第1章 电离辐射场
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非随机量的性质：非随机量数值可以预测，对于特定的照 射条件，一种宏观量的数值可以用另一个宏观量加以确定。 非随机量是时间、空间和数值的连续函数，可延伸出速率 和梯度。
本门课程
除非特殊需要， 目前放射生物学 研究和放射防护 与评价常常采用 具有统计平均值 性质的非随机量 （宏观量） 来 表示
第一章 描述辐射场的物理量和单位
d d 2 N d dad
非随机量(Non - Stochastic Quantities)：量值
具有单值性质的；
随机量、非随机量的性质
随机量的性质：随机量是与特定的微观体积相联系的，只
有规定了体积的大小，才能讨论其数值的分布。随机量的 数值无法预计，只能根据统计规律确定其取某一特定值的 几率。其在时间和空间上是不连续的，数学上是不能微分 的。不能用变化率的概念描述。
空间立体角Ω
能量E
时间t
2.0 场及其自变量（续）
那么描述一个辐射场，并可以提供最详细的场的分布
信息的函数F应该为：
空间位置为(r，r+dr) ； 能量区间为(E，E+dE)； 时刻为(t，t+dt) 运动方向为(θ+d θ ，φ+dφ)或(Ω+dΩ) 的粒子个数，即
F F r , , , E , t 或F r , , E , t
d d N dt dadt
2
单位是 m-2 · s-1 联系通量的概念，粒子注量率又称为粒子通量密度；
2.2.通量、注量和注量率（续）
能量注量率( )：
d d R dt dadt
2
单位是 J· m-2· s-1 或W· m-2 ，其中 d 表示dt时 间内能量注量的变化量； 联系通量的概念，能量注量率又称为能量通量密 度；
什么是电离辐射剂量? 电离辐射剂量实质是电离辐射对受照物质造成的 真实效应或潜在影响的一种物理度量。
为什么对电离辐射要进行防护？ 核技术的的广泛应用导致可能对人体造成损伤： 1. 核能应用（包括核武器的制造） 2. 核技术在工农医等各部门的应用
物理量的分类
作为物理现象的观察指标，可分为2类： 随机量(Stochastic Quantities)：量值遵循概率 分布的；
此时将引入注量的角分布问题。
立体角定义
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 r^2 的比值： r d S nd S dS 3 2 ，若n是单位面积d S的法向量 2 r r r 单位为 Sr（球面度）
dR da
它表征辐射能R在空间中的疏密程度；
单向辐射场中的能量注量Ψu ： u
dR da
2.2.通量、注量和注量率（续）
通量表征辐射场中粒子或能量在时间上的变化程度，而注 量则表征辐射场的空间疏密程度，把时间和空间因素相结
合，则得到注量率的概念，它表征单位时间内进入单位截
面积小球的粒子数或辐射能的多少； 粒子注量率( )：
外照射、内照射示意图
第二节 电离辐射场的概念
2.0 场及其自变量
2.1 粒子数和辐射能
2.2 通量、注量和注量率
2.3 角分布和辐射度
2.4 能谱分布
2.5 辐射矢量和平面注量
2.6 注量与径迹长度的关系
2.0 场及其自变量
空间位置 r
运动方向
极向角θ, 环向角φ
1.1 概念定义（续）
电离辐射场：电离辐射无论在空间，还是在介质 内部通过、传播以至经由相互作用发生能量传递 的整个空间范围，由此形成的场；
辐射量：为了表征辐射源特征，描述辐射场性质，
量度辐射与物质相互作用的程度及受照物质内部
发生的辐射效应的量；
1.2 按射线本质分类
1.粒子辐射：是指组成物质的基本粒子，或由这些 粒子组成的原子核。既有能量又有静止质量。粒子 辐射是一些高速运动的粒子，消耗自己的动能把能
辐射剂量的获得采用仪器测
量、理论计算两种手段。
