(2.1)--2电离辐射能量在物质中的转移过程.ppt

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1、第2讲 电离辐射能量在物质中的转移过程CH2 Energy Transfer on Interaction of Ionizing Radiation with Matter目录目录2.1 2.1 带电粒子能量在物质中的转带电粒子能量在物质中的转带电粒子能量在物质中的转带电粒子能量在物质中的转移移移移2.22.2 不带电粒子能量在物质中的转移不带电粒子能量在物质中的转移不带电粒子能量在物质中的转移不带电粒子能量在物质中的转移2.1 带电粒子能量在物质中的转移带电粒子能量在物质中的转移2.1 Energy Transfer of Charged Particles in Matter2.1 En

2、ergy Transfer of Charged Particles in Matter带电粒子的种粒子的种类及其性及其性质名称电荷(e)质量(u)M0C2(MeV)M/MP平均寿命电子(e)10.000550.511070.0005稳定子()10.11343105.6590.11262.2 s质子(P)+11.00728938.2561.0000稳定氦核()+24.001513727.323.9726稳定l凡静止质量大于电子的，统称“重带电粒子”l重带电粒子中，子质量最轻，但也要比电子质量大200多倍。2.1.1 2.1.1 带电粒子带电粒子带电粒子带电粒子分类分类分类分类 带电粒子进入物质

3、后，主要受到物质中原子核和电子的电磁作用，致使运动着的带电粒子改变方向、减少能量。p若无能量形式的改变（能量损失），则称：弹性散射（弹性碰撞），否则表现为非弹性碰撞（电离、激发 和 轫致辐射）。p带电粒子与物质的相互作用方式 和 能量损失量依赖于带电粒子的电荷、质量和能量，也取决于物质的原子序数。2.1.2 2.1.2 作用方式及其能量转移作用方式及其能量转移作用方式及其能量转移作用方式及其能量转移1、弹性碰撞：与物质分子或原子粒子间动能交换，增加分子不规则运动，E弹性碰撞E热弹性碰撞仅当带电粒子的运动速度不高于2183km/s时才会发生。对应的粒子的动能分别为：粒子：0.1 MeV 质子：0

4、.025 MeV 电子：0.0135 MeV重带电粒子在弹性碰撞过程中损失的能量几可忽略。在常见电子能量范围内，弹性碰撞的能量损失不超过0.15%。且电子能量越高，发生弹性碰撞几率越小。2.1.2 2.1.2 作用方式及其能量转移作用方式及其能量转移作用方式及其能量转移作用方式及其能量转移2、非弹性碰撞-电离、激发：与束缚电子发生非弹性碰撞，使物质释放一个电子。发生电离激发具有Ecut Ee-100eV，称为粒子，引起其他原子的电离、激发粒子的产生，E电离激发=E电离+E电离（注：发生能量损失的位置）退激：俄歇电子、特征X射线3、非弹性碰撞-轫致辐射：与原子核和束缚电子电场发生相互作用，粒子能

5、量转化成能量连续分布的辐射光子能量：E轫致辐射=E光子轫致辐射Z2/m02 ，一般忽略重带电粒子在轫致辐射中的能量损失。轫致辐射产生光子的能量损失位置比粒子更远2.1.2 2.1.2 作用方式及其能量转移作用方式及其能量转移作用方式及其能量转移作用方式及其能量转移4、其他的作用（高能重带电粒子）与原子核的作用被吸收产生核反应，一般重带电粒子核反应损失能量所占能量损失比重较小负介子5、契伦科夫辐射（高能电子）2.1.2 2.1.2 作用方式及其能量转移作用方式及其能量转移作用方式及其能量转移作用方式及其能量转移带电粒子的能量损失(通常能量下)：E =E弹性 +E电离激发 +E轫致辐射重带电粒子：

6、0 M0,0 电子(射线):0(2.1.4 2.1.4 传能线密度传能线密度传能线密度传能线密度dl线传能密度示意图线传能密度示意图线传能密度示意图线传能密度示意图 11 22 33 44/dl估计特定的局部范围估计特定的局部范围估计特定的局部范围估计特定的局部范围内物质内物质内物质内物质吸收能量吸收能量吸收能量吸收能量的密的密的密的密集程度，集程度，集程度，集程度，LETLET对应的范围E电离激发=E电离+E电离2 2、传能线密度（、传能线密度（、传能线密度（、传能线密度（L L ）“受约束的线碰撞阻止本领”和“线能量转移”LET：特定能量的带电粒子在物质中穿行单位特定能量的带电粒子在物质中

7、穿行单位长度时，由能量转移小于或等于特定值长度时，由能量转移小于或等于特定值 (eV)(eV)的的历次碰撞历次碰撞所致的能量损失。所致的能量损失。L=（dE）/dl=（dE结合能+dE）/dl =(dEcol-dE)/dl=Scol-dE/dl dl 值的取值，表示关注的吸收辐射能量对象不同 L只是个粗略的指标，并不代表所关心的微观空间（细胞、分子）中辐射真正沉积的能量。2.1.3 2.1.3 传能线密度传能线密度传能线密度传能线密度3 3、作用、作用、作用、作用在某种程度上，一种辐射的传能线密度值反映其诱发生物在某种程度上，一种辐射的传能线密度值反映其诱发生物效应的能力。效应的能力。放射生物

