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1、辐射剂量学基础,广东省职防院 贾育新,一、辐射剂量学中的量,1、吸收剂量 吸收剂量是当电离辐射与物质相互作用时，用来表示单位质量的受照物质吸收电离辐射能量大小的物理量。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)中物质的平均授与能除以该体积元中物质的质量而得的商，即：,这里，是电离辐射授与质量为dm 的物质的平均能量，即平均授与能。吸收剂量D，其SI单位为焦耳每千克(J/kg)，法定单位的专门名称为戈瑞，用符号Gy表示，非法定单位为拉德，用rad表示。1戈瑞=1焦耳/千克=100拉德(rad)。,2、吸收剂量率 吸收剂量率 就是单位时间内物
2、质的吸收剂量。若在t到t+dt时间内，吸收剂量为dD，则称,为该物质在t时刻的吸收剂量率。吸收剂量率 的SI单位是焦耳每千克秒（J/kgs），法定单位的专门名称为戈瑞每秒Gy/s)，非法定单位为拉德每秒(rad/s)。,3.软组织吸收剂量与空气吸收剂量的比值,软组织的吸收剂量将随沉积的代表软组织介质的确切组分有一小比例的变化。下面的值通常用在 80 kV 和2.5 mm Al:软组织剂量=1.06 空气剂量,（二）比释动能及其应用 间接电离粒子在物质中的能量沉积过程分为两个步骤，第一，间接电离粒子把能量转移给带电粒子；第二，带电粒子通过电离、激发等把能量沉积在物质中。因此，量度间接电离辐射传递
3、给物质的能量，需要量度它给与直接电离粒子的能量。比释动能就是描述间接电离粒子与物质相互作用时，把多少能量传递给了直接电离粒子的物理量，而吸收剂量则表示了第二步骤的结果。,1、比释动能 比释动能是不带电电离粒子与物质相互作用时，在单位质量的物质中产生的带电电离粒子的初始动能的总和。严格定义为：不带电电离粒子在无限小体积元(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)内释出的所有带电电离粒子的初始动能之和的期望值，除以该体积元内物质的质量dm而得的商，即:,这里，是电离辐射转移给质量为dm的物质的平均能量，即平均转移能。比释动能的SI单位和它的专用单位与吸收剂量相同。,2、比释动能率 比
4、释动能率就是单位时间内物质的比释动能。若在t到t+dt时间内，比释动能为dK，则称 为该物质在t时刻的吸收剂量率。比释动能率的SI单位和它的专用单位与吸收剂量率单位相同。,在电子平衡(Charged Particle EquilibriumCPE)条件下，吸收剂量等于碰撞比释动能，若轫致辐射的能量损失可以忽略，吸收剂量等于比释动能。,式中，g为次级电子的能量转化为轫致辐射的份额。g值与电子能量E(MeV)和原子序数Z之间的关系，近似地为gEZ/(EZ+800)，此值一般在10-310-2之间，故可以忽略。在辐射关心的能量范围，比释动能由电子平衡的仪器测量时，X、或中子数值上均近似相等。,（三）
5、比释动能与吸收剂量的关系,（四）照射量X及其应用 1、照射量及其单位 1)照射量的定义 一束X或射线穿过空气时与空气发生相互作用而产生次级电子，这些次级电子在使空气电离而产生离子对的过程中，最后全部损失了本身的能量。照射量是表示X或射线在空气中产生电离大小的物理量。照射量X的定义：X或射线在单位质量的空气中击出的全部次级电子完全被阻停时，在空气中产生一种符号的带电粒子（电子或正离子）的总电荷量。,2)照射量的单位 照射量X的SI单位为库仑每千克(C/kg)，非法定单位为伦琴（R）1伦琴（R）=2.5810-4C/kg 1 C kg-1=3876 R 伦琴的定义：在1伦琴X射线照射下，0.001
