電離室測(cè)量吸收劑量原理

1、電離室測(cè)量吸收劑量原理內(nèi)容概要:一、電離室的工作機(jī)制二、電離室的工作特性三、電離室測(cè)量吸收劑量的原理1電離室測(cè)量吸收劑量原理一、電離室的工作機(jī)制 電離室測(cè)量吸收劑量的基本過(guò)程是：通過(guò)測(cè)量電離輻射在與物質(zhì)相互作用過(guò)程中產(chǎn)生的次級(jí)粒子的電離電荷量，由計(jì)算得出吸收劑量。2電離室測(cè)量吸收劑量原理（一）、電離室的基本原理 兩個(gè)相互平行的電極之間充滿(mǎn)空氣，虛線所包括范圍，稱(chēng)為電離室靈敏體積。當(dāng)電離輻射，如X或射線攝入這個(gè)靈敏體積內(nèi)，與其中的空氣介質(zhì)相互作用，產(chǎn)生次級(jí)電子。這些電子在其運(yùn)動(dòng)軌跡上使空氣中的原子電離，產(chǎn)生一系列正負(fù)離子對(duì)。在靈敏體積的電場(chǎng)作用下，電子、正離子分別向兩級(jí)漂移，使相應(yīng)極板的感應(yīng)電荷

2、量發(fā)生變化，形成電離電流。在電子平衡條件下測(cè)到的電離電荷，理論上應(yīng)為次級(jí)電子所產(chǎn)生的全部電離電荷。3電離室測(cè)量吸收劑量原理根據(jù)以上原理可以制成自由空氣電離室主要由兩個(gè)相互平行的平板電極構(gòu)成，極間相互絕緣并連接到電源電壓的正負(fù)端，電極間充有空氣。構(gòu)成電離室的一個(gè)極板與電源高壓的正端或負(fù)端相連，另一極板與靜電計(jì)輸入端相連，稱(chēng)為收集級(jí)。4電離室測(cè)量吸收劑量原理電離室的靈敏體積是指通過(guò)收集級(jí)邊緣的電力線所包圍的兩個(gè)電極間的區(qū)域。在靈敏體積外的電極稱(chēng)為保護(hù)環(huán)，其作用是使靈敏體積邊緣外的電場(chǎng)保持均勻，并同時(shí)使絕緣子的漏電流不經(jīng)過(guò)測(cè)量回路，減少對(duì)信號(hào)的影響。5電離室測(cè)量吸收劑量原理自由空氣電離室一般為國(guó)家一

3、級(jí)或二級(jí)劑量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室所配置，作為標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)場(chǎng)使用的電離室型劑量?jī)x進(jìn)行校準(zhǔn)，并不適合于在現(xiàn)場(chǎng)如醫(yī)院使用。在實(shí)際應(yīng)用中，電離室的輸出信號(hào)電流在10 A數(shù)量級(jí)，為弱電流，必須經(jīng)過(guò)弱電流放大器（靜電計(jì)）對(duì)其進(jìn)行放大，此類(lèi)靜電計(jì)通常稱(chēng)為劑量測(cè)量?jī)x。如下圖所示，靜電計(jì)實(shí)際上就是一個(gè)負(fù)反饋運(yùn)算放大器。以三種方式測(cè)量電離室的輸出信號(hào)：1、測(cè)量輸出電荷量2、測(cè)量輸出電流3、測(cè)量輸出回路中形成的電壓信號(hào)-106電離室測(cè)量吸收劑量原理（二）指形電離室指形電離室是根據(jù)自由空氣電離室原理，為便于常規(guī)使用而設(shè)計(jì)的。圖a表示的電離室設(shè)想有圓形空氣外殼，中心為充有空氣的氣腔。假定空氣外殼的半徑等于電離輻射在空氣中產(chǎn)生的次級(jí)

