第1章-电离辐射场课件

课程简要知识体系课程简要知识体系1课程知识的回溯课程知识的回溯2课程知识分解课程知识分解3辐射知识分解辐射知识分解4什么是电离辐射剂量?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？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（包括核武器的制造）

2.核技术在工农医等各部门的应用什么是电离辐射剂量?为什么对电离辐射要进行防护？5物理量的分类作为物理现象的观察指标，可分为2类：随机量(StochasticQuantities)：量值遵循概率分布的；非随机量(Non-StochasticQuantities)：量值具有单值性质的；物理量的分类作为物理现象的观察指标，可分为2类：6随机量、非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几率。其在时间和空间上是不连续的，数学上是不能微分的。不能用变化率的概念描述。非随机量的性质：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。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。随机量、非随机量的性质随机量的性质：随机量是与特定的微观体积7本门课程除非特殊需要，目前放射生物学研究和放射防护与评价常常采用具有统计平均值性质的非随机量（宏观量）来表示本门课程除非特殊需要，目前放射生物学研究和放射防护与评8第1章-电离辐射场课件9第1章-电离辐射场课件10第一章描述辐射场的物理量和单位

第一节电离辐射及分类第二节电离辐射场的概念第三节辐射传输方程第四节方程基本求解方法第一章描述辐射场的物理量和单位第一节电离辐射及分类11第一节电离辐射及分类1.1概念定义1.2按射线本质分类1.3按与物质的作用能力分类1.4按与物质的作用过程分类1.5按与人体的作用方式分类第一节电离辐射及分类1.1概念定义121.1概念定义电离：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；电离辐射：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概念定义电离：从一个原子、分子或其它束缚状态释放一个131.1概念定义（续）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；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；1.1概念定义（续）电离辐射场：电离辐射无论在空间，还是在141.2按射线本质分类1.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、质子、中子、α粒子、β粒子和带电重离子等。

2.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γ射线等。1.2按射线本质分类1.粒子辐射：是指组成物质的基本粒子，15电磁辐射示意图电磁辐射示意图16不同种类电磁波的波长不同种类电磁波的波长171.3按与物质的作用能力分类1.电离辐射：通过初级和次级过程引起物质电离，如α粒子、β粒子、质子、中子、X射线和γ射线等，对于X、γ射线，一般当E>10ev时可以引起电离辐射，或当波长λ<100nm时可以引起电离辐射。2.非电离辐射：与物质作用不产生电离的辐射，如微波、无线电波、红外线等,但现在也不能忽视对人体的长期危害作用。1.3按与物质的作用能力分类1.电离辐射：通过初级和次级过181.4按与物质的作用过程分类1.直接电离辐射：一般指由带电粒子与物质通过初级作用过程引起电离的辐射，包括电子、质子、α粒子、β粒子和带电重离子等；2.间接电离辐射：一般指通过次级过程引起电离的不带电粒子形成的辐射，包括X、γ射线、中子等；

解释：不带电的光子、中子也能直接产生电离，但这类粒子与核外电子的作用发生几率要远远小于带电粒子，因此主要是靠它们与物质相互作用过程中产生的次级带电粒子间接来完成的。1.4按与物质的作用过程分类1.直接电离辐射：一般指由带电19第1章-电离辐射场课件20第1章-电离辐射场课件21第1章-电离辐射场课件22第1章-电离辐射场课件231.5按与人体的作用分类1.外照射：在研究人体或非生物受照时，把体外源发射的辐射称为外辐射，如宇宙射线、陆地γ射线以及医学诊断和治疗中使用的X、γ射线，它们对人体的照射称为外照射；2.内照射：由进入体内的放射性物质引起的辐射，如吸入的氡及其子体，通过食物链进入人体的K-40、U-238、Th-232、Cs-137和Sr-90等，以及食入或注射的放射性药物如I-131等形成的辐射；1.5按与人体的作用分类1.外照射：在研究人体或非生物受照24外照射、内照射示意图外照射、内照射示意图25第二节电离辐射场的概念2.0场及其自变量2.1粒子数和辐射能2.2通量、注量和注量率2.3角分布和辐射度2.4能谱分布2.5辐射矢量和平面注量2.6注量与径迹长度的关系第二节电离辐射场的概念2.0场及其自变量262.0场及其自变量空间位置能量E时间t运动方向极向角θ,环向角φ空间立体角Ω2.0场及其自变量空间位置能量E时间t运动方向272.0场及其自变量（续）那么描述一个辐射场，并可以提供最详细的场的分布信息的函数F应该为：

