电离辐射的计量, 是计量科学不断发展的新分支, 电离辐射与受照物质相互作用的物理量度十分重要, 这是各行各业广泛利用核科学技术和电离辐射技术, 以及放射防护学和放射损伤防治所必不可少的重要基础。正因为如此, 早在1925年于伦敦召开的第一届国际放射学大会(ICR)上, 就决定先于放射防护, 成立“国际X射线单位委员会”, 后来改名为“国际辐射单位与测量委员会(ICRU)”。ICRU是国际上公认的权威学术组织, 专门研究提出关于电离辐射量与单位, 以及有关电离辐射量的测量和应用方面的技术报告。ICRU技术报告是电离辐射量与单位及其测量、应用的权威文献。为此, 特通览ICRU技术报告及其更迭, 应杂志编辑部之约扼要地评述电离辐射量与单位的演变进化, 并简单概述现行有效的电离辐射量与单位。

1 国际辐射单位与测量委员会(ICRU)及其报告

计量电离辐射的基础是基于电离辐射与受照物质的相互作用所产生的效应。电离辐射剂量学主要研究电离辐射的能量在物质中的转移、吸收规律, 受照射物质里的剂量分布及其与辐射场的关系, 照射剂量与有关辐射效应的关系, 在各种电离辐射照射中各类电离辐射量的测量以及计算方法等。这些是各个领域广泛利用核科学技术和电离辐射技术, 研究制定放射防护标准, 监测评价放射防护效果, 以及解决放射损伤的预防与治疗问题的前提。研究电离辐射剂量学离不开ICRU技术报告。

已有80年历史的国际辐射单位与测量委员会的英文全称是:Internation Commission on Radiation Units and Measurements, 通常缩写为ICRU。ICRU致力于收集、评价与电离辐射测量及剂量学问题有关的最新数据和技术资料, 并在下述几方面推荐最可以接受供当前使用的建议:①.电离辐射与放射性的量及其单位; ②.在临床放射学与放射生物学中测量和应用这些量的恰当方法; ③.应用这些方法中为保证一致性所需的物理数据。

ICRU工作范围所涉及的主要技术领域包括:电离辐射量和单位, 相关理论方面问题, 有关因子, 放射治疗, 放射诊断, 核医学, 放射生物学, 放射防护, 放射化学, 放射性, X射线与γ射线和电子的放射物理, 以及中子和重粒子的放射物理等。ICRU与国际计量局(BIPM)等诸多相关国际机构有很密切的工作联系, 其中在放射防护领域方面与国际放射防护委员会(ICRP)紧密合作。ICRU的技术报告顺序连续编号出版发行, 内容过时的报告就由新的报告所取代。早期ICRU报告发表在《英国放射学杂志》、《放射学》等期刊上; 第二次世界大战后一度以美国国家标准局手册发表; 自1967年后由委员会自行出版; 2001年起委员会又以“ ICRU杂志”(“ Journal of the ICRU”, 国际标准刊号:ISSN 1473--6691)形式, 每年一卷, 由英国牛津大学出版社(Oxford University Press, OUP)出版发行。ICRU报告还可以从英国核技术出版社Nuclear Technology Publishing(NTP)购得。

ICRU的技术报告不仅提出了各种电离辐射量和单位的定义、测量以及应用方面的有关原则, 而且是放射诊断、放射治疗、核医学以及各行各业放射实践中所有电离辐射剂量学问题的指南。截至2005年, 迄今仍然有效的ICRU报告有59份。为便于读者查找使用, 笔者特整理列出这59份ICRU报告的目录附于本文第5部分。

