核电厂辐射防护2课件

射线与物质的相互作用当射线碰到物质时会发生的现象和会产生的结果不仅与射线的种类、质量、能量、电荷等有关，也与物质的成分、结构、密度等有关。既有各种物理效应，也可能发生一些化学效应和生物效应。射线的物理效应是辐射物理学的研究内容，射线的化学效应和生物效应则分别是辐射化学和辐射生物学的研究内容。射线与物质的相互作用X、γ射线与物质的相互作用中子与物质的相互作用带电粒子（α、β射线）与物质的相互作用X、γ射线与物质的相互作用X和γ射线都是电磁波，唯一的区别是它们的来源：γ射线是由原子核发射出来的辐射，而X射线是在原子核外部产生的辐射。以下讨论仅涉及γ射线，但完全适用于X射线。γ射线与物质相互作用有许多基本过程，就辐射防护而言，有意义的过程有如下三种：a)原子的光电效应b)原子的康普顿效应c)正负电子对产生原子的光电效应光子与物质碰撞时，把它的全部能量交给物质原子中的核外电子，电子把所得到的能量的一部分用于克服原子核对它的约束，剩下的能量就作为电子的动能，而光子整个地被物质所吸收。这种效应就是光电效应，光电效应在光子能量低时占主导地位。由光电效应生成的自由电子称为光电子。

原子的光电效应由能量守恒得到

hν＝Ee＋εi或者

Ee＝hν－εi

其中,hν为入射γ射线的能量(h为普朗克常数,

ν为电磁波的频率)；

E

e为光电子的动能；

εi为第i壳层电子的结合能。

Auger电子

有时，特征X射线击中原子外壳层轨道电子，并逐出这些电子。这些被逐出的电子具有的动能等于特征X射线的能量减去逐出电子的结合能。这样的电子称Auger电子光电效应的截面反应截面：简称截面。入射粒子和靶粒子之间发生某种特定相互作用的几率的度量。光电效应的截面与Z4.5成正比，随着Z的增大，光电效应截面迅速增加。例如在铅（Z＝82）中的光电效应的截面比铜（Z＝29）大许多。因此，应尽可能选择高Z的物质探测γ射线或者防护γ射线，以提高探测效率或获得更好的防护效果。原子的康普顿效应原子的康普顿效应光电效应中γ射线将其全部能量传递给原子轨道上的某一电子，而本身不再存在。康普顿效应中，γ射线只将部分能量传递给原子轨道上某一电子，运动方向发生了变化。

原子的康普顿效应

γ射线和束缚电子间发生的康普顿效应是一种非弹性碰撞，这种效应总是发生在外层电子上，而外层电子的结合能较小，一般只有几个电子伏，与入射γ射线能量相比，完全可以忽略，可以把外层电子看作是“自由电子”。可以把康普顿散射效应看成是入射γ射线与处于静止状态的自由电子之间的弹性碰撞。入射γ射线的能量和动量在散射γ射线与康普顿电子之间进行分配。康普顿效应特点

对于保健物理工作者来说，关心的相互作用是康普顿效应。由于散射γ射线并不是从辐射束中真正地除去或被吸收掉，这在屏蔽设计中会引起麻烦。在宽束辐射和厚屏蔽情况时，某些γ射线开始被散射出宽束之外，后经多次康普顿散射，又被散射回来，这就导致到达所关心地点或探测点的γ辐射比预期的要多。因此，为了把这种积累效应计算在内，往往需要做出修正。电子对产生当电子的能量大于1.022MeV时，它与物质相互作用时，光子在被物质吸收的同时，会转化为一个电子和一个正电子，就是所谓的电子对。

电子对的产生通常发生在原子核附近。湮没辐射

在物质中，电子和正电子两者都通过使原子电离而损失动能。正电子和电子不同，它极不稳定，寿命只有10-10～10-7秒。通过与物质中的电子相结合，再先转化为2个光子，这种现象称为正电子湮灭效应，所产生的光子叫做湮没辐射或光化辐射。

