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1、辐射剂量与防护授课单位：核工程技术学院授课专业：核工程、核技术授课教师：田丽霞辐射量的分类辐射量辐射量辐射计量学量辐射计量学量(辐射场量辐射场量)辐射剂量学量辐射剂量学量辐射防护学量辐射防护学量辐射量分为三类：辐射量分为三类：辐射量的定义v辐射计量学量：根据辐射场自身的固有性质来定义辐射计量学量：根据辐射场自身的固有性质来定义的物理量；的物理量；v辐射剂量学量辐射剂量学量：描述辐射能量在物质中的转移、沉：描述辐射能量在物质中的转移、沉积的物理量；积的物理量；v辐射防护学量：用各类品质因数加权后的吸收剂量辐射防护学量：用各类品质因数加权后的吸收剂量D引申出的用于防护计算的物理量；引申出的用于防护
2、计算的物理量；辐射量的范围和联系第一节第一节 比释动能比释动能第二节第二节 照射量照射量第三节第三节 授与能和吸收剂量授与能和吸收剂量第四节第四节 剂量学量之间的关系剂量学量之间的关系第三章 剂量学基本概念第一节 比释动能v一一 与物质的作用过程与物质的作用过程v二二 转移能转移能v三三 比释动能比释动能Kv四四 比释动能与注量的关系比释动能与注量的关系v五五 碰撞比释动能碰撞比释动能Kcv六六 比释动能率比释动能率v七七 不同介质中的比释动能不同介质中的比释动能tre e一 与物质的作用过程v不带电粒子与物质的相互作用分二个阶段不带电粒子与物质的相互作用分二个阶段：第一阶段第一阶段：不带电粒
3、子通过与物质的相互作用，不带电粒子通过与物质的相互作用，把能量转移给次级带电粒子；把能量转移给次级带电粒子；第二阶段第二阶段：次级带电粒子通过电离、激发等方式次级带电粒子通过电离、激发等方式把转移来的能量大部分留在介质中；把转移来的能量大部分留在介质中；v引入转移能和比释动能，描述引入转移能和比释动能，描述第一阶段第一阶段的过程；的过程；/X/X射线与物质的作用基本过程射线与物质的作用基本过程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使物质原子电离物质原子电离/X射线射线第第 1 1 步步初
4、级作用初级作用第第 2 2 步步次级作用次级作用1 定义v在指定体积在指定体积V内由不带电粒子释放出来的所有内由不带电粒子释放出来的所有带电的带电的电离粒子电离粒子(具备电离能力具备电离能力)初始动能初始动能之和，符号之和，符号 ，单位单位 J J；2 康普顿散射的转移能实例分析注：注：E2是由反冲电子是由反冲电子Ec的轫致辐射释放的带电粒子，不能的轫致辐射释放的带电粒子，不能作为独立事件产物再加到作为独立事件产物再加到tr 中去。中去。能量为能量为hv的光子在的光子在V中的中的ECS过程的转移能分析：过程的转移能分析：(1)在在中中发生发生ECS+激发激发 Ec,hvk,俄歇电子俄歇电子EA
5、,散射光子散射光子hv;(2)反冲电子反冲电子Ec，在，在,发生轫致辐射发生轫致辐射hv1,hv2,hv3,自身能自身能量下降为量下降为Ec;(3)hv1在在发生发生ECS过程过程,反冲电子反冲电子E2+散射光子散射光子hv1;(4)hv在在发生发生ECS过程过程,反冲电子反冲电子E1+散射光散射光hv;(5)2 康普顿散射的转移能实例分析（续）2 电子对生成的转移能分析（续）电子对生成过程中反应能为电子对生成过程中反应能为Q=-2mc2，mc2为正负电子的静为正负电子的静止质量能。止质量能。转移能表示：转移能表示：根据不带电电离粒子的能量分配形式，根据不带电电离粒子的能量分配形式，tr 还可
6、以还可以表示为表示为辐射转移能辐射转移能 和和 碰撞转移能碰撞转移能：式中：式中：辐射转移能，辐射转移能，为碰撞转移能为碰撞转移能(或净转移或净转移能能)。对于前面分析的对于前面分析的ECS过程：过程：3 转移能的分类3 转移能的分类（续）通常通常的过程很少发生，特别是的过程很少发生，特别是v很小的时候更是很小的时候更是如此，所以如此，所以 4 转移能的分析v转移能是描述的能量转移过程事件处于微观粒子转移能是描述的能量转移过程事件处于微观粒子水平，不涉及宏观层次；水平，不涉及宏观层次；v由于电离辐射与物质相互作用时的随机性，与之由于电离辐射与物质相互作用时的随机性，与之相关的时间具有统计涨落的
