电离辐射剂量学

《电离辐射剂量学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电离辐射剂量学（382页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、,电离辐射剂量学,本课程的用途,放射学科的基石 专业拓展和技术提高的工具 辐射理论研究和应用研究的前提,学习本课程的要求,必要的高等数学知识微积分、微分方程、数值计算、解析几何 必要的原子物理知识微观尺度、原子和原子核物理 必要的计算机编程技术至少一门编程语言 必要的英语普通英语、专业英语,课程讨论方式,课堂随问随答方式 办公室讨论 邮件联系 电话联系 ,一些关于学习的建议,建议当堂提问 建议课后复习理解 建议多动笔,建议阅读的书籍,辐射剂量学导论 ICRP 60号出版物 ICRP 2007 新建议书 NCRP 51号报告 程序设计 Medical Physics 杂志,第一章 电离辐射和电离

2、辐射场 Ch2 Ionizing radiation and its field,引 言,电离（Ionization）：从原子、分子或其他束缚状态释放 一个或多个电子的过程。在电离过程中产生的负离子和正离 子形成离子对。,激发（Excitation）：如果上述过程中电子尚不能摆脱 原子核的束缚，只能从低能态跃迁到 高能态，则称为 激发。,如果电离过程中释放的电子能量超过 100 eV，则称其为 射线。电离的起因： 1、带有足够动能的带电粒子通过与物质原子、分子的碰撞直接产生。,电离的起因： 2、不带电的光子、中子也能直接产生电离，但这类电离主要是靠它们与物质 相互作用 过程中产生的 次级带电粒

3、子间接来完成的。,电离的起因： 3、低能带电粒子，已不能直接产生电离，但还能通过其诱发核、基本粒子转变过程发出的次级带电粒子进一步产生电离。,电离辐射（Ionizing Radiation）：能通过直接过程、次级过程引起 物质电离的 不带电粒子 和 带电粒子 组成的辐射。,辐射效应（Radiation Effect）：电离辐射引起受照物质性质的变化通过电离、激发，辐射的能量被物 质吸收，引发物质性质的改变。如：物质变热、变色等。,辐射效应（Radiation Effect）：一旦人体组织受到照射，会造成 DNA分子损伤、细胞变异或死亡。物质吸收辐射能量越多，辐射效应 的程度越大。,辐射剂量（R

4、adiation Dose）：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的物理指标。其数值取决于辐射的类型、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)。,辐射剂量学（Radiation Dosimetry）： 研究电离辐射能量在受照物质中转移和 吸收的规律 。剂量分布与照射条件的联系辐射剂量测、算方法辐射剂量与辐射效应关系。,度量和单位： 1、电子伏特（eV）真空中一个电子在一伏特电压作用 下获得的能量。与焦耳（J）的关系：,2、平面角由一点发出的两条射线所规定的平 面范围。圆心在顶点的一个圆被两射线所截 的弧长 a 与该圆半径 r 的比值：单位为 rad（

5、弧度）,3、立体角由一个锥面规定的空间范围球心在锥顶的一个球面被锥面截下 的面积 S 与该圆半径平方 r2 的比值：单位为 Sr（球面度）,4、放射性衰变参数物理衰变常数 ：单位时间内， 放射性原子核发生衰变的份额，1/s物理半衰期 T1/2：放射性原子核减 少一半所需要的时间，s。,5、放射性衰变规律,6、放射性活度（Activity）t 时刻，单位时间内，样品中自发 发生核转变的原子核个数。单位：1/s，名称：Bq（贝克）,电离辐射场 （Ionizing Radiation Field）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。,辐射场性质的内涵 辐射场类型 辐射

