1、.,第三章 輻射劑量單位與劑量計(jì)算,.,輻射劑量學(xué)中的量： 吸收劑量 比釋動(dòng)能 照射量 劑量當(dāng)量,.,輻射劑量學(xué)中使用的量,劑量學(xué)中的量是為了對(duì)輻射與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的真 實(shí)效應(yīng)和潛在影響提供一種物理學(xué)上的量度。這些量 的數(shù)值，既依賴與輻射場(chǎng)的性質(zhì)又依賴與輻射與物質(zhì) 的相互作用的程度。,.,一 吸收劑量,授與能 授與能是電離輻射以電離、激發(fā)的方式授與某一體積中物質(zhì)的 能量。 =RIN-ROUT+Q RIN是進(jìn)入該體積的輻射能；ROUT是從該體積逸出的輻射能,Q是 在該體積中發(fā)生的任何核變化時(shí)，所有原子核和基本粒子靜止質(zhì) 量能變化的總和。 授與能的單位是J。它是個(gè)隨機(jī)變量，但是它的數(shù)學(xué)期望值，即

2、平 均授與能 是非隨機(jī)變量。,.,吸收劑量 吸收劑量D是單位質(zhì)量受照物質(zhì)中所吸收的平均輻射能量。即 D=d /dm 式中d 是電離輻射授與質(zhì)量為dm的物質(zhì)的平均能量。 吸收劑量D的單位是Jkg-1，專門名稱是戈瑞(Gray)。1Gy=1 Jkg-1。 過去吸收劑量的專用單位是拉德（rad），1rad=10-2Gy。 吸收劑量適用與任何類型的輻射和受照物質(zhì)，并且是個(gè)與一無(wú)限小 體積相聯(lián)系的輻射量，即受照物質(zhì)中每一點(diǎn)都有特定的吸收劑量數(shù) 值。因此在給出吸收劑量數(shù)值時(shí)，必須指明輻射類型、介質(zhì)種類和 所在位置。,.,吸收劑量率 吸收劑量率是單位時(shí)間內(nèi)的吸收劑量，定義為dD除以Dt所得的 商，即 =dD

3、/dt 式中，dD是時(shí)間間隔dt內(nèi)吸收劑量的增量。 吸收劑量率的單位是Jkg-1s-1，亦即Gys-1。,.,帶電粒子平衡 設(shè)不帶電粒子通過體積為V的物質(zhì)，如圖所示。假設(shè)在體積V中任取 一點(diǎn)O，并以O(shè)點(diǎn)為中心取一小體積元V。不帶電粒子傳給小體積 元V的能量，等于它在V內(nèi)所產(chǎn)生的次級(jí)帶電粒子動(dòng)能的總和， 這些次級(jí)帶電粒子有的產(chǎn)生在V內(nèi)，也有的產(chǎn)生在V外的。若每 一個(gè)帶電粒子離開以O(shè)點(diǎn)為中心的小體積元V時(shí)，就有另一個(gè)同種 類、同能量的帶電粒子進(jìn)入該體積元來(lái)補(bǔ)償，則稱點(diǎn)O 存在帶電粒 子平衡。如果涉及的帶電粒子特指電子。則稱為電子平衡。帶電粒 子平衡總是同輻射場(chǎng)內(nèi)特定位置相聯(lián)系的。,.,在V內(nèi)存在帶

4、電粒子的平衡條件是： 1.在以小體積元V的邊界向各個(gè)方向伸展距離d至少大于初級(jí)入射 粒子在該物質(zhì)中所產(chǎn)生的次級(jí)帶電粒子的最大射程Rmax，并在 d Rmax的區(qū)域內(nèi)輻射場(chǎng)是恒定的，即入射的粒子注量和譜分布為 恒定不變。 2.在上述的d Rmax的區(qū)域內(nèi)，物質(zhì)對(duì)次級(jí)帶電粒子的阻止本領(lǐng)以 及對(duì)初級(jí)入射粒子的質(zhì)量吸收系數(shù)也應(yīng)該是恒定不變的。 顯然，上述條件是難以實(shí)現(xiàn)的，在某些情況下，能夠達(dá)到相當(dāng)好的 近似。例如對(duì)于137Cs、60Co的射線，如果認(rèn)為入射的輻射1%左 右的衰減可以忽略，那么在受照物質(zhì)（如水）中可能存在著很好的 近似電子平衡。對(duì)于中子，由于建立帶電粒子平衡比較容易，因 此，即使中子能量