7、性质，因此，转移能相关的时间具有统计涨落的性质，因此，转移能其实也是一种随机事件，但服从统计分布规律。其实也是一种随机事件，但服从统计分布规律。三 比释动能K定义：定义：其中其中,是由不带电粒子在质量为是由不带电粒子在质量为dm的无限小的体积内释的无限小的体积内释放出来的所有带电粒子的初始动能之和放出来的所有带电粒子的初始动能之和(即转移能即转移能)的的期望值期望值。从前面所述可知，从前面所述可知，tr 是随机量，而其期望值则是非随机量；是随机量，而其期望值则是非随机量；单位单位：戈瑞：戈瑞(gray)，简写，简写Gy，1Gy=1JKg-1;旧单位旧单位：拉德：拉德(rad),1rad=10-
8、2Gy。四 比释动能与注量的关系v1 单向，单能，不带电粒子辐射场单向，单能，不带电粒子辐射场v2 任意方向，单能，不带电粒子辐射场任意方向，单能，不带电粒子辐射场v3 任意方向，任意能量各种不带电粒子辐射场任意方向，任意能量各种不带电粒子辐射场v4 比释动能因子比释动能因子Fk123在体积元在体积元 dadl 中：中：比释动能因子比释动能因子1 单向，单能，不带电粒子辐射场2 任意方向，单能，不带电粒子辐射场在小体积元在小体积元dV内，内，dV是不带电粒子的总径迹长度。是不带电粒子的总径迹长度。那么，那么，EdVdV则是当前体积则是当前体积dV内内“注入注入”的不的不带电粒子的总能量，而带电
9、粒子的总能量，而“留下留下”来的能量份额为，来的能量份额为，定律：粒子注量定律：粒子注量等于单位体积内的径迹总长度。等于单位体积内的径迹总长度。则则比释动能因子比释动能因子按比释动能定义按比释动能定义注量与径迹长度的关系注量与径迹长度的关系定律：定律：粒子注量粒子注量等于单位体积内的径迹总长度。等于单位体积内的径迹总长度。das V V证明：对于足够小的任意形状的体积元，证明：对于足够小的任意形状的体积元，PE均匀、径迹均匀、径迹可视为直线穿过体积元。则可视为直线穿过体积元。则提前假设已知各种粒子存在的谱分布提前假设已知各种粒子存在的谱分布E,j和和 E,j能量截止下限能量截止下限：低于此能量
10、值的不带电粒子不能引起电离。：低于此能量值的不带电粒子不能引起电离。比释动能因子比释动能因子3 任意方向，能量的不带电粒子的辐射场4.比释动能因子Fk目前比释动能因子目前比释动能因子Fk已经有表可查，从相关资料中可以找到，已经有表可查，从相关资料中可以找到，如如剂量剂量P50 表表2.1，防护防护P308 附表附表3；对于单能辐射场，表示式：对于单能辐射场，表示式：比释动能比释动能K 不带电粒子注量不带电粒子注量。五 碰撞比释动能Kcv1 定义定义v2 X、射线的射线的Kc定义定义v3 中子中子n的的Kc定义定义1 定义 结合转移能的分类和比释动能的定义可知，比释动能结合转移能的分类和比释动能
11、的定义可知，比释动能也可以分为两类也可以分为两类碰撞比释动能和辐射比释动能：碰撞比释动能和辐射比释动能：Kc表征了次级带电粒子的能量就地沉积的部分；而表征了次级带电粒子的能量就地沉积的部分；而Kr则表征了则表征了次级带电粒子的能量由韧致辐射和高能次级带电粒子的能量由韧致辐射和高能粒粒子带走的部分。子带走的部分。1 定义（续）根据我们前面已经学习的知识，不带电粒子转移给带电粒根据我们前面已经学习的知识，不带电粒子转移给带电粒子的全部动能中，最终损失于电离碰撞的那一部分所占的份额子的全部动能中，最终损失于电离碰撞的那一部分所占的份额为：为：，则，则：对对X、射线，因为其次级带电粒子主要是电子，因射
12、线，因为其次级带电粒子主要是电子，因其与物质作用特点，因此：其与物质作用特点，因此：对对X、射线在水、软组织等常见材料中的射线在水、软组织等常见材料中的g值，可值，可参考参考剂量剂量P34 P34 图图1.311.31以及其它参考文献；以及其它参考文献；2 X、辐射场的Kc c 对单能的对单能的X、射线辐射场，射线辐射场，3 中子辐射场的Kc 对于中子，其次级带电粒子主要是重带电粒子，对于中子，其次级带电粒子主要是重带电粒子，考虑到其能量损失方式考虑到其能量损失方式主要以碰撞损失主要以碰撞损失为主为主，因，因此：此：六 比释动能率1.定义定义单位：单位：JKg-1s-1或或Gys-1或或 ra
