辐射防护基础知识2011.ppt

1、辐射安全与防护,基础知识培训,郑州大学物理工程学院 赵书俊 2011年4月,辐射安全与防护,了解原子核物理基础 熟悉放射性的概念、衰变及其规律 熟悉射线与物质的相互作用 了解辐射探测方法 熟悉辐射剂量与生物效应 掌握辐射防护基础,原子核物理基础,知识要点： 原子与原子核 原子核的组成及其稳定性 原子核的大小 原子核的结合能,辐射安全与防护原子核物理基础,原子核物理基础,原子和原子核（1） 知识要点：原子、原子核、同位素 1896年法国科学家贝克勒尔(A. H. Becquerel)发现天然放射性现象，人类第一次观察到核变化，这一重大发现是原子核物理的开端。,辐射安全与防护原子核物理基础,原子核

2、物理基础,原子和原子核（2） 知识要点：原子、原子核、同位素 万物是由原子、分子构成，每一种原子对应一种化 学元素。目前，人们已知一百多种元素。现代化学 的元素周期律是1869年俄国科学家门捷列夫(Dmitri Mendeleev)首创的，他将当时已知的63种元素依原子量大小并以表的形式排列，把有相似化学性质的元素放在同一行，就是元素周期表的雏形。1913年英国科学家莫色勒利用阴极射线撞击金属产生X射线，发现原子序数越大，X射线的频率就越高，因此他认为核的正电荷决定了元素的化学性质，并把元素依照核内正电荷(即质子数或原子序)排列，经过多年修订后才成为当代的周期表。在周期表中，元素是以元素的原子

3、序排列，最小的排行最先。表中一横行称为一个周期，一列称为一个族。,辐射安全与防护原子核物理基础,辐射安全与防护原子核物理基础,原子核物理基础,原子和原子核（3） 知识要点：原子、原子核、同位素 1911年卢瑟福根据粒子的散射实验提出了，即原子由原子核和核外电子组成的假设。核外电子的运动构成了原子物理学的主要内容，而原子核成了原子核物理学的主要研究对象。原子和原子核是物质结构的两个层次，但也是互相关联又泾渭分明的两个层次。,辐射安全与防护原子核物理基础,原子核物理基础,原子和原子核（3） 知识要点：原子、原子核、同位素 卢瑟福粒子的散射实验,辐射安全与防护原子核物理基础,原子核物理基础,原子和原

4、子核（4） 电子带负电荷，电子电荷的值为： e=1.60217733x10-19C，且电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整倍数。电子的质量为me=9.1093897x10-31kg。原子核带正电荷，集中了原子的全部正电荷。 原子的大小是由核外运动的电子所占的空间范围来表征，原子可以设想为电子在以原子核为中心的、距核非常远的若干轨道上运行。原子的大小半径约为10-8cm的量级 。,辐射安全与防护原子核物理基础,原子核物理基础,原子和原子核（5） 原子核的质量远超过核外电子的总质量，原子的质量中心与原子核的质量中心非常接近。原子核的线度只有几十飞米(1fm=10-15m=10-13cm)，而密度

5、高达108t.cm-3 。 物质的许多化学性质及物理性质、光谱特性基本上只与核外电子有关；而放射现象则主要与原子核有关 。,辐射安全与防护原子核物理基础,原子核物理基础,原子和原子核（5）,辐射安全与防护原子核物理基础,原子核物理基础,原子核的组成及其稳定性（1） 知识要点：核的组成、核素/同位素/同质异能素、核的稳定性 1932年查德威克发现中子， 海森堡提出原子核由质子和 中子组成的假设 。中子为中 性粒子，质子为带有单位正 电荷的粒子。 中子和质子的质量相差甚微，它们的质量分别为：mn=1.00866492u，mp=1.00727646u，u为原子质量单位。1960年国际上规定把碳-12

6、(12C)原子质量的1/12定义为原子质量单位，用u表示， 1u=1.66054020.0000010 x10-27kg=931.494013MeV/c2 。,辐射安全与防护原子核物理基础,原子核物理基础,原子核的组成及其稳定性（2） 知识要点：核的组成、核素/同位素/同质异能素、核的稳定性 任何一个原子核都可以由符号AZXN表示，N是核内中子数，Z是核内质子数或电荷数，A是核内的核子数或核的质量数，X是该原子核对应的元素符号。事实上，只要元素符号X确定后，该元素的电荷数就已经确定，所以符号AX足以表示一个特定的核。 中子数和质子数都相同的原子核称为一种核素。具有相同原子序数但质量数不同的核素

7、称为某元素的同位素。16O,17O,18O的天然丰度比是：99.756%、0.039%、0.205%。寿命较长的激发态原子核称为基态原子核的同质异能素或同核异能素。同质异能素所处的能态又称同质异能态，如：87mSr，87Sr。,辐射安全与防护原子核物理基础,原子核物理基础,原子核的组成及其稳定性（3） 根据原子核的稳定性，可以把核素分为稳定的核素和不稳定的放射性核素。原子核的稳定性与核内质子数和中子数之间的比例存在密切的关系。 核素图必须是一个含有N-Z数的两维图。在现代核素图上，既包括了天然存在的332个核素(其中280多个是稳定核素)，也包括了自1934年以来人工制造的1600多个放射性核

