卫生监督培训——核辐射与物质相互作用

1、全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院射线射线 Ray 高速运动的粒子和光子高速运动的粒子和光子 （天然或人工放射性核素、加速器、（天然或人工放射性核素、加速器、X X射线机、宇宙射线机、宇宙射线）射线）包括：包括： X X射线、射线、 射线、射线、 射线、射线、 射线、质子、中射线、质子、中子、介子和重离子（子、介子和重离子（A4A4）等）等 本质都是本质都是辐射粒子。辐射粒子。 全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院物质物质 Matter 常被称为：常被称为：靶物质靶物质

2、 靶材料靶材料 各种化学元素各种化学元素 单质单质 化合物化合物 混合物混合物 可以是可以是 气体气体 液体液体 固体固体 全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院相互作用相互作用 Interaction 射线穿过物质时，所发生的复杂的物理过程，射线穿过物质时，所发生的复杂的物理过程，称为相互作用。称为相互作用。能量损失能量损失角度偏转角度偏转吸收吸收决定于决定于入射入射粒子粒子和和被作用物质被作用物质的性质的性质 全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院 放射性放出的射线碰到各

3、种物质的时放射性放出的射线碰到各种物质的时候，会产生候，会产生各种效应各种效应：射线射线对对物质物质的作用的作用物质物质对对射线射线的作用的作用例如：例如：使照相底片和乳胶感光使照相底片和乳胶感光使一些物质产生荧光使一些物质产生荧光可穿透一定厚度的物质可穿透一定厚度的物质吸收一部分吸收一部分散射一部分散射一部分可能使一些物质的原可能使一些物质的原子、分子发生电离子、分子发生电离全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院 从射线的测量、利用以及防护的角度上讨论问题，从射线的测量、利用以及防护的角度上讨论问题，经常将射线按照带电性质分为几类：

4、经常将射线按照带电性质分为几类： 1.1.带电射线带电射线： 、t t、d d、p p、 、 、 e e 轻带电粒子轻带电粒子：e e+ +、e e- - 重带电粒子重带电粒子：、 p p、 重离子重离子：Z 2Z 2 2. 2.中性粒子中性粒子：超子、超子、 0 0、n n 3. 3.电磁辐射电磁辐射：、全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院主要内容主要内容：一一. .重带电粒子与物质相互作用（重带电粒子与物质相互作用（）二二.射线与物质相互作用射线与物质相互作用三三. .射线与物质相互作用射线与物质相互作用四四. .中子与物质相互

5、作用中子与物质相互作用全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院一一. .重带电粒子与物质相互作用重带电粒子与物质相互作用1. 粒子参数、来源及特点粒子参数、来源及特点2. 电离能量损失电离能量损失1）平均电离能）平均电离能2）比电离）比电离3）粒子的射程粒子的射程3. 离子的射程离子的射程1）作用机制）作用机制2）公式及结论）公式及结论全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院粒子（粒子（ 射线）就是高速运动的氦核，射线）就是高速运动的氦核，它是它是一个极其稳定的原子核一个极其稳定

6、的原子核2 Ae2 原子序数：原子序数：质量数：质量数：质质 量：量：eep24-m7300m18364m4106.644254.0015064M 克原子 质子质量电电 荷：荷：2 Z粒粒子子的的参参数数1）粒子粒子参数、来源及特点参数、来源及特点全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院 重带电粒子与物质相互作用，常常是以重带电粒子与物质相互作用，常常是以粒子粒子为例。为例。 重带电粒子是相对于重带电粒子是相对于电子电子质量而言的，质质量而言的，质量要比电子的量要比电子的质量大质量大的多。的多。eem7300m18364M 全国放射卫生

7、监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院主要由主要由不稳定的原子核不稳定的原子核（如象（如象232232ThTh、228228RaRa等放等放射源）放出来的射源）放出来的 最大能量最大能量10MeV10MeV 通常情况下通常情况下 4 46MeV6MeV 可放出可放出粒子的放射性同位素有粒子的放射性同位素有200200多种多种有时可由有时可由加速器加速器得到能量可达得到能量可达几百几百MeVMeV的的粒子粒子 （这样的能量足以克服任何（这样的能量足以克服任何靶物质原子核的库靶物质原子核的库仑排斥力，而使仑排斥力，而使粒子进入核力范围，因而它粒子进入