13、ds-1由比释动能由比释动能K相关公式，可知：相关公式，可知：对于单能辐射场：对于单能辐射场：对于点源，活度为对于点源，活度为A，各粒子产额为，各粒子产额为ni，能量为能量为hvi，则，则 2.空气比释动能率常数空气比释动能率常数 六 比释动能率（续）定义定义 对于线源、面源的情况，可以在上述基础上推导得到；对于线源、面源的情况，可以在上述基础上推导得到；不同核素的不同核素的 值可以在值可以在剂量剂量P52P52表表2.22.2中查到；中查到；七 不同介质中的比释动能1.含义含义 由公式由公式(2.8),(2.14)(2.8),(2.14)可知，可知，比释动能由空间指定点的比释动能由空间指定点
14、的不带电粒子注量和介质的作用系数决定不带电粒子注量和介质的作用系数决定，而周围介质的，而周围介质的作用仅限于对指定点不带电粒子辐射场可能的影响；作用仅限于对指定点不带电粒子辐射场可能的影响；在理论和实践中，如果在理论和实践中，如果谨慎保持辐射场不变谨慎保持辐射场不变，那么比，那么比释动能则由作用系数即可确定。释动能则由作用系数即可确定。因此可以有因此可以有“自由空间或不同材料中某点对指定材料自由空间或不同材料中某点对指定材料的比释动能或比释动能率的比释动能或比释动能率”的表示；如的表示；如“自由空气中小自由空气中小块组织的比释动能块组织的比释动能”，“水中某点的空气比释动能水中某点的空气比释动
15、能”此此类说法；类说法；七 不同介质中的比释动能（续）2.实践测量方法实践测量方法 在材料在材料i的引入的引入不干扰不干扰原有不带电粒子辐射场原有不带电粒子辐射场的分布的情况下，把少量指定材料的分布的情况下，把少量指定材料i放入自由空间放入自由空间或材料或材料m中的感兴趣点处得到的比释动能或比释中的感兴趣点处得到的比释动能或比释动能率；动能率；材料材料i根据研究目的的不同，可以选取各自感根据研究目的的不同，可以选取各自感兴趣的材料，如组织、空气、水，塑料、玻璃、兴趣的材料，如组织、空气、水，塑料、玻璃、有机泡沫，甚至是各类探测器都是可以的。有机泡沫，甚至是各类探测器都是可以的。七 不同介质中的
16、比释动能（续）3.同一位置处不同材料的同一位置处不同材料的K之间的关系之间的关系 在材料在材料i的引入不干扰原有不带电粒子辐射场的分布的的引入不干扰原有不带电粒子辐射场的分布的前提下，指定材料前提下，指定材料i中的比释动能中的比释动能Ki与未放入材料与未放入材料i前材料前材料m中同一地点处的比释动能中同一地点处的比释动能Km的关系如下：的关系如下：其中，其中，第二节第二节 照射量照射量v一一 照射量照射量Xv二二 照射量率照射量率 v三三 X 和和 值的进一步说明值的进一步说明一一 照射量照射量 Xv1.1.概念背景概念背景v2.2.概念定义概念定义v3.3.分析分析v4.4.小结小结v5.5
17、.X与碰撞转移能与碰撞转移能Kc之间的关系之间的关系v6.6.单能光子辐射场情况单能光子辐射场情况1.1.概念概念背景背景 是一个根据光子对空气的电离能力来量度是一个根据光子对空气的电离能力来量度/X 射射线线辐射场的物理量；辐射场的物理量；是最早被用来表征辐射剂量的一个剂量学量，描是最早被用来表征辐射剂量的一个剂量学量，描述范围狭窄，但容易测量；述范围狭窄，但容易测量；目前已逐渐停止使用目前已逐渐停止使用。2.2.概念定义概念定义单位：单位：Ckg-1(现在现在),伦琴伦琴R(原来原来)关系：关系：1R=2.5810-4 Ckg-1，1Ckg-1=3.877103R伦琴定义：伦琴定义：在在0
18、，760毫米汞柱气压下的毫米汞柱气压下的1立方厘米空气中造成立方厘米空气中造成1静电静电单位（单位（3.336410-10库仑）正负离子的辐射强度为库仑）正负离子的辐射强度为1伦琴单位。伦琴单位。dQ为为X,射线在质量为射线在质量为dm的空气中释放的全部电子的空气中释放的全部电子(包括负电子和正电子包括负电子和正电子)完全被空气阻止时，在空气中所完全被空气阻止时，在空气中所产生的一种符号离子总电荷的绝对值。产生的一种符号离子总电荷的绝对值。照射量产生示意图照射量产生示意图3.分析分析 (1)X、射射线产生的次生的次级电子如果是完全被空子如果是完全被空气阻止的，而不是气阻止的，而不是进入入/穿穿
19、过其它介其它介质，则它它们产生的一种符号的离子生的一种符号的离子总电荷就是荷就是dQ；(2)如果次如果次级电子子产生的生的韧致致辐射引起射引起电离，不离，不予考予考虑，是因，是因为韧致致辐射射程太射射程太长的的缘故；故；(3)如果在如果在dm之外之外产生的次生的次级电子在子在dm内引起内引起电离离电荷，也不予考荷，也不予考虑；4.小结小结dQ并不是并不是仅仅包括光子包括光子释放的次放的次级电子在子在dm内内产生的生的电离离电荷，荷，还包括在包括在dm之外的之外的空气中空气中产生的生的电离离电荷；荷；在特定的情况下，在特定的情况下，dQ可能等于光子的次可能等于光子的次级电子在子在dm之内之内产生
