辐射防护第2章--相互作用

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1、1,第二章 电离辐射与物质的相互作用,* 电离辐射 描述辐射场的辐射量 粒子与物质的相互作用 相互作用系数,2,电离辐射领域中常用的量,1.描述辐射场的辐射量：注量、注量率、能注量和能注量率等 2.辐射与物质相互作用的系数及相关量：截面、碰撞阻止本领，质量减弱系数，质能转移系数 3.辐射效应有关的剂量学量：吸收剂量、比释动能、照射量 4.用于辐射防护评价的量：当量剂量、有效剂量、待积有效剂量等 5.外照射防护实用量：个人剂量当量等,3,国际单位制基本单位？,基本单位、辅助单位和导出单位,4,长度， 米， m 质量， 千克(公斤)， kg 时间， 秒， s 电流， 安培 ，A 热力学温度， 开尔

2、文， K 物质的量，摩尔， Mol 光强度，坎德拉， cd,国际单位制的基本单位,5,国际单位制的辅助单位,平面角，弧度，rad 立体，角球面度，sr,6,一、核素、同位素及放射性活度,核素：,放射性核素，如：60Co、239Pu,稳定核素，如：12C、16O,质子数相同，中子数不同，如：氢的同位素包括了1H、2H、3H,同位素：,2.2 描述辐射场的量和单位,7,电离辐射存在的空间称为辐射场； 辐射场是由辐射源产生的，根据辐射源的种类，辐射场可以分为辐射场，中子辐射场，辐射场等。（如果存在两种或两种以上的辐射源，称为混合场，例如：中子-混合场，-混合场等） 辐射场的特征如何去描述？ ICRU

3、（国际辐射单位与测量委员会）定义一些物理量来描述辐射场，在辐射防护中，常用粒子数、辐射能、粒子注量、注量率、能注量和能注量率等来描述辐射场的特征,描述辐射场的量和单位,理解并掌握粒子注量、注量率、能注量和能注量率的概念、物理意义,8,描述辐射场的量,粒子数N是指发射、传输或接收的粒子的数目，单位为1。 辐射能R是指发射、传输或接收的粒子的能量（不包括静止能量），单位：焦耳J。 对能量（不计静止能量）为E的粒子，则有：R=NE,描述辐射场的量和单位,9,通量（Flux）是dN除以dt所得的商，即 能（量）通量（Energy Flux）是dR除以dt所得的商，即,描述辐射场的量和单位,10,粒子注

4、量,描述辐射场的量和单位,11,1. 粒子注量（particle fluence）,ICRU定义：辐射场中某一点的注量，是进入以该点为球心，截面积为da的小球体内的粒子数dN除以da的商，即,式中： dN进入小球体的粒子数。 da 小球体截面积，单位m2。 粒子注量，单位m-2。 粒子没有方向性。,描述辐射场的量和单位,12,2. 粒子注量率（particle fluence rate）,式中： d 单位时间粒子注量的增量。 粒子注量率，单位m-2s-1。,描述辐射场的量和单位,13,能量注量,1. 能量注量 （energy fluence ),进入单位截面积的球体内的所有粒子能量之和（不包括

5、静止能量）,式中： dEf1 粒子能量之和，单位 J。 能量注量，单位 J/m2。,描述辐射场的量和单位,14,2. 能量注量率（energy fluence rate）,式中： d 单位时间能量注量的增量。 能量注量率，单位 Jm-2s-1。,描述辐射场的量和单位,15,举例：当 致电离粒子 与 活细胞 发生相互作用时，活细胞 可以视为 一个小球体，不管 致电离粒子 从什么方向击中 活细胞，都可能 使 活细胞 发生损伤。 可见，辐射 作用于活细胞上 产生的效应 与 粒子的入射方向 无关。 ICRU在定义注量和能量注量等来定量描述辐射场的特征时，关心入射粒子的粒子数和入射粒子的总能量，而不关心

