辐射剂量与防护(12)re

1、1电离辐射剂量与防护康 玺系馆315 Tel: 8281887E-mail:2前节回顾n直接电离辐射和间接电离辐射直接电离辐射和间接电离辐射 直接电离辐射直接电离辐射 快带电粒子穿过物质时，通过库伦相互快带电粒子穿过物质时，通过库伦相互作用直接在物质中沉积能量并引起电离。这种通过初作用直接在物质中沉积能量并引起电离。这种通过初级过程引起电离的粒子称为直接电离辐射。级过程引起电离的粒子称为直接电离辐射。 间接电离辐射间接电离辐射 不带电粒子（例如光子和中子）穿过物不带电粒子（例如光子和中子）穿过物质时，首先将能量转移给带电粒子，随后这些次级快质时，首先将能量转移给带电粒子，随后这些次级快带电粒子

2、再沉积能量和引起电离。这种通过次级过程带电粒子再沉积能量和引起电离。这种通过次级过程引起电离的不带电粒子称为间接电离辐射。引起电离的不带电粒子称为间接电离辐射。3nExternal radiation（外辐射）：体外源发射的辐射n=External irradiation（外照射）。nInternal radiation（内照射）：体内分布源发射的辐射。4nIonization radiation field（电离辐射场）：电离辐射居留的空间。1、粒子数和辐射能nParticle number（粒子数）N：发射、转移或接受的粒子数目， 单位是1。nRadiant energy（辐射能）R：发射

3、、转移或接受的辐射粒子的能量（不包括静止能），单位是J。前节回顾5 2、通量、注量和注量率（1）Flux（通量）：表征辐射场中粒子或能量在时间上的频繁程度。 Particle flux（粒子通量） ，s-1 Energy flux（能量通量） ，j.s-1 dtdNNN/:dR/dtRR：dada（2）Fluence（注量）：表征辐射场的空间疏密程度。特例：单向辐射场6 3.角分布和辐射度Angular distribution（角分布）：描述粒子入射方向的分布。2/ddd N dad 22/sinrddrdiinrA247Energy radiance（能量辐射度）r： 3/rddd Rda

4、dtd 单位：w. m-2.sr -142000sinrdrdd Radiance（辐射度）：注量率的角分布Particle radiance（粒子辐射度）p： 3/dddNd a d td P=8( )/EQdQ EdE0( )EEQ EQ dE0( )EQQQ dE 4.能谱分布（Energy spectrum distribution）用Q代表辐射学量，用E代表粒子的能量（不包括静止能）,则Q（E）是Q的积分分布，它是能量为0-E的粒子对Q的贡献。94 辐射度谱分布.( )( , )/E jjprdp E rdE.0( . )( )EJE jP Erpr dE.0( )( . )( )j

5、jE jp rprpr dE4.( )( , , )/E jjprd N t ErdtdEdda pE,J(r)能揭示辐射场的最详尽的内涵，是完整的描述辐射场的一个辐射学量。105、注量与径迹长度的关系 粒子注量等于单位体积内的径迹总长度。 dasV证明：证明：对于足够小的任意形状的体积元， pE均匀、径迹可视为直线切穿过体积元。则 dL=(da) s = (das ) =dV L=V L=V =L/V =dL/dV11判断下表所列各辐射量与时间判断下表所列各辐射量与时间t、空间位置、空间位置r、辐射粒子能、辐射粒子能量量E和粒子运动方向和粒子运动方向 之间是否存在着函数关系，存在之间是否存在

6、着函数关系，存在函数关系者在表中相应位置处划函数关系者在表中相应位置处划“Y”，不存在则划，不存在则划“N”号。号。NRE(E)E（E） E（E）EppErEtY Y YY Y YYYrYYYY YYY Y YY Y YYYEYYYYY YYYYYYY粒子数（N）、R辐射能、粒子注量、能量注量、注量率、 能量注量率、P辐射度125MeV r=1mm 栅元0.020.04mm2 5MeV 电子 r=1mm 栅元0.21mm25MeV r=1mm 栅元0.21mm2 5MeV n r=1mm 栅元0.21mm2笔形束辐射在水模中的纵向能量沉积13第一章第一章 电离辐射与物质的相互作用电离辐射与物质