4、電子的最大射程，滿(mǎn)足進(jìn)去氣腔中電子數(shù)與離開(kāi)的相等，電子平衡存在。此條件下的電離室可認(rèn)為與自由空氣電離室具有等同功能。7電離室測(cè)量吸收劑量原理（二）指形電離室 如果將圖a的空氣外殼壓縮，則可形成圖b所表示的固態(tài)的空氣等效外殼，所謂空氣等效就是該種物質(zhì)的有效原子序數(shù)與空氣有效原子序數(shù)相等。 由于固體空氣等效材料的密度遠(yuǎn)大于自由空氣的密度，該種材料中達(dá)到電子平衡的厚度可遠(yuǎn)小于自由空氣的厚度。8電離室測(cè)量吸收劑量原理（二）指形電離室圖c就是根據(jù)上述思想設(shè)計(jì)而成的指形電離室的剖面圖,指形電離室的材料一般選用石墨，它的有效原子序數(shù)小于空氣(7.67)而接近于碳(6)，其表面涂有一層導(dǎo)電材料，形成一個(gè)電極，

5、另一個(gè)收集電極位于中心。9電離室測(cè)量吸收劑量原理如上所述，空氣氣腔中所產(chǎn)生的電離電荷，是由四周室壁中的次級(jí)電子所產(chǎn)生。為了使指形電離室與自由空氣電離室具有相同的效應(yīng)，它的室壁應(yīng)與空氣外殼等效，即在指形電離室壁中產(chǎn)生的次級(jí)電子數(shù)和能譜與空氣中產(chǎn)生的一樣。10電離室測(cè)量吸收劑量原理通常用作室壁材料的石墨，酚醛樹(shù)脂和塑料，其有效原子序數(shù)略小于空氣的有效原子序數(shù)，這種室壁材料在空氣氣腔中產(chǎn)生的電離電荷也略少于自由空氣電離室。因此，選用有效原子序數(shù)略大的材料，制成中心收集電極，可部分補(bǔ)償室壁材料的不完全空氣等效。11電離室測(cè)量吸收劑量原理二、電離室的工作特性 電離室本身具有角度依賴(lài)性，電離室的靈敏度會(huì)受

6、電離輻射的入射方向的影響。其正確的使用方法是：平行板電離室應(yīng)使其表面垂直于射束中心軸，指形電離室應(yīng)使其主軸線與射束中心軸的入射方向垂直。（一）電離室的方向性12電離室測(cè)量吸收劑量原理（二）電離室的飽和特性 電離輻射在空氣中產(chǎn)生的正負(fù)離子，在沒(méi)有外加電場(chǎng)的作用或電場(chǎng)強(qiáng)度不夠大時(shí)，會(huì)因?yàn)闊徇\(yùn)動(dòng)由密度大處向密度小處擴(kuò)散，導(dǎo)致宏觀的帶電粒子流動(dòng)，稱(chēng)為離子、電子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。 同時(shí)，正離子與負(fù)離子在到達(dá)收集極前可能相遇復(fù)合成中性的原子或分子，這種復(fù)合會(huì)損失一部分由電離輻射產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)，從而影響電離效應(yīng)與電離室輸出信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。13電離室測(cè)量吸收劑量原理當(dāng)電離室工作電壓較低時(shí)，正負(fù)離子的復(fù)合與擴(kuò)散作

7、用顯得比較突出.。如下圖所示：當(dāng)入射電離輻射的強(qiáng)度不變時(shí)，電離室的輸出信號(hào)電流I隨電壓V變化的關(guān)系，稱(chēng)為“ 電離室的飽和特性”。圖中OA段，電離室的輸出信號(hào)逐漸增高，離子或電子的漂移速度加大，逐漸克服復(fù)合與擴(kuò)散作用的影響，輸出信號(hào)電流也逐漸增加。14電離室測(cè)量吸收劑量原理AB段內(nèi)，由于復(fù)合與擴(kuò)散影響已基本消除，信號(hào)電流不再隨工作電壓改變而保持穩(wěn)定，此段稱(chēng)為電離室的飽和區(qū)。電離室正常工作時(shí)，其工作電壓應(yīng)是處于這一范圍，隨著工作電壓的繼續(xù)提高，BC段電離室內(nèi)電場(chǎng)過(guò)強(qiáng)，因離子或電子運(yùn)動(dòng)速度加大，產(chǎn)生碰撞電離，離子數(shù)目變大，信號(hào)電流急劇上升，超出電離室正常工作狀態(tài)。15電離室測(cè)量吸收劑量原理（三）電離