辐射剂量直接地描述辐射能量在物 质的沉积水平情况；间接地表示生 物体受破坏程度。
上述2种手段其实是要获得粒子的任 意时刻的空间位置、能量变化、运动 方向以及物质形态变化情况。
学习其实是一个“迭代”过程，先逐步细分， 课程知识分解 然后细节勾连，最后形成知识网络。
量传给被穿透的物质。粒子辐射包括电子、质子、
中子、α粒子、β粒子和带电重离子等。 2.电磁辐射：实质是电磁波，仅有能量，没有静止 质量。包括无线电波、微波、可见光、紫外线、X射 线和γ 射线等。
电磁辐射示意图
不同种类电磁波的波长
1.3 按与物质的作用能力分类
1.电离辐射：通过初级和次级过程引起物质电离， 如α粒子、β粒子、质子、中子、X射线和γ 射线 等，对于X、 γ 射线，一般当E > 10ev时可以引 起电离辐射，或当波长λ< 100nm时可以引起电 离辐射。 2.非电离辐射：与物质作用不产生电离的辐射， 如微波、无线电波、红外线等,但现在也不能忽视 对人体的长期危害作用。
dR R dt
例：一个α 源的活度A=3.00×105Bq， α 粒子的 产额认为是100％，α 粒子的平均能量为6.43 Mev， 那么α 源的粒子通量、能量通量分别是多少？
2.2.通量、注量和注量率（续）
描述：电离辐射粒子都是高速运动的粒子，并且是在 传输过程中与物质发生相互作用，为了描述辐射场在 空间中的疏密程度，引入注量的概念： a) 单向辐射场中的粒子注量(Φ) ： 对于单向辐射场，取垂直于射线方向的面积da⊥，入 射到该面积上的粒子数为dN，对粒子注量，
辐射知识分解 辐射
什么是辐射？ 为什么称为辐射？ 辐射的初步分类？ 如何研究辐射？ 辐射用在什么地方？
应 用
自然界中的一切物体,只要温度在绝对温度零度以 都会不停地以电磁波和粒子（如α, β, γ, n粒子等） 的形式向外放散能量，称这种现象为辐射。
从时间、空间、能量、运动方 向共7维进行考察辐射
从能量角度： 电离辐射和非 电离辐射；
从发射位 置：内辐射 和外辐射；
与物质作用方式 直接电离辐射和 接电离辐射；
从定性化描述到定量化描述
用场的概念来描述辐射，即辐射场；
得到各个辐射量的时空关系 ——辐射传输方程
际 实
用到辐射存在的任何 地方
给出粒子在任意时刻、任意空间位置的能量状 和物质形态
参考资料：《辐射剂量学》第一章 《辐射防护导论》第一章 电离辐射量与单位的体系演进述评 电离辐射量与单位的演进
2.1 粒子数和辐射能
为了定量描述辐射场，需要用某种方法来确定辐射场 中粒子的数目，如测定Ϊ源发射出的Ϊ粒子的个数， 在辐射场中传播的γ光子的个数等。
粒子数(N)：发射、转移或接受的粒子数目，单位 是1 。 粒子数密度(n)：表征辐射场疏密程度，是单位体 积内自由粒子的个数； 单位是m-3。
什么是辐射？ 为什么称为辐射？ 辐射的初步分类？ 如何研究辐射？ 辐射用在什么地方？
剂量是从防护角度 出发对辐射的一种 量化定义
3W1H 学习方法 What( 是什么 ) Why( 为什么 ) Why not( 为什么不 ) How( 怎么用 ) Where( 用到什么地方 ) When( 什么时候用到 )
立体角示意图
dΩ = rdθ·rsinθdΦ / r2 = sinθdθdΦ Z r θ
θ θ
rd rdθ θ d Ω dΩ
立体角元
Y φ rsinθdφ X
2.3.角分布和辐射度（续）
粒子注量的角分布( )：粒子注量沿立体角Ω
的分布情况，单位： m-2· sr-1 ，其中dΦ是沿指定
方向Ω附近dΩ立体角元内传播的粒子的数量；
dN da
单位： m-2
对于Φ，可以认为是进入单位截面积小球的粒子数；
非单向辐射场中的粒子注量示意图
n5 n1 n4 n3 P n2 da
注量概念的示意图
2.2.通量、注量和注量率（续）
类似的，在研究粒子的能量时，参照粒子注量的概念， 引入能量注量的概念； 能量注量(Ψ)：进入向心截面积为da的小球的辐射能 dR与da的比值，单位是J· m-2；
