1、,電離室測量吸收劑量原理,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、電離室測量吸收劑量的原理,電離室測量吸收劑量原理,一、電離室的工作機(jī)制,電離室測量吸收劑量的基本過程是：通過測量電離輻射在與物質(zhì)相互作用過程中產(chǎn)生的次級粒子的電離電荷量，由計(jì)算得出吸收劑量。,電離室測量吸收劑量原理,（一）、電離室的基本原理,兩個(gè)相互平行的電極之間充滿空氣，虛線所包括范圍，稱為電離室靈敏體積。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)生次級電子。這些電子在其運(yùn)動軌跡上使空氣中的原子電離，產(chǎn)生一系列正負(fù)離子對。在靈敏體積的電場作用下，電子、正離子分別向兩級漂移，使相應(yīng)

2、極板的感應(yīng)電荷量發(fā)生變化，形成電離電流。在電子平衡條件下測到的電離電荷，理論上應(yīng)為次級電子所產(chǎn)生的全部電離電荷。,電離室測量吸收劑量原理,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，稱為收集級。,電離室測量吸收劑量原理,電離室的靈敏體積是指通過收集級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為保護(hù)環(huán)，其作用是使靈敏體積邊緣外的電場保持均勻，并同時(shí)使絕緣子的漏電流不經(jīng)過測量回路，減少對信號的影響。,電離室測量吸收劑量原理,自由

3、空氣電離室一般為國家一級或二級劑量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室所配置，作為標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)場使用的電離室型劑量儀進(jìn)行校準(zhǔn)，并不適合于在現(xiàn)場如醫(yī)院使用。,在實(shí)際應(yīng)用中，電離室的輸出信號電流在10 A數(shù)量級，為弱電流，必須經(jīng)過弱電流放大器（靜電計(jì)）對其進(jìn)行放大，此類靜電計(jì)通常稱為劑量測量儀。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。以三種方式測量電離室的輸出信號： 1、測量輸出電荷量 2、測量輸出電流 3、測量輸出回路中形成的電壓信號,-10,電離室測量吸收劑量原理,（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

4、的半徑等于電離輻射在空氣中產(chǎn)生的次級電子的最大射程，滿足進(jìn)去氣腔中電子數(shù)與離開的相等，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。,電離室測量吸收劑量原理,（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。,電離室測量吸收劑量原理,（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

5、)，其表面涂有一層導(dǎo)電材料，形成一個(gè)電極，另一個(gè)收集電極位于中心。,電離室測量吸收劑量原理,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)生的次級電子數(shù)和能譜與空氣中產(chǎn)生的一樣。,電離室測量吸收劑量原理,通常用作室壁材料的石墨，酚醛樹脂和塑料，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。,電離室測量吸收劑量原理,二、電離室的工作特

6、性,電離室本身具有角度依賴性，電離室的靈敏度會受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,電離室測量吸收劑量原理,（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，在沒有外加電場的作用或電場強(qiáng)度不夠大時(shí)，會因?yàn)闊徇\(yùn)動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，稱為離子、電子的擴(kuò)散運(yùn)動。 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)合會損失一部分由電離輻射產(chǎn)生的離子對數(shù)，從而影響電離效應(yīng)與電離室輸出信號之間的對應(yīng)關(guān)系。,電離室測量吸收劑量原

7、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)，電離室的輸出信號電流I隨電壓V變化的關(guān)系，稱為“ 電離室的飽和特性”。圖中OA段，電離室的輸出信號逐漸增高，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，輸出信號電流也逐漸增加。,電離室測量吸收劑量原理,AB段內(nèi)，由于復(fù)合與擴(kuò)散影響已基本消除，信號電流不再隨工作電壓改變而保持穩(wěn)定，此段稱為電離室的飽和區(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)電場過強(qiáng)，因離子或電子運(yùn)動速度加大，產(chǎn)生碰撞電離，離子數(shù)目變大，信號電流急劇上升，超出電離室

8、正常工作狀態(tài)。,電離室測量吸收劑量原理,（三）電離室的桿效應(yīng),電離室的靈敏度，也會受到電離室金屬桿和電纜在電離輻射場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，在電離輻射場中會產(chǎn)生微弱的電離，疊加在電離室的信號電流中，形成電離室桿的泄漏，這叫做桿效應(yīng)。 實(shí)驗(yàn)表明，對于X()射線，桿效應(yīng)表現(xiàn)有明顯的能量依賴性，能量越大，桿效應(yīng)越明顯。而對于電子束，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)受照長度超過10cm時(shí)，基本不再變化。,它影響射野輸出因子測量精度,電離室測量吸收劑量原理,（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)

9、合效應(yīng)的校正，通常采用稱為“雙電壓”的實(shí)驗(yàn)方法。具體做法:對相同的輻射場，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)。不同類型的電離輻射的ai 值不同。,電離室測量吸收劑量原理,復(fù)合效應(yīng)依賴于電離室的幾何尺寸，工作電壓的選擇和正負(fù)離子對產(chǎn)生的速率。 對醫(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； 但對于放射性核素產(chǎn)生的射線(如鈷-60)，復(fù)合效應(yīng)非常小。,電離室測量吸收劑量原理,（五）電離室的極化效應(yīng),對

