第三章 剂量学基本概念

4
五、碰撞比释动能Kc 五、碰撞比释动能Kc
1. 定义
2. X、 X、γ辐射场
c
碰撞比释动能Kc
Kc = dε tr / dm
Kr = dε tr / dm
r
对单能且只有一种不带电粒子X、γ辐射场
1. 定义 2. X、γ射线 3. 中子n
K = Kc + K r
根据我们前面已经学习的知识，不带电粒子转移给带电粒 子的全部动能中，最终损失于电离碰撞的那一部分所占的份额 μ /ρ 为： en = 1 − g ，则 ： μ tr / ρ
第三章 剂量学基本概念 第一节 比释动能 第二节 照射量 第三节 授与能和吸收剂量 第四节 剂量学量之间的关系
第一节 比释动能
一、作用过程 二、转移能 ε tr 三、比释动能K 四、比释动能与注量的关系 五、碰撞比释动能Kc 六、比释动能率 七、不同介质中的比释动能
一、作用过程 不带电粒子与物质的相互作用分2个阶段：
3.任意方向，能量的不带电粒子的辐射场 3.任意方向，能量的不带电粒子的辐射场
提前假设已知各种粒子存在的谱分布ΦE,j和 ΨE,j
4.比释动能因子 4.比释动能因子f k
表示式： 比释动能K
K = Σ∫
j
∞
Ecut , j
μtr . j μtr . j ∞ ΨE , j dE = Σ∫ ΦE , j E dE E ρ ρ j
一、照射量X
1.含义 是一个根据光子对空气的电离能力来量度光子 辐射场的物理量； 是最早被用来表征辐射剂量的一个剂量学量， 描述范围狭窄，但容易测量； 目前已逐渐停止使用。
一、照射量X 二、照射量率 X 三．X和 X 值的进一步说明
其中，
( μtr ρ ) i Ki = K m ( μ tr ρ ) m
课程方向分类
辐射剂量学分类
《辐射剂量与防护》 辐射剂量与防护》
辐射剂量与防护学
授课单位：核工程技术学院 授课专业：核工程、核技术 授课人：y-lei
辐射剂量学
电离辐射
辐射剂量学 辐射防护学
电离辐射剂量学 非电离辐射剂量学
非电离辐射
电离辐射剂量学分类 学习内容
第一部分 基础概念 第二部分 射线危害的生物学原理 第三部分 仪器测量原理、应用 第四部分 理论计算方法、软件工具
认识 角度
对于前面分析的CE过程：
ε
r tr
= hv + hv2 + hv3
' 1
r c ε tr = ε tr + ε tr = E A + Ee' 2 + Ee
= hv − hv " − hv k
3
三、比释动能K 三、比释动能K
定义：
四、比释动能与注量的关系
1. 单向，单能，不带电粒子辐射场 2. 任意方向，单能，不带电粒子辐射场 3.任意方向，任意能量各种不带电粒子辐射场 4.比释动能因子fk
cut , j
f k = E ( μtr ρ )
与不带电粒子注量Φ。
Φ ⋅ E ⋅ dV ⋅ μtr
则
dε tr = Φ⋅ dV ⋅ E ⋅ μtr
比释动能因子
能量截止下限：低于此能量值的不带电粒子不能 引起电离。
K = Ψ( μtr / ρ ) = Φ( E ⋅ μtr / ρ )
K = Σ∫
j ∞ Ecut , j
Kc = Ψ(μtr / ρ)E (1− g) = Ψ(μen / ρ)E
对X、γ射线在水、软组织等常见材料中的g值，可 参考《剂量》P34 图1.31以及其它参考文献；
Kc = Σ ∫
j
∞ E cut , j
Ψ E, j (
μ tr , j ) (1 − g ) dE ρ E
3.中子辐射场 3.中子辐射场
2. 测量方法 在材料i的引入不干扰原有不带电粒子辐射场 的分布的情况下，把少量指定材料i放入自由空间 或材料m中的感兴趣点处得到的比释动能或比释 动能率； 材料i根据研究目的的不同，可以选取各自感 兴趣的材料，如组织、空气、水，塑料、玻璃、 有机泡沫，甚至是各类探测器都是可以的。
比释动能由空间指定点的不带电粒子注量和介质 的作用系数决定，而周围介质的作用仅限于对指 定点不带电粒子辐射场可能的影响； 因此可以有“自由空间或不同材料中某点对指定 材料的比释动能或比释动能率”的表示；如“自 由空气中小块组织的比释动能”，“水中某点的 空气比释动能”此类说法；
∞ ⎛ μ ⎞ ⎛ e ⎞ = ⎜ ⎟ ⋅ ∫ ⎜ en ⎟ Ψ hv d ( hv ) ⎝ W ⎠ air hvcut ⎝ ρ ⎠ a c
