电离辐射剂量学基础课件-第二章-剂量学基本概念

1、第二章 剂量学基本概念第二章 剂量学基本概念 引 言1.剂量学的研究对象：研究辐射能量在物质中的转移过程、能量沉积的分布以及它的测量和计算的方法。2.剂量防护学中（三类物理量）辐射量（辐射计量学量）：描述辐射物自身固有特性。（剂量学量）：描述辐射能量在物质中的转移和沉积（K、X、D）。（辐射防护量）：用品质因数加权的吸收剂量。 第一讲 比释动能K(Kerma) 第二讲 照射量X (Exposure) 第三讲 吸收剂量D(Absorbed Dose) 第一讲 比释动能K(Kerma) 第一讲 比释动能K一、描述对象： 不带电粒子在物质中传递能量过程： 第一阶段：由不带电粒子 次级带电粒子（PE、

2、CE、PP等） 第二阶段：次级带电粒子 作用介质（碰撞） 两个阶段的能量转移发生在介质中的不同地点 研究不带电粒子在介质中的能量转移，有必要对二个阶段（过程）分别考虑 比释动能是描述不带电粒子在物质中转移能量的第一阶段的一个物理量第一讲 比释动能K二、Energy transferred （转移能）tr 1.定义 在指定体积V内由不带电粒子释放出来的所有带电的电离离子初始动能之和，用tr表示，单位是J。2.典型过程的转移能分析 (1)CE二、Energy transferred （转移能）tr2能量为h的光子在V中的CE过程的转移能分析： (1)在中 CE+激发 h k+俄歇电子; (2)对反

3、冲电子Ee,在,发生轫致辐射h1, h2, h3 (3) h1在发生CE过程, h1 反冲电子E1+散射光子h1 (4) h在发生CE过程, h 反冲电子Ee+散射光子h (5)注：E1是由反冲电子Ee的轫致辐射释放的带电粒子，不能作为独立事件产物再加到tr中去。能量为h的光子在V中的CE过程的转移能分析： (2)PP 电子对生成过程中反应能为Q=-2mc2，mc2为正负电子的静止质量能。 (2)PP 电子对生成过程中反应能为Q=-2mc3.tr通用表示方法综上分析:在指定体积中的转移能tr可表示为 式中：Eu,in是进入体积V的所有不带电粒子的能量,但不包括带电粒子的静止能量。 E nu,o

4、ut是从体积V逸出的不带电粒子的能量,但不包括不带电粒子的静止质量能和次级带电粒子动能辐射损失逸出的部分。 Q是入射的不带电粒子在体积V内引起的任何核和基本粒子的转变中,所有相关的核和基本粒子静止质量能改变(质量减少时为正,增加时为负)的总和。 3.tr通用表示方法综上分析:在指定体积中的转移能tr可 tr还可以表示为： 式中：rtr辐射转移能，ctr为碰撞转移能(或净转移能)。对于前面分析的CE过程:通常的过程很少发生,特别是V很小的时候更是如此，所以 tr还可以表示为： 对于前面分析的CE三、比释动能K 1.定义 其中, 是由不带电粒子在质量为的无限小体积内释放出来的所有带电粒子的初始动能

5、之和(即转移能)的期望值. 单位:戈瑞(gray)，简写Gy，1Gy=1J.Kg-1; 拉德(rad),1rad=10-2Gy。三、比释动能K 1.定义 2.讨论扩展定义：比释动能K是感兴趣点P处单位质量介质中转移给带电粒子的能量（动能）的期望值，其中包括轫致辐射损失的能量，但不包括由一个带电粒子转移给另一个带电粒子的能量。 扩展定义中带电粒子的能量不仅包括不带电粒子转移给带电粒子的初始动能，还包括介质内分布的电离辐射源通过自发核转变过程释放的带电粒子的初始动能。tr是一个随机量（Stochastic quantity），但K是一个非随机量（Nonstochastic quantity）。 随

6、机量：时空变化不连续，服从统计规律，观测值不能预测，某一值出现的几率可以由分布函数确定。 2.讨论四、比释动能与注量的关系1.对单能单向的不带电粒子辐射场在体积元dadl中：四、比释动能与注量的关系1.对单能单向的不带电粒子辐射场在体2.对任意方向分布的单能不带电粒子 dV是不带电粒子在小体积元dV内的总径迹长度。显然 3.对于各种不带电粒子构成的辐射场，且各种粒子存在谱分布E,j和 E,j2.对任意方向分布的单能不带电粒子 dV是不带电粒子在小体4.比释动能因子k（Kerma factor） 比释动能K通过比释动能因子k与不带电粒子注量或其谱分布联系起来。 4.比释动能因子k（Kerma f

7、actor） 五、碰撞比释动能Kc若定义： 则： 根据我们前面已经学习的知识，不带电粒子转移给带电粒子的全部动能中，最终损失于电离碰撞的那一部分所占的份额为： ，则 ：对单能且只有一种不带电粒子辐射场，有： 特别对中子有： 五、碰撞比释动能Kc若定义： 则： 根据我们前六、比释动能率(Kerma rate) 1.定义单位：JKg-1s-1或Gys-1或 rads-1对单能不带电粒子的辐射，有： 六、比释动能率(Kerma rate) 1.定义单位：JKg2.空气比释动能率常数（Air Kerma-rate constant） 对于点源，活度为A，各粒子产额为ni,能量为hi，则 定义 则有2.