湮没辐射

湮没辐射的特征能量是0.511MeV。通常当能量大于1.022MeV的γ射线入射原子序数较高的物质时，很容易探测到这种特征能量为0.511MeV的次级辐射——湮没辐射。

两个γ射线在物质中又可以通过光电效应和康普顿效应与物质进一步相互作用湮没辐射湮没时，正负电子的动能为零。根据动量和能量守恒定律，两个光子的能量之和为正负电子的静止质量，从而导致湮没时产生的两个0.51MeVγ射线的动量数值相同，但飞行的方向相反电子对产生的截面这个过程的截面随靶粒子电荷变化，靶粒子可以是原子的一个电子，或者是一个原子核。在第一种情况下，截面正比于Z；在后一种情况下，截面正比于Z2三种效应与光子能量的关系光子与物质相互作用时所发生的以上三种效应和光子的能量有关系：当能量较低时，光电效应占主导地位；当能量增加到200keV以上时，康普顿效应就变得重要起来；当光子的能量进一步增加到大于1.022MeV时，电子对效应才开始变得显著起来。γ射线在物质中的衰减规律

物质对单色的γ射线衰减服从指数规律：

I＝I0e－μx式中：I0为γ射线未被物质衰减前的强度；μ为物质的总衰减系数；

x为γ射线穿过物质的距离。这里总衰减系数是三种效应的衰减系数总和。中子分类中子与物质相互作用的类型主要取决于中子的能量，在某一能量范围内，某种效应占优势。一般按下列能量范围对中子进行分类：1）热中子中子与周围的物质处于热平衡时，它们具有可由和室温下气体分子相比拟的速度，这时中子的最可几速度大约是2.2×105cm·s-1，相应的热中子能量为0.025eV。2）慢中子能量在0.5eV--1keV之间。一般以0.5eV作为热中子和慢中子的分界线。3）中能中子能量在1keV--10keV之间。4）快中子能量在10keV--10MeV之间。5）高能中子能量在10MeV以上。相互作用类型中子和X射线、γ射线一样，都不带电。但是，它与物质相互作用，既和带电粒子不同，又和X射线、γ射线不同，它总是与组成物质的原子核发生作用。中子与原子核相互作用过程可以分成两种类型：散射弹性散射非弹性散射去弹性散射吸收俘获过程散裂反应弹性散射如果碰撞前后中子和原子核的总动能和总动量都保持不变，这种散射就是弹性散射。原子核越轻，中子转移给原子核的能量就越多，因此中子与氢核散射时，反冲核（即反冲质子）得到的能量最多，一次散射中，中子平均有一半能量转移给反冲质子，有时中子能失去它的全部能量。非弹性散射

另外一种情况就是，在中子与原子核碰撞后，使原子核处于激发状态，而激发状态的原子核是不稳定的，当它从激发态回到基态时会放出γ光子，因此碰撞前后中子和原子核的总动能不相等（碰撞前的大于碰撞后的），这种碰撞就叫做非弹性散射。这一过程记作（n；n’，γ）去弹性散射去弹性散射，其结果会射出多个中子，而不是一个中子。例如氮核受到高能中子轰击时，它能放出两个中子，作用后氮核的电荷数保持不变。这一过程记作N（n；2n）N吸收吸收使得相互作用的中子和原子核的性质都发生了变化。这类过程包括俘获过程和散裂反应。俘获过程当中子飞近原子核时，可能被原子核俘获。俘获了中子的原子核立即放出多余的能量，即发射出带电粒子和γ射线。例如氮原子核俘获一个中子后，放出一个质子，核本身变成了碳原子核，这个过程称作（n，p）反应。又如，氢原子核俘获一个中子后变成氘原子核，同时放出一个γ射线，这个反应称作（n，γ）反应，压水堆中经常发生这种反应。一般把放出γ射线的俘获过程称为辐射俘获。散裂

能量很高的中子能引起原子核的散裂。在这种过程中，吸收了高能中子的原子核会放出两个或两个以上的粒子。例如，碳原子核吸收一个高能中子后，即散裂成一个中子和三个α粒子，记作（n；n’，3α）。中子各种反应的背景

