吸收剂量是什么?关于吸收剂量的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:12:06

吸收剂量(Adsorbed dose)是单位质量受照物质所吸收的平均辐射能量,用符号D表示,其定义为dE除以dm所得的商,即D=dE/dm。

吸收剂量D的单位是J/kg,SI单位是戈瑞(Gray),符号Gy。其中1Gy=1 J/kg,吸收剂量曾用单位为拉德(rad),1 Gy = 100 rad 。

吸收剂量适用于任何类型和任何能量的电离辐射,以及适用于受到照射的任何物质。

吸收剂量

吸收剂量是受照物质在特定体积内,单位质量物质吸收的辐射能量。严格定义为:电离辐射沉积于某一无限小体积元(从宏观上来看很小,但从微观上看很大,这样才具有可操作性)中物质平均授予能除以该体积元中物质的质量而得到的商,用D表示。它的国际单位制单位是戈瑞(Gy),1 Gy = 1 J/kg。以前习惯使用的单位是拉德(rad)。1 rad=0.01 Gy。

剂量本来是医疗中使用的词,指一次或一定时间内服用的药物量,当X-射线最初用于治疗时,医生很自然地采用了这个词。辐射作用于物质引起的物理、化学或生物变化首先决定于物质单位质量吸收的辐射能量。因此吸收剂量是一个重要的物理量。但是研究表明,辐射类型不同时,即使同一物质吸收相同剂量,引起的变化也不相同,特别表现在对生物损伤的程度方面。例如0.01戈瑞快中子的剂量引起的损伤和 0.1戈瑞 辐射的剂量引起的损伤相当,即快中子的损伤因子为 辐射的10倍。

吸收剂量率 是单位时间内的吸收剂量;dD除以dt所得的商,即 。式中,dD是时间间隔dt内吸收剂量的增量。单位是J/(kg s),亦即Gy/s。

空气吸收剂量率是一种可直接、快速、连续反映环境辐射水平的测量量,是环境辐射监测的一个重要组成部分。为此,我国发布了相关系统——全国空气吸收剂量率发布系统。

辐射权重

长期以来人们已认识到,给定吸收剂量的电离辐射对生物体的生物效应的严重程度取决于电离辐射的类型。这种程度上的差别在实验上已经有了定量的表示,称为特定辐射类型的相对生物效应(RBE)。RBE的值是通过动物实验确定的,是某种被测试辐射的剂量与产生同种水平观察效应的低线性能量传递(Linear Eenergy Transfer,LET)参考辐射的比值 。

特定辐射的RBE是相同照射条件下,参考辐射(通常是X、 射线)的吸收剂量与产生相同效应程度的特定辐射所用吸收剂量的比值。辐射防护用的辐射权重因子 值是从一系列随机效应的 (低剂量率、小剂量照射下RBE的平稳最大值)中凭经验挑选的一些典型值,即 值只是低剂量率、小剂量照射下RBE的粗略代表。

权重因子是无量纲、可累加的量。它将物理量(Gy)转换为剂量当量(Sv) ;即将不同类型射线辐射的生物效应置于同一尺度上。

辐射权重因子

辐射类型和能量范围

辐射权重因子,

X和γ射线,所有能量

1

电子、正电子和μ介子,所有能量

1

中子

< 10 keV

5

10 keV ~100 keV

10

>100 keV~2 MeV

20

>2 MeV~20 MeV

10

> 20 MeV

5

质子(不包括反冲质子)能量>2 MeV

2-5

粒子,裂变碎片,重核

20

吸收剂量的测量

电离室测量吸收剂量

确定吸收剂量的主要和常用方法:用剂量计测量。

为了测定受电离辐射照射的介质中某点的吸收剂量,可在介质内设一个充气空腔。如果知道空腔内的带电粒子注量与空腔周围介质中的带电粒于注量之间的关系,就可以由空腔内的电离电荷来确定介质中的吸收剂量。在一般情况下是将辐射敏感元件置于介质内,根据敏感元件提供的特定信息确定介质的吸收剂量。辐射敏感元件的密度可能与介质的相差较大,材料成分可能有所不同,从而在介质内构成一个不连续的区域, 称为腔室。腔室可以由气体、液体或固体材料构成。气态的腔室称作空腔。

腔室理论是研究由腔室测得的信息确定介质中的吸收剂量、比释动能和照射量等剂量学量的原理的,它是剂量测量的理论基础。

用电离室测量吸收剂量分两步:

  1. 用电离室测量由电离辐射产生的电离电荷;

  2. 用空气的平均电离能计算并转换成电离辐射沉积的能量,即吸收剂量。

量热法

量热法最直接、最基本的方法。

早在上世纪60年代,Geissel soder. Bradshaw 等人就已经把石墨量热计用于电子束测量中。Geisselsoder 等在10 MeV和20 MeV的电子束辐照下用量热计校准了电离室和硫酸亚铁剂量计,Bradshaw在15 MeV电子束下同量热计校准了电离室。 Willis等(1971) , Miller等(1974),以及Lockwood (1976)等对能量在0. 3 MeV和2 MeV之间的单一高剂量脉冲电子采用把热电偶联接到石墨或者金属制的薄吸收体上来测量吸收体的吸收剂量。Domen(1980)用了一种夹在水体模内的两片聚苯乙烯薄膜间极小的热敏电阻,在66 mGy/s的剂量率下得到平均值(10次操作)的相对标准偏差为0. 5%的测量精度,现在主要的国家计量实验室如PTB、NIST等所研究的水量热计均建立在这种结构的基础之上。

