🗊Презентация L2 - Дозиметрические принципы, величины и единицы

2.2 ПОЛЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ 2.2.1 Поле излучения Понятие поле излучения используется для количественного описания распределения излучения в пространстве, заполненном различными частицами. Существует две важных величины, связанные с полем излучения : Число частиц N - включает все частицы, которые возникают, излучаются, или переносятся (единица – 1) Энергия R, переносимая частицами (которая часто ассоциируется с энергией излучения) – это энергия (за исключением энергии покоя) , которая излучается, переносится, или передается (единица – Джоуль)

2.2 ПОЛЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ 2.2.1 Поле излучения Дeтальное описание поля излучения требует более полной информации о числе частиц N, а именно: Тип частиц j точка интереса энергия E время t Направление движения

2.2 ПОЛЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ 2.2.2 Поток частиц Как определить число частиц в некоторой точке? Рассмотрим точку P( ) в поле излучения и используем следующий метод. В случае параллельного пучка излучения поместим площaдку размером dA вокруг точки таким образом, что ее плоскость пeрпендикулярна направлению пучка. Определим число частиц, пересекающих площaдку dA.

2.2 ПОЛЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ 2.2.2 Флюенс частиц В случае непараллельных направлений движения частиц невозможно сориентировать площадку таким образом, чтобы все частицы падали на нее перпендикулярно. Становится очевидным, что необходима другая концепция! Если позволить площадке dA свободно вращаться вокруг P, тогда каждая падающая частица сможет падать на площадку dA перпендикулярно. Практическая реализация этого решения сводится к следующему: Вращением площадки dA вокруг Р создается сфера Определяется число частиц, входящих в сферу

2.2 ПОЛЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ 2.2.2 Флюенс частиц Соотношение между числом частиц и площадью называется флюенсом . Определение: Флюенс  есть отношение dN к dA, где dN есть число частиц падающих на сферу с сечением dA: единица флюенса: м–2. Примечание: флюенс частиц иногда заменяют на флюенс.

2.2 ПОЛЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ 2.2.4 Флюенс энергии Та же концепция может быть применена к излученной энергии R: Определение: Флюенс энергии  определяется как отношение dR к dA, где dR излученная энергия, падающая на сферу поперечного сечения dA: Единица флюенса энергии: Дж/м2.

2.2 ПОЛЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ 2.2.4 Флюенс энергии Флюенс энергии может быть вычислен из следующего соотношения: где E – энергия частиц и dN - число частиц с энергией E.

2.2 ПОЛЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ 2.2.5 Спектр флюенса частиц Естественные пучки фотонов или других частиц являются поли-энергетическими. Для более точного описания флюенс частиц можно заменить флюенсом частиц, дифференцированным по энергии: Флюенс частиц, дифференцированный по энергии, также называют спектром флюенса частиц.

2.2 ПОЛЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ 2.2.6 Флюенс энергии Аналогичную концепцию можно применить и к излученной энергии R: Флюенс энергии, дифференцированный по энергии, определяется как: Флюенс энергии, дифференцированный по энергии, также называют спектром флюенса энергии

2.2 ПОЛЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ 2.2.6 Флюенс энергии

2.2 ПОЛЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ 2.2.7 Мощность флюенса частиц и мощность флюенса энергии

2.3 Дозиметрические величины: основы 2.3.1 Введение Последующие слайды иллюстрируют использование трех дозиметрических величин: Кермы Cемы Поглощенной дозы

2.3 Дозиметрические величины: основы 2.3.1 Введение Общие характеристики Keрмы, Ceмы и Поглощенной дозы: Обычно определяются как: Могут быть также определены из соотношения:

2.3 Дозиметрические величины: основы 2.3.1 Введение Первая характеристика: требует более детального рассмотрения того, как происходят следующие процессы: Передачи энергии излучения Поглощения энергии излучения

2.3 Дозиметрические величины: основы 2.3.4 Поглощение энергии и передача энергии (1) Что понимается под "поглощением энергии" ? Tермин поглощение энергии относится к заряженным частицам, т.е., электронам, протонам, и т.д. Мы знаем, что электроны взаимодействуют двумя способами: Кулоновское взаимодействие с ядром – результат: тормозное излучение (тормозная способность на излучение) Кулоновское взаимодействие с орбитальным электроном – результат: ионизация и возбуждение атома (тормозная способность на столкновения). Только эта компонента подразумевает поглощение энергии.