8、学依据辐射的放射生物学依据辐射的 L L 的大小，把电离辐的大小，把电离辐射分为：射分为：高高LETLET辐射辐射 和和 低低LETLET辐射辐射l l低低LETLET辐射辐射：生物学效能与：生物学效能与250kV X250kV X射线或射线或Co-60 Co-60 射线相射线相仿的电离辐射。如：仿的电离辐射。如：射线，电子束，光子束射线，电子束，光子束l l高高LETLET辐射辐射：生物学效能高于：生物学效能高于250kV X250kV X射线或射线或 Co-60 Co-60 射线射线的电离辐射。如：的电离辐射。如：射线，裂变碎片，中子束，高能重带电射线，裂变碎片，中子束，高能重带电粒子束粒

9、子束2.1.3 2.1.3 传能线密度传能线密度传能线密度传能线密度 2.2 不带电粒子能量在物质中的转移不带电粒子能量在物质中的转移2.2 Energy Transfer of Uncharged Particles in Matter2.2 Energy Transfer of Uncharged Particles in Matter 1.X 1.X、射线射线作用方式及其能量转移作用方式及其能量转移2.2.1 2.2.1 X X、射线能量在物质中射线能量在物质中的转的转移和移和吸收吸收作用方式及产生的次级粒子作用方式及产生的次级粒子作用方式及产生的次级粒子作用方式及产生的次级粒子作用方式

10、作用方式作用方式作用方式作用对象、性质作用对象、性质作用对象、性质作用对象、性质产生粒子产生粒子产生粒子产生粒子作用截面与作用截面与作用截面与作用截面与入射能量关系入射能量关系入射能量关系入射能量关系光电效应光电效应光电效应光电效应束缚电子束缚电子束缚电子束缚电子-吸收吸收吸收吸收光电子、俄歇电子、光电子、俄歇电子、光电子、俄歇电子、光电子、俄歇电子、特征特征特征特征X X射线射线射线射线h h 康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应束缚电子束缚电子束缚电子束缚电子-非弹性非弹性非弹性非弹性散射散射散射散射反冲电子、散射光子反冲电子、散射光子反冲电子、散射光子反冲电子、散射光子低能低能低能低

11、能h h 较高较高较高较高h h 电子对效应电子对效应电子对效应电子对效应带电粒子周围电带电粒子周围电带电粒子周围电带电粒子周围电场场场场-吸收吸收吸收吸收正、负电子正、负电子正、负电子正、负电子湮灭光子湮灭光子湮灭光子湮灭光子h h 相干散射相干散射相干散射相干散射(瑞利散射瑞利散射瑞利散射瑞利散射)束缚电子束缚电子束缚电子束缚电子-弹性散射弹性散射弹性散射弹性散射很小角度散射入射光很小角度散射入射光很小角度散射入射光很小角度散射入射光子子子子h h 光核作用光核作用光核作用光核作用原子核原子核原子核原子核-吸收吸收吸收吸收p p、n nh h X X、射线能量损失的主要方式射线能量损失的主

12、要方式光电效应、康普顿散射、电子对产生光电效应、康普顿散射、电子对产生（1 1）光电效应能量转移）光电效应能量转移 光电效应光电效应光电效应光电效应过程过程过程过程中入射射线消耗中入射射线消耗中入射射线消耗中入射射线消耗的只有原子核的只有原子核的只有原子核的只有原子核内层电子克服原内层电子克服原内层电子克服原内层电子克服原子核束缚的结合能子核束缚的结合能子核束缚的结合能子核束缚的结合能，但后续过程将，但后续过程将通过通过两种方式释放它两种方式释放它 。pp发射发射特征特征 X X 射线：具有射线：具有份额，份额，f f 消耗掉能量消耗掉能量f f pp释放俄释放俄歇歇电子：具有电子：具有份额，

13、份额，1 1f f 电子动能电子动能(1-f(1-f)l光电效应过程中，次级电子得到的能量为：l得到光子能量的份额为：l光电效应的原子截面a，则光子向次级电子转移能量的截面为:（2 2）康普顿效应能量转移康普顿效应能量转移 康普顿散射中，入射光子的部分能量传递给电子（反冲电子），减少了能量的光子（散射光子）同时也改变了原来的运动方向。a a l反冲电子得到的能量为：l所占能量份额为：l康普顿效应截面a，则向次级电子转移能量截面为（3 3）电子对效应能量转移）电子对效应能量转移 首先，电子对效应-入射光子的部分能量(20.511 MeV)变成一对正负电子的静止质量能其余能量转变成这两个电子的动能

