輻射劑量與防護(hù)A朱志超南華高校核科學(xué)技術(shù)學(xué)院輻射防護(hù)與核平安系

TELL：182160384698281887Email：zhuzhichao@impcas.ac2第一章電離輻射領(lǐng)域中常用的量和單位

其次節(jié)相互作用系數(shù)αβγn

物質(zhì)：氣體液體固體包括人體等微觀粒子間碰撞有動量和能量的傳遞射線與物質(zhì)的相互作用輻射電離輻射非電離輻射：紅外線、可見光、無線電波干脆電離粒子：電子、質(zhì)子、粒子、射線間接電離粒子：光子、中子電離輻射：凡是與物質(zhì)干脆或間接作用時能使物質(zhì)電離的一切輻射。帶電粒子、非帶電粒子與物質(zhì)相互作用特點帶電粒子通過物質(zhì)時，同物質(zhì)原子中的電子和原子核發(fā)生碰撞進(jìn)行能量的傳遞和交換。其中最重要作用是帶電粒子非彈性碰撞干脆使原子電離或激發(fā)。非帶電粒子則一般通過次級效應(yīng)產(chǎn)生次帶電粒子使原子電離或激發(fā)。非帶電粒子干脆電離和激發(fā)的概率特別低。

(1)電離損失——與核外電子的非彈性碰撞過程入射帶電粒子與靶原子的核外電子通過庫侖作用，使電子獲得能量而引起原子的電離或激發(fā)。電離——核外層電子克服束縛成為自由電子，原子成為正離子。激發(fā)——傳遞能量小時，使核外層電子由低能級躍遷到高能級而使原子處于激發(fā)狀態(tài)，退激發(fā)光。帶電粒子與物質(zhì)的相互作用一種是外殼層電子向內(nèi)殼層空位填補(bǔ)使原子回到基態(tài)，躍遷時多余的能量以特征X射線的形式釋放出來；一種是多余的激發(fā)能干脆使外層電子從原子中放射出來，這樣放射出來的電子稱為俄歇電子。退激帶電粒子與物質(zhì)的相互作用Bethe公式的探討:電離能量損失率與入射粒子電荷數(shù)平方

成正比；:電離能量損失率隨入射粒子速度增加而

減小,呈平方反比關(guān)系；

帶電粒子與物質(zhì)的相互作用:電離能量損失率與介質(zhì)的原子序數(shù)正比，與介質(zhì)的相對原子量成反比。阻擋本事可以用量子力學(xué)理論給出計算公式（參考貝特公式）(2)輻射損失——與原子核的非彈性碰撞過程入射帶電粒子到達(dá)靶原子核的庫侖場時，其庫侖引力和斥力會使入射帶電粒子的速度和方向發(fā)生變更，伴隨著放射電磁輻射(軔致輻射),從而造成入射粒子的損失---輻射損失。當(dāng)b<<a時，即當(dāng)帶電粒子在原子核旁邊穿過時，入射粒子在原子核電場中產(chǎn)生加速運動。按經(jīng)典物理學(xué)的觀點，帶電粒子將以正比于其加速度的平方，即正比于zZ2/M2的幾率輻射電磁波，這就是軔致輻射。帶電粒子與物質(zhì)的相互作用軟碰撞或“核”碰撞：b>>a，每次作用損失能量小。硬碰撞或“對面撞”：b與a同量級，每次作用能量損失大。其中b為徑跡至原子的最近距離,a為原子半徑。帶電粒子與物質(zhì)的相互作用X射線管和X光機(jī)產(chǎn)生的X射線就是軔致輻射。電視機(jī)顯像管，電子打在熒光屏上產(chǎn)生軟X射線。湮沒過程:表明帶電粒子的質(zhì)量越大時，輻射損失越小。所以僅對輕帶電粒子才重點考慮。電子的軔致輻射能量損失率比質(zhì)子、粒子等大得多。:表明物質(zhì)的原子序數(shù)越大、帶電粒子的電荷數(shù)越多時，輻射損失越大。在原子序數(shù)大的物質(zhì)(如鉛,Z=82)中，其軔致輻射能量損失比原子序數(shù)小(如鋁Z=13)的物質(zhì)中大得多。帶電粒子的電荷、及質(zhì)量吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Bethe公式的探討:帶電粒子與物質(zhì)的相互作用帶電粒子與靶原子核的彈性散射當(dāng)b<<a時，帶電粒子與靶原子核的庫侖場作用而發(fā)生彈性散射。（幾率比軔致輻射大）入射粒子既不輻射光子，也不激發(fā)或電離原子核，但入射粒子受到偏轉(zhuǎn)，其運動方向變更。帶電粒子與物質(zhì)的相互作用帶電粒子與核外電子的彈性散射受核外電子的庫侖力作用，入射粒子變更運動方向。同樣為滿足能量和動量守恒。幾率特別小。這種相互作用方式只是在極低能量(100eV)的β粒子方需考慮,其它狀況下完全可以忽視掉。（3）彈性散射帶電粒子與物質(zhì)的相互作用（4）核相互作用高能強(qiáng)子帶電粒子可能與原子核發(fā)生核相互作用。例如幾個MeV的質(zhì)子與原子核發(fā)生（p,n）、（p,d）等核反應(yīng)。（5）電子對生成入射帶電粒子與靶核發(fā)生電磁相互作用，可能干脆產(chǎn)生電子-正電子對。入射粒子的動能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其靜止能量時，這一過程才是重要的。高能電子，軔致輻射和核相互作用占優(yōu)勢。重帶電粒子:主要考慮電離損失（電離和激發(fā)），因為質(zhì)量越大，輻射損失越小。只有在入射能量很低時，才考慮核阻擋。輕帶電粒子:電離損失和輻射損失。在低能時，電離損失占優(yōu)勢；在高能時，輻射損失變得重要了。軔致輻射，對高能粒子是損失能量的重要方式。帶電粒子與物質(zhì)的相互作用阻擋本事（Stoppingpower）：

