第二章射线与物质的相互作用The Interaction of Radiation with matters 1. 辐射装置 分为两大类 ： 核素源：放射性同位素，核反应堆，α，β， γ， n,正电子 机械源：加速器(电子，质子，重离子等） X-ray 装置 ，激光辐射装置 （1）辐射源 对核素辐射源的基本要求： * 有一定的半衰期和合适的电子能量， * 易于得到和加工， * 操作,维修,使用方便,价格尽量便宜 60Co1.486MeV0.313MeV1.173MeV 99.8%1.333MeV 100%stableT1/2=5.27 Ys 60Co（ 钴-60源) 特点：*每次核衰变有两个能量相近的光子，(1.17Mev,1.33Mev) 平均能量为1.25Mev, 穿透力强且利于防护，适于大规 模辐射加工生产. *半衰期适中，T1/2= 5.27年， *来源充分成本较低，易操作和维护， *水防护或干法防护均可，安全性好。
（ 3）放射性衰变与辐射功率 ---放射性活度 A The number of nuclear decays occurring in a given quantity of material in a time interval, divided by that time interval. （是核衰变数而不是射线数） A =- dN/dt =Nλ λ:核衰变常 数， 核素数 * 单位时间内发生衰变的核素数 SI单位: 1Bq = 1 S-1 专用单位：1Ci =3.7x1010 Bq---辐射功率： P = E x A E: 射线能量 Mev A: 活度 Ci -------=5.93x10-3 ExA(W) ----能谱 ：γ从核内发出时是单能光子，但发出后只要与介质 相互作用作用就不再是单能的了，所以不能直接用 射线能量和强度直接计算介质吸收的能量。
机械源 ：电子加速器，重离子加速器 分 类 :*按电子加速轨迹---直线，回旋 *按加速方式 ------静电，高频高压，微波等 *按被加速粒子能量-----低能，0.15—0.5Mev,(300- 500kw, 中能， 0.5—5Mev,(300—350kw), 高能,5— 10Mev.(-50kw). 特 点 ：*粒子能量可调，吸收剂量率高， * 能量利用率高可达-70%，（-30…%）可定向照射 *可加速粒子具有多样性，各种重离子射线与物质的相互作用 (1)一般过程和时标（Time scale） 射线与物质相互作用时所产生的效应不仅与物质本身组成有 关而且与辐射种类和能量有密切关系但从本质上看辐射化 学过程是体系吸收辐射能后，原来热力学体系破坏并重新建 立新平衡的过程。
辐射化学过程可分为三个阶段： * 物理阶段(the physical stage) --- 能量传递阶段 (10-18— 10-15s) 激发分子，离子对，刺点生成等 *物理化学阶段---能级变化，电子解离，电子溶剂化 分子离子反应 *化学阶段----活性粒子间反应，荧光磷光发射 时标表 说明： * 时标段的划分没有一严格界限， * 三个阶段有时间交叉， *生物化学阶段未列入其中，--- 辐射后效应，DNA链的 断裂可发生在早期阶段但其后效应可能持续几十年 2活性粒子在径迹中的分布 图 3高能电子与物质的相互作用高能电子与物质的相互作用 高能电子具有静质量，动能和静电荷不仅可与物质中电子 直接碰撞而且还可与物质核库仑电场相互作用，即被电场排 斥 或吸引。
主要过程为： * 散射散射---弹性散射（elastic scattering) 只改变方向 非弹性散射（inelastic scattering)发生几率小 *非弹性碰撞非弹性碰撞（inelastic collision) 与原子静电场相互作用，发生能量转移，核外电子或由低 能级激发到高能级—激发过程，或打出电子—电离过程 *阻止本领阻止本领 S, （stopping power, specific energy loss ) 定义：荷电粒子通过单位长度介质时，由于非弹性碰撞所损失 的平均能量 S = - dE / dX = 4πe4NZ /m0v2 lnE/I(e/2)1/2 (ev/nm,erg/cm) N：单位介质体积中的原子数， Z: 原子序数，e:电量(esu)，m0:电子静质量，(g) A : 原子量， 自然对数的底， 结论结论：*能量损失与介质单位体积中电子数（电子密度） 成正比， *与成反比，入射电子速度越小电离能量损失越大， 因此在电子入射的径迹上产生的离子或激发分子的 密度不同，越在射程末端离子对数目越多， * S /ρ—质量阻止本领（kev.cm2.mg-1)与每克介质中的电子 数成正比（N0 Z / A）对大多数轻元素而言差别不大。
* 轫致致辐射射 （Bremsstrahlung ） 高速电子在核电场中穿过时，电子与核库仑场间的强烈相 互作用，与此同时电子会被减速并将部分能量转变成电磁 辐射----X-ray. 特 点 ：*轫致辐射能量分布在0---入射电子能量之间 ， 即其 能谱为连续谱 * Ee低时发出的X—ray 可取任何方向，能量高时 发射的光子强烈朝向前方 * 高能电子在介质中的吸收高能电子在介质中的吸收 *射程：：电子在介质中从起点到终点，得直线距离， 对离子或重离子其射程等于其路径长度，对电子而 言则复杂得多，电子与介质相互作用有散射，弹 性，非弹性碰撞和轫致辐射等复杂过程。
