辐射剂量单位与剂量计算

第三章辐射剂量单位与剂量计算 辐射剂量学中的量 吸收剂量比释动能照射量剂量当量 辐射剂量学中使用的量 剂量学中的量是为了对辐射与物质相互作用产生的真实效应和潜在影响提供一种物理学上的量度 这些量的数值 既依赖与辐射场的性质又依赖与辐射与物质的相互作用的程度 一吸收剂量 授与能授与能 是电离辐射以电离 激发的方式授与某一体积中物质的能量 RIN ROUT QRIN是进入该体积的辐射能 ROUT是从该体积逸出的辐射能 Q是在该体积中发生的任何核变化时 所有原子核和基本粒子静止质量能变化的总和 授与能的单位是J 它是个随机变量 但是它的数学期望值 即平均授与能是非随机变量 吸收剂量吸收剂量D是单位质量受照物质中所吸收的平均辐射能量 即D d dm式中d是电离辐射授与质量为dm的物质的平均能量 吸收剂量D的单位是J kg 1 专门名称是戈瑞 Gray 1Gy 1J kg 1 过去吸收剂量的专用单位是拉德 rad 1rad 10 2Gy 吸收剂量适用与任何类型的辐射和受照物质 并且是个与一无限小体积相联系的辐射量 即受照物质中每一点都有特定的吸收剂量数值 因此在给出吸收剂量数值时 必须指明辐射类型 介质种类和所在位置 吸收剂量率吸收剂量率 是单位时间内的吸收剂量 定义为dD除以Dt所得的商 即 dD dt式中 dD是时间间隔dt内吸收剂量的增量 吸收剂量率 的单位是J kg 1 s 1 亦即Gy s 1 带电粒子平衡设不带电粒子通过体积为V的物质 如图所示 假设在体积V中任取一点O 并以O点为中心取一小体积元 V 不带电粒子传给小体积元 V的能量 等于它在 V内所产生的次级带电粒子动能的总和 这些次级带电粒子有的产生在 V内 也有的产生在 V外的 若每一个带电粒子离开以O点为中心的小体积元 V时 就有另一个同种类 同能量的带电粒子进入该体积元来补偿 则称点O存在带电粒子平衡 如果涉及的带电粒子特指电子 则称为电子平衡 带电粒子平衡总是同辐射场内特定位置相联系的 在 V内存在带电粒子的平衡条件是 1 在以小体积元 V的边界向各个方向伸展距离d至少大于初级入射粒子在该物质中所产生的次级带电粒子的最大射程Rmax 并在d Rmax的区域内辐射场是恒定的 即入射的粒子注量和谱分布为恒定不变 2 在上述的d Rmax的区域内 物质对次级带电粒子的阻止本领以及对初级入射粒子的质量吸收系数也应该是恒定不变的 显然 上述条件是难以实现的 在某些情况下 能够达到相当好的近似 例如对于137Cs 60Co的 射线 如果认为入射的辐射1 左右的衰减可以忽略 那么在受照物质 如水 中可能存在着很好的近似电子平衡 对于中子 由于建立带电粒子平衡比较容易 因此 即使中子能量高达30MeV 在某些物质 如水 中仍存在较好的近似带电粒子平衡 二比释动能 转移能转移能 tr是不带电粒子在某一体积元内转移给次级带电粒子的初始动能的总和 其中包括在该体积内发生的次级过程所产生的任何带电粒子能量 转移能 tr单位是J 它同授与能 一样也是随机量 其数学期望值 即平均转移能是非随机量 比释动能不带电粒子授与物质的能量过程可以分为两个阶段 第一 不带电粒子与物质相互作用释放出次级带电粒子 不带电粒子的能量转移给次级带电粒子 第二 带电粒子将通过电离 激发 把从不带电粒子那里得来的能量授与物质 吸收剂量是表示第二过程的结果 为了表示第一过程的结果 我们引进另一个新辐射量 即比释动能比释动能K定义为d除以dm所得的商 即K d dm式中d是不带电粒子在质量dm的物质中释放的全部带电粒子的初始动能总和的平均值 它既包括这些带电粒子在韧致辐射过程中辐射出来的能量 也包括在该体积元内发生次级过程所产生任何带电粒子的能量 比释动能的单位与吸收剂量的单位相同 即J kg 1或Gy 比释动能只适用于不带电粒子 但适用于任何物质 比释动能率比释动能率 是dK除以dt所得的商 即 dK dt式中dK是在时间间隔dt内比释动能的增量 比释动能率 的单位与吸收剂量率单位相同 即J kg 1 s 1或Gy s 1 比释动能与吸收剂量的关系在带电粒子平衡条件下 不带电粒子在某一体积元的物质中 转移给带电粒子的平均能量d就等于该体积元所吸收的平均能量d若该体积元物质的质量为dm 则K d dm d dm D除了满足带电粒子平衡条件外 要使上式成立的另一条件是带电粒子产生的韧致辐射可以忽略 对于低能的X或 射线来说是成立的但对于高能的X或 射线 由于次级带电粒子是电子 