辐射剂量与防护(1.2).ppt

1、1,电离辐射剂量与防护,康 玺,系馆315 Tel: 8281887 E-mail:,2,5MeV r=1mm 栅元0.020.04mm2 5MeV 电子 r=1mm 栅元0.21mm2,5MeV r=1mm 栅元0.21mm2 5MeV n r=1mm 栅元0.21mm2,笔形束辐射在水模中的纵向能量沉积,3,第一章 电离辐射与物质的相互作用,第二讲 带电粒子与物质的相互作用,4,一、带电粒子与物质的相互作用,根据带电粒子与物质相互作用的特点，可以将其分为两种类型： （1）轻带电粒子（电子） （2）重带电粒子（如、p、原子核） 带电粒子与物质的相互作用包括五种类型： （1）非弹性碰撞 （2）

2、弹性散射 （3）辐射相互作用 （4）核相互作用 （5）电子对生成,5,1.1 非弹性碰撞,过 程 带电粒子与原子、分子或其他束缚 态的电子发生库仑相互作用，使电子跃迁 到较高的能级（激发）或脱离束缚系统 （电离）； 能量转移 带电粒子的动能 束缚系统的位能+电子动能 Ionization Slowing Down,6,粒子与物质的作用：电离,7,粒子与物质作用：激发,8,非弹性碰撞（Nonelastic collision） 对象：电子、重带电粒子 硬撞或“对面撞”（hard or “knock-on” collision） 软碰撞或“核”碰撞（soft collision） ba，每次作用损

3、失能量小；b与a同量级，每次作用能量损失大。 带电粒子在碰撞过程中损失能量与其径迹至原子的最近距离b的二次方成正比。 注：a 原子核半径。,9,1.2 弹性碰撞,过 程 带电粒子在原子核库仑场的作用下改变运动方向，不发射电磁辐射、不激发原子，作用体系的总动能保持不变。（原子的电子也能引起弹性散射，但比较而言，贡献要小得多。） 能量转移 带电粒子的动能 带电粒子动能原子核动能 电子散射,10,1.3 辐射相互作用,过 程 （1）带电粒子在原子核电场产生加速运 动，发射电磁波（轫致辐射） （2）粒子与反粒子相互作用产生光子（湮没过程） 能量转移 带电粒子的动能、静止质量 电磁辐射,11,轫致辐射过

4、程图示,12,轫致辐射 Bremsstrahlung,带电粒子在原子核附近受库仑场的作用，带电粒子飞行方向发生变化； 非弹性碰撞过程； 带电粒子以光子辐射的形式损失能量 高能电子在物质中损失能量的主要方式 重带电粒子以轫致辐射方式损失的能量非常小； Radiation Slowing Down,13,二、阻止本领（Stopping power）,2.1 总阻止本领： 总线阻止本领带电粒子通过物质时在单位路程上损失的能量。, dE是dl距离上损失能量的数学期望值。,总线阻止本领与带电粒子的性质（电荷、质量、能量）和物质的性质（原子序数、密度）有关。去除物质密度的影响可得到总质量阻止本领公式：,(

5、2.1),(2.2),14,总质量阻止本领描述带电粒子在物质中穿过单位路程时，因各种相互作用而损失的能量。它可分解为各种相互作用阻止本领之和。,质量碰撞阻止本领（包括电离和激发对能量损失的贡献）,质量辐射阻止本领（由非弹性辐射相互作用导致的初级带电粒子的能量损失决定）,(2.3),(2.4),(2.5),15,2.2质量碰撞阻止本领: 重带电粒子质量碰撞阻止本领公式,16,分析：,（1）电离损失与重带电粒子的电荷z2成正比； 库仑作用力 （2）电离损失与重带电粒子的能量（速度）成反比； 作用时间 （3）电离损失与物质的电子密度成正比； 作用概率,电子密度：,17,阻止本领可以用量子力学理论给出

6、计算公式（参考书P.11贝特公式）,对重带电粒子，在用理论公式计算（S/）c时，要考虑壳层修正，而对电子往往不需要。 原因：重带电粒子以速度v运行时，通过与电子发生碰撞可交给电子的能量为2m0v2，而2m0v2可能小于k电子的激发能，k电子就会成为不相干电子。电子的速率比不具有同样能量的重粒子的速率高很多。,18,19,极化效应（Polarization effect）使（S/）c减少 运动带电粒子产生的电场使介质中的原子极化，减弱了运动的带电粒子产生的电场，降低了与较远的电子作用，从而减少了碰撞能量损失。介质密度越大，近距离原子的极化对较远电子的影响就大（密度效应（Density effec

