放射卫生与防护第三章-VIP

第三章射线与物质的相互作用,RadiationInteractionswithMatter,3.1概述,1、什么是射线？,射线，指的是如X射线、射线、射线、射线等，本质都是辐射粒子。,射线与物质相互作用是辐射探测的基础，也是认识微观世界的基本手段。,本课程讨论对象为致电离辐射，辐射能量大于10eV。即可使探测介质的原子发生电离的能量。,2、射线与物质相互作用的分类,3、弹性碰撞与非弹性碰撞,为内能项,弹性碰撞（即动能守恒）,非弹性碰撞（即动能不守恒）,为第一类非弹性碰撞，如入射粒子与处于基态的核碰撞，且使核激发；,为第二类非弹性碰撞，如入射粒子与处于激发态的核碰撞，且使其退激。,3.2、带电粒子与物质的相互作用,载能带电粒子在靶物质中的慢化过程，可分为四种，其中前两种是主要的：,(1)电离损失与核外电子的非弹性碰撞过程,入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用，使电子获得能量而引起原子的电离或激发。,电离核外层电子克服束缚成为自由电子，原子成为正离子。,激发使核外层电子由低能级跃迁到高能级而使原子处于激发状态，退激发光。,当入射带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞，以使靶物质原子电离或激发的方式而损失其能量，我们称它为电离损失。,(2)、辐射损失与原子核的非弹性碰撞过程,入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用，使入射带电粒子的速度和方向发生变化，伴随着发射电磁辐射轫致辐射Bremsstrahlung。,当入射带电粒子与原子核发生非弹性碰撞时，以辐射光子损失其能量，我们称它为辐射损失。,尤其对粒子与物质相互作用时，辐射损失是其重要的一种能量损失方式。,(3)、带电粒子与靶原子核的弹性碰撞,带电粒子与靶原子核的库仑场作用而发生弹性散射。弹性散射过程中，入射粒子和原子核的总动能不变，即入射粒子既不辐射光子，也不激发或电离原子核，但入射粒子受到偏转，其运动方向改变。,弹性碰撞过程中，为满足入射粒子和原子核之间的能量和动量守恒，入射粒子损失一部分动能使核得到反冲。碰撞后，绝大部分能量仍由入射粒子带走，但运动方向被偏转,核碰撞能量损失只是在入射带电粒子能量很低或低速重离子入射时，对粒子能量损失的贡献才是重要的。但对电子却是引起反散射的主要过程。,这种由入射带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞引起入射粒子的能量损失称之为核碰撞能量损失，我们把原子核对入射粒子的阻止作用称为核阻止。,(4)、带电粒子与核外电子的弹性碰撞,受核外电子的库仑力作用，入射粒子改变运动方向。同样为满足能量和动量守恒，入射粒子要损失一点动能，但这种能量的转移很小，比原子中电子的最低激发能还小，电子的能量状态没有变化。实际上，这是入射粒子与整个靶原子的相互作用。,这种相互作用方式只是在极低能量(100eV)的粒子方需考虑,其它情况下完全可以忽略掉。,（5）、线阻止本领，质量阻止本领,线阻止本领定义：,dE是dl距离上损失能量的数学期望值。,质量阻止本领定义：,主要是计算上的优势。,质量碰撞/辐射阻止本领,质量碰撞阻止本领定义：,质量辐射阻止本领定义：,阻止本领分类：,在相同介质中，若相同，则两种重离子的碰撞阻止本领相同，即：,对重离子：,质量碰撞/辐射阻止本领（续）,这意味着重离子的能量损失机制主要电离、激发；,质量碰撞/辐射阻止本领（续）,对电子：,简化，当E3MeV,n=700100MeV；的电子能量称为临界能量；低能电子(S/)c值较大，高能电子(S/)r值较大。,近似关系：,（6）、质量角散射本领,定义：描述平行入射的带电粒子束偏离其入射方向的概率分布。,规律：与原子序数平方成正比，与入射带电粒子动能平方成反比。,（7）、射程,（7）射程,投影射程,射程(Range)的定义,带电粒子沿入射方向所行径的最大距离，称为入射粒子在该物质中的射程R。,入射粒子在物质中行径的实际轨迹的长度称作路程(Path)。,路程射程,重带电粒子的质量大，与物质原子相互作用时，其运动方向几乎不变。因此，重带电粒子的射程与其路程相近。,重带电粒子与物质的相互作用,重带电粒子与物质相互作用的特点,重带电粒子均为带正电荷的离子；,重带电粒子主要通过电离损失而损失能量，同时使介质原子电离或激发；,重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线。