辐射防护第1章

R 412 E1.2650.0954 ln E
最大能量大于2.5MeV时，
R 530 E 106
式中：E－电子或β射线的最大能量（MeV）；
R－在铝中的最大射程（mg/cm2）
35
第二节 带电粒子与物质的相互作用
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
： 线碰撞阻止本领除
19
重带电粒子—质量碰撞阻止本领公式：
20
第二节 带电粒子与物质的相互作用
分析： （1）电离损失与重带电粒子的电荷z2成正比；
库仑作用力
（2）电离损失与重带电粒子的能量（速度）成反 比； 作用时间 （3）电离损失与物质的电子密度成正比；
作用概率
电子密度：
21
电子—质量碰撞阻止本领公式：
51
第三节 X、γ射线与物质的相互作用
3. 电子对效应
原子核场：能量大于1.02MeV，发生几率大； 电子场 ：能量大于2.04MeV，发生几率很小。 52
第三节 X、γ射线与物质的相互作用
电子对效应截面： （每个原子） 贝特公式：
式中：
（1）电子对效应截面与Z2成正比；
（2）与光子能量的对数成正比；
v C n
式中：C－光速； n－透明介质的折射率
32
第二节 带电粒子与物质的相互作用
三、带电粒子在物质中的射程
1.重带电粒子
平均射程：
R

E0
0
1 dE dE dl
33
第二节 带电粒子与物质的相互作用
2.电子和β射线
34
第二节 带电粒子与物质的相互作用
电子和β射线射程（铝中）经验公式 最大能量为0.01～2.5MeV时，
3.总质量阻止本领
1 dE dl S
（1）E<10MeV，主要是电离损失和辐射损失：
1 dE 1 dl col S dE dl rad
（2）重带电粒子，辐射损失可以忽略
28
第二节 带电粒子与物质的相互作用
瑞利散射（Rayleigh），与束缚得很牢固的电子的弹性散射， 束缚电子吸收光子跃迁，随后又发出一个能量相同的散射光子。 截面与Z2成正比，并随能量增大而急剧减小； 低能时不可忽略，小角度散射。
55
第三节 X、γ射线与物质的相互作用
2. 光核反应 光核反应：光子与原子核发生反应，有阈能。 常见的光核反应： （γ，n）、 （γ，p）、 （γ，2n）及 （γ，pn）等
3
国际单位制的辅助单位
• 平面角，弧度，rad • 立体，角球面度，sr
4
第一节 辐射场的量和单位
一、 核素、同位素及放射性活度 二、 粒子注量 1． 粒子注量 2． 粒子注量率 三、 能量注量 1． 能量注量 2． 能量注量率 3． 能量注量与粒子注量的关系 四、 谱分布
5
第一节 辐射场的量和单位
第三节 X、γ射线与物质的相互作用
原子的光电效应截面：
（每个原子）
式中： K－常数
单位：cm2
Z－物质的原子序数
光电效应的几率与原子序数 Z4成正比； 光电效应的几率与光子能量h3成反比； 低能光子与高原子序数物质作用，光电效应占优势；
光电效应主要发生在K层及L层电子。
43
第三节 X、γ射线与物质的相互作用
38
第二节 带电粒子与物质的相互作用
几个重要关系式
碰撞阻止本领关系式
（1）不同电荷，相同速度，同一物质
（2）相同粒子，相同速度，不同物质
39
第二节 带电粒子与物质的相互作用
射程关系式
M—入射粒子质量
（1）不同粒子，相同速度，同一物质
（2）相同粒子，相同速度，不同物质
当Z/Ma=1/2时，
40
第三节 X、γ射线与物质的相互作用




