辐射剂量学基础

质量阻止本领 ：
• Scol/ρ=（dE/ρdl）col • Srad/ρ=（dE/ρdl）rad • ρdl称为质量厚度，表示在物质中穿行单位长 度时遭遇到的质量，kg∙m2。 • 碰撞过程和辐射过程共同损失的总能量为： • S= Scol+Srad • S称为总阻止本领，单位J∙m-1 ，相应的有总 质量阻止本领，单位kg∙m2。
(2)康普顿效应 （compton scattering / effect）
• 康普顿效应可以认为是光子与自由电子 （外层电子的 EB 远小于光子能量）发 生散射，光子的部分能量转移给电子 （康普顿电子），而散射光子改变其能 量和方向。
康普顿效应的主要特性如下： ①当散射光子的散射角为180°时，反散射光子能量最 小，康普顿电子能量最大。 ②康普顿电子的发射角在0-90°之间变化，在康普顿 电子的发射角为0°时，康普顿电子能量最大（此时散射 角为180°），在康普顿电子的发射角为90°时，康普顿 电子能量最小 （此时散射角为0°） ③当光子能量》EB 时，康普顿效应占优势，光子与原 子的相互作用概率（截面）正比 Z。在低能区概率变化很 小，在较高能量近似地反比于光子的能量。 ④理论计算表明，在l00keV 以下，入射光子的大部分 能量（80％以上）转移给散射光子（也就是说只有大约 15％转移给康普顿电子）。因此在诊断X射线范围内，屏 蔽散射光子是很重要的。
3.2 基本剂量学量
• 3.2.1 相互作用系数：
•
• 一、阻止本领 二、衰减系数、能量转移系数和能量吸收系数
2、带电粒子与物质相互作用
• （1）电子与原子的弹性碰撞
• （2）电子与原子的非弹性碰撞
一、阻止本领
• 带电粒子与物质相互作用的类型主要有电离、激 发和轫致辐射。 • 前者意味着带电粒子能量的直接沉积；后者意味 着带电粒子能量转化为具有连续能谱的X射线。 • 碰撞阻止本领 ：Scol=（dE/dl）col （电离、激发） • 辐射阻止本领 ：Srad=（dE/dl）rad （轫致辐射） • 单位：均为J∙m-1
二、衰减系数、能量转移系数和能量吸收系数
光 电 效 应 康普顿效应
电子对生成
衰减系数
• 若忽略空气对射线的散射和吸收，则穿过厚度为 d的物质层后，窄束X 、γ 射线的衰减，符合简 单的指数衰减规律： d 0 e d • 式中，μ是入射X 、γ 射线光子的线衰减系数， 单位：m-1， • 表示：X 、γ 射线在物质中穿行单位长度路程时， 其光子注量减少的份额 ： (d / ) / dl
或次级过程引起电离的不带电粒子称作间接电离辐
射。
二．辐射效应和辐射剂量
电 离 辐 射 生 物 学 效 应
• 辐射效应：电离辐射通过电离、激发过程将能量 授予受照物质从而导致物质的物理、化学甚至生 物性质发生变化，我们把这一变化称为辐射效应。
射线与物质的相互作用
物 质：气体 液体 固体 包括人体 等 。。。。。。 。。。。。。 。。。。。。 。。。原子。。。
第3章 辐射剂量学基础
吉林大学 公共卫生学院 辐射防护教研室 陈大伟
本章主要内容
• 剂量学的基本概念 • 电离辐射场描述
• 相互作用系数
• 基本剂量学量 • 放射防护量 • 检测实用量
3.1 电离辐射和电离辐射场
• ３.１.１电离辐射的基本概念：
• • 一、电离辐射和非电离辐射 二、辐射效应和辐射剂量
① 量子力学计算表明，电子对产生效应仅发生在原 子核附近，不是在核内。 ② 正电子发射的角度不能唯一确定负电子的发射角 度（不像康普顿效应中，散射光子和康普顿电子二者 发Biblioteka Baidu角是相关的 ③ 电子对产生过程中，正电子在其射程末端（静止 时）遇到介质中的一个处在静止状态的负电子时，发 生湮没辐射，发射两个光子。 ④ 对给定光子能量，电于对产生的概率（截面）正 比Z 2；对给定的Z，正比于光子的能量。
• 线衰减系数与光子的原子截面有以下关系：