课程简要知识体系
非电离 辐射剂量学 辐射剂量学 内照射电离剂量 电离 辐射剂量学 外照射电离剂量 X、γ射线防护 β射线防护 质子防护 α射线防护 中子防护
辐射剂量与 防护
辐射防护学
医学仪器 反应堆工程 特种建筑工程
辐射的防护是最终目的 课程知识的回溯
辐射防护水平的评判标准是辐 射剂量
外界环境：实践测量 人体内部：理论计算和实践验证
第一节 电离辐射及分类
第二节 电离辐射场的概念
第三节 辐射传输方程
第四节 方程基本求解方法
第一节 电离辐射及分类
1.1 概念定义
1.2 按射线本质分类
1.3 按与物质的作用能力分类
1.4 按与物质的作用过程分类
1.5 按与人体的作用方式分类
1.1 概念定义
电离：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：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 混合组成的辐射；
1.4 按与物质的作用过程分类
1.直接电离辐射：一般指由带电粒子与物质通过 初级作用过程引起电离的辐射，包括电子、质子、 α粒子、β粒子和带电重离子等；
2.间接电离辐射：一般指通过次级过程引起电离 的不带电粒子形成的辐射，包括X、 γ射线、中子 等； 解释：不带电的光子、中子也能直接产生电离，但这类
dN n dV
2.1.粒子数和辐射能（续）
辐射场中每个粒子均具有一定的能量，那么所有 粒子的能量之和定义为辐射能； 辐射能(R)：发射、转移或接受的辐射粒子的能量
(不包括静止能)，单位是J；
范围：可能是一个辐射源发射的辐射能量，也可
能是辐射场中传输的辐射能量，或是被一物体吸
收的能量，具体需要看具体的定义对象；
dN dN dN u da da n da cos
单位： m-2
wk.baidu.com
单向辐射场中的粒子注量示意图
da┴
θ
da
θ
da┴ = da cosθ
2.2.通量、注量和注量率（续）
b)非单向辐射场中的粒子注量(Φ) ：
一般情况下辐射场中某区域内包含各个方向的入射粒子，
此时以参考点P为球心，建立一个向心截面积为da的小 球，设进入小球的粒子数为dN，那么dN/da则表示一 般辐射场中点P处的粒子注量：
例：一个各向同性的γ 点源的活度为A，能量为 hvi的γ 射线的产额为ni,不考虑源的自吸收以 及空气的吸收和散射作用，那么举例源r处的光 子注量率和能量注量率是多少？
2.3.角分布和辐射度
从注量的一般定义来看，在P点的注量是包含
了沿各个方向进入P点处小球的粒子贡献的总
和，那么如果要研究粒子沿入射方向的分布，
粒子与核外电子的作用发生几率要远远小于带电粒子，因 此主要是靠它们与物质相互作用过程中产生的次级带电粒 子间接来完成的。
1.5 按与人体的作用分类
1.外照射：在研究人体或非生物受照时，把体外源发 射的辐射称为外辐射，如宇宙射线、陆地γ射线以及 医学诊断和治疗中使用的X、 γ射线，它们对人体的 照射称为外照射 ； 2.内照射：由进入体内的放射性物质引起的辐射，如 吸入的氡及其子体，通过食物链进入人体的K-40、 U-238、Th-232、Cs-137和Sr-90等，以及食入或 注射的放射性药物如I-131等形成的辐射；
2.2.通量、注量和注量率
粒子和辐射能随时间的变化率称为粒子通量和能量通 量，表征粒子和辐射能在时间上的频繁程度。 粒子通量( N )：粒子数在时间间隔dt的变化量dN，
单位是s-1；
dN N dt
能量通量( R )：辐射能在时间间隔dt内的变化量dR， 单位是J· s-1或W；
辐射剂量与防护
什么叫剂量？ 为什么研究剂量？ 剂量如何定义？ 剂量如何得到？ 用在什么地方？ 什么时候用到？
防护是从剂量角度做出 的对辐射的减弱措施
法律 法规
工程建设, 日常检测