5、高達(dá)30MeV，在某些物質(zhì)（如水）中仍存在較好 的近似帶電粒子平衡。,.,二 比釋動(dòng)能,轉(zhuǎn)移能 轉(zhuǎn)移能tr是不帶電粒子在某一體積元內(nèi)轉(zhuǎn)移給次級(jí)帶電粒子的初 始動(dòng)能的總和，其中包括在該體積內(nèi)發(fā)生的次級(jí)過程所產(chǎn)生的任何 帶電粒子能量。 轉(zhuǎn)移能tr單位是J，它同授與能一樣也是隨機(jī)量，其數(shù)學(xué)期望 值，即平均轉(zhuǎn)移能 是非隨機(jī)量。,.,比釋動(dòng)能 不帶電粒子授與物質(zhì)的能量過程可以分為兩個(gè)階段。第一，不帶電 粒子與物質(zhì)相互作用釋放出次級(jí)帶電粒子，不帶電粒子的能量轉(zhuǎn)移 給次級(jí)帶電粒子；第二，帶電粒子將通過電離、激發(fā)，把從不帶電 粒子那里得來(lái)的能量授與物質(zhì)。吸收劑量是表示第二過程的結(jié)果。 為了表示第一過程的結(jié)果，

6、我們引進(jìn)另一個(gè)新輻射量，即比釋動(dòng)能 比釋動(dòng)能K定義為d 除以dm所得的商，即 K= d /dm 式中d 是不帶電粒子在質(zhì)量dm的物質(zhì)中釋放的全部帶電粒子的初 始動(dòng)能總和的平均值，它既包括這些帶電粒子在韌致輻射過程中輻 射出來(lái)的能量，也包括在該體積元內(nèi)發(fā)生次級(jí)過程所產(chǎn)生任何帶電 粒子的能量。 比釋動(dòng)能的單位與吸收劑量的單位相同，即Jkg-1或Gy。 比釋動(dòng)能只適用于不帶電粒子，但適用于任何物質(zhì)。,.,比釋動(dòng)能率 比釋動(dòng)能率是dK除以dt所得的商，即 = dK/ dt 式中dK是在時(shí)間間隔dt內(nèi)比釋動(dòng)能的增量。 比釋動(dòng)能率的單位與吸收劑量率單位相同，即Jkg-1s-1或Gys-1。,.,比釋動(dòng)能與

7、吸收劑量的關(guān)系 在帶電粒子平衡條件下，不帶電粒子在某一體積元的物質(zhì)中，轉(zhuǎn)移 給帶電粒子的平均能量d 就等于該體積元所吸收的平均能量d 若該體積元物質(zhì)的質(zhì)量為dm，則 K=（d /dm）=（ d /dm）=D 除了滿足帶電粒子平衡條件外，要使上式成立的另一條件是帶電粒 子產(chǎn)生的韌致輻射可以忽略。對(duì)于低能的 X或射線來(lái)說(shuō)是成立的 但對(duì)于高能的X或射線，由于次級(jí)帶電粒子是電子，有一部分能 量在物質(zhì)中轉(zhuǎn)變?yōu)轫g致輻射而離開所關(guān)系的體積元，使得KD。 D= (d /dm)=(d /dm)(1-g)=K(1-g) g是次級(jí)電子在慢化過程中，能量損失于韌致輻射的能量分額。 高能電子在高原子序數(shù)物質(zhì)中，g值比較

8、大，在低原子序數(shù)物質(zhì)中g(shù) 值一般比較小，可以忽略。 對(duì)于中子，當(dāng)能量底于30MeV時(shí)，D和K的數(shù)值差別完全可以忽略。,.,比釋動(dòng)能與吸收劑量在物質(zhì)中的變化 如果只有不帶電粒子入射，則在物質(zhì)淺層處不存在帶電粒子平衡， 因?yàn)椴粠щ娏Ｗ釉谠撎幠骋惑w積元內(nèi)釋放出的能量，并沒有全部 沉積在該體積元內(nèi)。因此比釋動(dòng)能大于吸收劑量。隨著所考察的 體積元不斷向深層移動(dòng)，起源于淺層的次級(jí)帶電粒子越來(lái)越多的 進(jìn)入所考察的體積元，使得在該體積元中沉積的能量越來(lái)越接近 于不帶電粒子在該體積元中釋放的能量，直到體積元深度等于等 于次級(jí)帶電粒子的最大射程時(shí)，帶電粒子平衡條件得到滿足，這 時(shí)K=D。如果忽略入射粒子在物質(zhì)中的

9、衰減，那么在以后的深度 中K、D都保持不變，并且在數(shù)值上K、D繼續(xù)相等。 在輻射防護(hù)領(lǐng)域所關(guān)心的能量范圍內(nèi)，對(duì)于X 、光子或中子都 可以近似地認(rèn)為吸收劑量同比釋動(dòng)能在數(shù)值上是相等的，DK。 在天然射線中可認(rèn)為D K。,.,三 照射量,照射量 照射量是一個(gè)用來(lái)表示X或射線在空氣中產(chǎn)生電離能力大小的輻 射量。照射量X定義為dQ除以 dm所得商，即 X= dQ/ dm 式中， dQ的值是X或射線在質(zhì)量為dm的空氣中，釋放出來(lái)的全部 電子（正、負(fù)電子）完全被空氣阻止時(shí)，在空氣中產(chǎn)生一種符號(hào)的 離子的總電荷的絕對(duì)值。 定義中dQ不包括光子在空氣中釋放出來(lái)的次級(jí)電子產(chǎn)生的韌致輻射 被吸收后產(chǎn)生的電離。不過