N A / M (a a a k ) • 括号内三项分别为光电效应、康普顿散射和电子 对产生的原子截面， 是单位体积中物质的原子数； 为阿伏伽德罗常数，为摩尔质量。
⑷光核反应
• 光子与原子核作用引起核反应称光核反应。常见 的反应类型为（ γ，n） 和（γ，P），其中n和P 分别为中子和质子。光核反应是阈反应，阈值大 致在10MeV。由于光核反应的概率（截面）很小， 在剂量学中往往忽略其贡献。但在机房防护设计 时，如果加速器X射线的能量大于l0MeV，则需要 考虏（γ，n）反应中产生的中子的防护。这是因 为一方面中子比光子更容易从迷道中逸出，另一 方面，反应产物核素具有短寿命的放射性衰变。
• 辐射场中每一个粒子都具有一定的能量，将所有粒子能量 （不包括静止能量）求和，即得辐射能
二、 粒子注量（率）和能量注量（率）
• 粒子注量：T时间内，进入以 r 点为球心的单位截面积小 球的粒子数，m-2 • 粒子注量率： (t , r ) d(T , r ) / dt • 能量注量：T时间内，进入以 r 点为球心的单位截面积小 球的辐射能，J ∙m-2 • 能量注量率： (t , r ) d(T , r ) / dt
（1）光电效应（photoelectric effect）
• 光子与原子内层电子发生作用，把其能量交给电子，使其克 服束缚能而离开原子，光子自身消失，这一过程称作光电效 应。光电效应的主要特征如下： ①被击出电子的动能E＝hV –EB， hv为 γ射光子能量，EB 为电子束缚能（原子的反冲能≈0）； • ②hv＜EB 时，发生相互作用的概率（截面）为零；hv =EB 时，作用概率最大，呈现出峰值吸收；hV 》EB时，作用概 率减小。 • ③光电效应总伴有特征X射线（或俄歇电子） • ④对给定的光子能量，相互作用概率（截面）正比于Z4，Z 为原子序数；对给定的Z，作用概率反比于E3，E为光子能 量。 • ⑤关于光电子的角分布，理论计算表明，对低能光子（2030keV） 靠近垂直于光子束入射方向占优势，随着能量增 加，分布趋向于光子束入射方向。
四、完整描述辐射场的基本量度
P ,E (t, r ) dP (t, r ) / dE
R, E (t , r ) dR (t , r ) / dE
• 意指t 时刻单位时间内，沿某方向单位立体角入射 到辐射场 r 点的，单位能量间隔内能量为 E的粒 子数或辐射能。 • 由于粒子类型是不连续的，结合前述，得到辐射 场中第i种粒子的粒子辐射度按其能量的微分分布 为 [P,E (t, r)]i ，这一指标完整的考虑了五要素，成为 描述辐射场性质的基本量度。
（3） 电子对产生 （electrons pair production）
• 当光子能量大于正、负电子二者静止质量 之和时（即2m0C2＝1.022MeV）时，在原 子核库仑场的作用下，发生电子对产生效 应。在此过程中，光子被完全吸收，产生 正、负电子对。它们的动能之和等于光子 能量与 1.022MeV之差。电子对产生效应的 主要特性如下，
一．电离辐射和非电离辐射
激发过程
辐射
电离辐射
带电粒子（α、β、电子和质子等）
不带电粒子（X、γ和中子等）
非电离辐射
日常所见的微波、无线电波、紫外线和可见光
电离辐射和非电离辐射统称电磁辐射
电离辐射
• （1）电离（ionization）：指从一个原子、分子或其它束缚
•
•
• • • •
态中释放一 个或多个电子的过程。 （2）电离辐射（ionizing radiation）：能够引起电离的粒 子（带电和不带电）的空间分布(不带电粒子也能电离，但 与带电粒子相比、几率小) （3）电离过程：主要是由具有一定动能的带电粒子与原子 中的电子碰撞引起的。一般从一个原子中释放出一个价电子 所需要的能量在4—25ev，当电子、质子等带电粒子的动能 大于该值时，可将其称作电离辐射。 （4）非电离辐射（non--ionizing radiation） 粒子动能小于该值（４－２５ev） 光子：非带电粒子、能量大于１０ev 为电离辐射 能量小于１０ev 为非电离辐射