*单位：以线厚度 Xm (cm)或质量厚度Rm(mg.cm-2)表示, Rm (mg.cm-2) = Xm (cm).ρ(mg.cm-3 ) *1电子在不同介质中的射程 液态水（=1.0） 空气 （ =000129） 铅 （11.3） Rm 0.430 0.491 0.763 Xm 0.430 380.6 0.068 ** Rm 近似的与密度无关，尤其是介质的密度相差不大时 * 次级电子（Secondary electron) 定 义 ：入射电子通过介质时所产生的电子 注意：*带有一定能量的次级电子就是下一过程的入射电子， 所以次级电子数目会远远超过初始入射电子数目。
*次级电子能量分布于电子或光子的初始能量关系不大 * 次级电子能量分布（一定能量次级电子所占总数的比例） 次级电子（ev） 入射光子能量(及所占百分数） 105 106 0—3.39 37.3 38.9 27—40.6 4.3 4.0 67.7—135.4 3.1 2.5 >135.4 2.6 2.2 ** <5ev 的电子占将近一半,(spur) 大部分还不足以使分子电离， ** 5% 左右 E>100ev, (blob) ** 1% 左右 E>500ev, (track) *传能线密度 （Linear energy transfer ,LET) 定 义：带电粒子在某介质中的传能线密度，或有限制的线碰撞 阻止本领 LΔ =(dE /dX)Δ (有限制的线阻止本领） L∞ =(dE /dX)∞ = S（不加限制的线阻止本领） 说明：*反映了电离辐射的品质， γ-ray,高能电子＜低能x-ray ,β 粒子＜ 质子＜D核 ＜α粒 子 ＜重离子 ＜裂片，反冲核。
* S 着眼于粒子本身能量的损失，反映出物质对电子的阻挡能 力，其能量损失包括非弹性碰撞能量损失和辐射能量损失两 部分 * 着眼于粒子传递给介质的能量，尤其是在径迹上传能密度 分布，即传能的空间分布特点 射 线 Δ值 (ev) LΔ (kevμm ) Co-60 ∞ 0.23 10000 0.23 1000 0.23 100 0.23 2 Mev X-ray 100 0.19 2 Mev 100 0.20 β 100 4.70 5.3 Mev-α 100 43 * 电磁辐射与物质的相互作用 与电子相比，（1）无静质量，（2）无电荷，具有波粒二象 性，由于能量高波长短，因此与物质相互作用时表现出明显的 粒子性。
其作用过程为： * 散射--- E 小，Z大 * 光核反应，E>10Mev 反应截面非常低， ***光电效应(Photo electronic effect) ,低能光子与原子整体作 用并把全部能量赋予核外电子，从而使束缚电子脱离原子 而光子被吸收被击出的电子称为光电子(photoelectron) Ee = hν – εi ( I = K ,L, M …..) Ee --- 光电子能量， hν--- 光子能量， εi ---束缚电子结合能 ** 伴随过程 （1）特征X射线----外层电子填充到内层时多余结 合能以特征X射线方式放出 ( 2) 电子----特征X射线击出的电子。
** 光电效应的质量减弱系数 τ/ρ τ/ρ =τa / ρ +τs /ρ =(Ee /hν).τ/ρ+ (δ/hν).τ/ρ 其中为光电子和电子平均能量， δ为特征射线能量， τa / ρ: 光电过程中光子能量转化为电子的动能所占初 能量的份额 τs /ρ: 转化为X-ray散射所占初始能量的份额 * 康普顿效应 (Compton effect ):光与介质相互作用时使其波长 和方向均发生变化，同时释放出电子的现象 * 光子与原子中的核外电子之间的碰撞 * 部分能量传递给反冲电子。
* 电子散射角φ与入射光子能量有关，但不会大于900 ， 动量守恒的要求，θ=1800 时 Ee最大 * Compton effect 过程中光子仅损失部份能量，而光电过 程中损失全部能量 ，光子消失 * Compton effect 多发生在原子的外层电子上，光电效应 多发生在内层电子上. * 高能电子可与自由电子作用发生康普敦散射，不能与自 由电子作用发生光电过程 ，（光子消失需第三者接受反 冲动量） *康普敦质量减弱系数 σ/ρ = σa /ρ + σs/ρ σa /ρ: 质量能量吸收系数 σs/ρ ：质量能量散射系数. *电子对生成 ( Pair production) 高能光子在核库仑场作用下，光子被吸收同时产生一电子对 的过程。
* e+ + e- ----- nhν ( n=2—3), 即质湮过程亦可产生三 个光子 * 能量低于1.02 Mev 的光子是不能产生电子对的. *电子对质量能量减弱系数 κ/ρ κ /ρ = κa /ρ+ κs /ρ κa /ρ: 能量转移系数，电子动能部分， κs /ρ：散射系数，质湮部分 **电磁辐射通过介质时的减弱 * 总线减弱系数 μ(total linear attenuation coefficient) 和质量减弱系数 μ/ρ(mass attenuation coefficient) μ = τ + σ + κ μ/ρ = τ/ρ + σ/ρ + κ/ρ *如果介质为化合物则： （μ/ρ）=∑κi（μ/ρ）i k i 为第i种元素在化合物中所占重量分数。
* 辐射强度( I )的减弱 辐射强度---单位时间通过单位面积及的辐射能量.erg.s-1.cm-2 dI = - I0μdx μ= -dI /I0dx μ 即是通过单位厚度吸收介质时所引起的辐射强度减弱在 入射强度中所占的份额 I = I0 e-μx 服从指数吸收规律 X1/2 = ln 2/μ=0.693/μ X1/2; 介质的半吸收厚度 *电磁辐射在介质中的吸收 μ = μtr/μs μ：总线减弱系数， μtr:线能量转移系数 μs:线散射系数 线性能量转移系数为 μtr/ρ =τa/ρ+σa/ρ+κa/ρ 。