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1、电离室测量吸收剂量原理电离室测量吸收剂量原理内容概要内容概要:一、电离室的工作机制一、电离室的工作机制二、电离室的工作特性二、电离室的工作特性三、电离室测量吸收剂量的原理三、电离室测量吸收剂量的原理电离室测量吸收剂量原理电离室测量吸收剂量原理一、电离室的工作机制一、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的基本过程是：通过测量电离辐电离辐射射在与物质相互作用过程中产生的在与物质相互作用过程中产生的次级粒子次级粒子的的电离电荷量电离电荷量，由计，由计算得出吸收剂量。算得出吸收剂量。电离室测量吸收剂量原理电离室测量吸收剂量原理（一）、电离室的基本原理（一）、电离
2、室的基本原理 两个相互平行的电极两个相互平行的电极之间充满空气，虚线所包括范围，之间充满空气，虚线所包括范围，称为称为电离室灵敏体积电离室灵敏体积。当电离辐。当电离辐射，如射，如X或或射线摄入这个灵敏体射线摄入这个灵敏体积内，与其中的空气介质相互作积内，与其中的空气介质相互作用，产生用，产生次级电子次级电子。这些电子在。这些电子在其运动轨迹上使空气中的原子其运动轨迹上使空气中的原子电电离离，产生一系列正负离子对。在，产生一系列正负离子对。在灵敏体积的电场作用下，电子、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，形极板的感应电荷量
3、发生变化，形成成电离电流电离电流。在电子平衡条件下。在电子平衡条件下测到的电离电荷，理论上应为次测到的电离电荷，理论上应为次级电子所产生的全部电离电荷。级电子所产生的全部电离电荷。电离室测量吸收剂量原理电离室测量吸收剂量原理根据以上原理可以制成根据以上原理可以制成自由空气电离室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电源高压源高压的正端或负端相连，另一极板与的正端或负端相连，另一极板与静电计输入端静电
4、计输入端相连，称为相连，称为收集级。收集级。电离室测量吸收剂量原理电离室测量吸收剂量原理电离室的电离室的灵敏体积灵敏体积是指通过收集级边缘的是指通过收集级边缘的电力线电力线所包围的两个电所包围的两个电极间的区域。在灵敏体积外的电极称为极间的区域。在灵敏体积外的电极称为保护环保护环，其作用是使灵敏，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。量回路，减少对信号的影响。电离室测量吸收剂量原理电离室测量吸收剂量原理自由空气电离室一般为国家一级或二自由空气电离室一般为国家一级或二级剂量标准实验室
5、所配置，作为标准，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。准，并不适合于在现场如医院使用。在在实实际际应应用用中中，电电离离室室的的输输出出信信号号电电流流在在10 A数数量量级级，为为弱弱电电流流，必必须须经经过过弱弱电电流流放放大大器器（静静电电计计）对对其其进进行行放放大大，此此类类静静电电计计通通常常称称为为剂剂量量测测量量仪仪。如如下下图图所所示示，静静电电计计实实际际上上就就是是一一个个负负反馈运算放大器。以三种方式测量电离室的输出信号：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
6、输出电荷量、测量输出电荷量2、测量输出电流、测量输出电流3、测量输出回路中形成的电压信号、测量输出回路中形成的电压信号-10电离室测量吸收剂量原理电离室测量吸收剂量原理（二）指形电离室（二）指形电离室指指形形电电离离室室是是根根据据自自由由空空气气电电离离室室原原理理，为为便便于于常常规规使使用用而而设设计计的的。图图a表表示示的的电电离离室室设设想想有有圆圆形形空空气气外外壳壳，中中心心为为充充有有空空气气的的气气腔腔。假假定定空空气气外外壳壳的的半半径径等等于于电电离离辐辐射射在在空空气气中中产产生生的的次次级级电电子子的的最最大大射射程程，满满足足进进去去气气腔腔中中电电子子数数与与离离
7、开开的的相相等等，电电子子平平衡衡存存在在。此此条条件件下下的的电电离离室室可可认认为为与与自自由由空空气气电电离离室具有等同功能。室具有等同功能。电离室测量吸收剂量原理电离室测量吸收剂量原理（二）指形电离室（二）指形电离室 如如果果将将图图a的的空空气气外外壳壳压压缩缩，则则可可形形成成图图b所所表表示示的的固固态态的的空空气气等等效效外外壳壳，所所谓谓空空气气等等效效就就是是该该种种物物质质的的有有效效原原子子序序数数与与空空气气有有效效原原子子序序数相等。数相等。 由由于于固固体体空空气气等等效效材材料料的的密密度度远远大大于于自自由由空空气气的的密密度度，该该种种材材料料中中达达到到电
