辐射剂量学基础

辐射剂量学基础吉林大学公共卫生学院辐射防护教研室陈大伟本章主要内容剂量学的基本概念电离辐射场描述相互作用系数基本剂量学量放射防护量检测实用量3.1电离辐射和电离辐射场３.１.１电离辐射的基本概念：一、电离辐射和非电离辐射二、辐射效应和辐射剂量电离辐射和非电离辐射统称电磁辐射辐射非电离辐射电离辐射日常所见的微波、无线电波、可见光和紫外线带电粒子（α、β、电子和质子等）不带电粒子（X、γ和中子等）一．电离辐射和非电离辐射激发过程电离辐射（1）电离（ionization）：指从一个原子、分子或其它束缚态中释放一个或多个电子的过程。（2）电离辐射（ionizingradiation）：能够引起电离的粒子（带电和不带电）的空间分布(不带电粒子也能电离，但与带电粒子相比、几率小)（3）电离过程：主要是由具有一定动能的带电粒子与原子中的电子碰撞引起的。一般从一个原子中释放出一个价电子所需要的能量在4—25ev，当电子、质子等带电粒子的动能大于该值时，可将其称作电离辐射。（4）非电离辐射（non--ionizing

radiation）粒子动能小于该值（４－２５ev）光子：非带电粒子、能量大于１０ev为电离辐射能量小于１０ev为非电离辐射（5）直接电离辐射（directlyionizingradiation）具有一定能量的带电粒子穿过物质时，通过库仑相互作用直接在物质中沉积能量并引起电离。（6）间接电离辐射（indirectlyionizingradiation）光子、中子、x射线等不带电粒子穿过介质时，首先将能量转移给带电粒子，随后这些带电粒子（次级）再沉积能量和引起电离。或次级过程引起电离的不带电粒子称作间接电离辐射。二．辐射效应和辐射剂量辐射效应：电离辐射通过电离、激发过程将能量授予受照物质从而导致物质的物理、化学甚至生物性质发生变化，我们把这一变化称为辐射效应。电离辐射生物学效应射线与物质的相互作用。。。。。。。。。。。。αβγn物质：气体液体固体 包括人体等

。。。。。。

。。。原子。。。微观粒子间碰撞的能量传递过程描述辐射与物质相互作用电离辐射与物质的相互作用是研究辐射效应和进行剂量测量的物理基础。相互作用——能量和运动方向改变辐射剂量：辐射能量在物质内沉积的数量和方式是决定辐射效应的重要方面。辐射剂量就是为此提出的物理指标。辐射剂量用于预测电离辐射导致受照物质发生真实效应或潜在影响程度。需注意的是，某一个辐射剂量数值取决于相关辐射的类型、能量以及受照物质的性质，同时也依赖于照射条件(时间、方式和途径)。

辐 射 剂 量 与 效 应3.1.2电离辐射场及其表达一、辐射场的定义和相关要素

二、粒子注量（率）和能量注量（率）三、粒子辐射度和能量辐射度

四、完整描述辐射场的基本量度一、辐射场的定义和相关要素电离辐射场就是电离辐射在其中通过、传播乃至经由相互作用传递辐射能量的整个空间范围。从广义上讲，辐射场涉及的范围是无限的。在狭义上，我们通常关心的某辐射场常常是具体的和有限的。带电粒子径迹带电粒子与物质相互作用，可能沿径迹产生单个的电离或激发，也可能交给原子中的电子较大的能量，使电子进一步产生电离和激发，形成分之径迹。辐射场性质的内涵包括：1、辐射场的类型（α辐射场，β辐射场，γ辐射场、中子辐射场和混合辐射场等）；2、粒子的能量（单能辐射场、具有能量分布的辐射场）；3、粒子的运动方向（单向辐射场、多向辐射场）。简单来说就是位置、时间、方向、类型和能量等五个要素。辐射场的描述

•电离辐射居留的空间称为电离辐射场。常用以下量来

描述：粒子数:发射，转移或接收的粒子数目。

粒子数的单位是1。辐射能:发射，转移或接收粒子的能量（不包括静止能）。辐射能的单位是J粒子数密度:单位体积中的粒子数目，是表征辐射场疏密程度的物理量n=dN/dV

