辐射剂量与防护(1.2).ppt

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1、电离辐射剂量与防护康玺系馆315Tel:8281887E-mail:15MeVr=1mm栅元0.020.04mm25MeV电子r=1mm栅元0.21mm25MeVr=1mm栅元0.21mm25MeVnr=1mm栅元0.21mm2笔形束辐射在水模中的纵向能量沉积2第一章第一章 电离辐射与物质的相互作用电离辐射与物质的相互作用第二讲 带电粒子与物质的相互作用3一、带电粒子与物质的相互作用一、带电粒子与物质的相互作用 根据带电粒子与物质相互作用的特点，可以将其分为根据带电粒子与物质相互作用的特点，可以将其分为两种类型：两种类型：（1）轻带电粒子（电子）轻带电粒子（电子）（2）重带电粒子（如）重带电粒

2、子（如、p、原子核）、原子核）带电粒子与物质的相互作用包括五种类型：带电粒子与物质的相互作用包括五种类型：（1）非弹性碰撞）非弹性碰撞（2）弹性散射）弹性散射（3）辐射相互作用）辐射相互作用（4）核相互作用）核相互作用（5）电子对生成）电子对生成41.1 1.1 非弹性碰撞非弹性碰撞过过 程程 带电粒子与原子、分子或其他束缚带电粒子与原子、分子或其他束缚 态的电子发生库仑相互作用，使电子跃迁态的电子发生库仑相互作用，使电子跃迁 到较高的能级（激发）或脱离束缚系统到较高的能级（激发）或脱离束缚系统 （电离）（电离）；能量转移能量转移 带电粒子的动能带电粒子的动能 束缚系统的位能束缚系统的位能+电

3、子动能电子动能 Ionization Slowing Down5 粒子与物质的作用：电离粒子与物质的作用：电离6 粒子与物质作用：激发粒子与物质作用：激发7非弹性碰撞（非弹性碰撞（Nonelastic collision）对象：对象：电子、重带电粒子重带电粒子硬撞或“对面撞”（hard or“knock-on”collision）软碰撞或“核”碰撞（soft collision）ba，每次作用损失能量小；b与a同量级，每次作用能量损失大。带电粒子在碰撞过程中损失能量与其径迹至原子的最近距离b的二次方成正比。注：a 原子核半径。81.2 1.2 弹性弹性碰撞碰撞过过 程程 带电粒子在原子核库仑场

4、的作用下改变运动方向，带电粒子在原子核库仑场的作用下改变运动方向，不发射电磁辐射、不激发原子，作用体系的总动能保持不发射电磁辐射、不激发原子，作用体系的总动能保持不变。（原子的电子也能引起弹性散射，但比较而言，不变。（原子的电子也能引起弹性散射，但比较而言，贡献要小得多。）贡献要小得多。）能量转移能量转移 带电粒子的动能带电粒子的动能 带电粒子动能原子核动能带电粒子动能原子核动能电子散射电子散射91.3 1.3 辐射相互作用辐射相互作用过过 程程（1）带电粒子在原子核电场产生加速运带电粒子在原子核电场产生加速运 动，发射动，发射电磁波（轫致辐射）电磁波（轫致辐射）（2）粒子与反粒子相互作用产生

5、光子（湮没过程）粒子与反粒子相互作用产生光子（湮没过程）能量转移能量转移 带电粒子的动能、静止质量带电粒子的动能、静止质量 电磁辐射电磁辐射10轫致辐射过程图示轫致辐射过程图示11轫致辐射轫致辐射 Bremsstrahlungl带电粒子在原子核附近受库仑场的作用，带电粒子飞带电粒子在原子核附近受库仑场的作用，带电粒子飞行方向发生变化；行方向发生变化；非弹性碰撞过程；非弹性碰撞过程；带电粒子以光子辐射的形式损失能量带电粒子以光子辐射的形式损失能量 高能电子在物质中损失能量的主要方式高能电子在物质中损失能量的主要方式 重带电粒子以轫致辐射方式损失的能量非常小；重带电粒子以轫致辐射方式损失的能量非常