7、的相互作用第二讲 带电粒子与物质的相互作用14一、带电粒子与物质的相互作用一、带电粒子与物质的相互作用 根据带电粒子与物质相互作用的特点，可以将其分为根据带电粒子与物质相互作用的特点，可以将其分为两种类型：两种类型：（1）轻带电粒子（电子）轻带电粒子（电子）（2）重带电粒子（如）重带电粒子（如 、p、原子核）、原子核） 带电粒子与物质的相互作用包括五种类型：带电粒子与物质的相互作用包括五种类型：（1）非弹性碰撞）非弹性碰撞（2）弹性散射）弹性散射（3）辐射相互作用）辐射相互作用（4）核相互作用）核相互作用（5）电子对生成）电子对生成151.1 1.1 非弹性碰撞非弹性碰撞过过 程程 带电粒子与

8、原子、分子或其他束缚带电粒子与原子、分子或其他束缚 态的电子发生库仑相互作用，使电子跃迁态的电子发生库仑相互作用，使电子跃迁 到较高的能级（激发）或脱离束缚系统到较高的能级（激发）或脱离束缚系统 （电离）；（电离）； 能量转移能量转移 带电粒子的动能带电粒子的动能 束缚系统的位能束缚系统的位能+电子动能电子动能 Ionization Slowing Down16 粒子与物质的作用：电离粒子与物质的作用：电离17 粒子与物质作用：激发粒子与物质作用：激发18非弹性碰撞（非弹性碰撞（Nonelastic collision）对象：对象：电子、重带电粒子重带电粒子硬撞或“对面撞”（hard or “

9、knock-on” collision）软碰撞或“核”碰撞（soft collision） ba，每次作用损失能量小；b与a同量级，每次作用能量损失大。 带电粒子在碰撞过程中损失能量与其径迹至原子的最近距离b的二次方成正比。 注：a 原子核半径。191.2 1.2 弹性弹性碰撞碰撞过过 程程 带电粒子在原子核库仑场的作用下改变运动方向，带电粒子在原子核库仑场的作用下改变运动方向，不发射电磁辐射、不激发原子，作用体系的总动能保持不发射电磁辐射、不激发原子，作用体系的总动能保持不变。（原子的电子也能引起弹性散射，但比较而言，不变。（原子的电子也能引起弹性散射，但比较而言，贡献要小得多。）贡献要小得

10、多。）能量转移能量转移 带电粒子的动能带电粒子的动能 带电粒子动能原子核动能带电粒子动能原子核动能电子散射电子散射201.3 1.3 辐射相互作用辐射相互作用过过 程程 （1）带电粒子在原子核电场产生加速运带电粒子在原子核电场产生加速运 动，发射动，发射电磁波（轫致辐射）电磁波（轫致辐射） （2）粒子与反粒子相互作用产生光子（湮没过程）粒子与反粒子相互作用产生光子（湮没过程） 能量转移能量转移 带电粒子的动能、静止质量带电粒子的动能、静止质量 电磁辐射电磁辐射21轫致辐射过程图示轫致辐射过程图示22轫致辐射轫致辐射 Bremsstrahlungl带电粒子在原子核附近受库仑场的作用，带电粒子飞带

11、电粒子在原子核附近受库仑场的作用，带电粒子飞行方向发生变化；行方向发生变化； 非弹性碰撞过程；非弹性碰撞过程； 带电粒子以光子辐射的形式损失能量带电粒子以光子辐射的形式损失能量 高能电子在物质中损失能量的主要方式高能电子在物质中损失能量的主要方式 重带电粒子以轫致辐射方式损失的能量非常小；重带电粒子以轫致辐射方式损失的能量非常小； Radiation Slowing Down23二、阻止本领（二、阻止本领（Stopping power）2.1 总阻止本领：总阻止本领： 总线阻止本领带电粒子通过物质时在单位路程上损失的能量。总线阻止本领带电粒子通过物质时在单位路程上损失的能量。dldEs dE是