6、293g空气（标准状况下，1立方厘米空气的质量）中释放出来的次级电子，在空气中总共产生电量各为1静电单位的正离子和负离子。1静电单位电量=3.3310-10C,2、照射量率 照射量率 就是单位时间内的照射量。若在t 到t+dt时间内，照射量为dX，则称 为该物质在t 时刻的照射量率。照射率的SI单位为C/（kgs）。,3、照射量与吸收剂量的关系 在实际应用中，直接测生物体的吸收剂量是困难的，通常借助人体模型进行测量。D=fX换算系数 f空气为8.73mGy/R在小于15%的数值差异可以忽略时，以R为单位的照射量可在数值上看作以rad为单位的空气、水、软组织的吸收剂量。,4.照射量与空气比释动能
7、,K=8.76X(10-1500kev均为8.76 mGy/R)。照射量通过合适的转换系数与空气 比释动能相联系例如，100 kV X 射线在一点上产生1 R 的照射量，将给予空气比释动能大约8.7 mGy(0.87 rad),5.照射量、比释动能和吸收剂量的区别,二、辐射防护中的量,1.与个体相关的辐射量 1)当量剂量 虽然吸收剂量可用于各种类型的辐射来说明生物体受到辐射照射时吸收能量的多少，但它所反映的生物效应不同，而在辐射防护工作中，最关心的是受照后在机体中产生的生物效应，因而需对吸收剂量进行修正，而引入当量剂量的概念。在ICRP第60号出版物中把把某个器官或组织T受到R类型辐射的当量剂
8、量(equivalent dose)HT,R定义为:,式中，是辐射R在器官或组织T内产生的平均吸收剂量，WR是R类型辐射的辐射权重因子，它是无量刚的量。当吸收剂量的单位是J/kg，当量剂量的法定单位为希沃特（Sv），1Sv=1J/kg。,当量剂量与吸收剂量相比它考虑了辐射权重因子，因此比吸收剂量描述有害生物学效应的几率更准确，必须强调上式的当量剂量公式只限于辐射防护所关心的，与长期小剂量慢性照射相应的那个剂量范围内使用(即限定了辐射剂量率)。当量剂量仅包括了影响辐射生物效应的物理因素。引入了当量剂量之后，则可知对于一个生物体当他在相同部位受到不同类型的辐射照射时，只要所受到的当量剂量相同时，则
9、引起的生物效应是基本相同的，而不论他受到的是何种类型的辐射照射。当辐射场是由具有不同WR 值的不同类型的辐射所组成时，其当量剂量为:,需要指出的是，当量剂量关心的是生物体中一个器官或组织整个受辐射照射后的整体行为，但有时也需要考虑器官或组织中某一个点的行为，因而还引入剂量当量（dose equivalent，H）概念，它的定义为:在组织中某点处的剂量当量H是D，Q和N的乘积，即:,式中，D为该点处的吸收剂量;Q为辐射的品质因数;N为其他修正因子的乘积。,2)当量剂量率 当量剂量率就是单位时间内物质吸收的剂量当量。若在t到t+dt时间内，当量剂量的为dH，则该物质在t时刻的当量剂量率为:,当量剂
10、量率的SI单位是J/kgs，专用单位名称，Sv/s。,当量剂量:H,当量剂量 H是吸收剂量乘以用以表征给定类型辐射生物效应的辐射权重因子 WR。为了避免与吸收剂量混淆，当量剂量的SI单位称为希沃特（Sv）。老单位是“rem”。1 Sv=100 rem,辐射权重因子，WR,对医学上用的绝大多数辐射（X射线,e-)WR=1，所以吸收剂量和当量剂量在数字上是相等的。除外的是:粒子(WR=20)中子(WR=5-20).,不同辐射类型和能量的辐射权重因子WR,3)有效剂量 身体所受的任何照射，几乎总是不止涉及一个器官或组织，所有器官或组织也不一定受到相同当量剂量的均匀照射，设 为不均匀照射时器官或组织T
11、的当量剂量，是相应器官或组织的标称概率系数，于是与不均匀照射情况相应的随机性效应的发生总几率为:,辐射防护领域引进了有效剂量E:,式中，和 分别是器官或组织T的当量剂量和相应的组织权重因子。由当量剂量的定义可以得到:,有效剂量的单位与当量剂量相同。可以看出，有效剂量是身体各组织或器官受到不同类型辐射照射下，辐射权重因子和组织权重因子的双重加权的吸收剂量之和。,为了进一步了解有效剂量的剂量学含意，考虑如下两种照射情况:a)全身受到不均匀照射 此种情况下发生随机性效应的几率为:b)全身所有器官或组织受到同一当量剂量的均匀照射。此种情况下发生随机性效应的几率为:,以上，为不均匀照射时器官或组织T的当