有一部分能量在物质中转变为韧致辐射而离开所关系的体积元 使得K D D d dm d dm 1 g K 1 g g是次级电子在慢化过程中 能量损失于韧致辐射的能量分额 高能电子在高原子序数物质中 g值比较大 在低原子序数物质中g值一般比较小 可以忽略 对于中子 当能量底于30MeV时 D和K的数值差别完全可以忽略 比释动能与吸收剂量在物质中的变化如果只有不带电粒子入射 则在物质浅层处不存在带电粒子平衡 因为不带电粒子在该处某一体积元内释放出的能量 并没有全部沉积在该体积元内 因此比释动能大于吸收剂量 随着所考察的体积元不断向深层移动 起源于浅层的次级带电粒子越来越多的进入所考察的体积元 使得在该体积元中沉积的能量越来越接近于不带电粒子在该体积元中释放的能量 直到体积元深度等于等于次级带电粒子的最大射程时 带电粒子平衡条件得到满足 这时K D 如果忽略入射粒子在物质中的衰减 那么在以后的深度中K D都保持不变 并且在数值上K D继续相等 在辐射防护领域所关心的能量范围内 对于X 光子或中子都可以近似地认为吸收剂量同比释动能在数值上是相等的 D K 在天然射线中可认为D K 三照射量 照射量照射量是一个用来表示X或 射线在空气中产生电离能力大小的辐射量 照射量X定义为dQ除以dm所得商 即X dQ dm式中 dQ的值是X或 射线在质量为dm的空气中 释放出来的全部电子 正 负电子 完全被空气阻止时 在空气中产生一种符号的离子的总电荷的绝对值 定义中dQ不包括光子在空气中释放出来的次级电子产生的韧致辐射被吸收后产生的电离 不过 这仅在光子能量很高时才有意义 照射量的单位是C kg 1 过去 照射量的单位是伦琴 R 1R 2 58 10 4C kg 1 只有在满足电子平衡条件下 才能严格按照定义精确测量照射量 现在能被精确测量照射量的光子能量限于10keV 3MeV 辐射防护中能量上限可扩大到8MeV 照射量率照射量率 是dX除以dt所得的商 即 dX dt式中 dX是时间间隔dt内照射量的增量 照射量率的单位是C kg 1 s 1 照射量因子对于单能X或 射线 空气中某点的照射量X与同一点处的能量注量 下述关系X en a e Wa 式中 en a空气对给定的单能X或 射线的质量能量吸收系数 单位是m2 kg 1 e是电子的电量 值为1 602 10 19C Wa是电子在干燥空气中每形成一对离子所消耗的平均能量 其值为33 85eV 将单能光子的能量注量与注量的关系 E 带入上式 得X fx fx E en a e Wa 称为照射量因子 它表示与单位光子注量相对应的照射量 其单位为C kg 1 m2对于具有谱分布的X或 射线 则X Efx E dE E是光子注量按光子能量的微分分布 fx E 是光子能量为E的照射量因子 照射量与吸收剂量的关系在带电粒子平衡条件下 单能X或 射线在某物质中吸收剂量D和能量注量 的关系为D en 式中 en 是单能X或 射线对某物质的质量能量吸收系数 单位是m2 kg 1 当能量注量 确定不变时 吸收剂量D与物质的质量能量吸收系数 en 成正比 即D1 D2 en 1 en 2 1 空气中照射量和吸收剂量的关系为Da Wa e X 2 Da是在空气中同一点处的吸收剂量 将 2 带入 1 得Dm 33 85 en m en a X fm X 3 Dm是处于空气中同一点所求物质中的吸收剂量 单位为Gy X是照射量 单位是C kg 1 fm 33 85 en m en a 为换算因子其单位为J C 1 只有当忽略轫致辐射和次级电离过程再产生的带电粒子 而且满足电子平衡条件时 照射量与吸收剂量数值上才有 2 和 3 所表示的关系 吸收剂量 比释动能和照射量的区别 剂量当量 相同的吸收剂量未必产生同等程度的生物效应 因为生物效应受到辐射类型 剂量与剂量率大小 照射条件及个人差异等因素影响 为了用同一尺度表示不同类型的辐射照射对人体造成的生物效应的严重程度或发生几率的大小 辐射防护上采用可剂量当量这个辐射量 剂量当量H是组织内被考察的某一点处的D Q和N的乘积 即H DQN式中D是假定辐射诱发损伤的位置上的吸收剂量 Q与该位置相对应的品质因数 N是考虑由于照射条件的改变而引起的所有其他修正因数的乘积 N的取值ICPR 国际辐射防护委员会 推荐为1 不再作为剂量当量定义中的一部分 品质因数Q是辐射防护领域中为了以同一尺度衡量各种辐射引起的有害效应程度而引进的一个系数 无论是内照射还是外照射 不同型辐射相应的平均品质因数Q可参照下表 如果器官或组织同时受到