8、电子子平平衡衡的的厚厚度度可可远远小于小于自由空气的厚度。自由空气的厚度。电离室测量吸收剂量原理电离室测量吸收剂量原理（二）指形电离室（二）指形电离室图图c就就是是根根据据上上述述思思想想设设计计而而成成的的指指形形电电离离室室的的剖剖面面图图,指指形形电电离离室室的的材材料料一一般般选选用用石石墨墨，它它的的有有效效原原子子 序序 数数 小小 于于 空空 气气(7.67)而而接接近近于于碳碳(6)，其其表表面面涂涂有有一一层层导导电电材材料料，形形成成一一个个电电极极，另另一一个个收收集集电电极极位于中心。位于中心。电离室测量吸收剂量原理电离室测量吸收剂量原理l如上所述，空气气腔中所产生的电
9、离电荷，是由四周室壁中如上所述，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。的次级电子所产生。l为了使指形电离室与自由空气电离室具有相同的效应，为了使指形电离室与自由空气电离室具有相同的效应，它的它的室壁应与空气外壳等效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，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。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电离室测量吸收剂量原理l通常用作室壁材料的石墨，酚醛树脂和塑料通常用作室壁材料的石墨，酚醛树脂和塑料，其有效原子序其有效原子序数数略小于略小于空气的有效原子序数，这种室壁材料在空气气腔中空气的有效原
10、子序数，这种室壁材料在空气气腔中产生的电离电荷也产生的电离电荷也略少于略少于自由空气电离室。自由空气电离室。因此因此，选用有效原子序数略大的材料，制成中心收集电极选用有效原子序数略大的材料，制成中心收集电极，可部可部分补偿室壁材料的不完全空气等效。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电离室测量吸收剂量原理二、电离室的工作特性二、电离室的工作特性 电离室本身具有角度依赖性，电离室的灵敏度会受电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应使其表面垂直于垂直
11、于射束中心轴，指形电离室应使其主轴线与射束射束中心轴，指形电离室应使其主轴线与射束中心轴的入射方向垂直。中心轴的入射方向垂直。（一）电离室的方向性（一）电离室的方向性电离室测量吸收剂量原理电离室测量吸收剂量原理（二）电离室的饱和特性（二）电离室的饱和特性 电离辐射在空气中产生的正负离子，在电离辐射在空气中产生的正负离子，在没有没有外加电场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。扩散运动。 同时，正离子与负离子在
12、到达收集极前可能相遇同时，正离子与负离子在到达收集极前可能相遇复合复合成中性的原子或分子，这种复合会成中性的原子或分子，这种复合会损失损失一部分由电离辐射产生的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。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电离室测量吸收剂量原理当当电电离离室室工工作作电电压压较较低低时时，正正负负离离子子的的复复合合与与扩扩散散作作用用显显得得比比较较突突出出.。如如下下图图所所示示：当当入入射射电电离离辐辐射射的的强强度度不不变变时时，电电离离室室的的输输出出信信号号电电流流I随随电电压压V变变
13、化化的的关关系系，称称为为“ “ 电电离离室室的的饱饱和和特特性性”。图图中中OA段段，电电离离室室的的输输出出信信号号逐逐渐渐增增高高，离离子子或或电电子子的的漂漂移移速速度度加加大大，逐逐渐渐克克服服复复合合与与扩扩散散作作用用的的影影响响，输输出出信信号号电电流流也也逐渐增加。逐渐增加。电离室测量吸收剂量原理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，此段称为作电压改变而保持稳定，此段称为电离室的饱和区。电离室的饱和区。电离室正常电离室正常工作时，其工作电压应是处于这一范围，随着工
14、作电压的继续提工作时，其工作电压应是处于这一范围，随着工作电压的继续提高，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。工作状态。电离室测量吸收剂量原理电离室测量吸收剂量原理（三）电离室的杆效应（三）电离室的杆效应 电电离离室室的的灵灵敏敏度度，也也会会受受到到电电离离室室金金属属杆杆和和电电缆缆在在电电离离辐辐射射场场中中的的被被照照范范围围的的影影响响。因因为为电电离离室室的的金金属属杆杆和和绝绝缘缘体体及及