總線阻擋本事（Linearstoppingpower）S：dE是dl距離上損失能量的數(shù)學(xué)期望值。1.定義：總質(zhì)量阻擋本事（Massstoppingpower）S/ρ:質(zhì)量碰撞阻擋本事（Masscollisionstoppingpower）（S/ρ)c質(zhì)量輻射阻擋本事（Massradiativestoppingpower）（S/ρ)r一般地：

對應(yīng)地：

貝特等在閱歷公式的基礎(chǔ)上，利用量子理論處理了帶電粒子穿過介質(zhì)時與電子碰撞而損失能量的問題，給出了質(zhì)量碰撞阻擋本事的計算公式。對于重帶電粒子:對于電子和正電子:m0是電子的靜止質(zhì)量；c為真空中的光速；re代表電子的經(jīng)典半徑；NA是阿佛加德羅常數(shù)；MA是介質(zhì)的摩爾質(zhì)量；Z是介質(zhì)的原子序數(shù)；z是入射的重帶電粒子的電荷（以電子電荷的倍數(shù)表示）；是帶電粒子速度與光速之比；τ等于電子動能與其靜止能量之比；C/Z代表殼層修正項；δ代表極化效應(yīng)（即密度效應(yīng)）修正項；I是被碰撞原子的平均激發(fā)能。（1）δ粒子帶電粒子徑跡δ粒子定義：能夠產(chǎn)生分支徑跡的次級電子（2)定限碰撞阻擋本事L?/ρ定義：L?/ρ=(dE/dl)?/ρdE為帶電粒子在密度為ρ的介質(zhì)中穿行距離為dl時，由傳遞能量小于指定值?的碰撞而損失的能量的數(shù)學(xué)期望值。L?亦叫傳能線密度LET（Linearenergytransfer）。LET:特定能量的帶電粒子在介質(zhì)中穿行單位長度路程時，由能量轉(zhuǎn)移小于某一指定值的歷次碰撞所造成的平均能量損失。L∞，取一切可能能量的碰撞。L∞=Sc,L∞/ρ=(S/ρ)c定限碰撞阻擋本事L?/ρ輻射阻擋本事(1)定義：(2)特點（見前）(S/ρ)r與Zz2/m2成正比。重粒子輻射損失可忽視不計。對高能電子：x0是電子在介質(zhì)中的輻射長度。它是電子因輻射電磁波使其能量減小到原來的1/e時所須要的質(zhì)量厚度（kg.m-2）