12、是dl距离上损失能量的数学期望值。距离上损失能量的数学期望值。 总线阻止本领与总线阻止本领与带电粒子的性质（电荷、质量、能量）和带电粒子的性质（电荷、质量、能量）和物质的性质（原子序数、密度）有关。去除物质密度的影物质的性质（原子序数、密度）有关。去除物质密度的影响可得到总质量阻止本领公式：响可得到总质量阻止本领公式：dldEs1/(2.1)(2.2)24总质量阻止本领总质量阻止本领描述带电粒子在物质中穿过单位路描述带电粒子在物质中穿过单位路程时，因各种相互作用而损失的能量。它可分解为各程时，因各种相互作用而损失的能量。它可分解为各种相互作用阻止本领之和。种相互作用阻止本领之和。1( /)/c

13、cSdEdl1( /)/rrSdEdl/( /)( /)crSSS质量碰撞阻止本领（质量碰撞阻止本领（包括电离和激发对能量损失的贡献）包括电离和激发对能量损失的贡献）质量辐射阻止本领（由非弹性辐射相互作用导致的初级质量辐射阻止本领（由非弹性辐射相互作用导致的初级带电粒子的能量损失决定）带电粒子的能量损失决定） (2.3)(2.4)(2.5)252.2质量碰撞阻止本领质量碰撞阻止本领: 重带电粒子重带电粒子质量碰撞阻止本领公式质量碰撞阻止本领公式26分析：（1）电离损失与重带电粒子的电荷z2成正比； 库仑作用力（2）电离损失与重带电粒子的能量（速度）成反比； 作用时间（3）电离损失与物质的电子密

14、度成正比； 作用概率电子密度：27电子质量碰撞阻止本领公式：（1）电离损失与电子的能量（速度）成反比； 作用时间（2）电离损失与物质的电子密度成正比； 作用概率28碰撞阻止本领关系式（1）不同电荷，相同速度，同一物质（2）相同粒子，相同速度，不同物质),()(12IfMZzdldEcol22,)()(BABcolAcolzzSSBABcolAcolMZMZSS)/()/()()(,292.3 定限碰撞阻止本领（定限碰撞阻止本领（L/）（1）粒子粒子定义：能够产生分支径迹的次级电子（2) L/定义：L/=(dE/dl)/ dE为带电粒子在密度为的介质中穿行距离为dl时，由传递能量小于指定值的碰撞

15、而损失的能量的数学期望值。L称为传能线密度LET（Linear energy transfer）。 LET:特定能量的带电粒子在介质中穿行单位长度路程时，由能量转移小于某一指定值的历次碰撞所造成的平均能量损失。 L=Sc， L/ =(S/ )c302.4 辐射阻止本领 辐射损失 Z z2/m2 其中： Z 物质的原子序数； z 带电粒子的电荷数； m 带电粒子的质量。 在同一物质中，粒子能量的辐射损失比能量相同的电子约小107倍。31 粒子的能量损失粒子的能量损失Ee：电子能量：电子能量Z： 介质原子序数介质原子序数 粒子能量损失的主要方式：（粒子能量损失的主要方式：（1 1）电离）电离 损失

16、；（损失；（2 2）辐射损失（轫致辐射）辐射损失（轫致辐射） 辐射损失与电离损失的比值辐射损失与电离损失的比值800ZEdldEdldEeionrad32332.5 散射本领重带电粒子，非常靠近原子核，才发生散射。电子，质量小，离原子核较远时也会发生弹性散射。大量电子观测发现，电子偏转角服从高斯分布，且其均方值2与穿过物质层厚度成正比，称2为散射均方角。单位质量厚度散射均方角增量定义为质量散射本领（T/）:dldT21)/( 电子在密度为的介质中穿行距充为dl时产生的散射均方角增量。2d342.6 射程定义：带电粒子所能穿过的介质厚度称为射程，是带定义：带电粒子所能穿过的介质厚度称为射程，是带