8、空气比释动能率常数（Air Kerma-rate c七、不同介质中的比释动能 含义2.关系 七、不同介质中的比释动能 含义2.关系 第二讲 照射量 、照射量X (Exposure ) 1.定义（Definition）dQ为光子在质量为dm的空气中释放的全部电子（包括负电子和正电子）完全被空气阻止时，在空气中所产生的一种符号离子总电荷的绝对值。单位：Ckg-1 1R=2.5810-4 Ckg-1dm第二讲 照射量 、照射量X (Exposure ) 2.特性（properties）次级电子的轫致辐射被吸收而产生的电离电荷，不包括在dQ之内；dm之外释放的次级电子，在dm之内产生的电离电荷，不包括

9、在dQ之内； 其中(e/W)a表示照射量是X或射线在空气中的碰撞比释动能的电离当量。 2.特性（properties） 对于单能光子 二照射量率 （Exposure rate）1.定义 单位：Ckg-1s-1或Rs-1=dX/dt对单能光子辐射场: 对于单能光子 二照射量率 （Exposure rat三X和 值得说明的问题含义: 自由空间或不同于空气的材料内某一点的照射量或照射量率的概念可以用空气碰撞比释功能Kc,a来取代照射量 原因：a. 由电离电荷量到能量的换算（乘以(w/e)a因子）很不方便 b. Exposure的含义容易混对于点源：三X和 值得说明的问题第三讲 吸收剂量D一、沉积能（

10、energy deposited） 1.定义 单次相互作用中沉积的能量 2.典型作用过程分析带电粒子与原子电子碰撞过程 第三讲 吸收剂量D一、沉积能（energy deposit电子对生成过程 自发核转变过程 电子对生成过程 自发核转变过程 二、授与能（energy imparted） 1.能量沉积事件（energy deposition event） 由某个电离粒子或某组相关的电离粒子给指定沉积内物质授与能量的事件。 2.某一能量沉积事件的授与能 1 某个电离粒子或某一组相关的电离粒子在指定体积V内发生的所有的相互作用中沉积能之和。(1)定义(2)通用表达式二、授与能（energy impa

11、rted）(1)定义hBe+13Ch e-En16O(n,)13CEe一次能量沉积事件的授与能示意图Q=-2.215MeVhBe+13Ch e-En16O(n,)13CEe3.总授与能 4.平均授与能 都是随机量 是非随机量 3.总授与能 4.平均授与能 都是随机量 是非随机量 3.总授与能 3.总授与能 三、吸收剂量D （Absorbed dose）1.定义 电离辐射授与质量为dm的物质的平均能量 单位为：J.Kg-1(Gy)，也可用 rad三、吸收剂量D （Absorbed dose）1.定义 电离在稳恒辐射场中： dm内无自发核转变时：在稳恒辐射场中： dm内无自发核转变时： ：能量为E

12、的粒子在密度为的介质中穿过单位长度路程时 发生相互作用的几率； ： 能量为E的粒子在一次相互作用中授与能的期望值； dm内有自发核转变时： ：单位质量介质中发生自发核转变的次数； ：每次核转变过程中授与能的期望值。 ：能量为E的粒子在密度为的介质中穿过单位长度路程时： 能讨论：（1）如果已知辐射场、作用介质和作用参数的详细资料，原则上可以用上述公式计算D，但实际上很难做到； （2）核和基本粒子的转变以及不带电电离粒子与物质相互作用，作为基本过程的沉积能E对D的贡献可以忽略； （3）D的简化表达式：D=Kcol,j：发生相互作用的带电粒子与原子电子碰撞时损失的动能中变为沉积能（即不以粒子、俄歇电

13、子、特征X射线或中和过程释放的光子形式辐射出的能量）的份额讨论：D=Kcol,j：发生相互作用的带电粒子与原子电子碰撞2.辐射平衡与吸收剂量(1)完全辐射平衡（Complete radiations equilibrium ,CRE） 定义 辐射平衡dVRinRout2.辐射平衡与吸收剂量dVRinRout典型例子 （a）PE=常数 (b) 介质和源的均匀分布D的表达式 表示辐射源每次核转变相关联的由静止质量转变成的辐射能的期望值 典型例子 表示辐射源每次核转变相关(2)带电粒子平衡（charged particle equilibrium,CPE）定义： 典型例子： a. PE，C处处相等；

14、 b.均匀的带电粒子发射体 V内存在CPE c.均匀不带电粒子辐射场照射，不带电粒子释放的带电粒子对不带电粒子辐射场，在CPE下(2)带电粒子平衡（charged particle equ平衡厚度（Equilibrium thickness，ET）平衡厚度（Equilibrium thickness，ET）(3)粒子平衡（Delta particle equilibrium） 描述带电粒子辐射场定义： D的表达： 其中Pcol,j表示初级带电粒子通过电子库仑碰撞损失的能量中，转变成受激原子退激发时放射的特征X射线和释放的粒子在慢化过程中产生的轫致辐射两部分光子电离辐射能份额。在低原子序数介质中， ，故D可简化为 (3)粒子平衡（Delta particle equili（4）部分粒子平衡（Partial delta particle equilibrium） 描述电子辐射场 定义： D的表达式： （4）部分粒子平衡（Partial delta parti(5)过渡平衡（Transient equilibrium）定义：与Z无关与Z无关(5)过渡平衡（Transient equi