【教学课件】第二章射线与物质的相互作用.ppt

第二章射线与物质的相互作用The Interaction of Radiation with matters 1.辐射装置 分为两大类：核素源：放射性同位素，核反应堆，n,正电子 机械源：加速器(电子，质子，重离子等）X-ray 装置，激光辐射装置。（1）辐射源 对核素辐射源的基本要求：*有一定的半衰期和合适的电子能量，*易于得到和加工，*操作,维修,使用方便,价格尽量便宜。60Co1.486MeV0.313MeV1.173MeV 99.8%1.333MeV 100%stableT1/2=5.27 Ys 60Co（钴-60源)特点：*每次核衰变有两个能量相近的光子，(1.17Mev,1.33Mev)平均能量为1.25Mev,穿透力强且利于防护，适于大规 模辐射加工生产.*半衰期适中，T1/2=5.27年，*来源充分成本较低，易操作和维护，*水防护或干法防护均可，安全性好。（3）放射性衰变与辐射功率 -放射性活度 A The number of nuclear decays occurring in a given quantity of material in a time interval,divided by that time interval.（是核衰变数而不是射线数）A=-dN/dt=N :核衰变常 数，核素数 *单位时间内发生衰变的核素数 SI单位:1Bq=1 S-1 专用单位：1Ci=3.7x1010 Bq-辐射功率：P=E x A E:射线能量 Mev A:活度 Ci -=5.93x10-3 ExA(W)-能谱：从核内发出时是单能光子，但发出后只要与介质 相互作用作用就不再是单能的了，所以不能直接用 射线能量和强度直接计算介质吸收的能量。机械源：电子加速器，重离子加速器。分 类:*按电子加速轨迹-直线，回旋。*按加速方式-静电，高频高压，微波等。*按被加速粒子能量-低能，0.150.5Mev,(300-500kw,中能，0.55Mev,(300350kw),高能,5 10Mev.(-50kw).特 点：*粒子能量可调，吸收剂量率高，*能量利用率高可达-70%，（-30%）可定向照射 *可加速粒子具有多样性，各种重离子。2。射线与物质的相互作用 (1)一般过程和时标（Time scale）射线与物质相互作用时所产生的效应不仅与物质本身组成有 关而且与辐射种类和能量有密切关系。但从本质上看辐射化 学过程是体系吸收辐射能后，原来热力学体系破坏并重新建 立新平衡的过程。辐射化学过程可分为三个阶段：*物理阶段(the physical stage)-能量传递阶段 (10-18 10-15s)激发分子，离子对，刺点生成等。*物理化学阶段-能级变化，电子解离，电子溶剂化 分子离子反应。*化学阶段-活性粒子间反应，荧光磷光发射 时标表 说明：*时标段的划分没有一严格界限，*三个阶段有时间交叉，*生物化学阶段未列入其中，-辐射后效应，DNA链的 断裂可发生在早期阶段但其后效应可能持续几十年。2。活性粒子在径迹中的分布 图 3。高能电子与物质的相互作用。高能电子与物质的相互作用 高能电子具有静质量，动能和静电荷。不仅可与物质中电子 直接碰撞而且还可与物质核库仑电场相互作用，即被电场排 斥 或吸引。主要过程为：*散射散射-弹性散射（elastic scattering)只改变方向。非弹性散射（inelastic scattering)发生几率小。*非弹性碰撞非弹性碰撞（inelastic collision)与原子静电场相互作用，发生能量转移，核外电子或由低 能级激发到高能级激发过程，或打出电子电离过程。*阻止本领阻止本领 S,（stopping power,specific energy loss)定义：荷电粒子通过单位长度介质时，由于非弹性碰撞所损失 的平均能量。S=-dE/dX =4e4NZ/m0v2 lnE/I(e/2)1/2 (ev/nm,erg/cm)N：单位介质体积中的原子数，Z:原子序数，e:电量(esu)，m0:电子静质量，(g)A:原子量，自然对数的底，结论结论：*能量损失与介质单位体积中电子数（电子密度）成正比，*与成反比，入射电子速度越小电离能量损失越大，因此在电子入射的径迹上产生的离子或激发分子的 密度不同，越在射程末端离子对数目越多，*S/质量阻止本领（kev.cm2.mg-1)与每克介质中的电子 数成正比（N0 Z/A）对大多数轻元素而言差别不大。*轫致致辐射射（Bremsstrahlung）高速电子在核电场中穿过时，电子与核库仑场间的强烈相 互作用，与此同时电子会被减速并将部分能量转变成电磁 辐射-X-ray.特 点：*轫致辐射能量分布在0-入射电子能量之间，即其 能谱为连续谱。*Ee低时发出的Xray 可取任何方向，能量高时 发射的光子强烈朝向前方。*高能电子在介质中的吸收高能电子在介质中的吸收 *射程：电子在介质中从起点到终点，得直线距离，对离子或重离子其射程等于其路径长度，对电子而 言则复杂得多，电子与介质相互作用有散射，弹 性，非弹性碰撞和轫致辐射等复杂过程。