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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：田丽霞第二章第二章 不同粒子与物质的相互作用不同粒子与物质的相互作用v前言前言v第一节第一节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用v第二节第二节 X/X/射线能量与物质的相互作用射线能量与物质的相互作用v第三节第三节 不带电粒子与物质的相互作用系数不带电粒子与物质的相互作用系数v第四节第四节 中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用v第五节第五节 总结本章中各个物理量之间的关系总结本章中各个物理量之间的关系前言前言v电离辐射能量在物质中的转移，是通过辐射与物质原子、原子核、电子的相互作用实现的。相互作用的结果会
2、产生一个或多个次级粒子，导致电相互作用的结果会产生一个或多个次级粒子，导致电离辐射能量在不同的粒子载体传递和转变；离辐射能量在不同的粒子载体传递和转变；例如：不带电粒子的能量，可以变为带电粒子的能量；例如：不带电粒子的能量，可以变为带电粒子的能量；带电粒子又可以传递能量到其它带电粒子如粒子，也带电粒子又可以传递能量到其它带电粒子如粒子，也可以通过韧致辐射等转换为光子的能量；可以通过韧致辐射等转换为光子的能量；根据辐射在物质中穿行单位距离，造成的辐射能量的根据辐射在物质中穿行单位距离，造成的辐射能量的转移程度，带电粒子采用转移程度，带电粒子采用碰撞碰撞/辐射辐射/总阻止本领总阻止本领，而不，而不
3、带电粒子则用带电粒子则用能量转移系数、能量吸收系数能量转移系数、能量吸收系数等来描述。等来描述。第二章第二章 不同粒子与物质的相互作用不同粒子与物质的相互作用v前言前言v第一节第一节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用v第二节第二节 X/X/射线能量与物质的相互作用射线能量与物质的相互作用v第三节第三节 不带电粒子与物质的相互作用系数不带电粒子与物质的相互作用系数v第四节第四节 中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用v第五节第五节 总结本章中各个物理量之间的关系总结本章中各个物理量之间的关系第一节第一节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用v一一 相互作用类型相互作
4、用类型v二二 作用过程中的能量转移简述作用过程中的能量转移简述v三三 阻止本领阻止本领v四四 散射本领散射本领v五五 射程射程v六六 产生一对离子所消耗的平均能量产生一对离子所消耗的平均能量W一一 相互作用类型相互作用类型带电粒子类别带电粒子类别:电子、重带电粒子（质子、电子、重带电粒子（质子、粒子、粒子、重离子重离子）主要作用类型主要作用类型:1.1 非弹性碰撞非弹性碰撞 1.2 辐射相互作用辐射相互作用 1.3 弹性碰撞弹性碰撞 1.4 其它相互作用其它相互作用其中，非弹性碰撞、辐射相互作用占其中，非弹性碰撞、辐射相互作用占主要份额主要份额。1.1 非弹性碰撞非弹性碰撞v主要类型主要类型：
5、电离，激发；电离，激发；v作用距离作用距离：考虑考虑a，b量级，又可以量级，又可以描述为描述为硬碰撞，软碰撞；硬碰撞，软碰撞；1.1 非弹性碰撞（续）非弹性碰撞（续）va)硬碰撞：此时硬碰撞：此时ba，每次作用能量损失大。，每次作用能量损失大。vb)软碰撞：此时软碰撞：此时ba，此时入射粒子是与整个，此时入射粒子是与整个原子作用，因此又成为原子作用，因此又成为“核核”碰撞，每次作用损碰撞，每次作用损失能量小；失能量小；vc)契伦科夫辐射契伦科夫辐射在透明介质中，当粒子速度在透明介质中，当粒子速度 v c/n（n是材料的折射率），粒子的部分能量是材料的折射率），粒子的部分能量以相干的蓝以相干的蓝