6、小；Radiation Slowing Down12二、阻止本领（二、阻止本领（Stopping power）2.1 总阻止本领：总阻止本领：总线阻止本领带电粒子通过物质时在单位路程上损失的能量。总线阻止本领带电粒子通过物质时在单位路程上损失的能量。dE是是dl距离上损失能量的数学期望值。距离上损失能量的数学期望值。总线阻止本领与总线阻止本领与带电粒子的性质（电荷、质量、能量）和带电粒子的性质（电荷、质量、能量）和物质的性质（原子序数、密度）有关。去除物质密度的影物质的性质（原子序数、密度）有关。去除物质密度的影响可得到总质量阻止本领公式：响可得到总质量阻止本领公式：(2.1)(2.2)13总

7、质量阻止本领总质量阻止本领描述带电粒子在物质中穿过单位路描述带电粒子在物质中穿过单位路程时，因各种相互作用而损失的能量。它可分解为各程时，因各种相互作用而损失的能量。它可分解为各种相互作用阻止本领之和。种相互作用阻止本领之和。质量碰撞阻止本领（质量碰撞阻止本领（包括电离和激发对能量损失的贡献）包括电离和激发对能量损失的贡献）质量辐射阻止本领（由非弹性辐射相互作用导致的初级质量辐射阻止本领（由非弹性辐射相互作用导致的初级带电粒子的能量损失决定）带电粒子的能量损失决定）(2.3)(2.4)(2.5)142.2质量碰撞阻止本领质量碰撞阻止本领:重带电粒子重带电粒子质量碰撞阻止本领公式质量碰撞阻止本领

8、公式15分析：（1）电离损失与重带电粒子的电荷z2成正比；库仑作用力（2）电离损失与重带电粒子的能量（速度）成反比；作用时间（3）电离损失与物质的电子密度成正比；作用概率电子密度：16阻止本领可以用量子力学理论给出计算公式（参考书P.11贝特公式）对重带电粒子，在用理论公式计算（S/）c时，要考虑壳层修正，而对电子往往不需要。原因：重带电粒子以速度v运行时，通过与电子发生碰撞可交给电子的能量为2m0v2，而2m0v2可能小于k电子的激发能，k电子就会成为不相干电子。电子的速率比不具有同样能量的重粒子的速率高很多。1718极化效应（Polarization effect）使（S/）c减少 运动带

9、电粒子产生的电场使介质中的原子极化，减弱了运动的带电粒子产生的电场，降低了与较远的电子作用，从而减少了碰撞能量损失。介质密度越大，近距离原子的极化对较远电子的影响就大（密度效应（Density effect）。（S/）c与E关系 19不同重带电粒子 若它们在同一种介质中以相同的速度运行时，壳层修正和密度修正相同，故有 （归一化的碰撞阻止本领）。电荷交换效应 低能重带电粒子，会“拾掇”电子，使其有效电荷数z减少。E减少，减少。20（S/）c随z减少而增加 平均激发能随z增加而增加；z/MA随原子序数z增加而减少。化合物中的阻止本领 可以用化合物中每种元素阻止本领的重量加权求得：fi为指定元素在化

10、合物中所占重量份额。21电子质量碰撞阻止本领公式：（1）电离损失与电子的能量（速度）成反比；作用时间（2）电离损失与物质的电子密度成正比；作用概率22碰撞阻止本领关系式（1）不同电荷，相同速度，同一物质（2）相同粒子，相同速度，不同物质232.3 定限碰撞阻止本领（定限碰撞阻止本领（L/）（1）粒子粒子定义：能够产生分支径迹的次级电子（2)L/定义：L/=(dE/dl)/dE为带电粒子在密度为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称为传能线密度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

11、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=Sc，L/=(S/)c242.4辐射阻止本领辐射损失Zz2/m2其中：Z物质的原子序数；z带电粒子的电荷数；m带电粒子的质量。在同一物质中，粒子能量的辐射损失比能量相同的电子约小107倍。25 粒子的能量损失粒子的能量损失Ee：电子能量电子能量Z：介质原子序数介质原子序数 粒子能量损失的主要方式：（粒子能量损失的主要方式：（1 1）电离）电离 损失；（损失；（2 2）辐射损失（轫致辐射）辐射损失（轫致辐射）辐射损失与电离损失的比值辐射损失与电离损失的比值262.5散射本领重带电粒子，非常靠近原子核，才发生散射。电子，质量小，离原子核较远时