*单位：以线厚度 Xm(cm)或质量厚度Rm(mg.cm-2)表示,Rm(mg.cm-2)=Xm(cm).(mg.cm-3)*1电子在不同介质中的射程 液态水（=1.0）空气（=0。00129）铅（11.3）Rm 0.430 0.491 0.763 Xm 0.430 380.6 0.068 *Rm 近似的与密度无关，尤其是介质的密度相差不大时。*次级电子（Secondary electron)定 义：入射电子通过介质时所产生的电子。注意：*带有一定能量的次级电子就是下一过程的入射电子，所以次级电子数目会远远超过初始入射电子数目。*次级电子能量分布于电子或光子的初始能量关系不大。*次级电子能量分布（一定能量次级电子所占总数的比例）次级电子（ev）入射光子能量(及所占百分数）105 106 03.39 37.3 38.9 2740.6 4.3 4.0 67.7135.4 3.1 2.5 135.4 2.6 2.2 *100ev,(blob)*1%左右 E500ev,(track)*传能线密度（Linear energy transfer,LET)定 义：带电粒子在某介质中的传能线密度，或有限制的线碰撞 阻止本领 L=(dE/dX)(有限制的线阻止本领）L=(dE/dX)=S（不加限制的线阻止本领）说明：*反映了电离辐射的品质，-ray,高能电子低能x-ray,粒子 质子D核 粒 子 重离子 裂片，反冲核。*S 着眼于粒子本身能量的损失，反映出物质对电子的阻挡能 力，其能量损失包括非弹性碰撞能量损失和辐射能量损失两 部分。*着眼于粒子传递给介质的能量，尤其是在径迹上传能密度 分布，即传能的空间分布特点。射 线 值(ev)L (kevm)Co-60 0.23 10000 0.23 1000 0.23 100 0.23 2 Mev X-ray 100 0.19 2 Mev 100 0.20 100 4.70 5.3 Mev-100 43 *电磁辐射与物质的相互作用 与电子相比，（1）无静质量，（2）无电荷，具有波粒二象 性，由于能量高波长短，因此与物质相互作用时表现出明显的 粒子性。其作用过程为：*散射-E 小，Z大 *光核反应，E10Mev 反应截面非常低，*光电效应(Photo electronic effect),低能光子与原子整体作 用并把全部能量赋予核外电子，从而使束缚电子脱离原子 而光子被吸收。被击出的电子称为光电子(photoelectron)。Ee=h i (I=K,L,M.)Ee-光电子能量，h-光子能量，i -束缚电子结合能。*伴随过程 （1）特征X射线-外层电子填充到内层时多余结 合能以特征X射线方式放出。(2)电子-特征X射线击出的电子。*光电效应的质量减弱系数 /=a/+s/=(Ee/h)./+(/h)./其中为光电子和电子平均能量，为特征射线能量，a/:光电过程中光子能量转化为电子的动能所占初 能量的份额。s/:转化为X-ray散射所占初始能量的份额。*康普顿效应 (Compton effect):光与介质相互作用时使其波长 和方向均发生变化，同时释放出电子的现象。*光子与原子中的核外电子之间的碰撞。*部分能量传递给反冲电子。*电子散射角与入射光子能量有关，但不会大于900 ，动量守恒的要求，=1800 时 Ee最大。*Compton effect 过程中光子仅损失部份能量，而光电过 程中损失全部能量 ，光子消失。*Compton effect 多发生在原子的外层电子上，光电效应 多发生在内层电子上.*高能电子可与自由电子作用发生康普敦散射，不能与自 由电子作用发生光电过程，（光子消失需第三者接受反 冲动量）。*康普敦质量减弱系数 /=a/+s/a/:质量能量吸收系数 s/：质量能量散射系数.*电子对生成(Pair production)高能光子在核库仑场作用下，光子被吸收同时产生一电子对 的过程。*e+e-nh(n=23),即质湮过程亦可产生三 个光子。*能量低于1.02 Mev 的光子是不能产生电子对的.*电子对质量能量减弱系数/=a/+s/a/:能量转移系数，电子动能部分，s/：散射系数，质湮部分。*电磁辐射通过介质时的减弱 *总线减弱系数(total linear attenuation coefficient)和质量减弱系数/(mass attenuation coefficient)=+/=/+/+/*如果介质为化合物则：（/）=i（/）i k i 为第i种元素在化合物中所占重量分数。*辐射强度(I)的减弱 辐射强度-单位时间通过单位面积及的辐射能量.erg.s-1.cm-2 dI=-I0dx =-dI/I0dx 即是通过单位厚度吸收介质时所引起的辐射强度减弱在 入射强度中所占的份额。I=I0 e-x 服从指数吸收规律 X1/2=ln 2/=0.693/X1/2;介质的半吸收厚度。*电磁辐射在介质中的吸收 =tr/s ：总线减弱系数，tr:线能量转移系数 s:线散射系数。线性能量转移系数为 tr/=a/+a/+a/