8、素，一共约2000个核素。,辐射安全与防护原子核物理基础,原子核的符号：,原子核的质量数：A称为原子核的质量数，A = Z + N 原子序数：原子核内的质子数Z又称为原子序数，它决定了该 核素在元素周期表里的位置,原子的几种表示方法： ZXN 例如：92U143 ZX 例如：92U AX 例如：235U X-A 例如：U-235,A,A,235,235,辐射安全与防护原子核物理基础,原子核物理基础,原子核的组成及其稳定性（4） 在稳定核素分布图上，相同中子数N的核素是同中异荷素；在N和Z轴截距相等的直线上的核素是同量异位素。在Z20的轻核时，稳定核位于N=Z的直线附近;Z为中等核时，稳定核位于

9、N/Z1.4的位置；Z90的重核，稳定核位于N/Z1.6的位置。 在稳定核素分布图上，相对于稳定曲线而言，中子数过多或偏少都是不稳定的。位于稳定曲线偏N增大的区域的核素是丰中子核素，易发生-衰变，位于稳定曲线偏Z增大的区域的核素是缺中子核素，易发生+衰变。,辐射安全与防护原子核物理基础,原子核物理基础,原子核的组成及其稳定性（5）,辐射安全与防护原子核物理基础,原子核物理基础,原子核的大小（1） 知识要点：核的核力半径、电荷半径、核物质密度 最早研究原子核的大小是卢瑟福和查德威克。他们用质子或粒子去轰击各种原子核。根据这一方法，发现轻原子核的的半径遵从如下的规律：R=r0A1/3，r0=1.2

10、fm。 单位体积内的核子数称为原子核的密度，其值等于常数, 表明只要核子结合成原子核, 其密度都是相同的，这就形成核物质的概念。在每立厘米体积中竟有近3亿吨(2.3亿吨）的核物质。,辐射安全与防护原子核物理基础,原子核物理基础,原子核的大小（2） 知识要点：核的核力半径、电荷半径、核物质密度 其后，出现了许多其他更精确的测量方法。如用中子衍射截面测量原子核的大小（核力半径）；用高能电子散射测量原子核的大小及电荷形状因子（电荷分布半径）等等。并依据所采用的方法，分别给出电荷半径或核力半径。 原子核半径R与A1/3成正比, 而其比例常数r0的最近数据为: r0=（1.20.3）fm，电荷分布半径；

11、 r0=（1.40.1）fm，核力半径。,辐射安全与防护原子核物理基础,原子核物理基础,原子核的结合能（1） 知识要点：质能联系定律、质量亏损、核的结合能与比结合能 E=mc2称为质能关系式， 也就是质能联系定律 。 原子核的质量亏损为组成原子核的Z个质子和(A-Z)个中子的质量与该原子核的质量之差。从原子核的质量亏损的定义可以明确的看出，所有的核都存在质量亏损，即m（Z,A）0。 m（Z,A）=Zmp+(A-Z)mn-m(Z,A) ，其中 m（Z,A）为电荷数为Z、质量数为A的原子核的质量 。,辐射安全与防护原子核物理基础,原子核物理基础,原子核的结合能（2） 知识要点：质能联系定律、质量亏

12、损、核的结合能与比结合能 既然原子核的质量亏损m（Z,A）0 ，由质能关系式，那么相应能量的减少就是 E=mc2 0 。这表明核子结合成原子核时，会释放出能量，这个能量称之为结合能。 一个中子和一个质子组成氘核时，会释放一部分能量2.225MeV, 这就是氘的结合能。它已为精确的实验测量所证明。实验还证实了它的逆过程：当有能量为2.225MeV的光子照射氘核时, 氘核将一分为二, 飞出质子和中子。,辐射安全与防护原子核物理基础,原子核物理基础,原子核的结合能（3） 结合能: B(Z,A)= mc2 比结合能:(Z,A)= B(Z,A)/A= mc2/A 比结合能的物理意义为原子核拆散成自由核子

13、时，外界对每个核子所做的最小的平均功，或者说，它表示核子结合成原子核时，平均一个核子所释放的能量。 比结合能表征了原子核结合的松紧程度。比结合能大，原子核结合紧，稳定性高；比结合能小，结合松，稳定性差。,辐射安全与防护原子核物理基础,原子核物理基础,原子核的结合能（4） 当结合能小的核变成结合能大的核，即当结合得比较松的核变到结合得紧的核，就会释放能量。 从比结合能曲线可以看出,有两个途径可以获得能量： 重核裂变，即一个重核分裂成两个中等质量的核； 轻核聚变，即两个轻核融合为一个较重质量的核。 人们依靠重核裂变的原理制造出原子反应堆与原子 弹，依靠轻核聚变的原理制造出氢弹和人们正在探索的可控聚

14、变反应。 所谓原子能，主要是指原子核结合能发生变化时释放的能量。,辐射安全与防护原子核物理基础,8.79,7.07,1.112,比结合能曲线,辐射安全与防护原子核物理基础,反应堆和原子弹简图,辐射安全与防护原子核物理基础,放射性的概念、衰变及其规律,知识要点： 原子核的衰变与放射性核素 放射性衰变的基本规律 放射规律的应用,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,原子核的衰变与放射性核素（1） 知识要点：放射性核素、核衰变 不稳定核素是指其原子核会自发地转变成另一种原子核或另一种状态并伴随一些粒子或碎片的发射，它又称为放射性原子核 。 在无外界影响下，原子核自发地发生转变的现象称为原子核的衰变，核