6、-白光发射。白光发射。1.2 辐射相互作用辐射相互作用v主要类型：主要类型：a)韧致辐射，针对所有带电粒子；韧致辐射，针对所有带电粒子；b)粒子湮灭（湮没），针对特定粒子；粒子湮灭（湮没），针对特定粒子；1.2 辐射相互作用（续）辐射相互作用（续）va)轫致辐射（轫致辐射（Bremsstrahlung）定义定义：此时：此时 ba，受原子核电场作用产生加速，受原子核电场作用产生加速度，带电粒子以一定几率辐射电磁波，本身损度，带电粒子以一定几率辐射电磁波，本身损失能量。失能量。发射几率发射几率P：正比于正比于 z2Z2M-2释放能量释放能量E：正比于：正比于Z2 m-2，并且随带电粒子的能量增大而
7、增大。并且随带电粒子的能量增大而增大。关注对象关注对象：高能电子：高能电子1.2 辐射相互作用（续）辐射相互作用（续）vb)湮没辐射湮没辐射普通湮灭普通湮灭：正电子动能耗尽，此时与电子相互作用，：正电子动能耗尽，此时与电子相互作用，生成两个光子（生成两个光子（2*0.511MeV）。）。飞行湮没飞行湮没：高能正电子在飞行过程中与电子湮灭，剩：高能正电子在飞行过程中与电子湮灭，剩余动能也交给湮灭光子（余动能也交给湮灭光子（2*0.511Mev+Ek）。v总结总结韧致辐射是高能电子的能量损失主要方式；韧致辐射是高能电子的能量损失主要方式；重带电粒子质量较大，韧致辐射能量损失可忽略。重带电粒子质量较
8、大，韧致辐射能量损失可忽略。1.3 弹性碰撞弹性碰撞v前提条件前提条件：此时：此时ba；v定义定义：带电粒子受原子核库仑场作用，仅仅改变：带电粒子受原子核库仑场作用，仅仅改变运动方向；运动方向；v分析分析：在在ba情况下，可以产生情况下，可以产生轫致辐射轫致辐射，但更多的是，但更多的是弹性弹性碰撞（弹性散射）碰撞（弹性散射），此时作用体系总动能不改变；两，此时作用体系总动能不改变；两种作用存在概率竞争问题。种作用存在概率竞争问题。弹性碰撞作用传递的能量很少。弹性碰撞作用传递的能量很少。1.4 其它相互作用其它相互作用v1.4.1 核相互作用核相互作用主要是针对高能的带电粒子，例如主要是针对高能
9、的带电粒子，例如(p，n)，(p，2p)等；等；具体量化情况如反应的发生能量阈值，发生概具体量化情况如反应的发生能量阈值，发生概率等见率等见原子核物理原子核物理相关章节。相关章节。1.4 其它相互作用（续）其它相互作用（续）v1.4.2 电子对生成电子对生成定义定义：此时：此时b3MeV,n=700100MeV；的电子能量称为的电子能量称为临界能量临界能量；低能电子低能电子(S/)c值较大，高能电子值较大，高能电子(S/)r值较大。值较大。具体见具体见剂量剂量P12图图1.8，P16图图1.12近似关系：近似关系：3.3 定限碰撞阻止本领定限碰撞阻止本领L/v1）引入背景引入背景v2）带电粒子
10、能量损失分析带电粒子能量损失分析v3）能量限值能量限值v4）定义）定义v5）极限情况）极限情况v6）常用值）常用值1 1）引入背景）引入背景v碰撞阻止本领仅仅关注研究对象本身的能量损失情况，碰撞阻止本领仅仅关注研究对象本身的能量损失情况，而不管这些能量是怎样被吸收的，即不关心能量的入而不管这些能量是怎样被吸收的，即不关心能量的入射带电粒子能量的扩散情况。射带电粒子能量的扩散情况。v而辐射剂量学，关心带电粒子沉积在介质内的能量沿而辐射剂量学，关心带电粒子沉积在介质内的能量沿粒子径迹的分布情况。粒子径迹的分布情况。v对重带电粒子，因转移给次级电子的能量少，因此径对重带电粒子，因转移给次级电子的能量
11、少，因此径迹短，不需要关心；迹短，不需要关心；v但对于电子，其一次转移能量可能非常大甚至全部，但对于电子，其一次转移能量可能非常大甚至全部，因此必须加以关注！因此必须加以关注！粒子在物质中的径迹粒子在物质中的径迹1 1）引入背景（续）引入背景（续）作用过程作用过程：与物质相互作用过程中，带电粒子能量：与物质相互作用过程中，带电粒子能量的大部分通过电离过程传给了能量超过的大部分通过电离过程传给了能量超过100eV的的粒粒子，而这些子，而这些粒子有足够能量在物质中穿行一段距离，粒子有足够能量在物质中穿行一段距离，沿途继续引发电离和激发沿途继续引发电离和激发。举例举例：在水、人体组织中，如果：在水、