单位是m-3辐射场中每一个粒子都具有一定的能量，将所有粒子能量（不包括静止能量）求和，即得辐射能二、粒子注量（率）和能量注量（率）粒子注量：T时间内，进入以r点为球心的单位截面积小球的粒子数，m-2粒子注量率：能量注量：T时间内，进入以r点为球心的单位截面积小球的辐射能，J∙m-2能量注量率：1.截面da必须垂直每个入射方向，定义中采用小球体，使得来自各个入射方向的粒子都满足这个要求。

2.粒子注量的单位：m-2粒子注量说明粒子注量是dN除以da所得的商(dN/da)

=

dN/da

其中dN是入射到截面为da的球体内的粒子数。这里所谓的“入射到”或称进入，强调只穿过一次，并只考虑进入，不考虑流出。三、粒子辐射度和能量辐射度粒子辐射度：单位:m-2∙s-1∙sr-1

能量辐射度：单位：J∙m-2∙s-1∙sr-1四、完整描述辐射场的基本量度意指t时刻单位时间内，沿某方向单位立体角入射到辐射场r点的，单位能量间隔内能量为E的粒子数或辐射能。由于粒子类型是不连续的，结合前述，得到辐射场中第i种粒子的粒子辐射度按其能量的微分分布为，这一指标完整的考虑了五要素，成为描述辐射场性质的基本量度。小结描述辐射场性质的概念总结如下：3.2基本剂量学量3.2.1相互作用系数：

一、阻止本领二、衰减系数、能量转移系数和能量吸收系数一、阻止本领带电粒子与物质相互作用的类型主要有电离、激发和轫致辐射。前者意味着带电粒子能量的直接沉积；后者意味着带电粒子能量转化为具有连续能谱的X射线。碰撞阻止本领：Scol=（dE/dl）col（电离、激发）辐射阻止本领：Srad=（dE/dl）rad（轫致辐射）单位：均为J∙m-1

带电粒子与物质相互作用质量阻止本领：Scol/ρ=（dE/ρdl）colSrad/ρ=（dE/ρdl）radρdl称为质量厚度，表示在物质中穿行单位长度时遭遇到的质量，kg∙m2。碰撞过程和辐射过程共同损失的总能量为：S=Scol+SradS称为总阻止本领，单位J∙m-1

，相应的有总质量阻止本领，单位kg∙m2。光子与物质相互作用光子穿过物质:可与原子的核外电子相互作用:主要是光电效应、康普顿效应和电子对产生效应。当其能量超过核反应阈能时，还发生光核反应。对辐射剂量学而言，重要的作用类型是光电效应、康普顿效应和电子对产生效应。另外，从辐射防护（例如高能X射线治疗中的防护）角度，光核反应产生的中子也已引起人们的注意。二、衰减系数、能量转移系数和能量吸收系数光电效应康普顿效应电子对生成衰减系数若忽略空气对射线的散射和吸收，则穿过厚度为dl的物质层后，窄束X、γ射线的衰减，符合简单的指数衰减规律：式中，μ是入射X、γ射线光子的线衰减系数，单位：m-1，表示：X、γ射线在物质中穿行单位长度路程时，其光子注量减少的份额：线衰减系数与光子的原子截面有以下关系：括号内三项分别为光电效应、康普顿散射和电子对产生的原子截面，是单位体积中物质的原子数；为阿伏伽德罗常数，为摩尔质量。质量衰减系数：单位：m2/kg