15、衰变有多种形式，如衰变，衰变，衰变，还有自发裂变及发射中子、质子的蜕变过程。不稳定原子核会自发地发生衰变。,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,核辐射的基本性质,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,放射性衰变的基本规律（1） 知识要点：指数衰变规律、衰变常数/半衰期/平均寿命、放射性活度 实验表明，任何放射性物质在单独存在时都服从相同的指数衰减规律。指数衰减规律不仅适用于单一放射性衰变，而且对于同时存在分支衰变的过程，指数衰减规律也是适用的，这是一个普遍的规律。 指数衰减规律: N(t)=N0e-t 对各种不同的核素来说，它们衰变的快慢又各不相同，这反映在它

16、们的衰变常数（或半衰期/平均寿命）各不相同，所以衰变常数又反映了它们的个性。,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,放射性衰变的基本规律（2） 知识要点：指数衰变规律、衰变常数/半衰期/平均寿命、放射性活度 应该指出，放射性指数衰减规律是一种统计规律，它是由大量的全同原子核参与衰变而得到的。对于单个原子核的衰变，只能说它具有一定的衰变概率，而不能确切地确定它何时发生衰变。 实验发现，用加压、加热、加电磁场、机械运动等物理或化学手段不能改变指数衰减规律，也不能改变其衰变常数。这表明，放射性衰变是由原子核内部运动规律所决定的,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,放射性衰变的基本规律（3） 衰变常数是

17、单位时间内（单一放射性物质）一个原子核发生衰变的概率，其单位为时间的倒数：s-1，min-1，h-1，d-1，a-1等。 衰变常数表征该放射性核素衰变的快慢，越大，衰变越快；越小，衰变越慢。实验指出，每种放射性核素都有确定的衰变常数，衰变常数的大小与这种核素如何形成的或何时形成的都无关。,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,放射性衰变的基本规律（4） 放射性核素衰变掉一半所需要的时间，叫做该放射性核素的半衰期 T1/2，单位为s，min，h，d，a等。根据指数衰变规律，可得： T1/2=ln2/=0.693/ 还可以用平均寿命来量度衰变的快慢， 简称寿命。 =tN(t)dt /N0=1/=1.

18、44T1/2 平均寿命比半衰期长一点， 是T1/2的1.44倍。放射性核素的平均寿命表示经过时间以后，剩下的核素数目约为原来的37%。,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,222Rn的衰变曲线,实验发现，放射性核素 放出一个粒子，变成 ，而 的数目每4天减少一半。,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,放射性衰变的基本规律（5） 一个放射源在单位时间内发生衰变的原子核数称为它的放射性活度，通常用符号A表示。 如果一个放射源在t时刻含有N(t)个放射性原子核，放射源核素的衰变常数为 ，则这个放射源的放射性活度为 A(t)=-dN(t)/dt= N(t)=A(0)e-t 上式可见，一个放射源的放射性

19、活度也应随时间增加而指数地衰减 。,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,放射性衰变的基本规律（6） 由于历史的原因，放射性活度采用居里(Ci)为单位。1950年，为了统一起见，国际上共同规定：一个放射源每秒钟有3.71010次核衰变定义为一个居里，即： 1Ci=3.71010s-1 更小的单位有毫居里(1mCi=10-3Ci)和微居里(1Ci=10-6Ci)。在1975年国际计量大会(General Conference on Weights and Measures)上，规定了放射性活度的SI单位叫Bq(贝克勒尔)，1Bq=1s-1 应该指出，放射性活度仅仅是指单位时间内原子核衰变的数目，而

20、不是指在衰变过程中放射出的粒子数目。,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,放射性衰变的基本规律（7） 在实际工作中除放射性活度外，还经常用到“比放射性活度”或“比活度”的概念。比放射性活度就是单位质量放射源的放射性活度，即： a=A/m，式中m为放射源的质量，比放射性活度的单位为Bq/g 衡量一个放射源或放射性样品的放射性的强弱的物理量，除放射性活度外，还常用“衰变率”这一概念。设t时刻放射性样品中，某一放射性核素的原子核数为N(t)，该放射性核素的衰变常数为 ，我们把这个放射源在单位时间内发生衰变的核的数目称为衰变率J(t) ，则J(t)=N(t)。,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,放射

21、规律的应用（1） 知识要点：放射源活度的确定、确定人工放射性制备时间 放射源活度的确定: A(t) =N(t), N(t)=M x NA/A NA=6.022x1023mol-1, A是放射源物质的质量数。 在人工制备放射源时，如果反应堆中的中子注量率或加速器中带电粒子束流强是恒定的，则制备的人工放射性核素的产生率是恒定的，而放射性核素同时又在衰变，因此它的数目变化率为N(t)=P(1-e-t)/, P=Nt0 。式中Nt为样品中被用于制备放射源的靶核的总数，而且认为在辐照过程中保持恒定； 0为靶核的热中子截面； 为热中子的注量率,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,放射规律的应用（2） 知识

22、要点：放射源活度的确定、确定人工放射性制备时间 人工生成的放射性核数呈指数增长，要达到饱和值，必须经过相当长的时间。需要半衰期的六七倍时间，即可得到放射性活度为饱和值的99%的放射源。如果再延长时间，也只增加其中的1%而已，这是不合算的。,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,放射规律的应用（3）,例：单一放射性核素137Cs ，1984年3月9日制备时的质量为 W=2105g。已知137Cs的原子量 A=136.907，半衰期T1/2=30.17年。 请计算该源今天的放射性活度。,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,放射规律的应用（3）,先来计算1984年源制备时的137Cs核数，,解：,根据