αβ γ n
微观粒子间碰撞的能量传递过程
描述辐射与物质相互作用
• 电离辐射与物质的相互作用是研究辐 射效应和进行剂量测量的物理基础。
• 相互作用—— 能量和运动方向改变
辐射剂量：
• 辐射能量在物质内沉积的数量和方式是决 定辐射效应的重要方面。 • 辐射剂量就是为此提出的物理指标。 • 辐射剂量用于预测电离辐射导致受照物质 发生真实效应或潜在影响程度。 • 需注意的是，某一个辐射剂量数值取决于 相关辐射的类型、能量以及受照物质的性 质，同时也依赖于照射条件(时间、方式和 途径)。
• 在狭义上，我们通常关心的某辐射场常常是具 体的和有限的。
带电粒子径迹
• 带电粒子与物质相互作用，可能沿径迹产生单 个的电离或激发，也可能交给原子中的电子较 大的能量，使电子进一步产生电离和激发，形 成分之径迹。
• 辐射场性质的内涵包括：
• 1、辐射场的类型（α 辐射场，β辐射场，γ辐射场、 中子辐射场和混合辐射场等）； • 2、粒子的能量（单能辐射场、具有能量分布的辐 射场）； • 3、粒子的运动方向（单向辐射场、多向辐射场）。
光子与物质相互作用
• 光子穿过物质: • 可与原子的核外电子相互作用: 主要是光电效应、康普顿效应和电子对产生效应。 • 当其能量超过核反应阈能时，还发生光核反应。 • 对辐射剂量学而言，重要的作用类型是光电效应、 康普顿效应和电子对产生效应。另外，从辐射防 护（例如高能X射线治疗中的防护）角度，光核 反应产生的中子也已引起人们的注意。
（5）直接电离辐射（directly ionizing
radiation）
具有一定能量的带电粒子穿过物质时，通过库仑相
互作用直接在物质中沉积能量并引起电离。
（6）间接电离辐射（indirectly ionizing
radiation）
光子、中子、x射线等不带电粒子穿过介质时，首
先将能量转移给带电粒子，随后这些带电粒子（次 级）再沉积能量和引起电离。
粒子注量说明
•1.截面da必须垂直每个 入射方向，定义中采用 小球体，使得来自各个 入射方向的粒子都满足 这个要求。 • 2.粒子注量的单位：m-2
粒子注量 是dN除以da所得的商(dN/da) = dN/da
其中 dN是入射到截面为da的球体内的粒子数。这里所谓的“入射 到”或称进入，强调只穿过一次，并只考虑进入，不考虑流出。
• 简单来说就是位置、时间、方向、类型和能量等五 个要素。
辐射场的描述
•电离辐射居留的空间称为电离辐射场。常用以下量来
描述：
• 粒子数:发射，转移或接收的粒子数目。
粒子数的单位是 1。
• 辐射能:发射，转移或接收粒子的能量（不包括静 止能）。
• 辐射能的单位是 J
• 粒子数密度:单位体积中的粒子数目，是表征辐射 场疏密程度的物理量 n=dN/dV • 单位是m-3
辐 射 剂 量 与 效 应
3.1.2 电离辐射场及其表达
• 一、辐射场的定义和相关要素
• 二、粒子注量（率）和能量注量（率） • 三、粒子辐射度和能量辐射度 • 四、完整描述辐射场的基本量度
一、辐射场的定义和相关要素
• 电离辐射场就是电离辐射在其中通过、传播乃 至经由相互作用传递辐射能量的整个空间范围。 • 从广义上讲，辐射场涉及的范围是无限的。
小结
• 描述辐射场性质的概念总结如下：
(T , r) dt (t, r) d P (t, r) dE P,E (t, r)
dE d P (t , r ) (t , r ) dt (T , r ) P, E (t , r )
三、粒子辐射度和能量辐射度
• 粒子辐射度 ：
x
立体角元 辐射
P (t , r ) d (t , r ) / d
• 单位: m-2 ∙ s-1 ∙ sr -1 • 能量辐射度 ：
R (t , r ) d (t , r ) / d

r
z

y
• 单位：J ∙ m-2 ∙ s-1 ∙ sr -1