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电离室测量吸收剂量原理页PPT文档

发布时间:2020-01-10 19:51源自:未知作者:admin阅读()

  电离室测量吸收剂量原理页PPT文档_物理_自然科学_专业资料。电离室测量吸收剂量原理 内容概要: 一、电离室的工作机制 二、电离室的工作特性 三、电离室测量吸收剂量的原理 电离室测量吸收剂量原理 一、电离室的工作机制 电离室测量吸收剂量的基本过程是:通过测量

  电离室测量吸收剂量原理 内容概要: 一、电离室的工作机制 二、电离室的工作特性 三、电离室测量吸收剂量的原理 电离室测量吸收剂量原理 一、电离室的工作机制 电离室测量吸收剂量的基本过程是:通过测量电离辐 射在与物质相互作用过程中产生的次级粒子的电离电荷量,由计 算得出吸收剂量。 电离室测量吸收剂量原理 (一)、电离室的基本原理 两个相互平行的电极 之间充满空气,虚线所包括范围, 称为电离室灵敏体积。当电离辐 射,如X或γ射线摄入这个灵敏体 积内,与其中的空气介质相互作 用,产生次级电子。这些电子在 其运动轨迹上使空气中的原子电 离,产生一系列正负离子对。在 灵敏体积的电场作用下,电子、 正离子分别向两级漂移,使相应 极板的感应电荷量发生变化,形 成电离电流。在电子平衡条件下 测到的电离电荷,理论上应为次 级电子所产生的全部电离电荷。 电离室测量吸收剂量原理 根据以上原理可以制成自由空气电离室 主要由两个相互平行的平板电极构成,极间相互绝缘并连接到 电源电压的正负端,电极间充有空气。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, 称为收集级。 电离室测量吸收剂量原理 电离室的灵敏体积是指通过收集级边缘的电力线所包围的两个 电极间的区域。在灵敏体积外的电极称为保护环,其作用是使 灵敏体积边缘外的电场保持均匀,并同时使绝缘子的漏电流不 经过测量回路,减少对信号的影响。 电离室测量吸收剂量原理 在实际应用中,电离室的输出信号电流在10-10 A数量级,为弱电 流,必须经过弱电流放大器(静电计)对其进行放大,此类静 电计通常称为剂量测量仪。如下图所示,静电计实际上就是一 个负反馈运算放大器。以三种方式测量电离室的输出信号: 1、测量输出电荷量 2、测量输出电流 3、测量输出回路中形成的电压信号 自由空气电离室一般为国家一级或 二级剂量标准实验室所配置,作为 标准,在现场使用的电离室型剂量 仪进行校准,并不适合于在现场如 医院使用。 电离室测量吸收剂量原理 (二)指形电离室 指形电离室是根据自由空 气电离室原理,为便于常 规使用而设计的。图a表示 的电离室设想有圆形空气 外壳,中心为充有空气的 气腔。假定空气外壳的半 径等于电离辐射在空气中 产生的次级电子的最大射 程,满足进去气腔中电子 数与离开的相等,电子平 衡存在。此条件下的电离 室可认为与自由空气电离 室具有等同功能。 电离室测量吸收剂量原理 (二)指形电离室 如果将图a 的空气外壳压缩,则 可形成图b所表示的固 态的空气等效外壳, 所谓空气等效就是该 种物质的有效原子序 数与空气有效原子序 数相等。 由于固体 空气等效材料的密度 远大于自由空气的密 度,该种材料中达到 电子平衡的厚度可远 小于自由空气的厚度。 电离室测量吸收剂量原理 (二)指形电离室 图c就是根据上述思 想设计而成的指形 电离室的剖面图,指 形电离室的材料一 般选用石墨,它的 有效原子序数小于 空 气 (7.67) 而 接 近 于 碳 (6) , 其 表 面 涂 有 一层导电材料,形 成一个电极,另一 个收集电极位于中 心。 电离室测量吸收剂量原理 ? 如上所述,空气气腔中所产生的电离电荷,是由四周室壁中 的次级电子所产生。 ? 