电离辐射剂量学基础课件——第二章 剂量学基本概念

(1)CE
能量为hυ的光子在V中的CE过程的转移能分析：
(1)在①中 CE+激发
hυ k+俄歇电子;
(2)对反冲电子Ee,在②,③,④发生轫致辐射hυ1, hυ2, hυ3
(3) hυ1在⑤发生CE过程, hυ1 反冲电子E1+散射光子hυ’1
(4) hυ’在⑥发生CE过程, hυ’ 反冲电子Ee’+散射光子hυ’’
(5) tr Ee EA Ee' 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。
(2)PP
tr E E hv 2mc2 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。
3.εtr通用表示方法
(
en
)a
h
d
(h
)
其中(e/W)a表示照射量是X或γ射线在空气中的碰撞比 释动能的电离当量。
•对于单能光子
x
(e W
)a
(
en
)a
(e W
)a
[
h
(
en
)
a
]
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二．照射量率 X（Exposure rate）
1.定义
X =dX/dt
单位：C·kg-1s-1或Rs-1
对单能光子辐射场:
X ( en
综上分析:在指定体积中的转移能εtr可表示为
tr Eu,in Eun,rout Q
式中：∑Eu,in是进入体积V的所有不带电粒子的能量,但不包括带电粒 子的静止能量。
∑E nγu,out是从体积V逸出的不带电粒子的能量,但不包括不带 电粒子的静止质量能和次级带电粒子动能辐射损失逸出的部分。
∑Q是入射的不带电粒子在体积V内引起的任何核和基本粒 子的转变中,所有相关的核和基本粒子静止质量能改变(质量减少时 为正,增加时为负)的总和。
第一讲 比释动能K(Kerma) 第二讲 照射量X (Exposure) 第三讲 吸收剂量D(Absorbed Dose)
第一讲 比释动能K
一、描述对象：
不带电粒子在物质中传递能量过程：
第一阶段：由不带电粒子 →次级带电粒子（PE、CE、PP等） 第二阶段：次级带电粒子 →作用介质（碰撞）
两个阶段的能量转移发生在介质中的不同地点
ns ：单位质量介质中发生自发核转变的次数；
S ：每次核转变过程中授与能的期望值。
讨论： （1）如果已知辐射场、作用介质和作用参数的详细资料， 原则上可以用上述公式计算D，但实际上很难做到； （2）核和基本粒子的转变以及不带电电离粒子与物质相互 作用，作为基本过程的沉积能δE对D的贡献可以忽略； （3）D的简化表达式：
D=
j
S
K dE Ecut, j
col. j E. j
col. j
Kcol,j：发生相互作用的带电粒子与原子电子碰撞时损失的动能 中变为沉积能（即不以δ粒子、俄歇电子、特征X射线或中和 过程释放的光子形式辐射出的能量）的份额
2.辐射平衡与吸收剂量 (1)完全辐射平衡（Complete radiations equilibrium ,CRE） • 定义
•自发核转变过程
E Q hv ER B
二、授与能ε（energy imparted）
1.能量沉积事件（energy deposition event） 由某个电离粒子或某组相关的电离粒子给指定沉积内物 质授与能量的事件。 2.某一能量沉积事件的授与能ε 1 某个电离粒子或某一组相关的电离粒子在指定体积V内 发生的所有的相互作用中沉积能之和。
ET Rmax
(3)δ粒子平衡（Delta particle equilibrium）
描述带电粒子辐射场
•定义：
uur
div 0
• D的表达： D j
Ecut , j
E.P. j
Sc.l. j
[1 Pcol. j (E)]dE
其中Pcol,j表示初级带电粒子通过电子库仑碰撞损失 的能量中，转变成受激原子退激发时放射的特征X射线
• 定义： dRcu,iunr dRc,out
div c 0
• 典型例子：
a. PE，C处处相等； b.均匀的带电粒子发射体