12、人体组织中，如果E=100eV，其射程，其射程约约2nm；若；若E=6000eV，射程约，射程约1m。DNA分子双螺旋结构直径分子双螺旋结构直径细胞直径细胞直径2 2）带电粒子能量损失分析）带电粒子能量损失分析分析分析：带电粒子穿行：带电粒子穿行dL路程，碰撞损失的能量路程，碰撞损失的能量dE可以分可以分为：为：对原子电离，激发时，为克服电子结合能所消：对原子电离，激发时，为克服电子结合能所消耗的能量；耗的能量；：产生的动能小于等于：产生的动能小于等于的所有的所有粒子的动能；粒子的动能；：产生的动能大于：产生的动能大于的所有的所有粒子的动能；粒子的动能；3 3）能量限值）能量限值v能量限值能量
13、限值 定义：判断定义：判断粒子能量高低的一个能量阈值，若粒子能量高低的一个能量阈值，若 E ，则认为该电子能量就地沉积；，则认为该电子能量就地沉积；E ，则认为该电子能量为独立粒子；，则认为该电子能量为独立粒子；v由此可见，电离过程在某空间点损失的能量不可由此可见，电离过程在某空间点损失的能量不可能全部就地沉积！能全部就地沉积！v如何对粒子在局部区域内沉积的能量进行定量描如何对粒子在局部区域内沉积的能量进行定量描述？述？4 4）定义）定义定义定义：它表示：指定物质内，特定能量的带电粒子穿行单它表示：指定物质内，特定能量的带电粒子穿行单位长度路程时，在电离、激发过程中，扣除能量大位长度路程时，在
14、电离、激发过程中，扣除能量大于于的所有的所有粒子的动能后，被该部位物质所吸收的粒子的动能后，被该部位物质所吸收的能量总和，即能量总和，即单位路径长度内单位路径长度内就地沉积就地沉积的能量大小的能量大小。5 5）极限情况）极限情况v极限情况极限情况 表示扣除所有表示扣除所有粒子的动能后，被物质吸收的能量之和。粒子的动能后，被物质吸收的能量之和。表示包括所有表示包括所有粒子的动能后，入射带电粒子损失的能粒子的动能后，入射带电粒子损失的能量之和。量之和。6 6）常用值）常用值v常用常用L100，组织，组织举例举例L100，组织，组织=1.5KeV/m，它表示带电粒子在组织，它表示带电粒子在组织中穿越
15、中穿越1m时，在电离，激发作用中，刨除由动能时，在电离，激发作用中，刨除由动能大于大于100eV的所有的所有粒子的动能后，粒子的动能后，在组织局部空间在组织局部空间范围内沉积下来的能量总共是范围内沉积下来的能量总共是1.5KeV。四四 散射本领散射本领 由于电子相对重带电粒子，非常容易受到弹性碰撞由于电子相对重带电粒子，非常容易受到弹性碰撞的影响而改变自己的运动方向，设该角为的影响而改变自己的运动方向，设该角为，经观察发，经观察发现现，服从高斯分布，且其均方值服从高斯分布，且其均方值 与穿过物质层的与穿过物质层的厚度成正比，称厚度成正比，称 为散射均方角。为散射均方角。单位质量厚度产生的散射均
16、方角增量定义为单位质量厚度产生的散射均方角增量定义为质量散质量散射本领射本领，记为，记为(T/)：五五 射程射程4.1 投影射程投影射程4.2 连续慢化近似射程连续慢化近似射程r04.3 计算软件计算软件计算离子射程的软件：计算离子射程的软件：SRIM；（演示）；（演示）计算电子射程的软件：计算电子射程的软件：casino；五五 射程（续）射程（续）SRIM软件软件casino软件软件1.离子对（离子对（Ion pair）2.W的定义：的定义：3.W的特性的特性 最低电离能最低电离能(第一电离能第一电离能)，但除单壳层电子外，但除单壳层电子外，平均激发能。平均激发能。当入射带电粒子的速率远远大