空间位置为(r，r+dr)；

能量区间为(E，E+dE)；

时刻为(t，t+dt)

运动方向为(θ+d

θ，φ+dφ)或(Ω+dΩ)的粒子个数，即2.0场及其自变量（续）那么描述一个辐射场，并可以提供最详282.1粒子数和辐射能为了定量描述辐射场，需要用某种方法来确定辐射场中粒子的数目，如测定α源发射出的α粒子的个数，在辐射场中传播的γ光子的个数等。粒子数(N)：发射、转移或接受的粒子数目，单位是1。粒子数密度(n)：表征辐射场疏密程度，是单位体积内自由粒子的个数；

单位是m-3。2.1粒子数和辐射能为了定量描述辐射场，需要用某种方法来确292.1.粒子数和辐射能（续）辐射场中每个粒子均具有一定的能量，那么所有粒子的能量之和定义为辐射能；辐射能(R)：发射、转移或接受的辐射粒子的能量(不包括静止能)，单位是J；范围：可能是一个辐射源发射的辐射能量，也可能是辐射场中传输的辐射能量，或是被一物体吸收的能量，具体需要看具体的定义对象；2.1.粒子数和辐射能（续）辐射场中每个粒子均具有一定的能量302.2.通量、注量和注量率粒子和辐射能随时间的变化率称为粒子通量和能量通量，表征粒子和辐射能在时间上的频繁程度。粒子通量()：粒子数在时间间隔dt的变化量dN，单位是s-1；

能量通量()：辐射能在时间间隔dt内的变化量dR，单位是J·s-1或W；2.2.通量、注量和注量率粒子和辐射能随时间的变化率称为粒子31例：一个α源的活度A=3.00×105Bq，α粒子的产额认为是100％，α粒子的平均能量为6.43Mev，那么α源的粒子通量、能量通量分别是多少？例：一个α源的活度A=3.00×105Bq，α粒子的产额认322.2.通量、注量和注量率（续）描述：电离辐射粒子都是高速运动的粒子，并且是在传输过程中与物质发生相互作用，为了描述辐射场在空间中的疏密程度，引入注量的概念：a)单向辐射场中的粒子注量(Φ)

：对于单向辐射场，取垂直于射线方向的面积da⊥，入射到该面积上的粒子数为dN，对粒子注量，

单位：m-22.2.通量、注量和注量率（续）描述：电离辐射粒子都是高速运33单向辐射场中的粒子注量示意图单向辐射场中的粒子注量示意图342.2.通量、注量和注量率（续）b)非单向辐射场中的粒子注量(Φ)：一般情况下辐射场中某区域内包含各个方向的入射粒子，此时以参考点P为球心，建立一个向心截面积为da的小球，设进入小球的粒子数为dN，那么dN/da则表示一般辐射场中点P处的粒子注量：

单位：m-2对于Φ，可以认为是进入单位截面积小球的粒子数；2.2.通量、注量和注量率（续）b)非单向辐射场中的粒子注量35非单向辐射场中的粒子注量示意图非单向辐射场中的粒子注量示意图362.2.通量、注量和注量率（续）类似的，在研究粒子的能量时，参照粒子注量的概念，引入能量注量的概念；能量注量(Ψ)：进入向心截面积为da的小球的辐射能dR与da的比值，单位是J·m-2；它表征辐射能R在空间中的疏密程度；单向辐射场中的能量注量Ψu：2.2.通量、注量和注量率（续）类似的，在研究粒子的能量时，372.2.通量、注量和注量率（续）通量表征辐射场中粒子或能量在时间上的变化程度，而注量则表征辐射场的空间疏密程度，把时间和空间因素相结合，则得到注量率的概念，它表征单位时间内进入单位截面积小球的粒子数或辐射能的多少；粒子注量率()：