为什么要防护？ 会造成什么危害？ 防护如何进行分类？ 防护分类有哪些？ 用在什么地方？
仪器实践测量 + 理论计算
电离辐射领域常用的量及其单位
本门课程
除非特殊需要， 目前放射生物学 研究和放射防护 与评价常常采用 具有统计平均值 性质的非随机量 （宏观量） 来 表示
第一章 描述辐射场的物理量和单位
d d 2 N d dad
非随机量(Non - Stochastic Quantities)：量值
具有单值性质的；
随机量、非随机量的性质
随机量的性质：随机量是与特定的微观体积相联系的，只
有规定了体积的大小，才能讨论其数值的分布。随机量的 数值无法预计，只能根据统计规律确定其取某一特定值的 几率。其在时间和空间上是不连续的，数学上是不能微分 的。不能用变化率的概念描述。
空间立体角Ω
能量E
时间t
2.0 场及其自变量（续）
那么描述一个辐射场，并可以提供最详细的场的分布
信息的函数F应该为：
空间位置为(r，r+dr) ； 能量区间为(E，E+dE)； 时刻为(t，t+dt) 运动方向为(θ+d θ ，φ+dφ)或(Ω+dΩ) 的粒子个数，即
F F r , , , E , t 或F r , , E , t
d d N dt dadt
2
单位是 m-2 · s-1 联系通量的概念，粒子注量率又称为粒子通量密度；
2.2.通量、注量和注量率（续）
能量注量率( )：
d d R dt dadt
2
单位是 J· m-2· s-1 或W· m-2 ，其中 d 表示dt时 间内能量注量的变化量； 联系通量的概念，能量注量率又称为能量通量密 度；
什么是电离辐射剂量? 电离辐射剂量实质是电离辐射对受照物质造成的 真实效应或潜在影响的一种物理度量。
为什么对电离辐射要进行防护？ 核技术的的广泛应用导致可能对人体造成损伤： 1. 核能应用（包括核武器的制造） 2. 核技术在工农医等各部门的应用
物理量的分类
作为物理现象的观察指标，可分为2类： 随机量(Stochastic Quantities)：量值遵循概率 分布的；
此时将引入注量的角分布问题。
立体角定义
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 r^2 的比值： r d S nd S dS 3 2 ，若n是单位面积d S的法向量 2 r r r 单位为 Sr（球面度）
dR da
它表征辐射能R在空间中的疏密程度；
单向辐射场中的能量注量Ψu ： u
dR da
2.2.通量、注量和注量率（续）
通量表征辐射场中粒子或能量在时间上的变化程度，而注 量则表征辐射场的空间疏密程度，把时间和空间因素相结
合，则得到注量率的概念，它表征单位时间内进入单位截
面积小球的粒子数或辐射能的多少； 粒子注量率( )：
外照射、内照射示意图
第二节 电离辐射场的概念
2.0 场及其自变量
2.1 粒子数和辐射能
2.2 通量、注量和注量率
2.3 角分布和辐射度
2.4 能谱分布
2.5 辐射矢量和平面注量
2.6 注量与径迹长度的关系
2.0 场及其自变量
空间位置 r
运动方向
极向角θ, 环向角φ
1.1 概念定义（续）
电离辐射场：电离辐射无论在空间，还是在介质 内部通过、传播以至经由相互作用发生能量传递 的整个空间范围，由此形成的场；
辐射量：为了表征辐射源特征，描述辐射场性质，
量度辐射与物质相互作用的程度及受照物质内部
发生的辐射效应的量；
1.2 按射线本质分类
1.粒子辐射：是指组成物质的基本粒子，或由这些 粒子组成的原子核。既有能量又有静止质量。粒子 辐射是一些高速运动的粒子，消耗自己的动能把能
辐射剂量的获得采用仪器测
量、理论计算两种手段。
辐射剂量直接地描述辐射能量在物 质的沉积水平情况；间接地表示生 物体受破坏程度。
上述2种手段其实是要获得粒子的任 意时刻的空间位置、能量变化、运动 方向以及物质形态变化情况。