20、的生的电离离电荷，荷，这种情况种情况称称为带电粒子平衡条件带电粒子平衡条件；5.X与碰撞转移能与碰撞转移能Kc之间的关系之间的关系在带电粒子平衡条件下，在带电粒子平衡条件下，6.单能光子辐射场情况单能光子辐射场情况在在单能光子辐射场中，单能光子辐射场中，二二 照射量率照射量率v1.定义定义v2.与能量注量率与能量注量率(粒子注量率粒子注量率)的关系的关系v3.单能点源的照射量率单能点源的照射量率1 1 定义定义单位：单位：Ckg-1s-1，Rs-1；衍生单位：衍生单位：Rs-1 等；等；单位时间内照射量的改变量。单位时间内照射量的改变量。对单能光子辐射场对单能光子辐射场:防护防护照射量因子，照
21、射量因子，防护防护P22表表1.22 2 与能量注量率与能量注量率(粒子注量率粒子注量率)的关系的关系3.3.单能点源的照射量率单能点源的照射量率照射量率常数，照射量率常数，剂量剂量 P55 P55 表表2.32.3 另一方面，可以用空气碰撞比释功能另一方面，可以用空气碰撞比释功能Kc,a来取代照射来取代照射量，原因是：量，原因是：a.由电离电荷量到能量的换算由电离电荷量到能量的换算(W/e)a因子因子)很不方便；很不方便；b.照射量的英文名称照射量的英文名称Exposure的含义容易混淆；的含义容易混淆；三三 照射量照射量X X的进一步说明的进一步说明 一方面，类比比释动能概念，常有一方面，
22、类比比释动能概念，常有自由空间或不同自由空间或不同于空气的材料内某一点的照射量或照射量率的概念于空气的材料内某一点的照射量或照射量率的概念，是，是指将空气小质量元放入感兴趣点测量得到指将空气小质量元放入感兴趣点测量得到X和和 ；例题例题 若空气体积为若空气体积为0.3cm3,标准状态下其中包含空气标准状态下其中包含空气质量为质量为0.338克，若被克，若被X射线照射射线照射5min，在其中产生，在其中产生的磁极电子在空气中形成的正离子（或负离子）的总的磁极电子在空气中形成的正离子（或负离子）的总电荷为电荷为1010-9C，此，此时，被照射空气，被照射空气处的的X射射线照射照射量和照射量率各是多
23、少？量和照射量率各是多少？第三节第三节 授与能和吸收剂量授与能和吸收剂量v一一 沉积能沉积能v二二 授与能授与能v三三 吸收剂量吸收剂量D Dv四四 辐射平衡与吸收剂量辐射平衡与吸收剂量D Dv五五 v六六 核心内容小结核心内容小结一一 沉积能沉积能v1 概念背景概念背景v2 概念定义概念定义v3 典型作用过程分析典型作用过程分析1)带电粒子与原子电子碰撞过程带电粒子与原子电子碰撞过程2)电子对生成过程电子对生成过程3)自发核转变过程自发核转变过程1 1 概念背景概念背景v下述微观事件下述微观事件电离辐射与物质的每次相互作用电离辐射与物质的每次相互作用核和基本粒子的每次自发转变核和基本粒子的每
24、次自发转变(自发源过程自发源过程)是产生能量沉积的是产生能量沉积的基本过程。v在具体描述过程中，称在具体描述过程中，称基本过程中沉积的能量，基本过程中沉积的能量，就是单次相互作用中沉积的能量就是单次相互作用中沉积的能量，即为沉积能，即为沉积能 ；2 2 概念定义概念定义沉积能定义沉积能定义3 典型作用过程分析典型作用过程分析带电粒子与原子发生碰撞，带电带电粒子与原子发生碰撞，带电粒子碰撞前后的能量分别为粒子碰撞前后的能量分别为E和和E，被撞出的原子的电子，被撞出的原子的电子(电子电子)的动能为的动能为 ，原子在退激过程，原子在退激过程中释放出能量为中释放出能量为hvk的特征的特征X X射线；射
25、线；假设假设E，hvk都具有电离能都具有电离能力，那么：力，那么：1)带电粒子与原子电子碰撞过程带电粒子与原子电子碰撞过程2)电子对生成过程电子对生成过程 3 典型作用过程分析典型作用过程分析（续）（续）3)自发核转变过程自发核转变过程 子核反冲能子核反冲能母核核外电子结合能改变量母核核外电子结合能改变量电离粒子的动能电离粒子的动能以及电磁辐射能以及电磁辐射能一一 沉积能（续）沉积能（续）二二 授与能授与能1 能量沉积事件能量沉积事件 由单个或单一组相关电离粒子在指定体积由单个或单一组相关电离粒子在指定体积V内物质内物质授与能量的事件，即授与能量的事件，即V内所有相关内所有相关能量沉积能量沉积