,InteractionofHeavyChargedParticles,Bragg曲线与能量歧离,Bragg曲线：带电粒子的能量损失率沿其径迹的变化曲线。,能量歧离(EnergyStraggling)：单能粒子穿过一定厚度的物质后，将不再是单能的，而发生了能量的离散。,能量歧离是由能量损失是一个随机过程所决定的。,射程往往通过实验测定：,探测器,平均射程,外推射程,射程歧离：,由于带电粒子与物质的相互作用是一个随机过程，因此单能粒子的射程也是有涨落的，称为射程歧离。,对图中曲线进行微分，得到一峰状分布，其宽度常用以度量该粒子在所用吸收体中的射程歧离。,快电子的吸收与射程,电子的运动径迹是曲折的。,电子的射程和路程相差很大。,电子的射程比路程小得多。,1)单能电子的吸收与粒子吸收的差别,由于单能电子和粒子易受散射，其吸收衰减规律不同于粒子。但均存在最大射程Rmax。,射程往往通过实验测定：,探测器,对粒子，当吸收介质的厚度远小于时，粒子的吸收衰减曲线近似服从指数规律：,为吸收体的吸收系数,t为吸收体的厚度,m为吸收体的质量吸收系数,tm为吸收体的质量厚度,射线在铝中的射程：,当时，,当时，,其它典型物质中射线的射程：Ge：REmax，(mm,MeV)Al：R2Emax，(mm,MeV)Air：R400Emax，(cm,MeV),对比：4MeV在空气中的射程约为2.5cm。,2)电子的散射与反散射,电子与靶物质原子核库仑场作用时，只改变运动方向，而不辐射能量的过程称为弹性散射。由于电子质量小，因而散射的角度可以很大，而且会发生多次散射，最后偏离原来的运动方向，电子沿其入射方向发生大角度偏转，称为反散射。,定义反散射系数：,探测器,反散射的利用与避免,1)对放射源而言，利用反散射可以提高源的产额。,2)对探测器而言，要避免反散射造成的测量偏差。,给源加一个高Z厚衬底。,使用低Z材料作探测器的入射窗和探测器。,定义：带电粒子在单位路程上所产生的离子对数称为比电离，以S表示。带电粒子入射到靶物质中后，在单位路程上能量损失与粒子的速度，所带电荷数有关，所以单位路程上产生的电子。离子对数目也与粒子的速度和所带电荷有关。,相对电离密度与剩余路程的函数关系,（8）、比电离,速度相同时,电荷多的S大。同一种粒子,速度小,S大,但当速度接近为0时,S剧降为0。,粒子与核外电子的作用,单位距离上粒子作用所产生的离子对总数。,在距离小处，粒子速度快，作用时间短，比电离小；末端前，速度慢作用时间长，有极大值；此后，能量耗尽，比电离快速衰减到0。,比电离（电离比度）,比电离,距离,空气中各点的比电离变化,定义：表示带电粒子在某一长度径迹上消耗的能量与该径迹长度之比。与射线的运动速度和电荷量有关。电荷较高而移动较慢的粒子具有较高的LET。,（9）、传能线密度（LET),意义：主要用于放射治疗时射线的选择。射线的LET越高，对组织的损伤也就越大，在放疗时可以有目的的选择高LET的射线。,小结,带电粒子与物质的相互作用,InteractionCharacteristics:主要为电离能量损失单位路径上有多次作用单位路径上会产生许多离子对和较大的能量转移,每次碰撞损失能量少运动径迹近似为直线在所有材料中的射程均很短,HeavyChargedParticleInteractions,ElectronsandPositronsInteractions,InteractionCharacteristics:电离能量损失和辐射能量损失单位路径上较少相互作用单位路径上产生较少的离子对和较小的能量转移,每次碰撞损失能量大路径不是直线，散射大,复习：中子的分类与性质,1、中子的分类,2)中能中子：1KeV0.5MeV。,1)慢中子：01KeV。包括冷中子、热中子、超热中子、共振中子。,3)快中子：0.5MeV10MeV。,4)特快中子：10MeV。,热中子：与吸收物质原子处于热平衡状态，能量为0.0253eV，中子速度2.2103m/s.,中子的性质,质量：mn1.008335u939.535300MeV/c2,自旋：sn1/2,费米子,电荷：0，中性粒子,磁矩：n1.913042N,中子寿命：发生衰变的半衰期T1/2=10.30min,2.中子与物质的相互作用,1.中子的散射,1)弹性散射(n,n),中子与物质的相互作用实质上是中子与物质的靶核的相互作用。