15、电电缆缆，在在电电离离辐辐射射场场中中会会产产生生微微弱弱的的电电离离，叠叠加加在在电电离离室室的的信信号号电流中，形成电离室杆的泄漏，这叫做电流中，形成电离室杆的泄漏，这叫做杆效应。杆效应。 实实验验表表明明，对对于于X()射射线线，杆杆效效应应表表现现有有明明显显的的能能量量依依赖赖性性，能能量量越越大大，杆杆效效应应越越明明显显。而而对对于于电电子子束束，表表现现不不甚甚明明确确。另另一一特特点点是是，当当电电离离室室受受照照范范围围较较小小时时，杆杆效效应应变变化化较较大大。当受照长度超过当受照长度超过10cm时，基本不再变化。时，基本不再变化。它影响射野输出因子测量精度它影响射野输出
16、因子测量精度电离室测量吸收剂量原理电离室测量吸收剂量原理（四）电离室的复合效应（四）电离室的复合效应 电电离离室室即即使使工工作作在在饱饱和和区区，也也存存在在正正负负离离子子复复合合效效应应的影响。的影响。 复复合合效效应应的的校校正正，通通常常采采用用称称为为“双双电电压压”的的实实验验方方法法。具具体体做做法法:对对相相同同的的辐辐射射场场，电电离离室室分分别别加加两两种种不不同同的的工工作作电电压压V1和和V2，其其中中V1为为常常规规工工作作电电压压，并并且且V1和和V2的的比比值值要要大大于于或或等等于于3，得得到到不不同同工工作作电电压压时时的的收收集集电电荷荷数数Q1和和Q2，
17、然然后后利利用用以下公式计算复合校正因子以下公式计算复合校正因子: 式式子子中中，a1 为为实实验验拟拟合合系系数数。不不同同类类型型的的电电离离辐辐射射的的ai 值值不不同。同。电离室测量吸收剂量原理电离室测量吸收剂量原理 复复合合效效应应依依赖赖于于电电离离室室的的几几何何尺尺寸寸，工工作作电电压压的的选选择择和和正负离子对产生的速率正负离子对产生的速率。 对对医医用用加加速速器器的的脉脉冲冲式式辐辐射射，特特别别是是脉脉冲冲扫扫描描式式辐辐射射，复合效应的校正尤为重要；复合效应的校正尤为重要； 但但对对于于放放射射性性核核素素产产生生的的射射线线(如如钴钴-60)，复复合合效效应应非非常
18、小。常小。电离室测量吸收剂量原理电离室测量吸收剂量原理（五）电离室的极化效应（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工作电压极性的改变而变化，这种变化现象称为极化现象。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。改变电离室工作电压的极性会影响它的收集效率。 非密闭型电离室，空腔中的空气质量随非密闭型电离室，空腔中的空气质量随环境温度环境温度和和气气压压变化而改变，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
19、影响电离室测量的灵敏度，现场使用时必须给予校正。校正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：系数与温度和气压的关系为： Kpt=（273.2+t）/（273.2+T）* *（1013/p） 式中式中T为电离室在国家实验室校准时的温度，一般为为电离室在国家实验室校准时的温度，一般为20或或22；t为现场测量时的温度；为现场测量时的温度；p为现场测量时的气压。为现场测量时的气压。（六）环境因素对工作特性的影响（六）环境因素对工作特性的影响电离室测量吸收剂量原理电离室测量吸收剂量原理三、电离室测量吸收剂量的原理三、电离室测量吸收剂量的原理 由由电电离离室室工
20、工作作原原理理可可以以看看到到它它的的作作用用是是测测量量电电离离辐辐射射在在空空气气中中或或在在空空气气等等效效壁壁中中产产生生的的次次级级粒粒子子电电离离电电荷荷。而而在在空空气气中中每每产产生生一一对对正正负负粒粒子子所所消消耗耗的的电电子子动动能能，对对所所有有的的电电子子来来说说，基基本本是是一一个个常常数数，即即平平均均电电离离能能为为W/e=33.97J/C。用用电电离离室室测测量量吸吸收收剂剂量量可可分分为为两两步步：首首先先测测量量由由电电离离辐辐射射产产生生的的电电离离电电荷荷，然然后后利利用用空空气气的的平平均均电电离离能能计计算算并并转转换换成成电电离离辐辐射射所所沉沉
21、积积的的能能量量，即即吸吸收收剂剂量量。由由于于电电离离室室本本性性特特性性的的限限制制，采采用用这这种种方方法法测测量量吸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。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电离室测量吸收剂量原理（一）中低能（一）中低能X（）射线吸收剂量的测量）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根据照射量的定义，如果用于测量的指形电离室符合条件室壁室壁由空气等材料制成；由空气等材料制成；室壁厚度（或加平衡帽后）可达到电子平室壁厚度（或加平衡帽后）可达到电子平衡；衡；气腔体积可精确测定，则