26、基本过程的基本过程的集合集合。2 某一能量沉积事件的授与能某一能量沉积事件的授与能1定义：指该能量沉积事件所涉及到的单个或单类相关定义：指该能量沉积事件所涉及到的单个或单类相关电离粒子在指定体积电离粒子在指定体积V内发生的所有的相互作用中沉积内发生的所有的相互作用中沉积能之和。能之和。或或或或EoutEout是从该体积元逸出的辐射能，即离开该体积元是从该体积元逸出的辐射能，即离开该体积元是从该体积元逸出的辐射能，即离开该体积元是从该体积元逸出的辐射能，即离开该体积元的所有带电的和不带电的电离粒子能量（不包括静的所有带电的和不带电的电离粒子能量（不包括静的所有带电的和不带电的电离粒子能量（不包括
27、静的所有带电的和不带电的电离粒子能量（不包括静止质量能，这里的能量就是指动能）的总合。止质量能，这里的能量就是指动能）的总合。止质量能，这里的能量就是指动能）的总合。止质量能，这里的能量就是指动能）的总合。EinEin是进入该体积元的辐射能，即进入该体积元的是进入该体积元的辐射能，即进入该体积元的是进入该体积元的辐射能，即进入该体积元的是进入该体积元的辐射能，即进入该体积元的所有带电的和不带电的电离粒子能量（不包括静所有带电的和不带电的电离粒子能量（不包括静所有带电的和不带电的电离粒子能量（不包括静所有带电的和不带电的电离粒子能量（不包括静止质量能，这里的能量就是指动能）的总合。止质量能，这里
28、的能量就是指动能）的总合。止质量能，这里的能量就是指动能）的总合。止质量能，这里的能量就是指动能）的总合。v 带电粒子与原子中一个电子的电离碰撞是这一过程的典带电粒子与原子中一个电子的电离碰撞是这一过程的典型代表。动能为型代表。动能为Tin的带电粒子与原子的电子发生碰撞，的带电粒子与原子的电子发生碰撞，击出一个击出一个粒子粒子(能量较高的具有电离能力的电子能量较高的具有电离能力的电子)，同时，同时留下一个受激原子。设，碰撞中入射粒子损失了动能留下一个受激原子。设，碰撞中入射粒子损失了动能T，但仍还是一个电离粒子，但仍还是一个电离粒子(此时，动能为此时，动能为Tin-T)，击出的，击出的粒子的动
29、能为粒子的动能为T，受激原子退激时，释出一个能量为，受激原子退激时，释出一个能量为EK的特征的特征X射线光子及动能为射线光子及动能为TA,1和和TA,2的两个俄歇电子，的两个俄歇电子，假定两个俄歇电子不再具有电离能力。这一情况不涉及假定两个俄歇电子不再具有电离能力。这一情况不涉及核和基本粒子的转变，所以核和基本粒子的转变，所以二二二二 授与能授与能授与能授与能（续）（续）（续）（续）3 典型作用过程分析典型作用过程分析二二 授与能授与能（续）（续）5 平均授与能平均授与能4 总授与能总授与能都是随机量，而都是随机量，而是非随机量是非随机量所有能量沉积事件中的授予能所有能量沉积事件中的授予能1的
30、总和：的总和：二二 授与能授与能（续）（续）例例1、一个动能、一个动能E=10MeV的正电子进入体积的正电子进入体积V，通过碰撞损，通过碰撞损失掉失掉5MeV的能量后与体积内的一个静止负电子发生湮没，的能量后与体积内的一个静止负电子发生湮没，产生能量相等的两个光子，其中的一个逸出体积产生能量相等的两个光子，其中的一个逸出体积V，另一，另一个在个在V内产生动能相等的正负电子对。正负电子在内产生动能相等的正负电子对。正负电子在V内通内通过碰撞各自消耗掉其一半动能后负电子逸出过碰撞各自消耗掉其一半动能后负电子逸出V，正电子与，正电子与一个静止负电子发生飞行中湮没，湮没光子从一个静止负电子发生飞行中湮
31、没，湮没光子从V逸出。求逸出。求对对V的授与能。的授与能。(为了便于计算假定静止的正负电子对湮没为了便于计算假定静止的正负电子对湮没产生产生1MeV的光子，反之亦然的光子，反之亦然)解解:Rin=10MeV，Rout=(Rout1)u+(Rout2)c+(Rout3)u，(Rout1)u=(10-5+1)/2=3MeV，(Rout2)c=(3-1)/2/2=0.5MeV，(Rout3)u=0.5+1=1.5MeVQ=2mc2-2mc2+2mc2=1MeV，=Rin-Rout+Q=10-3-0.5-1.5+1=6MeV三三三三 吸收剂量吸收剂量吸收剂量吸收剂量D D D Dv1 定义定义 v2