12、也会发生弹性散射。大量电子观测发现，电子偏转角服从高斯分布，且其均方值2与穿过物质层厚度成正比，称2为散射均方角。单位质量厚度散射均方角增量定义为质量散射本领（T/）:电子在密度为的介质中穿行距充为dl时产生的散射均方角增量。272.6射程定义：带电粒子所能穿过的介质厚度称为射程，是带定义：带电粒子所能穿过的介质厚度称为射程，是带电粒子在入射方向上的投影长度，因而又称为投影长度。电粒子在入射方向上的投影长度，因而又称为投影长度。透射带电粒子数随吸收体厚度变化的曲线，称为射程透射带电粒子数随吸收体厚度变化的曲线，称为射程曲线。曲线。28重带电粒子第二节 带电粒子与物质的相互作用29电子和射线第二

13、节 带电粒子与物质的相互作用30穿过厚度为x的吸收层的粒子数为N(x)，则平均投影射程可写为：连续慢化近似射程r0假设带电粒子与物质的每次相互作用损失的能量足够小，以致于可以把带电粒子损失能量的过程看成是连续慢化过程，则初始能量E的带电粒子在介质中穿行路程质量厚度的期望值可表示为：r0R31比电离与平均电离能比电离与平均电离能 比电离比电离 带电粒子在单位路径上所产生的带电粒子在单位路径上所产生的 离子对总数离子对总数 平均电离能平均电离能 E 带电粒子的初始能量；带电粒子的初始能量；产生的离子对数的平均值，包括直接电产生的离子对数的平均值，包括直接电 离产生的离子对和次级辐射（例如轫致辐射）

14、离产生的离子对和次级辐射（例如轫致辐射）产生的离子对。产生的离子对。32 粒子在空气中的电离能力（比电离）粒子在空气中的电离能力（比电离）粒子在空气中产生一个电离对的平均能量约粒子在空气中产生一个电离对的平均能量约35.5eV33三、本节总结1、带电粒子与物质的基本规律电子辐射（轫致辐射）、弹性散射重带电粒子非弹性碰撞（电离和激发）、弹性散射2、带电粒子与物质作用宏观表述量质量阻止本领：碰撞阻止本领和辐射阻止本领理论公式碰撞阻止本领（贝特公式）辐射阻止本领经验取值查表法定限阻止本领射程电离能34第三讲 不带电粒子与物质的相互作用35一、r和x射线与物质的相互作用1.作用类型与特点 （1）射线与

15、x射线的定义（或产生）-rays：射线是由核和基本粒子转变（为核反应、核衰变、基本粒子衰变和基本粒子湮灭等）产生的电磁辐射光子。x-rays：a.轫致辐射x射线。由带电粒子在原子核库仑场中慢化而产生的电磁辐射。b.特征x射线。由原子电子能级改变而产生的电磁辐射。36 （2）作用类型（按能量吸收的多少来划分）完全吸收：完全吸收：光电效应、电子对生成、光 核反应和光介子生成等。部分吸收：部分吸收：康普顿散射和核共振散射。不不 吸吸 收：收：弹性散射。37三种作用效应三种作用效应 光电效应光电效应 康普顿效应康普顿效应 电子对效应电子对效应 产生次级电子产生次级电子电离效应电离效应次级电子使次级电子

16、使物质原子电离物质原子电离射线射线第第 1 1 步步初级作用初级作用第第 2 2 步步次级作用次级作用（3）特点38 与带电粒子比较，光子与物质相互作用的截面小得多，在 介质中可以穿行比较长的路程。一次相互作用过程中光子损失的平均能量较大。不能象带电粒子那样用阻止本领来研究不带电粒子在介质中的能量减少过程。用新的参数来描述它们与物质相互作用（Cross section截面）、能量转移（energy transfer）和能量吸收（energy absorption）的几率。392.三种重要作用（对能量转移和吸收的贡献而言）(1)Photoelectric effect(光电效应)40自由电子自由

17、电子原子原子受激原子受激原子作用机制作用机制光子同光子同(整个整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子作用把自己的全部能量传递给原子原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来来,成为自由电子，光子本身消失了。成为自由电子，光子本身消失了。+A A*+e-（光电子）（光电子）原子原子 A +X 射线射线光电效应光电效应41(2)Compton effect(康普顿散射)Compton scattering 42散射光子h反冲电子e入射光子h注：=h/m0c243(3)Pair production(电子对生成)Pair creation44 电子对效应电