22、可以用来直接测量照射量，再转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。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的能量注量与相同位置以某种介质(如水如水)置换空气后的能量注量。置换空气后的能量注量。 电离室测量吸收剂量原理电离室测量吸收剂量原理 对对中中低低能能X()射射线线来来说说，电电子子平平衡衡能能够够建建立立，介介质质中的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。需要注意的是这这种种测测量量的的前前提
23、提条条件件 ：电电离离室室壁壁材材料料不不仅仅要要空空气气等等效效， 而而且且壁厚要满足壁厚要满足电子平衡条件电子平衡条件。电离室测量吸收剂量原理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（二）高能电离辐射吸收剂量的测量 上上述述用用电电离离室室测测量量照照射射量量，再再转转换换为为吸吸收收剂剂量量的的方方法法，前前提提条条件件是是必必须须建建立立电电子子平平衡衡， 这这只只对对能能量量不不高高于于2MV的的X() 线线适适用用。另另外外照照射射量量的的定定义义仅仅适适用用于于X()光光子子辐辐射，不能用于其它类型的电离辐射，如电子、中子等。射，不能用于其它类型的电离辐射，如电子、
24、中子等。 布布拉拉格格 格格雷雷空空腔腔理理论论可可以以用用来来直直接接从从测测量量结结果果计计算算吸吸收收剂剂量量。布布拉拉格格 格格雷雷空空腔腔理理论论认认为为，电电离离辐辐射射在在介介质质中中的的沉沉积积能能量量即即介介质质吸吸收收剂剂量量，可可通通过过测测量量其其置置放放在在介介质中的小气腔内的电离电荷转换。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电离室测量吸收剂量原理 假假设设在在一一均均匀匀介介质质中中有有一一充充有有空空气气的的气气腔腔，电电离离辐辐射射如如X()射射线线入入射射，它它在在介介质质中中产产生生的的次次级级电电子子穿穿过过气气腔腔时时会会在在其其中中产产
25、生生电电离离。这这种种电电离离可可以以是是X()射射线线在在气气腔腔空空气气中中产产生生的的次次级级电电子子所所致致，也也可可以以是是在在电电离离室室空空气气等等效效壁壁材材料料中中产产生生的的电电子子所所致致。假假定定气气腔腔的的直直径径远远远远小小于于次次级级电电子子的的最最大大射射，则则以以下下三三个个假假定定成成立：立：X()射射线线光光子子在在空空腔腔中中所所产产生生的的次次级级电电子子的的电电离离，即即气体作用可以忽略；气体作用可以忽略；气气腔腔的的引引入入并并不不影影响响次次级级电子的注量及能谱分布；电子的注量及能谱分布；气气腔腔周周围围的的临临近近介介质质中中， X()射线的辐
26、射场是均匀的。射线的辐射场是均匀的。电离室测量吸收剂量原理电离室测量吸收剂量原理 也也就就是是说说气气腔腔的的引引入入并并不不改改变变次次级级电电子子的的分分布布，则则介介质质所所吸吸收收的的电电离离辐辐射射的的能能量量Em与与气气腔腔中中所所产产生生的的电电离离量量Ja应应有有如如下关系：下关系：式中式中 w/e 为电子的平均电离能，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。为介质与空气的平均质量阻止本领率之比。 此式即是布拉格此式即是布拉格 格雷关系式格雷关系式 用用布布拉拉格格 格格雷雷理理论论测测量量吸吸收收剂剂量量时时不不需需要要电电子子平
27、平衡条件。衡条件。电离室测量吸收剂量原理电离室测量吸收剂量原理综合低能和高能电离辐射的测量原理，需注意以下几点综合低能和高能电离辐射的测量原理，需注意以下几点:1、中中低低能能X()射射线线吸吸收收剂剂量量的的测测量量，首首先先测测量量的的可可以以是是照照射射量量，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。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、用用布布拉拉格格格格雷雷理理论论测测量量吸吸收收剂剂量量时时，就就不不需需要要电电子子平平衡衡条条件件，因因为为根根据据空空腔腔电电离离理理论论，气气腔腔中中产产生生的的电电离离电电荷荷量量只只和和介介质质中中的的实实
28、际际吸吸收收的的能能量量有有关关。对对中中低低能能X()射射线线时时，只只要要电电离离室室壁壁材材料料和和空空气气等等效效，对对空空腔腔的的大大小小没没有有特特别别的的限限制制。如如在在空空气气中中测测量低水平辐射，电离室体积往往比较大。量低水平辐射，电离室体积往往比较大。3、用用空空腔腔理理论论测测量量高高能能电电离离辐辐射射的的吸吸收收剂剂量量时时，空空腔腔应应足足够够小小，一一般般要要小小于于次次级级电电子子的的最最大大射射程程，但但也也不不能能过过分分小小，以以致致造造成成由由电离产生的电子大量跑出气腔，而使布喇格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。格雷关系式失效。小结：小结：