学习其实是一个“迭代”过程，先逐步细分， 课程知识分解 然后细节勾连，最后形成知识网络。
量传给被穿透的物质。粒子辐射包括电子、质子、
中子、α粒子、β粒子和带电重离子等。 2.电磁辐射：实质是电磁波，仅有能量，没有静止 质量。包括无线电波、微波、可见光、紫外线、X射 线和γ 射线等。
电磁辐射示意图
不同种类电磁波的波长
1.3 按与物质的作用能力分类
1.电离辐射：通过初级和次级过程引起物质电离， 如α粒子、β粒子、质子、中子、X射线和γ 射线 等，对于X、 γ 射线，一般当E > 10ev时可以引 起电离辐射，或当波长λ< 100nm时可以引起电 离辐射。 2.非电离辐射：与物质作用不产生电离的辐射， 如微波、无线电波、红外线等,但现在也不能忽视 对人体的长期危害作用。
dR R dt
例：一个α 源的活度A=3.00×105Bq， α 粒子的 产额认为是100％，α 粒子的平均能量为6.43 Mev， 那么α 源的粒子通量、能量通量分别是多少？
2.2.通量、注量和注量率（续）
描述：电离辐射粒子都是高速运动的粒子，并且是在 传输过程中与物质发生相互作用，为了描述辐射场在 空间中的疏密程度，引入注量的概念： a) 单向辐射场中的粒子注量(Φ) ： 对于单向辐射场，取垂直于射线方向的面积da⊥，入 射到该面积上的粒子数为dN，对粒子注量，
辐射知识分解 辐射
什么是辐射？ 为什么称为辐射？ 辐射的初步分类？ 如何研究辐射？ 辐射用在什么地方？
应 用
自然界中的一切物体,只要温度在绝对温度零度以 都会不停地以电磁波和粒子（如α, β, γ, n粒子等） 的形式向外放散能量，称这种现象为辐射。
从时间、空间、能量、运动方 向共7维进行考察辐射
从能量角度： 电离辐射和非 电离辐射；
从发射位 置：内辐射 和外辐射；
与物质作用方式 直接电离辐射和 接电离辐射；
从定性化描述到定量化描述
用场的概念来描述辐射，即辐射场；
得到各个辐射量的时空关系 ——辐射传输方程
际 实
用到辐射存在的任何 地方
给出粒子在任意时刻、任意空间位置的能量状 和物质形态
参考资料：《辐射剂量学》第一章 《辐射防护导论》第一章 电离辐射量与单位的体系演进述评 电离辐射量与单位的演进
2.1 粒子数和辐射能
为了定量描述辐射场，需要用某种方法来确定辐射场 中粒子的数目，如测定Ϊ源发射出的Ϊ粒子的个数， 在辐射场中传播的γ光子的个数等。
粒子数(N)：发射、转移或接受的粒子数目，单位 是1 。 粒子数密度(n)：表征辐射场疏密程度，是单位体 积内自由粒子的个数； 单位是m-3。
什么是辐射？ 为什么称为辐射？ 辐射的初步分类？ 如何研究辐射？ 辐射用在什么地方？
剂量是从防护角度 出发对辐射的一种 量化定义
3W1H 学习方法 What( 是什么 ) Why( 为什么 ) Why not( 为什么不 ) How( 怎么用 ) Where( 用到什么地方 ) When( 什么时候用到 )
立体角示意图
dΩ = rdθ·rsinθdΦ / r2 = sinθdθdΦ Z r θ
θ θ
rd rdθ θ d Ω dΩ
立体角元
Y φ rsinθdφ X
2.3.角分布和辐射度（续）
粒子注量的角分布( )：粒子注量沿立体角Ω
的分布情况，单位： m-2· sr-1 ，其中dΦ是沿指定
方向Ω附近dΩ立体角元内传播的粒子的数量；
dN da
单位： m-2
对于Φ，可以认为是进入单位截面积小球的粒子数；
非单向辐射场中的粒子注量示意图
n5 n1 n4 n3 P n2 da
注量概念的示意图
2.2.通量、注量和注量率（续）
类似的，在研究粒子的能量时，参照粒子注量的概念， 引入能量注量的概念； 能量注量(Ψ)：进入向心截面积为da的小球的辐射能 dR与da的比值，单位是J· m-2；
课程简要知识体系
非电离 辐射剂量学 辐射剂量学 内照射电离剂量 电离 辐射剂量学 外照射电离剂量 X、γ射线防护 β射线防护 质子防护 α射线防护 中子防护