32、稳恒辐射场下的表达式稳恒辐射场下的表达式v3 无自发核转变条件下的表达式无自发核转变条件下的表达式v4 有自发核转变条件下的表达式有自发核转变条件下的表达式v5 讨论讨论1 1 定义定义 电离辐射授与质量为电离辐射授与质量为dm的物质的平均能量；的物质的平均能量；单位：单位：JKg-1，特有名称：戈瑞，特有名称：戈瑞Gy，旧单位：拉德旧单位：拉德rad关系：关系：1Gy=100rad在稳恒辐射场中，在稳恒辐射场中，代入已知的平均授与能代入已知的平均授与能 的表达式到的表达式到D的定义式中：的定义式中：2 2 稳恒辐射场下的表达式稳恒辐射场下的表达式其中其中 3 3 无自发核转变条件下的表达式无
33、自发核转变条件下的表达式考虑的小体积元考虑的小体积元dVdV内无自发核转变时内无自发核转变时 ：能量为：能量为E的粒子在密度为的粒子在密度为的介质中穿过单位长度路的介质中穿过单位长度路 程时发生相互作用的几率；程时发生相互作用的几率；：能量为：能量为E的粒子在一次相互作用中授与能的期望值；的粒子在一次相互作用中授与能的期望值；4 4 有自发核转变条件下的表达式有自发核转变条件下的表达式考虑的小体积元考虑的小体积元dV内有自发核转变时内有自发核转变时 ：单位质量介质中发生自发核转变的次数；：单位质量介质中发生自发核转变的次数；：每次核转变过程中授与能的期望值。：每次核转变过程中授与能的期望值。5
34、 5 吸收剂量表示式的简化吸收剂量表示式的简化（1）如果已知辐射场、作用介质和作用参数的详细）如果已知辐射场、作用介质和作用参数的详细资料，原则上可以用上述公式计算资料，原则上可以用上述公式计算D，但实际上很难，但实际上很难做到；做到；（2）核和基本粒子的转变以及不带电电离粒子与物核和基本粒子的转变以及不带电电离粒子与物质相互作用，作为基本过程的沉积能质相互作用，作为基本过程的沉积能E对对D的贡献可的贡献可以忽略；以忽略；三三 吸收剂量吸收剂量D D（续）（续）Kcol,j：发生相互作用的带电粒子与原子电子碰撞时：发生相互作用的带电粒子与原子电子碰撞时损失的动能中变为沉积能（即不以损失的动能中
35、变为沉积能（即不以粒子、俄歇电粒子、俄歇电子、特征子、特征X射线或中和过程释放的光子形式辐射出射线或中和过程释放的光子形式辐射出的能量）的份额的能量）的份额;（3）简化的）简化的D表达式：表达式：三三 吸收剂量吸收剂量D D（续）（续）（4）对）对D的分析小结的分析小结前述结论对吸收剂量前述结论对吸收剂量D的测量仍然不够简便实用，的测量仍然不够简便实用，甚至在实际过程中无法实现，因此甚至在实际过程中无法实现，因此需要对需要对D做进一做进一步的分析和简化步的分析和简化！四四 辐射平衡与吸收剂量辐射平衡与吸收剂量D Dv1 辐射平衡概念辐射平衡概念v2 完全辐射平衡完全辐射平衡v3 带电粒子平衡带
36、电粒子平衡(CPE)v4 粒子平衡粒子平衡v5 部分部分粒子平衡粒子平衡v6 过渡平衡过渡平衡按辐射成分对电离辐射场的分类按辐射成分对电离辐射场的分类按辐射成分对电离辐射场的分类按辐射成分对电离辐射场的分类1 1 辐射平衡概念辐射平衡概念(1)如果进入和离开如果进入和离开某一无限小体积元某一无限小体积元的的电离辐射、电离辐射、带电粒子或带电粒子或粒子的辐射能彼此相等粒子的辐射能彼此相等，那么称该空，那么称该空间点处辐射场的这种特殊状况为间点处辐射场的这种特殊状况为存在着不同程度存在着不同程度的辐射平衡的辐射平衡；(2)根据不同条件，辐射平衡可分为根据不同条件，辐射平衡可分为若干种情况若干种情况
37、；(3)在这些情况下该空间点的吸收剂量的计算将变得在这些情况下该空间点的吸收剂量的计算将变得比较简单。比较简单。2 2 完全辐射平衡完全辐射平衡(1)定义定义 进入某一无限小体积元进入某一无限小体积元dV内的辐射能内的辐射能dRin等于离等于离开该体积元的辐射能开该体积元的辐射能dRout，即认为即认为 那么，此时认为该小体元内有辐射平衡；那么，此时认为该小体元内有辐射平衡；即即2 2 完全辐射平衡（续）完全辐射平衡（续）(2)满足上述条件的典型情况分类满足上述条件的典型情况分类 (a)PE=常数常数 (b)当前体积当前体积V内以及周围的内以及周围的最强贯穿电离粒子最强贯穿电离粒子的最的最大射
