辐射剂量与防护A课件.

辐射剂量与防护A朱志超南华大学核科学技术学院辐射防护与核安全系TELL：182160384698281887Email：[e-mail]2第一章电离辐射领域中常用的量和单位第二节相互作用系数αβγn物质：气体液体固体包括人体等微观粒子间碰撞有动量和能量的传递射线与物质的相互作用辐射电离辐射非电离辐射：红外线、可见光、无线电波直接电离粒子：电子、质子、粒子、射线间接电离粒子：光子、中子电离辐射：凡是与物质直接或间接作用时能使物质电离的一切辐射。带电粒子、非带电粒子与物质相互作用特点带电粒子通过物质时，同物质原子中的电子和原子核发生碰撞进行能量的传递和交换。其中最重要作用是带电粒子非弹性碰撞直接使原子电离或激发。非带电粒子则一般通过次级效应产生次带电粒子使原子电离或激发。非带电粒子直接电离和激发的概率非常低。(1)电离损失——与核外电子的非弹性碰撞过程入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用，使电子获得能量而引起原子的电离或激发。电离——核外层电子克服束缚成为自由电子，原子成为正离子。激发——传递能量小时，使核外层电子由低能级跃迁到高能级而使原子处于激发状态，退激发光。带电粒子与物质的相互作用一种是外壳层电子向内壳层空位填补使原子回到基态，跃迁时多余的能量以特征X射线的形式释放出来；一种是多余的激发能直接使外层电子从原子中发射出来，这样发射出来的电子称为俄歇电子。退激带电粒子与物质的相互作用Bethe公式的讨论:电离能量损失率与入射粒子电荷数平方成正比；:电离能量损失率随入射粒子速度增加而减小,呈平方反比关系；acolMvZzdldE221211vdldEcol21zdldEcolacolMdldEZ1带电粒子与物质的相互作用:电离能量损失率与介质的原子序数正比，与介质的相对原子量成反比。阻止本领可以用量子力学理论给出计算公式（参考贝特公式）(2)辐射损失——与原子核的非弹性碰撞过程入射带电粒子到达靶原子核的库仑场时，其库仑引力和斥力会使入射带电粒子的速度和方向发生变化，伴随着发射电磁辐射(轫致辐射),从而造成入射粒子的损失---辐射损失。当ba时，即当带电粒子在原子核附近穿过时，入射粒子在原子核电场中产生加速运动。按经典物理学的观点，带电粒子将以正比于其加速度的平方，即正比于zZ2/M2的几率辐射电磁波，这就是轫致辐射。带电粒子与物质的相互作用软碰撞或“核”碰撞：ba，每次作用损失能量小。硬碰撞或“对面撞”：b与a同量级，每次作用能量损失大。其中b为径迹至原子的最近距离,a为原子半径。带电粒子与物质的相互作用X射线管和X光机产生的X射线就是轫致辐射。电视机显像管，电子打在荧光屏上产生软X射线。湮没过程:表明带电粒子的质量越大时，辐射损失越小。所以仅对轻带电粒子才重点考虑。电子的轫致辐射能量损失率比质子、粒子等大得多。211mdldErad:表明物质的原子序数越大、带电粒子的电荷数越多时，辐射损失越大。在原子序数大的物质(如铅,Z=82)中，其轫致辐射能量损失比原子序数小(如铝Z=13)的物质中大得多。21ZzdldEradZmzdldErad221带电粒子的电荷、及质量吸收物质的原子序数Bethe公式的讨论:带电粒子与物质的相互作用带电粒子与靶原子核的弹性散射当ba时，带电粒子与靶原子核的库仑场作用而发生弹性散射。（几率比轫致辐射大）入射粒子既不辐射光子，也不激发或电离原子核，但入射粒子受到偏转，其运动方向改变。带电粒子与物质的相互作用带电粒子与核外电子的弹性散射受核外电子的库仑力作用，入射粒子改变运动方向。同样为满足能量和动量守恒。几率非常小。这种相互作用方式只是在极低能量(100eV)的β粒子方需考虑,其它情况下完全可以忽略掉。（3）弹性散射带电粒子与物质的相互作用（4）核相互作用高能强子带电粒子可能与原子核发生核相互作用。