17、电粒子在入射方向上的投影长度，因而又称为投影长度。电粒子在入射方向上的投影长度，因而又称为投影长度。 透射带电粒子数随吸收体厚度变化的曲线，称为射程透射带电粒子数随吸收体厚度变化的曲线，称为射程曲线。曲线。35重带电粒子36电子和射线37重带电粒子射程关系式（1）不同粒子，相同速度，同一物质（2）相同粒子，相同速度，不同物质当Z/Ma=1/2时，M粒子质量),()(02IFZMzMR 2122121)(zzMMRR)()()(abaababaMZMZRRbbaaRR38穿过厚度为x的吸收层的粒子数为N(x)，则平均投影射程可写为：00/ )(1dxdxxdNxNR连续慢化近似射程r0 假设带电

18、粒子与物质的每次相互作用损失的能量足够小，以致于可以把带电粒子损失能量的过程看成是连续慢化过程，则初始能量E的带电粒子在介质中穿行路程质量厚度的期望值可表示为：EEdEESdEdEdldlr0010/ ) (r0R39比电离与平均电离能比电离与平均电离能 比电离比电离 带电粒子在单位路径上所产生的带电粒子在单位路径上所产生的 离子对总数离子对总数 平均电离能平均电离能NEw E 带电粒子的初始能量；带电粒子的初始能量； 产生的离子对数的平均值，包括直接电产生的离子对数的平均值，包括直接电 离产生的离子对和次级辐射（例如轫致辐射）离产生的离子对和次级辐射（例如轫致辐射） 产生的离子对。产生的离子

19、对。N40 粒子在空气中的电离能力（比电离）粒子在空气中的电离能力（比电离） 粒子在空气中产生一个电离对的平均能量约粒子在空气中产生一个电离对的平均能量约35.5eV41三、本节总结1 、带电粒子与物质的基本规律 电子辐射（轫致辐射）、弹性散射 重带电粒子非弹性碰撞（电离和激发）、弹性散射2、带电粒子与物质作用宏观表述量 质量阻止本领：碰撞阻止本领和辐射阻止本领 理论公式 碰撞阻止本领（贝特公式）辐射阻止本领 经验取值 查表法 定限阻止本领 射程 电离能 42第三讲 不带电粒子与物质的相互作用43不带电粒子主要包括n光子（X射线和射线）n中子 光子和中子与物质的微观相互作用规律有差异，但不带电

20、粒子与物质作用的宏观描述量（衰减系数、能量转移系数、能量吸收系数）相同。44一、r和x射线与物质的相互作用1.作用类型与特点 （1）射线与x射线的定义（或产生） -rays：射线是由核和基本粒子转变（为核反应、核衰变、基本粒子衰变和基本粒子湮灭等）产生的电磁辐射光子。 x-rays：a.轫致辐射x射线。由带电粒子在原子核库仑场中慢化而产生的电磁辐射。 b.特征x射线。由原子电子能级改变而产生的电磁辐射。45 （2）作用类型（按能量吸收的多少来划分）完全吸收：完全吸收：光电效应、电子对生成、光 核反应和光介子生成等。部分吸收：部分吸收：康普顿散射和核共振散射。不不 吸吸 收：收：弹性散射。46三

21、种作用效应三种作用效应 光电效应光电效应 康普顿效应康普顿效应 电子对效应电子对效应 产生次级电子产生次级电子电离效应电离效应次级电子使次级电子使物质原子电离物质原子电离射线射线第第 1 1 步步初级作用初级作用第第 2 2 步步次级作用次级作用（3）特点47 与带电粒子比较，光子与物质相互作用的截面小得多，在 介质中可以穿行比较长的路程。 一次相互作用过程中光子损失的平均能量较大。 不能象带电粒子那样用阻止本领来研究不带电粒子在介质中的能量减少过程。 用新的参数来描述它们与物质相互作用（Cross section截面）、能量转移（energy transfer）和能量吸收（energy ab