12、量剂量，是相应器官或组织的标称概率系数;而 是全身均匀照射时的当量剂量和相应的标称概率系数。假若由上述两种情况诱发的随机性效应的几率相等，我们看看计算出来的全身均匀照射的当量剂量到底等于什么。则有:,将上式与有效剂量的定义式 相比较，可以看出定义的有效剂量E，原来就是一个全身均匀照射的当量剂量。由这一当量剂量的全身均匀照射所致的随机性效应的几率与由身体各个器官或组织所受到的不同当量剂量 所致的随机性效应的诱发几率相等。换句话说，把全身各个器官或组织受到不同当量剂量 的照射折算成总的随机性效应几率一样的全身均匀照射时的当量剂量就是有效剂量。,不同组织或器官的组织权重因子wT,4)待积当量剂量和待
13、积有效剂量 当放射性核素通过某种途径被摄入体内后，可以在体内产生照射，即内照射。内照射剂量率在时间上的分布，会根据放射性核素的种类、化学形态、摄入方式以及代射方式等变化。待积剂量是用来评价内照射危害的量。待积当量剂量是人体单次摄入放射性物质后，某一器官或组织在年内将要受到的累积的当量剂量即:,式中，t0是摄入时刻;是在t时刻器官或组织T受到的当量剂量率。现在规定成年人计算50年，儿童为70年。受到辐射危险的各个器官或组织的待积当量剂量 经组织权重因子wT加权处理后的总和称待积有效剂量，即:,2.与群体相关的辐射量 与群体相关的辐射量有集体当量剂量和集体有效剂量。集体当量剂量是受照群体每个成员的
14、器官或组织的当量剂量的总和:,单位:人Sv,式中，是受照射群体中第i人群组内Ni个成员每人的器官或组织T所受的平均当量剂量。集体有效剂量是受照群体每个成员的有效剂量的总和即:,单位:人Sv,式中，是受照射群体中第i人群组内Ni个成员每人所受的平均有效剂量。,四、用于环境和个人监测的ICRU量,辐射防护的基本任务之一是需确定人体内最大当量剂量，并将它与国标中规定的剂量限值进行比较，借以判断所受照射是否在可接受范围。不过，人体受到外照射时，人体各部分的当量剂量是不相同的，也是不可直接测量的，为此ICRU建议用一个直径为30cm的组织等效球(称ICRU球)作为人体躯干的模型，借此估计人体躯干中的最大
15、当量剂量。,强贯穿辐射：在均匀单向辐射场中，对某一给定的人体取向，如皮肤敏感层的任何小块区域内所接受的当量剂量小于有效剂量的10倍，则此种辐射称为强贯穿辐射。弱贯穿辐射：在均匀单向辐射场中，对某一给定的人体取向，如皮肤敏感层的任何小块区域内所接受的当量剂量大于有效剂量的10倍，则此种辐射称为弱贯穿辐射。此处10倍对应于ICRP建议的年皮肤当量剂量限值和年有效剂量限值之比。,扩展场：由实际的辐射场导出的一个假设的辐射场。在其中的整个有关体积内每一点，粒子注量及其角分布和能量分布与参考点x处实际辐射场相同。即:,则称体积V中的辐射场 为空间x点处实际辐射场的扩展场。,扩展齐向场：由实际的辐射场导出
16、的一个假设的辐射场。在其中的整个有关体积内每一点，粒子注量及其能量分布与参考点x处实际辐射场相同，但光子注量是单向的。,则称体积V中的辐射场 为空间x点处实际辐射场的扩展齐向场。式中 是实际辐射场，它只在这个立体角内有粒子注量。,1、环境监测 周围剂量当量：是用来表征强贯穿辐射的实用量，也是用于估计有效剂量E的量。就是相应于测量点处的扩展齐向场在ICRU球内、逆扩展齐向场的半径上深度d处产生的剂量当量。如图。对强贯穿辐射，推荐d=10mm，此时 记为。单位:Jkg-1;专用名:Sv。,周围剂量当量定义示意图,周围剂量当量是针对实际辐射场中一点定义的，其数值是由相应的扩展齐向场决定的。在实际中，