2.3 Дозиметрические величины: основы 2.3.4 Поглощение энергии и передача энергии (2) Что понимается под "поглощением энергии" ? Энергия, потерянная налетающим элетроном при столкновении, одновременно поглощается атомом вещества и, соотвественно, веществом. Процесс поглощения энергии заряженных частиц в веществе описывается потерями энергии на столкновения (тормозная способность на столкновения).

2.3 Дозиметрические величины: основы 2.3.4 Поглощение энергии и передача энергии (1) Что в реальности понимается под "передачей энергии" ? Термин передача энергии относится к незаряженным частицам, т.е., к фотонам , нейтронам, и т. д. Мы знаем что: Судьба фотона после взаимодействия с атомом зависит от двух сценариев: Фотон исчезает (т.e. полностью поглощается) и часть его энергии передается легким заряженным частицам (электронам и позитронам поглощающей среды). Фотон рассеивается и два сценария возможны: Возникающий фотон имеет ту же энергию что и налетающий фотон, и поэтому легких заряженных частиц при взаимодействии не образуется. Рассеянный фотон имеет меньшую энергию, чем налетающий фотон и избыток энергии передается легким заряженным частицам (электрону).

2.3 Дозиметрические величины: основы 2.3.4 Поглощение энергии и передача энергии (2) Что в реальности понимается под "передачей энергии" ? Энергия, которая передается при фотонном взаимодействии легким заряженным частицам (в основном вторичным электронам поглощающей среды) , называется переданной энергией. Этот процесс характеризуется коэффициентом передачи энергии: где - средняя энергия , переданная первичным фотоном с энергией и превращенная в кинетическую энергию заряженных частиц (электроны и позитроны).

2.3 Дозиметрические величины: основы 2.3.4 Поглощение энергии и передача энергии Соотношение между ”передачей энергии " и ”поглощением энергии " Для заряженных частиц основная доля потерянной энергии поглощается поглощение энергии Для незаряженных частиц, энергия первоначально передается вторичным заряженным частицам передача энергии . Затем вторичные заряженные частицы теряют свою энергию в соответствии с законами для заряженных частиц (снова поглощение энергии). Энергия незаряженных частиц (фотонов, нейтронов) , передается веществу в два этапа.

2.4 ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ 2.4.1 Kерма Kерма - aкроним для Kinetic Energy Released per unit MAss. Керма характеризует среднюю кинетическую энергию, переданную в маленьком объеме косвенно ионизирующим излучением заряженным частицам, безотносительно того, что происходит после этой передачи. Единица кермы (Дж/кг). Эта единица называется Грей, при этом 1 Гр = 1 Дж/кг. Керма характеризует косвенно ионизирующее излучение – фотоны и нейтроны.

2.4 ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ 2.4.1 Kерма Энергия, переданная фотонами, может быть израсходована двумя путями: В столкновениях с электронами (мягкие и жесткие столкновения); В рaдиционных взаимодействиях (тормозное излучение и аннигиляция). Поэтому, полная керма может быть разделена на две компоненты: Керма на столкновения - Kcol Керма на излучение - Krad.

2.4 ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ 2.4.1 Kерма

2.4 ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ 2.4.2 Сема Подобно керме, сема C – это акроним для Converted Energy per unit MAss. Сема характеризует среднее количество энергии, переданное в маленьком объеме вещества ионизирующим излучением (протоны или электроны) за счет столкновений с атомарными электронами безотносительно того, что происходит после этой передачи. Единица семы (Дж/кг). Эта единица называется Грей, при этом 1 Гр = 1 Дж/кг.