目前英国(NPL) 、美国(NIST)、丹麦(Risa) 、日本(高崎所)、南斯拉夫、捷克及前苏联等许多国家研制了测量电子束辐射加工剂量的量热计。据报导由于聚苯乙烯因辐照引起的热损很小,美国NIST已建立测Co 射线吸收剂量率的聚苯乙烯量热计。 Miller(1995)发表了用聚苯乙烯量热计测量电子束吸收剂量的文章,测量扩展不确定度可达到3.1% (k=2),其量值溯源到英国NPL。

基本原理: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,根据这一原理制成的吸收剂量测量装置称为量热计。

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和极高的精度,一般在国家标准实验室里作为吸收剂量的测量基准。

化学剂量计法

物质吸收电离辐射的能量会引起化学变化,如果这一变化可以被测定,即可以使用它来测量吸收剂量。其中使用最普遍、测量精度最高的是硫酸亚铁化学剂量计,或称弗瑞克剂量计。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 会被氧化成三价铁离子 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244 nm和304 nm处测量三价铁离子的浓度,即可确定吸收剂量。

化学剂量计方法有较高的准确性。

理想的化学剂量计应满足下列条件:

  • 化学变化与剂量呈线性响应;

  • 对环境反映不灵敏,如杂质,温度,光,底物浓度等;

  • 与辐射类型无关;

  • 剂量计与待测物组成尽量接近;

  • 化学试剂不必特殊纯化,辐照前后稳定性好,可长期保存;

  • 化学变化易于准确,快速测量,使用方便。

热释光剂量计法

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,迁跃到导带,不稳定而落入“陷阱”如对该物质加热,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。经过标定,可测量吸收剂量。

热释光探测器是20世纪60年代发展起来的一种新型探测器。常用的热释光材料为氟化锂(LiF,TLD-100), 有效原子序数为8.2,与软组织( )比较接近, 适合临床应用。热释光材料的剂量响应与其受辐照和加热历史有关,在使用前必须退火。如LiF在照射前要经过小时400 ℃高温和24小时80 ℃低温退火。它的剂量响应,一般在10 Gy以前呈线性变化,大于10 Gy则出现超线性现象。其灵敏度基本不依赖于X ( )射线光子的能量,但对于低于10 MeV的电子束,灵敏度下降5%~10%。

胶片剂量计法

胶片剂量计由置于塑料盒中对辐射敏感的胶片构成。受到照射后,先对胶片进行冲洗,接着用密度计测出其光密度,再与受到已知量辐射照射并刻度好的胶片的光密度进行比较,得到照射水平。

胶片在剂量学中的应用主要有三个方面:

  1. 检查射野的平坦度和对称性;

  2. 获取临床常用剂量学数据,如高能X ( )射线的离轴比、电子束的百分深度剂量和离轴比;

  3. 验证剂量分布,如相邻射野间剂量分布的均匀性、治疗计划系统剂量计算的精确度。

测量时应保持胶与模体紧密贴合,以免空气间隙造成不规则的花斑和条纹;如果胶片放置于射野中心轴层面内,应保证胶片边缘与模体边缘齐。

与其他类型剂量仪相比,胶片剂量仪的优点是:

  1. 同时测量一个平面内所有点剂量,可以减少照射时间和测量时间;

  2. 有很高的空间分辨率;可以测量不均匀固体介质中的剂量分布。

半导体剂量计法

半导体剂量仪使用的探测器实际上是种特殊的PN型二极管。 通过特殊的制作工艺把P型晶体和N型晶体结合起来,则在结合面(界面)两边的一个小区域里,即PN结区,N型晶体一侧由于电子向P型晶体扩散而显正电,P型晶体侧由于空穴向N型晶体护散而显负电。界面附近呈现的正、负电性统称空间电荷,由于这种空间电荷的存在,就在界面两边很小的PN结区域里形成静电场和电位差。当这种探测器受到电离辐射照射时,会产生新的载流子一电子和空穴对,在电场作用下,它们很快分离开分别被“拉”到正极和负极,形成脉冲信号。因此, 有的学者将半导体探测器称为“固体电离室”。

当前,硅晶体半导体探测器,主要用于测量高能X( )射线和电子束的相对剂量。

  • 测量高能X( )射线:与空气电离室相比较,具有极高的灵敏度。半导体探头可以做得非常小(0.3~0.7 )。常用于测量剂量梯度比较大的区域,如剂量建成区、半影区的剂量分布和用于小野剂量分布的测量;用于患者治疗过程中的剂量监测。

  • 测量电子束的剂量:由于硅与水的质量阻止本领之,比基本不随电子束的能量而变化,使其有独特的优点,它可直接以深度电离曲线表示百分深度剂量曲线。同时在小照射野条件下,应用半导体探头测量较低能量的电于束剂量分布,也优于平行板电离室,这主要是后者对较低能量电子束较高的侧向散射反应不灵敏。