表示：X、γ射线在物质中贯穿单位质量厚度物质时，其光子注量减少的份额。能量转移系数线能量转移系数（m-1

）：质量能量转移系数（m2/kg）：表示：X、γ射线在物质中穿行单位路程或质量厚度时，光子能量向次级电子转移的份额。

线能量转移系数，与光子的原子截面有如下关系：能量吸收系数能量吸收系数（m-1

）：质量能量吸收系数（m2/kg）：其中，g为次级电子慢化过程中，其能量辐射损失的份额。线能量吸收系数μen

、质量能量吸收系数μen/ρ的剂量学含意是：X、γ射线在物质中穿行单位路程时，光子能量向次级电子转移，且通过次级电子的电离、激发过程被物质吸收的份额。/tr/en/区别和联系/：反映入射的射线与物质相互作用的总几率。tr/：这些过程中光子能量转移给次级带电粒子的那部分分额的总和。en/：表示扣除轫致辐射后，入射光子能量真正被物质吸收的那部分份额的总和。三个系数分别量度有多大比例光子参与了相互作用，能量有多大比例转移给次级带电粒子，又有多大比例真正被物质吸收了。3.2.2基本剂量学量一、吸收剂量

二、比释动能三、辐射平衡

一、吸收剂量和吸收剂量率1、吸收剂量（absorbeddose）D的定义：是T时间内，电离辐射授予r点处质量为dm物质的平均辐射能量。

吸收剂量，与受照物质的形状、大小以及关注的位置密切相关。SI单位：J·kg-1专名戈瑞（Gy）过去常用单位：拉德（rad）1Gy=100rad2、吸收剂量率（absorbeddoserate）D（t）＝dD/dt

单位：Gy/s或rad/s二、比释动能定义：

dEtr（T，r）是T时间内，辐射场r点处，不带电粒子在质量为dm的物质中，因相互作用过程释出的所有带电粒子初始动能的总和。简言之，比释动能就是不带电粒子在单位质量物质中，向次级带电粒子转移的能量。SI单位：J·kg-1

专名戈瑞gray符号Gy过去沿用的专用单位：拉德（rad）或（rd）

1rad=10-2Gy.出于实际需要，依次级电子的能量归宿，光子的比释动能K(T,r)分为两个组分：碰撞比释动能Kc（T,γ）和辐射比释动能Kγ（T,γ）：若次级电子能量辐射损失的平均份额为，则：光子的碰撞比释动能是单位质量物质中，光子释出的所有次级电子的初始动能，而后以电离、激发方式损失的能量总和。必须注意的是，按定义，比释动能、碰撞比释动能、乃至辐射比释动能，只用于不带电的电离辐射（中子和光子）。三、辐射平衡定义：若由每一种给定能量、特定类型的电离粒子从辐射场某点一个无限小体积内带走辐射能的期望值（），与相同能量、同类粒子带进该体积的辐射能的期望值（）正好相等，则称：辐射场这一点存在了“辐射平衡”（RE）。简言之，辐射平衡下，进入辐射场某点一个无限小体积的辐射能，正好补偿离开该体积的辐射能：1、“完全辐射平衡”所谓“完全辐射平衡”，就是：每一种辐射成分，带进辐射场某点一个无限小体积的辐射能，能够充分补偿同类辐射成分从该体积带走的辐射能；于是，所关心的体积内，便同时存在各类辐射成分的平衡。内照射情况下，如果器官、组织内均匀分布了α、β放射性核素，那么，相关器官、组织内，将会有相当好的完全辐射平衡情况；除非所关心的位置，离开器官、组织边界太近，距离小于α、β粒子的最大射程。2、带电粒子平衡CPE

（chargedparticleequilibrium）

带电粒子平衡示意图pBAd△v

均匀场均匀介质

CPE条件下，关注的体积内，物质吸收剂量D(T,r)，与相应的碰撞比释动能Kc(T,r)，数值相等。r点处的吸收剂量值，可按下列方式取得：或者K(T,r)是总的比释动能；Ψ(T,r)是入射不带电粒子的能量注量；则是物质对不带电粒子质量能量吸收系数的平均值。照射量和照射量率（1）、照射量定义：X＝dQ/dmdQ的值是光子在质量dm的空气中释放的全部电子完全被空气阻止时，在空气中所产生的一种符号的离子总电荷的绝对值。（并不包括dm体积内由于轫致辐射而引起的电离电荷）P．X或rdm