8、室的桿效應(yīng) 電離室的靈敏度，也會(huì)受到電離室金屬桿和電纜在電離輻射場(chǎng)中的被照范圍的影響。因?yàn)殡婋x室的金屬桿和絕緣體及電纜，在電離輻射場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生微弱的電離，疊加在電離室的信號(hào)電流中，形成電離室桿的泄漏，這叫做桿效應(yīng)。 實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于X()射線，桿效應(yīng)表現(xiàn)有明顯的能量依賴(lài)性，能量越大，桿效應(yīng)越明顯。而對(duì)于電子束，表現(xiàn)不甚明確。另一特點(diǎn)是，當(dāng)電離室受照范圍較小時(shí)，桿效應(yīng)變化較大。當(dāng)受照長(zhǎng)度超過(guò)10cm時(shí)，基本不再變化。它影響射野輸出因子測(cè)量精度16電離室測(cè)量吸收劑量原理（四）電離室的復(fù)合效應(yīng) 電離室即使工作在飽和區(qū)，也存在正負(fù)離子復(fù)合效應(yīng)的影響。 復(fù)合效應(yīng)的校正，通常采用稱(chēng)為“雙電壓”的實(shí)驗(yàn)方法。具體

9、做法:對(duì)相同的輻射場(chǎng)，電離室分別加兩種不同的工作電壓V1和V2，其中V1為常規(guī)工作電壓，并且V1和V2的比值要大于或等于3，得到不同工作電壓時(shí)的收集電荷數(shù)Q1和Q2，然后利用以下公式計(jì)算復(fù)合校正因子: 式子中，a1 為實(shí)驗(yàn)擬合系數(shù)。不同類(lèi)型的電離輻射的ai 值不同。17電離室測(cè)量吸收劑量原理 復(fù)合效應(yīng)依賴(lài)于電離室的幾何尺寸，工作電壓的選擇和正負(fù)離子對(duì)產(chǎn)生的速率。 對(duì)醫(yī)用加速器的脈沖式輻射，特別是脈沖掃描式輻射，復(fù)合效應(yīng)的校正尤為重要； 但對(duì)于放射性核素產(chǎn)生的射線(如鈷-60)，復(fù)合效應(yīng)非常小。18電離室測(cè)量吸收劑量原理（五）電離室的極化效應(yīng) 對(duì)給定的電離輻射，電離室收集的電離電荷會(huì)因收集極工作

10、電壓極性的改變而變化，這種變化現(xiàn)象稱(chēng)為極化現(xiàn)象。 改變電離室工作電壓的極性會(huì)影響它的收集效率。 非密閉型電離室，空腔中的空氣質(zhì)量隨環(huán)境溫度和氣壓變化而改變，即氣壓或溫度變化時(shí)，空氣質(zhì)量都會(huì)改變，就會(huì)直接影響電離室測(cè)量的靈敏度，現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)必須給予校正。校正系數(shù)與溫度和氣壓的關(guān)系為： Kpt=（273.2+t）/（273.2+T）*（1013/p） 式中T為電離室在國(guó)家實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)時(shí)的溫度，一般為20或22；t為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)的溫度；p為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)的氣壓。（六）環(huán)境因素對(duì)工作特性的影響19電離室測(cè)量吸收劑量原理三、電離室測(cè)量吸收劑量的原理 由電離室工作原理可以看到它的作用是測(cè)量電離輻射在空氣中或在空氣等

11、效壁中產(chǎn)生的次級(jí)粒子電離電荷。而在空氣中每產(chǎn)生一對(duì)正負(fù)粒子所消耗的電子動(dòng)能，對(duì)所有的電子來(lái)說(shuō)，基本是一個(gè)常數(shù)，即平均電離能為W/e=33.97J/C。用電離室測(cè)量吸收劑量可分為兩步：首先測(cè)量由電離輻射產(chǎn)生的電離電荷，然后利用空氣的平均電離能計(jì)算并轉(zhuǎn)換成電離輻射所沉積的能量，即吸收劑量。由于電離室本性特性的限制，采用這種方法測(cè)量吸收計(jì)量時(shí)對(duì)不同能量的電離輻射，所依據(jù)的基礎(chǔ)和計(jì)算方法不同。20電離室測(cè)量吸收劑量原理（一）中低能X（）射線吸收劑量的測(cè)量根據(jù)照射量的定義，如果用于測(cè)量的指形電離室符合條件室壁由空氣等材料制成；室壁厚度（或加平衡帽后）可達(dá)到電子平衡；氣腔體積可精確測(cè)定，則可以用來(lái)直接測(cè)量