2 辐射量及其单位的历史沿革概述

自从1895年11月发现X射线并迅速应用于医学后, 就一直寻求如何对其进行准确定量。早期曾通行用引起皮肤红斑效应而规定的红斑剂量, 这显然难以统一规范又很不科学。随后计量X射线剂量的主要沿革事件包括:1908年法国Villard提出基于测量电离的“e”单位; 1921年法国I.Solomon提出与1克镭相比较的R单位; 1923年德国H.Behnken提出以1 cm³空气受X射线照射产生的电离电荷为基础的伦琴(R)单位; 1928年第二届国际放射学大会通过了伦琴单位的最早期统一定义; 1937年第五届国际放射学大会把伦琴单位又推广应用到γ射线, 明确用基于标准状况下1 cm³空气的电离量表征; 1930年建议1克镭的蜕变率取作每秒3.7×10¹⁰次; 1948年又出现“物理当量伦琴”和“生物当量伦琴”单位, 开始进入到能量吸收的概念; 1953年ICRU正式提出以拉德(rad)为单位的吸收剂量。直至1962年, ICRU第10 a报告才较系统地统一规范了电离辐射量和单位。

国际辐射单位与测量委员会关于电离辐射量与单位的基本报告已经经历了1962年10 a号报告、1968年11号报告、1971年19号报告、1980年33号报告等四个阶段的变动更迭。现在均已失效过时的这四个关于电离辐射量与单位的基本报告题目都是《辐射量和单位》。尤其是1980年发表的ICRU 33号报告竟沿用了一二十年。

20世纪90年代, ICRU 33号报告已经被ICRU 51号报告《辐射防护剂量学中的量和单位》(1993)和ICRU 60号报告《电离辐射的基本量和单位》(1998)所取代。现行有效的电离辐射量与单位的两份基本报告, 是把33号报告原先分的两大部份(通用量和单位, 辐射防护中使用的量和单位)更新成两个报告。1993年先出台电离辐射防护剂量学中的量和单位; 1998年接着发表电离辐射的基本量和单位。这两个报告一起更新了电离辐射量和单位的许多概念, 还建立了若干新的电离辐射量。兹在第3和第4部分扼要概述现行两大部份电离辐射量及其单位。为节省篇幅, 在3、4部分着重比较与33号报告的主要区别, 而不逐一说明各个量。

3 电离辐射基本量及其单位

ICRU 60号报告(1998)依然把电离辐射的基本量分为以下四类, 共定义了38个基本辐射量(比被取代的1980年33号报告第一部分30个通用量多8个), 并且各个辐射量都采用国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)推荐的规范表达方式。即所有物理量都用右斜体字母表示, 非物理量都用正体字母表示, 即便下标也不例外。

3.1 放射计量学量

放射计量学量是与电离辐射场有关的最基本量。ICRU 60号报告共定义了16个放射计量学量, 比被取代的33号报告第一部分增加了6个矢量的量。新基本报告首次把放射计量学量分属于标量和矢量。标量的放射计量学量有十个:粒子数、辐射能、粒子通量、能通量、注量、能注量、注量率、能注量率、粒子辐射度、能量辐射度。这些标量的定义基本不变; 而新提出的矢量的放射计量学量有六个:矢量的粒子辐射度、矢量的能量辐射度、矢量的注量率、矢量的能注量率、矢量的注量、矢量的能注量。矢量的放射计量学量分别是相应标量量对时间或者对立体角的导数。

3.2 相互作用系数的相关量

ICRU 60号报告共定义了7个相互作用系数的相关量, 比被取代的33号报告第一部分少了一个质能吸收系数。这7个相互作用系数的相关量是:截面、质(量)能(量)转移系数、质量减弱系数、质量阻止本领、辐射化学产额、传能线密度(LET)、气体中每形成一对离子所消耗的平均能量。虽然少了质能吸收系数, 但利用质(量)能(量)转移系数和带电粒子的辐射损失份额的关系可以求得质能吸收系数。

3.3 剂量学量

ICRU 60号报告共定义了12个剂量学量, 比被取代的33号报告第一部分多了三个量。这12个剂量学量是:比释动能(Kerma)、比释动能率、照射量、照射量率、比转换能(Cema)、比转换能率(Cema Rate)、沉积能(Energy Deposit)、授予能、线能、比(授予)能、吸收剂量、吸收剂量率。

新增加三个量即:比转换能(Converted Energy per Unit Mass, 缩写为Cema, 符号为C)、比转换能率(Cema Rate, 符号为·C)、沉积能(Energy Deposit, 符号为ε_i)。

