射线的测量 - 图文

第五章 射线的测量

射线的测量是放射治疗的基础工作，与放疗的质量、疗效密切相关。电离辐射与物质相互作用产生的各种效应是测量各种电离辐射的基础。广泛应用于剂量测量工作的电离室，依据的就是辐射的电离效应。其它如辐射的热作用、化学作用以及使某些固体材料物理性质改变也都可以用于剂量测量。其中电离室法是被国际权威性学术组织和国家技术监督部门确定的、用于放射治疗吸收剂量校准及日常监测的主要方法，本章将重点阐述电离室法测量射线的原理、方法和步骤，并对其它测量方法的原理和应用作介绍。

第一节 电离室

电离室是最早应用的电离辐射探测器，迄今已有近百年的历史，至今仍被广泛应用。电离室测量吸收剂量的基本过程是，通过测量电离辐射在与物质（空气）相互作用过程中产生的电离电荷量，计算得出吸收剂量。 一、电离室基本原理

如图5-1所示，在空气中入射的X或γ射线通过光电、康普顿效应或电子对过程中将部分或全部能量转换给原子内的电子，这些高速电子沿其轨迹又产生电离。在离子收集电极的电场的作用下，正电荷向负极板运动，负电荷向正极板运动，所形成的电流可用静电计测量。根据照射量的定义，光子在特定体积内(图中阴影区)所产的电子必需在极板离子收集区内的空气中通过电离把它们全部的能量消耗掉，并且无遗漏地将全部正负电离电荷收集起来。然而，实际上在给定体积内产生的电子中有的会把它们的能量沉积在离子收集区之外，因而未被记录测量；另一方面，在给定体积之外产生的电子亦可能进入离子收集区内，并在其中发生电离。一旦前者的电离损失为后者的电离贡献所补偿时，即为达到了电子平衡状态，此时测量到的电离电荷，理论上应为次级电子所产生的全部电离电苘量。

图5-1 电离室工作原理示意图

自由空气电离室或标准电离室是根据上述原理而设计用于测量照射量的仪器。这种一级标准电离室通常仅安装在国家标准实验室内，主要用来校准次级标准剂量仪，后者再用于刻度现场使用的剂量仪。图5-2是自由空气电离室的结构图。一束从焦点S发出的X线经光栅D限束后，入射到一对平行板电场中，极板上加有高电压 (其场强数量级为 1OOV/cm),用于收集极板间空气介质中的离子。电离室有效测量长度为L，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C。电离室的灵敏体积是指由通过收集极边缘的电力线所包围的两电极间的区域。在灵敏体积外的电极称作保护环，两侧保护环的作用是使收集区内及边缘电场均匀无畸变。在实际应用中，电离室的输出信号

电流约在l0A量级，为弱电流，必须使用弱电流放大器——静电计对其进行放大，此类静电计通常被称为剂量测量仪。静电计可按积分剂量方式操作，也可按剂量率方式工作。取决收集电荷究竟是累积在电容上还是以电流形式流过电阻。

-10

图5-2 自由空气电离室的结构图

用自由空气电离室做精确测量的条件十分严格。通常要对以下因素做校正，包括:①空气衰减校正；②离子复合校正；③温度、压力和湿度对空气密度影响的校正；④散射光子导致电离的校正等。用自由空气电离室测量高能X射线会遇到一些困难。当光子能量增大时，空气中所释放出的电子的射程也急剧增大。因此必须增大极板间距来维持电子平衡。但是，极板间距的加大又带来电场不均匀和离子复合等问题。虽然极板间距可采用高压空气的办法使之减小，但空气衰减、光子散射和离子收集效率降低等问题仍然存在。因此客观上对入射光子的能量有一个上限，超过该限度就无法对照射量作出精确的测定，该限度是3MeV。 二、指形电离室

自由空气电离室用于常规测量很不方便，一是太精密，二是体积过于庞大，它主要安装在标准实验室内用于校正指形电离室等仪表。指形电离室的原理见图5-3，在图a中，一球形体空气介质的中心部位有一空气腔，假定该空气球均匀地受到光子束照射，同时还假定外球和内腔间距离等于空气中产生电离电子的最大射程。如果进入腔内的电子数与离开腔体的电子数相同，那么就满足电子平衡条件。此外，只要能准确测量空气壳层释放出的电子在腔内产生的电离电荷，那么，根据已知腔内空气的体积或质量就能够算出在气腔中心每单位质量空气内的电荷，继而计算出射线的照射量。如果将图a气腔外的空气壳层压缩成图b中那样薄的等效固体壳，就形成一个指形电离室。虽然电离室壁是固体材料，但它与空气等价，也就是说它的有效原子序数与空气相同。此外，室壁的厚度刚好能建立电子平衡，即室壁厚度必须等于或大于在室壁内所释放的电子的最大射程。因为固体空气等效壁的密度比自由空气大得多，所以在指形电离室中建立电子平衡所需厚度就大大减小。例如，对100-25OkV范围内的X射线，室壁厚仅需1mm；对钴-60γ线，所需壁厚约为5mm。一般指形电离室的实际壁厚等于或小于lmm，为达到建立电子平衡所需的厚度可采用附加有机玻璃或其它材料制成的平衡帽的办法来增加总壁厚。图c表示的为根据上述设想而制成的指形电离室的剖面图。指形电离室壁材料一般选用石墨，它的有效原子序数小于空气(Z=7.67)，而接近于碳(Z=6.0)。其内表面涂有一层导电材料。形成一个电极。另一个电极位于中心，是由较低原子序数材料如石墨、铝等制成的收集电板。如上面所提到的，空气气腔中所产生的电离电荷，是由其四周室壁中的次级电子所产生的。为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。通常用作室壁的材料，为石墨、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会略少于自由空气电离室。

