辐射剂量学讲义

吉林大学

医用辐射剂量学

讲义

教研室：辐射防护

任课教师：陈大伟、付宏斌

吉林大学教务处制

电离辐射剂量学

所谓剂量学“就是用剂量计测量剂量”的一门学科。辐射剂量学是研究电离

辐射能量在物质中的转移和沉积的规律,特别是转移和沉积的度量的科学。电离

辐射与物质包括生物体作用引起物理性质的变化、化学性质的变化和生物学方面

的变化，这些很大程度上决定于辐射能量在物质中沉积和分布,研究辐射能量在

物质中的转移过程。能量沉积的分布以及对它们测量和计算的方法，就是电离辐

射剂量学的研究对象。

第一章电离辐射与物质的相互作用

第一节电离辐射

一、电离辐射和非电离辐射

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。(结合高

中所学内容简单介绍原子基本结构，从而理解电离的概念)

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、儿率小)

3、电离过程

主要是由具有一定功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—ionizingradiation)

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。

二、直接电离辐射和直接电离辐射

1、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。

2、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。次级过程引起电离的不带电

粒子称作间接电离辐射。

第二节辐射场描述

一、辐射场概念

电离辐射居留的空间称为电离辐射场为了定量地描述辐射场，引出如下量。

二、通量、注量和注量率

粒子数和辐射能随时间的变化率称作粒子通量和能量通量。

1、粒子通量(particleflux)N

N=dN/dtdN是dt时间间隔内粒子数增量。

单位:S-1

2、能量通量(energyflux)R

R=dr/出dr是dt时间间隔内粒子能量增量。

单位：J-s-1或W

例：一a源活度为3.00*1。5Bq,产额100%,a粒子能量为6.43MeV,则源

的粒子通量：

N=3.00*105S-'

R=3.00*105*6.43MevS-1

=3.09*10JS-1(1MeV=1.602*1013J)

3、粒子注量(fluence)中

进入单位垂直截面小球的粒子数：

0=dN/da=dN/da-cos0

单位：m-2

4、能量注量(energyfluence)w

进入单位垂直截面小球的粒子的能量：

W=dR/da(单向辐射场)

单位：J-m”

(注量：表征辐射场的空间疏密程度)

5、注量率：(fluencerate)

通量表征辐射场中粒子或能量在时间上的频繁程度。

时间+空间一注射率

(1)粒子注量率(particlefluencerate)又称作粒子通量密度(particleflux

density)

(p=d(p/dt=d2N/dtda

单位：m's"

(2)能量注量率(energyfluencerate)

i|/=dT/dt=dR2/dadt

单位：wm-2

三、角分布和辐射度

1、粒子注量的角分布

①Q=d(p/dQ描述粒子沿。方向的分布

Q：0-71

<t>=Jo47r(pQ*dQ[m-2-sr-1]

能量角分布wc=dv/dQ=dR2/dadQ[J-m-2sr"]

2、粒子辐射度(particleradiance)P

2.1粒子注量率的角分布

p=d(p/d£l=d3N/dadtdQ

211

单位:m'-sr--s-

2.2能量辐射度(energyradiance)

能量注量率的角分布

r=d—/dQ=d3R/dadtdQfw-m^sr-1]