8、核力范围，因而它是产生核反应的一种有效的入射粒子）是产生核反应的一种有效的入射粒子） 粒粒子子的的来来源源及及特特点点全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院 随着粒子与物质的相互作用，粒子逐渐损失能量，随着粒子与物质的相互作用，粒子逐渐损失能量，速度减慢速度减慢慢化慢化 入射粒子最后完全停留在靶物质入射粒子最后完全停留在靶物质吸收吸收 几种主要的使入射粒子损失能量（慢化）的几种主要的使入射粒子损失能量（慢化）的相互作用过程：相互作用过程：电离能量损失电离能量损失辐射能量损失辐射能量损失散射散射全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培

9、训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院 1）作用机制）作用机制 当当粒子通过物质时，由于与靶物质核外电子之间粒子通过物质时，由于与靶物质核外电子之间的库仑作用力，使电子受到的库仑作用力，使电子受到吸引吸引或或排斥排斥。从而，使。从而，使电电子获得一部分能量。子获得一部分能量。获得的这部分能量分成获得的这部分能量分成两种情况两种情况：a.a.获得的能量获得的能量足够大，足以足够大，足以克服克服原子核的束缚变成自由电子原子核的束缚变成自由电子 一个自由电子一个自由电子 失去了一个电子的正离子失去了一个电子的正离子2.2.电离能量损失电离能量损失电离电离全国放射卫生监督员培训全国放

10、射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院n传递的能量传递的能量不够大，不足以不够大，不足以克服原子核的束缚克服原子核的束缚 激发状态是不稳定的，激发状态是不稳定的，以发射光子的形式放出相以发射光子的形式放出相应的能量，回到基态。应的能量，回到基态。原子退激原子退激可以使电子从低能级状态跃迁可以使电子从低能级状态跃迁至高能级状态、使原子处于激至高能级状态、使原子处于激发状态发状态激发激发全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院当入射带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞时当入射带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞时 电

11、离能量损失是重带电粒子在穿过物质的过程电离能量损失是重带电粒子在穿过物质的过程中，能量损失的中，能量损失的主要方式主要方式靶物质原子靶物质原子获得能量获得能量电离电离 激发激发入射射线（入射射线（）损失能量损失能量电离能量损失电离能量损失（阻止本领）（阻止本领）慢慢 化化全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院 B(V)VNZzZc11lnIVm2lnVmNZez4dXdE2222202042ion 2）公式及结论：）公式及结论：入射粒入射粒子电荷子电荷电子的静电子的静止质量止质量靶物质原靶物质原子序数子序数相对论修正项相对论修正项壳层

12、修正项壳层修正项靶物质单位体靶物质单位体积内原子数目积内原子数目全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院 VB22VNZzdXdEion 电离损失与入射粒子速度电离损失与入射粒子速度 成反比成反比21v 当种类当种类相同的入射粒子相同的入射粒子（粒子速度（粒子速度V不太大不太大时）时） ，入射到，入射到相同的靶物质相同的靶物质中时，相同的情况中时，相同的情况下，下， 速度越快，损失能量越小速度越快，损失能量越小几点结论：几点结论：全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院 VB22

13、VNZzdXdEion 电离损失与入射粒子所带的电荷数电离损失与入射粒子所带的电荷数 成正比成正比2z速度相同，而所带电荷不同的入射粒子速度相同，而所带电荷不同的入射粒子 大大电离损失电离损失大大 小小电离损失电离损失小小 速度相同，入射粒子的电荷数越速度相同，入射粒子的电荷数越多多， 能量损失越能量损失越快快 穿透本领穿透本领越越弱弱 zz全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院当两者速度相等时，防护当两者速度相等时，防护粒子比质子要容易得多粒子比质子要容易得多 )()(4pioniondxdEdxdE 4倍12zzdxdEdxdE2

14、22p2ion(p)ion( )例如：当例如：当、P P以相同的速度入射到相同物质中时以相同的速度入射到相同物质中时 VB22VNZzdXdEion 1:2Z ZP： 全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院 组织本领与入射重带电粒子能组织本领与入射重带电粒子能量的关系量的关系 在图在图2.12.1的的 b b段段 成成反比反比 电离损失与电离损失与靶物质靶物质NZNZ成正比，成正比， 高高Z Z、高、高N N物质对重带电粒子的阻物质对重带电粒子的阻止本领比轻物质止本领比轻物质（低（低Z、低、低N）大大 VB22VNZzdXdEion