38、程大射程Rmax（或几倍平均自由程）（或几倍平均自由程）的范围的范围 内的介质内的介质和放射源的分布和放射源的分布都是均匀的都是均匀的(在这个范围内，体积在这个范围内，体积V仅仅可能仅仅可能“感受感受”到周围厚度为到周围厚度为Rmax的球壳内产生的的球壳内产生的电离粒子的影响电离粒子的影响)，则体积，则体积V内存在完全辐射平衡；内存在完全辐射平衡；(c)无限大均匀介质并均匀分布放射源；无限大均匀介质并均匀分布放射源；完全辐射平衡示意图完全辐射平衡示意图2 2 完全辐射平衡（续）完全辐射平衡（续）(3)完全辐射平衡条件下完全辐射平衡条件下D的表达式的表达式 表示在当前体积表示在当前体积dV中单位
39、质量介质内由静止中单位质量介质内由静止质量转变成的辐射能的期望值质量转变成的辐射能的期望值;2 2 完全辐射平衡（续）完全辐射平衡（续）(4)考虑存在着辐射平衡的均匀无限大介质或有考虑存在着辐射平衡的均匀无限大介质或有限介质中均匀分布着某种放射性核素的情况限介质中均匀分布着某种放射性核素的情况假设此时单位体积内源的核转变数为：假设此时单位体积内源的核转变数为：而由此核转变单次带来的辐射能为：而由此核转变单次带来的辐射能为：(5)完全辐射平衡的缺陷完全辐射平衡的缺陷 不带电电离粒子在介质内的射程一般都很长，不带电电离粒子在介质内的射程一般都很长，因此在辐射场中存在完全辐射平衡的情况很少。因此在辐
40、射场中存在完全辐射平衡的情况很少。经常遇到的情况是部分辐射平衡经常遇到的情况是部分辐射平衡。2 2 完全辐射平衡（续）完全辐射平衡（续）3 3 带电粒子平衡带电粒子平衡(CPE)(CPE)(1)定义定义 进入某一无限小体积元进入某一无限小体积元dV内的内的带电粒子带电粒子的辐的辐射能射能dRc,in等于离开该体积元的带电粒子的辐射能等于离开该体积元的带电粒子的辐射能dRc,out，此时认为该小体元内存在着带电粒子平，此时认为该小体元内存在着带电粒子平衡。衡。此时此时带电粒子平衡分析示意图带电粒子平衡分析示意图3 3 带电粒子平衡带电粒子平衡(CPE)(CPE)（续）（续）(2)满足上述条件的典
41、型情况满足上述条件的典型情况 a.带电粒子辐射度的谱分布带电粒子辐射度的谱分布PE,C在指定体积在指定体积dV 内处处相等；内处处相等；b.如果在指定体积如果在指定体积V及其周围带电粒子最大射程范及其周围带电粒子最大射程范 围内的介质是均匀的，且因围内的介质是均匀的，且因各种方式各种方式产生的带电产生的带电 粒子的数量、能量、方向分布处处相等时；粒子的数量、能量、方向分布处处相等时；b1.上述范围内均匀分布着带电粒子发射体上述范围内均匀分布着带电粒子发射体(辐射源辐射源)；b2.上述范围内的介质受到均匀的不带电粒子辐射场上述范围内的介质受到均匀的不带电粒子辐射场 照射照射(实际中常见实际中常见
42、)；3 3 带电粒子平衡带电粒子平衡(CPE)(CPE)（续）（续）(3)近似带电粒子平衡近似带电粒子平衡 由于常见的介质的几何尺寸是有限的，从外部由于常见的介质的几何尺寸是有限的，从外部受到不带电电离粒子射束的照射时，若：受到不带电电离粒子射束的照射时，若：不带电粒子的平均自由程不带电粒子的平均自由程 带电粒子的最大射程带电粒子的最大射程R符合符合则在介质深度则在介质深度 d R 处存在着近似带电粒子平衡。处存在着近似带电粒子平衡。或或3 3 带电粒子平衡带电粒子平衡(CPE)(CPE)（续）（续）(4)带电粒子平衡条件带电粒子平衡条件(CPE)下吸收剂量下吸收剂量D的表达式的表达式 在这种
43、情况下在当前关注的在这种情况下在当前关注的dV内的单位质内的单位质量介质中的授予能的期望值量介质中的授予能的期望值 等于等于不带电电不带电电离粒子带来的碰撞比释动能离粒子带来的碰撞比释动能Kc：3 3 带电粒子平衡带电粒子平衡(CPE)(CPE)（续）（续）(5)带电粒子平衡条件总结带电粒子平衡条件总结1)、离介质边界要有一定的距离。被考虑的体积边界与介质、离介质边界要有一定的距离。被考虑的体积边界与介质边界的最短距离边界的最短距离d必须必须不小于不小于次级带电粒子在介质中的最大次级带电粒子在介质中的最大射程，即射程，即 ；2)、均匀照射条件。要求离所考虑体积、均匀照射条件。要求离所考虑体积(
44、图图2(B)中阴影部分中阴影部分)的边界等于次级带电粒子最大射程的体积内，辐射的注量率的边界等于次级带电粒子最大射程的体积内，辐射的注量率处处相等，即上图虚线范围内初级辐射射束须尽可能均匀；处处相等，即上图虚线范围内初级辐射射束须尽可能均匀；3)、介质均匀。在上述体积范围内介质均匀一致，使得粒子、介质均匀。在上述体积范围内介质均匀一致，使得粒子在该体积内的作用保持一致性；在该体积内的作用保持一致性；带电粒子平衡示意图带电粒子平衡示意图2 23 3 带电粒子平衡带电粒子平衡(CPE)(CPE)（续）（续）(6)带电粒子平衡条件的直观理解带电粒子平衡条件的直观理解1).当第当第1个条件成立时，则在
