第1章-电离辐射场课件

1、课程简要知识体系课程知识的回溯课程知识分解辐射知识分解v什么是电离辐射剂量什么是电离辐射剂量? 电离辐射剂量实质是电离辐射对受照物质造成的电离辐射剂量实质是电离辐射对受照物质造成的真实效应或潜在影响的一种物理度量。真实效应或潜在影响的一种物理度量。 为什么对电离辐射要进行防护？为什么对电离辐射要进行防护？核技术的的广泛应用导致可能对人体造成损伤：核技术的的广泛应用导致可能对人体造成损伤： 1. 核能应用核能应用（包括核武器的制造）（包括核武器的制造） 2. 核技术在工农医等各部门的应用核技术在工农医等各部门的应用物理量的分类v作为物理现象的观察指标，可分为作为物理现象的观察指标，可分为2类：类

2、： 随机量(Stochastic Quantities)：量值遵循概率分布的； 非随机量(Non - Stochastic Quantities)：量值具有单值性质的；随机量、非随机量非随机量的性质v 随机量的性质随机量的性质：随机量是与特定的微观体积相联系的，只：随机量是与特定的微观体积相联系的，只有规定了体积的大小，才能讨论其数值的分布。随机量的有规定了体积的大小，才能讨论其数值的分布。随机量的数值无法预计，只能根据统计规律确定其取某一特定值的数值无法预计，只能根据统计规律确定其取某一特定值的几率。其在时间和空间上是不连续的，数学上是不能微分几率。其在时间和空间上是不连续的，数学上是不能微

3、分的。不能用变化率的概念描述。的。不能用变化率的概念描述。v 非随机量的性质非随机量的性质：非随机量数值可以预测，对于特定的照：非随机量数值可以预测，对于特定的照射条件，一种宏观量的数值可以用另一个宏观量加以确定。射条件，一种宏观量的数值可以用另一个宏观量加以确定。非随机量是时间、空间和数值的连续函数，可延伸出速率非随机量是时间、空间和数值的连续函数，可延伸出速率和梯度。和梯度。本门课程 除非特殊需要，除非特殊需要，目前放射生物学目前放射生物学研究和放射防护研究和放射防护与评价常常采用与评价常常采用具有统计平均值具有统计平均值性质的非随机量性质的非随机量（宏观量）（宏观量） 来来表示表示第一章

4、 描述辐射场的物理量和单位 v第一节第一节 电离辐射及分类电离辐射及分类v第二节第二节 电离辐射场的概念电离辐射场的概念v第三节第三节 辐射传输方程辐射传输方程v第四节第四节 方程基本求解方法方程基本求解方法第一节第一节 电离辐射及分类电离辐射及分类v1.1 概念定义概念定义v1.2 按射线本质分类按射线本质分类v1.3 按与物质的作用能力分类按与物质的作用能力分类v1.4 按与物质的作用过程分类按与物质的作用过程分类v1.5 按与人体的作用方式分类按与人体的作用方式分类1.1 1.1 概念定义概念定义v电离：电离：从一个原子、分子或其它束缚状态释放一个或多个电子的过程；v电离辐射：电离辐射：

5、由能通过初级过程或次级过程引起电离的带电粒子或不带电粒子组成的，或者由它们混合组成的辐射；1.1 1.1 概念定义（续）概念定义（续）v电离辐射场电离辐射场：电离辐射无论在空间，还是在介质内部通过、传播以至经由相互作用发生能量传递的整个空间范围，由此形成的场；v辐射量：辐射量：为了表征辐射源特征，描述辐射场性质，量度辐射与物质相互作用的程度及受照物质内部发生的辐射效应的量；1.2 1.2 按射线本质分类按射线本质分类v1.粒子辐射粒子辐射：是指组成物质的基本粒子，或由这些粒子组成的原子核。既有能量又有静止质量。粒子辐射是一些高速运动的粒子，消耗自己的动能把能量传给被穿透的物质。粒子辐射包括电子

6、、质子、中子、粒子、粒子和带电重离子等。v 2.电磁辐射电磁辐射：实质是电磁波，仅有能量，没有静止质量。包括无线电波、微波、可见光、紫外线、X射线和 射线等。电磁辐射示意图电磁辐射示意图不同种类电磁波的波长不同种类电磁波的波长1.3 1.3 按与物质的作用能力分类按与物质的作用能力分类v1.电离辐射电离辐射：通过初级和次级过程引起物质电离，如粒子、粒子、质子、中子、X射线和 射线等，对于X、 射线，一般当E 10ev时可以引起电离辐射，或当波长 10)近壁区不适用 优点:无需任何边界条件，边界被处理成黑体 (发射率Emissivity = 1.0) 例子:透过热玻璃的传热透过半透明材料的传热1