为了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 子数和能谱与空气中产生的一样。 电离室测量吸收剂量原理 ? 通常用作室壁材料的石墨,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 产生的电离电荷也略少于自由空气电离室。 因此,选用有效原子序数略大的材料,制成中心收集电极,可 部分补偿室壁材料的不完全空气等效。 电离室测量吸收剂量原理 二、电离室的工作特性 (一)电离室的方向性 电离室本身具有角度依赖性,电离室的灵敏度会受电 离辐射的入射方向的影响。其正确的使用方法是:平行板电离 室应使其表面垂直于射束中心轴,指形电离室应使其主轴线与 射束中心轴的入射方向垂直。 电离室测量吸收剂量原理 (二)电离室的饱和特性 电离辐射在空气中产生的正负离子,在没有外加电场 的作用或电场强度不够大时,会因为热运动由密度大处向密度 小处扩散,导致宏观的带电粒子流动,称为离子、电子的扩散 运动。 同时,正离子与负离子在到达收集极前可能相遇复 合成中性的原子或分子,这种复合会损失一部分由电离辐射产 生的离子对数,从而影响电离效应与电离室输出信号之间的对 应关系。 电离室测量吸收剂量原理 当电离室工作电压较低时,正负离子的复合与扩散作用显得比 较突出.。如下图所示:当入射电离辐射的强度不变时,电离室 的输出信号电流I随电压V变化的关系,称为“ 电离室的饱和特 性”。图中OA段,电离室的输出信号逐渐增高,离子或电子的 漂移速度加大,逐渐克服复合与扩散作用的影响,输出信号电 流也逐渐增加。 电离室测量吸收剂量原理 AB段内,由于复合与扩散影响已基本消除,信号电流不再随工 作电压改变而保持稳定,此段称为电离室的饱和区。电离室正 常工作时,其工作电压应是处于这一范围,随着工作电压的继 续提高,BC段电离室内电场过强,因离子或电子运动速度加大, 产生碰撞电离,离子数目变大,信号电流急剧上升,超出电离 室正常工作状态。 电离室测量吸收剂量原理 (三)电离室的杆效应 电离室的灵敏度,也会受到电离室金属杆和电缆在电 离辐射场中的被照范围的影响。因为电离室的金属杆和绝缘体 及电缆,在电离辐射场中会产生微弱的电离,叠加在电离室的 信号电流中,形成电离室杆的泄漏,这叫做杆效应。 实验表明,对于X(γ)射线,杆效应表现有明显的能量 依赖性,能量越大,杆效应越明显。而对于电子束,表现不甚 明确。另一特点是,当电离室受照范围较小时,杆效应变化较 大。当受照长度超过10cm时,基本不再变化。 它影响射野输出因子测量精度 电离室测量吸收剂量原理 (四)电离室的复合效应 电离室即使工作在饱和区,也存在正负离子复合效应 的影响。 复合效应的校正,通常采用称为“双电压”的实验方 法。具体做法:对相同的辐射场,电离室分别加两种不同的工作 电压V1和V2,其中V1为常规工作电压,并且V1和V2的比值要大 于或等于3,得到不同工作电压时的收集电荷数Q1和Q2,然后利 用以下公式计算复合校正因子: 式子中,a1 为实验拟合系数。不同类型的电离辐射的ai 值 不同。 电离室测量吸收剂量原理 复合效应依赖于电离室的几何尺寸,工作电压的选择 和正负离子对产生的速率。 对医用加速器的脉冲式辐射,特别是脉冲扫描式辐射, 复合效应的校正尤为重要; 但对于放射性核素产生的γ射线),复合效应非 常小。 电离室测量吸收剂量原理 (五)电离室的极化效应 对给定的电离辐射,电离室收集的电离电荷会因收集 极工作电压极性的改变而变化,这种变化现象称为极化现象。 改变电离室工作电压的极性会影响它的收集效率。 (六)环境因素对工作特性的影响 非密闭型电离室,空腔中的空气质量随环境温度和气 压变化而改变,即气压或温度变化时,空气质量都会改变,就 会直接影响电离室测量的灵敏度,现场使用时必须给予校正。 