辐射度对立体角积分即得注量率

14不「'7乃1「2万

粒子：①=LPD=£(J^psinOdOd/3

川co

,4乃C7TCITI

能量：甲=(rdQ

能量辐射度和粒子辐射度的关系：

1）单能辐射：i=EP

2）非单能PE：r=^EPEdE

第三节电离辐射与物质相互作用的定量描述

一、相互作用程度的描述方法

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

互作用一►能量和运动方向改变。

带电粒子：受原子核和电子的电磁作用，当它穿过物质时儿乎跟与它相遇的

每个原子发生相互作用，作用十分频繁，每次损失能量不多，从宏观看物质中的

不带电粒子似乎是连续地损失能量。

描述：用单位路程上的平均能量损失较方便。（阻止本领）

不带电粒子：因不带电荷，在物质中作用次数不多但每一次常有大的能量损

失。

常采用几率的描述方法：截面、衰减系数。

1、截面

靶：与入射粒子相互作用的粒子（原子、原子中的电子、原子核等）。

单位粒子注量的入射辐射与一个靶子发生相互作用的曜。它是反映入射辐

射与物质相互作用程度的一个标志。

a=P/①

中为入射的粒子注量；

P为与某一特定靶子发生相互作用的儿率；

单位:SI单位：m2；

专用单位“b”（靶恩）：

lb=lxlO_28m2

2、衰减系数p和p/P

设有一单能窄束光子垂直入射到厚度为L的吸收体表上，在吸收体另一侧

有一探测器D,光子在介质中穿行时可能被吸收，也可能由散射作用改变运动方

向离开了原射束，因此光子与物质作用的任何过程都会使光子从原射束中移出而

达不到探测器Do

如图1,设有一单能窄束光子垂直入射到厚度

为L的吸收体表上，在吸收体另一侧有一探测器

D,光子在介质中穿行时可能被吸收，也可能由

散射作用改变运动方向离开了原射束，因此光子

与物质作用的任何过程都会使光子从原射束中移

出而达不到探测器D。图1窄束衰减示意图

设吸收体中某•深度x处未发生相互作用而保留在原射束中的光子数为N,

则在dx物质层内因发生相互作用而改变的光子数为：

dN=-Njidx

Ra

则有：N=Noe-

式中H称非线性吸收系数,它是光子穿过单位厚度物质层时发生多种相互作

用的总几率。

由dN=-N（idx

有pi=-l/dx-dN/N（定义）

质量衰减系数：|i/p=-l/pdx-dN/N（N可用注量①）

二、带电粒子能量在物质中的转移

衰变、带电粒子常有e\e+、P、a。

1、重带电粒子

即静止质量比电子大的那些带电粒子。

一般情形,带电粒子贯穿物质时，主要受到物质中原子核和电子的电磁作用,

这种作用使运动着的带电粒子改变方向和损失能量,主要包括弹性、电离和激发。

相互作用方式和能量损失的多寡，取决于带电粒子的电荷、质量和能量，同

时也取决于物质的性质。

2、碰撞阻止本领Scoi和Scoi/p（collisionstoppingpower）

进入物质的带电粒子能与物质的原子、分子发生碰撞，碰撞有弹性的，也有

非弹性的。弹性碰撞的结果产生一反冲的原子，该反冲的原子可能获得大部分入

射粒子能量，一般很少发生，条件E非常小。非弹性碰撞中，入射的带电粒子

通过电磁相互作用，把能量传递给原子中的电子。

如果传递的能量仅能使电子跃迁到原子的较高能级，则称该过程为激发。

如果电子获得的能量足以使它脱离原子则称之为电离。

电离过程中被击出的电子，如果具有相当的能量以致于能进一步引起其它原

子的电离和激发则这类电子称为3射线。

带电粒子在电离、激发过程中损失的能量叫带电粒子能量的“碰撞损失

1)碰撞阻止本领Scoi(linecollisionstoppingpower)

带电粒子在单位路程上的平均碰撞损失。

线性s：Scoi=(dE/dl)col

SI单位：“J

质量碰撞阻止本领Sco|/p[masscollisionstoppingpower]

SC0i/p=l/p(dE/dl)C0|

一定能量的带电粒子在指定物质中穿行单位质量厚度的物质层时，因电离，

激发过程所损失的能量。

SI单位:J/(Kg/m2)

oc

SC01/pE/vB(T)

2)辐射阻止本领Srax和Srax/p

在物质中运动着的带电粒子在原子核电场作用下运动受到突然阻止或运动

方向发生大的偏折，此时带电粒子的一部分动能就变成具有连续谱的X射线辐

射出来，这就是初致辐射.。带电粒子还可在原子束缚电子的电场中产生物致辐射。

带电粒子在切致辐射过程中损失的能量叫带电粒子能量的辐射损失。

3)线辐射阻止本领(radiativestoppingpower)

线辐射阻止本领Smx：指一定能量的带电粒子在物质中穿行单位长度路程

时，由于辐射过程所损失的能量：

Srax=(dE/dl)raaSI单位：J・m」

2

同样pS/p=l/p(dE/dl)radSI单位：J/(kg/m)

2J

(dE/dl)rad°=ET/m

式中：T,M为带电粒子的，E为受作用物质的能量。

4)总阻止本领

①运动着的带电粒子与物质相互作用导致了能量的转移：

E=E也离+E辄射+E热

电子：散射小，主要电离激发和物致辐射。

l/p=lp(dE/dl)C01+l/p(dE/dl)rad

对于确定的电子能量T和确定的物质(原子序数区)：

(dE/dl)rad/(dE/dl)ra产TE/8008TE

②重带电粒子

发生物致辐射的儿率很小，儿乎全部在电离和激发过程中损失。

三、在气体中每形成一个离子对所消耗的平均能量W

电离能：从原子中移去一个电子从而产生一个离子对所需的最小能W,多

电子原子不同壳层电离能不同。单位：J或eV

平均电离能：一带电粒子的初始动能E全部在气体中耗尽，在该气体中产

生的平均离子对数N则带电粒子在上述气体中每形成一个离子对所消耗的平均

能量W为：

W=E/N

包括直接、次级和物致辐射产生的离子。

当初致辐射是带电粒子唯一的次级过程时，有：

W=E(l-g)/N(l-g')

g是带电粒子的初始动能转变为物致辐射的份额；

g1是该种物致辐射被吸收后产生的离子对数在总的离子对数目中所占的份

额；

带电粒子转移给切致辐射的能量为Eg

物致辐射被吸收后产生的带电粒子然后形成的平均离子对数为N4。

实验测定：对不同的气体W值不同，其范围在23-46eV之间，特别是电子,

W值始终为一常数。

ICRU1979年推荐，在干燥空气中，电子每形成一个离子对所消耗的平均能

量为:

