辐射剂量与防护A课件(2)教材

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1、辐射剂量与防护辐射剂量与防护A A 朱志超朱志超 南华大学核科学技术学院南华大学核科学技术学院 辐射防护与核安全系辐射防护与核安全系 TELLTELL： 18216038469 828188718216038469 8281887 EmailEmail：zhuzhichao zhuzhichao 2 第一章第一章 电离辐射领域中常用的量和单位电离辐射领域中常用的量和单位 第二节第二节 相互作用系数相互作用系数 n 物物 质：质：气体 气体 液体液体 固体固体 包括人体包括人体 等等 微观粒子间碰撞有动量和能量的传递微观粒子间碰撞有动量和能量的传递 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 辐射

2、辐射 电离辐射电离辐射 非电离辐射非电离辐射：红外线、可见光、无线电波：红外线、可见光、无线电波 直接电离粒子直接电离粒子：电子、：电子、 质子、质子、 粒子、粒子、 射线射线 间接电离粒子间接电离粒子：光子、中子：光子、中子 电离辐射：电离辐射：凡是与物质直接或间接作用时能使物质电离的一切辐射凡是与物质直接或间接作用时能使物质电离的一切辐射 。 带电粒子、非带电粒子带电粒子、非带电粒子与物质相互作用与物质相互作用特点特点 带电粒子带电粒子通过物质时，同物质原子中的电子和原子核发生通过物质时，同物质原子中的电子和原子核发生 碰撞进行能量的传递和交换。其中最重要作用是带电粒子碰撞进行能量的传递和

3、交换。其中最重要作用是带电粒子 非弹性碰撞直接使原子非弹性碰撞直接使原子电离电离或或激发激发。 非带电粒子非带电粒子则一般通过则一般通过次级效应次级效应产生次带电粒子使原子电产生次带电粒子使原子电 离或激发。非带电粒子离或激发。非带电粒子直接直接电离和激发的电离和激发的概率非常低概率非常低。 (1)(1)电离损失电离损失与核外电子的非弹性碰撞过程与核外电子的非弹性碰撞过程 入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用，使电子获得能入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用，使电子获得能 量而引起原子的电离或激发。量而引起原子的电离或激发。 电离电离核外层电子克服束缚核外层电子克服束缚 成为自由电

4、子，原子成为正离成为自由电子，原子成为正离 子。子。 激发激发传递能量小时，使核外层传递能量小时，使核外层 电子由低能级跃迁到高能级而电子由低能级跃迁到高能级而使原使原 子处于激发状态，退激发光。子处于激发状态，退激发光。 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用 一种一种是外壳层电子向内壳层空位填补使原子回到基态，跃是外壳层电子向内壳层空位填补使原子回到基态，跃 迁时多余的能量以迁时多余的能量以特征特征X X射线射线的形式释放出来；的形式释放出来； 一种一种是多余的激发能直接使外层电子从原子中发射出来，是多余的激发能直接使外层电子从原子中发射出来， 这样发射出来的这样发射出来的电子电

5、子称为俄歇电子。称为俄歇电子。 退激退激 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用 Bethe Bethe 公式的讨论公式的讨论 : :电离能量损失率与入射粒子电荷数平方电离能量损失率与入射粒子电荷数平方 成正比；成正比； : :电离能量损失率随入射粒子速度增加而电离能量损失率随入射粒子速度增加而 减小减小, , 呈平方反比关系；呈平方反比关系； 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用 : :电离能量损失率与介质的原子序数正比电离能量损失率与介质的原子序数正比 ，与介质的相对原子量成反比。，与介质的相对原子量成反比。 阻止本领可以用量子阻止本领可以用量子 力学理论给出计算公力