,出射粒子仍为中子、剩余核仍为靶核。,出射中子的动能：,反冲核的动能：,当反冲核为质子(氢核)时，Mm，上式变为：,当=0时，反冲质子能量最大，Tp=Tn,反冲质子在实验室座标系中的能量分布的概率密度函数为：,即对入射的单能中子而言，实验室坐标系中，其反冲质子的能量分布是一个矩形，最大能量为Tn，最小为零。这个关系可用于快中子能谱测量。,2)非弹性散射(n,n),入射中子的能量损失不仅使靶核得到反冲，且使靶核处于激发态。处于激发态的靶核退激时放出一个或几个特征光子，在核分析技术中有重要的应用。,2.中子的俘获,1)中子的辐射俘获(n,),中子射入靶核后与靶核形成一个复合核，而后复合核通过发射一个或几个特征光子跃迁到基态。这些特征光子不同于(n,n)的特征光子。由于这些光子的发射与复合核的寿命相关，一般很快，故称为“中子感生瞬发射线”，同样在核分析技术中有重要的应用。,复合核的形成。,当发生(n,)反应后，新形成的核素是放射性的，就是常说的“活化”，测量活化核素的放射性可以用来测量中子流的注量率区分中子的能量范围。,2)发射带电粒子的中子核反应,如(n,)，(n,p)等，这些反应在中子探测中应用很多，成为探测中子的主要手段。,如(n,2n)，(n,np)等，这些反应的阈能较高，在810MeV以上，只有特快中子才能发生。,3)裂变反应(n,f),4)多粒子发射,13.4中子探测的基本方法,中子探测的特点：,1)中子为中性粒子，不能直接引起探测介质的电离、激发。,2)在探测器或探测介质内必须具备能同中子发生相互作用产生可被探测的次级粒子的物质(辐射体)，中子在辐射体上发生核反应、核反冲、核裂变等次级过程，产生带电的次级粒子，如，p，f等，探测器记录这些次级粒子并输出信号。,3)中子与辐射体有较大的作用截面，以获得较大的中子探测效率。,1.核反应法,主要的核反应有：,反应截面与中子能量的关系：,1/v规律，即随中子能量增加，反应截面减小，因此核反应法适用于慢中子的测量，尤其是热中子的测量。,反应均为放热反应，反应能Q在生成核与出射粒子之间分配。由于反应能Q比较大，又主要用于慢中子探测，即：,故出射粒子能量难以反映慢中子的能量，因此，核反应法常用于中子注量率的测量。这时，Q大易于甄别去除本底信号。,探测介质中含有上述核素的气体探测器、闪烁探测器，或上述材料作为外辐射体的半导体探测器均可用核反应法进行中子探测。,2.核反冲法,中子与靶核的弹性碰撞产生反冲核。,主要发生在氢核上，常用含氢物质作为辐射体。反冲质子使探测介质电离、激发而产生输出信号。,反冲质子能量：,反冲质子数：,反冲质子的能谱为矩形分布。此法主要用于快中子的探测，尤其是快中子能量的测量。因此，探测介质中富含含氢物质的探测器，如含氢正比管、有机闪烁体等适用于核反冲法测量快中子能谱。,3.核裂变法,中子与重核发生核裂变产生裂变碎片，裂变碎片是巨大的带正电荷的粒子，能使探测器输出信号。通过测量碎片数，可求得中子注量率。,裂变碎片的总动能为150170MeV，形成的脉冲幅度比本底脉冲幅度大得多，可用于强辐射场内中子的测量。,热中子可引起的核裂变核：233U，235U，239Pu。如235U的热中子截面为580b。对慢中子满足1/v规律，仅适用于热中子的注量率测量。,一些重核只有当中子能量大于某一阈能才能发生核裂变，可用此判断中子的能量。,4.活化法,选用一些核素具有较高的活化截面，活化后放射性核素也具有较易测量的放射性。,如：,测量粒子的发射率可确定中子的注量率。一般，热中子的活化截面较高，此法适用于热中子的注量率的测量。,射线与物质的相互作用,3.4,探测学中射线含义电磁辐射,特征射线：,湮没辐射：,核能级跃迁,正电子湮没产生,特征X射线：,原子能级跃迁,轫致辐射：,带电粒子速度或运动方向改变产生,特点：,光子是通过次级效应(一种“单次性”的随机事件)与物质的原子或原子核外电子作用，一旦光子与物质发生作用，光子或者消失或者受到散射而损失能量，同时产生次电子；,次级效应主要的方式有三种，即光电效应、康普顿效应和电子对效应。,射线与物质发生不同的相互作用都具有一定的概率，仍用截面这个物理量来表示作用概率的大小。而且，总截面等于各作用截面之和，即：,1、光电效应PhotoelectricEffect,射线(光子)与物质原子中束缚电子作用，把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去(称为光电子photoelectron)，而光子本身消失的过程，称为光电效应。