第二章-剂量学基本概念

1、1,第二章 剂量学基本概念,在医疗实践活动中，医生根据患者的病情、药物的性质和治疗方案，对患者给出治疗处方。医生的处方对所用药物的剂量和用药方法都有严格的要求。在X射线放疗中，放射治疗医生为确保治疗过程的可靠，对患者的实施的X射线照射的量，也要有严格的控制。照射过程中对患者给予的X射线的多少也按“剂量”规则进行。,2,第二章 剂量学基本概念,在放射治疗中给予的X射线的量度和控制都需要有相应的度量方法。在众多的辐射实践中，所需辐射的照射的量应该是多少，以怎样的方式给予这些辐射，这也需要剂量度量方法来确定。,3,第二章 剂量学基本概念,辐射剂量学是以射线与物质的相互作用为基础,研究: 1.射线在介

2、质中能量转移、沉积的规律, 2.射线在介质中的能量沉积的大小和空间分布, 3.研究空间辐射剂量和辐射场的关系, 4.研究辐射剂量和引起的效应之间的关系,研究不同辐射条件下各种不同的介质所产生的效应和观测这种效应的方法,4,第二章 剂量学基本概念,辐射剂量学是以射线与物质的相互作用为基础,研究 5.利用可靠的技术手段来测量辐射效应, 6.进行辐射剂量测量, 7.发展辐射剂量计算方法和评价, 8.建立辐射剂量的量度规则和测量基准。,5,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能,不带电粒子和物质的相互作用可以分为两个过程，第一个是不带电粒子与物质相互作用产生带电粒子的过程，这个过程可以是核反应过程，也

3、可以是一个散射过程，如一个中子射入到介质中时，可以通过和介质中的氢原子碰撞将一部分甚至全部动能交给质子。这就是能量转移过程。第二个过程是产生的带电离子在介质中的能量沉积过程。辐射粒子的能量转移和第一个过程紧密相关，辐射粒子的能量沉积则和第二个过程紧密相关。,6,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能,由于带电粒子有一定的射程，这两个阶段的能量转移在介质中发生在不同的地点。所以说在研究不带电粒子在物质中的能量转移时，有必要对这两个过程分别处理。比释动能就是描述不带电粒子在物质中转移能量的第一阶段的一个辐射量。,7,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能一、转移能,在指定体积内由不带电粒子释放出来

4、的所有带电粒子的初始动能之和称为转移能(energy transfered)，一般用 来表示转移能，其单位是“J”。,8,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能一、转移能,1.将带电粒子释放出来，就是将原来限定在一定区域或一定状态的粒子发射出来(如射线引起的电子由束缚态发射到自由态)，或产生一个带电粒子而发射出来(如中子引起的核反应过程中带电粒子产生和发射)； 如果不带电粒子引起了不带电粒子的发射，则不属于转移能讨论的范畴,9,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能一、转移能,2.对于原来在介质中就存在射线产生的带电粒子时，如释放出的粒子是电子，只有带电粒子的动能超过热运动动能时，才被计入转移

5、能中。不带电粒子产生的带电粒子的能量很低和体系的热能相当时，不带电粒子的动能不能归为转移能，而是归为授予能，授予能属沉积能量的范畴。,10,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能一、转移能,3.需要设定一个限值，不带电粒子释放出来的带电粒子的初始动能超过此限值，则视为转移能，低于此限值则归为授予能。这个能量限值就是转移能量阈能。,11,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能一、转移能,初始粒子是能量为 的光子，在所考察的体积内发生光电效应时产生的带电粒子是能量为Ee的光电子， 当发生光电效应后，原子内壳层的空位被填充时，如果发出的特征X射线逸出所考查的指定体积，则在所考察的区域内的转移能为,1

6、2,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能一、转移能,当发生光电效应后，原子内壳层的空位被填充时，发出能量为Ea的俄歇电子，则在所考察的体积内的转移能为,13,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能一、转移能,如果发出的特征X射线在所考查的指定体积内被吸收，吸收能量为Etr,14,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能一、转移能,在上面的分析中，我们没有考查光电效应之后，形成的带正电的离子的能量，或者说假定了光电效应之后形成的带电离子的动能小于转移能量阈量。 当光电效应后，原子内壳层的空位被填充时，如果发出的特征X射线在所考查的指定体积内被吸收，吸收能量为Etr，并且光电效应之后形成的带电离子