12、照射量，再轉(zhuǎn)換為吸收劑量。A為上面提到的傳輸系數(shù)，數(shù)值上應(yīng)等于相同位置的空氣中某點(diǎn)的能量注量與相同位置以某種介質(zhì)(如水)置換空氣后的能量注量。 21電離室測(cè)量吸收劑量原理 對(duì)中低能X()射線來(lái)說(shuō)，電子平衡能夠建立，介質(zhì)中的吸收劑量可用相同位置處的照射量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。需要注意的是這種測(cè)量的前提條件 ：電離室壁材料不僅要空氣等效， 而且壁厚要滿(mǎn)足電子平衡條件。22電離室測(cè)量吸收劑量原理（二）高能電離輻射吸收劑量的測(cè)量 上述用電離室測(cè)量照射量，再轉(zhuǎn)換為吸收劑量的方法，前提條件是必須建立電子平衡， 這只對(duì)能量不高于2MV的X() 線適用。另外照射量的定義僅適用于X()光子輻射，不能用于其它類(lèi)型的電離輻射，

13、如電子、中子等。 布拉格 格雷空腔理論可以用來(lái)直接從測(cè)量結(jié)果計(jì)算吸收劑量。布拉格 格雷空腔理論認(rèn)為，電離輻射在介質(zhì)中的沉積能量即介質(zhì)吸收劑量，可通過(guò)測(cè)量其置放在介質(zhì)中的小氣腔內(nèi)的電離電荷轉(zhuǎn)換。23電離室測(cè)量吸收劑量原理 假設(shè)在一均勻介質(zhì)中有一充有空氣的氣腔，電離輻射如X()射線入射，它在介質(zhì)中產(chǎn)生的次級(jí)電子穿過(guò)氣腔時(shí)會(huì)在其中產(chǎn)生電離。這種電離可以是X()射線在氣腔空氣中產(chǎn)生的次級(jí)電子所致，也可以是在電離室空氣等效壁材料中產(chǎn)生的電子所致。假定氣腔的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于次級(jí)電子的最大射，則以下三個(gè)假定成立：X()射線光子在空腔中所產(chǎn)生的次級(jí)電子的電離，即氣體作用可以忽略；氣腔的引入并不影響次級(jí)電子的注量及

14、能譜分布；氣腔周?chē)呐R近介質(zhì)中， X()射線的輻射場(chǎng)是均勻的。24電離室測(cè)量吸收劑量原理 也就是說(shuō)氣腔的引入并不改變次級(jí)電子的分布，則介質(zhì)所吸收的電離輻射的能量Em與氣腔中所產(chǎn)生的電離量Ja應(yīng)有如下關(guān)系：式中 w/e 為電子的平均電離能，(s/p)m/(s/p)a 為介質(zhì)與空氣的平均質(zhì)量阻止本領(lǐng)率之比。 此式即是布拉格 格雷關(guān)系式 用布拉格 格雷理論測(cè)量吸收劑量時(shí)不需要電子平衡條件。25電離室測(cè)量吸收劑量原理綜合低能和高能電離輻射的測(cè)量原理，需注意以下幾點(diǎn):1、中低能X()射線吸收劑量的測(cè)量，首先測(cè)量的可以是照射量，但電離室材料不僅要空氣等效，而且壁厚要滿(mǎn)足電子平衡條件。2、用布拉格格雷理論測(cè)

15、量吸收劑量時(shí)，就不需要電子平衡條件，因?yàn)楦鶕?jù)空腔電離理論，氣腔中產(chǎn)生的電離電荷量只和介質(zhì)中的實(shí)際吸收的能量有關(guān)。對(duì)中低能X()射線時(shí)，只要電離室壁材料和空氣等效，對(duì)空腔的大小沒(méi)有特別的限制。如在空氣中測(cè)量低水平輻射，電離室體積往往比較大。3、用空腔理論測(cè)量高能電離輻射的吸收劑量時(shí)，空腔應(yīng)足夠小，一般要小于次級(jí)電子的最大射程，但也不能過(guò)分小，以致造成由電離產(chǎn)生的電子大量跑出氣腔，而使布喇格-格雷關(guān)系式失效。小結(jié)：26電離室測(cè)量吸收劑量原理四、電離輻射質(zhì)的確定電離輻射質(zhì)即輻射能量.對(duì)某些類(lèi)型的輻射,如各類(lèi)治療機(jī)所產(chǎn)生的X射線,由于是軔致輻射和為了適應(yīng)臨床治療需要給予均整改造后,能譜甚為復(fù)雜,規(guī)定和