图2X或γ在空气中的电离过程。o.（2）、定义说明：1

，2，3（3）、SI单位：c·kg-1

无专名

照射量曾用单位：伦琴，符号R1R=2.58×10-4

c·kg-1

（4）、照射量率定义：单位时间内的照射量增量。

X＝dx/dt单位SI制，ckg-1s-1

曾用过的单位R·S-1D、K和X三者之向的关系1、吸收剂量与比释动能的关系：

CPE条件下：D=Kc2.吸收剂量和比释动能随物质深度的变化3、吸收剂量D与照射量X的关系：

D=

（W/e）aX=fX

在空气中：D（Gy）=8.73×10-3

X（R）4．照射量X与空气碰撞比释动能kca的关系：

X=Kc·a

（W/e）a5.照射量x与能量注量ψ的关系：

X=ψ·（μen/ρ）（e/W）

6.电离室的能量晌应：

S（E）=〔（μen/ρ）m/（μen/ρ）a〕E3.3放射防护量和监测实用量3.3.1放射防护量：一、基本放射防护量二、集体量和人均量一、基本放射防护量1、器官剂量，DT一个器官、组织T范围内的平均吸收剂量，定义为：其中，V是相关器官、组织范围的体积；D(X,Y,Z)是该范围内质量密度为ρ(X,Y,Z)的(X,Y,Z)点处的吸收剂量值。实际工作中，平均吸收剂量，常见写作DT，单位：Gy。2、当量剂量，HT器官、组织T的当量剂量（equivalentdose）HT是，以各自辐射权重因子wR修正后，相关辐射对特定器官、组织T的剂量总和，亦即：其中，DT,R是器官、组织T或其特定靶区范围内，由辐射R产生的平均吸收剂量；wR是，与入射到人体或滞留于人体的放射性核素发出的第R种辐射相应的，辐射权重因子，其实，是：依据第R种辐射的生物学效能，对器官、组织的平均剂量DT,R施加修正的一个因子。表3.1ICRP最新的辐射权重因子数值（2007）辐射类型wR光子1电子，μ子1质子，带电的π介子2α粒子、裂变碎片、重原子核

20中子En＜1MeV2.5+18.2×exp{-[ln(En)]2/6}1MeV≤En≤50MeV5.0+17.0×exp{-[ln(2En)]2/6}En＞50MeV2.5+3.25×exp{-[ln(0.04En)]2/6}辐射类型1990年推荐值2007年推荐值光子(X、γ射线)11电子和μ介子11质子和带电π介子5(没有π介子)2α粒子、裂变碎片、重离子2020中子依中子能量分5个区间,分别为:5、1020、10、5能量En的连续函数2010-12-01辐射权重因子吉林大学公共卫生学院例如：肺受α射线照射的吸收剂量为：

D肺，α=1mGy=1mJ/kg，以α射线辐射权重因子修正后的肺剂量为：

H肺=wαD肺，α=20×1mJ/kg=20mJ/kg原来，肺的α射线剂量1mJ/kg，经辐射权重因子修正后变成了20mJ/kg，也就是，以辐射权重因子wα计权修正后，已不再是α射线的吸收剂量，其含意是：为与1mJ/kgα射线吸收剂量，对肺组织造成的影响程度大致相仿，X、γ射线的吸收剂量，需要20mGy。正是这个缘故，为与吸收剂量相区别，特别，对当量剂量HT的SI导出单位“J/kg”，赋于另一个专门名称：希沃特（sievert）,国际代号：Sv（希）。当量剂量HT的实质就是：为与特定辐射对器官T造成的辐射影响程度相仿，低LET辐射需要的吸收剂量。放射防护评价中，当量剂量HT的意义在于：对于特定器官T，无论对它造成照射的是何种辐射,只要当量剂量HT值相同，该器官蒙受随机性效应的影响程度大致相仿。3、有效剂量，E有效剂量E是，以各自组织权重因子（tissueweightingfactor）wT计权修正后，人体相关器官、组织当量剂量的总和，亦即：

wT是，与器官、组织T相应的组织权重因子；它是依器官、组织随机性效应的辐射敏感性，对器官当量剂量施加修正的一个因子。

wT的实质是：全身各器官均匀受到相同当量剂量照射时，个人蒙受的随机性健康危害中，T器官所占的份额。表3.2ICRP最新的组织权重因子值（2007）器官、组织涉及的器官组织数目wT合计肺、胃、结肠、红骨髓、乳腺、其余组织60.120.72性腺(卵巢、睾丸)20.080.08食道、膀胱、肝、甲状腺40.040.16骨表面、皮肤、脑、唾液腺40.010.04全身151.00