17、于价电子的轨道速率时，当入射带电粒子的速率远远大于价电子的轨道速率时，W几乎不受带电粒子电荷、质量和能量的影响，当接近时，几乎不受带电粒子电荷、质量和能量的影响，当接近时，速度减小，速度减小，W增大。增大。伴随电离降低伴随电离降低W值值电子在干燥空气中每产生一个离子对平均消耗电子在干燥空气中每产生一个离子对平均消耗33.97eV；六六 产生一对离子所消耗的平均能量产生一对离子所消耗的平均能量W W第二节第二节 (X)(X)射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用v一一 作用类型与特点作用类型与特点v二二 三种重要作用三种重要作用v三三 各种相互作用的比较各种相互作用的比较（1）射线与射线与x射
18、线的定义（或产生）射线的定义（或产生）射线射线：射线是由核和基本粒子转变（为核反应、核衰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）产生的电磁辐变、基本粒子衰变和基本粒子湮灭等）产生的电磁辐射光子。射光子。X射线射线：a.轫致辐射轫致辐射x射线。由带电粒子在原子核库仑场中射线。由带电粒子在原子核库仑场中慢化而产生的电磁辐射。慢化而产生的电磁辐射。b.特征特征x射线。由原子电子能级改变而产生的电磁射线。由原子电子能级改变而产生的电磁辐射。辐射。一一 作用类型与特点作用类型与特点一一 作用类型与特点（续）作用类型与特点（续）（2）与物质的作用类型（按能量吸收多少划分）
19、与物质的作用类型（按能量吸收多少划分）完全吸收：光电效应、电子对生成、光核反应完全吸收：光电效应、电子对生成、光核反应和光介子生成等。和光介子生成等。部分吸收：康普顿散射和核共振散射。部分吸收：康普顿散射和核共振散射。不吸收：弹性散射。不吸收：弹性散射。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）特点一一 作用类型与特点（续）作用类型与特点（续）与带电粒子比较，光子与物质相互作用的
20、截面小得多，与带电粒子比较，光子与物质相互作用的截面小得多，在在 介质中介质中可以穿行比较长的路程可以穿行比较长的路程。一次相互作用过程中光子一次相互作用过程中光子损失的平均能量较大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。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（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（截面）、能量转移（energy transfer）和能量）和能量吸收（吸收（energy absorption）的几率。）的几率。一一 作用类型与
21、特点（续）作用类型与特点（续）二二 三种重要作用三种重要作用v2.1 光电效应光电效应v2.2 康普顿散射效应康普顿散射效应v2.3 电子对生成效应电子对生成效应v2.4 其它其它2.1 Photoelectric effect(2.1 Photoelectric effect(光电效应光电效应)2.1 Photoelectric effect(2.1 Photoelectric effect(光电效应光电效应)（续）（续）自由电子自由电子作用机制：光子同作用机制：光子同(整个整个)原子作用把自己的全部能量传递原子作用把自己的全部能量传递给原子给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来壳
22、层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成成为自由电子，光子本身消失了。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 射线射线受激原子受激原子散射光子散射光子h反冲电子反冲电子e入射光子入射光子h2.22.2 Compton effect(Compton effect(康普顿散射康普顿散射)其中：其中：2.22.2 Compton effect(Compton effect(康普顿散射康普顿散射)（续）（续）电子对效应：电子对效应：能量能量1.02 1.02 MeVMeV 的的射线与原子核作用射线与原子核作用可能产生一对正可能产生一对正-负电子。负电子。2.