15、图图2.1全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院2.2.粒子的射程粒子的射程 Range Range1 1）比电离）比电离 Specific ionization 定义：定义：单位路程上产生离子对的数目单位路程上产生离子对的数目 S S 重带电粒子穿过靶物质时，与原子核外电子碰撞，重带电粒子穿过靶物质时，与原子核外电子碰撞，引起原子的引起原子的电离和激发而损失能量电离和激发而损失能量，因此，沿入射，因此，沿入射粒子入射途径会产生电子粒子入射途径会产生电子-正离子对。正离子对。 重带电粒子在穿过靶物质时，一路上所重带电粒子在穿过靶物质时

16、，一路上所产生的产生的离子对数目分布是不均匀的。离子对数目分布是不均匀的。全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院总电离总电离= =初级电离初级电离+ +次级电离次级电离 如果，如果，次级电子的能量足够大（次级电子的能量足够大（电子），它电子），它也可以使物质电离，这种电离过程也可以使物质电离，这种电离过程产生的自由电子产生的自由电子次级电子次级电子初级电离初级电离由入射粒子直接作用引起的电离由入射粒子直接作用引起的电离次级电离次级电离全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院由图

17、由图2.2 可见：可见： 当当粒子粒子刚刚进入空气中时，进入空气中时，比电比电离较小离较小 随着穿过距离的增大，随着穿过距离的增大，比电离越比电离越来越大来越大 入射粒子穿过物质时，会逐渐损入射粒子穿过物质时，会逐渐损失能量，当能量很小时，电离损失能量，当能量很小时，电离损失最大，直至电离损失为零。失最大，直至电离损失为零。图图2.2全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院平均电离能平均电离能定义：定义：产生一对离子对需要的平均能量产生一对离子对需要的平均能量 W W平均电离能平均电离能的的特点特点：只与物质种类有关，只与物质种类有关，

18、与入射粒子能量无关与入射粒子能量无关全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院n射程：射程： 入射粒子在吸收物质中，入射粒子在吸收物质中，沿入射方向沿入射方向从入射点从入射点到它的终点（速度为零）之间的到它的终点（速度为零）之间的直线距离直线距离 入射粒子在吸收体中所经过的入射粒子在吸收体中所经过的实际轨迹的长度实际轨迹的长度。一般情况下，一般情况下，路程路程射程射程n 路程路程00000/ERRdxdEdEdEdEdxdxxR2) 2) 粒子的射程粒子的射程全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学

19、放射医学与防护学院 粒子粒子与电子碰撞的过程中，轨迹几乎是与电子碰撞的过程中，轨迹几乎是一条直线运动方向不会发生很大的改变一条直线运动方向不会发生很大的改变 emm7300 粒子的径迹是粒子的径迹是直线的直线的路程路程 射程射程全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院4-7MeV 4-7MeV 的的粒子粒子 在标准状态下的在标准状态下的空气中的射程空气中的射程320E0.318R 图图2.3经验公式经验公式：MeVcm全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院计数保持不变计数保持不

20、变平均射程平均射程对于对于 210Po30MeV5E. 在标准状态下的空气在标准状态下的空气中中84cm3R. 全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院04102 .3RAR 同种带电粒子在不同物质中的射程，可用空气来计算同种带电粒子在不同物质中的射程，可用空气来计算对于化合物和混合物主要差别在于对于化合物和混合物主要差别在于A A值的差别：值的差别：ii332211AnAnAnAnA 布雷格布雷格克莱门经验规律克莱门经验规律000AARR 全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学

21、院对于能量为对于能量为37MeV 的的粒子，粒子， 在标准状态下的空气中，平均射程在标准状态下的空气中，平均射程全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院粒子能量（ ）空气（ ）生物组织（ ）铝（ ）42.531164.53.037205.03.543235.54.049266.04.656306.55.264347.05.972387.56.681438.07.491488.58.1100539.08.9110589.59.81206410.010.613069 表表2.1 粒子在几种物质中的射程粒子在几种物质中的射程m m cmMeV

22、全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院用质量厚度表示射程用质量厚度表示射程：5MeV 的的粒子在人体组织中的射程为粒子在人体组织中的射程为43m43m3cmg1 RRm人体组织密度：人体组织密度：2-4m/3 . 411043cmmgRR 人体皮肤厚度：人体皮肤厚度：27cmgm所以：所以：粒子造成的粒子造成的外照射外照射伤害可以不考虑伤害可以不考虑2cmg单位：单位：全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院问题：问题：1）全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学