7、的动能Ei比热运动能量大得多(转移能量阈 )，则转移能为,15,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能一、转移能,h,EA,Ee,hK,h,h1,h2,h3,E1,康普顿效应，产生能量为h的散射光子，能量为EA的俄歇电子，能量为hK的特征X射线，能量为Ee的反冲电子。反冲电子在体积元内产生h1和 h2的轫致辐射，在体积元外产生h3的轫致辐射，此情况下的转移能应该是多少？,16,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能一、转移能,h,E-,E+,对于电子对效应，转移能为,17,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能一、转移能,对中子引起核反应过程，原来动能为的中子反应后有两个带电粒子,转移能为,1

8、8,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能一、转移能,对不带电粒子与物质相互作用的普遍过程，转移能为,其中 表示进入体积元的所有不带电粒子的能量(不包括静止质量能)； 表示从体积元逸出的所有不带电粒子的能量(不包括静止质量能)，但该体积内带电粒子动能辐射损失的逸出部分除外； 表示入射的不带电粒子在体积元内引起的任何核与基本粒子的转变中，所有与它们静止质量能改变的总合(质量减少为正，增加为负)。,19,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能一、转移能,带电粒子的动能损失主要有两种，一种是辐射损失，另外一种是碰撞损失。因为轫致辐射在物质中可以穿行较大的距离。这样一来，就有必要交转移能划分为两部分，

9、一个是辐射转移能，另外一个是碰撞转移能，碰撞转移能也叫净转移能。,20,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能二、比释动能,比释动能(Kinetic energy released per unit mass KERMA)定义为 在质量为的无限小体积内有不带电粒子释放出来的所有带电粒子的初始动能之和，也就是在质量为的无限小体积内有不带电粒子与物质相互作用而产生的转移能的期望值。转移能的单位为J(焦尔)，质量的单位为Kg(公斤)，则比释动能的单位为Gy(gray 戈瑞 1Gy=1J/Kg)或者rad(拉德，1rad=10-2Gy)。,21,比释动能K，是根据间接致电离粒子在物质中释出的动能而对间

10、接致电离辐射场作出基本描述的一个辐射量。物质中比释动能的大小，反映着间接致电离粒子交给带电粒子能量的多少。,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能二、比释动能,22,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能二、比释动能,比释动能还有另外一个定义，比释动能是在所考查的区域内单位质量的介质中转移给带电粒子的动能的平均值，其中包括辐射损失的能量，但不包括由一个带电粒子转移给另一个带电粒子的能量。,23,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能二、比释动能,随机量：服从统计涨落的量。随着观测次数的增加，随机量的平均值越接近数学期望值。随机量的平均值或数学期望值称为非随机量。,24,第二章 剂量学基本概念第

11、一节 比释动能二、比释动能,比释动能定义为无限小体积内不带电粒子与物质相互作用而产生的转移能，这是不涉及物质微观结构、射线和物质相互作用中径迹结构的宏观量。首先选一个质量为dm物质，由相互作用而产生的转移能是随机的，转移能具有涨落性的，所以转移能使一个随机量。但是对于转移能，它有一个平均值，是非随机量。所以比释动能是一个非随机量。,25,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能二、比释动能,比释动能是一个非随机量，因此可以根据辐射场和作用参数来对其进行严格的计算，并用来分析其它的剂量学量。这个是辐射量比释动能的优点。,26,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能三、比释动能与注量的关系,da,d

12、l,假设辐射场由单能的不带电粒子构成，其能量注量为 ，如左图所示。介质的密度为，线能量转移系数为tr。那么在体积元中的比释动能与能量注量的关系可以计算得出。,27,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能三、比释动能与注量的关系,当介质中存在不带电粒子的辐射场, 辐射场的能量注量为 ,不带电粒子释放出来的能量为 ,在体积元内物质的质量为 ，根据比释动能的定义,28,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能三、比释动能与注量的关系,对单能粒子的辐射过程，比释动能,为粒子注量,29,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能三、比释动能与注量的关系,对于混合粒子场比释动能为,Ecut为能量截止下限,当不带