W=（33.85±0.15）eV

平均自由程（meanfreepath）：某种粒子（例如光子和中子）在给定介质

中发生一种或多种相互作用类型或过程之前所移动的距离。光子的平均自由程储

=。扁尸，「小为光子的线能量吸收系数。表2给出了在人体软组织中光子平均自

由程（及）和中子平均自由程（入Q随能量的变化。

表2在软组织中光子和中子的平均自由程

E(MeV)入r(cm)入n(cm)

0.1300.83

0.3321.70

1.0334.20

3.0446.70

106517.00

30——33

归纳总结：

1）比较各个概念的定义及其区别；强调各个概念的单位及换算。

2）平均电离能的单位是什么。

3）线性吸收系数和质量吸收系数之间有何区别？为什么用质量吸收系数进

行描述射线在物质中的吸收时比线性吸收系数要方便得多。

4）能否理解用截面来描述粒子与物质发生作用的儿率大小。

第二章剂量学的基本概念

描述辐射场自身固有特性的量----辐射计量学量(rad沁metricquantities)=

辐射能量在物质中的转移和沉积取决于辐射场的性质以及辐射与物质相互

作用的过程，与之相关的比释功能、照射量、吸收剂量和监测用剂量当量等物理

量称为辐射剂量学量。

剂量学量为有关的真实效应或潜在效应提供了一种物理学上的量度。这些量

实质上可以用相互作用系数与注量、能量注量等量的乘积来求得，但一般不这样

定义，主要原因是剂量学量通常是被直接测出来的。

用品质系数、转移权重因子加权的吸收剂量称作剂量当量、当量剂量和待积

剂量当量、有效剂量等属于辐射防护的量(radiationprotectionquantities)。

辐射计量学量

辐射剂量学量统称辐射量(radiationquantities)

辐射防护学量

第一节比释功能

辐射与物质相互作用最主要的标志是给物质传递能量，这是产生辐射效应的

依据。

不带电致电离粒子与物质相互作用，它的能量传递过程分为两个阶段：

1.不带电致电离粒子将能量转移给物质中产生的带电粒子；

2.再由带电粒子把能量通过库仑相互作用(电离或激发)沉积到(授予)

物质中。

由于次级带电粒子有一定的射程，两个阶段能量转移发生在介质中的不同地

点，研究不带电粒子在物质中的能量转移时，有必要对这两个过程分别处理，比

释功能是描述不带电致电离子在物质中转移能量的第一阶段的辐射量。

——、转移能(energytransferred)£tr

定义：在指定体积V内，由不带电粒子释放出来的所有次级带电粒子初始

动能之和,用&r表本,单位:Jo

例1.康普顿散射，能量为hy的入射光子，在如图示体积内发生康普顿散

射，产生能量为hy’的散射光子和初始动能为民的反冲电子。与入射光子发生相

互作用的原子在退激时发射能量为Im的特征X射线和动能为EA的俄歇电子，

转移能为：£tr=Ec+EA=hY-hy-hyko

康普顿散射示意图

二、比释动能(Kerma)k

原意kineticenergyreleasedperunitmass单位质量释放出的动能。

比释动能是一个很重要的量，它是描述不带电致电离粒子与物质相互作用

是，把多少能量传给了带电粒子的物理量。在辐射防护中，常用比释动能的概念

计算辐射场量，推断生物组织中某点的吸收剂量，计算中子的吸收计量等。

定义：k=d£tr/dm(非随机量)

加注是由不带电粒子在质量为dm的无限小体积内释放出来的所有带电粒子

初始动能之和(即转移能)。

比释动能的单位：

定义式：JkgT

专用名：戈瑞gray符号Gy

1Gy=lJkg1

过去沿用的专用单位：拉德(rad)或(rd)

lrad=10_2Gy=lrd

F.H.Attix把比释动能的定义扩展，使它与间接电离辐射以及吸收体内分布的

电离辐射源联系起来，按Attix的定义LQ应是体积V内由静止质量转换的净能

量（m—E为正，反之为负）。这就使得转移能年既包括由不带电粒子释放的

带电粒子的动能，也包括体积V内由自发核转变过程释放的带电粒子的能量。

相应的比释动能定义为：比释动能K是感兴趣地点P处，单位质量介质中

转移给带电粒子的能量的期望值，其中包括辐射损失的能量，但不包括一个带电

粒子转移给另一个带电粒子的能量。

注意：①提到比释动能时;必须指明介质和所要研究点的位置。（不同介质

m/P不同）；

②物质中比释功能的大小，反映着不带电致带电粒子或该点元交给带电粒子

能量的多少。

三、比释动能与注量的关系

设辐射场由单能的不带电粒子构成，能量注量为W，体元da,密度p,线

能量转移系数4「dl是不带电粒子穿过dl物质层时其辐射能转移给带电粒子动

能的分额，而穿过面元da的辐射能为v-da,则不带电粒子辐射场在da,Dl体

元内释放出来的带电粒子初始动能之和的数学期望值为：

d£tr=W•da•Ptr,dl

而体元的质量为dm=p•da,dl

则K=d£tr/dm=l|/,gtr/p=<P（Egtr/p）

E为单能辐射场粒子的能量

可得：v|/=（pE

式K=w（w/p）虽然是从单能辐射场推得，但对任意辐射场都适用。

由此式知：物质中某点，不带电粒子的能量注量V越大，则该点的比释动

能K越大。因而由不带电致带电粒子释放出来的带电粒子的全部初始动能就越

多。

引入比释动能因子（kermafactor）k

k=E-gtr/p

实际中常利用比释动能因子计算中子辐射场中某点介质的比释动能。

四、碰撞比释动能

不带电粒子释放的带电电离粒子的能量损失可将转移能划成碰撞部分和

辐射部分国,即:

=Cr

Etr6tr+Str而K=d£t|/dm

则K=KC+Kr

不带电粒子转移给带电粒子的全部动能中，最终损失于电离碰撞的那部分所

占的份额为：

Hen/p/Rr/p=l-g

g是带电粒子动能在慢化过程中转变为物致辐射能量的分额。

当辐射场中只有一种不带电粒子，而且是单能的情况下：

Kc=Wfltr(l-g)/p=UNen/p

比释动能率K'：是在出时间内比释动能的增量。K'=dk/dt

单位：Jkg'-S1或GyS1

只要将有关比释动能计算公式中的注量或其谱分布换成注量率或其谱分布，

就得到比释动能率的计算公式。

点源的比释动能率：

假设某种丫放射性核素构成一个点源，其活度为A,每次衰变放射出m个能

量为hri的光子，则光子在距离源为r的空气中某点产生的比释动能率为：

k=(A/4nr2)入曲畛(fitJp)

Mtr/p是空气对于能量为hr的光子的质量转移系数。

对于指定的放射性核素：

r8=(l/4rt)Zn/hn(gtr/p)

「6是个常数，常称之为空气比释动能率常数。

单位：m2-Jkg1或n?Bq"Gy・S”

人是单位活度的指定放射性核素点源在空气中1米处光子产生的比释动能

率，且有：

Kz二人加产

常见核素的R值使用时可查表。

五、不同介质中的比释功能

比释功能是非随机量，它与无限小体元dm相联系，是空间的点函数，在辐

射场中的介质和不带电粒子注量连续的条件下是空间的连续函数，空间指定点的

比释动能由该点的不带电粒子注量和介质的作用系数决定，而周围介质的作用仅

限于对指定点不带电粒子辐射场的影响。因此可以说“自由空间或不同的材料中

某点对指定材料的比释功能或比释功能率”。这指的是将少量的指定材料I放在

自由空间或某种不同材料m中感兴趣点所得到的比释功能。该指定材料的质量

和体积要足够小，使它的引入不会干扰不带电粒子的辐射场，也就是说，该点的

辐射场与之材料未引入时相同。

第二节照射量

电离是电离辐射的特点，照射量就是根据光子对空气的电离能力来度量光子

辐射场的一个物理量。

X射线的发现和应用以及X射线的生物效应、理化现象，要求对其做出量

度。历史上各国物理学家和放射学家曾提出各种不同的单位和量度方法，比较流

行的一种单位是利用x射线对人的皮肤引起的红斑效应规定了x射线的照射量

“红斑剂量”。从一九。八年到一九二三年法国人维拉，梭罗蒙，本根等先后提

出以电离法作为物理量度方法。直到一九六二年ICRU第10号报道才正式把照

射量作为x（7）射线的度量。其单位为伦琴。后ICRU与一九七一年（19号），

一九八。年（33号）先后都给照射量下了比较严格的定义。

一、照射量X

1、定义

x=dQ/dm

dQ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体积内由于切

致辐射而引起的电离电荷）

图X或丫在空气中的电离过程

2、定义说明：

空气在光子辐射的照射下，在空气中指定取一质量元dm,光子于介质dm

作用释放的次级电子径迹用带箭头的实线表示，次级电子在慢化过程中产生的初

致辐射用波浪线来表示，则有：

①光子在dm内释放的次级电子既可能在dm内产生电离，又可能在dm外

产生电离，只要这些次级电子完全被空气所阻止，亦即在慢化下来之前未进入或

穿过非空气介质,则它们产生的一种符号离子总电荷的绝对值除以dm所得的商,

就是该光子辐射场中指定点的照射量；

②次级电子产生的物致辐射一般具有较长的射程，由物致辐射被吸收而产生

的电离电荷不管在那却不包括在dQ内。实际测量时，只有光子能量大于3MeV

时，由此种方式产生的电离对・dQ的贡献才显得重要。由于目前的测量技术及对

精确的要求，只能测量光子能量在几个keV到3MeV左右的照射量。在此范围

内，由次级电子产生的物致辐射被吸收产生的电离对dQ的贡献可忽略不计；

③光子在dm之外产生电离，其电荷量决定于dm之外所在处的光子辐射场,

dQ不包括这部分电离电荷；

④按定义来测量照射量时，要满足电子平衡条件。

3、单位

CKg1,无专名，照射量曾用单位：伦琴，符号R。

1R=2.58xlO4C-Kg-1

4、照射量x与空气碰撞比释动能区,的关系：

由照射量定义可知，dQ等于光子在质量dm的体积内碰撞转移能的平均值

d£tr与(e/w)a的乘积，即：

dQ=d£tr,(e/w)a

(e/w)a是次级电子在空气中碰撞损失单位能量时产生的电离电荷平均值，

其倒数等于产生一个离子对所需能量的电子伏数：

-1

(1/(e/w)a)=33.97J•C

c

而kc=dstr/dm

有：X=k(；.a•(e/w)a

5.照射量x与能量注量w的关系

也是照射量的另一种形式

X=\|/,(gen/p)(e/w)