14、。然后，质湮辐射-正负电子复合发出运动方向相反、能量相等且不小于0.511MeV的两个光子。1 1.02 l电子获得的能量：l所占能量份额为：l电子对产生的原子截面a，则向次级电子转移能量的截面：光子在物光子在物质中主要的相互作用中主要的相互作用过程程过程光电效应康普顿散射电子对产生aaZ4/(hv)3a=ZeaZ2(hv-1.02)Eehv-fhv-hvhv-1.02Ee/hv1-f/hv1-hv/hv1-1.02/hvatra(1-f/hv)a(1-hv/hv)a(1-1.02/hv)次级电子飞出方向hv较低：侧向hv较低：侧向向前hv较高：向前hv较高：向前总结总结阶段阶段阶段阶段1 1

15、、能量转移电子、能量转移电子、能量转移电子、能量转移电子阶段阶段阶段阶段2 2、电子通过电离激发授予、电子通过电离激发授予、电子通过电离激发授予、电子通过电离激发授予能量能量能量能量线衰减系数线衰减系数：质量衰减系数：质量衰减系数：2.2.、X X射线射线的能量转移系数的能量转移系数 tr tr线能量转移系数：m-1 质量能量转移系数：m2kg-1定义：定义：X X，射线在物质中穿行单位长度（质量厚度）时，因相射线在物质中穿行单位长度（质量厚度）时，因相互作用其能量向次级电子转移的份额。互作用其能量向次级电子转移的份额。B Bmm=N=NA A/M/MB BV V=N=NA A/M /M 从入

16、射光子那里得到能量的次级电子将进一步通过电离、激发和轫致辐射过程损失能量。射线的能量吸收系数能量吸收系数为3.3.、X X射线的能量射线的能量吸收系数吸收系数 enen含义：X，射线在物质中穿行单位长度（质量厚度）时，因相互作用其能量向次级电子转移并以电离激发方式传递给物质的份额。g1-gtr en 1.1.中子中子与物质的作用方式与物质的作用方式2.2.2 2.2.2 中子能量在物中的转移和中子能量在物中的转移和吸收吸收1）弹性散射：）弹性散射：弹性散射（n；n），中子部分动能向与其碰撞的原子核转移，自身则改变原来的运动方向。原子核越轻，得到的能量越多。氢核易受弹性散射，得到的能量最多。平均

17、为En/2，最多为全部En。2）非弹性散射：）非弹性散射：非弹性散射（n；,n），中子损失部分能量，使原子核变成激发态，退激时放出 光子。该过程发生存在阈值：En 0.1MeV，且重核的截面大于轻核的截面4）去弹性散射：）去弹性散射：去弹性散射（n；多个 n），中子与原子核作用后产生多个中子，核内质子数照旧。3）吸收）吸收-辐射俘获：辐射俘获：吸收俘获（n；）或（n；p），原子核吸收中子，以发射光子或带电粒子（轻核）的形式释出多余能量。如：1H（n；）2H，辐射俘获 14N（n；p）14C5）吸收）吸收-散裂：散裂：吸收-散裂，原子核吸收中子，发出多个粒子。如：12C（n；n,3）14N（n；

18、2 ）7Li一般高能中子中子中子类别能量范能量范围(eV)相互作用特点相互作用特点热中子0.025-0.5俘获（轻核：发射带电粒子）慢中子05-1k弹性散射（轻核）辐射俘获（重核）中能中子1k-10k弹性散射快中子10k-10MEn0.1M弹性散射、非弹性散射高能中子10M以上去弹性散射、散裂过程2.2.中子能量在物质中子能量在物质中的转移中的转移 中子与物质主要发生核反应，作用方式与中子能量和物质原子序数密切相关。n n 快快快快-热中子热中子热中子热中子在物质中的能量转移：在物质中的能量转移：在物质中的能量转移：在物质中的能量转移：中子重带电粒子电离、激发物质中子射线电子电离、激发部分给物

19、质人体组织中：人体组织中：人体组织中：人体组织中：n n快快快快中中中中子子子子、中中中中能能能能中中中中子子子子：主主主主要要要要与与与与 H H、C C、N N、O O 原原原原子子子子核核核核发发发发生生生生弹弹弹弹性性性性散散散散射射射射，人人人人体体体体H H原原原原子子子子最最最最多多多多(70%)70%)，弹弹弹弹性性性性，H H最最最最大大大大，转转转转移移移移的的的的能能能能量量量量最多入射最多入射最多入射最多入射快中子能量快中子能量快中子能量快中子能量85%85%95%95%是是是是交给反冲质子交给反冲质子交给反冲质子交给反冲质子(H(H核核核核 )n n 慢慢慢慢中中中中子子子子、热热热热中中中中子子子子：主主主主要要要要发发发发生生生生吸吸吸吸收收收收-俘俘俘俘获获获获，如如如如：1 1H(n;H(n;)2 2H H 和和和和 1414N(n;p)N(n;p)1414C Cn n高能高能高能高能中子中子中子中子：能引发能引发能引发能引发去弹性散射去弹性散射去弹性散射去弹性散射和和和和散裂过程散裂过程散裂过程散裂过程。人体组织作用：对重带电粒子g0，故tr=en tr 1-g1谢谢观看