相近电子源空腔能量堆积的蒙-卡运算和试验衡量

1引言
 
在产生照射的实践中准确确定所受的剂量大小可以发挥辐射照射的有益的作用,而避免辐射照射的有害的后果,如在x射线的临床诊断及等的临床治疗中,要想达到预期的诊断和治疗效果,需要确定x射线管及源等发射的量(注量)与患者所接受的量(剂量),对这些量测量的准确性关系到人的安全。这些量的确定正是辐射剂量学的内容之一。辐射剂量学的量包括比释动能、照射量、吸收剂量和由吸收剂量加权得到的防护量及监测实用量等,用剂量计测量是确定比释动能、照射量和吸收剂量的主要和常用方法。从剂量计工作原理来说,量热法常常不适用,应用最广的是空腔电离理论。空腔理论的基本原理可以简单描述为:介质单位质量所吸收的辐射能量(吸收剂量)可以用介质中的空腔内测得的信息来确定。所有空腔理论都是研究空腔与周围介质间关于粒子输运与能量沉积过程相互影响的理论。1910年和1912年Bragg对空腔问题进行了定性讨论,1929年和1936年严格地叙述了空腔电离理论,并给出了一个表达式,这就是Bragg-Gray理论。该理论认为在均匀的固体材料中引进一个充气空腔不会改变该材料中所存在的电子谱,该理论的建立为辐射剂量测量奠定了理论基础。Bragg-Gray理论有两个基本假设条件,一个是腔室的线度比撞击腔室的带电粒子的射程小得多,以致腔室的存在不会干扰带电粒子辐射场;另一个是腔室内吸收的能量是完全由穿过腔室的带电粒子产生的。
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2空腔电离的一般理论
 
空腔理论的建立为辐射剂量测量奠定了理论基础。空腔电离室就是根据空腔理论设计的。为了使电离室测量更准确,人们做了大量的工作,包括理论工作的完善和蒙一卡计算。一个完善的空腔理论应该把介质中所吸收的能量与任意尺寸的空腔中所吸收的能量联系起来。
 
2.1Bragg-Grav理论
Bragg-Gray理论是辐射剂量测量的基础。Bragg一Gray理论有两个基本假设条件,一个是腔室的线度比撞击腔室的带电粒子的射程小得多,以致腔室的存在不会干扰带电粒子辐射场,也就是说在均匀介质中引入一个充气空腔不会改变该介质中所存在的电子谱;另一个是腔室内的吸收剂量是完全由穿过腔室的带电粒子产生的,也就是说,腔室内产生的电离贡献可以忽略不计,并且进入腔室的带电粒子全部穿过腔室而不会停留在其中。假设只是认为电子是均匀的(只要在次级电子射程之内光子的减弱可以忽略,光子产生的次级电子源就是均匀的,就建立了准电子平衡),他不是沿用Gray的方法一在某种假定条件下用模型化的办法对比空腔和室壁介质相似运动电子所产生的电离量,而是从电子迁移方程出发,假定在均匀照射条件下,室壁和空腔中各自分布一个均匀的电子源,写出两个电子迁移方程,导出空腔的存在对空腔内电子平衡能谱的影响相当于在空腔中引入一个强度为59*的等效电子源(也称虚源)在空腔内产生的附加电子能谱(等效电子源的概念是科学院院士李德平先生提出的),这个虚源是造成空腔电离量与线度有关的主要原因,重要的是这个附加的差额是可以计算的。这个等效源的具体表达式如下。
 
