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1、第一章 电离辐射与物质的相互作用第一节 电离辐射场一、电离辐射人类一直受着天然电离辐射源的照射。但电离辐射受到人们的普遍关注还是在十九世纪末贝可勒尔发现放射性、伦琴发现X射线和居里夫人发现镭之后。伦琴利用X射线获得了他的手骨照片，开创了X射线诊断检查技术。直到现在，X射线诊断仍是人类接受的人工电离辐射照射的主要来源。电离辐射在医学诊断与治疗、灭菌消毒、选种育种、工业探伤、示踪技术和科学研究中的应用日益广泛。当前，核电作为仅次于热电和水电的能源，其规模不断扩大，以核电站为中心的整个核燃料循环系统无疑是全社会最关心的电离辐射源之一。1电离辐射和非电离辐射从一个原子、分子或其它束缚态中释放出一个或多
2、个电子的过程称作电离（ionization）。能够引起电离的带电粒子和不带电粒子称作电离辐射（ionizing radiation）。从一个原子中释放出一个价电子需要的能量为425eV量级。当电子和质子等带电粒子的动能大于该值时，可将其称作电离辐射。通常，将量子能大于10eV的光子视为电离辐射，而将量子能小于l0eV的光子称作非电离辐射(non-ionizing radiation，NIR)。波长大于l00mm的紫外线、可见光、红外线和射频辐射，都属于非电离辐射。2直接电离辐射和间接电离辐射快带电粒子穿过物质时，通过库仑力相互作用直接在物质中沉积能量并引起电离。这种通过初级过程引起电离的粒子称
3、作直接电离辐射（directly ionizing radiation）。光子和中子等不带电粒子穿过介质时首先将其能量转移给带电粒子，随后这些次级快带电粒子再沉积能量和引起电离。这种通过次级过程引起电离的不带电粒子称作间接电离辐射（indirectly ionizing radiation）。在研究人体或非生物体受照时，把体外源发射的辐射称作外辐射（external radiation）。宇宙射线、陆地射线以及医学诊断和治疗中使用的X射线和射线，都是外辐射。外辐射对人体的照射称作外照射（external irradiation）。由体内分布源发射的辐射称为内辐射（internal radiat
4、ion）。吸入的氡和氡子体，通过食物链进入人体的40K、238U、232Th、137Cs和90Sr等，以及食入或注射的放射性药物，都构成体内分布源。二、电离辐射场的描述电离辐射居留的空间称为电离辐射场。电离辐射场由如下一些辐射量来描述。1粒子数和辐射能为了定量描述辐射场，可以用某种方法确定辐射场中的粒子数目。例如测定源发射的粒子数目，计算由加速器射到某一物体上的高能电子数目，或者研究在辐射场中传输的光子数目等。粒子数(particle number)N是发射、转移或者接受的粒子数目。粒子数N的单位是1。粒子数的定义中未限定辐射场的范围，不能用来表征辐射场的疏密程度。粒子数密度（particle
5、 number density）n是表征辐射场疏密程度的一个物理量，它是单位体积自由粒子的数目： （1.1）其中是体积元内的自由粒子数目。通常，热中子的数密度用表示，它是单位体积的热中子数。粒子数密度的单位是。辐射场中每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，即得到辐射能。它可能是一个辐射源发射的辐射能量，也可能是辐射场中传输的辐射能量，或是被一物体吸收的辐射能量。辐射能(radiant energy)R是发射、转移或接受的辐射粒子的能量（不包括静止能）。辐射能R的单位是J。2通量、注量和注量率a.通量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。粒子通量(part
6、icle flux)是除以的商。 （1.2）是时间间隔内粒子数的增量。能量通量(energy flux)是除以的商。 （1.3）是时间间隔内辐射能的增量。能量通量的单位是或W。例如，一个源的活度为3.00105Bq，粒子的产额为100%，每个粒子的能量为6.43MeV。则该源的粒子通量为，能量通量为。b.注量电离辐射粒子都是高速运动的粒子，并且是在传输过程中与物质发生相互作用的。为了研究电离辐射与物质的相互作用程度，需要确定穿过单位面积的粒子数目。如果辐射场由单向运动的粒子构成，在指定点取一个垂直于射线方向的面积元。设入射到面积元上的粒子数为dN，则/可用来表征辐射场中穿行的辐射粒子疏密程度，
