放射肿瘤学/物理学/物理学基础

物理学基础

电磁波谱

• 无线电波

• 微波

• 红外线

• 可见光

• 紫外线

• X 射线

• γ 射线

基本粒子

• 基本费米子

(1) 夸克和反夸克：上 (u)、下 (d)、奇 (c)、奇异 (s)、顶 (t)、底 (b)

(2) 轻子及其反粒子：电子 (e⁻)、电子中微子 (ν_e)、μ 子 (μ⁻)、μ 子中微子 (ν_μ)、τ 子 (τ⁻)、τ 子中微子 (ν_τ)

• 基本玻色子

(1) 规范玻色子：光子 (γ, 电磁相互作用)、W 和 Z 玻色子 (W⁺, W⁻, Z, 弱相互作用)、八种胶子 (g, 强相互作用)、引力子 (G, 引力, 假设存在)

(2) 标量玻色子：希格斯玻色子 (H⁰)

X 射线产生

当电子撞击目标时会发生什么？

• 与轨道电子相互作用 ==> 电离 ==> 空缺 ==> 另一个电子移动到该空缺 ==> 产生特征 X 射线
  • 离散能量
    • 两个轨道电子结合能的差值
  • 偶尔 —> '移动电子 到空缺' 的能量转移到另一个电子 —> 俄歇电子
• 或者它与原子核附近的电场相互作用
  • 它发生偏转 ==> 损失能量 ==> 这种能量以 X 射线光子的形式重新出现
  • 连续的能量范围
  • 范围内的最高能量 = 电子的能量

关于放射性的一切

• 想想为什么原子核即使在质子之间具有相同电荷的静电斥力的情况下仍然是稳定的
• 质子之间存在一种强核力，将它们束缚在一起
  • 这种力量尚不完全清楚
• 这种力量需要质子靠近并且与距离有关
• 中子在原子核中发挥着稳定作用
• 在较大的原子核中，N/P 比为 1.5 —> 在较小的原子核中，该比为 1
• 放射性原子核是那些不稳定的核素，P/N 比不理想

• 衰变常数
  • 每单位时间衰变的原子分数
  • 半衰期和衰变常数
    • 半衰期 = 0.693/衰变常数

线性能量转移 (LET)

• 电离辐射向软组织转移能量的速率。
• 单位 —> 千电子伏/厘米或微米 (keV/μm)

• 存在高穿透性和低穿透性辐射。
• 颗粒辐射穿透性较低。
  • 颗粒辐射、光电子、α 粒子和 β 辐射
  • α 粒子在发射时带 +2 电荷，并且会非常积极地电离相邻原子以获得两个电子，使其恢复到稳定的电中性氦原子。
  • 这个过程导致一次和二次电离事件。α 粒子每次电离事件损失平均 34 eV，因此 34 meV α 粒子在几厘米的空气中静止之前，最多可以导致 100,000 次电离，产生 100,000 个离子对。

• 高能光子具有很高的穿透性，因此 LET 很低
  • 诊断 X 射线 —> 3.0 keV/μm
  • 25 MeV 光子 —> 0.2 keV/μm

LET 告诉我们的是，电离事件的数量随着 LET 的增加而增加，随着 LET 的减少而减少。

虽然 RBE 表达了两种不同辐射类型的相对有效性；用于辐射防护表达这种有效性的因素是质量因子，写作 Q。质量因子或 Q 是一个符号，用于表达生物系统对 LET 依赖的反应。如果两种不同辐射的生物反应 per rad 相同，则它们的 Q 相同。X 射线、γ 射线和 β 粒子都具有相同的 Q，等于 1。

相对生物效应 (RBE)

• RBE 没有单位。

相对生物效应是一个术语，用于量化特定辐射效应，而不是一般的或相对风险。它包括不同类型的电离辐射引起的各种效应、能量传递到的组织类型、正在研究的生物效应以及该剂量传递的速率。

RBE 始终将正电压辐射与另一种类型的辐射（例如 α 或 β 辐射）进行比较，以及这些测试辐射产生的特定生物效应，例如白内障。正电压辐射是 200-250 kVp 范围内的电磁辐射。如果需要 15 rad 的 250 keV X 射线来产生白内障，而只需要 5 rad 的 α 粒子，则 RBE 被认为是 3。

设备

平坦滤波器

• 通过故意设计一个向边缘增加的轮廓来补偿场边缘散射的缺乏。

辐射探测器

所有探测器都利用电离和激发过程。

气体电离探测器

• 电离室
• 盖革-米勒 (G-M) 计数器
• 正比计数器

基本部件！

• 一个装有固定体积气体的容器
  • 气体可以是空气、甲烷
  • 容器 = 探头
• 两个电极（正极和负极）

• 当光子穿过容器时 ==> 产生离子对 ==> 产生电离电流
• 因为容器是极化的 ==> 离子移动到带相反电荷的电极
• 一些离子重新结合
  • 收集效率是指实际收集的电荷的比例
  • 超过300伏 —> 电离室区域（效率几乎为100%）

光子

最大深度剂量

试着想象一下电子撞击任何物体表面时会发生什么

• 在最外层 —> 光子激发一个电子
• 这个电子沿着它的路径移动，该路径根据它从光子获得的能量具有已知的范围
  • 这个电子范围是Dmax的深度
  • 假设它具有光子的能量
• 当电子沿着它的路径移动时，它会激发次级电子……
• 直到初级电子的范围结束，它才达到平衡
  • 电子平衡发生在一个点/水平，其中能量损失由能量获得来补偿。

参见Dmax

电子

• 当场尺寸减小时 ==> D90 向表面移动
• 经验法则是将能量/3 用于获得 D90 深度