校正系数与温度和气压的关系为: Kpt=(273.2+t)/(273.2+T)*(1013/p) 式中T为电离室在国家实验室校准时的温度,一般为 20℃或22℃;t为现场测量时的温度;p为现场测量时的气压。 电离室测量吸收剂量原理 三、电离室测量吸收剂量的原理 由电离室工作原理可以看到它的作用是测量电离辐射 在空气中或在空气等效壁中产生的次级粒子电离电荷。而在空 气中每产生一对正负粒子所消耗的电子动能,对所有的电子来 说,基本是一个常数,即平均电离能为W/e=33.97J/C。用电离室 测量吸收剂量可分为两步:首先测量由电离辐射产生的电离电 荷,然后利用空气的平均电离能计算并转换成电离辐射所沉积 的能量,即吸收剂量。由于电离室本性特性的限制,采用这种 方法测量吸收计量时对不同能量的电离辐射,所依据的基础和 计算方法不同。 电离室测量吸收剂量原理 (一)中低能X(γ)射线吸收剂量的测量 根据照射量的定义,如果用于测量的指形电离室符合条件①室 壁由空气等材料制成;②室壁厚度(或加平衡帽后)可达到电 子平衡;③气腔体积可精确测定,则可以用来直接测量照射量, 再转换为吸收剂量。 A为上面提到的传输系数,数值上应等于相同位置的空气中某点 的能量注量与相同位置以某种介质(如水)置换空气后的能量注量。 电离室测量吸收剂量原理 对中低能X(γ)射线来说,电子平衡能够建立,介质 中的 吸收剂量可用相同位置处的照射量进行转换。需要注意的是 这种测量的前提条件 :电离室壁材料不仅要空气等效, 而 且 壁厚要满足电子平衡条件。 电离室测量吸收剂量原理 (二)高能电离辐射吸收剂量的测量 上述用电离室测量照射量,再转换为吸收剂量的 方法,前提条件是必须建立电子平衡, 这只对能量不高于 2MV的X(γ) 线适用。另外照射量的定义仅适用于X(γ)光子辐 射,不能用于其它类型的电离辐射,如电子、中子等。 布拉格 — 格雷空腔理论可以用来直接从测量结 果计算吸收剂量。布拉格 — 格雷空腔理论认为,电离辐射 在介质中的沉积能量即介质吸收剂量,可通过测量其置放在 介质中的小气腔内的电离电荷转换。 电离室测量吸收剂量原理 假设在一均匀介质中有一充有空气的气腔,电离辐射 如X(γ)射线入射,它在介质中产生的次级电子穿过气腔时会在其 中产生电离。这种电离可以是X(γ)射线在气腔空气中产生的次级 电子所致,也可以是在电离室空气等效壁材料中产生的电子所 致。假定气腔的直径远远小于次级电子的最大射,则以下三个 假定成立: ①X(γ)射线光子在空腔中所产 生的次级电子的电离,即气 体作用可以忽略; ②气腔的引入并不影响次级 电子的注量及能谱分布; ③气腔周围的临近介质中, X(γ)射线的辐射场是均匀的。 电离室测量吸收剂量原理 也就是说气腔的引入并不改变次级电子的分布,则介 质所吸收的电离辐射的能量Em与气腔中所产生的电离量Ja应有 如下关系: 式中 w/e 为电子的平均电离能, (s/p)m/(s/p)a 为介质与空气的平均质量阻止本领率之比。 此式即是布拉格 — 格雷关系式 用布拉格 — 格雷理论测量吸收剂量时不需要电子平 衡条件。 电离室测量吸收剂量原理 小结: 综合低能和高能电离辐射的测量原理,需注意以下几点: 1、中低能X(γ)射线吸收剂量的测量,首先测量的可以是照射量, 但电离室材料不仅要空气等效,而且壁厚要满足电子平衡条件。 2、用布拉格—格雷理论测量吸收剂量时,就不需要电子平衡条 件,因为根据空腔电离理论,气腔中产生的电离电荷量只和介 质中的实际吸收的能量有关。对中低能X(γ)射线时,只要电离室 壁材料和空气等效,对空腔的大小没有特别的限制。如在空气 中测量低水平辐射,电离室体积往往比较大。 3、用空腔理论测量高能电离辐射的吸收剂量时,空腔应足够小, 一般要小于次级电子的最大射程,但也不能过分小,以致造成 由电离产生的电子大量跑出气腔,而使布喇格-格雷关系式失效。

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