22、sorption）的几率。 482.三种重要作用（对能量转移和吸收的贡献而言） (1)Photoelectric effect(光电效应)49自由电子自由电子原子原子受激原子受激原子作用机制作用机制光子同光子同(整个整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子作用把自己的全部能量传递给原子原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来来,成为自由电子，光子本身消失了。成为自由电子，光子本身消失了。 + A A* + e- （光电子）（光电子） 原子原子 A + X 射线射线光电效应光电效应babEhvEEhvE50原子的光电效应截面：单位：cm2式中： K常数

23、Z物质的原子序数光电效应的几率与原子序数 Z4成正比；光电效应的几率与光子能量h3成反比；低能光子与高原子序数物质作用，光电效应占优势；光电效应主要发生在K层及L层电子。第 I 阶段：（每个原子）51E与光电子发射角无关，但几率上越大，光电子越朝前向。与光电子发射角无关，但几率上越大，光电子越朝前向。52第 II 阶段：激发态退激激发态退激特征X射线俄歇电子53(2)Compton effect(康普顿散射) Compton scattering 54散射光子h反冲电子e入射光子h55散射光子的能量：式中：h/mc2（1）180o时，散射光子能量最小（2）当 1时，90o，散射光子能量约为0.

24、511MeV；180o，散射光子能量约为0.25MeV56反冲电子：能量关系：角度关系：57康普顿效应的总截面：KleinNishina公式：单位：cm2/电子（每个电子）58(3)Pair production(电子对生成) Pair creation59 电子对效应电子对效应能量能量1.02 MeV 1.02 MeV 的的射线射线与原子核作用可能产生一对与原子核作用可能产生一对正正- -负电子。负电子。 M M M + e M + e+ + + e+ e- - 1 1 + + 2 2 1.02 MeV m 1.02 MeV me e m me e 0.511MeV 0.511MeV 0.5

25、11MeV 0.511MeV基本条件：基本条件： 射线能量射线能量 E E 1.02 MeV 1.02 MeV 为什麽？为什麽？能量转化成能量转化成质量质量M = E /C260电子对效应截面：贝特公式：式中：（1）电子对效应截面与Z2成正比；（2）与光子能量的对数成正比；（3）正、负电子的角分布随光子能量的增加趋向前方。（每个原子）611）共同特点： a.存在角分布，且hv越大，光电子、反冲电子，生成电子越趋近入射光子方向。 b.能量转移截面可用光子能量转移为带电粒子（电子）动能的分数和相应的作用截面相乘获得。2）相对重要性623、X、射线与物质的相互作用的其他过程1. 相干散射光子作为电磁

26、波具有波粒二象性；干涉现象的条件：相干光源劳厄（Laue）发现X射线的相干散射现象，在0.00050.2MeV，相干散射主要是瑞利散射。瑞利散射（Rayleigh），与束缚得很牢固的电子的弹性散射，束缚电子吸收光子跃迁，随后又发出一个能量相同的散射光子。截面与Z2成正比，并随能量增大而急剧减小；低能时不可忽略，小角度散射。632. 光核反应光核反应：光子与原子核发生反应，有阈能。常见的光核反应：（，n）、 （，p）、 （，2n）及 （，pn）等典型的光核反应阈能（MeV）64光核反应的特点：（1）存在阈能；（2）光核反应截面存在巨共振峰；（3）光子能量达2030MeV时，可能发生（，2n）、

27、（ ，pn）、（ ， ）反应，但截面极小；（4）所有光核反应的截面的最大值不超过康普顿效应和 电子对效应截面的5；（5）光核反应会产生中子，还可能会产生放射性核素。 例如：65作用过程原子截面与光子能量、物质原子序数依赖关系相互作用后的次级粒子光子能量向次级电子转移的份额光电效应aZ4/h3光电子、俄歇电子、特征X射线光子1-f/h：光电子结合能f：结合能变成特征X射线光子能量的份额康普顿散射aZ反冲电子、散射光子1-h/hh：散射光子能量电子对产生akZ2(h-1.02)正、负电子湮灭辐射光子1-1.02/h1.02正负电子静止质量66二、Damping factor（衰减系数）窄束X或射线