6、学理论给出计算公 式式（参考贝特公式） (2)(2)辐射损失辐射损失与原子核的非弹性碰撞过程与原子核的非弹性碰撞过程 入射带电粒子到达靶原子核的库仑场时，其库仑引力和斥力会使入射带电粒子到达靶原子核的库仑场时，其库仑引力和斥力会使 入射带电粒子的入射带电粒子的速度和方向速度和方向发生变化，伴随着发射发生变化，伴随着发射电磁辐射电磁辐射( (轫致轫致 辐射辐射),),从而造成入射粒子的损失从而造成入射粒子的损失-辐射损失辐射损失。 当当baba，每次作用损失能量小。，每次作用损失能量小。 硬碰撞或硬碰撞或“对面撞对面撞”：b b与与a a同量级，每次作用能量损失大。同量级，每次作用能量损失大。

7、其中其中b b为径迹至原子的最近距离为径迹至原子的最近距离,a,a为原子半径。为原子半径。 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用 X X射线管和射线管和X X光机产生的光机产生的X X射线就是轫致辐射。射线就是轫致辐射。电视机显像管，电视机显像管， 电子打在荧光屏上产生软电子打在荧光屏上产生软X X射线。射线。 湮没过程湮没过程 : :表明带电粒子的表明带电粒子的质量质量越大时，越大时，辐射损失辐射损失越小越小 。所以仅对。所以仅对轻带电粒子轻带电粒子才重点考虑。电子的轫才重点考虑。电子的轫 致辐射能量损失率比质子、致辐射能量损失率比质子、 粒子等大得多。粒子等大得多。 : :表明

8、物质的表明物质的原子序数原子序数越大、带电粒子的越大、带电粒子的电荷电荷 数数越多时，越多时，辐射损失辐射损失越大。在原子序数大的物越大。在原子序数大的物 质质( (如铅如铅, Z=82), Z=82)中，其轫致辐射能量损失比原中，其轫致辐射能量损失比原 子序数小子序数小( (如铝如铝Z=13)Z=13)的物质中大得多的物质中大得多 。 带电粒子带电粒子的电荷、及质量的电荷、及质量 吸收物质吸收物质的原子序数的原子序数 Bethe Bethe 公式的讨论公式的讨论: : 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用 带电粒子与靶原子核的弹性散射带电粒子与靶原子核的弹性散射 当当b1.022

9、MeV) )时，时， 当它从原子核旁经过时，在当它从原子核旁经过时，在核库仑场核库仑场的作用下，入射光子转的作用下，入射光子转 化为一个化为一个正电子和一个电子正电子和一个电子的过程。的过程。 M M + e+ + e- 1 + 2 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？ 射线射线与物质的相互作用与物质的相互作用 入射光子的能量首先用于转化为正负电子正负电子对的静止能量，剩下赋予正负电子动能。 根据能量守恒，只有入射光子能量大于两倍电子的静止能根据能量守恒，只有入射光子能量大于两倍电子的静止能 量时，才能发生。同时能量和动量守恒需要

10、过程有量时，才能发生。同时能量和动量守恒需要过程有第三者（第三者（ 原子核）原子核）参加。参加。 电子对效应之后伴随电子对效应之后伴随正电子湮没正电子湮没。 射线射线与物质的相互作用与物质的相互作用 电子对效应截面电子对效应截面 特点特点：能量较低时，随光子能量线性增加，高能时，与光子能：能量较低时，随光子能量线性增加，高能时，与光子能 量的变化就缓慢些。量的变化就缓慢些。 射线射线与物质的相互作用与物质的相互作用 光光 电电 效效 应应 康普顿散射康普顿散射 电子对效应电子对效应 小结小结: : 中能、低中能、低 Z Z ，康普顿散射康普顿散射占优势。占优势。 低能、高低能、高 Z Z ，光

11、电效应光电效应占优势；占优势； 高能、高高能、高 Z Z ，电子对效应电子对效应占优势；占优势； 射线射线与物质的相互作用与物质的相互作用 射线射线与物质的相互作用与物质的相互作用 中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用 1 1) ) 弹性散射弹性散射 出射粒子仍为中子、剩余核仍为靶核。出射粒子仍为中子、剩余核仍为靶核。 出射中子的动能：出射中子的动能： 反冲核的动能：反冲核的动能： 2) 2) 非弹性散射非弹性散射 入射中子的能量损失不仅使靶核得到反冲，且使靶核处于入射中子的能量损失不仅使靶核得到反冲，且使靶核处于激发激发 态态，处于激发态的靶核，处于激发态的靶核退激退激时放出一个或几个特