7、t）。,（S/）c与E关系,20,不同重带电粒子 若它们在同一种介质中以相同的速度运行时，壳层修正和密度修正相同，故有 （归一化的碰撞阻止本领）。,电荷交换效应 低能重带电粒子，会“拾掇”电子，使其有效电荷数z减少。E减少，减少。,21,（S/）c随z减少而增加 平均激发能随z增加而增加；z/MA随原子序数z增加而减少。,化合物中的阻止本领 可以用化合物中每种元素阻止本领的重量加权求得： fi为指定元素在化合物中所占重量份额。,22,电子质量碰撞阻止本领公式：,（1）电离损失与电子的能量（速度）成反比； 作用时间 （2）电离损失与物质的电子密度成正比； 作用概率,23,碰撞阻止本领关系式,（1

8、）不同电荷，相同速度，同一物质,（2）相同粒子，相同速度，不同物质,24,2.3 定限碰撞阻止本领（L/）,（1）粒子 粒子定义：能够产生分支径迹的次级电子 （2) L/ 定义：L/=(dE/dl)/ dE为带电粒子在密度为的介质中穿行距离为dl时，由传递能量小于指定值的碰撞而损失的能量的数学期望值。 L称为传能线密度LET（Linear energy transfer）。 LET:特定能量的带电粒子在介质中穿行单位长度路程时，由能量转移小于某一指定值的历次碰撞所造成的平均能量损失。 L=Sc， L/ =(S/ )c,25,2.4 辐射阻止本领,辐射损失 Z z2/m2 其中： Z 物质的原子

9、序数； z 带电粒子的电荷数； m 带电粒子的质量。 在同一物质中，粒子能量的辐射损失比能量相同的电子约小107倍。,26,粒子的能量损失,Ee：电子能量 Z： 介质原子序数, 粒子能量损失的主要方式：（1）电离 损失；（2）辐射损失（轫致辐射） 辐射损失与电离损失的比值,27,2.5 散射本领,重带电粒子，非常靠近原子核，才发生散射。 电子，质量小，离原子核较远时也会发生弹性散射。 大量电子观测发现，电子偏转角服从高斯分布，且其均方值2与穿过物质层厚度成正比，称2为散射均方角。单位质量厚度散射均方角增量定义为质量散射本领（T/）:,电子在密度为的介质中穿行距充为dl时产生的散射均方角增量。,

10、28,2.6 射程,定义：带电粒子所能穿过的介质厚度称为射程，是带电粒子在入射方向上的投影长度，因而又称为投影长度。 透射带电粒子数随吸收体厚度变化的曲线，称为射程曲线。,29,重带电粒子,第二节 带电粒子与物质的相互作用,30,电子和射线,第二节 带电粒子与物质的相互作用,31,穿过厚度为x的吸收层的粒子数为N(x)，则平均投影射程可写为：,连续慢化近似射程r0 假设带电粒子与物质的每次相互作用损失的能量足够小，以致于可以把带电粒子损失能量的过程看成是连续慢化过程，则初始能量E的带电粒子在介质中穿行路程质量厚度的期望值可表示为：,r0R,32,比电离与平均电离能, 比电离 带电粒子在单位路径

11、上所产生的 离子对总数 平均电离能, E 带电粒子的初始能量； 产生的离子对数的平均值，包括直接电 离产生的离子对和次级辐射（例如轫致辐射） 产生的离子对。,33,粒子在空气中的电离能力（比电离）,粒子在空气中产生一个电离对的平均能量约35.5eV,34,三、本节总结,1 、带电粒子与物质的基本规律 电子辐射（轫致辐射）、弹性散射 重带电粒子非弹性碰撞（电离和激发）、弹性散射 2、带电粒子与物质作用宏观表述量 质量阻止本领：碰撞阻止本领和辐射阻止本领 理论公式 碰撞阻止本领（贝特公式）辐射阻止本领 经验取值 查表法 定限阻止本领 射程 电离能,35,第三讲 不带电粒子与物质的相互作用,36,一

12、、r和x射线与物质的相互作用 1.作用类型与特点 （1）射线与x射线的定义（或产生） -rays：射线是由核和基本粒子转变（为核反应、核衰变、基本粒子衰变和基本粒子湮灭等）产生的电磁辐射光子。 x-rays：a.轫致辐射x射线。由带电粒子在原子核库仑场中慢化而产生的电磁辐射。 b.特征x射线。由原子电子能级改变而产生的电磁辐射。,37,（2）作用类型（按能量吸收的多少来划分） 完全吸收：光电效应、电子对生成、光 核反应和光介子生成等。 部分吸收：康普顿散射和核共振散射。 不 吸 收：弹性散射。,38,三种作用效应 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

