直；若用平行板電離室，束軸垂直于平行板電離室的入射面。電離室的有效測量點沿束軸移動,分別測出水深為10cm與20cm處的吸收劑量D10與D20，并確定D20/D10的比值。2.劑量比（D20/D10）3.組織模體比（TPR2010）測量方法：源至電離室有效測量點的距離SCD=100cm，過這點并與束軸垂直的平面上射野FSZ=10cm×10cm在保持SCD不變的情況下，由電離室有效測量點上方的水深分別為20cm和10cm，測量出相應的吸收劑量的比值，即TPR2010（圖13）。表6組織模體比、劑量比與能量的相應關系TPR2010D20/D10MV0.600.5203.50.620.5353.90.640.550