（對大于3MeV的電子，n≈700±100MeV）

的電子能量稱為臨界能量低能電子(S/ρ)c值較大，高能電子(S/ρ)r值較大。電子的輻射阻擋本事與碰撞阻擋本事的比值:例：Cu的原子序數(shù)Z=29，其電子臨界能量值大約為24MeV。射程1.投影射程（Projectedrange）確定能量的帶電粒子在它入射方向所能穿透的最大距離叫做帶電粒子在該物質(zhì)中的投影射程。入射粒子在物質(zhì)中行經(jīng)的實際軌跡的長度稱作路程（Path）。對重帶電粒子（如粒子）由于其質(zhì)量大，與物質(zhì)原子的核外電子作用時，運動方向幾乎不變，因此，其射程與路程相近。5.3MeV的粒子在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空氣中的平均射程3.84cm，同樣能量的粒子在生物肌肉組織中的射程僅為30-40m，人體皮膚的角質(zhì)層就可把它攔住。因而絕大多數(shù)輻射源不存在外照射危害問題。但是當(dāng)它進(jìn)入體內(nèi)時，由于它的射程短和高的電離本事，會造成集中在輻射源旁邊的損傷，所以要特殊留意防止粒子進(jìn)入體內(nèi)。α粒子徑跡是一條直線5.3MeVα粒子在空氣中的射程3.83cm對粒子，其路程要大得多。當(dāng)粒子通過物質(zhì)時，由于電離碰撞、軔致輻射和散射等因素的影響，其徑跡特別曲折，經(jīng)驗的路程遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通過物質(zhì)層的厚度。正電子通過物質(zhì)時，與負(fù)電子一樣，同核外電子和原子核相互作用，產(chǎn)生電離損失、軔致輻射損失和彈性散射。能量相同的正電子和負(fù)電子在物質(zhì)中的能量損失和射程大體相同。但正電子與介質(zhì)中的電子碰撞會發(fā)生湮滅過程，還會產(chǎn)生湮滅輻射。電子徑跡是折線α射線與β射線電離效應(yīng)比較

α射線

β射線徑跡粗直細(xì)彎α電離作用強(qiáng)電離作用嚴(yán)峻產(chǎn)生離子對數(shù)目多特征射線：湮沒輻射：核能級躍遷正電子湮沒產(chǎn)生特征X射線：原子能級躍遷軔致輻射：帶電粒子速度或運動方向改變產(chǎn)生射線與物質(zhì)的相互作用特點：光子是通過次級效應(yīng)(一種“單次性”的隨機(jī)事務(wù))與物質(zhì)的原子或原子核外電子作用，一旦光子與物質(zhì)發(fā)生作用，光子或者消逝或者受到散射而損失能量，同時產(chǎn)生次電子；次級效應(yīng)主要的方式有三種，即光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)。射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)發(fā)生不同的相互作用都具有確定的概率，通常用截面這個物理量來表示作用概率的大小。總截面等于各作用截面之和。總截面光電效應(yīng)截面康普頓效應(yīng)截面電子對效應(yīng)截面射線與物質(zhì)的相互作用三種作用效應(yīng)光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對效應(yīng)產(chǎn)生次級電子電離效應(yīng)次級電子使物質(zhì)原子電離γ射線第1步初級作用第2步次級作用γ射線對物質(zhì)的電離作用：兩步過程射線與物質(zhì)的相互作用1、光電效應(yīng)射線(光子)與物質(zhì)原子中束縛電子作用，把全部能量轉(zhuǎn)移給某個束縛電子，使之放射出去(稱為光電子)，而光子本身消逝的過程，稱光電效應(yīng)。γ+AA*+e-（光電子）

自由電子原子受激原子射線與物質(zhì)的相互作用1)光電子的能量由能量守恒：因此，光電子能量為：光電效應(yīng)是光子與原子整體的相互作用，而不是與自由電子的相互作用。射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用光電效應(yīng)截面小結(jié)：(1)與吸收材料Z的關(guān)系(2)與射線能量的關(guān)系射線與物質(zhì)的相互作用在光電效應(yīng)中，入射光子能量的一部分用來克服被擊中電子的結(jié)合能，另一部分轉(zhuǎn)化為光電子動能；原子核反沖能量很小，可忽視不計。原子中束縛得越緊的電子參與光電效應(yīng)的概率也越大。因此，K殼層上打出光電子的概率最大，L層次之，M、N層更次之。假如入射光子能量超過K層電子結(jié)合能，大約80%的光電效應(yīng)發(fā)生在K層電子上。留意：發(fā)生光電效應(yīng)時，放射光電子的同時，還伴隨有特征X射線或俄歇電子產(chǎn)生。若從原子內(nèi)殼層上打出電子，在此殼層上就留下空位，原子處于激發(fā)態(tài)。這種激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，有兩種退激方式；一種是外殼層電子向內(nèi)層躍遷填充空位，放射特征X射線，使原子復(fù)原到較低能量狀態(tài)；另一過程是原子的退激干脆將能量傳遞給外殼層中某一電子，使它從原子中放射出來，這個電子叫做俄歇電子。2、康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)是射線(光子)與核外電子的非彈性碰撞過程。在作用過程中，入射光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使它脫離原子成為反沖電子，而光子受到散射，其運動方向和能量都發(fā)生變更，稱為散射光子。射線與物質(zhì)的相互作用雖然光子和束縛電子之間發(fā)生的康普效應(yīng)嚴(yán)格講是一種非彈性碰撞，但由于這種效應(yīng)總是發(fā)生在原子中結(jié)合最松的外層電子上，而外層電子的電離能量較小，一般是電子伏數(shù)量級，與入射光子能量相比，完全可以忽視。把外層電子看作是“自由電子”這樣就可以把康普頓效應(yīng)看成是光子與處于靜止?fàn)顟B(tài)的自由電子之間的彈性碰撞。光子與外層電子的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用1)反沖電子與散射光子光子的能量：電子的動能：光子的動量：電子的動量：相對論關(guān)系：射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用小結(jié)：(1)散射角＝0時，表明：入射光子從電子旁邊拂過，未受到散射，光子未發(fā)生變更。(2)散射角＝180時，散射光子能量最小，而反沖電子能量最大。(3)散射角在0-180之間連續(xù)變更；反沖角在90-0相應(yīng)變更。射線與物質(zhì)的相互作用2)康普頓散射截面入射光子與單個電子發(fā)生康普頓效應(yīng)的截面稱之為康普頓散射截面。近似與光子能量成反比。近似與入射光子能量無關(guān)，為常數(shù)。射線與物質(zhì)的相互作用留意：康普頓散射時，反沖電子在物質(zhì)中會接著產(chǎn)生電離和激發(fā)等過程，對物質(zhì)發(fā)生作用和影響；散射光子有的可能從物質(zhì)中逃走，有的留在物質(zhì)中再發(fā)生光電效應(yīng)或康普頓效應(yīng)等等，最終一部分被物質(zhì)吸取，一部分逃逸出去。3、電子對效應(yīng)電子對效應(yīng)是當(dāng)入射射線(光子)能量較高(>1.022MeV)時，當(dāng)它從原子核旁經(jīng)過時，在核庫侖場的作用下，入射光子轉(zhuǎn)化為一個正電子和一個電子的過程。M＋γ→M+e++e-→

