辐射剂量学基础

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一．电离辐射和非电离辐射激发过程电离辐射和非电离辐射统称电磁辐射辐射非电离辐射电离辐射日常所见的微波、无线电波、紫外线和可见光带电粒子（α、β、电子和质子等）不带电粒子（X、γ和中子等）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（ionizingradiation）：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--ionizingradiation）•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（5）直接电离辐射（directlyionizingradiation）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（indirectlyionizingradiation）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。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•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。电离辐射生物学效应射线与物质的相互作用。。。。。。。。。。。。αβγn物质：气体液体固体包括人体等。。。。。。。。。原子。。。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)。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。•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）。•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：•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：dtrTdrt/),(),(dtrTdrt/),(),(•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粒子注量说明粒子注量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。三、粒子辐射度和能量辐射度•粒子辐射度：•单位:m-2∙s-1∙sr-1•能量辐射度：•单位：J∙m-2∙s-1∙sr-1xyz立体角元辐射rdrtdrtP/),(),(drtdrtR/),(),(四、完整描述辐射场的基本量度•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，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。dErtdPrtPE/),(),(,dErtdRrtRE/),(),(,iErtP)],([,小结•描述辐射场性质的概念总结如下：),(),(),(),(,rtPrtPrtrTEdEddt),(),(),(),(,rTrtrtPrtPdtddEE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。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。（1）光电效应（photoelectriceffect）•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（20-30keV）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。(2)康普顿效应（comptonscattering/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）电子对产生（electronspairproduction）•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，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射角是相关的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Z2；对给定的Z，正比于光子的能量。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。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：•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：dde0dld/)/(•线衰减系数与光子的原子截面有以下关系：•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。•质量衰减系数：单位：m2/kg表示：X、γ射线在物质中贯穿单位质量厚度物质时，其光子注量减少的份额。)(/kMNaaaA)/()/(/dld能量转移系数•线能量转移系数（m-1）：•质量能量转移系数（m2/kg）：•表示：X、γ射线在物质中穿行单位路程或质量厚度时，光子能量向次级电子转移的份额。•线能量转移系数，与光子的原子截面有如下关系：dlEdEtr/)/()/()/(/dlEdEtr)]/02.11()/1(/)1([//'kfMNaaaAtr能量吸收系数•能量吸收系数（m-1）：•质量能量吸收系数（m2/kg）：•其中，g为次级电子慢化过程中，其能量辐射损失的份额。•线能量吸收系数μen、质量能量吸收系数μen/ρ的剂量学含意是：X、γ射线在物质中穿行单位路程时，光子能量向次级电子转移，且通过次级电子的电离、激发过程被物质吸收的份额。)1(gtren)1()/(/gtren/tr/en/区别和联系•/：反映入射的射线与物质相互作用的总几率。•tr/：这些过程中光子能量转移给次级