w为光子的能注量，Mn/p为空气中的质能吸收系数e为基本电荷，w为空气

中每形成一对离子所消耗的平均能量。

c

可由(单能)光子辐射场推出：kc=d£lr/dm

x=kc，a,(e/w)a=\|/,(gcn/p)(e/w)a=(p(hr(pcn/p)a)(e/w)a

<p为单能粒子注量。

二、照射量率r

定义：单位时间内的照射量。

X'=dX/dt

SI单位：C-Kg's-1,曾用过的单位R・S“

照射量和照射量率是表征光子辐射场的物理量，象比释动能的情况那样，常

常会提到自由空间或不同于空气的材料内某一点的照射量或照射量率，是指将空

气小质量元放在感兴趣的地点时测定的照射量或照射量率，该空气质量元要足够

小，以致它的引入或存在不会显著干扰原辐射场的分布。

由放射性核素构成的点源的照射量率可表示为：

x=Ao(x)/r2

r6(x)称作为照射量率常数。

第三节授与能和吸收剂量

受照射物质发生的辐射效应与它们吸收的辐射能量有关。一定数量的辐射能

授与一小块物质或一大块物质，导致的辐射效应可能不同，如何度量区分?

——、授与能(energyimparted)£

定义：电离辐射以电离、激发方式传递给某一体积内物质的能量：

£=Em—Eout+ZQ

Ein：进入该体积的辐射能，即进入该体积的所有带电和不带电的电离粒子

能量的总和

Eout：从该体积逸出的辐射能，即离开该体积的所有带电和不带电粒子能量

的总和。

XQ：是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

量能变化的总和。（减小为正，增加为负）

单位是能量单位：J

说明：

①授与能£是随机量，如果被研究的质量很小或带电粒子注量很低，则随机

涨落就很大。

②由于电离辐射和物质结构本质上都是不连续的，所以原子核发生的核跃迁

过程，以及辐射与物质的相互作用也都是一个个分立的不连续作用。授与能可以

看做是所考察的体积内发生的每一个不连续（事件）作用所贡献的授与能的总和

③授与能S的数学期望值£称为平均授与能。E是非随机量。

举例说明授与能：

例：动能为Tm的一个电离粒子进入体积AV并引发相互作用，其后出现三

个电离粒子「、T2、T3,假定它们未经相互作用就从AV中逸出，该过程对AV

的授与能为：

£=Ein—Eout+ZQ=Ein-（T1+T2+T3）+XQ

如XQ=0,则表示作用前后的总的静止质量没有改变。

如2QV0,反映通过这一作用过程增加了静止质量，以上两种情况均由入射

粒子引起的。

如ZQ>0,也就是通过作用过程核和基本粒子静止质量减少了，能量并以其

它方式释放出来。（如放射性衰变）

二、吸收剂量（absorbeddose）D

定义：电离辐射向无限小体积内授与的平均能量除以该体积内物质的质量而

得的商：

D=d£/dm

加是电离辐射授与质量为dm的物质的平均能量，也可以说，D是电离辐射

给予单位质量物质的平均授与能。

注意：

①吸收剂量与无限小体积相联系，所以受照物质每一点都有其特定的吸收剂

量值，在考察某点物质的吸收剂量时，所取的体元必须充分小，使得因辐射场或

物质的不均匀性引起的吸收剂量变化能被显示出来；

②该体元又要足够大，保证在所考察时间内，体元中能含有相当多的作用过

程，使得由于作用的随机性造成的授与能的统计不确定性可予忽略。

三、吸收剂量的单位

SI单位:J-kg1

专用名：戈瑞，符号Gy。

常用单位“拉德”，rad或rd。

1rad=l00evg/g=0.01J/kg=0.01Gy

说明：吸收剂量是剂量学中和辐射防护领域内一个非常重要的量。它适用于任何

类型的电离辐射。任何被辐射照射的物质适合于内外照射。

四、吸收剂量率D(t)(absorbeddoserate)

D(t)=dD/dt

D(t)为t时刻的吸收剂量率

单位：Gy/s或：rad/s

第四节比释动能吸收剂量和照射量之间的关系

一、辐射平衡

1、含义

辐射平衡指的是辐射场内存在的一种状态。若由每--种给定类型和特定能量

的电离粒子，从辐射场某点一无限小体积带走的辐射能的期望值与具有同样能量

的同类粒子带进这一体积的辐射能的期望值相等，则称辐射场这一点存在辐射平

衡，也就是说，在辐射平衡状态下，进入某点无限小体积的辐射能等于离开该体

积的辐射能。

辐射场按其成分可分为不带电粒子和带电粒子辐射场O带电粒子辐射场又可

分为初级带电粒子辐射场和次级带电粒子辐射场等，各类辐射场相应有不通类型

的辐射平衡。

实际上只是在无限大的均匀介质内均匀分布辐射源的理想情况下，介质中所

有各点才会同时存在着各种类型的辐射平衡，而实际上所有介质大小总是有限的

均匀介质组织虽不会有全部的辐射平衡，但仍可能存在一种或几种电离粒子的平

衡状态。

2、带电粒子平衡CPE(chargedpartileequilibrium)