γ1+γ2

基本條件：γ射線能量Eγ1.02MeV為什麼？射線與物質(zhì)的相互作用入射光子的能量首先用于轉(zhuǎn)化為正負(fù)電子對的靜止能量，剩下賜予正負(fù)電子動能。依據(jù)能量守恒，只有入射光子能量大于兩倍電子的靜止能量時，才能發(fā)生。同時能量和動量守恒須要過程有第三者（原子核）參與。電子對效應(yīng)之后伴隨正電子湮沒。射線與物質(zhì)的相互作用電子對效應(yīng)截面特點：能量較低時，隨光子能量線性增加，高能時，與光子能量的變更就緩慢些。射線與物質(zhì)的相互作用光電效應(yīng)康普頓散射電子對效應(yīng)小結(jié):中能、低Z，康普頓散射占優(yōu)勢。低能、高Z，光電效應(yīng)占優(yōu)勢；高能、高Z，電子對效應(yīng)占優(yōu)勢；射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用中子與物質(zhì)的相互作用1)彈性散射出射粒子仍為中子、剩余核仍為靶核。出射中子的動能：反沖核的動能：2)非彈性散射入射中子的能量損失不僅使靶核得到反沖，且使靶核處于激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的靶核退激時放出一個或幾個特征光子。502、輻射俘獲反應(yīng)中子射入靶核后與靶核形成一個復(fù)合核，而后復(fù)合核通過放射一個或幾個特征光子躍遷到基態(tài)。由于這些光子的放射與復(fù)合核的壽命相關(guān)，一般很快，故稱為“中子感生瞬發(fā)射線”!低能中子對組織中沉積能量最大的一種反應(yīng)。熱力學(xué)中子可以產(chǎn)生幾十MeV的γ射線。防護(hù)要特別關(guān)注。中子與物質(zhì)的相互作用513、散裂反應(yīng)(1)放射帶電粒子的核反應(yīng)10B＋n中子防護(hù)中常用硼、鋰作吸取劑中子與物質(zhì)的相互作用52(2)裂變反應(yīng)：（n，f）反應(yīng)易裂變同位素：233U，235U，239Pu，241Pu可裂變同位素：232Th，238U，240Pu放出約200MeV的能量(3)多粒子放射中子能量大于8-10MeV時，復(fù)合核放射多個粒子。（n，2n）、（n，np）中子與物質(zhì)的相互作用53相互作用系數(shù)1、質(zhì)量減弱系數(shù)、質(zhì)量能量轉(zhuǎn)移系數(shù)和質(zhì)量能量吸取系數(shù)3個系數(shù)都是針對不帶電粒子（Х、射線和中子）穿過物質(zhì)時發(fā)生的物理現(xiàn)象而定義的。它們分別量度：平均有多少粒子削減；平均有多少粒子轉(zhuǎn)移為帶電粒子的動能和平均有多少能量被物質(zhì)所吸取。它們的單位都是m2?kg-1。下面以γ射線為例。從物理意義上分析這三個系數(shù)的聯(lián)系與區(qū)分。射線穿物質(zhì)時其注量率隨著穿過的厚度的增加而指數(shù)衰減。稱