6、场，辐射场，辐射场中子辐射场，混合辐射场 粒子能量 单能辐射场具有能量分布的辐射场,辐射场性质的内涵 粒子运动方向单向辐射场多向辐射场,各向同性辐射场（Isotropic Radiation Field）从各个方向到达辐射场某点具有特定能量的同类粒子数目都相同的辐射场,辐射场性质的时空相关性 辐射场的性质常随观察时间 和 空间位置的变迁而改变。 完整描述一个辐射场，需要从以下 五个方面进行。,为完整描述辐射场，必须了解：任意时刻， （T）沿 任意方向，到达辐射场 （）任意位置的 （P）任意类型、 （K）任意能量的 （E）粒子数目或它们携带的辐射能量,描述辐射场性质的两个简单物理量 粒子注量（P

7、article Fluence）, 能量注量（Energy Fluence）,T时间内，进入以 r 点为球心的单位 截面积小球的粒子数或辐射能。 单位：m-2 ，J m-2,和 的说明 对于单向或多向辐射场，在小球内 总能找到和入射粒子方向垂直的横截面 所以，粒子注量和能量注量分别就 是从各个方向进入所关心小球的粒子数 及其携带的辐射能。,粒子注量率(Particle Fluence Rate), 能量注量率(Energy Fluence Rate), t 时刻，单位时间内，辐射场 r 点 处 粒子注量 或 能量注量 的 增加量 单位： m-2 s-1 ，J m-2 s-1,按照分布（dist

8、ribution）来理解，T 时间内的粒子注量 是 粒子注量按时间的 积分分布 。t 时刻的粒子注量率 是 粒子注量按时间的 微分分布 。,需要注意的是， 单位时间内，到达 r 点处的粒子未必都 具有相同的方向性，从而提示：粒子注量率 能量注量率 存在着按粒子运动方向的分布,粒子辐射度（Particle Radiance） 能量辐射度（Energy Radiance） 它们分别是粒子注量率 和 能量注量率 按粒子运动方向 的微分分布。,粒子辐射度（Particle Radiance） 能量辐射度（Energy Radiance） 它们的含义是沿(,)方向，单位立体角入射 的那些粒子构成的粒子注

9、量率和能量注 量率。单位: m-2 s-1 sr -1 , J m-2 s-1 sr -1,如果已知沿各个方向入射的粒子辐射度 则辐射场 r 点处总的粒子注量率 即为粒子辐射度对方向的求和。,再要注意的是，单位时间内沿方向单位立体角入 射到辐射场 r 点处的粒子未必都有相同 的能量，于是知道：粒子辐射度能量辐射度 存在按粒子能量 的分布。,粒子辐射度按粒子能量的微分分布，是由能量为 E 的那些粒子构成的 粒子辐射度。意指：t 时刻单位时间内，沿方向单位立 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。,粒子辐射度按粒子能量的积分分布，是由能量0 E 的那些粒子构成的 粒子辐射

10、度。意指：t 时刻单位时间内，沿方向单位立 体角入射到辐射场 r 点的，能量在 0 E 间的粒子数。,粒子辐射度按粒子能量的微分分布和积分分布的关系：能量辐射度按能量的微分分布 粒子辐射度按能量的微分分布两者关系为：,描述辐射场性质最基本的量是：任何一种辐射类型 i 的粒子辐射度 按粒子能量的微分分布相应的，能量辐射度按粒子能量的微分 分布为：,本章思考题 1、电离，激发，辐射场，辐射剂量 2、粒子注量，能量注量，粒子辐射度 3、试描述粒子辐射度按粒子能量的微分分布与粒子注量的关系,本章附加思考题 4、有人说：辐射场中P点的注量值等于发生在P点处无限小体积dV的粒子径迹长度（假定径迹为直线）的

11、总和的期望值与dV的商。试针对一个球形体积证明此言。,第二章 电离辐射与物质的相互作用程度 Ch 2 Extent of Interaction of Ionizing Radiation with Matter,概 论相互作用（Interaction）在物质中，电离辐射的能量、方向发生变化的随机过程。,相互作用后，会产生一个或多个次级粒子。 入射辐射的一部分能量将向次级粒子转移。 相互作用的程度依赖于：辐射的 类型 和 能量 ，以及物质的 性质（原子序数）,用于描述相互作用程度的系数都有其独 自的针对性。每一个相互作用系数值都是与特定辐射、特定能量 和 特定物质相联系的。,带电粒子：作用次数