单位是m-2·

s-1联系通量的概念，粒子注量率又称为粒子通量密度；2.2.通量、注量和注量率（续）通量表征辐射场中粒子或能量在382.2.通量、注量和注量率（续）能量注量率()：

单位是J·m-2·s-1或W·m-2，其中表示dt时间内能量注量的变化量；联系通量的概念，能量注量率又称为能量通量密度；2.2.通量、注量和注量率（续）能量注量率()：39例：一个各向同性的γ点源的活度为A，能量为hvi的γ射线的产额为ni,不考虑源的自吸收以及空气的吸收和散射作用，那么举例源r处的光子注量率和能量注量率是多少？例：一个各向同性的γ点源的活度为A，能量为hvi的γ射线的产402.3.角分布和辐射度从注量的一般定义来看，在P点的注量是包含了沿各个方向进入P点处小球的粒子贡献的总和，那么如果要研究粒子沿入射方向的分布，此时将引入注量的角分布问题。2.3.角分布和辐射度从注量的一般定义来看，在P点的注量是包41立体角定义由一个锥面规定的空间范围球心在锥顶的一个球面被锥面截下的面积S与该圆半径平方r^2的比值：

单位为Sr（球面度）立体角定义由一个锥面规定的空间范围42立体角示意图立体角示意图432.3.角分布和辐射度（续）粒子注量的角分布()：粒子注量沿立体角Ω的分布情况，单位：m-2·sr-1，其中dΦ是沿指定方向Ω附近dΩ立体角元内传播的粒子的数量；2.3.角分布和辐射度（续）粒子注量的角分布(442.3.角分布和辐射度（续）能量注量的角分布()：粒子的能量注量沿立体角Ω的分布情况，单位：J·m-2·sr-1，其中dΨ是沿指定方向Ω附近dΩ立体角元内传播的粒子的能量；2.3.角分布和辐射度（续）能量注量的角分布(452.3.角分布和辐射度（续）粒子注量率的角分布()：粒子注量率沿立体角Ω的分布情况，单位：m-2·sr-1·s-1，其中

是沿指定方向Ω附近dΩ立体角元内的粒子注量率；粒子注量率的角分布又称为粒子辐射度，即表示单位时间内某个空间位置处的辐射强度；2.3.角分布和辐射度（续）粒子注量率的角分布(462.3.角分布和辐射度（续）能量注量率的角分布()：能量注量率沿立体角Ω的分布情况，单位：J·m-2·sr-1·s-1或W·sr-1·m-2，其中

是沿指定方向Ω附近dΩ立体角元内的能量注量率；能量注量率的角分布又称为能量辐射度，即表示单位时间内某个空间位置处的辐射带来的能量强度；2.3.角分布和辐射度（续）能量注量率的角分布(472.4.能谱分布在前面的辐射量的定义中，并没有涉及到粒子的能量分布问题，由于在辐射场中的带电粒子一般具有不同的能量，对不带电粒子，它们与物质相互作用生成的次带电粒子的能量分布也是不均匀的，因此在前面定义的各辐射量均存在着按粒子能量E的分布，即它们均是能量E的函数；2.4.能谱分布在前面的辐射量的定义中，并没有涉及到粒子的能482.4.能谱分布（续）取Q表示前面的各个辐射量，E表示粒子的能量(不包含静止能)，取Q(E)为Q的积分分布，表示能量为0-E的粒子对Q的总贡献，QE为Q的微分分布，表示能量在E附近单位能量区间ΔE内的粒子对Q的贡献，各个量的关系如下：2.4.能谱分布（续）取Q表示前面的各个辐射量，E表示粒子的492.4.能谱分布（续）粒子注量的谱分布2.4.能谱分布（续）粒子注量的谱分布50粒子注量的谱分布示意图粒子注量的谱分布示意图512.4.能谱分布（续）能量注量的谱分布2.4.能谱分布（续）能量注量的谱分布522.4.能谱分布（续）粒子注量率的谱分布2.4.能谱分布（续）粒子注量率的谱分布532.4.能谱分布（续）能量注量率的谱分布2.4.能谱分布（续）能量注量率的谱分布542.4.能谱分布（续）粒子注量与能量注量，粒子注量率与能量注量率的关系能量为E的粒子数目与E的乘积等于能量为E的粒子的辐射能量，则：2.4.能谱分布（续）粒子注量与能量注量，粒子注量率与能量注552.4.能谱分布（续）辐射度的谱分布为了精细完整的描述辐射场，需要确定在任意时刻t，在空间任意一点r处，沿任一方向Ω运动的j类电离粒子的微分谱分布，即j类电离粒子辐射度的微分谱分布，可以用PE,j(r)来表示，它是能量E附近单位能量间隔内j类电离粒子的辐射度，它与积分谱分布Pj(E,r)的关系如下：2.4.能谱分布（续）辐射度的谱分布562.4.能谱分布（续）取在空间指定点r处进入截面积为da⊥的小球内的粒子数可以用dN(r)来表示，那么PE,j(r)可以表示为：其中PE,j(r)dtdEdΩda⊥来表示t附近dt时间内，在能量E附近dE能量间隔内，运动方向在Ω附近dΩ立体角元内，在r点穿过垂直于运动方向Ω的面积元da⊥的j类粒子的数目dNj；2.4.能谱分布（续）取在空间指定点r处进入截面积为da⊥的572.4.能谱分布（续）与其他辐射量的关系2.4.能谱分布（续）与其他辐射量的关系58描述粒子的辐射场物理量关系总结描述粒子的辐射场物理量关系总结59描述粒子能量的辐射场物理量关系总结描述粒子能量的辐射场物理量关系总结602.5注量与径迹长度的关系定律：粒子注量Φ等于单位体积内的径迹总长度。