6. 单能光子辐射场情况
X= d ε tr dm
c
dQ并不是仅仅包括光子释放的次级电子在 dm内产生的电离电荷，还包括在dm之外的 空气中产生的电离电荷； 在特定的情况下，dQ可能等于光子的次级 电子在dm之内产生的电离电荷，这种情况 称为带电粒子平衡条件；
Ψ E , j ( μtr . j / ρ )dE = Σ∫
j
∞ Ecut , j
Φ E , j E( μtr . j / ρ )dE
按比释动能定义 K =
Eμ dε tr dε tr = = Φ tr = fk Φ ρ dm ρdV
K = fk Φ
比释动能因子
目前比释动能因子fk已经有表可查，从相关资料中可以找 到，如《剂量》P50 表2.1，《防护》P308 附表3；
⎛ e ⎞ ⎛ e ⎞ ⋅ ⎜ ⎟ = K c ,air ⋅ ⎜ ⎟ ⎝ W ⎠ air ⎝ W ⎠ air
⎛μ ⎞ ⎛ e ⎞ = Ψ ⋅ ⎜ en ⎟ ⋅ ⎜ ⎟ ⎝ ρ ⎠ ⎝ W ⎠ air ⎛μ ⎞ ⎛ e ⎞ = Φ ⋅ hv ⋅ ⎜ en ⎟ ⋅ ⎜ ⎟ ⎝ ρ ⎠ ⎝ W ⎠ air
∑ Q ——入射的不带电粒子在体积V内引起的任何核和基本粒子转变
中的静止质量能改变，即(M 开始 − M 结束 )c 2 )总和;
2
康普顿散射的转移能分析
能量为hv的光子在V中的CE过程的转移能分析：
(1) 在①中 EC + 激发 Ee, hvk , 俄歇电子EA ,散射光子hv’;
电子对生成的转移能分析
X =
dQ dm
单位：C·kg-1 (现), 伦琴R(旧) 关系：1R=2.58×10-4 C·kg-1，1C·kg-1=3.877×103R
4. 分析小结
5. 在带电粒子平衡条件下X与碰撞转移能Kc之间 的关系
d ε tr ⎛ e ⎞ ⎛ e ⎞ X= ⋅ ⎜ ⎟ = K c ,air ⋅ ⎜ ⎟ dm ⎝ W ⎠ air ⎝ W ⎠ air
则
K =
A ⋅ Γδ r2
对于线源、面源的情况，可以在上述基础上推导得到； 不同核素的 Γ δ 值可以在《剂量》P52表2.2中查到；
第二节 照射量
3.同一位置处不同材料的K之间的关系
在材料i的引入不干扰原有不带电粒子辐射场的分布的 前提下，指定材料i中的比释动能Ki与未放入材料i前材料m 中同一地点处的比释动能Km的关系如下：
三类辐射量之间的联系与区别 第一部分 基础概念
第一章 电离辐射场 第二章 粒子与物质的相互作用 第三章 剂量学基本概念 第四章 外照射实用量
辐射量
辐射计量学量 辐射剂量学量 辐射防护学量
1
辐射量定义
辐射计量学量：根据辐射场自身的固有性质来定义 的物理量； 辐射剂量学量：描述辐射能量在物质中的转移、沉 积的物理量； 辐射防护学量：用各类品质因数加权后的吸收剂量 D引申出的用于防护计算的物理量；
r c ε tr = ε tr + ε tr
通常⑤的过程很少发生，特别是v很小的时候更是 如此，所以
r ε tr ≈ hv 1 + hv 2 + hv 3
转移能
式中：εrtr 辐射转移能，εctr为碰撞转移能(或净转 移能)。
定义
c ' ε tr = EA + Ee' 2 + ( Ee − hv1 − hv2 − hv3 ) ' ≈ EA + Ee 2 + ( Ee − hv1 − hv2 − hv3 )
第一阶段：不带电粒子通过与物质的相互作用， 把能量 转移给次级带电粒子； 第二阶段：次级带电粒子通过电离、激发等方式 把转移来的能量大部分留在介质中；
二、转移能 ε tr
认识 角度
定义
在指定体积V内由不带电粒子释放出来的所有带电的 电离粒子(具备电离能力)初始动能之和，符号 ε tr ， 单位 J；
特别对中子有，考虑到重带电粒子的能量损失主 要以碰撞损失为主，因此：
六、比释动能率
1.定义
K = dK dt
单位：J·Kg-1·s-1或Gy·s-1或 rad·s-1 对单能不带电粒子的辐射，有：
•
•
2.空气比释动能率常数 Γδ
对于点源，活度为A，各粒子产额为ni ，能量为hvi，则
μen / ρ ≈ μtr / ρ
反冲电子E1+散射光子hv’1 ; 反冲电子Ee’2+散射光hv’’ ;
''