23、放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院二二. . 射线电子与物质相互作用射线电子与物质相互作用 射线射线来源及特点来源及特点 能量损失能量损失1）电离能量损失）电离能量损失2）辐射能量损失）辐射能量损失3）多次散射）多次散射3.3.射线的吸收射线的吸收全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院1. 1. 粒子粒子参数、来源及特点参数、来源及特点射线射线 实际上是高速运动的电子实际上是高速运动的电子 （负电子、正电子）（负电子、正电子）由核衰变产生的由核衰变产生的射线，具有以下特点：射线，具有以下特点： 半衰期在半衰期在 能量能量 0

24、4MeV 能谱特点：能谱特点： 连续连续 有最大衰变能有最大衰变能 某处有最大强度某处有最大强度y1871010 能谱示意图能谱示意图全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院电子与物质相互作用的电子与物质相互作用的特点特点： 与与相同之处：相同之处：均是均是带电粒子带电粒子在与物质相互作用时，仍然主要是在与物质相互作用时，仍然主要是与物质中原子的核外电子发生与物质中原子的核外电子发生电离电离相互作用相互作用 与与不同之处：不同之处：粒子质量是粒子质量是粒子的质量的粒子的质量的1/73001/7300, , 在与物在与物质相互作用过程中质

25、相互作用过程中, ,会有很大的差别会有很大的差别全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院主要作用形式有主要作用形式有：电离能量损失电离能量损失辐射能量损失辐射能量损失多次散射多次散射运动轨迹不再是直线，而是十分曲折运动轨迹不再是直线，而是十分曲折全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院存在的问题存在的问题： 粒子的质量只有粒子的质量只有粒子的粒子的1/73001/7300，所以具有，所以具有相同能量的相同能量的粒子和粒子和粒子速度就要相差很多，大粒子速度就要相差很多，大很多，往往

26、接近光速，因此对很多，往往接近光速，因此对粒子相互作用的情粒子相互作用的情况必须要考虑况必须要考虑相对论效应相对论效应同为同为4MeV4MeV的的 粒子和粒子和粒子粒子C%.vC%v5995 全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院 当快速电子通过物质时，它与物质原子的壳层电当快速电子通过物质时，它与物质原子的壳层电子发生碰撞，入射电子将自己的一部分能量给与原子发生碰撞，入射电子将自己的一部分能量给与原子壳层电子，使原子电离或激发。子壳层电子，使原子电离或激发。 电离能量损失电子在穿过物质时，损失能量的电离能量损失电子在穿过物质时，损失

27、能量的主要主要方式方式1）电离能量损失）电离能量损失2. 能量损失能量损失全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院表表 几种物质的电子平均电离能几种物质的电子平均电离能物质名称物质名称 空气空气 Al CH4 H2 CO2 HeW (eV) 34 26.4 27.0 36.3 32.8 41 电子在吸收物质中产生一对粒子对所消耗的平电子在吸收物质中产生一对粒子对所消耗的平均能量与电子能量无关，只依赖于物质种类。均能量与电子能量无关，只依赖于物质种类。可见：可见：全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州

28、大学放射医学与防护学院 )(1118111122ln12ln222222220204vNZBvIvEmNZvmedxdEe 电子的电离能量损失率电子的电离能量损失率: :全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院电子的电离损失率电子的电离损失率: :粒子粒子的的电离能量损失率电离能量损失率： B(V)VNZzZc11lnIV2mlnVmNZe4dXdE2222202042ion )(1118111122ln12ln222222220204vNZBvIvEmNZvmedxdEe全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与

29、防护学院苏州大学放射医学与防护学院NZvdxdEe21电子的电离能量损失率电子的电离能量损失率: :（1 1）差别仅在与方括号内的第二项）差别仅在与方括号内的第二项（2 2）(-dE/dx)(-dE/dx)e e与粒子的速度与粒子的速度v v2 2成反比成反比 在相同能量的情况下，电子的速度要比在相同能量的情况下，电子的速度要比粒子粒子的速度大很多，因此电子的电离损失率比的速度大很多，因此电子的电离损失率比粒粒子要小得多，正是由于它的电离损失率小。子要小得多，正是由于它的电离损失率小。结论结论: 射线穿透物质的本领比射线穿透物质的本领比粒子大得多粒子大得多全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督

30、员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院 4MeV4MeV粒子粒子 在水中每微米产生在水中每微米产生30003000对电子正离子对对电子正离子对 1MeV1MeV粒子粒子 在水中每微米产生在水中每微米产生5 5对电子正离子对电子正离子对对 SwdxdEe （3 3）电子的电离本领较弱电子的电离本领较弱能量损失率能量损失率平均电离能全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院穿透力强穿透力强 穿过同样厚度的同一物质时，粒子比粒子损失的能量要小得多，所以具有更大的穿透力。电离本领弱电离本领弱 穿过同样厚度的同一物质时，粒子比