比转换能C=dE_C/dm, 式中d E_C是带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞在质量为d m的物质中所损失的能量。其国际制(SI)单位为焦耳每千克(J kg^-1), 专用名称为戈瑞(Gy)。与原先已有的比释动能(Kerma)描述非带电粒子在各种介质中转移给所释放次级电子的动能不同, 比转换能(Cema)的入射粒子是带电粒子, 并且在各种介质中与核外电子发生非弹性碰撞所损失的能量, 包括克服核对电子的束缚能和所释放次级电子的所有初始动能之和。而比转换能率就是比转换能对时间的导数。比转换能和比转换能率适用于描述带电粒子在各种介质中的能量转移和传递。

沉积能ε_i是描述能量沉积的随机量。在一单次相互作用i中所沉积的能量ε_i可以表示为:ε_i=ε_in-ε_out+Q。式中ε_in是入射致电离粒子的能量(不包括静止能量); ε_out是离开这次相互作用点的所有入射致电离粒子和因这次相互作用产生的次级电离粒子的能量之和(不包括静止能量); Q为包含在这次相互作用中原子核和所有粒子的静止能量的变化。若Q＞0, 意味着静止能量减少; Q＜0意味着静止能量增加。沉积能的SI单位为焦耳(J), 有时也用电子伏特(eV)。由这个更为基础的量可定义出授予能、线能、比(授予)能等。

除上述新引入的量外, 值得关注常用三组电离辐射剂量学量即:吸收剂量D和吸收剂量率、比释动能K和比释动能率、照射量X和照射量率。这些无疑既是经常使用, 又是很重要的剂量学量。限于篇幅不再展开说明。尤其是必须掌握这三组量之间的区别以及相互关系。对此, 笔者特总结归纳如下七个要点:①、吸收剂量适用于任何电离辐射和任何介质; 比释动能适用于非带电电离粒子和任何介质; 照射量仅适用于能量在几千电子伏至几兆电子伏范围内的光子(X和γ射线)和空气介质。②、提及这几个辐射量时, 均必须注意指明介质和所在位置。③、照射量是根据次级电子对空气的电离能力来表征X或γ射线辐射场。严格按照定义测量照射量必须满足电子平衡条件(即进入与离开所考察体积元的次级电子的总能量及能谱分布均等同)。④、非带电电离粒子与物质相互作用可分为两个步骤, 首先非带电电离粒子在物质中产生带电电离粒子和另外的次级非带电电离粒子而损失能量; 然后带电粒子将能量授与物质。这两个步骤一般并不发生在同一地点。比释动能表示第一步骤的结果, 而吸收剂量表示第二步骤的结果。比释动能和吸收剂量虽然有相同的量纲及单位, 但概念完全不同。⑤、如果在物质内部, 在要确定其比释动能的那点处存在着带电粒子平衡, 并且轫致辐射损失可以忽略不计, 则该点处的比释动能与吸收剂量数值相等。⑥、测得照射量X就可进一步推算出相应的吸收剂量D, 即D_m=f_mX, 式中f_m可查有关手册而得。⑦、比释动能和照射量所反映的都是非带电电离粒子与物质相互作用的结果。比释动能适用于任何的非带电电离粒子和任何物质, 剂量学上常以对某种适当物质的比释动能率来描述间接电离粒子辐射场; 而照射量只能适用于能量在几千电子伏至几兆电子伏范围内的光子(X和γ射线)和空气介质。当X或γ射线与物质相互作用时, 如果轫致辐射的损失和次级过程产生的带电粒子可以忽略不计, 则照射量数值就等于空气中比释动能的电离当量。即K_空气=(W/e)X。

3.4 放射性量

ICRU 60号报告共定义了3个与放射性有关的量, 与被取代的33号报告第一部分相比没有变化。这三个经常使用的放射性量是——①.衰变常数:λ=dP/dt(单位s^-1); ②.活度:A=dN/dt(单位s^-1, Bq); ③.空气比释动能率常数:Γ_δ=l²·K_δ/A(单位m² Gy Bq^-1s^-1)。

