电离辐射计量基础2课件

电离辐射计量基础知识二○一一年九月第一章电离辐射基础知识第一节电离辐射的基本概念一、原子、原子核和同位素一切物质都是有原子组成的,原子由原子核和核外电子组成，原子核由质子和中子组成，原子的半径为10-8cm，原子核的大小只有10-12cm，只有原子的万分之一，一个电子质量约为:9.109×10-28kg,一个氢原子的质量约为：1.677×10-24kg；原子的质量由原子核和核外电子组成，原子的质量集中在原子核上。通常用A表示原子的质量数,Z表示原子核内的质子数,即原子序数,元素通常用表示。

同位素是具有相同的质子数和不同的中子数的同一种核素,如233U、235Ｕ、238U。同质异能态：核内质子数和中子数相同，能态不同，如99Tc、99mTc。三、电离辐射及其分类

1、电离:原子由于失去电子或获得电子而成为离子的过程。电离的发生要通过能量转移来实现。2、电离的过程：当带电粒子在物质中的核外电子旁通过时，由于静电相互作用，把能量转移给核外电子，如果能量足够大，将使核外电子脱离核的束缚而成为自由电子，被电离的原子则成为正离子，反之，如果一个中性原子获得一个电子则成为负离子；如果核外电子获得的能量不足以使电子摆脱原子核的束缚，则电子可以从原来的运动轨道跃迁到能量较高的轨道，使整个原子处于能量较高的状态，即激发态，处于激发态的原子是不稳定的，其多余的能量将以发射光子（x射线）的形式释放而回到原来的状态。

3、电离辐射：能够通过初级过程或次级过程引起电离事件的带电粒子或（和）不带电粒子，称为电离辐射。4、电离辐射分类：①直接电离辐射：具有足够动能、碰撞时能引起电离的带电粒子。如正负电子、质子、α粒子、重离子等。②间接电离辐射：与物质相互作用，能产生直接电离粒子的中性粒子，如中子、光子等。第二节辐射源一、天然辐射源1、宇宙辐射。星际空间和太阳不断地产生能量浩大的宇宙射线，它们有很强的穿透能力，在宇宙空间特别是大气层中与各种元素碰撞，经各类反应能量逐渐损失，人们所受到宇宙射线的剂量与地理位置有关，海平面要比高山上低。2、土壤和岩石中的放射性元素铀和钍以及子体产物。这些放射性元素的浓度与地理位置和地质构造有关，地球有些地区属于高本底地区，大部分属于低本底地区。

3、人体也常含有微量放射性元素14C、40K。另外，氡和钍射气也环境带来辐射。二、人工辐射源人工辐射源主要由核反应堆和加速器产生，还包括核武器爆炸产物。最广泛的人工辐射源是用放射性核素制成的放射性同位素辐射源，简称放射源，如60Co、137Cs。另外，一些装置如反应堆、加速器、X光机等都可以用来产生各种辐射，成为相应地辐射源。由于电离辐射通常应用的是放射源，本次作为重点介绍，其它的辐射源暂不介绍。核素半衰期主要能量MeV比活度GBq/g来源226Ra1620a4.598～7.68837铀矿石提取228Th1.91a5.341～8.787226Ra(n,γ)…235U7.1×108a4.216～4.400天然238Pu87.75a5.445～5.499636.4237Np(n,γ)…239Pu2.4×104a5.103～5.1552.28238U(n,γ)…241Am432a5.443～5.486126.9238U多次中子俘获241Pu核素半衰期β最大能量keVβ平均能量keV来源3H12.34a18.65.696Li(n,α)14C5710a156.5≈3014C标记63Ni100a65.917.062Ni(n,γ)63Ni62Cu(n,γ)63Ni55Fe2.72aEC54Fe(n,γ)55Fe56Fe(p,pn)55Fe3.高能β源：90Sr和106Ru核素半衰期β最大能量MeVβ粒子最大射程g/cm2制备方法90Sr-90Y28.7a2.2741.1陶瓷，粉末冶金105Ru-106Rh367d3.54(79.1%)1.6陶瓷，粉末冶金（三）γ放射源定义：以发射γ辐射为主要特征的放射源。通常是其他类型核衰变的伴随辐射。1.低能γ（χ）放射源：它由发射γ射线或χ射线的核素55Fe、57Co、75Se、109Cd、125I、153Gd、241Am、238Pu、241Am等制成。2.中等活度γ放射源：它由中等活度的137Cs、60Co、192Ir、124Sb、134Cs、182Ta、226Ra等核素制成，大多用于同位素仪表中。3.强γ放射源：它是活度大于1013Bq的60Co、137Csγ放射源，主要用在工业辐照和医用辐照装置中。核素衰变类型半衰期主要γ辐射生产方式能量MeV相对强度%60Coβ5.273a1.1731.33299.8599.9857Co(n,γ)60Co137Csβ30.18a0.66285.3裂变75SeEC0.32a0.066～0.0970.121,0.136,0.264,0.279,0.304～0.401416.5，5658.5，24.812.9574Se(n,γ)192Irβ0.2a0.201～0.2830.296，0.3080.316，0.4680.484～0.6124.128.9，29.482.7，47.821.1191Ir(n,γ)（四）中子源