31、粒子的能量损失要小得多，所以产生的电子正离子对就少，电离本领弱。电子的电离损失率具有的电子的电离损失率具有的特点特点（与与相比）相比）全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院2 2）辐射能量损失）辐射能量损失作用机制作用机制 当快速带电粒子穿过物质时，受核库伦场作用当快速带电粒子穿过物质时，受核库伦场作用而改变速度，这时粒子的而改变速度，这时粒子的动能的一部分动能的一部分会以电磁波会以电磁波的形式辐射出来的形式辐射出来轫致辐射轫致辐射 222NZmEzdxdErad 入射粒子入射粒子的的电荷电荷、能量能量及及质量质量辐射能量损失率：辐射

32、能量损失率：吸收物质吸收物质单位体单位体积的原子数积的原子数吸收物质吸收物质的原子序数的原子序数全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院结论结论: :矛盾的两个方面矛盾的两个方面 222NZEmzdxdErad 正比于正比于Z Z2 2 ， raddxdE 用重元素作靶物质时，易于发生轫致辐射用重元素作靶物质时，易于发生轫致辐射全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院 与与m m2 2成反比成反比 raddxdE 粒子和质子的轫致辐射是电子的粒子和质子的轫致辐射是电子的1010-

33、6-6217300 zzmmee速度相同的情况下，速度相同的情况下， 222NZEmzdxdErad 因此因此 对于比对于比质子质子更重的带电粒子的辐射能更重的带电粒子的辐射能量损失完全可以忽略不计量损失完全可以忽略不计全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院c c） 正比于正比于E E 粒子能量高时，轫致辐射才显著粒子能量高时，轫致辐射才显著 raddxdE 辐射损失辐射损失辐射损失辐射损失 222NZEmzdxdErad 全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院800ZEdx

34、dEdxdEionrad决定因素：决定因素： 入射粒子能量入射粒子能量 靶物质原子序数靶物质原子序数当要当要吸收吸收、屏蔽屏蔽射线时，射线时，不宜不宜选用重材料选用重材料当要当要获得获得强的强的X X射线时，则射线时，则应应选用重材料作靶选用重材料作靶全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院图图 2.6 2.6 粒子能量损失与能量的关系粒子能量损失与能量的关系 粒子粒子与物与物质相互作用质相互作用时，时，辐射损失辐射损失是是其其重要重要的一的一种能量损失种能量损失方式方式。全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与

35、防护学院苏州大学放射医学与防护学院轫致辐射的轫致辐射的特点特点 入射电子原来的动能入射电子原来的动能 原子核、光子、被偏转原子核、光子、被偏转的电子三者之间分配，所以轫致辐射光子可以具有的电子三者之间分配，所以轫致辐射光子可以具有任何动能，对应的光子能量谱是连续的，任何动能，对应的光子能量谱是连续的，0 0最大最大, , 等于电子的动能等于电子的动能Ee Ee ，故，故： 轫致辐射又称轫致辐射又称连续连续X X射线射线全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院3 3）粒子的多次粒子的多次散射散射 粒子与靶物质原子核库伦场作用时，只改变粒子

36、与靶物质原子核库伦场作用时，只改变运动方向，而不辐射能量运动方向，而不辐射能量 。这种过程称为：。这种过程称为：弹性散射弹性散射 由于电子的质量小，因而散射角可以很大由于电子的质量小，因而散射角可以很大（与（与粒子相比，粒子相比，粒子的散射要大得多），而且粒子的散射要大得多），而且会发生多次散射，最后偏离原来的入射方向。入会发生多次散射，最后偏离原来的入射方向。入射射粒子能量越低，及靶物质原子序数越大，散射粒子能量越低，及靶物质原子序数越大，散射也就越厉害。也就越厉害。全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院 多次碰撞多次碰撞多次散射多

37、次散射 ，经，经多次散射，电子可能返回原来多次散射，电子可能返回原来的入射方向，这就叫做的入射方向，这就叫做“反散反散射射”。 对于对于粒子最后粒子最后散射角大于散射角大于9090的情况，称为的情况，称为“反散射反散射” 反散射系数反散射系数：反散射电子与入射电子强度之比：反散射电子与入射电子强度之比图图2.7全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院3. 射线的吸收射线的吸收 当单能电子或当单能电子或射线通过物质时，由于与物射线通过物质时，由于与物质相互作用，结果使它们的质相互作用，结果使它们的强度减弱强度减弱，最后停，最后停留在物质中