E >> 137mc2Z-1/3 时：
1 dE K1 E mc 2 Z Z 183 2 4 ln 1 / 3 2 dl rad 2M a mc 137 Z 9


MeV cm2 g 1
27
第二节 带电粒子与物质的相互作用
（3）电子弹性散射的角分布，在到＋d 之间的散射截面：
sin d Z 2 2 1 1 sin 2 137 sin 2 1 d 2 2 2m v sin 4 2
2
Z 2e 4
与物质的原子序数Z2成正比；
屏蔽计算中，对韧致辐射谱 常取E(平均) 1/3 Eβmax
26
第二节 带电粒子与物质的相互作用
辐射阻止本领
1 dE dl rad
mc2 << E << 137mc2Z-1/3 时：
1 dE K1 E mc 2 Z Z 1 2 E mc 2 4 4 ln MeV cm2 g 1 dl rad 2M a mc 2 137 mc 2 3
一、核素、同位素及放射性活度 放射性核素，如：60Co、239Pu
核素：
稳定核素，如：12C、16O
同位素：
质子数相同，中子数不同，如： 氢的同位素包括了1H、2H、3H
6
第一节 辐射场的量和单位
放射性活度A（activity）：
放射性核素的核转变率， （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 Bq＝1s－1 dN dt 时间内发生的核转变数。
（1）电离损失与电子的能量（速度）成反比； 作用时间 （2）电离损失与物质的电子密度成正比；
作用概率
22
第二节 带电粒子与物质的相互作用
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。
23
第二节 带电粒子与物质的相互作用
三、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（不包括静止能量）
式中：
dEf1 粒子能量之和，单位 J。 能量注量，单位 J/m2。
11
第一节 辐射场的量和单位
2.
能量注量率（energy fluence rate）
式中：
典型的光核反应阈能（MeV）
56
第三节 X、γ射线与物质的相互作用
光核反应的特点： （1）存在阈能；
（2）光核反应截面存在巨共振峰；
（3）光子能量达20～30MeV时，可能发生（γ，2n）、
（ γ，pn）、（ γ， α）反应，但截面极小；
（4）所有光核反应的截面的最大值不超过康普顿效应和 电子对效应截面的5％； （5）光核反应会产生中子，还可能会产生放射性核素。
53
（3）正、负电子的角分布随光子能量的增加趋向前方。
第三节 X、γ射线与物质的相互作用
54
第三节 X、γ射线与物质的相互作用
三、X、γ 射线与物质的相互作用的其他过程
1. 相干散射 光子作为电磁波具有波粒二象性； 干涉现象的条件：相干光源 劳厄（Laue）发现X射线的相干散射现象， 在0.0005~0.2MeV，相干散射主要是瑞利散射。
（3）电子的电离损失与辐射损失比例29
第二节 带电粒子与物质的相互作用
4.弹性散射
动能守恒、动量守恒
（1）重带电粒子，质量大，散射现象不明显。 －径迹比较直
（2）电子，质量小，原子核和核外电子都会引起散射。 －径迹弯弯曲曲
30
第二节 带电粒子与物质的相互作用
d
单位时间能量注量的增量。 能量注量率，单位 Jm-2s-1。
12
第一节 辐射场的量和单位
3.
能量注量与粒子注量的关系：
13
第一节 辐射场的量和单位
四、谱分布
粒子注量：
能量注量 ：
14
第二节 带电粒子与物质的相互作用
一、带电粒子的种类和物理性质 二、带电粒子与物质相互作用的主要过程 三、带电粒子在物质中的射程
第 II 阶段：
特征X射线 激发态退激
俄歇电子
44
第三节 X、γ射线与物质的相互作用
2. 康普顿效应
45
第三节 X、γ射线与物质的相互作用
46
第三节 X、γ射线与物质的相互作用
47
第三节 X、γ射线与物质的相互作用
散射光子的能量：
式中：α＝h/mc2
（1）＝180o时，散射光子能量最小 （2）当α >>1时，＝90o，散射光子能量约为0.511MeV；
12 例如：6 C ( , n)11C 6
24
第二节 带电粒子与物质的相互作用
辐射损失

Z z2/m2
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，α粒子能量的辐射损失比能量相同 的电子约小107倍。
25
第二节 带电粒子与物质的相互作用
电子能量转变为韧致辐射的份额 单能电子束入射厚靶： F＝5.8×10-4Z E β射线入射厚靶： F3.33×10-4Z Eβmax
＝180o，散射光子能量约为0.25MeV
48
第三节 X、γ射线与物质的相互作用
反冲电子： 能量关系：
角度关系：
49
第三节 X、γ射线与物质的相互作用
康普顿效应的总截面： （每个电子） Klein－Nishina公式：
单位：cm2/电子
50
第三节 X、γ射线与物质的相互作用
总截面、散射截面、吸收截面随能量变化
第一章
电离辐射领域中 常用的量和单位
1
国际单位制基本单位？
基本单位、导出单位和辅助单位
2
国际单位制的基本单位
• • • • • • • 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［尔文］， K 物质的量摩，［尔］， Mol 光强度坎，［德拉］， cd
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。
9
第一节 辐射场的量和单位
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。
10
第一节 辐射场的量和单位
四、比电离
15
第二节 带电粒子与物质的相互作用
一、带电粒子的种类和物理性质
带电粒子种类：
电子：核外电子
带 电 粒 子 β射线：原子核发出的高速电子
质子
α粒子
16
第二节 带电粒子与物质的相互作用
二、带电粒子与物质相互作用的主要过程
电离和激发
主 要 过 程
韧致辐射 核反应
化学变化
17
第二节 带电粒子与物质的相互作用
历史上曾使用过的单位：居里（Ci） 1 Ci=3.71010Bq
7
二 、 粒 子 注 量
第一节 辐射场的量和单位
8
第一节 辐射场的量和单位
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
1. 电离、激发和碰撞阻止本领
库仑相互作用 带电粒子
轨道电子
电离
激发
18
第二节 带电粒子与物质的相互作用
碰撞阻止本领
线碰撞阻止本领
dE dl col
： 带电粒子在介质中每单
位路径长度上电离损失的平均能量。
质量碰撞阻止本领
以密度，消除密度的影响。
1 dE dl col
与电子速度v2成反比；
小角度散射的几率远大于大角度散射的几率。
31
第二节 带电粒子与物质的相互作用
5.湮没辐射与契伦科夫辐射
湮没辐射： 粒子与相应的反粒子发生碰撞， 其质量转化为γ辐射。
契伦科夫辐射： 高速带电粒子束在透明介质中以高于 光在该介质中的传播速度运动时，带 电粒子的部分能量以蓝色光的形式辐 射出来。 条件：
一、概述 二、X、γ射线与物质的相互作用的主要过程 三、X、γ射线与物质的相互作用的其他过程 四、质量衰减系数、质能转移系数及质能吸收系数
41
第三节 X、γ射线与物质的相互作用
二、X、γ 射线与物质的相互作用的主要过程
1. 光电效应 光电子动能：
Ee＝h－Bi （ i＝K，L，M…）
42
第 I 阶段：
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。
α粒子在空气中的比电离为104～7104
1/cm
36
第二节 带电粒子与物质的相互作用
37
第二节 带电粒子与物质的相互作用
平均比电离： 单位：离子对/厘米
式中：E－带电粒子能量，单位eV；
R－射程。 经验公式： β粒子最大能量在0.05~2MeV时，