7、.2 The P-1 Model1.2 The P-1 ModelvThe P-1 Model 假设:辐射强度为各向同性或在指定空间位置方向无关 方法:需求解额外疏运方程 局限:仅适用于光学厚度 optical thickness/depth 1对透明壁面不适用对所有的外部壁面不适用 优点:适用于非黑体壁面，非常属性材料，各向异性散射，近壁面例如:粉碎燃料火焰(适用离火焰中等距离位置)1.3 The Discrete Transfer Model1.3 The Discrete Transfer ModelvThe Discrete Transfer Model 假设:散射各向同性系统为均一的

8、 方法:1)离边界的光子距在求解前就决定2)辐射强度沿光谱方向求解简化的疏运方程 (假设散射各向同性)3)假设系统为均相的,对整个系统求解吸收、发射和散射1.4 The Monte Carlo Model1.4 The Monte Carlo ModelvThe Monte Carlo Model 假设:辐射强度和光子的离散角通量成比例（angular flux of photons ），辐射场处理为光子气 i.e. 光谱分析, # of histories T4 方法:跟踪典型的光子气并标记计算 (在每个体单元内):1.跟踪的距离 平均总辐射强度2.距离乘吸收系数 平均总吸收强度3.距离乘散

9、射系数 平均总散射强度1.4 The Monte Carlo Model1.4 The Monte Carlo Model（续）（续）vThe Monte Carlo Model 局限:计算资源消耗大: 每个求解步内都追踪区域内的样本和光线.总包含统计误差 1/N 优点:非常通用的方法 适合 gray/non-gray, scattering, emission and absorption对于透明介质辐射计算，推荐使用二二 求解方程的前提条件求解方程的前提条件v如果方程包含时间项，需要给出初始条件，同时如果方程包含时间项，需要给出初始条件，同时给出空间边界条件；给出空间边界条件；v如果方程不

10、包含时间项，则只需要边界条件即可；如果方程不包含时间项，则只需要边界条件即可；v从数学物理方法知识，常见边界条件有从数学物理方法知识，常见边界条件有2类，第类，第一类，第二类边界条件。一类，第二类边界条件。v上述条件下一般可以唯一确定方程的解。上述条件下一般可以唯一确定方程的解。三三 理论求解方法理论求解方法v特点：一般只能用来求解简化的问题，如：特点：一般只能用来求解简化的问题，如：稳态问题（恒定辐射场）；稳态问题（恒定辐射场）；单速问题（粒子能量单一）；单速问题（粒子能量单一）；一维问题（轴对称的平板几何条件）；一维问题（轴对称的平板几何条件）；二维问题（轴对称）；二维问题（轴对称）；均匀

11、（系统的参量如粒子移入、移出截面均匀（系统的参量如粒子移入、移出截面为常数）；为常数）；三三 理论求解方法（续）理论求解方法（续）v 0,coscosjjixx P 0,coscosjjiS xsx P 求解思想：一般采用球谐函数法，求解思想：一般采用球谐函数法，把与角度有把与角度有关的各项展开为第一类球谐函数关的各项展开为第一类球谐函数(即勒让德多项即勒让德多项式函数式函数)：例如针对稳态，单速，一维平板，均匀问题：例如针对稳态，单速，一维平板，均匀问题： 0,coscosjjixx P 三三 理论求解方法（续）理论求解方法（续） 1112321421nnnnnnndndxxndxndxxx

12、Sxn 利用勒让德多项式的正交性、加法定理等，可利用勒让德多项式的正交性、加法定理等，可以最终得到如下形式：以最终得到如下形式： 0000 xSxS 配合边界条件：配合边界条件：四四 数值求解数值求解v1、方程的数值离散，如有限差分法，有限元法，建、方程的数值离散，如有限差分法，有限元法，建立起一组方程的代数形式；立起一组方程的代数形式；利用有限差分法对方程的数值离散，可以参考利用有限差分法对方程的数值离散，可以参考反应反应堆物理分析堆物理分析中对扩散方程的离散方法；中对扩散方程的离散方法；v2、把离散后的代数形式的方程以矩阵形式表示：、把离散后的代数形式的方程以矩阵形式表示：v3、应用各种矩

13、阵的求解方法，如、应用各种矩阵的求解方法，如LU分解法，但一般分解法，但一般采用迭代法如高斯采用迭代法如高斯-赛德尔迭代法，共轭梯度法等等；赛德尔迭代法，共轭梯度法等等；v4、编写程序；、编写程序；Axb 五五 结论结论v采用辐射传输方程求解粒子的时空分布演变情况采用辐射传输方程求解粒子的时空分布演变情况已经不多见；已经不多见；v目前主要蒙特卡罗方法进行粒子随机跟踪模拟，目前主要蒙特卡罗方法进行粒子随机跟踪模拟，然后对粒子的历史行为进行随机涨落统计分析，然后对粒子的历史行为进行随机涨落统计分析，最终得到相关结论；最终得到相关结论；v蒙特卡罗方法及软件在辐射剂量与防护计算中的蒙特卡罗方法及软件在辐射剂量与防护计算中的应用越来越多，是以后学习重点。应用越来越多，是以后学习重点。参考文献参考文献v 1 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，北京，19921992； v 2 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