45、被关注体积个条件成立时，则在被关注体积dV周围周围类似充满了无限大的介质，此时类似充满了无限大的介质，此时dV内的带电粒子内的带电粒子行为与介质以外情况毫无关系。行为与介质以外情况毫无关系。2).当第当第2、3条件成立时，在条件成立时，在dV中带电粒子的情中带电粒子的情况处处相同，类似是一个无限大的均匀分布的带况处处相同，类似是一个无限大的均匀分布的带电粒子辐射源，各点之间没有差异，则完全满足电粒子辐射源，各点之间没有差异，则完全满足了带电粒子平衡条件。了带电粒子平衡条件。3 3 带电粒子平衡带电粒子平衡(CPE)(CPE)（续）（续）(7)带电粒子平衡条件引出的带电粒子平衡条件引出的“平衡厚
46、度平衡厚度”不带电粒子释放的次级带电粒子的最大射程不带电粒子释放的次级带电粒子的最大射程R是建立带电粒子平衡所需要的物质层厚度，称是建立带电粒子平衡所需要的物质层厚度，称其为其为平衡厚度平衡厚度；单能光子和中子分别在水中的平衡厚度单能光子和中子分别在水中的平衡厚度单能光子和中子分别在水中的平衡厚度单能光子和中子分别在水中的平衡厚度单能光子和中子分别在水中的平衡厚度表格单能光子和中子分别在水中的平衡厚度表格单能光子和中子分别在水中的平衡厚度表格单能光子和中子分别在水中的平衡厚度表格33334 4 粒子平衡粒子平衡(1)产生来源产生来源 这里的这里的粒子指的是由粒子指的是由重带电粒子重带电粒子与物
47、质碰撞与物质碰撞产生的，根据物理学知识可知，此类产生的，根据物理学知识可知，此类粒子的能量粒子的能量较低，其最大射程较低，其最大射程Rmax与母重带电粒子的射程与母重带电粒子的射程R相相比比很小很小。4 4 粒子平衡（续）粒子平衡（续）(2)平衡产生条件平衡产生条件 类似带电粒子平衡类似带电粒子平衡(CPE)的产生条件，当重带的产生条件，当重带电粒子从外部照射电粒子从外部照射均匀物质均匀物质时，若介质深度时，若介质深度d超过超过粒子最大射程粒子最大射程Rmax时，则会出现时，则会出现粒子平衡。粒子平衡。此时有：此时有：4 4 粒子平衡（续）粒子平衡（续）(3)粒子平衡条件下吸收剂量粒子平衡条件
48、下吸收剂量D的表达式的表达式 在这种情况下在当前关注的在这种情况下在当前关注的dV内由带电粒子授内由带电粒子授予单位质量介质的能量予单位质量介质的能量等于等于带电粒子在其中碰撞损带电粒子在其中碰撞损失的能量中未转变为光子电离辐射的部分。失的能量中未转变为光子电离辐射的部分。在低原子序数介质中，在低原子序数介质中，故，故D可简化为可简化为5 5 部分部分粒子平衡粒子平衡(1)产生来源产生来源 这里的这里的粒子指的是由粒子指的是由射线即高能电子射线即高能电子与物质与物质碰撞产生的，根据物理学知识可知，此类碰撞产生的，根据物理学知识可知，此类粒子的粒子的能量最大可以达到初级能量最大可以达到初级电子能
49、量电子能量E的的1/2，此时如，此时如果仅用果仅用射束从外部照射介质时，射束从外部照射介质时，无法无法在介质内建在介质内建立立粒子平衡。粒子平衡。5 5 部分部分粒子平衡（续）粒子平衡（续）(2)产生条件产生条件 如果选取如果选取某特定能量阈值某特定能量阈值，使得，使得E的次级的次级粒子的射程粒子的射程R远小于初级电子的射程远小于初级电子的射程，那么在，那么在介质深度超过介质深度超过R时，将可以建立起该部分次级时，将可以建立起该部分次级粒粒子的平衡情况。子的平衡情况。当取值较小时，此时该部分取值较小时，此时该部分粒子引起的辐射损粒子引起的辐射损失比较小，那么失比较小，那么5 5 部分部分粒子平
50、衡（续）粒子平衡（续）(3)部分部分粒子平衡条件下吸收剂量粒子平衡条件下吸收剂量D的表达式的表达式6 6 过渡平衡过渡平衡 这里指的是由这里指的是由高能的高能的不带电粒子引起的次级不带电粒子引起的次级带电粒子的平衡问题带电粒子的平衡问题。一方面在高能区由于不带。一方面在高能区由于不带电粒子的平均自由程电粒子的平均自由程 增长缓慢；另一方面次级增长缓慢；另一方面次级带电粒子的射程带电粒子的射程R在高能区增长很快，那么：在高能区增长很快，那么：(1)产生来源产生来源 由于由于中子产生的次级带电粒子主要是重带电离子，上述情中子产生的次级带电粒子主要是重带电离子，上述情况不太明显。况不太明显。而光子产