10、，這僅在光子能量很高時(shí)才有意義。 照射量的單位是Ckg-1。過去，照射量的單位是倫琴（R）。 1R=2.58 10-4C kg-1。 只有在滿足電子平衡條件下，才能嚴(yán)格按照定義精確測(cè)量照射量。 現(xiàn)在能被精確測(cè)量照射量的光子能量限于10keV3MeV，輻射防護(hù) 中能量上限可擴(kuò)大到8MeV。,.,照射量率 照射量率是dX除以dt所得的商，即 = dX/ dt 式中， dX是時(shí)間間隔dt內(nèi)照射量的增量。 照射量率的單位是Ckg-1s-1。,.,照射量因子 對(duì)于單能X或射線，空氣中某點(diǎn)的照射量X與同一點(diǎn)處的能量注 量下述關(guān)系 X=(en/)a（e/Wa） 式中(en/)a空氣對(duì)給定的單能X或射線的質(zhì)量

11、能量吸收系數(shù)， 單位是m2 kg-1；e是電子的電量，值為1.60210-19C；Wa是電子在 干燥空氣中每形成一對(duì)離子所消耗的平均能量，其值為33.85eV。 將單能光子的能量注量與注量的關(guān)系=E帶入上式，得 X=fx fx=E(en/)a（e/Wa）稱為照射量因子，它表示與單位光子注量 相對(duì)應(yīng)的照射量，其單位為Ckg-1m2 對(duì)于具有譜分布的X或射線，則 X=E fx（E）dE E是光子注量按光子能量的微分分布； fx（E）是光子能量為E的 照射量因子。,.,照射量與吸收劑量的關(guān)系 在帶電粒子平衡條件下，單能X或射線在某物質(zhì)中吸收劑量D和能 量注量的關(guān)系為 D= (en/) 式中en/是單

12、能X或射線對(duì)某物質(zhì)的質(zhì)量能量吸收系數(shù)，單位 是m2kg-1。 當(dāng)能量注量確定不變時(shí)，吸收劑量D與物質(zhì)的質(zhì)量能量吸收系數(shù) en/成正比。即 D1/D2=(en/)1/(en/)2-（1） 空氣中照射量和吸收劑量的關(guān)系為 Da=（Wa/e）X -（2） Da是在空氣中同一點(diǎn)處的吸收劑量。,.,將（2）帶入（1）得 Dm= 33.85 (en/)m/ (en/)aX= fmX-（3） Dm是處于空氣中同一點(diǎn)所求物質(zhì)中的吸收劑量，單位為Gy；X是 照射量，單位是Ckg-1。fm =33.85 (en/)m/ (en/)a為換算因子 其單位為JC-1。 只有當(dāng)忽略軔致輻射和次級(jí)電離過程再產(chǎn)生的帶電粒子，

13、而且滿足 電子平衡條件時(shí)，照射量與吸收劑量數(shù)值上才有（2）和（3）所表 示的關(guān)系。,.,吸收劑量、比釋動(dòng)能和照射量的區(qū)別,.,劑量當(dāng)量,相同的吸收劑量未必產(chǎn)生同等程度的生物效應(yīng)，因?yàn)樯镄?yīng)受到 輻射類型、劑量與劑量率大小、照射條件及個(gè)人差異等因素影響。 為了用同一尺度表示不同類型的輻射照射對(duì)人體造成的生物效應(yīng)的 嚴(yán)重程度或發(fā)生幾率的大小，輻射防護(hù)上采用可劑量當(dāng)量這個(gè)輻射 量。 劑量當(dāng)量H是組織內(nèi)被考察的某一點(diǎn)處的D 、Q和N的乘積，即 H= DQN 式中D是假定輻射誘發(fā)損傷的位置上的吸收劑量；Q與該位置相對(duì)應(yīng) 的品質(zhì)因數(shù)。N是考慮由于照射條件的改變而引起的所有其他修正因 數(shù)的乘積。N的取值ICPR（國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)）推薦為1，不再作 為劑量當(dāng)量定義中的一部分。 品質(zhì)因數(shù)Q是輻射防護(hù)領(lǐng)域中為了以同一尺度衡量各種輻射引起的 有害效應(yīng)程度而引進(jìn)的一個(gè)系數(shù)。,.,無(wú)論是內(nèi)照射還是外照射，不同型輻射相應(yīng)的平均品質(zhì)因數(shù)Q可參照 下表：,.,如果器官或組織同時(shí)受到幾