7、并称之为单向辐射场中的粒子注量，用u表示。 u=/ (1.4)如果选取的面积元与射线方向不垂直，其法线方向与射线间的夹角为，则有（参看图1.1）。相同的辐射场，/将随而变化。因此，保持与射线垂直，/才能客观地描述单向辐射场中射线的疏密程度。设辐射场中某一区域包含沿不同方向穿行的辐射粒子。为了确定该区域某一 图1.1 面积元da取向示意图 图1.2 注量的确定点P附近的射线疏密程度，以P点为中心画一个小圆，其面积为da。保持da的圆心在P点不变，而改变da的取向，以正面迎接从各方向射来并垂直穿过面积元da的粒子数。da在改变取向的过程中即扫描出一个以P点为球心，以da为截面的回转球(图1.2)，
8、将求和，并除以da，所得之商即代表一般辐射场中指定点的粒子注量，简称为注量。(粒子)注量(particle) fluence)是dN除以da的商。=/ (1.5)是进入截面积为的小球中的粒子数。（粒子）注量的单位是m-2。对于平行的辐射场，（1.5）式和（1.4）式的定义相同。与粒子注量对应的有能量注量（energy fluence），它是除以的商。 （1.6）dR是进入截面积为da的小球的辐射能。能量注量的单位是。单向辐射场中的能量注量可表示为 （1.7）c.注量率通量表征辐射场中粒子或能量在时间上的频繁程度，注量表征辐射场的空间疏密程度。将时间和空间因素结合起来就得到一个新的物理量叫做注量
9、率，它是单位时间内进入单位截面积球中的粒子数或辐射能。（粒子）注量率（particle）fleuence rate）是d除以dt的商。 （1.8）是dt时间间隔内粒子注量的增量。 粒子注量率的单位是。粒子注量率又称作粒子通量密度(particle flux density)。由于密度一词有多种含义，因此用粒子注量率一词更为恰当些。能量注量率(energy fluence rate)是除以的商。 （1.9）是时间间隔内能量注量的增量。能量注量率的单位是。例：一个各向同性的点源的活度为A，能量为的射线的产额为。设源对射线的自吸收以及空气的吸收和散射作用可以忽略。试给出距离点源r处光子的注量率和能量
10、注量率的表达式。解：根据题设，由点源发射的射线全部均匀地穿过半径为r的球面，且射线的传输方向与球面垂直。由定义可知图1.2a 点源注量率的计算 图1.3 立体角元d的表示3角分布和辐射度由（1.5）式和图1.2所定义的P点的注量是沿各方向进入P点处小球的粒子贡献的总和。为了研究粒子入射方向的分布，可用表示粒子注量的角分布。 （1.10）其中是沿指定方向附近立体角元内传输的粒子注量。而粒子注量则可表示为 (1.11)的单位是。粒子传输方向一般用方位角和表示。为了避免和注量率的符号相混，用代表方位角（参看图1.3）。这时有而（1.11）式可写作 （1.12）对应地可以给出能量注量角分布的定义式为
11、（1.13）其单位为。注量率的角分布称作辐射度。粒子辐射度（particle radiance）P是除以所得之商： （1.14）是沿指定方向立体角元以内传输的粒子注量率。粒子辐射度P的单位是。对粒子辐射度按立体角积分就给出粒子注量率： （1.15）能量辐射度(energy radiance)是除以所得之商： （1.16）是沿指定方向立体角元传输的能量注量率。能量辐射度的单位是。对能量辐射度按立体角积分即得到能量注量率： （1.17）4能谱分布辐射场中的粒子一般具有不同的能量，例如235U裂变产生018MeV的中子。不带电粒子与物质相互作用产生的带电粒子的能量也是分布的。因此，前面定义的各辐射量
12、均存在着按粒子能量的分布。如果用Q代表这些辐射学量，用E代表粒子的能量（不包括静止能），则Q(E)是Q的积分分布，它是能量为0E的粒子对Q的贡献；QE是Q的微分分布，它是能量在E附近单位能量间隔内的粒子对Q的贡献。这些量之间存在如下关系： （1.18） （1.19） （1.20）a.注量的谱分布用和代替(1.18) (1.20)式中的就得到粒子注量和能量注量谱分布的表达式。能量在0-E之间的粒子所构成的那部分注量称作注量的积分分布，用表示。对E的导数称作注量的微分分布，用E表示。 （1.21）它是能量在E附近单位能量间隔内的粒子注量。对从0到E积分即得到积分分布： （1.22）将积分上限取作即得到各种能量粒子的总注量： （1.23）能量注量、能量注量的积分分布和微分分布之间，也存在着类似的关系式： （1.24） （1.25） （1.26）能量为E的粒子数目与E的乘积即等于能量为E的粒子的辐射能量。故有 （1.27） （1.28）b.辐射度的谱分布为了完整地描述辐射场，需要确定在任一时刻t，在空间任一点r处，沿任一方向运动的j类电离粒子的微分谱分布。这就是j类电离粒子辐射度的微分谱分布，用表示，它是在E附近单位能量间隔内j类电离粒子的辐射度。它与积分谱分布的关系为 （1.29）