23、：,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,1984年137Cs源的放射性活度：,当前137Cs源的放射性活度：,137Cs的衰变常数：,137Cs源经过20年，其放射性活度减弱为原来的63。,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,射线与物质的相互作用,知识要点： 常用的核辐射类型及特征 射线与物质相互作用,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,常用的核辐射类型及特征（1） 知识要点：、射线及中子 辐射的定义是指以波或粒子的形式向周围空间或物质发射并在其中传播的能量（如声辐射、热辐射、电磁辐射、粒子辐射等）的统称。 物体受热向周围介质发射热量叫做热辐射；受激原子退激时发射的紫外线或X射线叫做原子辐射；

24、不稳定的原子核发生衰变时发射出的微观粒子叫做原子核辐射，简称核辐射。通常论及的“辐射”概念是狭义的，仅指高能电磁辐射和粒子辐射。这种狭义的“辐射”又称“射线”。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,常用的核辐射类型及特征（2） 知识要点：、射线及中子 核辐射粒子就其荷电性质可以分为带电粒子和非带电粒子；就其质量而言，可以分为轻粒子和重粒子；以及处于不同能区的电磁辐射。主要有辐射、 辐射、 辐射和中子辐射等。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,常用的核辐射类型及特征（3） 射线通常也称粒子，它是氦的原子核，由两个质子和两个中子组成；核电荷数为+2，质量为4。 粒子以符号42He表示。天然的粒子

25、来源于较重原子核的自发衰变，叫做衰变。 衰变过程： AZX A-4Z-2Y + 42He； X、Y分别为母核和子核。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,常用的核辐射类型及特征（4） 原子核发射出的射线有两类：-和+射线。 -射线就是通常的电子，带有一个单位的负电荷，以符号e或e-表示，负电子是稳定的。 +射线就是正电子，带有一个单位的正电荷，以符号e+表示。两种电子静止质量相同，其质量约为质子质量的1/1846。 粒子来源于原子核的衰变， 衰变有三种类型： -衰变、 +衰变和轨道电子俘获EC。 -衰变、 +衰变中发射的 电子或正电子的能量是连续 的，从0到极大值E,max都有， 图1-7表示

26、了- 衰变中发射 电子能量分布，对某核素的电子的最大动能E,max是确定的。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,常用的核辐射类型及特征（5） X射线和射线都是一定能量范围的电磁辐射，又称光子辐射。光子静止质量为0，不带任何电荷。单个光子的能量与辐射的频率成正比，即, E=h ，h为普朗克常数，它的数值等于6.62610-34Js。 每一个光子的能量都是确定的，任何光子在真空中的速度都是相同的，即为光速C(3108m/s)。 X射线和射线的唯一区别是起源不同。从原子来说X射线来源于核外电子的跃迁, 而射线来源于原子核本身高激发态向低激发态（或基态）的跃迁或粒子的湮灭辐射。,辐射安全与防护射线与

27、物质的相互作用,射线是波长很短能量高的电磁辐射 （ 10-11 米，keV，MeV），来自原子核衰变, 不带电， 静止质量 0 。,射线是什麽？,能够同物质原子发生作用，但不能直接使原子 电离；有动量和能量交换,能够产生载能次级 带电粒子，可以对物质发生电离作用。,能量 E = h 动量 p = h / c,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,常用的核辐射类型及特征（6） 中子是原子核组成成份之一，它不带电荷，质量数为1，比质子略重。自由中子是不稳定的，它可以自发地发生衰变，生成质子、电子和反中微子，其半衰期为10.6分 。 中子的产生主要是通过核反应或原子核自发裂变，基本上有三种方法：（1）

28、 同位素中子源；（2）加速器中子源；（3）反应堆中子源 。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,常用的核辐射类型及特征（7） 在用中子源产生中子时往往伴有射线或X射线产生，有的可能比较强。因此，在应用和防护上不仅要考虑中子，而且也要考虑射线或X射线。 中子在核科学的发展中起过极其重要的作用。由于中子的发现，提出了原子核是由质子和中子组成的假说；中子不带电，当用它轰击原子核时容易进入原子核内部引起核反应。人们用核反应制造出了许多新的核素。随着中子活化分析、中子测水分、中子测井探矿、中子照相、中子辐射育种和中子治癌等技术广泛的应用，对中子的需求越来越多 。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,射线

29、与物质相互作用（1） 知识要点：带电粒子、射线、中子与物质相互作用,。 。 。 。原子。, n,物 质：气体 液体 固体 包括人体 等,微观粒子间碰撞有动量和能量的传递 库仑作用 1 电离作用 2 电离效应,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,电离辐射 直接或间接使介质发生电离 效应的带电或不带电的射线 或粒子 (能量 keV ) 、 x、 n、p、 裂变碎片 介子等 来 源 1)放射性物质 (人造 天然） 2)加速器 3)反应堆 4)宇宙射线 5)地球环境,电离辐射和非电离辐射,非电离辐射 紫外线、红外线、微波等 这些粒子虽能够同物质发生作用但都不能使物质发生电离效应 eV 量级 移动电话

30、800-1800 MHz 0.01 eV (没有电离作用）,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,射线与物质相互作用（1） 知识要点：带电粒子、射线、中子与物质相互作用 带电粒子通过物质时，同物质原子中的电子和原子核发生碰撞进行能量的传递和交换：其中一种主要的作用是带电粒子直接使原子电离或激发。非带电粒子则通过次级效应产生次带电粒子使原子电离或激发。 能够直接或间接引起介质原子电离或激发的核辐射通常叫做电离辐射。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,射线与物质相互作用（2） 知识要点：带电粒子、射线、中子与物质相互作用 带电粒子能量损失方式之一是电离损失，包括直接电离和原子激发。 带电粒子与物质