10、給定的電離輻射，電離室收集的電離電荷會因收集極工作電壓極性的改變而變化，這種變化現(xiàn)象稱為極化現(xiàn)象。 改變電離室工作電壓的極性會影響它的收集效率。 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)量都會改變，就會直接影響電離室測量的靈敏度，現(xiàn)場使用時(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)場測量時(shí)的溫度；p為現(xiàn)場測量時(shí)的氣壓。,（六）環(huán)境因素對工作特性的影響,電離室測量吸收劑量原理,三、電離室測量吸收劑量的原理,由電離室工作

11、原理可以看到它的作用是測量電離輻射在空氣中或在空氣等效壁中產(chǎn)生的次級粒子電離電荷。而在空氣中每產(chǎn)生一對正負(fù)粒子所消耗的電子動能，對所有的電子來說，基本是一個(gè)常數(shù)，即平均電離能為W/e=33.97J/C。用電離室測量吸收劑量可分為兩步：首先測量由電離輻射產(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，采用這種方法測量吸收計(jì)量時(shí)對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。,電離室測量吸收劑量原理,（一）中低能X（）射線吸收劑量的測量,根據(jù)照射量的定義，如果用于測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）

12、可達(dá)到電子平衡；氣腔體積可精確測定，則可以用來直接測量照射量，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。,電離室測量吸收劑量原理,對中低能X()射線來說，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 壁厚要滿足電子平衡條件。,電離室測量吸收劑量原理,（二）高能電離輻射吸收劑量的測量,上述用電離室測量照射量，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， 這只對能量不高于2MV的X() 線適用。另外照射量

13、的定義僅適用于X()光子輻射，不能用于其它類型的電離輻射，如電子、中子等。 布拉格 格雷空腔理論可以用來直接從測量結(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，可通過測量其置放在介質(zhì)中的小氣腔內(nèi)的電離電荷轉(zhuǎn)換。,電離室測量吸收劑量原理,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)生的次級電子穿過氣腔時(shí)會在其中產(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)生的次級電子的電

14、離，即氣體作用可以忽略； 氣腔的引入并不影響次級電子的注量及能譜分布； 氣腔周圍的臨近介質(zhì)中， X()射線的輻射場是均勻的。,電離室測量吸收劑量原理,也就是說氣腔的引入并不改變次級電子的分布，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 格雷理論測量吸收劑量時(shí)不需要電子平衡條件。,電離室測量吸收劑量原理,綜合低能和高能電離輻射的測量原理，需注意以下幾點(diǎn): 1、中低能X()射線吸收劑量的測量，首先測量的可以是照射量，但電離室材料

15、不僅要空氣等效，而且壁厚要滿足電子平衡條件。 2、用布拉格格雷理論測量吸收劑量時(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)。對中低能X()射線時(shí)，只要電離室壁材料和空氣等效，對空腔的大小沒有特別的限制。如在空氣中測量低水平輻射，電離室體積往往比較大。 3、用空腔理論測量高能電離輻射的吸收劑量時(shí)，空腔應(yīng)足夠小，一般要小于次級電子的最大射程，但也不能過分小，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)：,電離室測量吸收劑量原理,四、電離輻射質(zhì)的確定,電離輻射質(zhì)即輻射能量.對某些類型的輻射,如各類治療機(jī)所產(chǎn)生的X射線

16、,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)定和測量其能量較為困難. 實(shí)際上放射治療臨床對輻射能量的關(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),電離室測量吸收劑量原理,(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)來表示.,電離室測量吸收劑量原理,（二）電離室的工作特性,HVL可以通過X射線束貫穿某種介質(zhì)時(shí)的減弱程度來定義和確定 NN0- 式中N為達(dá)到探測器的光子數(shù)，N0為入射光子數(shù)，為線性衰減系數(shù)，為吸收體的厚度 *HVL0.693,電離室測量吸收劑量原理,2、放射性核素產(chǎn)生的射線,與X射線不同,每種放射

17、性核素放出射線的衰變過程是特定的,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量.如鈷-60在衰變過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.對能譜比較復(fù)雜的放射性核素,經(jīng)過對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型表示,如鈷-60射線, 銫-137射線等.,電離室測量吸收劑量原理,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

18、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)一般用電子的標(biāo)稱加速電位表示,單位是兆伏(MV). 從劑量學(xué)角度考慮,對高能X射線質(zhì)的確定,常用輻射質(zhì)指數(shù)I來表示.,電離室測量吸收劑量原理,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,電離室測量吸收劑量原理,(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,能譜相對較窄,基本可認(rèn)為是單能.電子束引出后,經(jīng)過散射箔,監(jiān)測電離室,空氣等介