辐射剂量与防护12PPT学习教案

1、会计学1辐射剂量与防护辐射剂量与防护1225MeV r=1mm 栅元0.21mm2 5MeV n r=1mm 栅元0.21mm2笔形束辐射在水模中的纵向能量沉积第1页/共64页3第2页/共64页4第3页/共64页5第4页/共64页6第5页/共64页7第6页/共64页8非弹性碰撞（非弹性碰撞（Nonelastic collision）对象：对象：电子、重带电粒子重带电粒子硬撞或“对面撞”（hard or “knock-on” collision）软碰撞或“核”碰撞（soft collision） ba，每次作用损失能量小；b与a同量级，每次作用能量损失大。 带电粒子在碰撞过程中损失能量与其径迹至

2、原子的最近距离b的二次方成正比。 注：a 原子核半径。第7页/共64页9第8页/共64页10第9页/共64页11第10页/共64页12第11页/共64页13dldEs dE是是dl距离上损失能量的数学期望值距离上损失能量的数学期望值。 总线阻止本领与总线阻止本领与带电粒子的性质（电荷、质量、能量）带电粒子的性质（电荷、质量、能量）和物质的性质（原子序数、密度）有关。去除物质密度和物质的性质（原子序数、密度）有关。去除物质密度的影响可得到总质量阻止本领公式：的影响可得到总质量阻止本领公式：dldEs1/(2.1)(2.2)第12页/共64页141( /)/ccSdEdl1( /)/rrSdEdl

3、/( /)( /)crSSS质量碰撞阻止本领（质量碰撞阻止本领（包括电离和激发对能量损失的贡献）包括电离和激发对能量损失的贡献）质量辐射阻止本领（由非弹性辐射相互作用导致的初级质量辐射阻止本领（由非弹性辐射相互作用导致的初级带电粒子的能量损失决定）带电粒子的能量损失决定） (2.3)(2.4)(2.5)第13页/共64页152.2质量碰撞阻止本领质量碰撞阻止本领: 重带电粒子重带电粒子质量碰撞阻止本领公式质量碰撞阻止本领公式第14页/共64页16分析：（1）电离损失与重带电粒子的电荷z2成正比； 库仑作用力（2）电离损失与重带电粒子的能量（速度）成反比； 作用时间（3）电离损失与物质的电子密度

4、成正比； 作用概率电子密度：第15页/共64页17阻止本领可以用量子力学理论给出计算公式（参考书P.11贝特公式）对重带电粒子，在用理论公式计算（S/）c时，要考虑壳层修正，而对电子往往不需要。 原因：重带电粒子以速度v运行时，通过与电子发生碰撞可交给电子的能量为2m0v2，而2m0v2可能小于k电子的激发能，k电子就会成为不相干电子。电子的速率比不具有同样能量的重粒子的速率高很多。第16页/共64页18第17页/共64页19极化效应（Polarization effect）使（S/）c减少 运动带电粒子产生的电场使介质中的原子极化，减弱了运动的带电粒子产生的电场，降低了与较远的电子作用，从而

5、减少了碰撞能量损失。介质密度越大，近距离原子的极化对较远电子的影响就大（密度效应（Density effect）。（S/）c与E关系 第18页/共64页20不同重带电粒子 若它们在同一种介质中以相同的速度运行时，壳层修正和密度修正相同，故有 （归一化的碰撞阻止本领）。 21( /)( ,)cSfz电荷交换效应 低能重带电粒子，会“拾掇”电子，使其有效电荷数z减少。E减少，减少。第19页/共64页21（S/）c随z减少而增加 平均激发能随z增加而增加；z/MA随原子序数z增加而减少。 化合物中的阻止本领 可以用化合物中每种元素阻止本领的重量加权求得：fi为指定元素在化合物中所占重量份额。 .(

6、/)( /)c mic iiSf S第20页/共64页22电子质量碰撞阻止本领公式：（1）电离损失与电子的能量（速度）成反比； 作用时间（2）电离损失与物质的电子密度成正比； 作用概率第21页/共64页23碰撞阻止本领关系式（1）不同电荷，相同速度，同一物质（2）相同粒子，相同速度，不同物质),()(12IfMZzdldEcol22,)()(BABcolAcolzzSSABBcolAcolMZMZSS)/()/()()(,第22页/共64页24第23页/共64页25第24页/共64页26Ee：电子能量：电子能量Z： 介质原子序数介质原子序数 粒子能量损失的主要方式：（粒子能量损失的主要方式：（

7、1 1）电离）电离 损失；（损失；（2 2）辐射损失（轫致辐射）辐射损失（轫致辐射） 辐射损失与电离损失的比值辐射损失与电离损失的比值800ZEdldEdldEeionrad第25页/共64页27dldT21)/( 电子在密度为的介质中穿行距充为dl时产生的散射均方角增量。2d第26页/共64页28第27页/共64页29重带电粒子第二节 带电粒子与物质的相互作用第28页/共64页30电子和射线第二节 带电粒子与物质的相互作用第29页/共64页3100/ )(1dxdxxdNxNR连续慢化近似射程r0 假设带电粒子与物质的每次相互作用损失的能量足够小，以致于可以把带电粒子损失能量的过程看成是连续

8、慢化过程，则初始能量E的带电粒子在介质中穿行路程质量厚度的期望值可表示为：EEdEESdEdEdldlr0010/ ) (r0R第30页/共64页32NEw E 带电粒子的初始能量；带电粒子的初始能量； 产生的离子对数的平均值，包括直接电产生的离子对数的平均值，包括直接电 离产生的离子对和次级辐射（例如轫致辐射离产生的离子对和次级辐射（例如轫致辐射） 产生的离子对。产生的离子对。N第31页/共64页33 粒子在空气中产生一个电离对的平均能量约粒子在空气中产生一个电离对的平均能量约35.5eV第32页/共64页34第33页/共64页35第34页/共64页36一、r和x射线与物质的相互作用1.作用