31、原子中核外电子的非弹性碰撞，导致原子的电离或激发，是带电粒子通过物质时动能损失的主要方式。我们把这种相互作用引起的能量损失称为电离损失。 入射带电粒子在物质中穿过单位长度路程时由于电离、激发过程所损失的能量叫做电离能量损失率。从物质角度来说，电离能量损失率也可叫做物质对带电粒子的阻止本领，由于这种阻止主要是电子引起的，所以又叫做电子阻止本领。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,射线与物质相互作用（3） 由于带电入射粒子和靶原子核外电子之间库仑力作用，使电子受到吸引或排斥，使入射粒子损失部分能量，而电子获得一部分能量。如果传递给电子的能量足以使电子克服原子的束缚，那么这个电子就脱离原子成为自由

32、电子；而靶原子由于失去电子而变成带正电荷的正离子，这一过程称为电离。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用, + 靶原子 正离子 + 电子 + 4He + Ar Ar+ + e- + 4He,物质中原子被电离，在粒子通过的路径上形成许多离子对： 正离子和自由电子,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,射线与物质相互作用（4） 如果入射带电粒子传递给电子的能量较小，不足以使电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，只是使电子从低能级状态跃迁到高能级状态（原子处于激发态），这种过程叫原子的激发。 处于激发态的原子是不稳定的，原子从激发态跃迁回到基态，这种过程叫做原子退激，释放出来的能量以光子形式发射出来，这就

33、是受激原子的发光现象 。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,射线与物质相互作用（5） 电离能量损失率随入射粒子速度增加而减小, 呈平方反比关系；电离能量损失率与入射粒子电荷数平方成正比，入射粒子电荷数越多，能量损失率就越大；电离能量损失率与介质的原子序数和原子密度的乘积成正比，高原子序数和高密度物质具有较大的阻止本领。 每产生一个离子对所需的平均能量叫做平均电离能，以W表示。不同物质中的平均电离能是不同的，但不同能量的粒子在同一物质中的平均电离能近似为一常数 。,电离作用 Z1Z2 /v2 Z1 入射粒子原子序数 Z2 靶粒子原子序数 v 入射粒子速度,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,射

34、线与物质相互作用（6） 带电粒子能量损失方式之二是辐射损失。由经典电磁理论可知，高速运动的带电粒子受到突然加速或减速会发射出具有连续能量的电磁辐射，通常称做轫致辐射，能量最小值为0，最大值为电子的最大动能。X射线管和X光机产生的X射线就是轫致辐射。电子的轫致辐射能量损失率比质子、粒子等大得多。例如在速度相同的条件下，质子的轫致辐射比 电子要小18402=3.4106倍。所以对重带电粒子的轫致辐射能量损失一般忽略不计。由于轫致辐射损失与成正比，因此，在原子序数大的物质(如铅, Z=82)中，其轫致辐射能量损失比原子序数小(如铝Z=13)的物质中大得多 。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,轫致

35、辐射,电子打在荧光屏上产生X射线 电视机显像管,特征: x 射线能量连续 0 EMax(电子能量) 电视机 高压15 kV 电子束能量15 keV x 射线能量 0 -15 keV,应注意玻璃含有40K U Th,产生机制,原子核,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,射线与物质相互作用（7） 一定能量的带电粒子在它入射方向所能穿透的最大距离叫做带电粒子在该物质中的射程（Range）；入射粒子在物质中行经的实际轨迹的长度称作路程（Path）。对重带电粒子（如粒子）由于其质量大，与物质原子的核外电子作用时，运动方向几乎不变，因此，其射程与路程相近 。 5.3MeV的粒子在标准状态空气中的平均射程3

36、.84cm，同样能量的粒子在生物肌肉组织中的射程仅为30-40m，人体皮肤的角质层就可把它挡住。因而绝大多数辐射源不存在外照射危害问题。但是当它进入体内时，由于它的射程短和高的电离本领，会造成集中在辐射源附近的损伤，所以要特别注意防止粒子进入体内。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,粒子径迹是一条直线 5.3 MeV粒子在空气中的射程3.83 cm,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,射线与物质相互作用（8） 对粒子，其射程要大得多。当粒子通过物质时，由于电离碰撞、轫致辐射和散射等因素的影响，其径迹十分曲折，经历的路程远远大于通过物质层的厚度。加上粒子具有从零到某一最高值的连续能量。所以，对

37、应于粒子的最大能量仅存在相应于粒子在该物质中的最大射程。 原子核+衰变会有正电子产生，快速运动的正电子通过物质时，与负电子一样，同核外电子和原子核相互作用，产生电离损失、轫致辐射损失和弹性散射。能量相同的正电子和负电子在物质中的能量损失和射程大体相同，但自由正电子是不稳定的。正电子与介质中的电子碰撞会发生湮灭过程： e- + e+(0.511MeV)+(0.511MeV)因此，快速运动的正电子通过物质除了发生与电子相同的效应外，还会产生0.511Me的湮灭辐射，在防护上还要注意对射线的防护 。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,电子径迹是折线,辐射安全与防护射线与物质的相互作用, 射线与射线

