Ionometri. Dosimetriske prinsipper illustrert ved ionometri. Forelesning i FYSKJM4710. Eirik Malinen

Transkript

1 Dosimetriske prinsipper illustrert ved ionometri Forelesning i FYSKJM4710 Eirik Malinen Ionometri Ionometri: kunsten å måle antall ionisasjoner i f.eks. en gass Antall ionisasjoner brukes som et mål på stråledose Luftfylt ionekammer (fingerbøl / thimble): ~ 300 V

2 Ionometri Høy spenning over indre og ytre elektrode Luft ioniseres, dvs. elektroner løsrives Elektroner vil gå til +pol etc. Strøm induseres Ved hjelp av et elektrometer telles det totale antall ladninger Q (av en type ladning) vil være proporsjonal med dose til luftvolum Eksposisjon Eksposisjon (exposure), X : antall ladninger Q (enten positive eller negative) som produseres i en gass med masse m som følge av bestråling: dq X = dm Antall ladninger som produseres i gassen må være proporsjonal med dose; X D Størrelsen som knytter sammen X og D er den midlere energien som trengs for å skape et ionepar, W

3 Midlere energitap per ionepar, W Bestemmelse av W : Ladde partikler med kinetisk energi T 0 stoppes fullstendig i gassen: N Energi avsatt per ionepar som detekteres: W = NT 0 Midlere energi per ladning: W e NT = 0 Q (elektroner bør korrigeres for bremsestrålingstap) Dose til luft, D For luft er W/e J/C Ser at dosen til luft blir: D NT Q W W X m m e e 0 = = = Dermed: ved måling av antall ladninger produsert per masseenhet luft, kan D bestemmes uavhengig av hvilken energi den ioniserende strålingen har ( W/eer nær en konstant for alle elektron- og fotonenergier)

4 Dose til luft, D 2) Hvis CPE has i ionekammeret, vil dosen som følge av fotoneksponering være gitt ved: µ W = =Ψ = CPE en D Kc, X ρ e Eksposisjonen kan dermed utrykkes ved: X 1 CPE µ en W =Ψ ρ e Hvis primærefeltet er ladde partikler, anvendes Bragg-Gray teori: D dt =Φ ρdx Eksposisjon, eksempler Ved hjelp av et elektrometer og et luftfylt ionekammer (volum = 0.65 cm 3 ) måles antall ladninger Q=50 nc over et tidsrom på 2 min strålekilden er en 100 kev monoenergetisk fotonkilde (CPE kan antas) Eksposisjonen: 9 Q Q C X = = = = C/kg m ρ V g/cm 0.65 cm Hva er energifluensen til fotonfeltet? 1 µ en W Ψ= X ρ e 1 = C/kg J/C = J/cm 2 (µ/ρ) en finnes i Attix cm /g

5 Eksposisjon, eksempler 2) Hva er dosen til luft, og hva er doseraten? W D = X = C/kg J/C e = 2.2 J/kg= 2.2 Gy D t 2.2 Gy 2 min = = = D 1.1 Gy/min Hvis ionekammeret sto i et vannfantom, hva blir dose til vann, D w? w Dw µ en = = = D ρ D = D = Gy= 2.4 Gy w Eksposisjon, eksempler 3) Hvis den samme eksposisjonen produseres av 100 MeV protoner, hva er energifluensen til disse? For protoner anvendes Bragg-Gray teori: D dt W =Φ = X ρdx e (W/e) antas lik J/C (god tilnærmelse) Protonenergien forandrer seg knapt over luftkaviteten: 1 Ψ W dt Ψ=ΦT0 = X T0 e dx ρ 1 W dt Ψ= XT0 e ρdx = C/kg MeV J/C = 34 kj/cm MeV cm /g

6 Eksposisjon, eksempler 4) Dose til luft: W D = X = C/kg J/C = 2.2 Gy e (må bli lik dose fra fotoner, siden stråletypene ga samme eksposisjon av luft) Dose til vann: w Dw dt 7.29 = = = 1.13 D ρdx 6.43 D = 1.13 D = Gy= 2.5 Gy w Samme eksposisjon av luft fra fotoner eller protoner gir ikke samme dose i vann! Merk også enorm forskjell i energifluens (men liten forskjell i dose) Ionekammer, praksis Problem med ionekammer er bl.a. vanskeligheter med nøyaktig bestemmelse av luftvolum øker usikkerhet i dose I praksis kalibreres ionekammer i et punkt av strålefeltet der dosen er kjent gjøres ved et primærstandardlaboratorium (PSDL) elektrometer γ, e - ionekammer H 2 O For en viss dose fås en måling M

7 Ionekammer, praksis 2) For en viss dose til vann D w has avlesning M. Dermed: Dw M Dw = MND,w Kalibrerinsgfaktoren for kammeret blir: N D,w = Dw M Dermed kan dosen enkelt beregnes ved hjelp av (den målte) kalibreringsfaktoren slipper å gå via W/e, µ en /ρ etc. Ionekammer, praksis 3) Men: kalibreringsfaktoren forandrer seg (svakt) med stråletype- og energi. Årsaken er forskjeller i absorpsjonsegenskaper til luft og vann, gitt grovt ved (µ en /ρ)- eller (dt/ρdx)-forholdene. Husk at M er proporsjonal med D! Vanligvis kalibreres kammer i et veldefinert strålefelt, f.eks. med 60 Co γ-stråler (middelenergi 1.25 MeV) Korreksjoner i kalibreringsfaktoren, k Q, introduseres for andre strålekvaliteter (radiation qualities, Q, f.eks. 15 MV fotoner)

8 Ionekammer, praksis 4) Dosen blir generelt: Dw,Q = MQND,wkQ k Q kalles energikorreksjonsfaktor; her for høyenergetiske fotoner: ~ Midlere fotonenergi, MeV Andre målemetoder Metodene og teorien forklart gjelder i prinsippet også for andre målemetoder den målbare størrelsen M gjøres om til dose ved en kalibreringsfaktor Eksempel: EPR dosimetri. For kalibrering bestråles dosimetere i et strålefelt (f.eks. 60 Co-γ) der dosen er kjent. EPR-intensiteten fra dosimeterne (M) er proporsjonal med dosen. Kalibreringsfaktoren for dosimeterne kan dermed finnes slik som vist ovenfor. k Q må deretter finnes for det aktuelle dosimetermaterialet hvis andre strålekvaliteter skal benyttes.

9 Andre målemetoder 2) Kalorimetri: måle temperaturøkning i detektor meget god metode for absolutt dosimetri Temperaturøkning ε(1 δ) D(1 δ) Temp = = hm h h Temp D = (1 δ) δ: termisk defekt h: varmekapasitet [J/kg C] Andre målemetoder 3) Halvlederdosimetri: strømmer induseres av stråling over deplesjonslag. Strøm proporsjonal med doserate.