dasΩ∆V证明：对于足够小的任意形状的体积元，PE均匀、径迹可视为直线穿过体积元。则2.5注量与径迹长度的关系定律：粒子注量Φ等于单位体积内的61第三节辐射传输方程前提：若已知电离辐射源以及介质对电离辐射的吸收和散射作用,那么波尔兹曼扩散方程[]：第三节辐射传输方程前提：若已知电离辐射源以及介质对电离辐射62第1章-电离辐射场课件63第1章-电离辐射场课件64考虑方程在稳恒辐射场中情况:考虑到对上述方程进行积分，则：考虑方程在稳恒辐射场中情况:考虑到对上述方程进行积分，则：65一求解模型二求解方程的前提条件三理论求解四数值求解五结论第四节方程基本求解方法一求解模型第四节方程基本求解方法66一辐射模型几种辐射模型可用于近似求解辐射疏运方程每个辐射模型都有其假设、局限性和优势1.1)RosselandModel(DiffusionApproximationModel)1.2)P-1Model(Gibb’sModel/SphericalHarmonicsModel)1.3)DiscreteTransferModel(ShahModel)1.4)MonteCarloModel[additionallicenserequired]一辐射模型几种辐射模型可用于近似求解辐射疏运方程1.1)671.1TheRosselandModelTheRosselandModel方法:辐射方程加入新的扩散项局限:仅适用于一定的光学厚度且线性各向异性材料(thickness/depth>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1.1TheRosselandModelTheRos681.2TheP-1ModelTheP-1Model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

opticalthickness/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)1.2TheP-1ModelTheP-1Model691.3TheDiscreteTransferModelTheDiscreteTransferModel假设:散射各向同性系统为均一的方法:离边界的光子距在求解前就决定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)假设系统为均相的,对整个系统求解吸收、发射和散射1.3TheDiscreteTransferMode701.4TheMonteCarloModelTheMonteCarloModel假设:辐射强度和光子的离散角通量成比例（angularfluxofphotons），辐射场处理为光子气 i.e.光谱分析,#ofhistoriesT4方法:跟踪典型的光子气并标记计算(在每个体单元内):跟踪的距离

平均总辐射强度距离乘吸收系数

平均总吸收强度3. 距离乘散射系数

平均总散射强度1.4TheMonteCarloModelTheM711.4TheMonteCarloModel（续）TheMonteCarloModel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,emissionandabsorption对于透明介质辐射计算，推荐使用1.4TheMonteCarloModel（续）Th72二求解方程的前提条件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；如果方程不包含时间项，则只需要边界条件即可；从数学物理方法知识，常见边界条件有2类，第一类，第二类边界条件。上述条件下一般可以唯一确定方程的解。二求解方程的前提条件如果方程包含