13、离,射线,第 1 步 初级作用,第 2 步 次级作用,（3）特点,39,与带电粒子比较，光子与物质相互作用的截面小得多，在 介质中可以穿行比较长的路程。 一次相互作用过程中光子损失的平均能量较大。 不能象带电粒子那样用阻止本领来研究不带电粒子在介质中的能量减少过程。 用新的参数来描述它们与物质相互作用（Cross section截面）、能量转移（energy transfer）和能量吸收（energy absorption）的几率。,40,2.三种重要作用（对能量转移和吸收的贡献而言）,(1)Photoelectric effect(光电效应),41,自由电子,原子,受激原子,作用机制 光子同

14、(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,光电效应,42,(2)Compton effect(康普顿散射) Compton scattering,43,注：=h/m0c2,44,(3)Pair production(电子对生成) Pair creation,45,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

15、线能量 E 1.02 MeV 为什麽？,能量转化成质量 M = E /C2,46,1）共同特点： a.存在角分布，且hv越大，光电子、反冲电子，生成电子越趋近入射光子方向。 b.能量转移截面可用光子能量转移为带电粒子（电子）动能的分数和相应的作用截面相乘获得。,2）相对重要性,47,二、Damping factor（衰减系数）、Energy transfer facter（能量 转移系数）、Energy absorption factor（能量吸收系数）,(1)窄束衰减和衰减系数（Narrow beam attenuation and Damping factor） dN=-N dx （为线衰

16、减系数） N=N0e-x 定义质量衰减系数为/。,48,各种相互作用的衰减系数可同时对应的相互作用截面来表示。,=(NA/MA)a ,R=(NA/MA)a R,49,（2）能量转移系数tr（Energy transfer factor） 定义：光子在吸收介质中穿行单位长度距离时，其能量在相互作用过程中转移为电子动能的份额。,表述：,质量能量转移系数tr/,50,（3）能量吸收系数en和辐射份额Y(E)（Energy absorption factor and Radiative fraction）,线能量吸收系数 en,质量能量吸收系数 en/,en/表示光子在物质中穿过单位质量厚度时，入射光

17、子能量中转移给次级电子能量的碰撞损失份额。 g 能量转换为轫致辐射的份额。,51,瞬时能量为E的电子的能量辐射损失份额y(E)可表示为：,能量为E的电子在慢化过程中的辐射能量损失份额Y（E）：,若各作用过程产生的次级电子初始谱为f（E），则有：,52,4.混合物和化合物中的作用系数 式中：i元素 i 的重量百分比。,53,三、中子与物质的相互作用,一、 弹性散射 二、 非弹性散射 三、 辐射俘获 四、 其他核反应,54,中子几乎不与电子相互作用，只能与原子核相互作用,中子,散射,弹性散射 如：快中子与轻介质,非弹性散射 如：快中子与重介质,吸收 辐射俘获,55,56,1、弹性散射,在质心坐标系

18、中,单次碰撞后能量比：,散射角c可取0间的任何值,多次碰撞后，平均能量损失份额：,对氢核的例子,57,快中子能量从E1降到En，所需的平均碰撞次数：,第四节 中子与物质的相互作用,58,二、非弹性散射,非弹性散射过程：,（1）直接相互作用（10-2210-21）； （2）形成复合核（10-2010-15）； （3）靶核发出动能较低的中子； （4）靶核处于激发态； （5）靶核释放若干光子退激。,靶核的内能发生了改变,第四节 中子与物质的相互作用,59,非弹性散射的特点：,（1）要克服最低的激发能级，所以存在阈能； （2）阈能以上，中子能量越高，非弹性散射截面越大； （3）第一激发能越低，越容易发生非弹性散射 重核的第一激发能约100千电子伏 轻核的第一激发能约几兆电子伏 （4）伴随射线,例屏蔽层加入重金属与减速剂交替屏蔽（中子减速、射线）,第四节 中子与物质的相互作用,60,三、辐射俘获,辐射俘获：,（n，）反应,第四节 中子与物质的相互作用,61,（1）反应截面与中子能量有关，低能区除共振峰外，一般服从 规律； （2）反应形成的核素一般是放射性的，也有稳定核； （3）不同核素的热中子俘获截