18、子对效应能量能量1.02 1.02 MeVMeV 的的射线射线与原子核作用可能产生一对与原子核作用可能产生一对正正-负电子。负电子。M M M +e M +e+e+e-1 1 +2 2 1.02 1.02 MeVMeV m me e m me e 0.511MeV 0.511MeV 0.511MeV 0.511MeV基本条件：基本条件：射线能量射线能量 E E 1.02 1.02 MeVMeV 为什麽？为什麽？能量转化成能量转化成质量质量M=E/C2451）共同特点：a.存在角分布，且hv越大，光电子、反冲电子，生成电子越趋近入射光子方向。b.能量转移截面可用光子能量转移为带电粒子（电子）动能

19、的分数和相应的作用截面相乘获得。2）相对重要性46二、Damping factor（衰减系数）、Energy transfer facter（能量转移系数）、Energy absorption factor（能量吸收系数）(1)窄束衰减和衰减系数（Narrow beam attenuation and Damping factor）dN=-N dx（为线衰减系数）N=N0e-x定义质量衰减系数为/。47各种相互作用的衰减系数可同时对应的相互作用截面来表示。=(NA/MA)a R=(NA/MA)a R48（2）能量转移系数tr（Energy transfer factor）定义：光子在吸收介质中

20、穿行单位长度距离时，其能量在相互作用过程中转移为电子动能的份额。表述：质量能量转移系数tr/49（3）能量吸收系数en和辐射份额Y(E)（Energy absorption factor and Radiative fraction）线能量吸收系数 en质量能量吸收系数 en/en/表示光子在物质中穿过单位质量厚度时，入射光子能量中转移给次级电子能量的碰撞损失份额。g 能量转换为轫致辐射的份额。50瞬时能量为E的电子的能量辐射损失份额y(E)可表示为：能量为E的电子在慢化过程中的辐射能量损失份额Y（E）：若各作用过程产生的次级电子初始谱为f（E），则有：514.混合物和化合物中的作用系数式中：

21、i元素i的重量百分比。52三、中子与物质的相互作用一、弹性散射二、非弹性散射三、辐射俘获四、其他核反应53中子几乎不与电子相互作用，只能与原子核相互作用中子散射弹性散射 如：快中子与轻介质非弹性散射 如：快中子与重介质吸收 辐射俘获 54551、弹性散射在质心坐标系中单次碰撞后能量比：散射角c可取0间的任何值多次碰撞后，平均能量损失份额：对氢核的例子56快中子能量从E1降到En，所需的平均碰撞次数：第四节 中子与物质的相互作用57二、非弹性散射非弹性散射过程：（1）直接相互作用（10-2210-21）；（2）形成复合核（10-2010-15）；（3）靶核发出动能较低的中子；（4）靶核处于激发态

22、；（5）靶核释放若干光子退激。靶核的内能发生了改变第四节 中子与物质的相互作用58非弹性散射的特点：（1）要克服最低的激发能级，所以存在阈能；（2）阈能以上，中子能量越高，非弹性散射截面越大；（3）第一激发能越低，越容易发生非弹性散射 重核的第一激发能约100千电子伏 轻核的第一激发能约几兆电子伏（4）伴随射线例屏蔽层加入重金属与减速剂交替屏蔽（中子减速、射线）第四节 中子与物质的相互作用59三、辐射俘获n辐射俘获：（n，）反应第四节 中子与物质的相互作用60（1）反应截面与中子能量有关，低能区除共振峰外，一般服从 规律；（2）反应形成的核素一般是放射性的，也有稳定核；（3）不同核素的热中子俘获截面变化很大，氙：2.65106靶，镉：19910靶，氧18只有104靶。特点：61四、其它核反应1.发射带电粒子的核反应10Bn中子防护中常用镉、硼、锂作吸收剂氮16半衰期7.3秒，放、射线第四节 中子与物质的相互作用622.裂变反应裂变反应：（n，f）反应易裂变同位素：233U，235U，239Pu，241Pu可裂变同位素：232Th，238U，240Pu放出约200MeV的能量第四节 中子与物质的相互作用633.多粒子发射中子能量大于810MeV时，复合核发射多个粒子（n，2n）、（n，np）第四节 中子与物质的相互作用64