辐射剂量与 防护
辐射防护学
医学仪器 反应堆工程 特种建筑工程
辐射的防护是最终目的 课程知识的回溯
辐射防护水平的评判标准是辐 射剂量
外界环境：实践测量 人体内部：理论计算和实践验证
第一节 电离辐射及分类
第二节 电离辐射场的概念
第三节 辐射传输方程
第四节 方程基本求解方法
第一节 电离辐射及分类
1.1 概念定义
1.2 按射线本质分类
1.3 按与物质的作用能力分类
1.4 按与物质的作用过程分类
1.5 按与人体的作用方式分类
1.1 概念定义
电离：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：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 混合组成的辐射；
1.4 按与物质的作用过程分类
1.直接电离辐射：一般指由带电粒子与物质通过 初级作用过程引起电离的辐射，包括电子、质子、 α粒子、β粒子和带电重离子等；
2.间接电离辐射：一般指通过次级过程引起电离 的不带电粒子形成的辐射，包括X、 γ射线、中子 等； 解释：不带电的光子、中子也能直接产生电离，但这类
dN n dV
2.1.粒子数和辐射能（续）
辐射场中每个粒子均具有一定的能量，那么所有 粒子的能量之和定义为辐射能； 辐射能(R)：发射、转移或接受的辐射粒子的能量
(不包括静止能)，单位是J；
范围：可能是一个辐射源发射的辐射能量，也可
能是辐射场中传输的辐射能量，或是被一物体吸
收的能量，具体需要看具体的定义对象；
dN dN dN u da da n da cos
单位： m-2
wk.baidu.com
单向辐射场中的粒子注量示意图
da┴
θ
da
θ
da┴ = da cosθ
2.2.通量、注量和注量率（续）
b)非单向辐射场中的粒子注量(Φ) ：
一般情况下辐射场中某区域内包含各个方向的入射粒子，
此时以参考点P为球心，建立一个向心截面积为da的小 球，设进入小球的粒子数为dN，那么dN/da则表示一 般辐射场中点P处的粒子注量：
例：一个各向同性的γ 点源的活度为A，能量为 hvi的γ 射线的产额为ni,不考虑源的自吸收以 及空气的吸收和散射作用，那么举例源r处的光 子注量率和能量注量率是多少？
2.3.角分布和辐射度
从注量的一般定义来看，在P点的注量是包含
了沿各个方向进入P点处小球的粒子贡献的总
和，那么如果要研究粒子沿入射方向的分布，
粒子与核外电子的作用发生几率要远远小于带电粒子，因 此主要是靠它们与物质相互作用过程中产生的次级带电粒 子间接来完成的。
1.5 按与人体的作用分类
1.外照射：在研究人体或非生物受照时，把体外源发 射的辐射称为外辐射，如宇宙射线、陆地γ射线以及 医学诊断和治疗中使用的X、 γ射线，它们对人体的 照射称为外照射 ； 2.内照射：由进入体内的放射性物质引起的辐射，如 吸入的氡及其子体，通过食物链进入人体的K-40、 U-238、Th-232、Cs-137和Sr-90等，以及食入或 注射的放射性药物如I-131等形成的辐射；
2.2.通量、注量和注量率
粒子和辐射能随时间的变化率称为粒子通量和能量通 量，表征粒子和辐射能在时间上的频繁程度。 粒子通量( N )：粒子数在时间间隔dt的变化量dN，
单位是s-1；
dN N dt
能量通量( R )：辐射能在时间间隔dt内的变化量dR， 单位是J· s-1或W；
辐射剂量与防护
什么叫剂量？ 为什么研究剂量？ 剂量如何定义？ 剂量如何得到？ 用在什么地方？ 什么时候用到？
防护是从剂量角度做出 的对辐射的减弱措施
法律 法规
工程建设, 日常检测
为什么要防护？ 会造成什么危害？ 防护如何进行分类？ 防护分类有哪些？ 用在什么地方？
仪器实践测量 + 理论计算
电离辐射领域常用的量及其单位