12、频繁，每次作用损失能量不多不带电粒子：作用次数稀少，每次作用能量损失可观不带电粒子通过相互作用产生次级带电 粒子将能量授予物质。,相互作用的靶子（Target）与入射辐射发生相互作用的 原子核、 整个原子 以及 核外束缚电子。这里提到的靶子其实就是入射辐射的作 用对象。因此，靶子的数目与相互作用次数 关系密切。,若物质原子序数为 Z，摩尔质量为 M，密度 则单位质量（m）物质中，原子核数 aBm = NA / M电子数 eBm = NA Z / M单位体积（V）物质中原子核数 aBv = NA / M 电子数 eBv = NA Z / M ,不同物质的 Z / M 值由上表可知，低 Z 物质（

13、包括软组织）单位质量中包含的电子数近乎相等。,液态水的密度 1.0 g / cm3, 根据前述得1 cm3 水含有的水分子个数（BV）水 为： ( 1 g / cm3 ) / 18 NA 3.3 1022 已知 20C 水蒸气密度1.7310-5那1 cm3 水含有的水分子数目为 5.81017,然而，1g 液态水和 1g 水蒸气包含的水分子 同为 Bm = (BV) / = 3.3 10 22 个。 由此得到结论：单位质量物质中含有的靶子数目不因物 质状态的变化而改变。,相互作用截面 （CrossSection）单位注量的入射辐射与一个靶子发生一 次相互作用的几率。若入射辐射注量为 ，其与一

14、个靶子 发生相互作用的几率为 P，则截面为：,如果入射辐射可能与靶子发生多种相互作用 则相互作用的总截面 总 为： 总 J 依据靶子类型的不同，截面可以是：原子截面 a ，电子截面 e 且 a e Z,衰减系数 若入射辐射粒子注量为 ，在均匀物质 中穿行 距离，其粒子注量将减少：,线衰减系数等式两边同时除以物质密度 ，得：质量衰减系数，m2 kg -1质量厚度,入射辐射在物质中穿行dl 厚度时涉及到的物质质量。,线衰减系数 (Linear attenuation coefficient)表示：单位注量的入射辐射在单位体积 物质中引发一次相互作用的几率。或者 说入射辐射在物质中穿行单位长度距离

15、时，其粒子注量减少的份额。,质量衰减系数 (mass attenuation coefficient)表示：单位注量的入射辐射在单位质量 物质中引发一次相互作用的几率。或者 说入射辐射在物质中穿行单位质量厚度 时，其粒子注量减少的份额。,例如：1Mev光子在铝中的线衰减系数为 0.166 cm-1，质量衰减系数为 0.0615 cm2/g请说说上述数值的含义,带电粒子能量在物质中的吸收 Absorption of Energy of Charged Particles in Matter,带电粒子进入物质后，主要受到物 质中原子核和电子的电磁作用，致使运 动着的带电粒子 改变方向、减少能量.若无能量形式的改变，则称：弹性散射 或 弹性碰撞否则表现为 电离、激发、轫致辐射,高能电子：主要通过轫致辐射损失能量 电子：运动速度超过同一物质中的光速时 部分能量变成可见光，契伦科夫辐射。 高能重粒子：主要通过核反应,带电粒子与物质的相互作用方式 和 能量损失多寡依赖于带电粒子的电荷、质量和能量，也取决于物质的原子序数。,弹性碰撞仅当带电粒子的运动速度不高于2183km/s时才会发生，与该速度对应的粒子的动能分别为： 粒子：0.1 Mev质子：0.025 Mev电子：0.0135 Mev,