38、，称为留在物质中，称为吸收吸收。射线或单能电子束穿过物质时，强度减弱的现象射线或单能电子束穿过物质时，强度减弱的现象1）射线的吸收射线的吸收全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院 粒子在穿过物质时的总能量损失率比粒子在穿过物质时的总能量损失率比粒子小粒子小 粒子比粒子比粒子具有更大的射程粒子具有更大的射程 例如：例如：能量相同：能量相同：4MeV 被作用物质：被作用物质：空气空气粒子的射程：粒子的射程：2.5 cm粒子的射程：粒子的射程： 15 m全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学

39、与防护学院 因因衰变而放出的电子，其能量是连续分布衰变而放出的电子，其能量是连续分布的，故没有射程而言。的，故没有射程而言。 可用可用射线能量中电子的最大能量射线能量中电子的最大能量 所对应的射程来表示所对应的射程来表示射线的射程。射线的射程。 maxE maxR 射线的最大射程射线的最大射程全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院测量测量射线射程装置射线射程装置示意图示意图0/II15 . 0tmReR11ttmaxRmaxR e 全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院对于能

40、量在对于能量在 之间之间单能窄束单能窄束射线的吸收曲线，可以近似地表示为：射线的吸收曲线，可以近似地表示为：6MeVE5MeV. 0maxx-0eII mmx-0eII 进入吸收物质前进入吸收物质前的的粒子强度粒子强度进入吸收物质厚进入吸收物质厚度为度为X或或Xm后的后的粒子强度粒子强度线性吸收系数线性吸收系数cm-1线性厚度线性厚度cm质量吸收系数质量吸收系数质量厚度质量厚度g/cm2cm2/g全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院在实际工作中在实际工作中, , 常使用经验公式计算常使用经验公式计算射线的射程射线的射程133. 05

41、42. 08 . 0407. 08 . 015. 0maxmax38. 1maxmax ERMeVEERMeVEMeV时时时时射程的单位为质量射程的单位为质量厚度厚度 mg/cm2能量单位为：能量单位为：MeV全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院 3cmg0 . 1 7 . 2 表表2.2 2.2 几种物质中的几种物质中的粒子的射程粒子的射程介 质 密度单位： 射线能量射线能量(MeV)空气空气生物组织生物组织0.110.1 （0.012）0.016 （0.016）0.005 （0.014）0.231.1 （0.038）0.049

42、（0.049）0.0155 （0.042）0.356.7 （0.07 ）0.089 （0.089）0.028 （0.076）0.485.7 （0.11 ）0.187 （0.187）0.059 （0.159）0.5119.0 （0.146）0.187 （0.187）0.059 （0.159）1.0306 （0.367）0.48 （0.48 ）0.15 （0.41 ）3.01100 （1.35 ）1.74 （1.74 ）0.55 （1.49 ）5.01900 （2.34 ）2.98 （2.98 ）0.94 （2.54 ）0.001293 单位：cm单位：mg/cm2铝铝全国放射卫生监督员培训全国放

43、射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院从图中可知：从图中可知：单能电子与相同最大能量的单能电子与相同最大能量的射线的吸收曲线，射线的吸收曲线，形状差别较大。但最大射程相同。形状差别较大。但最大射程相同。用质量厚度来表示射程时，与物质的实际密度用质量厚度来表示射程时，与物质的实际密度和物理状态几乎无关和物理状态几乎无关 RRm5MeV5MeV的的射线射线2mcmmg542R. 2mcmmg342R. 在铝中：在铝中：在空气中：在空气中：0.94mmR 1900mmR 全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院

44、对于一定能量的对于一定能量的粒子，用质量厚度来表示射粒子，用质量厚度来表示射程时，几种介质几乎是相同的。程时，几种介质几乎是相同的。 所以所以, , 通常用铝作为标准，来估计通常用铝作为标准，来估计Z Z相差不大相差不大的物质对的物质对射线的吸收情况射线的吸收情况全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院快电子与物质相互作用的特点快电子与物质相互作用的特点：快电子的快电子的速度大速度大； 重带电粒子相对速度小；重带电粒子相对速度小；快电子除电离损失外，快电子除电离损失外，辐射损失不可忽略辐射损失不可忽略； 重带电粒子主要通过电离损失而损失

45、能量；重带电粒子主要通过电离损失而损失能量；快电子快电子散射严重散射严重 重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院三三. .射线与物质相互作用射线与物质相互作用 概况介绍概况介绍 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 射线吸收射线吸收全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院 1. 概况介绍概况介绍a. 伴随核衰变的伴随核衰变的射线射线60Co 衰变纲图137Cs 衰变纲图 来源来源