ε tr = Ee + E A + E 2 = hv − hvk − hv
注：E1是由反冲电子Ee的轫致辐射释放的带电粒子，不能 作为独立事件产物再加到εtr中去。
转移能的另一种表达方式 实例 分析
根据不带电电离粒子的能量分配形式，εtr还可 以表示为辐射转移能和碰撞转移能：
K n ≈ K c ,n
K=
i
A Σ ni hvi ( μtr / ρ )i 4π r 2 hvi >δ
K = ψ ( μtr ρ ) = ϕ E ( μtr ρ ) =ϕ ⎡ ⎣ E ( μtr ρ ) ⎤ ⎦
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七、不同介质中的比释动能
Γδ 定义
1.含义
1 Γδ = Σ n i hv i ( μ tr / ρ ) i 4π hvi > δ
1.单向，单能，不带电粒子辐射场 1.单向，单能，不带电粒子辐射场
在体积元 dadl 中：
d ε tr K= dm
d ε tr = Ψ ⋅ μtr ⋅ da ⋅ dl
dm = ρ ⋅ da ⋅ dl
其中, d ε tr 是由不带电粒子在质量为dm的无限小的体积内释 放出来的所有带电粒子的初始动能之和(即转移能)的期望值。 从前面所述可知，εtr 是随机量，而其期望值则是非随机 量；
K=
μ E ⋅ μtr d ε tr = Ψ tr = Φ dm ρ ρ
单位
：戈瑞(gray)，简写Gy，1Gy=1J·Kg-1;
旧单位：拉德(rad),1rad=10-2Gy。
1
2
3
K = fk Φ
比释动能因子
2.任意方向，单能，不带电粒子辐射场 2.任意方向，单能，不带电粒子辐射场
定律：粒子注量Φ等于单位体积内的径迹总长度。 在小体积元dV内，ΦdV是不带电粒子的总径迹长度。 那么，ΦEdV＝Ψ dV则是当前体积dV内“注入”的不 带电粒子的总能量，而“留下”来的能量份额为，
⎛W ⎞ −1 ⎜ ⎟ = 33.97 J ⋅ C = 33.97eV ⎝ e ⎠ air
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二 照射量率 X
1.定义 单位时间内照射量的改变量。 2. 与能量注量率(粒子注量率)的关系
对单能光子辐射场:
3. 单能点源的照射量率
⎛ μ ⎞ e d ⎜ Ψ ( en )air ⋅ ( )air ⎟ ρ W ⎝ ⎠ = ψ ( μen ) ⋅ ( e ) X= ρ air W air dt = ϕ [hν ( = f xϕ = fx AΓ A = 2δ 4π r 2 r
转移能表示：
(2) 对反冲电子Ee，在②, ③, ④发生轫致辐射hv1, hv2, hv3 ,自 身能量下降为Ee’1; (3) hv1在⑤发生EC过程, hv1 (4) hv’在⑥发生EC过程, hv’ (5)
' e
ε tr = E + + E −
= hv − 2 mc 2 = hv + Q
电子对生成过程中反应能为Q=-2mc2，mc2为正负电子的 静止质量能。
nr ε tr = ∑ Eu,in − ∑ Eu ,out + ∑ Q
实例 分析
转移能
∑E
u , in
——进入体积V的所有不带电粒子的能量，不包括静止质量能 ( )；
引入转移能和比释动能，描述第一阶段的 过程；
( ∑ Eunr,out ——从体积V逃出的所有不带电粒子的能量，不包括静止质量
定义
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能以及次级带电粒子产生的不带电粒子的能量 )；
( μtr / ρ ) = ∫ ψ E (
E
μtr ) dE ρ i,E
∫ψ
E
E
dE
6
照射量产生示意图
2.定义
dQ为X,γ射线在质量为dm的空气中释放的全部 电子(包括负电子和正电子)完全被空气阻止时，在空气 中所产生的一种符号离子总电荷的绝对值。
3. 分析
(1) X、γ射线产生的次级电子如果是完全被空气阻止 的，而不是进入/穿过其它介质，则它们产生的一种符 号的离子总电荷就是dQ； (2) 如果次级电子产生的韧致辐射引起电离，不予考 虑，是因为韧致辐射射程太长的缘故； (3) 如果在dm之外产生的次级电子在dm内引起电离 电荷，也不予考虑；