2.4 ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ 2.4.2 Сема Отличие Cемы от кермы в следующем: Ceмa имеет дело с энергией, потерянной налетающими частицами в столкновениях с электронами. Кeрмa имеет дело с энергией, переданной вылетающим частицам.

2.4 ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ 2.4.3 Поглощенная доза Поглощенная доза является величиной, которая применима к непосредственно ионизирующему и к косвенно ионизирующему излучениям. Косвенно ионизирующее излучение подразумевает, что энергия передается веществу в два этапа. Сначала (результатом является керма), косвенно ионизирующее излучение преобразует свою энергию в энергию вторичных заряженных частиц. Затем эти заряженные частицы передают большую часть своей кинетической энергии веществу (результатом является поглощенная доза). Непосредственно ионизирующее излучение подразумевает, что заряженные частицы передают большую часть своей кинетической энергии непосредственно веществу (результатом является поглощенная доза).

2.4 ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ 2.4.3 Поглощенная доза

2.4 ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ 2.4.3 Поглощенная доза

2.4 ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ 2.4.3 Поглощенная доза Поглощенная доза - средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме dm - масса вещества в этом объеме Единица поглощенной дозы - Дж/кг. Эта единица называется Грей, при этом 1 Гр = 1 Дж/кг.

2.5 КОЭФФИЦИЕНТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ: ЭЛЕКТРОНЫ Так как дoзиметрические величины могут также быть определены как произведение: то этот подход требует изучения коэффициентов взаимодействия излучения.

2.5 КОЭФФИЦИЕНТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ: ЭЛЕКТРОНЫ 2.5.2 Электроны: тормозные способности для заряженных частиц Потери энергии падающего электрона могут быть представлены: полной линейной тормозной способностью Stot которая представляет собой изменение кинетической энергии электрона EK на единице длины x: MeВ/cм

2.5 КОЭФФИЦИЕНТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ: ЭЛЕКТРОНЫ 2.5.3 Массовая тормозная способность Разделив выражение на плотность среды, можно практически исключить зависимость массовой тормозной способности от массовой плотности. Полная массовая тормозная способность определяется как линейная тормозная способность, деленная на плотность вещества: в MeВ.cм2/г

2.5 КОЭФФИЦИЕНТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ: ЭЛЕКТРОНЫ 2.5.3 Массовая тормозная способность

2.5 КОЭФФИЦИЕНТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ: ЭЛЕКТРОНЫ 2.5.3 Массовая тормозная способность Тормозные способности обычно расчитывают теорети-чески, и измеренные данные практически отсутствуют . Тормозные способности для мягких столкновений обычно расчитывают по теории Бете. Энергии, переданные в мягких столкновениях, комбинируют с таковыми для жестских столкновений используя теорию Мольера (для электронов) и сечения Бхаббa (для позитронов), полученные для свободных электронов. Значения полных массовых тормозных способностей для электронов и позитронов приведены в докладе МКРЕ 37.

2.6 КОЭФФИЦИЕНТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ: ФОТОНЫ Энергия, которая передается при фотонном взаимодействии легкой заряженной частице (как правило вторичному электрону), называется переданная энергия. Процесс передачи энергии описывается коэффициентом передачи энергии: где - средняя энергия, переданная налетающим фотоном с энергией заряженным частицам (e- и e+).

2.6 КОЭФФИЦИЕНТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ: ФОТОНЫ Напоминание: Небольшая часть энергии, которая передается при фотонном взаимодействии легкой заряженной частице приводит к тому, что: Вторичные заряженные частицы по мере замедления взаимодействуют с ядрами вещества и образуются фотоны. Результатом этих взаимодействий заряженных частиц с ядрами вещества как правило является образование тормозного излучения. Эта потеря энергии через процесс излучения характеризуется специальным коэффициентом . Оставшаяся энергия поглощается. Этот процесс можно характеризовать коэффициентом поглощения энергии en (или ab )

2.7 ВЗАИМООТНОШЕНИЕ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 2.7.1 Флюенс энергии и керма (фотоны) Полная керма K в некоторой точке среды для моноэнергетического пучка : связана с флюенсом частиц  в этой же точке среды как: где (tr/) – массовый коэффициент передачи энергии для моноэнергетического пучка фотонов в среде.