例如几个MeV的质子与原子核发生（p,n）、（p,d）等核反应。（5）电子对生成入射带电粒子与靶核发生电磁相互作用，可能直接产生电子-正电子对。入射粒子的动能远远大于其静止能量时，这一过程才是重要的。高能电子，轫致辐射和核相互作用占优势。重带电粒子:主要考虑电离损失（电离和激发），因为质量越大，辐射损失越小。只有在入射能量很低时，才考虑核阻止。轻带电粒子:电离损失和辐射损失。在低能时，电离损失占优势；在高能时，辐射损失变得重要了。轫致辐射，对高能粒子是损失能量的重要方式。带电粒子与物质的相互作用1//SdEdl/SdEdl阻止本领（Stoppingpower）：总线阻止本领（Linearstoppingpower）S：dE是dl距离上损失能量的数学期望值。1.定义：总质量阻止本领（Massstoppingpower）S/ρ:1(/)/ccSdEdl1(/)/rrSdEdl/(/)(/)crSSScrSSS质量碰撞阻止本领（Masscollisionstoppingpower）（S/ρ)c质量辐射阻止本领（Massradiativestoppingpower）（S/ρ)r一般地：对应地：贝特等在经验公式的基础上，利用量子理论处理了带电粒子穿过介质时与电子碰撞而损失能量的问题，给出了质量碰撞阻止本领的计算公式。对于重带电粒子:2)1(214)/(2222022202ZCIcmnMZzNcmrSAAec对于电子和正电子:ZcFcmInMZNcmrSAAec2)(/2)2(12)/(420222202m0是电子的静止质量；c为真空中的光速；re代表电子的经典半径；NA是阿佛加德罗常数；MA是介质的摩尔质量；Z是介质的原子序数；z是入射的重带电粒子的电荷（以电子电荷的倍数表示）；是带电粒子速度与光速之比；τ等于电子动能与其静止能量之比；C/Z代表壳层修正项；δ代表极化效应（即密度效应）修正项；I是被碰撞原子的平均激发能。0mc/（1）δ粒子带电粒子径迹δ粒子定义：能够产生分支径迹的次级电子（2)定限碰撞阻止本领L∆/ρ定义：L∆/ρ=(dE/dl)∆/ρdE为带电粒子在密度为ρ的介质中穿行距离为dl时，由传递能量小于指定值∆的碰撞而损失的能量的数学期望值。L∆亦叫传能线密度LET（Linearenergytransfer）。LET:特定能量的带电粒子在介质中穿行单位长度路程时，由能量转移小于某一指定值的历次碰撞所造成的平均能量损失。L∞，取一切可能能量的碰撞。L∞=Sc,L∞/ρ=(S/ρ)c定限碰撞阻止本领L∆/ρ辐射阻止本领(1)定义：(2)特点（见前）(S/ρ)r与Zz2/m2成正比。重粒子辐射损失可忽略不计。对高能电子：x0是电子在介质中的辐射长度。它是电子因辐射电磁波使其能量减小到原来的1/e时所需要的质量厚度（kg.m-2）1(/)(/)rrSdEdl0(/)/rSEx•（对大于3MeV的电子，n≈700±100MeV）•的电子能量称为临界能量低能电子(S/ρ)c值较大，高能电子(S/ρ)r值较大。(/)/(/)rcEzSSn(/)(/)crSS电子的辐射阻止本领与碰撞阻止本领的比值:例：Cu的原子序数Z=29，其电子临界能量值大约为24MeV。射程1.投影射程（Projectedrange）一定能量的带电粒子在它入射方向所能穿透的最大距离叫做带电粒子在该物质中的投影射程。•入射粒子在物质中行经的实际轨迹的长度称作路程（Path）。对重带电粒子（如粒子）由于其质量大，与物质原子的核外电子作用时，运动方向几乎不变，因此，其射程与路程相近。•5.3MeV的粒子在标准状态空气中的平均射程3.84cm，同样能量的粒子在生物肌肉组织中的射程仅为30-40m，人体皮肤的角质层就可把它挡住。因而绝大多数辐射源不存在外照射危害问题。但是当它进入体内时，由于它的射程短和高的电离本领，会造成集中在辐射源附近的损伤，所以要特别注意防止粒子进入体内。