辐射防护学习笔记

辐射防护学习笔记

一、 辐射防护基础知识

1． 电离辐射领域常用量及其单位

电离：是指从一个原子、分子或其它束缚状态释放一个或多个电子的过程。 电离辐射：就是由能通过初级过程或次级过程引起电离的带电粒子或不带电粒子组成的，或者由它们二者混和组成的辐射。

（一） 描述辐射场的量

(1) 粒子注量

描述辐射场性质最简单的方法是计算入射粒子的数目。

粒子注量就是根据入射粒子多少描述辐射场特性的一个量。

a ） 粒子注量Φ

在单向平行辐射场中，粒子注量Φ，数值上等于通过与粒子入射方向垂直的单位面积的粒子数。

对非单向平行辐射场，辐射场中每一点的粒子注量Φ，是进入该点为球心的一个小球的粒子数dN 与该球截面积da （通过球心截面）之比：Φ＝dN / da 。

粒子注量Φ的单位是m -2。

粒子注量可理解为：进入单位截面积小球的粒子数。

b ）粒子注量率ϕ

粒子注量率ϕ是指单位时间内进入单位截面积小球的粒子数，定义为：ϕ＝d Φ/dt ； 粒子注量率的单位是m -2·s -1。

c ） 谱分布

实际达到辐射场某点的粒子，它们的能量往往不是单一的。因此，辐射场中某点的粒子注量存在着按粒子能量的谱分布，它有积分分布Φ(E)和微分分布ΦE 两种形式。

积分分布Φ(E)，表示能量在0～E 之间的粒子组成的那部分粒子注量。其量纲与粒子注量相同，为m -2。

微分分布ΦE 是积分分布Φ(E)对能量E 的导数：ΦE ＝d Φ(E) / dE ，它表示单位能量间隔内的粒子注量，量纲为m -2·J -1。

显然有积分分布⎰Φ=ΦE E dE E 0'')(，粒子注量⎰Φ=Φmax 0E E dE 。

(2) 能量注量

除粒子数外，也可用辐射场中某点的粒子能量来定量描述辐射场的性质。 a ） 能量注量Ψ

进入辐射场中某一点处的能量注量，是以该点为球心的小球的所有粒子能量（不包括静止质量，下同）之和dE fl 与该球截面da 之比：Ψ＝dE fl / da 。

能量注量Ψ的单位是J ·m -2。

能量注量可理解为：进入单位截面积小球的所有粒子能量之和。

b ）能量注量率ψ

能量注量率ψ是指单位时间内进入单位截面积小球的所以粒子能量之和，定义为：ψ＝d Ψ/ dt ，其量纲为J ·m -2·s -1。

c ） 能量注量与粒子注量的关系

能量注量Ψ与粒子注量Φ都是描述辐射场性质的量，它们之间有下列关系： 对单能辐射场：Ψ＝Φ·E

对非单能辐射场，某点处的能量注量为：⎰Φ=ψmax

0E E EdE

同时可计算该点处以粒子注量ΦE 加权的平均粒子能量：

⎰⎰⎰ΦΦ=ΦΦ=Φmax 0

max 0max 01E E E E E E EdE dE EdE E （二） 相互作用系数

(1) 质量衰减系数、质能转移系数 & 质能吸收系数

质量衰减系数μ/ρ、质能转移系数μtr /ρ和质能吸收系数μen /ρ三个系数，都是针对不带电粒子（X 、γ射线和中子）穿过物质时发生的物理现象而定义的。它们分布量度：平均有多少粒子减少；平均有多少能量转移为带电粒子的动能和平均有多少能量被物质吸收。它们的量纲都是m 2·kg -1。

a ） 质量衰减系数

X 、γ射线与物质相互作用，通常是光电效应、康普顿散射和电子对产生等几种过程叠加的结果，因此物质对γ射线的总线性衰减系数μ，应该是各种过程的线性衰减系数之和：

μ＝τ+σ+κ

它表示γ射线在物质中穿过单位长度距离后，其光子数减少的份额。μ、τ、σ、κ分别表示总的、光电效应、康普顿散射和电子对产生的线性衰减系数，单位均为m -1。

上式两边都除以物质密度ρ，就得到质量衰减系数，即

μ/ρ＝τ/ρ + σ/ρ + κ/ρ

它表示γ射线在物质中穿过单位质量厚度后，其光子数减少的份额。μ/ρ、τ/ρ、σ/ρ、κ/ρ的单位均为m 2·kg -1。

基于上述物理过程，ICRU 定义为：某一物质对特定能量的不带电粒子的质量减弱系数μ/ρ是dN/N 除以ρdl 所得的商，即：

dl

dN N ρρμ1/= 式中，ρ为物质密度，dN/N 是不带电粒子在物质中穿过质量厚度ρdl 的物质层后，发生了相互作用而减少的份额。其单位m 2·kg -1。

可见，μ/ρ只涉及入射不带电粒子数目减少，并不涉及进一步的物理过程。

采用质量衰减系数的优点是：首先，它的数值不因材料的物理状态改变而改变；其次，在Compton 散射中，与光子作用的仅涉及自由电子，除H 元素外，绝大多数物质，其单位质量内的电子数大致相等，所以在Compton 散射占优的光子能量范围内，几乎所有物质以m 2·kg -1为单位的质量衰减系数μ/ρ都大致相同。

b ）质能转移系数

在γ射线与物质相互作用的三种主要过程中，光子能量都有一部分转变为电子（如光电子、反冲电子和正负电子对）的动能，而另一部分能量被能量较低的光子（如特征X 射线、散射光子和湮没辐射）带走。因此，可以将衰减系数进行分解：

μ＝μtr + μp

式中，μp 表示光子能量的辐射转移部分，μtr 表示光子能量的电子转移部分，称之为线性能量转移系数。辐射剂量学中，重要的是确定光子能量的电子转移部分，因为光子最后在物质中被吸收的能量来自这一部分。

μtr ＝τa +σa +κa

它表示γ射线在物质中穿过单位长度距离后，其能量转移给电子的份额。τa 、σa 、κa 分别表示光电效应、康普顿散射和电子对产生过程中的光子能量转移为电子能量的线性能量转移系数，单位均为m -1。

如法炮制，质能转移系数为

μtr /ρ＝τa /ρ + σa /ρ + κa /ρ

它表示γ射线在物质中穿过单位质量厚度后，其能量转移给电子的份额。τa /ρ、σa /ρ、κa /ρ分别对应上述三种过程的质能转移系数，单位均为m 2·kg -1。

基于上述物理过程，ICRU 定义为：某物质对特定能量的不带电粒子的质能转移系数μtr /ρ，是dE tr /NE 除以ρdl 所得的商，即：

dl

dE EN tr tr ρρμ1= 式中，ρ为物质密度，N 是粒子数，E 是每一粒子的能量（不包括静止质量），dE tr /NE 是入射粒子在物质中穿过质量厚度ρdl 的物质层后，其能量转移给带电粒子的份额。其单位m 2·kg -1。

可见，μtr /ρ只涉及入射不带电粒子能量的转移，并不涉及能量是否被物质吸收。 c ） 质能吸收系数

继续上述物理过程，电子从光子那里得到的那部分能量又将使物质电离、激发和产生韧致辐射，若用g 表示能量转变为韧致辐射的份额，则有

)1()1(g g tr en tr en -=⇐-=μμρμρμ

μen 表示光子能量被物质所真正吸收的份额，称为线性能量吸收系数，它表示γ射线在