V内存在CPE
c.均匀不带电粒子辐射场照射，不带电粒子释放的带电粒子
•对不带电粒子辐射场，在CPE下
D Kc j
dE Ecut, j
e, j,u
eu, j
平衡厚度（Equilibrium thickness，ET）
dm d 电离辐射授与质量为dm的物质的平均能量
单位为：J.Kg-1(Gy)，也可用 rad
D
d
1
ur
div
1
Q
dv
dV
在稳恒辐射场中：
ur
div d E
4
Ecut
(E )E, SE,
d dE'
4
Ecut
E, (E, ; E, )E,
dE
dm内无自发核转变时：
d E E dv (E) (E)
K
A r2
七、不同介质中的比释动能
1. 含义 2.关系
Ki
/
Km
(en / )i (en / )m
(tr / ) EE (tr / )i dE / EEdE
第二讲 照射量
一、照射量X (Exposure )
1.定义（Definition）
dm
x dQ dm
dQ为光子在质量为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。
dtr (dV ) [E(tr )E ]
K dtr / dm dtr / dV dVE(tr )E / dV [E(tr / )] (tr / )E
3.对于各种不带电粒子构成的辐射场，且各种粒子存在谱 分布ΦE,j和 ΨE,j
K j Ecut,j E, j (tr. j / )E dE j Ecut,j E, j E(tr. j / )E dE
研究不带电粒子在介质中的能量转移，有必要对二个阶段 （过程）分别考虑
比释动能是描述不带电粒子在物质中转移能量的第一阶段的 一个物理量
二、Energy transferred （转移能）εtr
1.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 离子初始动能之和，用εtr表示，单位是J。
2.典型过程的转移能分析
g
X A ( X ) / r 2
第三讲 吸收剂量D
一、沉积能（energy deposited）
1.定义 单次相互作用中沉积的能量
E E ES Q
2.典型作用过程分析 •带电粒子与原子电子碰撞过程
E E (E E` hvk )
•电子对生成过程
E hv (E E ) 2mc2
第二章 剂量学基本概念
引言
1.剂量学的研究对象：研究辐射能量在物质中的转移过程、能量 沉积的分布以及它的测量和计算的方法。 2.剂量防护学中（三类物理量）辐射量 （辐射计量学量）：描述辐射物自身固有特性。 （剂量学量）：描述辐射能量在物质中的转移和沉积（K、X、 D）。 （辐射防护量）：用品质因数加权的吸收剂量。
拉德(rad),1rad=10-2Gy。
2.讨论 • 扩展定义：比释动能K是感兴趣点P处单位质量介质中转移
给带电粒子的能量（动能）的期望值，其中包括轫致辐射 损失的能量，但不包括由一个带电粒子转移给另一个带电 粒子的能量。
扩展定义中带电粒子的能量不仅包括不带电粒子转移给带 电粒子的初始动能，还包括介质内分布的电离辐射源通过 自发核转变过程释放的带电粒子的初始动能。 • εtr是一个随机量（Stochastic quantity），但K是一个非随 机量（Nonstochastic quantity）。
单位：C·kg-1 1R=2.58×10-4 C·kg-1
2.特性（properties）
• 次级电子的轫致辐射被吸收而产生的电离电荷，不包括
在dQ之内；
• dm之外释放的次级电子，在dm之内产生的电离电荷，
不包括在dQ之内；
•
X
d
c tr
(e W
)a
dm
Kc,a
( e W
)a
(e W
)a
h
c ut
Ee'
(Ee
hv1
hv2
hv3)
tr
r tr
c tr
EA
Ee'
Ee
hv hv" hvk
三、比释动能K
1.定义
K dtr dm
其中, dtr是由不带电粒子在质量为的无限小体积内释放出
来的所有带电粒子的初始动能之和(即转移能)的期望值.