2.2Spencer-Attix理论
sPencer-Attix理论认为空腔的存在并不改变进入空腔的室壁电子谱,但电子谱应当是“真实”的谱,在实际的电子碰撞过程中,初级电子的许多碰撞可以产生快速次级电子,Bragg-Gray理论没有考虑这些次级电子的影响,Spencer-Attix理论在Bragg-Gray理论的基础上,考虑到了电子的不连续的能量损失的效应,即“次级电子”(6射线)的影响。电子谱是考虑了6电子积累的Spencer-Fan。谱,而不再是连续慢化谱。Pencer-Attix理论规定了一个任意的能量限值△,当电子在碰撞中损失的能量低于这一限值时,电子所损失的能量被“就地”吸收掉,而不能传输,当电子在碰撞中损失的能量大于△时,损失的能量被6射线带走,即能量损失大于△的碰撞产生的次级电子,包括在电子谱中,在计算该电子通量在空腔中沉积的能量而进行的积分中,能量的下限是△而不是零,△是一个与腔室线度相关的参数。Spencer-Aitix认为,在计算空腔平均质量碰撞阻止本领比要考虑到△限值,也就是说,质量碰撞阻止本领比是△的函数,通常称为腔室的定限质量碰撞阻止本领理论的关系。
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3不锈钢球形电离室的实验…………17
3.1实验的装置及实验设计…………17
3.2实验结果…………28
4电离室能量沉积的蒙特卡罗计算…………47
4.1EGS4蒙特卡罗程序…………47
4.2用EGS4程序计算球形电离室的能量沉积…………50
5等效电子源空腔能量沉积的蒙特卡罗计算…………59
5.1电子在不锈钢中的慢化谱…………59
5.2球形不锈钢电离室的等效电子源谱…………61
5.3空腔能量沉积的蒙特卡罗计算…………63
 
5等效电子源空腔能量沉积的蒙特卡罗计算
 
5.1电子在不锈钢中的慢化谱
等效电子源理论是根据空腔电离的输运理论提出的。等效电子源理论认为,如果空腔与室壁是两种不同介质,则空腔内电子能谱由两部分组成:一部分是进入空腔的室壁电子谱;另一部分能谱可借空腔中等效存在的一个电子源来计算。这个等效电子源是由于室壁介质与空腔气体在软碰撞(Softcollision)、光电效应、韧致辐射、密度效应的差别所引起的,而与产生高能6电子的硬碰撞(Hardcollision)无关。等效电子源的效应是使空腔内比电离依赖于空腔线度。假定室壁的原子序数为Zw,原子量为A。空腔气体的原子序数为29,原子量为Ag。由于初级辐射(如X或Y射线)的自由程比次级粒子(如电子)的射程大很多,当空腔的尺度比初级辐射的自由程小很多,照射条件就可以认为是均匀的。因此可以假定,在室壁内均匀分布一强度为Sw(E,u)的电子源,气体内分布一强度)的均匀电子源。令是电子分布函数,根据电子迁移方程,得到等效电子源5*9(也称虚源,见公式2.10)。在文献中对等效电子源公式进行了详细的理论推导。当室壁原子序数与气体原子序数相等时,电子源5*9为零,空腔内是纯粹的室壁电子谱;当室壁原子序数比气体原子序数高时,这个电子源在一般情况下是正的,因此导致空腔能量吸收率随空腔线度增大而减少;当室壁原子序数比气体原子序数低时,这个电子源:在一般情况下是负的。
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结论
对内充不同气体的球形不锈钢电离室的单位压力的剂量响应灵敏度实验结果与蒙特卡罗通用程序—EGS4计算结果、等效电子源理论计算结果列入表6.1~表6.5中,三种结果的比较图6.1-图6.9所示。表6.1~表6.5中的相对偏差以实验值为基准,即相对偏差(实验值一计算值)/实验值x100%。从表6.1~表6.5中可以看出,用等效电子源理论计算的电离室响应与实验结果的偏差普遍比用蒙特卡罗方法计算的电离室响应与实验结果的偏差小。特别在低能量和低气压的情况下。从图6.1-图6.9表示的结果看,在初始辐射能量高的情况下,理论计算与实验结果符合的比较好,但在能量低的情况下,理论计算与实验结果偏差比较大,但总体上看趋势是一致的。特别是对氦气和氮气曲线,在能量比较低时,曲线的斜率比较大,最大值与最小值之间相差数十倍之多,在灵敏度因子跨度很大的情况下,计算值(2种方法的计算结果)一直与实验结果相吻合,这也说明了等效电子源理论可以适用于任何尺寸的空腔。
 
参考文献（略）