2.7 ВЗАИМООТНОШЕНИЕ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 2.7.1 Флюенс энергии и керма (фотоны) Керма на столкновения Kcol в некоторой точке среды для моноэнергетического пучка: связана с флюенсом частиц  в этой же точке среды как: где (en/) – массовый коэффициент поглощения энергии для моноэнергетического пучка фотонов в среде.

2.7 ВЗАИМООТНОШЕНИЕ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 2.7.1 Флюенс энергии и керма (фотоны) Если сравнить керму на столкновения для вещества 1 и для вещества 2, при одном и том же флюенсе энергии , то можно получить полезное соотношение:

2.7 ВЗАИМООТНОШЕНИЕ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 2.7.1 Флюенс энергии и керма (электроны) Поглощенная доза в веществе Dmed связана с флюенсом электронов med в веществе как: где (Scol/)med - тормозная способность на столкновения в веществе при данной энергии электрона. Это соотношнение справедливо при следующих условиях: Испущенные фотоны покидают рассматриваемый объем Вторичные электроны поглощаются в месте образования, Или в объеме существует электронное равновесие

2.7 ВЗАИМООТНОШЕНИЕ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 2.7.1 Флюенс энергии и керма (электроны) Если сравнить поглощенную дозу для вещества 1 и для вещества 2, при одном и том же флюенсе: med1 = med2 , то можно получить полезное соотношение:

2.7 ВЗАИМООТНОШЕНИЕ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 2.7.2 Керма и доза (электронное равновесие)

2.7 ВЗАИМООТНОШЕНИЕ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 2.7.2 Керма и доза (электронное равновесие) Так как образованные фотоны как правило покидают рассматриваемый объем, то поглощенную дозу можно соотнести с кермой на столкновения. Вторичные электроны, образованные при взаимодействии фононов, имеют конечный пробег, поэтому энергия может перeноситься за пределы рассматриваемого объема. Отсюда следует, что: Отношение дозы к керме на столкновения записывают как:

2.7 ВЗАИМООТНОШЕНИЕ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 2.7.2 Керма и доза (электронное равновесие)

2.8 ТЕОРИЯ ПОЛОСТИ Рассмотрим точку P в веществе m внутри пучка фотонов. Поглощенная доза в точке P может быть найдена из соотношения :

2.8 ТЕОРИЯ ПОЛОСТИ Чтобы измерить поглощенную дозу в точке P в веществе, необходимо поместить в эту точку среды прибор, чувствительный к излучению (дозиметер) . Чувствительная часть дозиметера часто называют полостью. Вообще говоря, материал полости не всегда совпадает с материалом вещества, куда помещена полость.

2.8 ТЕОРИЯ ПОЛОСТИ Поглощенную дозу в полости , Dcav можно измерить, а так же рассчитать: Если материал полости отличается от материала вещества по плотности и атомному номеру, измерен-ная поглощенная доза в полости будет отличаться от поглощенной дозы в веществе в точке P.

2.8 ТЕОРИЯ ПОЛОСТИ Размеры полостей классифируются как маленькие, средние или большие по сравнению с пробегами вторичных заряженных частиц, созданных фотонами в полости. Когда пробег вторичных заряженных частиц, (электронов) значительно больше размера полости (т.e., когда полость классифицируется как маленькая), этот случай представляет специальный интерес.

