高等电离辐射防护

306 （0.367）
0.48 （0.48 ）
1100 （1.35 ）
1.74 （1.74 ）
1900 （2.34 ）
2.98 （2.98 ）
铝ρ=2.7 0.005 （0.014） 0.0155 （0.042） 0.028 （0.076） 0.059 （0.159） 0.059 （0.159） 0.15 （0.41 ） 0.55 （1.49 ） 0.94 （2.54 ）
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第2章
射线与物质相互作用
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18
相互作用类别
带电粒子
不带电粒子
核与核外电子
弹性和非弹性相互作用
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带电粒子与物质相互作用
带电粒子与靶原子的核外电子发生非弹性碰撞
电离：外层电子或内层电子（发射特征X射线或俄歇电子） 激发：退激过程会释放出可见光或紫外线，这就是受激原子
col

Zz2 Ma
f
,I,
设有两种速度相同的带电粒子，分别带有电荷 z1，z2， 在给定的物质中的质量阻止本领之比：
1 dE
d l
1


dE dl
c o l ,1 c o l , 2

z12 z22
具有相同速度的两种带电粒子在同一物质中的质量阻止
A

dN (t) dt


d (N0et ) dt

N0et

N (t)
定义：A0 N0
A A0et
法定计量单位为贝可(Bq)：1Bq 1次核衰变 / 秒
常用单位居里(Ci)： 1Ci 3.7 1010 Bq
1g226Ra的放射性活度近似为1Ci 1g60Co的放射性活度近似为1200Ci
M z2

Ma
Z

F

0
,
I
,

对于两种初速度相同而种类不同的带电粒子1和2，可
推得在同一物质中的射程比为：
R1


M1

z2
2
R2 M2 z1
初速度相同的某种重带电粒子，在两种不同的物质a和
b中的射程比为：
Ra Rb

Z Z
M a b M a a
2
重要机构
ICRP(国际放射防护委员会) International Commission on Radiological Protection ICRU(国际辐射单位和测量委员会) International Commission on Radiological Units and Measurements IAEA(国际原子能机构） International Atomic Energy Agency NCRP、HPS、UNSCEAR

Z Ma Z Ma
a b
具有相同速度的重带电粒子在两种物质中的阻止本领之 比，等于此两种物质的相应原子序数与相对原子量的比 值之比。
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带电粒子与物质相互作用
例题：比较同一种重带电粒子在水和水蒸气中的质量阻止 本领和阻止本领。
1
a

dE dl
在极低能量（ ≤100eV） 的电子与物质相互作用时 才考虑这种作用过程。
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带电粒子与物质相互作用
总结：带电粒子与靶的核及核外电子的非弹性碰撞是主要的能量损失方式，
定义S

Sion
Srad



dE dl
ion



dE dl
rad
为阻止本领。更常用质量阻止本领


b a

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带电粒子与物质相互作用
阻止本领随粒子能量（速率）的变化
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不带电粒子与物质相互作用
γ射线与物质相互作用
γ光子是通过次级效应与物质的原子或原子核外电子作用 ，一旦光子与物质发生作用，光子或者消失或者受到散 射而损失能量，同时产生次级电子。主要作用方式有三 种：光电效应、康普顿效应和电子对效应。
12
半衰期
半衰期：放射性核数衰变一半所需的时间，记为 T1 2
1
N (0)

N
0 eT1 2
2
T1 2

ln 2


0.693

量纲为[t],单位是s，h，d，a
平均寿命：

1

1.44T1/2
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放射源活度
定义：一个放射源在单位时间内发生衰变的原子核数。以
A表示，表征放射源的强弱。
α能量/MeV
空气R/cm
生物组织R/ μm
铝R/ μm
4.0
2.5
31
16
4.5
3.0
37
20
5.0
3.5
43
23
5.5
4.0
49
26
6.0
4.6
56
30
6.5
5.2
64
34
7.0
5.9
72
38
7.5
6.6
81
43
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带电粒子与物质相互作用
β射线能量 MeV
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 1.0 3.0 5.0
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比活度
定义：单位质量放射源的放射性活度。（类似量有活度浓度）
a A/m
比活度反映放射源中放射性物质的纯度
放射源发出放射性粒子的多少，与核衰变数有关，一般情况， 核衰变数并不等于发出粒子数。
射线强度：单位时间内放出某种射线的个数。
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天然放射性与感生放射性
3
补充内容
基本概念
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铀浓缩 铀转化
采矿水冶
后处理
废物处理
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燃料加工
核电站 乏燃料贮存 处置
5
原子结构
同位素：含有相同质子数，不同中子数的原子称为同位素。 核素：具有相同数目的质子、中子的一类原子（核）。
U：234u、235u、238u
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6
放射性核素
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γ射线与物质相互作用
光电效应：
光子与原子中的一个束缚电子作用，把能量全部交给电 子，使电子从原子中发射出来，光子消失。
几种物质中β粒子的射程
空气ρ=0.001293
物质 生物组织ρ=1.0
10.1 （0.012）
0.016 （0.016）
31.1 （0.038）
0.049 （0.049）
56.7 （0.07 ）
0.089 （0.089）
85.7 （0.11 ）
0.187 （0.187）
119.0 （0.146）
0.187 （0.187）
本领之比，等于它们所带电荷数平方之比。
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带电粒子与物质相互作用
例题：比较1MeV的质子、 2MeV的氘核、 3MeV的氚核 在同一物质中的阻止本领或（质量）阻止本领。
1 2 1 2
m
pv
2 p
m
d
v
2 d