13、电粒子的能量低于此能量时,就不会引起能量转移 为比释动能因子,30,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能三、比释动能与注量的关系,两种材料介质中的比释动能的比值为,31,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能四、碰撞比释动能,转移能有两部分，碰撞损失的部分和辐射损失的部分,对应的比释动能也有两部分，对应于碰撞损失机制转移能的碰撞比释动能和对应于辐射损失过程转移能的辐射比释动能,32,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能四、碰撞比释动能,定义两种能量转移系数的比值,是能量转移系数， 为与碰撞损失机制对应的能量转移系数，g为带电粒子慢化过程中通过辐射损失过程的份额。,33,第二章 剂量学基本概

14、念第一节 比释动能四、碰撞比释动能,34,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能四、碰撞比释动能,单能不带电的粒子的碰撞比释动能,和分别表示能量注量和粒子注量,35,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能四、碰撞比释动能,对于混合粒子场的碰撞比释动能,36,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能五、比释动能率,比释动能率就是单位时间内的比释动能,也就是比释动能对时间的导数,反映了比释动能的时间特性。,比释动能的单位为Gy/s。,37,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能五、比释动能率,对点源辐射场,活度为A,每次衰变放出 个能量为的 光子,则在离辐射源为r的地方,能量大于的光子产生的比释动能

15、率为:,对于确定的放射性核素,是一个常数,称为比释动能率常数,38,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能六、不同介质中的比释动能,比释动能是一个非随机量，空间指定点的比释动能由该点的不带电粒子注量和介质的相互作用系数决定，而周围的介质的作用仅限于对指定点不带电粒子辐射场可能的影响。因此可以说“自由空间或不同的材料中某点对指定材料的比释动能或比释动能率”，这表明，将少量的指定材料i放在自由空间或某种不同材料j中感兴趣的地点所得到的比释动能或比释动能率。需要注意的是，该材料的质量和体积要足够小，使它的引入不会改变不带粒子的辐射场，即指定点的辐射场与i材料未引入前相同。,39,第二章 剂量学基本概

16、念第一节 比释动能六、不同介质中的比释动能,在辐射剂量学中，用指定材料中的比释动能或比释动能率来描述不带电粒子的辐射场是很方便的。特定材料的选取决定于研究的对象，在医学和生物学中可以是适当的组织、在材料的辐射效应研究中的各种材料、也可以是某个探测器。,40,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能六、不同介质中的比释动能,指定介质i中的比释动能和指定介质未引入时原介质j中的比释动能之间的关系,和,是介质i和j的质量能量转移系数。,41,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能六、不同介质中的比释动能,当指定材料的组成与周围介质不同时，在两种介质的交界面处，比释动能将发生跳跃变化。如果两种材料组成一

17、致的话，Ki=Kj。,K或,Ki,Kj,空间位置,i,j,42,第二章 剂量学基本概念第一节 比释动能六、不同介质中的比释动能,对碰撞比释动能有相似的关系式,和,是介质i和j的质量能量吸收系数。,43,第二章 剂量学基本概念第二节 照射量,电离是电离辐射的最重要的特点，根据电离电荷测量电离辐射是一种广泛应用的方法。照射量是最早使用的剂量学量，它是基于光子对空气的电离能力来度量光子辐射场的一个物理量。反应着X射线或射线对空气的电离本领。,44,第二章 剂量学基本概念第二节 照射量一、 照射量X,射线或者X射线在空气介质中质量为dm的空气中，与空气介质的相互作用产生的次级带电粒子(光电子、Comp

18、ton电子和电子对)完全被阻止在空气中，其在空气中产生同一种符号的电荷(正电子或负电子)总量为dQ，则定义在所指定点的照射量X(exposure)为在单位质量的空气中产生电荷量：,45,可见，照射量X是从电离本领的角度说明X或射线在空气中的辐射场性质的。由于照射量的基准测中存在着某些目前还无法克服的困难，它只能用于能量在10KeV到3MeV范围内的X或射线。鉴于为辐射防护目的所作的测量可以允许较大的误差，照射量适用的能量上限允许扩大到8MeV。,第二章 剂量学基本概念第二节 照射量一、 照射量X,46,第二章 剂量学基本概念第二节 照射量一、 照射量X,电荷的单位为库仑(C)。照射量的单位为C