快中子和中能中子主要与原子核发生弹性散射，慢中子与轻核作用以弹性散射为主。非弹性散射一般只在中子能量大于0.1MeV时才发生，且重核发生非弹性散射的几率比轻核大。放出带电粒子的中子俘获过程截面很小，且只限于轻核。去弹性散射和散裂反应只有在高能中子的情况下才能发生。人体中各种元素的比重

研究中子与组成人体组织的元素间的相互作用，具有重要意义。在人体组织中，按重量百分比计算，氢、碳、氮和氧四种元素的重量占整个人体重量的95％以上；按原子数计算，氢原子数占人体原子总数的60％以上。中子与人体元素的反应

快中子通过与人体组织中H、C、N和O等原子核的弹性和非弹性散射，不断地将能量传递给组织而被慢化；慢化后的热中子又通过1H（n，γ）2H、14N（n，p）14C等反应被组织吸收。核反应中放出的反冲质子（0.6MeV）、γ射线(2.2MeV)的能量最终也将被机体所吸收。书中表1.2-2给出了能量直到100MeV的中子在机体组织中可能发生的几种主要的相互作用。

带电粒子与物质的相互作用带电粒子主要指α和β射线，它们与物质的主要作用包括：电离和激发散射轫致辐射和契连科夫辐射

电离当运动的带电粒子与物质相接触的时候，会与物质中原子的核外电子发生静电作用，使核外电子从带电粒子那里获得能量。当所获得的能量足以冲破原子核的束缚力时，核外电子就脱离原子而成为自由电子，原子成了正离子。这种效应就叫做电离。

激发如果入射的带电粒子只是与原子的核外电子擦边而过，或者已经与其它原子东碰西撞而筋疲力尽，无力使原子的核外电子获得足够的能量去冲破原子核的束缚，而只能在原子内部由较低的能级跳到较高的能级，这种物理效应就称为激发。处于激发状态的原子将自发地跳回基态，这个过程叫退激。退激时，多余的能量常以光子的形式释放出来次级电离

顾名思义它不是直接由入射带电粒子引起的，而是由入射粒子在物质中所产生的次级粒子（如由电离产生的正离子和自由电子），如果它们的能量还足够高，以至当它们再与物质中的原子相互作用时还能继续使原子电离，产生正离子和电子。这种物理效应就称为次级电离。

据统计，α粒子通过气体时，所产生的离子对（正离子和自由电子）中，有60%以上是由次级电离产生的。对于β粒子或电子，直接电离仅占20%～30%，而70%以上为次级电离。

电离作用强弱影响因素研究结果表明，电离作用的强弱与带电粒子的能量和电荷以及物质的密度有关。当带电粒子入射进物质时，初始的速度大，在单位距离上由电离作用而产生的离子对数目比较少。随着带电粒子能量的损失，带电粒子的速度减慢下来，电离作用所产生的离子对数目随之增加。当带电粒子的速度趋近于零时，电离作用所产生的离子对数目最大。带电粒子到达路程的终点时，就在物质中停止下来。带电粒子在物质中所经过的距离称为射程。电离作用强弱影响因素为什么带电粒子在物质中的电离情况随着离子速度的减慢而增大呢？这是因为当带电粒子速度大时，经过原子的核外电子附近空间的时间短，静电相互作用的时间也就短，核外电子从带电粒子那里获得能量的机会就少，因而电离作用所产生的离子对数目就少。反之，带电粒子的速度小，电离作用就强，产生的离子对就多。电离作用强弱影响因素很显然，带电粒子在物质中电离作用的大小也和带电粒子所带的电荷多少有关。比如，同样能量的β粒子和α粒子都能产生电离效应，但是由于β粒子所带的电荷比α粒子少，所以其电离作用就比α粒子弱。而它的射程比α粒子要长，也就是说，它对物质的穿透能力比α粒子强。散射带电粒子在物质中通过时，还会受到原子核库仑电场的作用而改变运动方向，这种现象就称为散射。带电粒子被物质散射的情况还和粒子的质量有关。β粒子和α粒子的质量相差几千倍，因此，当α粒子入射物质时，只有当它们非常挨近原子核时才会改变其运动的方向，即发生散射。而β粒子就不一样，由于它很轻，无论是受到原子核还是核外电子的静电作用都会明显地偏离原来的运动方向。散射由于电子的质量比原子核的质量小得多，因而使单次碰撞中电子的能量变化甚微，但碰撞的次数极为频繁，这就造成了散射现象特别严重。就单次弹性散射而言，在多数情况下偏离原来运动方向不大，即所谓小角度散射。电子愈靠近原子核，散射愈利害，散射角度也愈大，散射角大于90的散射称为反散射。电子经过多次小角度散射，最后的散射角也可以大于90，这种现象也称为反散射散射