6、粒子的入射方向。,描述辐射场的量和单位,16,例题：一个60Co点源，其活度为3.7107Bq，射线能量分别为1.17MeV和1.33MeV。求在离点源1m处光子的注量率和能量注量率,描述辐射场的量和单位,17,放射性活度A（activity）：,放射性元素或同位素每秒衰变的原子数 ， （不是原子核数或发出的粒子数）,式中： A 放射性活度，SI单位：贝克勒尔（Bq）。 1 Bq1s1 dN dt 时间内发生的核转变数。 历史上曾使用过的单位：居里（Ci） 1 Ci=3.71010Bq,描述辐射场的量和单位,18,应用上述关系，在电离辐射仪器仪表刻度时，若已知放射源活度 和 放射源与探测器之间

7、的距离，可以得到探测器所在位置的粒子注量率与仪器计数率的关系，即刻度系数； 在放射性测量中，若已知粒子注量率 和 放射源与探测器之间距离，可以推算放射源的活度,小结：对于点源，距点源处的任一点的注量率与距离的平方成反比例关系,即：点源的注量和能量注量在空间的分布存在距离反平方关系。,19,判断题：通过单位截面积的粒子数等于粒子注量 两层错误： 第一层错误. 例题的情况下，选取的截面积 垂直 于粒子的入射方向。如果选取的截面积 不垂直于 粒子的入射方向，那么通过单位截面积的粒子数 小于粒子注量。 第二层错误：在非平行束入射时，根据 注量定义 （进入单位截面积的球体内的所有粒子数） （判断题总结）

8、也就是说，只有 单向平行垂直入射 的特殊情况下，通过单位截面积的粒子数才等于粒子注量，可修正为：“进入单位截面积的球体内的所有粒子数 等于粒子注量 ”,描述辐射场的量和单位,20,3. 能量注量与粒子注量的关系：,描述辐射场的量和单位,21,谱分布,粒子注量：,能量注量 ：,描述辐射场的量和单位,22,粒子辐射度（Particle Radiance）是d除以d所得的商，即 d d 能量辐射度（Energy Radiance） 是d 除以d而得的商,23,辐射剂量测定中应用的矢量,24,2.3电离辐射,电离和激发 阻止本领 带电粒子在物质中的射程 比电离,25,一、带电粒子的种类和物理性质,带电

9、粒子种类：,带电粒子,电子：核外电子,射线：原子核发出的高速电子,质子,粒子,26,二、带电粒子与物质相互作用的主要过程,主要过程,电离和激发,韧致辐射,核反应,化学变化,带电粒子与物质相互作用,27,1. 电离、激发和碰撞阻止本领,带电粒子,轨道电子,库仑相互作用,电离,激发,带电粒子与物质相互作用,28,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。,电离核外层电子克服束缚成为自由电子，原子成为正离子。,激发使核外层电子由低能级跃迁到高能级而使原子处于激发状态，退激发光。,29,碰撞阻止本领,线碰撞阻止本领 ： 带电粒子在介质中每单位路径长度上电离损失的

10、平均能量。,质量碰撞阻止本领 ： 线碰撞阻止本领除以密度，消除密度的影响。,带电粒子与物质相互作用,当入射带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞，以使靶物质原子电离或激发的方式而损失其能量，我们称之为电离损失。,30,重带电粒子质量碰撞阻止本领公式：,31,分析：,（1）电离损失与重带电粒子的电荷z2成正比； 说明带电粒子的电荷越大，与轨道电子的库仑作用力越大，因而传递给电子的能量越多,带电粒子与物质相互作用,32,分析：,（2）电离损失与重带电粒子的能量（速度）成反 比； 说明带电粒子传递给轨道电子的能量与相互作用时间有关，速度愈小，作用时间愈长，传递给轨道电子的能量愈大,带电粒子与物质相互作用,

11、33,设有两种速度相同的带电粒子，分别带有电荷z1和z2，在给定的物质中的阻止本领比：,也就是说，具有相同速度的两种带电粒子在同一物质 中的碰撞阻止本领之比，等于它们所带电荷数的平方之比。,碰撞阻止本领重要关系式,34,对于一种其有相对速度为的带电粒子，分别与两种不同的物质a和b相互作用，可得,亦即，具有相同速度的一种带电粒子在两种物质中的 碰撞阻止本领之比，等于在此两种物质中相应的原子序数 与相对原子量的比值之比。,碰撞阻止本领重要关系式,35,2.韧致辐射和辐射阻止本领,韧致辐射：带电粒子在原子核库仑场中被减速或加速， 其部分或全部动能，转变为连续谱的电磁 辐射。其能量损失称为辐射损失。,