17、对于单向均匀的辐射场，的意义是很明确的，它是该辐射场在ICRU球中对着注量方向的半径上深度d(P点)处产生的剂量当量。对于多向的均匀辐射场，可以设想先将辐射粒子的方向加以梳理，使其变为单向的。或者设想将辐射场的注量按其方向加以分解，让ICRU球的任一指定半径OA先对着某一方向的辐射接受照射(探测器只对从这一半径方向上的入射辐射有响应)。然后让ICRU球绕P点旋转，使半径OA对着另一方向的辐射接受相同时间的照射。如此继续下去，直到ICRU球的半径OA对着所有方向的辐射接受了相同时间照射为止。这时OA半径上深度d处P点接受的剂量当量即为周围剂量当量。,周围剂量当量与测量点的注量及其能谱分布有关，而
18、与注量的角分布无关。这正是“周围”一词的含义，它表示是来自测量点周围各方向的辐射以特定的方式(对辐射场梳理或让ICRU球旋转)在ICRU球中产生剂量当量，其数值等于相应于测量点处的扩展齐向场在ICRU球内、逆扩展齐向场的半径上深度d处产生的剂量当量。其数值又等于扩展场中各方向上的辐射在正对着其入射方向的ICRU球上深度d处产生的剂量当量之和(探测器只对正入射方向的辐射产生响应，每一个方向上的受照时间都与在扩展齐向场中的受照时间相同)。周围剂量当量 是用于环境监测的一个量，用它可以把外部辐射场与处于辐射场中的人体有效剂量联系起来。给出了人体在辐射场中的有效剂量估计值。,将辐射场加以梳理再让ICR
19、U球接受其照射，或者将辐射场按方向分解而后让ICRU球在旋转中接受不同方向的相同时间的照射，在事实上可能是无法实现的。但是如果一台有各向同性响应的环境监测仪器在适当的单向均匀射束中按 刻度过后，则在仪器线度范围内是均匀的任意方向分布的辐射场中，该仪器可以测量，而无需辐射场的梳理或测量仪器旋转。因此只要辐射场在一定范围内是均匀的，测量仪器的响应是各向同性的，就可能实现对周围剂量当量 的精确测量。,定向剂量当量：是用来测量弱贯穿辐射的实用量，也是用于估计皮肤当量剂量的量。相应于测量点处的扩展场在ICRU球内、指定方向的半径深度d处产生的剂量当量。对弱贯穿辐射，推荐d=0.07mm，此时 记为。单位
20、为Jkg-1，专用名:Sv。定向剂量当量 就是用来表征弱贯穿辐射对皮肤照射的一个剂量学量，是一个用于环境监测的剂量当量。人体表面到0.07mm深度，代表角质皮层(表皮层)，此层为死层，辐射对其产生的效应无关紧要。,当ICRU球的指定半径正对着平面平行射束的入射方向受照时，在相同受照深度时，定向剂量当量和周围剂量当量相等。在其它情况下，或者因为倾斜照射，或者因为辐射场的角分布，定向剂量当量总是小于周围剂量当量。于是有:,2、个人监测 深部个人剂量当量Hp(d)：是体表某一指定点下，与强贯穿辐射相应的那个深度d处的软组织剂量当量。推荐的d值为10mm，故Hp(d)写为Hp(10)。浅表个人剂量当量
21、Hs(d)：是体表某一指定点下，与弱贯穿性辐射相应的那个深度d处的软组织剂量当量。推荐的d值为0.07mm，故Hs(d)写为Hs(0.07)。Hp(10)、Hs(0.07)这两个量，可以用一个佩带在人体表面，有相应厚度的组织等效材料覆盖的探测器测得。探测器必须放在适当的体模上进行刻度，对于佩带在躯干部位的探测器，刻度时使用的合适体模就是ICRU球。,个人监测和环境监测中测得的Hp(10)、Hs(0.07)、四个量可分别作为相应照射条件下人体有效剂量和皮肤当量剂量的估计。值得注意的是，周围剂量当量有可能明显高估由佩戴在人体上的剂量计所测量的Hp(10)(有效剂量的近似)，特别是在辐射场是在各向同性的情况下。这是因为测量 的仪器的响应是各向同性的，而Hp(10)和有效剂量E依赖于辐射入射的角度。对于很宽能量范围的射线和中子，在辐射防护中经常遇到的照射条件下(前或后照射即单向照射)，能给出有效剂量适当的近似值。对个人监测和环境监测中相应的照射条件即在辐射场中活动的人和处于辐射场中某一位置处的人。在强贯穿辐射时，只要Hp(10)、满足剂量限值的要求，则在相应条件下，皮肤当量剂量必满足剂量限值的要求。在弱贯穿辐射时，只要Hs(0.07)、满足剂量限值的要求，则在相应条件下，全身有效剂量必满足剂量限值的要求。,活度A、吸收剂量DT、当量剂量HT和有效剂量E之间关系,谢谢!,