定义：能产生中子的物质或装置。常用的中子源有：放射性核素中子源、加速器中子源和反应堆中子源。

利用放射性核素衰变发射的α粒子或高能γ射线与某些轻元素，如Be、B、F等作用，通过（α、n）或（γ、n）反应产生中子，或某些重元素如252Cf自发裂变发射中子，这样的中子源称为放射性核素中子源。放射性核素中子源具有体积小、中子发射率稳定、易生产、价格便宜安全性能好及使用方便等优点，缺点是中子发射率低，一般不大于108s-1。

用于制备（α、n）中子源的α放射性核素：226Ra、210Pb、210Po、227Ac、228Th、238Pu、239Pu、241Am、242Cm

用于制备（γ、n）中子源的γ放射性核素：24Na、48V、72Ga、88Y、140La、156Eu、156Tb、124Tb、106Agm、119Te、205Bi、206Bi、226Ra、228Thα粒子通过物质时呈直线运动，它的射程与其能量和所通过的介质有关，当α粒子能量在3~7MeV范围，它在空气中的射程可由以下经验公式估算：

Rair=0.318E3/2式中：Rair——α粒子在空气中平均射程，cm；

E——入射α粒子能量，MeV。二、β粒子与物质相互作用

核衰变产生的β射线具有连续能谱，用Emax/3作为β粒子的平均能量。β放射性核素所放射的β粒子能量一般在4MeV以下。在这样的能量范围内，β射线与物质相互作用的主要形式是电离、激发、散射和产生次级X射线等。（一）电离和激发β粒子比电离值比相同能量α粒子小很多。不同能量的β粒子在空气中的比电离值相差甚大。（四）β粒子射程和吸收定律

β粒子射程只和物质的密度有关，常用物质的质量厚度（g/cm2)来表示β粒子的射程。β粒子在物质中的吸收近似地遵从指数定律：Ｉ＝Ｉ0e-μmdmI0，I：β粒子穿过厚度为dm(g/cm2)，密度为ρ(g/cm3)的吸收体前后的强度；μm＝μ／ρ是质量吸收系数（cm2·g-1)三、γ射线和X射线与物质相互作用γ辐射是一种高能电磁波，波长很短（10-8～10-11cm），它是从原子核内发射出来的。Χ辐射同γ辐射一样，也是一种电磁波，但它是产生于原子核外部的辐射。（一）光电效应当一个光子和原子碰撞时，它可能将其所有的能量Ｅγ转移给某一壳层电子，使电子脱离原子而光子本身消失。脱离原子的电子叫光电子。（四）吸收

γ射线通过物质时，由于光电效应、康普顿效应和生成电子对而逐渐损失能量，并最终被物质吸收。

γ射线通过物质时，其强度的减弱服从指数规律：I=I0e-μχ

μ=μρh+μc+μp四、中子与物质相互作用中子通过物质时与原子核外电子几乎不发生作用，主要与核作用，其反应概率与核的性质及中子的能量有关。第二章电离辐射的常用量和单位第一节与放射性有关的量和单位一、放射性核素衰变常量λ放射性原子核数目的衰减服从指数规律：N=N0e-λt衰变常量λ指单位时间内每个核衰变的概率。衰变常量的单位是s-1二、放射性活度A放射性核素在单位时间内发生衰变的数目即衰变率，称为放射性活度。放射性活度的单位：1950年，国际标准为居里（Ci），1Ci=3.7×1010s-1；

1975年，国际标准定为：s-1，采用的专名是贝可，符号位Bq，1Bq=1s-1。二、粒子注量率φ定义：单位时间内进入单位截面积球体内的粒子数。单位：m-2·s-1。三、能注量Ψ定义：进入单位截面小球体内所有粒子能量。单位：J·m-2,常用单位：MeV·cm-2四、能注量率Ψ定义：用来描述单位时间内，进入单位截面球体内的粒子所具有动能总和的一个辐射量。单位：W·m-2,或写成J·m-2·s-2。五、截面σ