38、电离效应比较, 射线 射线 径迹 粗 直 细 弯, 电离作用强 电离作用严重 产生离子对数目多,电离作用 Z1Z2 /v2 Z1 入射粒子原子序数 Z2 靶粒子原子序数 v 入射粒子速度,实验结果,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,射线对物质的电离作用 两步过程,三种作用效应 光电效应 康普顿效应 电子对效应 产生次级电子,电离效应 次级电子使 物质原子电离,射线,第 1 步 初级作用,第 2 步 次级作用,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,射线与物质相互作用（9） 能量在几十keV和几十MeV的射线通过物质时主要有光电效应、康普顿效应和电子对效应等三种作用过程。这三种效应的发生都具有一定

39、的概率。通常以截面表示作用概率的大小。若以ph表示光电效应截面，c表示康普顿效应截面，p表示电子对效应截面，则射线与物质作用的总截面= ph+ c + p 。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,射线与物质相互作用（10） 当光子通过物质时，与物质原子中束缚电子发生作用，光子把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去，而光子本身消失了，这种过程叫光电效应 ，光电效应中发射出来的电子叫光电子 。 在光电效应中，入射光子能量的一部分用来克服被击中电子的结合能，另一部分转化为光电子动能；原子核反冲能量很小，可忽略不计。原子中束缚得越紧的电子参与光电效应的概率也越大。因此，K壳层上打出光电子的概率最大

40、，L层次之，M、N层更次之。如果入射光子能量超过K层电子结合能，大约80%的光电效应发生在K层电子上 。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,射线与物质相互作用（11） 发生光电效应时，若从原子内壳层上打出电子，在此壳层上就留下空位，原子处于激发态。这种激发态是不稳定的，有两种退激方式；一种是外壳层电子向内层跃迁填充空位，发射特征X射线，使原子恢复到较低能量状态；另一过程是原子的退激直接将能量传递给外壳层中某一电子，使它从原子中发射出来，这个电子叫做俄歇电子。因此，发射光电子的同时，还伴随有特征X射线或俄歇电子产生，这些粒子将继续与物质作用，转移它们的能量 。,辐射安全与防护射线与物质的相互作

41、用,光电效应,自由电子,作用机制 光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子,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。 + A A* + e- （光电子） 原子 A + X 射线,原子,受激原子,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,射线与物质相互作用（12） 入射光子同原子中外层电子发生碰撞，入射光子仅有一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子；而光子能量减小，变成新光子，叫做散射光子，运动方向发生变化，这一过程叫康普顿散射或效应。h和h分别为入射光子和散射光子的能量；为散射光子和入射光子间的夹角，称做散射角；为反冲电子的反冲角 。反冲电子具有一定动

42、能，等于入射光子和散射子光子能量之差。反冲电子在物质中会继续产生电离和激发等过程，对物质发生作用和影响；散射光子有的可能从物质中逃走，有的留在物质中再发生光电效应或康普顿效应等等，最终一部分被物质吸收，一部分逃逸出去。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,射线与物质相互作用（13） 当一定能量的光子进入物质时，光子在原子核库仑场作用下会转化为一对正负电子，这一现象称做电子对效应。电子对效应发生是有条件的。在原子核库仑场中，只有当入射光子的能量1.02MeV时才有可能。入射光子的能量首先用于转化为正负电子对的静止能量(0.51MeV + 0.51MeV = 1.02MeV)，剩下部分赋予正负电子

43、的动能。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,电子对效应 能量1.02 MeV 的射线 与原子核作用可能产生一对正-负电子。,M M + e+ + e- 1 + 2 1.02 MeV me me 0.511MeV 0.511MeV 基本条件： 射线能量 E 1.02 MeV 为什麽？,能量转化成质量 M = E /C2,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,正电子湮灭,正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个 0.511 MeV的 光子。,e+ + e- + me+ + me - = 0.511 + 0.511 MeV 质量转化为能量 转化效率 (100 %）,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,射

44、线与物质相互作用（14） 射线进入物质主要通过光电效应、康普顿效应和电子对效应损失其能量。这些效应的发生使原来的光子或者不复存在，或者改变了能量成为新的光子，偏离了原来的入射方向。因此，我们可以说，入射的光子一旦同介质发生作用就从入射束中移去；只有没有同介质发生任何作用的光子才沿着原来的方向继续前进。从入射的光子束中由于同介质作用而被移去的光子称做介质对光子的吸收。只有理想的准直束才能满足这种要求，称为“窄束”。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,射线与物质相互作用（15） 射线穿物质时其注量率随着穿过的厚度的增加而指数衰减。称做线性吸收系数，其单位为cm-1，它表示射线穿过单位厚度物质时发

45、生相互作用的概率（或被吸收的概率），它包含了光电效应、康普顿效应和电子对效应总的贡献。由于三种效应的作用概率都与入射光子的能量和作用物质的原子序数有关，所以值也随光子能量和介质原子序数Z而变化。光子能量增高，吸收系数值减小；介质原子序数高密度大的物质，线性吸收系数也高。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,对物质电离作用的比较,2 MeV 射程(m) 离子对密度/mm 0.01 6000 2-3 60 10 几个,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,射线穿透物质能力, 射线穿透 人体皮肤情况,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,射线与物质相互作用（16） 中子不带电，不能直接引起物质原子的电离