组织或器官1990年推荐值2007年推荐值

红骨髓、结肠、肺、胃0.120.12

乳腺0.050.12

其余组织

0.05(只规定10个组织进行计算)0.12(分男女各取13个组织)*

性腺0.200.08

膀胱、食道、肝、甲状腺0.050.04

骨表面、脑、唾液腺、皮肤0.01(没有规定脑和唾液腺)0.01

组织权重因子WT吉林大学公共卫生学院放射防护评价中，有效剂量E的意义在于：放射防护关注的低剂量率、小剂量范围内，无论哪种照射情况（外照射、内照射、全身照射抑或局部照射），只要有效剂量值相等，人体蒙受的随机性健康危害，程度大致相仿。包括有效剂量在内，放射防护量，都无法直接测量，只能根据外照射的辐射场量、内照射的放射性核素摄入量进行计算，或者通过其它可以测量的那些量来加以估计。为规范有效剂量计算，ICRP规定了剂量计算的参考人数学模型，提出了具体计算有效剂量的程序和公式。有效剂量，主要，也是最基本的用途是，论证照射情况是否遵循放射防护标准。辐射事故情况下，如果出现组织反应，绝不能依据有效剂量，评估效应程度、计划必要行动。此时，必须估计：组织反应所在的那些器官、组织的吸收剂量；如果该吸收剂量是由高LET辐射引起的，则要用与组织反应对应的相对生物效应（RBE）对剂量计权，即计算：RBE·D

。这里，RBE不仅依赖辐射的类型和能量，而且与照射当时剂量的分布有关。4、待积量器官、组织的待积当量剂量是，单次摄入放射性核素后，时间内,器官、组织当量剂量的累计值：其中，是，t0时刻摄入放射性核素，在此后的t时刻，对器官、组织T所致的当量剂量率；剂量的累计时间τ取:成人50年、儿童70年。待积有效剂量E(τ)是，经组织权重因子wT计权修正后，受照人体相关器官、组织的待积当量剂量值的总和:内照射情况下，人体蒙受的随机性健康危害的程度，与待积有效剂量成正比。待积量的单位，依然是Sv。二、集体量和人均量辐射实践系指，使人类受照水平、受照可能性或受照人数额外增加的社会活动；例如：核武器制造、原子能发电、放射性同位素的生产和应用，等等。放射防护的任务，不仅在于保护个人，还要减少、优化辐射实践涉及的职业人员、公众成员受到的照射；力求从社会、经济角度言，使：放射防护的收益，与为之付出的代价恰如其分，正好相抵，成为最佳组合，即所谓：“防护的最优化”。为评估特定辐射实践对受照群体造成的影响，便于放射防护的代价-利益分析，作为放射防护最优化的工具，放射防护领域引用了“集体量”。辐射实践防护最优化集体量对于同一辐射实践，由于所处地理位置不同、生活习惯差异，受照群体中，不同个体未必都会受到相同水平的照射。例如，特定Δt时间内，受照群体中，有效剂量介于E至E+dE的个体人数是dN/dE，则相关时间内群体的集体有效剂量SE(E1，E2，Δt)定义为：其中，E1，E2是集体剂量累加的剂量范围。需注意，计算中，剂量累加的下限E1，不得低于10μSv/a。Δt时间内，有效剂量处于剂量段的人数为：不难看出，集体剂量，其实是，受照群体中，以人数计权后，个体剂量的总和。集体剂量的单位是：man·Sv（人希）。应该强调，给出集体剂量数值时，必须同时说明：相关的辐射实践、涉及的时间范围Δt和该时间范围内群体的人数N。因为小人群大剂量、大人群小剂量，可能对应相同的集体剂量值，所以，为有效识别、保护受到高水平照射的亚群，给出集体量的同时，还宜给出：各个剂量、时间、年龄、地域段甚至每个性别的人均剂量。例如，Δt时间内，有效剂量处于E1~E2剂量段的人均有效剂量为：3.3.2外照射监测实用量:一、基本概念二、实用量一、基本概念1、辐射测量设备的响应：辐射测量设备的响应是指，设备对“待测量”的读数，与“待测量”真值的比值。辐射测量设备的能量响应则是，其响应随入射辐射能量变化的趋势。如果该变化是常量，则称设备的能量响应是均匀的，否则是非均匀的。能量响应的均匀性是辐射测量设备性能优劣程度的重要标志。辐射监测仪的方向响应是指辐射测量设备响应随辐射入射方向变化的趋势。如果该变化是常量，则称设备的方向响应是各向同性的，否则是各向异性的。若随辐射入射方向变化，监测仪的方向响应与软组织吸收剂量具有雷同的变化趋势，则称设备的方向响应与软组织剂量是等方向的。对设备方向响应的要求，将随“待测量”种类的变更而改变。特定照射条件下，照射的控制，常有一个主要的制约因素，例如：人体受到能量低于20keV光子的全身照射时，只要皮肤当量剂量低于剂量限值，则有效剂量也将遵从相应的限值。若特定照射条件下，皮肤、眼晶体当量剂量占相应限值的份额为f