23、3 Pair production(2.3 Pair production(电子对生成电子对生成)常见类型常见类型2.3 Pair production(2.3 Pair production(电子对生成电子对生成)（续）（续）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反应式表示：反应式表示：2.3 Pair production(2.3 Pair production(电子
24、对生成电子对生成)（续）（续）1）共同特点：）共同特点：a.存在角分布，且能量存在角分布，且能量hv越大，光电子、反冲越大，光电子、反冲电子，生成电子越趋近入射光子方向。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能量转移截面可用光子能量转移为带电粒子（电子）动能的分数和相应的作用截面相乘获得。（电子）动能的分数和相应的作用截面相乘获得。三三 各种相互作用的比较各种相互作用的比较2）相对重要性）相对重要性三三 各种相互作用的比较（续）各种相互作用的比较（续）第三节第三节 不带电粒子与物质的相互作用系数不带电粒子与物质的相互作用系数v一一 窄束衰减和衰减系数窄束衰
25、减和衰减系数v二二 能量转移系数能量转移系数trv三三 能量吸收系数能量吸收系数en和辐射份额和辐射份额Y(E)射线穿过物质时的衰减表达式：射线穿过物质时的衰减表达式：dN=-Ndx （为线衰减系数）为线衰减系数）N=N0e-x 定义质量衰减系数为定义质量衰减系数为/。其中，其中，一一 窄束衰减和衰减系数窄束衰减和衰减系数 各种相互作用的衰减系数可用同时对应的相互作用各种相互作用的衰减系数可用同时对应的相互作用截面来表示。截面来表示。一一 窄束衰减和衰减系数窄束衰减和衰减系数定义：光子在吸收介质中穿行单位长度距离时，定义：光子在吸收介质中穿行单位长度距离时，其能量在相互作用过程中其能量在相互作
26、用过程中转移为电子动能的份额转移为电子动能的份额。表述：表述：质量能量转移系数质量能量转移系数tr/3.2 3.2 能量转移系数能量转移系数tr3.3 3.3 能量吸收系数能量吸收系数en和辐射份额和辐射份额Y(E)线能量吸收系数线能量吸收系数en质量能量吸收系数质量能量吸收系数en/en/表示表示光子在物质中穿过单位质量厚度时，入射光子在物质中穿过单位质量厚度时，入射光子能量中光子能量中转移给次级电子能量的碰撞损失份额转移给次级电子能量的碰撞损失份额。瞬时能量为瞬时能量为E的电子的能量辐射损失份额的电子的能量辐射损失份额y(E)可表示为：可表示为：能量为能量为E的电子在慢化过程中的辐射能量损
27、失份额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若各作用过程产生的次级电子初始谱为f(E)，则有：，则有：3.4 3.4 混合物和化合物中的作用系数混合物和化合物中的作用系数 其中其中 是第是第i种元素的重量份额；种元素的重量份额；三个系数之间的关系三个系数之间的关系第四节第四节 中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用1 分类分类v高能中子高能中子 能量大于能量大于10MeVv快中子快中子 100keV-10MeVv中能中子中能中子 1keV-100keVv慢中子慢中子 0-1keV（热中子（热中子-与周围物质处与周围物质处于热平衡的中子。在常温于热平衡
28、的中子。在常温20.40C下，热中子的平下，热中子的平均能量为均能量为0.0253eV）2.作用作用类型型（Interaction type）1).弹性散射性散射(Elastic-scattering)：总动能守恒。能守恒。2).非非弹性散射性散射(Inelastic scattering)：总能量、能量、动量守恒，量守恒，动能不守恒；能不守恒；3).去去弹性散射性散射(Nonelastic scattering)：(n,p),(n,)等；等；4).俘俘获(Capture)：(n,)；5).散射散射(Spallation)；以上均属与原子核的相互作用。以上均属与原子核的相互作用。特别说明：特别
29、说明：1、中子与物质的相互作用过程的描述参数与、中子与物质的相互作用过程的描述参数与和和X X射线的相同。射线的相同。2 2、中子与物质相互作用产生的带电粒子都是中子与物质相互作用产生的带电粒子都是重粒子，其重粒子，其轫致辐射的能量损失可以忽略轫致辐射的能量损失可以忽略。第五节第五节 总结本章中各个物理量之间的关系总结本章中各个物理量之间的关系参考文献参考文献v田志恒，田志恒，辐射剂量学辐射剂量学，原子能出版社，北京，原子能出版社，北京，1992；v方杰，方杰，辐射防护导论辐射防护导论，原子能出版社，北京，原子能出版社，北京，1991；v李士骏，李士骏，电离辐射剂量学基础电离辐射剂量学基础，苏州大学出版社，苏，苏州大学出版社，苏州，州，2008；