46、或激发。但由于不受原子核库仑场的作用，即使很低能量的中子也可深入到原子核内部，同原子核作用发生弹性散射、非弹性散射或引起其它核反应。 这些过程的发生导致中子在物质中被慢化和被吸收，并产生一些次级粒子，例如，反冲质子、射线、粒子以及其它带电粒子等。这些粒子都具有一定的能量。它们继续同物质发生各自相应的作用，最终使物质原子发生电离和激发。因此，中子也是一种电离辐射。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,射线与物质相互作用（17） 中子与原子核的作用分为两类：中子的散射，中子与原子核发生弹性散射与非弹性散射并产生反冲核；中子的俘获，中子被原子核俘获而形成复合核，再蜕变而产生其它次级粒子。 中子进入原

47、子核形成“复合核”后，可能发射一个或多个光子，也可能发射一个或多个粒子而回到基态。前者就称为“辐射俘获”，而后者则相应于各种中子核反应 。 有几种重原子核（如235U），俘获一个中子后会分裂为两个或三个较轻的原子核，同时发出2-3个中子以及很大的能量（约200MeV），这就是裂变反应 。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,中子不带电不能直接使原子电离 但中子容易进入原子核内 同原子核发生作用引起核反应,1）与 H 原子核的弹性碰撞 传递能量 质子跑出来 中子被慢化 n + H n + p 第一步 打出质子（载能） 第二步 质子引起物质电离 慢化剂:轻水(1H2O) 重水(2D2O),中子与物

48、质的作用,n,H,n,n,p,电离,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,2） 中子核反应 例如( n,p)反应 n + 14N 14C + p 第一步 核反应产生质子 第二步 质子对物质产生 电离作用,n,p 电离,14N,14C,人体有大量 H 和 N 原子 中子对人体电离效应严重 伤害也严重,1,2,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,1 MeV 的粒子穿透物质能力, 1 页 60页/本,铅,地 下 1-2 米深,铅室,n,4580本,中子源,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,辐射探测方法 放射性测量 辐射探测原理 气体探测器 闪烁探测器 半导体探测器,辐射安全与防护辐射探测方法,放射性

49、测量,放大与 变换,记录与 存储,放射性是人眼睛看不见、身体也感觉不到的，但用仪器可以直接测量 。 测量系统基本组成如下：, 射线同物质作用使原子电离，产生正离子和负电子。在电场作用下，电子和正离子分别向正极和负极方向运动，引起电流，产生信号。 辐射探测器：把电离产生的信息转化成可观测的、可输出 的信号： 电、光、热、径迹 等。,探测器,- - - - + + + +,放射源,辐射安全与防护辐射探测方法,辐射探测的原理 利用辐射在气体、液体或固体中引起的电离、激发效应及或其它物理、化学变化进行核辐射探测的器件称为辐射探测器 。 辐射探测的基本过程：1) 辐射粒子射入探测器的灵敏体积；2) 入射

50、粒子通过电离、激发或核反应等过程而在探测器中沉积能量；3) 探测器通过各种机制将沉积能量转换成某种形式的输出信号。 探测器按其探测介质类型及作用机制主要分为气体探测器、闪烁探测器和半导体探测器三种。,辐射安全与防护辐射探测方法,气体探测器 气体探测器：以气体为工作介质，由入射粒子在气体介质中产生的电离效应或核反应引起输出信号的探测器 。 入射带电粒子通过气体时，由于与气体分子中轨道电子的库仑作用而逐次损失能量，最后被阻止下来。同时使气体分子电离或激发，并在粒子通过的径迹上生成大量的由电子和正离子组成的离子对和激发分子。 入射粒子直接产生的离子对称为初电离。初电离产生的高速电子（称电子）足以使气

51、体产生的电离称为次电离。总和称为总电离。 带电粒子在气体中产生一离子对所需的平均能量w称为电离能。对不同的气体，w大约在30eV上下。,辐射安全与防护辐射探测方法,气体探测器 气体探测器的典型圆柱型结构如图所示，在中央阳极和外壳阴极加上正电压。沿入射粒子径迹产生的电子离子对在外电场的作用下产生定向漂移，引起电极上发生感应电荷的变化，与此同时，在外回路上就流过电流信号，或流过负载电阻产生输出电压信号。,辐射安全与防护辐射探测方法,气体探测器 当在两电极上所加电压不同时，就造成气体探测器的不同工作状态。当外加工作电压过低时，电子离子对由于互相碰撞而发生复合，称为复合区，复合的程度与外加电压和离子对

52、数的密度有关，一般不作为气体探测器的工作区域。 当外加工作电压较高时，电子与正离子的复合可以忽略而进入饱和区，这时，产生的离子对数正比于入射粒子在灵敏体积损失的能量，工作于这种工作状态的探测器就是电离室。 随着工作电压的升高，在中央阳极附近很小的区域内，电场强度足够强，发生气体放大或雪崩过程。在一定的工作电压下，气体放大倍数是一定的。此时，形成的总离子对数仍正比于入射粒子能量 ,相应的工作区域成为正比区。正比计数器就工作于这一区域 。,辐射安全与防护辐射探测方法,气体探测器 工作电压进一步提高就进入有限正比区，在探测器的灵敏体积内，积累了相当的由正离子组成的“空间电荷”。在一定工作电压下不再保

53、持常数，初电离小的入射粒子的可能会大一点，称为有限正比区。一般没有探测器工作于这一区域 。 随着工作电压的再一步提高，雪崩过程很快传播到整个阳极。而且，雪崩过程形成的正离子紧紧的包围了阳极丝，称为正离子鞘。由于正离子鞘的电荷极性与阳极电荷相同而起到电场减弱作用，当正离子鞘的总电荷量达到一定时，使雪崩过程终止。因此，最后的总离子对数与初电离无关。这时，入射粒子仅仅起到一个触发作用，输出脉冲信号的大小与入射粒子的类型和能量均无关，这就是G-M区，仅作一个计数器用 。,辐射安全与防护辐射探测方法,气体探测器 上述过程可以用图形象的表示，图中纵坐标为产生离子对数，横坐标为外加电压。 其中I为复合区；