对某一种相互作用而言，靶体的截面σ是p除以Ф所得的商。其中p是入射带电或不带电粒子的注量为Ф时，对一个靶体发生该相互作用的概率。即：σ=p/Ф

截面单位：m2；过去曾用靶作截面的专用单位，符号位b，1b=10-28m2六、质量衰减系数μ/ρ定义：某物质对不带电致电离粒子的质量衰减系数μ/ρ是dN/N除以ρdl的商。单位：m2/kg。μ/ρ的各个分量通常还采用各衰减系数分量表示：

μ/ρ=（dN/N）/(ρdl)=τ/ρ+σc

/ρ+σcoh

/ρ+κ/ρ+…Τ,σc

,σcoh

,κ等分别表示光电效应截面，康普顿效应截面，相干散射截面和电子对生成截面等。七、质能转移系数μtr/ρ定义：不带电的致电离粒子转移给带电粒子动能的那部分占其总能量的份额。单位:m2/kg八、质能吸收系数μen/ρ定义:扣除了韧致辐射所损失的能量后，真正被物质吸收的那部分能量所占的份额。单位:m2/kg九、总质量阻止本领s/ρs/ρ=1/ρ(dE/dl)单位：J·m2·kg-1dE是指带电粒子在密度为ρ的物质中穿行dl时损失的能量。第三节剂量学的量和单位一、吸收剂量D1、吸收剂量吸收剂量是剂量学中和辐射防护领域中一个非常重要的量。它适用于任何类型的电离辐射、任何被辐射照射的物质，适用于内、外照射。定义：授予单位质量物质的任何致电离辐射的平均能量。吸收剂量的SI制专门名称是戈瑞，单位：J·kg-1；符号为Gy。1Gy的吸收剂量就等于1kg受辐照物质吸收1J的辐射能量。2、吸收剂量率吸收剂量率就是单位时间内的吸收剂量单位：1J·kg-1·s-1=1Gy·s-1二、照射量X1、照射量照射量是用以表示X或γ射线在空气中产生电离能力大小的物理量。定义：照射量是单位质量的一个空气体积之中，光子释放的所有电子在空气中全部被阻止时，所产生的一种符号的所有离子电荷的总和，名称为伦琴。单位：C·kg-1。曾用单位：伦琴，R；1R=2.58×10-4C·kg-1。2、照射量率定义：单位时间内的照射量。单位：C·kg-1·s-1。曾用单位R·s-1或R·h-1。三、比释动能比释动能是一个很重要的物理量。用符号K表示，它描述不带电致电离粒子与物质相互作用时，把多少能量传给了带电粒子。定义：比释动能是用来量度不带电致电离粒子与物质相互作用时，在单位质量的物质中释放出来带电粒子初始动能总和的一个宏观的物理量。单位：J·kg-1比释动能:是用来量度不带电致电离粒子与物质相互作用时，在单位质量的物质中释放出来带电粒子初始动能总和。吸收剂量:授予单位质量物质的任何致离辐射的平均能量。照射量:是单位质量的一个空气体积之中，光子释放的所有电子在空气中全部被阻止时，所产生的一种符号的所有离子电荷的总和，名称为伦琴.照射量X是dQ除以dm所得的商,即:吸收剂量与比释动能之间的关系:吸收剂量与照射量之间的关系:

四、比释动能、吸收剂量、照射量之间的关系第三章电离辐射测量的基本方法第一节电离辐射测量的基本内容一、电离辐射测量内容电离辐射测量内容：涉及记录α、β等带电粒子的数目，X射线、γ射线和中子的强度、能谱、注量率和剂量等等。对带电粒子的探测原理是基于带电粒子对探测介质的激发和电离效应，根据记录方法不同可使用下述测量器具：1、收集电离电荷的探测器----电离室和半导体探测器；2、收集退激荧光的探测器----闪烁探测器和热释光探测器；3、显示离子径迹的探测器----气泡室、固体径迹探测器二、探测原理⑴对带电粒子：基于带电粒子对探测介质的激发和电离效应。(2)对X、γ射线的探测原理是基于X、γ射线与物质相互作用产生的光电效应、康普顿效应和电子对生成，最常用的是Na(I)、Ge(Li)、HPGe探测器。(3)对中子的探测是基于中子引起的核反应，如核反冲法和核反应法、核裂变法及核激活法。