28、的减弱规律（1）窄束（narrow beam）： 不包含散射成分的射线束（2）窄束单能射线在物质中的减弱规律线衰减系数，cm-1。67二、Damping factor（衰减系数）、Energy transfer facter（能量转移系数）、Energy absorption factor（能量吸收系数） (1)窄束衰减和衰减系数（Narrow beam attenuation and Damping factor） dN=-N dx （为线衰减系数） N=N0e-x定义质量衰减系数为/。RR68各种相互作用的衰减系数可同时对应的相互作用截面来表示。 ()AaANM()AeAN ZM=(NA/

29、MA)a R=(NA/MA)a R69（2）能量转移系数tr（Energy transfer factor）定义：光子在吸收介质中穿行单位长度距离时，其能量在相互作用过程中转移为电子动能的份额。表述： trtrtrtr质量能量转移系数tr/ /trtrtrtr70线能量转移系数tr： 穿行单位距离，光子转移为带电粒子的动能占总能量的份额。质能转移系数 tr /： cm-1cm2/g71（3）能量吸收系数en和辐射份额Y(E)（Energy absorption factor and Radiative fraction）线能量吸收系数 en质量能量吸收系数 en/(1)entrg/(1)ent

30、rg en/表示光子在物质中穿过单位质量厚度时，入射光子能量中转移给次级电子能量的碰撞损失份额。 g 能量转换为轫致辐射的份额。 72瞬时能量为E的电子的能量辐射损失份额y(E)可表示为：( )( ( )/) /( )/ry ES ES E能量为E的电子在慢化过程中的辐射能量损失份额Y（E）： 0001()()/()EEEY Ey E dEdEy E dEE若各作用过程产生的次级电子初始谱为f（E），则有： 00() ()/()hvhvgfE Y E dEfE dE734.混合物和化合物中的作用系数 式中：i元素 i 的重量百分比。nn)(.)()(2211747576三、中子与物质的相互作用

31、一、 弹性散射二、 非弹性散射三、 辐射俘获四、 其他核反应77中子几乎不与电子相互作用，只能与原子核相互作用中子散射弹性散射 如：快中子与轻介质非弹性散射 如：快中子与重介质吸收 辐射俘获 78791、弹性散射在质心坐标系中单次碰撞后能量比：散射角c可取0间的任何值多次碰撞后，平均能量损失份额：对氢核的例子80快中子能量从E1降到En，所需的平均碰撞次数：81二、非弹性散射非弹性散射过程：（1）直接相互作用（10-2210-21）；（2）形成复合核（10-2010-15）；（3）靶核发出动能较低的中子；（4）靶核处于激发态；（5）靶核释放若干光子退激。靶核的内能发生了改变82非弹性散射的特点

32、：（1）要克服最低的激发能级，所以存在阈能；（2）阈能以上，中子能量越高，非弹性散射截面越大；（3）第一激发能越低，越容易发生非弹性散射 重核的第一激发能约100千电子伏 轻核的第一激发能约几兆电子伏（4）伴随射线例屏蔽层加入重金属与减速剂交替屏蔽（中子减速、射线）83三、辐射俘获n辐射俘获：（n，）反应84（1）反应截面与中子能量有关，低能区除共振峰外，一般服从 规律；（2）反应形成的核素一般是放射性的，也有稳定核；（3）不同核素的热中子俘获截面变化很大，氙：2.65106靶，镉：19910靶，氧18只有104靶。特点：85四、其它核反应1. 发射带电粒子的核反应10Bn中子防护中常用镉、硼、锂作吸收剂氮16半衰期7.3秒，放、射线862. 裂变反应裂变反应：（n，f）反应易裂变同位素： 233U， 235U，239Pu，241Pu可裂变同位素： 232Th， 238U，240Pu放出约200MeV的能量873. 多粒子发射中子能量大于810MeV时，复合核发射多个粒子（n，2n）、（n，np）88中子衰减系数n中子通过物质也服