46、射线的射线的能量能量原子核初态与终态之间的能原子核初态与终态之间的能量差，反映子核的能级结构量差，反映子核的能级结构半衰期特征半衰期特征呈现出母核呈现出母核衰变的半衰期衰变的半衰期全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院b. 湮没辐射湮没辐射 当母核经当母核经 衰变时，还伴有的电磁辐射产衰变时，还伴有的电磁辐射产生，起因在于初级衰变过程产生的生，起因在于初级衰变过程产生的正电子湮没正电子湮没。 C. 伴随核反应的伴随核反应的射线射线nOC10*m16813642 s11102 退激产生退激产生光子光子 6.30MeV6.30MeV平均寿

47、命平均寿命 例如：例如：全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院d. 轫致辐射轫致辐射 当快电子与物质相互作用时，其部分能量转换成当快电子与物质相互作用时，其部分能量转换成轫致辐射，其转换的份额随能量的增加而增加；随轫致辐射，其转换的份额随能量的增加而增加；随吸收物质的原子序数的增加而增加，能量连续分布。吸收物质的原子序数的增加而增加，能量连续分布。e. 特征特征X X射线射线 多种原因导致原子的内壳层出现空位，外层电子多种原因导致原子的内壳层出现空位，外层电子向内壳层填充的过程中，产生向内壳层填充的过程中，产生X射线。射线。全国放射卫

48、生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院n 规律规律 尽管他们产生的原因不同，能量大小不同，均尽管他们产生的原因不同，能量大小不同，均属于属于电磁波电磁波 只要它们的只要它们的能量相同能量相同，它们与物质相互作用的们与物质相互作用的规律就相同规律就相同全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院由于由于射线不带电，在物质中的穿透情况射线不带电，在物质中的穿透情况不能不能“射程射程”来描述。来描述。带电粒子是多次与电子和核碰撞作用带电粒子是多次与电子和核碰撞作用逐渐损失逐渐损失能能量，光子可以与

49、物质中的原子量，光子可以与物质中的原子一次碰撞损失全部一次碰撞损失全部或大部分能量。或大部分能量。射线穿过物质时射线穿过物质时，其能量不变，强度按指数规其能量不变，强度按指数规 律衰减律衰减x0eII 射线和带电粒子与物质相互作用的射线和带电粒子与物质相互作用的规律不同规律不同 由于由于射线不带电，它同物质相互作用完全不同射线不带电，它同物质相互作用完全不同于带电粒子，于带电粒子，主要区别在主要区别在： 全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院 作用方式作用方式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时时MeV30E 相

50、干散射相干散射光致核反应光致核反应核共振反应核共振反应贡献小于贡献小于1%1%MeV30KeV100:E 主要讨论主要讨论全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院 作用截面作用截面 射线与物质相互作用的大小也用反应截射线与物质相互作用的大小也用反应截面面 来表示来表示tNII 截面截面 Cross section 入射光子数入射光子数发生作用的光子数发生作用的光子数靶物质原子数靶物质原子数个个/cm3.cm 一个入射光子与单位面积上的靶原子发生作用一个入射光子与单位面积上的靶原子发生作用的几率的几率用（用（b b）来表示）来表示2241

51、01cmb 全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院 射线与物质发生不同的相互作用都具有一定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：小。而且，总截面等于各作用截面之和，即：pcph 光电效应截面光电效应截面康普顿效应截面康普顿效应截面电子对效应截面电子对效应截面全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院2. 光电效应光电效应 射线的全部能量转移给束缚电子，使

52、这些电子射线的全部能量转移给束缚电子，使这些电子从原子中激发出来，从原子中激发出来，光子本身消失光子本身消失这种现象这种现象光电效应光电效应放出的电子放出的电子光电子光电子图图2.9 （a）光电效应示意图）光电效应示意图全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院光电效应发生后的原子光电效应发生后的原子 发生光电效应时，从内壳发生光电效应时，从内壳层打出电子，在此壳层就留层打出电子，在此壳层就留下下空位空位，并使原子处于并使原子处于激发激发状态状态，这种激发状态是不稳，这种激发状态是不稳定的，定的，退激发过程退激发过程有两种：有两种： 特征