19、/kg。过去照射量的单位为伦琴(Roentgen)(德国物理学家1901年获诺贝尔奖)。1R=2.5810-4C/kg。伦琴是一个老的照射量的单位。SI制中，1C/kg=3.877103R。,照射量X的单位,47,第二章 剂量学基本概念第二节 照射量一、 照射量X,为了确定辐射场中某点照射量的伦琴数，必须要知道X或射线在该点某个空气体积dV中产生的次级电子在空气中所造成的总电离的情况，如右图所示。 X或 射线在dV空气中打出次级电子，如径迹a、b、c，这些次级电子的能虽除有部分转化为轫致辐射外，其余都用于使空气电离。由右图可见，由于这些电子具有一定的射程，它们在空气中所形成的离子对不仅分布在空

20、气体积dV内，而且有一部分离子还分布在dV之外，在确定照射量时，只要这些次级电子被空气所阻止，即在慢化下来之前未进入或穿过非空气介质，这些离子的电荷量都应计算在内；而在dV空气体积外产生的次级电子，例如径迹d，它所形成的离子的电荷则不应计入，即使其中有部分离子分布在d V空气体积之内。,48,第二章 剂量学基本概念第二节 照射量一、 照射量X,在空气中产生的电荷仅包括在质量为dm的空气中产生的次级电子且在空气中产生的电荷，不包括在质量dm的空气之外产生的次级电子在质量为dm空气中产生的电荷。 还要说明的是射线产生的电子、电子对会有轫致辐射过程，轫致辐射过程发射的光子被吸收后再产生的电荷不计入到

21、电荷中。 射线产生的电子、电子对穿过空气介质进入到非空气介质后在非空气介质中产生的电荷也不计入到电荷中。,49,由前面的图还可看到， X或射线交给dV体积空气中次级电子(径迹a、b、c)用于电离的能量并没有全部被dV体积内的空气所吸收，而有部分能量被次级电子带到了该体积之外。同时， X或射线在dV体积外产生的次级电子(径迹d)也可能带着部分能量进入dV体积之内。照射量，它只是指X或射线交给某一空气体积内次级电子(如图中的a、b、 c)用于电离的能量，而不计这些电子是否把这部分能量都消耗在这一空气体积之内，当然它更不包括指定的空气体积之外产生的次级电子(例如图中的d)在所指定的空气体积内所消耗的

22、能量。,第二章 剂量学基本概念第二节 照射量一、 照射量X,50,第二章 剂量学基本概念第二节 照射量一、 照射量X,照射量和碰撞转移能的平均值有如下关系,为电子在空气中的平均电离能。目前的最佳估值为,51,第二章 剂量学基本概念第二节 照射量一、 照射量X,对单能光子辐射场照射量和粒子注量、能量注量的关系,照射量与能量注量的关系,52,第二章 剂量学基本概念第二节 照射量一、 照射量X,将Wair和e的值代入上式，并且照射量以伦琴为单位，有, /X是每伦琴的能量注量，表示在空气中某点产生1伦琴照射量所需要的能量注量。由上式可以看出， /X与en(E)有联系，所以/X依赖于光子的能量。,53,

23、第二章 剂量学基本概念第二节 照射量一、 照射量X,由左上图可见，对于低能X或射线，空气的质量量吸收系数比较大。就是说，低能X或射线穿过空气时，其能量转变为次级电子用于使空气电离的那部分能量所占的比例较大，因而只要较少的能量注量就能在空气中造成1伦琴照射量所需要的那部分离子的总电荷量。当光子能量较高时，空气的质量能量吸收系数变得较小，此时就要有比较大的能量注量才能在空气中造成1伦琴照射量所需要的那部分离子的总电荷量。,54,第二章 剂量学基本概念第二节 照射量一、 照射量X,对于混合粒子场照射量和粒子注量、能量注量的关系,Ecut表示光子作为电离辐射的能量限制。,55,第二章 剂量学基本概念第