在辐射测量和辐射剂量分布的估算中，往往需要考虑多次散射的影响。在β放射源活度测量中，为了减少散射的影响，放射源的衬托物、支架等都要利用原子序数低的物质，因为Z低，原子核库仑场的作用小

湮没辐射

β+与物质的相互作用，基本上与β-相同，只是β+粒子在物质中损失了动能之后，它将与一个β-粒子相“结合”而消失，同时产生两个能量为0.51MeV的γ射线。这种过程叫做电子对的湮没，所产生的γ射线就是湮没辐射。轫致辐射如果一个高速运动的β粒子（即电子）突然受到物质的阻止，而使它的速度急剧地减缓下来，这时它所损失的能量就会以电磁波的形式释放出来，这就是所谓的轫致辐射。前面已经说过，轫致辐射也是一种X射线，一种具有连续能谱的X射线。广泛应用的X光机就是利用这个效应来产生X射线的。

契连科夫辐射如果电子或其它带电粒子在真空中具有很高的速度（接近光速），那么当它进入折射系数较大的物质时，它的速度有可能大于光在该物质中的速度。在这种情况下，电子或其它带电粒子能量的一部分会转化为可见光或紫外光发射出去。这时候如果观察者对着电子或带电粒子运动的方向，就可以看到发光现象。这种现象是前苏联物理学家契连科夫首先发现的，所以称为契连科夫辐射

无论是单能电子束，还是能量连续分布的β射线束通过物质时，在电离、激发和轫致辐射过程中将逐步损失能量。如果物质的厚度足够大，它们会完全停止在物质中，这种现象就是β粒子被物质吸收吸收射程

把β粒子在某种物质中沿着入射方向从入射点到最后被物质吸收所经过的最大直线距离，称作β粒子在物质中的射程，常用符号R表示线减弱系数当β粒子的穿透距离远小于粒子的射程时，平行β射线束的吸收近似服从指数规律，即

I（x）＝I0e-μx

x是吸收物质厚度，cm；

I0为x＝0时β粒子的强度，β粒子数/秒；

I（x）是吸收物质为x时的粒子强度；

μ为物质对β射线的线减弱系数，cm-1。线减弱系数的物理意义是β粒子通过单位厚度物质后，粒子数的相对损失射线与物质的相互作用复习思考题1．射线与物质相互作用的主要过程。2．中子与物质相互作用的主要过程。3．β射线与物质相互作用的主要过程。辐射量和单位

一般将辐射防护中使用的量分为三类：材料辐射量物理辐射量生物辐射量材料辐射量材料辐射量仅是材料性能的函数，而与材料受到的辐射的数量和速率无关，例如γ射线衰减系数物理辐射量物理辐射量，它正比于接受的辐射数量或速率，用于表征辐射场，例如吸收剂量和粒子注量率生物辐射量生物辐射量用于表征物理辐射场对组织的生物效应，属于这一类的量是当量剂量放射防护的两类量由ICRP定义的防护量和由ICRU定义的实用量在ICRP第60号出版物中推荐的一组最新防护量，包括有效剂量E和组织或器官的当量剂量HT。这些量都是不能直接测量的，但是，如照射条件已知则适合于计算。ICRU为区域监测和个人监测定义了一套实用量，目的是为防护量提供一种估计，并作为监测中使用的仪表刻度量。粒子注量（率）在单向平行辐射场中，粒子注量Ф，数值上等于通过与粒子入射方向垂直的单位面积的粒子数。对于非单向平行辐射场，辐射场中某一点处的粒子注量，是进入该点为球心的一个小球内的粒子数dN除以该球截面积da