16、測(cè)量其能量較為困難.實(shí)際上放射治療臨床對(duì)輻射能量的關(guān)心,主要集中在電離穿透物質(zhì)的能力上.因此,電離輻射質(zhì)定義為電離輻射穿射物質(zhì)的本領(lǐng)27電離室測(cè)量吸收劑量原理(一)X()射線質(zhì)的確定1.中低能X射線質(zhì),一般用半價(jià)層(HVL)來(lái)表示.28電離室測(cè)量吸收劑量原理（二）電離室的工作特性HVL可以通過(guò)X射線束貫穿某種介質(zhì)時(shí)的減弱程度來(lái)定義和確定NN0-式中N為達(dá)到探測(cè)器的光子數(shù)，N0為入射光子數(shù)，為線性衰減系數(shù)，為吸收體的厚度*HVL0.69329電離室測(cè)量吸收劑量原理2、放射性核素產(chǎn)生的射線與X射線不同,每種放射性核素放出射線的衰變過(guò)程是特定的,根據(jù)它們的衰變圖可以很清楚地了解所用放射性核素的射線能

17、量.如鈷-60在衰變過(guò)程中釋放兩種不同能量的射線,1.17和1.33MeV,因?yàn)樗鼈兊乃プ兏怕氏嗤?所以它們的平均能量為1.25 MeV.對(duì)能譜比較復(fù)雜的放射性核素,經(jīng)過(guò)對(duì)不同能量射線衰變概率的加權(quán)處理,就可以得到其平均能量.因此,放射治療中放射性核素的射線質(zhì),一般用其核素名和輻射類(lèi)型表示,如鈷-60射線, 銫-137射線等.30電離室測(cè)量吸收劑量原理3.高能X射線 加速器產(chǎn)生的高能X射線,能譜是連續(xù)的,最大能量可以認(rèn)為與加速電子打靶前的能量相同.高能X射線的射線質(zhì)原則上也可以用某種材料的半價(jià)層值表示,但因?yàn)楦吣躕射線的穿透力較強(qiáng),線性衰減系數(shù)值隨射線質(zhì)的變化比較小,因此高能X射線的射線質(zhì)一般

18、用電子的標(biāo)稱(chēng)加速電位表示,單位是兆伏(MV). 從劑量學(xué)角度考慮,對(duì)高能X射線質(zhì)的確定,常用輻射質(zhì)指數(shù)I來(lái)表示.31電離室測(cè)量吸收劑量原理輻射質(zhì)指數(shù)的定義方法有兩種:一是保持靶到探測(cè)器的距離不變,以水模中20cm處和10 cm各處的組織體模比TPR的比值表示;二是保持靶到模體表面的距離不變,以水模中20cm處和10cm處的百分深度劑量PDD的比值表示32電離室測(cè)量吸收劑量原理(二)高能電子束射線質(zhì)的確定加速器產(chǎn)生的高能電子束,在電子引出窗以前,能譜相對(duì)較窄,基本可認(rèn)為是單能.電子束引出后,經(jīng)過(guò)散射箔,監(jiān)測(cè)電離室,空氣等介質(zhì),并經(jīng)準(zhǔn)直器限束到模體(或患者)表面和進(jìn)入模體后,能譜逐漸變寬.因此,電子束能量在不同位置數(shù)值差別很大.從臨床使用和水中吸收劑量測(cè)量考慮,對(duì)高能電子束,首先要關(guān)心模體表面和水中特定深度處的能量的定義和表示法.33電離室測(cè)量吸收劑量原理(二)高能電子束射線質(zhì)的確定模體表面的平均能量高能電子束在模體表面的平均能量E0.是表示電子束穿射介質(zhì)的能力和確定模體不同深度處電子束平均能量的一個(gè)重要參數(shù).確定E0.的方法是通過(guò)測(cè)量高能電子束在水中的百分深度劑量曲線(如圖),找出它的半峰值測(cè)量深度R50(cm) E0=2.33*R50系數(shù)2.33的單位是MeV/cm，它是利用蒙特卡洛方法模擬高能電子束百分深