24、二节 照射量一、照射量的定义,总的KERMA和照射量之间的关系为,56,第二章 剂量学基本概念第二节 照射量二、照射量率,照射量率就是单位时间内的照射量，也就是说照射量随时间的变化,57,第二章 剂量学基本概念第二节 照射量二、照射量率,照射量率和粒子注量率、能量注量率的关系为,58,第二章 剂量学基本概念第二节 照射量二、照射量率,对放射性核素点源构成的辐射场,59,第二章 剂量学基本概念第二节 照射量二、照射量率,对于确定的放射性核素,是一个和比释动能率常数联系的一个常数，称为照射量率常数。,60,第二章 剂量学基本概念第二节 照射量二、照射量率,一般情况下,照射量仅仅适合10keV-3M

25、e V的射线的量度，当辐射防护过程中允许的误差比较大时，照射量的适用能量上限可提高到8MeV。其他能区的射线和其它种类的粒子，不用照射量或照射量率来量度。 照射量的英文exposure容易引起歧义，除了照射的意思外，还有暴露的意思，而在辐射实践过程中，暴露往往表示接收射线照射。,61,第二章 剂量学基本概念第二节 照射量二、照射量率,辐射实践过程中，对射线引起的效应研究越来越深入、辐射效应的剂量度量愈来愈科学。 在内照射剂量学中，exposure表示空气中放射性浓度的时间积分。而碰撞比释动能反映X射线照射量的多少就很确切。,62,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量,前面介绍了不带电

26、粒子在介质中的能量转移过程，下面介绍带电粒子在介质中的能量消耗过程。授予能用于表征电离辐射在介质中局部沉积的能量，是辐射剂量学的基础量。,63,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量一、沉积能,由于辐射的量子性和物质结构的分立性，电离辐射在物质中的能量沉积是通过一次又一次的相互作用实现的。例如电离粒子在介质中引起的某个原子的电离和激发，在固体中某点产生晶格缺陷，或者导致某个分子化学键断裂等。每发生一次相互作用，电离辐射就会在作用点沉积一定的能量。,64,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量一、沉积能,电离粒子与物质相互作用过程中会将产生次级电离粒子，次级电离粒子有能力进一步产

27、生电离、激发等效应。除次级电离粒子的动能外，电离粒子还有一部分能量会转化成为热能、化学能和光能等。这部分能量就是沉积能(deposited energy)。,65,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量一、沉积能,热能来自与碰撞过程中产生低能电子的贡献，也就是说碰撞中产生的电子其能量不足以再次产生电离时将成为热能。 由于辐射过程导致的化学结合能发生变化，这部分能量也来自于入射粒子的能量，也是消耗掉的。,66,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量一、沉积能,当发生自发的核与基本粒子转变而产生电离粒子(即源过程)时，在自发转变点也会沉积能量，其数值等于自发过程中核与基本粒子静止质

28、量能的减少值减去自发过程中辐射能的增加。比如放射性衰变、自发核裂变、正电子湮灭等。,67,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量一、沉积能,带电粒子的沉积能 当能量为E的带电粒子与介质中的原子作用后能量变为E，电离产生一个电子其能量为E(电子逃逸出所考察的区域时的能量，而不是电子刚产生时的能量)，内壳层的(如K壳层)空位会导致一个能量为hK的光子发射，如果发射出来的光子逃逸出考察的区域,则沉积能为,68,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量一、沉积能,如果在此过程中发射出来的能量为 的光子没有逃逸出考察的区域,则沉积能为,69,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量一

29、、沉积能,不带电粒子在介质中除了能量转移外也会产生能量沉积,当一个能量为光子与介质中的原子相互作用发生光电效应,电离产生一个光电子其能量为Ee,内壳层的(如K壳层)空位会导致一个能量为 光子发射,发射出来的光子逃逸出考察的区域,则沉积能为,注意：Ee并不是光电效应中光电子的出射能量，而是光电子的能量减去在指定区域内能量损耗后剩余的能量。,70,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量一、沉积能,当一个能量为 光子与介质中的原子相互作用发生康普顿效应时, 康普顿散射光子的能量为 ,康普顿电子的能量为Ec,康普顿效应后壳层的(如N壳层)空位会导致一个能量为 光子,发射出来的光子逃逸出考察的区