单位:戈瑞(gray)，简写Gy，1Gy=1J.Kg-1;
(1
g )dE
对单能且只有一种不带电粒子辐射场，有：
Kc (tr / )E (1 g) (en / )E
特别对中子有：
en / tr /
Kc,n Kn
六、比释动能率(Kerma rate)
1.定义
K dK / dt
单位：JKg-1s-1或Gys-1或 rads-1
对单能不带电粒子的辐射，有：
4.平均授与能
• ,1, 都是随机量
• 是非随机量
•
En
Eout
Q
Rin Rout
Q
ur ur
Ò d A Q
S
v
ur
(div
d Q )dV
dV
三、吸收剂量D （Absorbed dose）
1.定义 D lim lim 1 m0 m v0 V
D d
dRin dRout 辐射平衡
Rout
Rin dV
•典型例子 （a）PE=常数 (b) 介质和源的均匀分布
•D的表达式
D
1
dQ
dV
1
( dS dV
).E1
转变成E的1 表辐示射辐能射的源期每望次值核转变相关联的由静止质量
(2)带电粒子平衡（charged particle equilibrium,CPE）
DE
dE
dm
dE dv
E
(E) (E)
D
Ecut
E
(E )
(E)dE
(E) ：能量为E的粒子在密度为ρ的介质中穿过单位长度路程时
发生相互作用的几率；
(E) ： 能量为E的粒子在一次相互作用中授与能的期望值；
dm内有自发核转变时：
(E)
D q Ecut e (E)dE ns S
(1)定义
1 E
(2)通用表达式
E1 Ein Eout Q
16O(n,αγ)13C Q=-2.215MeV
Ee’
En
δ
α
e+
hυ
13C e-
hυB
一次能量沉积事件的授与能示意图
1 En Ee' hvB 2.215Mev 1.022Mev
3.总授与能ε
Ei Ein Eout Q
K (tr / )E E(tr / )E [E(tr / )E ]
2.空气比释动能率常数Γδ（Air Kerma-rate constant） 对于点源，活度为A，各粒子产额为ni,能量为hυi，则
K
A
4 r2
hvi
nihvi (tr
/
)i
定义
1
4
hvi
nihvi (tr
/
)i
则有
)a
( e W
)a
[h
( en
e
)
a
]
( W
)a
三．X和 X值得说明的问题
•含义: 自由空间或不同于空气的材料内某一点的照射量
或照射量率的概念 •可以用空气碰撞比释功能Kc,a来取代照射量
原因：a. 由电离电荷量到能量的换算（乘以(w/e)a 因子）很不方便
b. Exposure的含义容易混 •对于点源：
4.比释动能因子k（Kerma factor）
k E(tr / )E
比释动能K通过比释动能因子k与不带电粒子注量或 其谱分布联系起来。
K (tr / )E (E tr / )E
K j Ecut,j E, j (tr. j / )E dE j Ecut,j E, j E(tr. j / )E dE
随机量：时空变化不连续，服从统计规律，观测值不能预 测，某一值出现的几率可以由分布函数确定。
四、比释动能与注量的关系
1.对单能单向的不带电粒子辐射场 在体积元dadl中：
dtr (tr )E dadl dm dadl
K (tr / )E (E tr / )E
2.对任意方向分布的单能不带电粒子 ΦdV是不带电粒子在小体积元dV内的总径迹长度。显然
εtr还可以表示为：
tr
r tr
c tr
式中：εrtr辐射转移能，εctr为碰撞转移能(或净转移能)。
对于前面分析的CE过程:
r tr
hv1' hv2 hv3
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
g
r tr
hv1
hv2
hv3
g
c tr
EA
Ee'
(Ee
hv1'
hv2
hv3) EA
五、碰撞比释动能Kc
c
若定义： Kc d tr / dm
则：
K Kc Kr
r
Kr d tr / dm
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
为：
en tr
/ /
1 g
，则 ：
Kc
j
Ecut , j
E,
j
(
tr ,
j
)E