1

2


v
2 p

v
2 d

v
2 t
1 2
m
t
v
2 t
col,a

Z Ma
a
1 dE
b dl col,b
Z Ma b
在水和水蒸气中质量阻止本领之比为1:1 在水和水蒸气中阻止本领之比为密度之比。
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带电粒子与物质相互作用
重带电粒子射程
对于重带电粒子 可以推导射程
R


t
0
T1/2
2T1/2
3T1/2
4T1/2
N(t)
题2：样品当前的放射性活度为100贝可，若半衰期为25分钟，试求 在100分钟前和50分钟后样品的放射性活度是多少？
题3：某时刻60Co样品的原子核数目为10000个，问该时刻该样品 的活度为多少Bq？已知60Co半衰期为5.26年。
题4：1979年1月某反应堆所产生的1吨废水（HTO质量百分比为万 分之一），计算2016年5月该废水中氚的活度值。
的发光现象。
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带电粒子与物质相互作用
带电粒子与靶原子核发生非弹性碰撞
辐射损失：当入射带电粒子到达靶原子核的库仑场时， 其库仑力使入射粒子的速度和方向发生变化。入射粒子 的损失能量，这种能量损失称为“辐射损失”。
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带电粒子与物质相互作用
带电粒子与靶原子核发生非弹性碰撞

3

质量阻止本领之比等于它们所带电荷数的平方之比。
Q z p zd zt 1,三者质量阻止本领为1:1:1
例题：比较1MeV的质子、 4MeV的α粒子、 12MeV的C
核在同一物质中的质量阻止本领。
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。带电粒子与物质相互作用
重带电粒子（质量）阻止本领
，n反应，如：226Ra - Be ，n反应，如：88Y - Be
加速器中子源：
2 H (d , n)3He
3 H (d , n)4He
反应堆中子源： 裂变反应(n,f)
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放射源衰变规律
由统计性，以放射源总体考虑衰减规律 设：t时刻放射性原子核的数目为N(t)，t～t+dt内发生的核 衰变数目-dN(t)，正比于N(t) 和时间间隔dt ，则有：
天然及人工核素约2000个 ，分稳定和不稳定两类。
» 不稳定核素的原子核自发地 转变成另一种原子核或另一 种状态并伴随一些粒子的发 射，称为放射性衰变。
1896年，Becquerel在铀 盐中发现放射性。
常见辐射: α、β、γ、n
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7
α放射性
A Z
X

Y A－4
Z－2

dN t N t dt
Nt N0et
dN (t) / dt
Nt
衰变常数：一个原子核在单位时间 内发生衰变的概率。量纲为[t]-1,单 位是1/s，1/h，1/d，1/a
当一个原子核有几种衰变方式时：
i
分支比：Ri

i
/

i
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设重带电粒子的质量为M，电荷为z，相对速度为β。它
与原子序数为Z、相对原子量为 Ma，密度为ρ的物质相
互作用。
1


dE dl
col

Zz2 Ma
f
,I,
对于一种具有相对速度为β的带电粒子，分别与两种不同
的物质a和 b相互作用：
1
a
1
b
dE dl col,a dE dl col,b
天然衰变系：
系名称 钍
铀-镭 锕
最后的稳定同位素 208Pb 206Pb 207Pb
寿命最长的核素 232Th 238U 235U
感生放射性：使用粒子轰击稳定核素产生放射性核素，稳定核素 吸收中子转变成放射性核素的过程称为活化。如：60Co、16N等。
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16
练习题
题1：设t=0时放射性原子核数目为10000，其半衰期为T1/2，在下 表中填入合适的数据。
高等电离辐射防护
2018/1/25
1
教学安排
基础
» 第2、3章 共12学时
生物效应
» 第4章 共4学时
剂量计算及防护
» 第7、8、9章 共8学时
体系
» 第6、12章 共8学时
天然及实用辐射
» 第5、11章 共4学时
辐射监测与数据处理
» 第10章 共8学时
2018/1/25
9月11、18、25日 10月9日 10月16、23日 10月30、11月6日 11月13日 11月20日、11月27日。12月4日习题课
2018/1/25
8
β放射性
-衰变
A Z
X

YA
Z 1


2018/1/25
9
γ放射性
处于激发态的原子核通过发射电磁辐射释放激发能量
处于激发态的原子核通过将能量传递给核外电子，继而由此
内转换电子空位所带来的轨道电子跃迁，释放特征X射线。
2018/1/25
10
中子放射性
同位素中子源： 自发裂变： 252Cf
注：表中的括号外的射程值为线厚度，其单位为cm；
括号内的射程值为质量厚度,其单位为g/cm2。
2018/1/25Hale Waihona Puke Baidu
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带电粒子与物质相互作用
重带电粒子（质量）阻止本领
设重带电粒子的质量为M，电荷为z，相对速度为β。
它与原子序数为Z、相对原子量为Ma，密度为ρ的物质
相互作用。
1


dE dl
X射线
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带电粒子与物质相互作用
带电粒子与靶原子核发生弹性 碰撞
对于重带电粒子，只有当 它非常靠近原子核而穿行 时，才有明显的散射；
对于质量小的电子，易受 到原子核的散射，电子在 物质中径迹曲折。
带电粒子与靶原子的核外电子 发生弹性碰撞
在这种弹性碰撞中，入射 粒子将微小的一部分能量 转移给靶原子的核外电子 ，但不足以改变核外电子 的能量状态；
S。
重的带电粒子由于质量较大，辐射损失比电离损失要小
得多。而β粒子由于质量较小，辐射损失可能很大，两种
能量损失之比为下式。

dE
/
dl
rad
dE / dl

EZ 800
, E用MeV为单位
ion
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带电粒子与物质相互作用
射程(Range)：带电粒子沿入射方向所行径的最大距离，称为入射 粒子在该物质中的射程R。入射粒子在物质中行径的实际轨迹的长 度称作路程(Path)。