所谓带电粒子平衡，就是受照射物质内某一点是这样一种状态，围绕该点的

小体积AV内，当一定数量的带电粒子离开了这个AV,那么就有相同数量的同

种类型，同样能量的带电粒子进入这个体积元AV,这种状态称之为带电粒子平

衡。也就是说：所谓平衡是物质内某一点的状态而言的。

带电粒子平衡条件：(div\|/c=O)

1、均匀辐射场，均匀介质

2、体元周围介质厚度大于带电粒子最大射程。

3、如介质中含有放射性核素其分布应是均匀的。

4、(不带电)注量分布均匀。

受带电粒子外照射的介质中不存在带电粒子平衡，因为带电粒子在物质中穿

行时其能量逐渐降低(divwJO)

带电粒子平衡的结果：

C

d£=d£(r-d£0Ut+d£in(平衡时d£<,ut=d£in)

C

即：d£=d£tr

而：D=d£/dm

c

kc=d£tr/dm

则：D=kc

也就是说，不带电致电离辐射从外部照射介质时，只要入射辐射在介质中产

生的次级带电粒子达到平衡，那么体元介质的吸收剂量等于碰撞比释动能。

引深•步：碰撞比释动能于辐射场粒子注量(或能量注量)与介质的作用量

有关。故在此情形下介质的吸收剂量就归结为用入射的初级辐射的粒子注量或能

量注量乘以相应的相互作用系数，以简化计算程序。

如中子辐射场中介质的吸收剂量的计算：

D=kc=(p(gtr/p)E

<p为单能中子粒子注量。

二、吸收剂量与比释动能的关系

1、关系

在CPE情况下，不带电致电离粒子在物质体元AV中交给次级带电粒子的

能量(1琼，就等于该体积内物质所吸收的能量也。即有：

D=d£/dm=dEtr/dm=kc

然而我们在上述讨论中，并没有谈及AV次级带电粒子初致辐射的能量损

失。实际上，在高能带电粒子与物质相互作用时，尤其是较高能量的电子与高原

子序数的物质作用时，物致辐射的能量损失就不可忽略了。

D=d£/dm=dEtr/dm(1—g)=k<；(1—g)

g为带电粒子的能量转化为初致辐射一份额，g值与电子能量E,原子序数Z

的关系近似为：

g=EZ/800+EZ

在比释动能与能注量的关系中有：

k=<p(gtr/p)E

所以：D=(p(gtr/p)E(1—g)=(p(ptr/p)E

这是计算r射线吸收剂量的重要公式。因为只要测的出某一点处r射线注量

(P，知道它的能量E,就可计算D,网Mp可根据r射线的能量和何种物质查表得

到。

若(P、E不变，则有：

DI/D2=(flen/p)1/(|*en/p)2

只要知道一种物质的吸收剂量Di，即可计算出同样条件下第二种物质的吸

收剂量D2

2、吸收剂量和比释动能随物质深度的变化

不带电致电离粒子与物质相互作用和能量传递过程可分两步

第一步：间接(不带电)致电离粒子的能量转移给在物质中产生的次级带电

粒子，并成为它们的动能；

第二步：这些次级带电粒子，再通过电离和激发将其能量授与(或沉积)物

质。这个过程中，能量被物质真正吸收(其份额由Mn/p表示)；

比释动能表示第一步结果，吸收剂量表示第二步结果。由此可见，两个过程

并不是发生在同一地点。

三、吸收剂量D与照射量的关系

照射量定义:

X=dQ/dm

物质中r射线的比释动能k与r射线的能量注量v与物质对r射线的质量转

移数Mtr/p的乘积：

k=w(gtr/p)

在带电粒子平衡(CPE)条件下：

D=k(1-g)=.(gtr/p)(1-g)=.(jlen/p)

D=\|/(gen/p)(1)

在讨论照射量与能注量的关系时，有：

X=V|/(gen/p)(e/w)

D=w(pen/p)=(w/e)aX(2)

在空气中：w=33.97eV形成一对粒子所消耗的平均能量：

e=1.602xl019C

lev=1.602xl0',9J

1R=2.58X10^Ckg1

这是空气中某点的吸收剂量与同一点处x或r射线照射量的关系。

同时，我们在讨论吸收剂量和比释动的关系时有：

DI/D2=(Jien/p)1/(gen/p)2

其成立的条件是CPE下，粒子§和能量E不变

假若Di为某一物质的吸收剂量，D2为同一点处的空气吸收剂量，我们可有:

D物质=(gen/p)物质/(Nen/p)空气D空气

因为：D空气=8.73x10“

所以：D物质=8.73x10"(|len/p)物质/(Nen/p)空气X

设f=8.73xl(r»(jn/p)»/(|len/p)空气

则得到任一物质中的吸收剂量和照射量的关系为：

D=fmX

f可依据V光子能量和作用的物质可查表。

第五节剂量学的其它一些量

一、微剂量学中的三个随机量

1、授与能

五十年代末开始，在辐射与生物机体作业机制研究中，逐步形成一门新兴学

科一微剂量学。它是研究电离辐射能量的微观分布以及这种分布与生物效应之间

联系的一门科学。微剂量学使许多物理概念与生物效应建立了联系，为辐射生物

作用机制的研究作出了贡献。它的一些研究成果已应用到了辐射治疗和辐射防护

中。

授与能：在一次能量沉积事件中，授与某一体积内物质的能量单位：J

2、线能y(linedenergy)

为了更直接地表述授与能量的空间分布，应该考察一次能量沉积事件(指的

是一个致电离粒子或一组伴生的致电离粒子将能量给予指定体积内物质的事件)

中实际沉积的能量数值，为此引进一个新的量一线能y。

定义：在一次能量沉积事件中，授与某一体积内物质的能量£除以该体积的

平均弦长1,即：

y=£/l单位：J•m"也可用keV,gm-1

体积为V,表面积为a的凸面体，其平均弦长l=4V/a

对于直径为d的球体可算出其平均弦长l=2/3d

①这里讲线能是受儿个截止条件约束的随机量，在其定义中没有涉及径迹结

构，即使在射程小于1也适用；

②传能线密度U=(dE/dl)△是受能量截止条件约束的非随机量，△为能

量截止值，此量适用于微分径迹元，必须在直接致带电粒子射程的距离上确定。

3、比授能z(specificenergy)

无论在线能概念还是传能线密度概念中，都还没明显指出当吸收剂量为某值

时，发生的事件数的涨落，于是又引入一新的量一比授能。

定义：2是£除以m所得的商，即z=£/m

其中£是电离辐射授与质量为m的物质的能量。

单位：Jkg"单位的专名也是戈瑞

比授能于线能不同（微观意义），线能y只能用于单次能量沉积事件。线能

量分布与吸收剂量及吸收剂量率无关，而比授能z可以是一次或一次以上的能量

沉积事件造成的，因此比授能的概率分布与吸收剂量有关，能够反映给定吸收剂

量水平时事件数的涨落和能量沉积的不均匀性。

二、剂量当量H和当量剂量HTR（doseequivalentandequivalentdose）

电离辐射可以引起许多物理的、化学的和生物的变化，变化的种类和程度除

了与吸收剂量有关外，还取决于受照的其它物理条件。放射生物学大量工作在寻

求剂量与生物效应之间的相互关系。但研究发现吸收剂量并不是决定生物效应的

唯一因素。因为不同种类的辐射，即使吸收剂量相同，它们对同一种生物体系的

效应差别也可能很大。

为了对一切辐射可以在共同的尺度上表示暴露于辐射的人员所受到的照射

情况，就是“剂量当量”或“当量剂量”