4 辐射防护剂量学中的量及其单位

ICRU 51号报告(1993)专门用于取代33号报告的第二部分。反映了辐射防护剂量学有关基本量和实用量的重要进展。并且与ICRP第60号出版物关于放射防护方面的量和单位逐渐协调一致。

4.1 用于放射防护测量与计算的量和单位

ICRU 51号报告定义用于放射防护测量与计算的量有12个。即:注量、授予能、吸收剂量、吸收剂量率、传能线密度、线能量、吸收剂量按传能线密度的分布; 剂量当量、剂量当量率、周围剂量当量、定向剂量当量、个人剂量当量。具体定义可参见ICRU 33、39、43、47号报告。

值得注意的是为了区域环境监测和个人监测的实际测量, 明确定义了外照射的三个实用量:

周围剂量当量(ambient dose equivalent):辐射场中某点处的周围剂量当量H *(d), 定义为相应的扩展齐向场在ICRU球内, 逆齐向场的半径上深度d处所产生的剂量当量。对于强贯穿辐射, 推荐d=10 mm。

定向剂量当量(directional dose equivalent):辐射场中某点处的定向剂量当量H′(d, Ω), 定义为相应的扩展场在ICRU球内, 沿指定方向Ω的半径上深度d处所产生的剂量当量。在弱贯穿辐射情况下, 对于皮肤, 深度采用d=0.07 mm; 对于眼晶体, 深度采用d=3 mm。

个人剂量当量(personal dose equivalent):个人某一指定点下面适当深度d处的软组织内的剂量当量H_P(d)。此剂量学量可适用于强、弱贯穿辐射。

4.2 基于平均值并用于限制目的的量

在放射防护实践中通常采用一些量的平均值(即把该量在不同点处的变化均衡化为平均值)就足够了。当然这往往有些附加简化条件。最基本的是器官平均吸收剂量D_T=ε_T/m_T; 对某一大块组织求平均值应用积分来完成, 即D_T=(m_T)^-1∫m_TD dm (单位:J kg^-1, Gy)。

用于限制目的的量均按ICRP第60号出版物(1991)放射防护中使用的量, 包括基本剂量学量和辅助剂量学量。诸如当量剂量H_T、有效剂量E等是大家所熟知的。计算用于限制目的的防护量, 与可以监测的实用量不同, 需要采用相关系数(如辐射权重因子W_R、组织权重因子W_T)等。

顺便指出, 在实际应用中, 经常会遇到几个电离辐射量习惯通称的术语, 例如①.剂量:泛指某一对象所接受或“吸收”的电离辐射的一种量度。根据上下文可以指某点吸收剂量、器官平均吸收剂量、当量剂量、有效剂量、待积当量剂量、待积有效剂量等。②.集体剂量:泛指某一群体所接受的总电离辐射照射的一种表示, 即该群体成员人数与他们所接受的平均剂量之积。可以是集体当量剂量、集体有效剂量等。③.实用量:泛指ICRU提出的在放射防护实践中, 可进行实际测量的周围剂量当量、定向剂量当量和个人剂量当量等。用于环境和人员监测的实用量可作为防护量的合理近似。

5 迄今有效的ICRU报告目录

截至2005年, 迄今仍然有效的ICRU报告有59份。兹按其发表先后为序, 逐一列出各报告的序号、题目和发表年份等。

1) 10b #照射的物理学方面, 1964年;

2) 12#标准放射源的检验, 1968;

3) 13#中子注量、中子能谱和比释动能, 1969;

4) 14#辐射剂量学:最大光子能量在0.6到50M eV的X射线和γ射线, 1969;

5) 15#影像增强荧光摄影, 1969;

6) 16#传能线密度, 1970;

7) 17#辐射剂量学:电压为5到150kV所产生的X射线, 1970;

8) 18#高活度γ射线源的特性, 1970;

9) 20#辐射防护仪器及其应用, 1970;