54、II为饱和区； III为正比区； IV为有限正比区； V为G-M区。 这条曲线揭示了气体 探测器中由量变到质 变的规律 。,辐射安全与防护辐射探测方法,气体探测器,G-M计数管：记录粒子个数。,辐射安全与防护辐射探测方法,闪烁探测器 闪烁探测器一般由闪烁体和光电倍增管组成。闪烁体是一种发光器件，当入射带电粒子使探测介质的原子电离、激发而退激时，可发出可见光光子，称为荧光光子 ，这样光的强度用肉眼是看不见的，必须借助于高灵敏的光电倍增管（PMT）才能探测到这些光信号 。PMT的光阴极将收集到的荧光光子转变为光电子，光电子通过聚焦被光电倍增管的第一联极收集，并在其后的联极倍增形成一个相当大的脉动电

55、子流，在输出回路上形成输出信号。,辐射安全与防护辐射探测方法,闪烁探测器,辐射安全与防护辐射探测方法,辐射安全与防护辐射探测方法,闪烁探测器 比较理想的闪烁体应具有以下的性质：1) 将带电粒子动能转变成荧光光子的效率高，即高的发光效率。2)入射带电粒子损耗的能量与产生的荧光光子数具有良好的线性关系。3) 闪烁体介质对自身发射的光是透明的，即其发射谱与吸收谱不应该有明显的重迭，4) 入射粒子产生的闪光持续时间，即闪烁体的发光衰减时间要尽量短，以便能产生快的输出信号，获得好的时间响应。5) 合适的折射率和良好的加工性能。 现在使用频率较高的闪烁体有两大类：一类是无机闪烁体，如，NaI(Tl)，这些

56、材料的密度大，原子序数高，适合于探测射线和较高能量的射线。另一类为有机闪烁体，如塑料和有机液体闪烁体，主要用于粒子和中子的探测。,辐射安全与防护辐射探测方法,闪烁体,辐射安全与防护辐射探测方法,闪烁探测器 光电倍增管（PMT）是一种光电器件，主要由光阴极、聚焦极、打拿极（联极）和阳极组成，封于玻璃壳内并带有各电极引出。光电倍增管的产品很多，但主要要注意它的的光阴极的光谱响应与闪烁体的发射光谱相匹配；具有较高的阴极灵敏度和阳极灵敏度；较低的暗电流或噪声脉冲；良好的工艺和稳定性。,辐射安全与防护辐射探测方法,光电倍增管,辐射安全与防护辐射探测方法,闪烁探测器,辐射安全与防护辐射探测方法,半导体探测

57、器 随着科学技术不断发展需要，科学家们在锗锂Ge(Li)、硅锂Si(Li)、高纯锗HPGe、金属面垒型等探测器的基础上研制出许多新型的半导体探测器，如硅微条、Pixel、CCD、硅漂移室等，并广泛应用在高能物理、天体物理、工业、安全检测、核医学、X光成像、军事等各个领域。 半导体探测器的探测介质是半导体材料。入射带电粒子在探测介质内在通过电离损失损失能量的同时，在探测介质内形成电子空穴对。在电子空穴对在向电极的定向漂移过程中，在输出回路上形成输出信号 。,辐射安全与防护辐射探测方法,半导体探测器 为保证电离生成的电子空穴对能有效的收集，必须选用那些载流子（即电子或空穴）在半导体材料中寿命长的材

58、料，以使载流子在探测介质中的漂移长度大于结区的宽度，因此，性能优异的半导体硅和锗就成为理想的半导体探测器的介质材料。,辐射安全与防护辐射探测方法,半导体探测器 在半导体材料中，形成一个电子空穴对所需的能量仅为3eV，即电离能W= 3eV ，而气体探测器中形成一个电子离子对为30eV ，对闪烁探测器而言，形成一个被光电倍增管第一打拿极的光电子则需300eV 。与气体和闪烁探测器相比，可获得最好的能量分辨率。,辐射安全与防护辐射探测方法,探测器性能比较,辐射安全与防护辐射探测方法,辐射剂量与生物效应 辐射量和单位 吸收剂量 比释动能 照射量 伦琴的定义 辐射的生物学效应 细胞结构和组成 辐射的作用

59、效果 辐射对人体健康的有害效应的分类 影响辐射生物学效应的因素 辐射防护中使用的量,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,吸收剂量 即电离辐射沉积于某一小体积元中物质的平均授与能除以该体积元中物质的质量而得的商。即,是电离辐射授与质量为dm的物质的平均能量，即平均授与能,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,1戈瑞(Gy)=1焦耳/千克(J/kg)=100拉德(rad) 1(Gy)=106微戈瑞( ) =103毫戈瑞(mGy),吸收剂量的国际单位为J/kg，法定单位为戈瑞(Gy)，非法定单位为拉德(rad),辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,吸收剂量率 就是单位时间内物质的吸收剂量,吸收剂量率的法定单位是“Gy/s”，非法定单位为“rad/s”。,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,比释动能 是不带电的电离辐射（间接电离辐射）在小体积元内释出的所有带电粒子的初始动能之和的平均值 ，除以