1、提出

“剂量当量”是由ICRU和ICRP共同商定，于1962年ICRU第十号报告中正

式提出。

剂量当量的提出，取代了过去所用的“相对生物效应剂量以“品质因数''取

代''相对生物效应系数”。所谓“相对生物效应系数”是指一种标准辐射（通常

X射线或6。（“）产生某种程度的某一特定的生物效应所需要的吸收剂量D1,而

另一种辐射产生同样的生物效应所需的吸收剂量为D2，则D1/D2（=RBE）称为

后一种辐射对前一种辐射的相对生物效应系数（RBE）。

相对生物效应系数一方面取决于辐射的传能线密度，另一方面还取决于辐射

许多复杂的因素。诸如所考虑的生物效应的种类、剂量率、剂量的分次给予、受

照射个人的生理条件等，而在辐射防护中所采用的这个系数的数值只是和辐射的

传能线密度有联系，并没有把上述这些条件全部考虑在内。

鉴于上述理由，ICRU当时建议相对生物效应系数这一名称只用于放射生物

学，而提出一个新的名称一品质系数，表示依赖于传能线密度的那个因素，吸收

剂量乘以这个因素即得剂量当量。

剂量当量=吸收剂量X品质系数X其它必要的系数

辐射品质：是指电离粒子授与介质的能量在微观空间分布上的那些特征。

其它照射条件不变时，辐射效应于辐射品质有密切关系。

2、剂量当量的定义及单位

前面已介绍（宏观剂量学）了吸收剂量、比释动能和照射量的概念，这是剂

量学中三个重要的量。它们反映了入射粒子能量在物质中不同的消耗过程。

虽然吸收剂量是用来说明物质所受照射吸收能量多少的一个最重要的物理

量。也是适用于各种介质，各种辐射类型的常用量，但还是不能反映生物效应的

不同情况。

吸收剂量相同，由于辐射类型不同或辐射条件不同（内、外照射，不同的部

位）所产生的生物效应是不同的。而在辐射防护所关心的是受照后在人体内产生

的生物效应。所以必须对吸收剂量加以修正。经过修正的吸收剂量就是剂量当量

概念。

定义：在组织中所关心的某一点的剂量当量H是吸收剂量D,品质因数Q

及其它修正因数N的乘积。

即：H=DQN

用剂量当量来描述人体受电离辐射的危害程度可以反映出不同种类、不同能

量射线及不同照射条件下产生的生物效应的差异。

其它修正因数N,ICRP暂定为1。

品质因数Q是与传能线密度有关的因子。Q值定义为在水中被研究点上的

碰撞阻止本领Loo的函数。

单位：Q与N都是没有量纲的，所以H的SI单位和D的相同为J-kg“

给予其专名：希沃特（sievert）Sv

专用单位：雷姆（rem）1rem=0.01Sv

3、剂量当量率及其单位

剂量当量率H'是单位时间内的剂量当量增量，定义为：

H'=dH/dt

dH是dt时间间隔内剂量当量的增量。

单位：Jkg」sT,也可用希沃特代替SvsL

4、有关品质因数Q的讨论

品质因数Q是用来计算吸收剂量的微观分布对危害的影响的量，它所关心

的一点上的水碰撞阻止本领Loo的函数。

如果在所关心的体积内辐射按L8的分布不是所有点上都知道，那么可按初

级辐射类型使用Q的近似值。

ICRP建议对于内、外照射都可使用下列Q值。

X、r射线和电子：Q=1

能量未知中子、质子和静止质量大于原子质量单位的单电荷粒：Q=10

能量未知的a粒子和多电荷粒子：Q=20

上述Q的取值已沿用了儿十年。目前，我国的《放射卫生防护基本标准》

中也采用了这些值。

但是辐射品质因数Q本身的含义和它的取值不是完美无缺的，近几年许多

科学家对此进行了探讨：

①建议增大高LET(传能线密度)辐射的品质因数，特别是中子的品质因数。

建议值：热中子Q=5,快中子Q=10,质子和a粒子Q=20。

②提出作为品质因数Q的基本参量的传能线密度LET与生物体敏感微区的

能量沉积缺乏直接的联系。因而也就是与生物效应发生概率之间缺乏正比关系。

所以认为传能线密度并非一个恰当量，而用线能作为辐射品质因数的依据是适宜

的。

鉴于上述情况，1986年4月，ICRP和ICRU联合任务组提出的报告中肯定

了对高LET的Q的改变是必要的。给出了Q的新数值，并把Q和线能y建立了

关系。

辐射品质因数Q值的修正，必然涉及到整个辐射防护领域，对此须持慎重

态度。尽管ICRU第40号报告中已暗示ICRU将在近几年内审议剂量当量限制

体系。考虑关于品质因数修正的建议。但在90年ICTP第60号出版物中并没有

完全采用ICRU40号报告中提供的Q值，而将品质因数改为辐射权重因子，取

值见下表，提出了“当量剂量”以取代“剂量当量”。

5、当量剂量HTR(equivalentdose)

定义：HTR=WRDTR,单位：同剂量当量单位相同。

式中：HTR为R类辐射在组织或器官T中的平均当量剂量。

DTR为R类辐射在组织或器官T中的平均吸收剂量。

WR为R类辐射的辐射计权因子。

表辐射权重因子WR

辐射类型能量范围

wR

光子所有能量1

电子和介子所有能量1

中子能量＜10keV5

10-100keV10

100keV-2MeV20

2~20MeV10

＞20MeV5

质子（反冲质子除外）能量＞2MeV5

粒子，裂变碎片，重核20

6、当量剂量和剂量当量区别

①剂量当量是以组织或器官中一个点的吸收剂量乘以该点处的辐射品质因

数Q，而当量剂量是以器官或组织的平均吸收剂量乘以辐射计权因子WR,而

WR是以入射到身体的辐射种类和能量（对外照射）或从辐射源放射的粒子的种

类和能量？（内照射）来选取的。

②计算剂量当量的辐射品质因素Q是按照辐射的传能线密度（LET）而定；

计算当量剂量的辐射权重因子WR则是依据辐射在低剂量率时诱发随机效应的相

对生物效应（RBE）值选取的。当然在大多数情况下，两者数值相差无儿的。

三、有效剂量当量HE和有效剂量E

1、HE的提出

事实上任何辐射总是不止涉及一个器官，往往是两个或两个以上的器官同时

受到照射，而且还存在局部照射和内照射的相加问题。

如：某人骨表面接受0.35SV的剂量当量，而另一个人骨表面受0.2Sv的照射,

同时肝脏又受到0.1Sv的照射，那么哪个人的危险更大些?

这就需提出采用有效剂量当量，除可解决不均匀或局部照射以及内外照射同

时存在是危险的评价问题，而且还可用有效剂量当量来计算内照射的次级限值

ALI（年摄入量限值）。

2、有效剂量当量的定义和组织权重因子

ICRP最初26号出版物定义这样的量：ZWTHT,当时没有给出名称一有效

当量剂量

1978年6月ICRP在斯法哥尔摩会议上才给予命名的。

HE=2WTHT

WT为组织权重因子，表示组织T的随机性效应危险度和全身受到均匀照射

的总危险度之比率，如表。H