皮肤或眼晶体，有效剂量占有效剂量限值的份额为f

有效。则当f皮肤或眼晶体≥f有效时,称入射辐射为：“弱贯穿辐射”；当f皮肤或眼晶体

<f有效时，称入射辐射为：“强贯穿辐射”。2、强贯穿辐射和弱贯穿辐射强、弱贯穿辐射的界定，不是绝对的，会因照射条件的变化而改变。能量低于20keV的光子、能量低于2MeV的电子或β辐射，通常便视为:弱贯穿辐射；中子，则总视为:强贯穿辐射。3、品质因子和剂量当量辐射的品质因子Q是：依据授予物质能量的带电粒子的生物学效能RBE，对特定位置上软组织吸收剂量施加修正的一个权重。按ICRP(1990)建议，品质因子Q与带电粒子在水中的传能线密度L(keV/μm)，有下列数值依赖关系：Q(L)=1(当L≤10)0.32·L-2.2(当10＜L＜100)300·L-0.5≥(当L≥100)组织中所关注一点r处的剂量当量H(r)是同一点处软组织吸收剂量D(r)与该点处辐射品质因子的Q(r)乘积:

即：剂量当量H(r)是:经同一点处辐射品质因子Q(r)计权修正后，受照软组织的吸收剂量。剂量当量的SI单位是：J/kg，专门名称亦为：Sv。注意：常规的放射防护场合，切不用于已造成大剂量急性照射的事故情况。4、扩展场和齐向扩展场扩展场和齐向扩展场是，为定义场所辐射监测的实用量，而引入的两个虚拟辐射场。若某一空间体积V内，每一点上的粒子注量的谱、角分布,与所关注的辐射场r点处的粒子注量的谱、角分布均相同,即：ΦΩ,E(体积V中的每一点)=ΦΩ,E（r），则称空间体积内存在的辐射场为与上述点相应的扩展场。若与r点相应的扩展场内，粒子都是朝一个方向运动的，则称空间体积V内存在的辐射场为与r点相应的齐向扩展场。5、体模与ICRU球体模是模拟人体对入射辐射散射、吸收特性的一类物体。ICRU球是：由软组织等效物质构成的直径为30cm的一个球体，系模拟人体躯干的一种体模。因为它是由国际辐射单位与测量委员会最先提出的，故放射防护领域称之为“ICRU球”。ICRU球软组织等效物质的元素质量百分比分别是：氢10.1、碳11.1、氮2.6、氧76.2。二、实用量1．周围剂量当量

辐射场r点处的周围剂量当量H*(d)是与r点实际辐射场相应的齐向扩展场