而得的商，即Ф＝dN/da粒子注量（率）粒子注量Ф的SI单位为“m-2”。事实上，粒子注量Ф，可以理解为进入单位截面积小球的粒子数。粒子注量（率）粒子注量率它是dФ除以dt的商，dФ是时间间隔dt内粒子注量的增量，表示为φ＝dФ/dt

粒子注量率的SI单位为“m-2·s-1”。能量注量如果入射到截面积为da的球体内的辐射能为dE，则能量注量为

Ψ＝dE/da

能量注量的SI单位为“J·m-2”。能量注量率单位时间内能量注量的增量，若在时间间隔dt内，能量注量为dΨ,则能量注量率即为

ψ＝dΨ/dt能量注量率的SI单位为“W·m-2”。授与能电离辐射对某体积内的授与能是进入某一体积内带电的和不带电的致电离粒子能量总和之差，再加上该体积内发生核反应和基本粒子反应所引起的静质量减少的能量当量。授与能

ε＝Rin-R

out+ΣQ

ε为某体积内物质的授与能；R

in为入射到该体积内的能量；R

out为由该体积内射出的能量；最后一项为该体积内发生的任何核和基本粒子的转变中，核和基本粒子静止质量能的各种变化总和（减少时为正号，增加时为负号）。授与能的SI单位为“J”。因为辐射与物质相互作用为随机过程，授与能是一个随机量，授与能的期望值称作平均授与能，记作。传能线密度或者称为某物质对某种带电粒子的线碰撞阻止本领，它是dE除以dl的商。dE是该粒子穿行dl距离时，由于与电子碰撞而损失的平均能量，即

L＝dE/dl品质因数

品质因数Ｑ表示吸收能量的微观分布对生物效应的影响的系数。

它是水中非限定传能线密度L的函数。ICRP第60号出版物中给出的Q（L）值作为L的函数如下：

Q（L）＝1(L<10)

Q（L）＝0.32L-2.2(10≤L≤100)(L>100)L的单位是keV·μm-1

比释动能定义为dEtr除以dm所得的商。dEtr是不带电的致电离粒子在质量为dm体积元之中释放出的所有带电的致电离粒子的初始动能的总和，即

K＝dEtr/dm比释动能的单位是“J·㎏-1”，其专门名称是“戈瑞（Gy）”。照射量照射量X是dQ除以dm的商，即

X＝dQ/dm

dQ为光子在质量为dm的空气中释放出的所有次级电子完全被阻止在空气中，其在空气中产生的同一种符号的离子的总电荷量。照射量的SI单位，按定义为“C·kg-1”，没有专门名称照射量的专用单位是R（伦琴），它与SI单位的关系是

1R＝2.58×10-4C·kg-1

因此1C·kg-1＝3.877×103R照射量率照射量率是dX除以dt的商，即

dX为时间间隔dt内照射量的增量。照射量率的SI单位是“A·kg-1”，专用单位则是“R/s”。注意：照射量和照射量率只对空气而言，只是从电离本领的角度说明X射线或γ射线在空气中的辐射场性质，仅适用于X射线或γ射线。吸收剂量符号为D，它是除以dm所得的商。是致电离辐射授与质量为dm的物质的平均能量，即