53、特征X X射线射线 俄歇电子俄歇电子图图2.9 （b）特征）特征X射线或射线或俄些电子发射示意图俄些电子发射示意图全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院 入射光子打在原子上，原子吸收了光子的全部入射光子打在原子上，原子吸收了光子的全部能量，其中能量，其中一部分一部分消耗于光电子脱离原子核的束消耗于光电子脱离原子核的束缚所需要的电离能（电子在原子中的结合能），缚所需要的电离能（电子在原子中的结合能），另一部分另一部分作为电子的动能，所释放出来的光电子作为电子的动能，所释放出来的光电子的能量就是入射光子能量与该光电子所处壳层的的能量就是入

54、射光子能量与该光电子所处壳层的结合能之差。结合能之差。a. 光电子的能量光电子的能量ieBhE 入射光子能量入射光子能量壳层结合能壳层结合能全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院b. 光电效应截面光电效应截面在非相对论情况在非相对论情况下下， 时时20cmh 在相对论情况下在相对论情况下时时20cmh N 275th52720421kh1ZZhcm32 h1ZZhcm5 . 15th5204k ANAm 全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院图图2.10 2.10 光电效应吸

55、收截面与入射光子能量的关系光电效应吸收截面与入射光子能量的关系全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院c. 发生光电效应的条件发生光电效应的条件光子能量光子能量 电子的结合能电子的结合能要有原子核参加要有原子核参加80% 的光电子是的光电子是 K K层电子层电子 kphph.54 光电效应的截面光电效应的截面光电效应中光电效应中K层层电子的贡献电子的贡献全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院3. 康普顿效应康普顿效应1) 光子穿过物质时光子穿过物质时而光子则被散而光子则被散射从

56、另一个方射从另一个方向飞出向飞出打出一个电子打出一个电子康普顿电子康普顿电子散射光子散射光子全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院散射光子和反冲电子的能量散射光子和反冲电子的能量散射光子的能量散射光子的能量 coshhcmh1120入射光子的能量入射光子的能量散射光子的散射角散射光子的散射角反冲电子的能量反冲电子的能量 coshcmehE1201换算关系换算关系: :2tgcmhctg 201 hhEe全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院特殊情况特殊情况：反冲电子能量最大反

57、冲电子能量最大 EEEe411max 散射光子能量最小散射光子能量最小 EEE41 0180 时，时，反散射反散射表表 入射光子与对应的反散射光子能量值（入射光子与对应的反散射光子能量值（MeVMeV） EE 0.5 0.662 1.0 1.5 2.0 3.0 4.0 0.169 0.184 0.203 0.218 0.226 0.235 0.240全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院2) 康普顿散射的截面康普顿散射的截面入射光子能量很低时，入射光子能量很低时，20cmh 1cZE 20cmh 入射光子能量较高时入射光子能量较高时，

58、此时截面与光子能量无关，只与此时截面与光子能量无关，只与Z Z有关有关与光子能量有关、与光子能量有关、与与Z有关有关图图2.13 康普顿散射截康普顿散射截面入射光子能面入射光子能量的关系量的关系0083 ZThEc 全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院3.3.电子对效应电子对效应 当当光子从原子核光子从原子核旁经过时，在原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，的库仑场作用下，光子转化为一个正电光子转化为一个正电子和一个负电子，这子和一个负电子，这个过程称为个过程称为电子对效电子对效应。应。图图2.14. 电子对效应示意图电子对效应示

59、意图全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院正、负电子对的动能：正、负电子对的动能： 20ee20e20ecm2EEcmEcmEh 核核反反冲冲能能 MeV.hcmhEEee021220 所以：所以：入射入射光子的能量大于光子的能量大于1.02MeV1.02MeV，才可能发生电子，才可能发生电子对效应对效应全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院电子对效应的截面电子对效应的截面 p 电子对效应的截面是电子对效应的截面是入射光子的能量入射光子的能量和和吸收物质吸收物质原子序数原子序

60、数的函数。的函数。20cmh稍稍大大于于 20cmh EZ2p ElnZ2p 可见：可见：电子对效应是随着靶物质电子对效应是随着靶物质的的原子序数原子序数Z Z和和入射入射光光子能量子能量的的增加而增加增加而增加的的。图图2.15 电子对效应截电子对效应截 面与面与射线能射线能量的关系量的关系全国放射卫生监督员培训全国放射卫生监督员培训 苏州大学放射医学与防护学院苏州大学放射医学与防护学院电子对效应的电子对效应的逆过程逆过程湮没辐射湮没辐射 由电子对产生的快速正、负电子在物质中通过由电子对产生的快速正、负电子在物质中通过它产生电离损失和辐射损失而损失掉能量，当正电它产生电离损失和辐射损失而损失