为此，选用有效原子序数略大的材料，制成中心收集电极，并注意其几何尺寸和在空腔中的位置，可部分补偿室壁材料的不完全空气等效。

图5-3 指形电离室的原理图

目前在临床广泛使用的指形电离室，是由英国物理学家Farmer最初设计，后由Aird和Farmer改进的所渭Farmer型指形电离室，它能为放疗范围内的所有能量提供稳定而可靠的次级标准。这种电离室的示意图见图5-4,其结构的实际尺寸和中央电极均在图中标明。室壁用纯石墨制成，中央电极用纯铝制成,绝缘体材料是聚三氯氟乙烯,电离室的收集体积通常为0.6cc。该种电离室中心收集极的直径l.Omm，在灵敏体积中的长度为20.5mm，经实验确定，该种电离室有很好的能量响应特性(1%-4%)。电离室的能量响应示于图5-5，纵坐标为校准因子，横坐标以X线半值层为单位绘制。其响应曲线在半值层大于0.3mmCu时近乎为常数。实验还表明用4MV的 X射线照射、且整个电离室杆均处于射野中时，该电离室的总泄漏约为0.4%。

图5-4 Farmer型指形电离室基本结构

图5-5 Farmer型指形电离室能量响应曲线

三、电离室的工作特性

为了保证电离室测量的精度，除定期(一般每年一次)将其和静电计送国家标准实验室校准外。在实际使用时，必须了解电离室本身所具有的特性，并注意掌握正确的使用方法和按照测量的要求给予必要的修正。 （一）、电离室的灵敏度

电离室的灵敏度通常以能测到剂量率的最低限来表示。对临床要求为0.lcGy/h，防护要求为0.5uSV/h。电离室的灵敏度与电离室体积成正比与电离室电容成反比。 （二）、电离室的杆效应

电离室的杆效应指电离室的金属杆、绝缘体、电缆(包括某些前置放大器)等因受辐照产生微弱的电离，叠加在电离室的信号电流中，形成电离室的测量误差。它不同于原发在杆内和体模内的散射线所作的贡献。在辐射场中绝缘性能降低、寄生的空气隙等都会增加电离电流。现代电离室的这个效应已很小可忽略不计，但长期停用后再次使用时该效应稍大，故应连续作几次空白测试之后再作正式测量。对X(γ)射线，其杆效应表现有明显的能量依赖性，能量越大，杆效应越明显。而对电子束，表现不甚明确，似6MeV电子束的杆效应最大。另一特点是，当电离室受照范围较小时，杆效应变化较大，而当受照长度超过lOcm时，基本不再变化。 （三）、电离室的方向性

由于电离室本身固有的角度依赖性，电离室的灵敏度会受电离辐射的入射方向的影响。使用时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人射方向相垂直。电离室的角度依赖性直接影响电离室的灵敏体积，同时指形电离室的角度依赖性还与中心电极和室壁制作工艺如室壁厚度的均匀性等有关。 （四）、电离室的饱和特性

接受辐照的电离室当电极间的电压逐渐增大时，其电离电流在开始阶段几乎呈直线式增长，随后变得缓慢。终达到饱和值(图5-6)。当入射电离辐射的强度不变时，电离室的输出信号电流I随其工作电压V变化的关系，称为电离室的饱和特性。电离电流最初随电压的增大是由于在低压条件下离子收集不完全所致，正、负离子在弱电场中不易分离，很快再次结合，增加电场强度可使这种复合减到最小。如果在达到饱和状态后电压再继续增大，离子因电场的加速又能获得足够的能量来与气体分子发生碰撞而产生电离。其结果是离子急剧倍增。电离室应在饱和电压条件下工作，以保证不会因电压的涨落变化而引起离子电流的改变。

图5-6 电离室饱和特性曲线

（五）、电离室的复合效应

如上所述，电离室的极间电压要高到既能减少离子复合效应又不至产生额外电离为好， 不同电离室设计和电离强度情况下，总会由于复合效应而损失一定量的电离电荷，这种影响可用收集效应表示。收集效应定义为所收集到的离子数与离子产额的比率，该值可用双电压