吸收剂量的SI单位是“J·kg-1”，专门名称是“戈瑞（Gy）”。吸收剂量率dt时间间隔内D的增量

吸收剂量率的SI单位是“J·kg-1S-1”，专门名称是“戈瑞/秒（Gy/s）”吸收剂量与照射量的区别：

吸收剂量：适用于任何射线和任何靶物质，衡量的指标是被照射物质所吸收的辐射能量。

照射量：只适用于X射线及γ射线，靶物质是空气，衡量的指标是在空气体积内形成的次级电子所产生离子总电荷量，即X射线或γ射线通过该体积的空气时所放出的能量，是辐射场的量度。辐射权重因子吸收剂量本身并不足以表示辐射对人体组织的损害几率。实验上发现，辐射的生物学后果不仅依赖于沉积在单位组织质量中的能量，还依赖于组织中沿辐射路径上能量分布的微观形式。例如，对于单位质量吸收相同的能量，中子引起的生物学损伤要比γ（或X）射线大。辐射权重因子对于辐射防护实践领域的应用，ICRP推荐了一套称作“辐射权重因子”的参数，以便对不同辐射引起的吸收剂量进行修正。辐射权重因子记作wR，书中表1.3－1列出了ICRP的推荐值。辐射权重因子当计算中子的辐射权重因子需要用到一个连续函数时，可以使用下列近似式

wR＝5＋17·exp{-[ln(2En)]2/6}

式中：En是中子的能量，单位为MeV器官或组织中的当量剂量

辐射R在组织或器官中产生的当量剂量HT·R由下式给出式中，DT·R是辐射R在组织或器官T中产生的平均吸收剂量，wR是辐射权重因子。由于wR为无量纲量，当量剂量的SI单位与吸收剂量的相同，即“J·kg-1”，其专门名称是“希沃特（Sv）”当量剂量当辐射场由不同wR值的不同类型和（或）不同能量辐射构成时，为确定总的当量剂量，必须把吸收剂量细分为一些组，每组的吸收剂量乘以各自的wR值，然后求和，即

当量剂量对时间的导数是当量剂量率组织权重因子随机性效应发生的概率和当量剂量之间的关系还随受照射的器官或组织的不同而变化。因此，合适的做法是再定义一个由当量剂量导出的量，以表示几种不同组织受到不同剂量照射时某种意义上的综合。对组织或器官T的当量剂量加权的因子称为组织权重因子。组织权重因子各个因子的选取要使整个身体受某一均匀当量剂量照射时得出的有效剂量在数值上等于那个均匀当量剂量。因此，所有组织权重因子的总和等于1。这个加权后的当量剂量（两次加权的吸收剂量）称为有效剂量E

有效剂量有效剂量E是人体所有组织或器官加权后的当量剂量之和

有效剂量对时间的导数是有效剂量率辐射防护中常用的防护量器官吸收剂量当量剂量有效剂量器官吸收剂量在人体某一指定组织或器官T的平均吸收剂量D

T，由下式给出：

m

T是该组织或器官的质量；D是在质量为dm中的吸收剂量辐射防护中使用的实用量由ICRU定义的实用量与ICRP定义的防护量相关联，目的在于评价与限值的符合情况时能对防护量提供一种合理的估计。对于区域监测，实用量是周围剂量当量

H*(d)和定向剂量当量H'(d,Ω)；对于个人监测，实用量是人体内个人剂量当量Hp(d)剂量当量某点处的剂量当量H

Q(L)是具有传能线密度L的粒子的品质因数；（dD/dL）dL是在该点处传能线密度为L至L＋dL之间的吸收剂量扩展齐向场对于周围剂量当量H*(d)和定向剂量当量H'(d,Ω)，ICRU引入了辐射场齐向和扩展的概念。扩展辐射场被定义为一种假想的辐射场，在其中的所要研究的整个体积内，注量及其角分布以及能量分布与参考点处的实际辐射场相同。扩展齐向场是一种假想的辐射场，该场的注量及其能量分布与扩展场的相同，但注量是单方向的。周围剂量当量辐射场中某点处的周围剂量当量H*(d)是相应的扩展齐向场在ICRU球体内、对着齐向场的半径上、深度d处产生的剂量当量。对于强贯穿辐射，推荐的d值是10mm；对于弱贯穿辐射，推荐的d值是0.07mm定向剂量当量辐射场中某点处的定向剂量当量H'(d,Ω)是相应的扩展场在ICRU球体内、指定方向Ω的半径上、深度d处产生的剂量当量。对于强贯穿辐射，推荐的d值是10mm；对于弱贯穿辐射，推荐的d值是0.07mm。深部个人剂量当量深部个人剂量当量Hp(d)是身体上指定点下面深度d处按ICRU球定义的软