,光电效应是光子与原子整体相互作用，而不是与自由电子发生相互作用。因此，光电效应主要发生在原子中结合的最紧的K层电子上。,光电效应发生后，由于原子内层电子出现空位，将发生发出特征X射线或俄歇电子的过程。,1)光电子的能量,由能量守恒：,因此，光电子能量为：,光电效应是光子与原子整体的相互作用，而不是与自由电子的相互作用。否则不能同时满足能量和动量守恒。,2)光电截面,入射光子与物质原子发生光电效应的截面称之为光电截面。,理论上可给出的光电效应截面公式。,，经典电子散射截面，又称Thomson截面。,光电效应截面小结：,对于选择探测器的材料的提示：,对防护、屏蔽射线的提示：,(1)与吸收材料Z的关系,光子能量越高，光电效应截面越小。,(2)与射线能量的关系,采用高原子序数的材料，可提高探测效率。,采用高Z材料可以有效阻挡射线。,3)光电子的角分布,光电子的角分布代表进入平均角度为方向的单位立体角内的光电子数的比例。,相对于入射光子方向的角度。,在不同出射方向光电子的产额是不同的，这种截面对于空间的微分，也就是微分截面。,光电子角分布的特点：,(1)在0和180方向没有光电子飞出；,(2)光电子在哪一角度出现最大概率与入射光子能量有关；当入射光子能量低时，光电子趋于垂直方向发射，当光子能量较高时，光电子趋于向前发射。,2、康普顿效应ComptonEffect,康普顿效应是射线(光子)与核外电子的非弹性碰撞过程。在作用过程中，入射光子的一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而光子受到散射，其运动方向和能量都发生变化，称为散射光子。,康普顿散射可近似为光子与自由电子发生相互作用（弹性碰撞）。康普顿效应主要发生在原子中结合的最松的外层电子上。,1)反冲电子与散射光子的能量与散射角及入射光子能量之间的关系,光子的能量：,电子的动能：,光子的动量：,电子的动量：,相对论关系：,由能量守恒,由动量守恒,可得到：,散射光子能量：,反冲电子能量：,反冲角：,小结：,(1)散射角0时，,表明：入射光子从电子旁边掠过，未受到散射，光子未发生变化。,(2)散射角180时，散射光子能量最小，而反冲电子能量最大。,(3)散射角在0180之间连续变化；反冲角在900相应变化。,2)康普顿散射截面,入射光子与单个电子发生康普顿效应的截面称之为康普顿散射截面。,近似与光子能量成反比。,近似与入射光子能量无关，为常数。,对整个原子的康普顿散射的总截面,Z大，康普顿散射截面大；,入射粒子能量大，康普顿散射截面小。,康普顿散射截面与入射光子能量的关系比光电效应要缓和。,其中,康普顿散射的微分截面,表示散射光子落在某方向单位立体角内的概率。,可由KleinNihsina公式给出：,微分截面有时也用表示,那么，和什么关系？,3)反冲电子的角分布和能量分布,为反冲电子落在方向单位立体角内的概率。,为反冲电子落在方向单位反冲角内的概率。,为反冲电子落在Ee处单位能量间隔的概率。,反冲电子的能量分布，即反冲电子的能谱。,小结：,(1)任何一种单能射线产生的反冲电子的动能都是连续分布的。且存在最大反冲电子动能。,(2)在最大反冲电子动能处，反冲电子数目最多，在能量较小处，存在一个坪。,3、电子对效应PairProduction,电子对效应是当入射射线(光子)能量较高(1.022MeV)时，当它从原子核旁经过时，在核库仑场的作用下，入射光子转化为一个正电子和一个电子的过程。,电子对效应除涉及入射光子与电子对以外，必须有第三者原子核的参与，否则不能同时满足能量和动量守恒。电子对效应要求入射光子的能量必须大于1.022MeV。,1)正负电子的能量,由能量守恒：,因此，正负电子的总动能为：,总动能是在电子和正电子之间随机分配的，都可以从取值。,由动量守恒，电子和正电子应沿着入射光子方向的前向角度发射。,2)正负电子的运动方向,而且，入射光子的能量越高，正负电子的发射方向越是前倾。,3)电子对效应的截面,当：时：,电子对效应截面随Z的增加而增加，也随入射粒子的能量的增加而增加。,当：稍大于时：,4)电子对效应的后续过程,正电子的湮没。,0.511MeV的湮没辐射,正电子湮没,衰变,电子对效应,分析能谱时，若发现：,4、其他作用过程,(1)相干散射Rayleigh散射，是低能光子与束缚电子间的弹性散射。其机制是电子在电磁辐射的作用下受迫振动变成电偶极子，向外辐射电磁辐射，入射光子频率不变，所以是弹