2.8 ТЕОРИЯ ПОЛОСТИ 2.8.1 Теория полости Брэгга-Грэя Tеория полости Брэгга-Грэя (Б-Г) была первой теорией, разработанной для обоснования сотношения между дозой, поглощеной в дозиметре, и дозой, поглощеной в веществе, coдержащем дoзиметер. Tеория полости Б-Г основана на двух условиях: Условие (1): Полость должна быть мала по сравнения с пробегом заряженных частиц падающих на нее, как что наличие полости не возмущает флюенс заряженных частиц в веществе. Условие (2): Поглощенная доза в полости создается исключительно теми электронами, которые пересекают полость.

2.8 ТЕОРИЯ ПОЛОСТИ 2.8.1 Теория полости Брэгга-Грэя Следствием (1) является то, что потоки электронов не изменяются и соответствуют равновесному флюенсу, установившемуся в среде. Однако: Это условие справедливо для области электронного равновесия или области переходного электронного равновесия Наличие полости всегда приводит к некоторому возмущению флюенса частиц, что требует введения коэффициента, корректирующего эффект возмущения.

2.8 ТЕОРИЯ ПОЛОСТИ 2.8.1 Теория полости Брэгга-Грэя Условие (2) подразумевает что: Вкладом фотонных взаимодействий в полости можно пренебречь. Все электроны, дающие вклад в дозу в полости, созданы вне полости. Они пересекают всю полость целиком и называются кроссеры. Внутри полости не образуется вторичных электронов (стартеры) и нет электронов, останавливающихся в полости (стопперы).

2.8 ТЕОРИЯ ПОЛОСТИ 2.8.1 Теория полости Брэгга-Грэя Если предположить, что энергия кроссеров не изменяется в пределах объема маленькой воздушной полости, тогда поглощенная доза в полости полностью определяется вкладом кроссеров: где: Ek - кинетическая энергия кроссеров. Ek0 - максимальная энергия электронов, равная исходной энергии вторичных электронов , созданных фотонами. E (Ek) - спектр энергии кроссеров.

2.8 ТЕОРИЯ ПОЛОСТИ 2.8.1 Теория полости Брэгга-Грэя Используя упрощенное обозначение, имеем дозу в полости: В веществе без полости : Из того что  идентичен (не возмущен), следует что:

2.8 ТЕОРИЯ ПОЛОСТИ 2.8.6 Отношение тормозных способностей Для фотонов и электронов высоких энергий отношение тормозных способностей определяется как: Эта величина является важным связующим звеном в процессе определения поглощенной дозы в веществе med1 с помощью дозиметра изготовленного из вещества med2.

2.8 ТЕОРИЯ ПОЛОСТИ 2.8.6 Отношение тормозных способностей Это соотношение необходимо учитывать при проведении относительных измерений поглощенной дозы в фантоме, где энергия электронов претерпевает существенные изменения. Пример из доклада МКРЕ 35: Энергетический спектр электронов с начальной энергией 40 MэВ в водном фантоме на различных глубинах z (в единицах z/Rp) Спектр нормирован на значение при энергии 40 MэВ на поверхности .

2.8 ТЕОРИЯ ПОЛОСТИ 2.8.6 Отношение тормозных способностей Изменение сигнала с ионизационной камеры с глубиной фантома дает в результате глубинное распределение ионизации. Глубинное распределение ионизации электронного пучка отличается от распределения глубинной дозы на величину отношения тормозных способностей воды и воздуха.

2.8 ТЕОРИЯ ПОЛОСТИ 2.8.6 Отношение тормозных способностей Отношение ограниченных тормозных способностей (∆ = 10 кэВ) воды и воздуха для электронных пучков как функция глубины в воде (из TRS 398). Для моноэнергетических электронов Для реальных пучков

2.8 ТЕОРИЯ ПОЛОСТИ 2.8.6 Отношение тормозных способностей Относительная средняя ограниченная тормозная способность воды и воздуха для фотонного пучка практически не изменяется с глубиной. Исключение: на поверхности и вблизи неё Отношения тормозных способностей воды и воздуха ( ∆ = 10 keV) в условиях электронного равновесия приведены в таблице как функция TPR20,10.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!