10) 22#低水平放射性活度的测量, 1972;

11) 23 #受单束X射线或γ射线照射的模体中吸收剂量的测量, 1973;

12) 24 #放射治疗中患者所受X射线或γ射线束照射的吸收剂量的测定, 1976;

13) 25#确定剂量当量的基本概念, 1976;

14) 26#生物学和医学中的中子剂量学, 1977;

15) 27#国际中子剂量学比对, 1978;

16) 28#高能粒子相互作用及辐射剂量学基础, 1978;

17) 30 #放射生物学中的定量概念与剂量学, 1979;

18) 31 #产生一对离子所需的平均能量, 1979;

19) 32 #临床应用放射性核素中估算吸收剂量的方法, 1979;

20) 34 #脉冲辐射剂量学, 1982;

21) 35 #辐射剂量学:能量在1到50M eV之间的电子束, 1984;

22) 36 #微剂量学, 1983;

23) 37 #电子和正电子的阻止本领, 1984;

24) 38 #报告妇科腔内治疗的剂量与体积规范, 1985;

25) 39 #外照射源所致剂量当量的测定, 1985;

26) 40 #辐射防护中的品质因子, 1986;

27) 41 #胶片增感屏系统的调制传递函数, 1986;

28) 42 #计算机在高能光子和电子外照射束放射治疗中的应用, 1987;

29) 43 #外照射源所致剂量当量的测定—第2部分, 1988;

30) 44 #辐射剂量学与测量中的组织替代物, 1989;

31) 45 #临床中子剂量学—第1部分:快中子外照射束治疗患者所受吸收剂量的测定, 1989;

32) 46 #光子、电子、质子和中子对人体组织的相互作用数据, 1992;

33) 47 #来自光子、电子外照射的剂量当量的测量, 1992;

34) 48 #在治疗、诊断和防护领域的人体模型和计算模型, 1992;

35) 49 #质子和α粒子的阻止本领和射程, 1993;

36) 50 #光子束治疗的处方、记录和报告, 1993;

37) 51 #辐射防护剂量学的量与单位, 1993;

38) 52 #放射性活度测量的粒子计数, 1994;

39) 53 #环境γ射线能谱, 1994;

40) 54 #医学影像—影像质量评价, 1995;

41) 55 #带电粒子相互作用的次级电子能谱, 1995;

42) 56 #β射线外照射的辐射防护剂量学, 1997;

43) 57 #外照射放射防护中使用的换算系数, 1998(此报告与ICRP联合编写发表, ICRP 74 #);

44) 58 #报告组织间治疗的剂量与体积规范, 1997;

45) 59 #临床质子剂量学—第1部分:束流、束输出量和吸收剂量的测量, 1993;

46) 60 #电离辐射的基本量和单位, 1998;

47) 61 #医学超声的组织替代物、体模和计算模型, 1998;

48) 62 #光子束治疗的处方、记录和报告(ICRU 50号报告补编), 1999;

49) 63 #中子和质子放射治疗及辐射防护的核数据, 2000;

50) 64 #基于水中吸收剂量的高能光子束的剂量学, 2001;

51) 65 #放射生态学的量、单位和术语, 2001;

52) 66 #中子实用剂量当量的测定, 2001;

53) 67 #核医学中的剂量规范, 2002;

54) 68 #电离辐射照射的回顾性评价, 2002;

55) 69 #人体放射性核素含量的直接测量, 2003;

56) 70 #胸部摄影的影像质量, 2003;

57) 71 #电子束治疗的处方、记录和报告, 2004;

58) 72 #密封源近距离放射治疗用β射线和低能光子的剂量学, 2004;

59) 73 #比氦更重离子的阻止本领, 2005年。

ICRU报告的沿革与进展集中反映了电离辐射量和单位的演进。了解这些演进概况, 特别是必须及时掌握现行电离辐射量与单位, 以及尽可能多掌握与电离辐射剂量学密切相关的ICRU新报告, 这对各行各业科学合理应用放射性物质与射线装置, 对放射医学与放射防护事业很有裨益, 并且非常必要。