12、征时放出一个或几个特征 光子。光子。 50 2 2、辐射俘获反应、辐射俘获反应 中子射入靶核后与靶核形成一个中子射入靶核后与靶核形成一个复合核复合核，而后复合核通过发，而后复合核通过发 射一个或几个射一个或几个特征特征 光子跃迁到基态光子跃迁到基态。由于这些。由于这些 光子的发射光子的发射 与复合核的寿命相关，一般很快，故称为与复合核的寿命相关，一般很快，故称为“中子感生瞬发中子感生瞬发 射线射线 ”! ! 低能中子对组织中沉积能量最大的一种反应。热力学中子低能中子对组织中沉积能量最大的一种反应。热力学中子 可以产生几十可以产生几十MeVMeV的的射线。防护要十分关注。射线。防护要十分关注。

13、中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用 51 3 3、散散裂反应裂反应 (1)(1)发射带电粒子的核反应发射带电粒子的核反应 10Bn 中子防护中常用硼、锂作吸收剂中子防护中常用硼、锂作吸收剂 中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用 52 (2)(2)裂变反应：裂变反应： （n，f）反应 易裂变同位素：易裂变同位素： 233 233U U， ， 235 235U U， ，239 239Pu Pu，241 241Pu Pu 可裂变同位素： 232Th， 238U，240Pu 放出约放出约200MeV200MeV的能量的能量 (3) (3) 多粒子发射多粒子发射 中子能量大于中子能量大于8-1

14、0MeV8-10MeV时，复合核发射多个粒子。时，复合核发射多个粒子。 （n，2n）、（n，np） 中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用 53 相互作用系数相互作用系数 1 1、质量减弱系数、质量能量转移系数和质量能量吸收系数、质量减弱系数、质量能量转移系数和质量能量吸收系数 3 3个系数都是针对不带电粒子（个系数都是针对不带电粒子（、 射线和中子）穿过射线和中子）穿过 物质时发生的物理现象而定义的。物质时发生的物理现象而定义的。 它们分别量度：平均有多少粒子它们分别量度：平均有多少粒子减少减少；平均有多少粒子；平均有多少粒子转转 移移为带电粒子的动能和平均有多少能量被物质所为带电粒子的动

15、能和平均有多少能量被物质所吸收吸收。它们的。它们的 单位都是单位都是m m 2 2 kgkg-1 -1。 。 下面以下面以 射线为例。射线为例。从物理意义上分析这三个系数的联从物理意义上分析这三个系数的联 系与区别。系与区别。 射线穿物质时其注量率随着穿过的厚度的增加而指数射线穿物质时其注量率随着穿过的厚度的增加而指数 衰减。称做线性吸收系数衰减。称做线性吸收系数 ，其单位为，其单位为cmcm-1 -1，它表示 ，它表示 射射 线穿过单位厚度物质时发生相互作用的概率（或被吸线穿过单位厚度物质时发生相互作用的概率（或被吸 收的概率），它包含了光电效应、康普顿效应和电子收的概率），它包含了光电效应

16、、康普顿效应和电子 对效应总的贡献。对效应总的贡献。 由于三种效应的作用概率都与入射光子的能量和作用由于三种效应的作用概率都与入射光子的能量和作用 物质的原子序数有关，所以物质的原子序数有关，所以 值也随值也随 光子能量和介质光子能量和介质 原子序数原子序数Z Z而变化。而变化。 光子能量增高，吸收系数光子能量增高，吸收系数 值减小值减小 ；介质原子序数高密度大的物质，线性吸收系数也高；介质原子序数高密度大的物质，线性吸收系数也高 。 射线在物质中的减弱，通常是几种过程叠加的结果。射线在物质中的减弱，通常是几种过程叠加的结果。 其中其中 、 、 分别表示光电效应、康普顿散射和电子对效分别表示光电效应、康普顿散射和电子对效 应的的减弱系数。应的的减弱系数。 1 1）质量