12、带电粒子与物质相互作用,对粒子，辐射损失是其重要的一种能量损失方式。,高速电子进入到原子核附近的强电场区域，电子的速度大小和方向必然变化，以电磁波的形式向外辐射能量，即损失的能量直接转化成X线。由于电子与靶原子核的相对位置是任意的，电子进入靶的初动能经过多少次碰撞辐射而完全丧失也不确定，故辐射出的X线波长连续分布。,36,带电粒子与物质相互作用,37,线辐射阻止本领:入射带电粒子在介质中每单位路径长度上辐射损失的平均能量，记作： dE是带电粒子介质中穿过dl距离时辐射损失的能量。 相类似的,可定义质量辐射阻止本领，记作：,当入射带电粒子与原子核发生非弹性碰撞时，以辐射光子损失其能量，我们称它为

13、辐射损失。,38,辐射损失,其中：Z 物质的原子序数； z 带电粒子的电荷数； m 带电粒子的质量。,在同一物质中，粒子能量的辐射损失比能量相同 的电子约小107倍。,带电粒子与物质相互作用,当要吸收、屏蔽射线时，不宜选用重材料。,当要获得强的X射线时，则应选用重材料作靶。,39,带电粒子能量转变为韧致辐射的份额： F=KZE 式中， K为比例常数； Z为物质的原子序数 ； E为带电粒子能量，单位为MeV；通过实验测定的比例常数K在0.410-31.110-3MeV-1之间。,单能电子束入射厚靶：,F5.810-4 Z E,带电粒子与物质相互作用,40,射线入射厚靶：,F3.3310-4Z E

14、max,屏蔽计算中，对韧致辐射谱 常取E(平均) 1/3 Emax,带电粒子与物质相互作用,例如，32P的Emax=1. 709 MeV ，当射线在铅中 被吸收时，用上式算得转变为轫致辐射的份额为入射 射线总能量的8%左右。,41,3.总质量阻止本领 （定义：带电粒子在密度为 的介质中，穿过路程dl时，所损失的一切能量dE除以dl而得的商 ）,（1）E10MeV，主要是电离损失和辐射损失：,（2）重带电粒子，辐射损失可以忽略,带电粒子与物质相互作用,42,（3）电子的电离损失与辐射损失比例,式中：Z物质原子序数； E电子能量,带电粒子与物质相互作用,当 上式=1 时的电子能量称为临界能量,43

15、,三、带电粒子在物质中的射程,1.重带电粒子,平均射程R：I/I0=0.5时 对应的吸收体厚度。,射程：带电粒子在某种物质中沿着入射方向 从进入 到 最后 被物质吸收所经过的最大直线距离,外推射程Re ：把左图曲线 最陡部分做切线外推与 横坐标相交而得的射程,44,2.电子,当一束单能电子射入某一物质时，其中每个电子能量损失的几率是不同的。有的电子经几次碰撞后在离入射点很近处停止下来。有的需穿行很长一段路程才发生一次碰撞。结果，它们的射程分布在很宽的范围内，如图所示。,45,3. 射线,射线是连续谱，可看成是由大量不同初始能量的电子组成，它们的射程可看成是不同电子射程曲线重迭而成 ，如图所示。

16、,46,四、比电离,比电离：,单位径迹长度上产生的离子对数，又称电离密度。,离子对/厘米,式中：,表示每产生一对离子所消耗的平均能量,比电离与物质原子序数、粒子能量、平均电离能相关。,（dEdl）col：线碰撞阻止本领,47,对于重带电粒子，比电离随穿透深度的增加而增加，在粒子射程的末端达最大值，如图所示。,粒子在空气中的比电离 为1047104 离子对/cm,48,对子电子，比电离与电子的初始能量有关。如图所示。当电子能量小于1MeV时，比电离随电子能量增加而减小。电子能量约等于2MeV时，比电离达最小值，此后随着电子能量增加，比电离按对数规律增加。,49,线能量转移,某一物质对带电粒子 线能量转移（传能线密度）L是dE除以dl所