α粒子径迹是一条直线5.3MeVα粒子在空气中的射程3.83cm对粒子，其路程要大得多。当粒子通过物质时，由于电离碰撞、轫致辐射和散射等因素的影响，其径迹十分曲折，经历的路程远远大于通过物质层的厚度。正电子通过物质时，与负电子一样，同核外电子和原子核相互作用，产生电离损失、轫致辐射损失和弹性散射。能量相同的正电子和负电子在物质中的能量损失和射程大体相同。但正电子与介质中的电子碰撞会发生湮灭过程，还会产生湮灭辐射。电子径迹是折线α射线与β射线电离效应比较α射线β射线径迹粗直细弯α电离作用强电离作用严重产生离子对数目多X特征射线：湮没辐射：核能级跃迁正电子湮没产生特征X射线：原子能级跃迁轫致辐射：带电粒子速度或运动方向改变产生射线与物质的相互作用特点：光子是通过次级效应(一种“单次性”的随机事件)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，同时产生次电子；次级效应主要的方式有三种，即光电效应、康普顿效应和电子对效应。射线与物质的相互作用射线与物质发生不同的相互作用都具有一定的概率，通常用截面这个物理量来表示作用概率的大小。总截面等于各作用截面之和。pcph总截面光电效应截面康普顿效应截面电子对效应截面射线与物质的相互作用三种作用效应光电效应康普顿效应电子对效应产生次级电子电离效应次级电子使物质原子电离γ射线第1步初级作用第2步次级作用γ射线对物质的电离作用：两步过程射线与物质的相互作用1、光电效应射线(光子)与物质原子中束缚电子作用，把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去(称为光电子)，而光子本身消失的过程，称光电效应。γ+AA*+e-（光电子）自由电子原子受激原子射线与物质的相互作用1)光电子的能量由能量守恒：),,,(MLKihvEie因此，光电子能量为：ireEEhvieE光电效应是光子与原子整体的相互作用，而不是与自由电子的相互作用。射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用光电效应截面小结：(1)与吸收材料Z的关系5Zph(2)与射线能量的关系phhv射线与物质的相互作用在光电效应中，入射光子能量的一部分用来克服被击中电子的结合能，另一部分转化为光电子动能；原子核反冲能量很小，可忽略不计。原子中束缚得越紧的电子参与光电效应的概率也越大。因此，K壳层上打出光电子的概率最大，L层次之，M、N层更次之。如果入射光子能量超过K层电子结合能，大约80%的光电效应发生在K层电子上。注意：发生光电效应时，发射光电子的同时，还伴随有特征X射线或俄歇电子产生。若从原子内壳层上打出电子，在此壳层上就留下空位，原子处于激发态。这种激发态是不稳定的，有两种退激方式；一种是外壳层电子向内层跃迁填充空位，发射特征X射线，使原子恢复到较低能量状态；另一过程是原子的退激直接将能量传递给外壳层中某一电子，使它从原子中发射出来，这个电子叫做俄歇电子。2、康普顿效应康普顿效应是射线(光子)与核外电子的非弹性碰撞过程。在作用过程中，入射光子的一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而光子受到散射，其运动方向和能量都发生变化，称为散射光子。射线与物质的相互作用虽然光子和束缚电子之间发生的康普效应严格讲是一种非弹性碰撞，但由于这种效应总是发生在原子中结合最松的外层电子上，而外层电子的电离能量较小，一般是电子伏数量级，与入射光子能量相比，完全可以忽略。把外层电子看作是“自由电子”这样就可以把康普顿效应看成是光子与处于静止状态的自由电子之间的弹性碰撞。光子与外层电子的相互作用反冲角散射角hv入射光子vh散射光子eE反冲电子反冲角散射角hv入射光子hv入射光子vh散射光子vh散射光子eE反冲电子eE反冲电子射线与物质的相互作用1)反冲电子与散射