9、类型与特点 （1）射线与x射线的定义（或产生） -rays：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）产生的电磁辐射光子。 x-rays：a.轫致辐射x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。 b.特征x射线。由原子电子能级改变而产生的电磁辐射。第35页/共64页37 （2）作用类型（按能量吸收的多少来划分）完全吸收：完全吸收：光电效应、电子对生成、光 核反应和光介子生成等。部分吸收：部分吸收：康普顿散射和核共振散射。不不 吸吸 收：收：弹性散射。第36页/共64页38三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

10、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）特点第37页/共64页39 与带电粒子比较，光子与物质相互作用的截面小得多，在 介质中可以穿行比较长的路程。一次相互作用过程中光子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（Cross section截面）、能量转移（energy transfer）和能量吸收（energy absorption）的几率。 第38页/共64页402.三种重要作用

11、（对能量转移和吸收的贡献而言） (1)Photoelectric effect(光电效应)第39页/共64页41自由电子自由电子原原子子受激原受激原子子作用机制作用机制光子同光子同(整个整个)原子作用把自己的全部能量传递给原原子作用把自己的全部能量传递给原子子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。成为自由电子，光子本身消失了。 + A A* + e- （光电子）（光电子） 原子原子 A + X 射线射线光电效应光电效应第40页/共64页42(2)Compton effect(康普顿散射) Compton scatter

12、ing 第41页/共64页43散射光子h反冲电子e入射光子h2tan)1 (cot)cos1 (1/aahh注：=h/m0c2第42页/共64页44(3)Pair production(电子对生成) Pair creation第43页/共64页45 电子对效应电子对效应能量能量1.02 MeV 1.02 MeV 的的射线射线与原子核作用可能产生一对与原子核作用可能产生一对正正- -负电子。负电子。 M M M + e M + e+ + + e+ e- - 1 1 + + 2 2 1.02 MeV m 1.02 MeV me e m me e 0.511MeV 0.511MeV 0.511MeV

13、 0.511MeV基本条件：基本条件： 射线能量射线能量 E E 1.02 MeV 1.02 MeV 为什麽？为什麽？能量转化成能量转化成质量质量M = E /C2第44页/共64页461）共同特点： a.存在角分布，且hv越大，光电子、反冲电子，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（电子）动能的分数和相应的作用截面相乘获得。2）相对重要性第45页/共64页47二、Damping factor（衰减系数）、Energy transfer facter（能量转移系数）、Energy absorption factor（能量吸收系数） (1)窄束衰减和衰减系数（

14、Narrow beam attenuation and Damping factor） dN=-N dx （为线衰减系数） N=N0e-x定义质量衰减系数为/。RR第46页/共64页48各种相互作用的衰减系数可同时对应的相互作用截面来表示。 ()AaANM()AeAN ZM=(NA/MA)a R=(NA/MA)a R第47页/共64页49（2）能量转移系数tr（Energy transfer factor）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转移为电子动能的份额。表述： trtrtrtr质量能量转移系数tr/ /trtrtrtr第48页/共64页50（3）能量吸收系

15、数en和辐射份额Y(E)（Energy absorption factor and Radiative fraction）线能量吸收系数 en质量能量吸收系数 en/(1)entrg/(1)entrg en/表示光子在物质中穿过单位质量厚度时，入射光子能量中转移给次级电子能量的碰撞损失份额。 g 能量转换为轫致辐射的份额。 第49页/共64页51瞬时能量为E的电子的能量辐射损失份额y(E)可表示为：( )( ( )/) / ( )/ry ES ES E能量为E的电子在慢化过程中的辐射能量损失份额Y（E）： 0001()()/()EEEY Ey E dEdEy E dEE若各作用过程产生的次级电

16、子初始谱为f（E），则有： 00() ()/()hvhvgf E Y E dEf E dE第50页/共64页52nn)(.)()(2211第51页/共64页53第52页/共64页54中子几乎不与电子相互作用，只能与原子核相互作用中子散射弹性散射 如：快中子与轻介质非弹性散射 如：快中子与重介质吸收 辐射俘获 第53页/共64页55第54页/共64页56在质心坐标系中单次碰撞后能量比：散射角c可取0间的任何值多次碰撞后，平均能量损失份额：对氢核的例子第55页/共64页57快中子能量从E1降到En，所需的平均碰撞次数：第56页/共64页58非弹性散射过程：（1）直接相互作用（10-2210-21）

17、；（2）形成复合核（10-2010-15）；（3）靶核发出动能较低的中子；（4）靶核处于激发态；（5）靶核释放若干光子退激。靶核的内能发生了改变第四节 中子与物质的相互作用第57页/共64页59非弹性散射的特点：（1）要克服最低的激发能级，所以存在阈能；（2）阈能以上，中子能量越高，非弹性散射截面越大；（3）第一激发能越低，越容易发生非弹性散射 重核的第一激发能约100千电子伏 轻核的第一激发能约几兆电子伏（4）伴随射线例屏蔽层加入重金属与减速剂交替屏蔽（中子减速、射线）第58页/共64页60（n，）反应第四节 中子与物质的相互作用第59页/共64页61（1）反应截面与中子能量有关，低能区除共振峰外，一般服从 规律；（2）反应形成的核素一般是放射性的，也有稳定核；（3）不同核素的热中子俘获截面变化很大，氙：