30、域,则沉积能为,注意：Ec并不是康普顿效应中康普顿电子的出射能量，而是康普顿电子的能量减去在指定区域内能量损耗后剩余的能量。,71,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量一、沉积能,当在介质中发生 衰变时, 衰变方程为,原子质量和原子核的质量之间有,衰变过程中的能量守恒方程为,72,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量一、沉积能,当在介质中发生 衰变时, 能量守恒方程为,中微子的动能完全逃逸没有问题,在衰变过程中 粒子的动能和中微子的动能往往有逃逸,子核的没有逃逸,于是沉积能为,73,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量一、沉积能,当在介质中发生 衰变时, 衰变方程

31、为,在衰变过程中 粒子的动能和中微子的动能往往有逃逸,子核的没有逃逸,于是沉积能为,74,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量一、沉积能,轨道电子俘获（electron capture EC）衰变方程为,轨道电子俘获过程中的能量沉积,75,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量一、沉积能,通过前面的讨论可以看出，沉积能的表达式可以写为,Ep表示引发相互作用的初始电离粒子在发生相互作用前的能量(不包括静止质量能)，在自发核发应中为0； En表示基本过程中产生的所有电离粒子(如果初始电离粒子在作业结束后仍是电离粒子，也包括在其中)的能量(不包括静止质量能)之和； Q表示基本过程中

32、有关的核与基本粒子转变中静止能量的变化(质量减少为正，增加为负)。,76,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量二、授与能,当电离辐射穿过介质中的某一小区域时，与其中的介质分子发生相互作用，每次相互作用都可视为一次能量沉积事件。能量沉积事件是由某个电离粒子或某一组相关的电离粒子给指定体积内物质授与能量的事件。相关粒子指的是粒子及其次级粒子。比如粒子与射线、电子对效应生成的正负电子等等。在碰撞中产生的电子的能量超过电离阈能，就可视其为一个次级粒子。,77,某一能量沉积事件中的授与能是某个电离粒子或某一组相关电离离子在指定区域V内发生的相互作用中沉积的能量之和。,第二章 剂量学基本概念第三

33、节 授予能与吸收剂量二、授与能,授与能的单位是J。,78,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量二、授与能,n,13C,X(h B),e+,e-,此过程中的授与能？,79,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量二、授与能,快中子引起的俘获过程 ，反应能Q=-2.215MeV,如果考察的区域体积很小，反应后粒子和碳原子核的能量只有部分能量沉积在考察体积内，高能射线逃逸出去所考察的区域，则授于能,80,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量二、授与能,如果考察的区域体积增大，反应后粒子和碳原子核的能量都沉积在考察体积内，高能射线逃逸出去所考察的区域，则授于能,81,第二章

34、剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量二、授与能,如果高能射线在考察的区域内发生了电子对过程，但正负电子对的能量并没有完全沉积在考察的区域内，并且反应后粒子和碳原子核的能量也没有完全沉积在考察体积内，则授于能,82,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量二、授与能,反应后粒子和碳原子核的能量都沉积在考察体积内。如果高能射线在考察的区域内发生了电子对过程，正电子能量大部分损耗在区域内后携带Ee逸出，并在区域外湮没；负电子产生轫致辐射X射线(能量为(h B)，则授于能,83,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量二、授与能,普遍来讲，指定区域体积内的授予能,Eip表示进入该体积的所

35、有带电和不带电粒子能量(不包括静止质量能) 的总和； Eout表示逸出该体积的所有带电和不带电粒子能量的能量(不包括静止质量能)之和； Q表示该体积内发生的任何有关的核与基本粒子转变中，所有原子核和基本粒子静止质量能量改变的总和(质量减少为正，增加为负)。,84,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量二、授与能,需要注意的是，不能笼统的讲指定的体积内静止质量的改变。如果一个质子进入该体积V并保留在V内，V内的静止质量将有所增加。但是在V内并未因此而发生静止质量和能量之间的转变。因此这类事件中的静止质量对辐射能的沉积并无影响。,85,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量二、授与

36、能,平均授与能,沉积能、单次事件的授与能和授与能，都是随机量，服从统计分布。可以给出平均授与能，它是一个非随机量。,86,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量二、授与能,根据辐射场方程,是能量注量的矢量，,指定体积的表面积的矢量，,其方向指向体积之外。,87,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量二、授与能,利用高斯定理，将面积分转为体积积分，有,88,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量三、.吸收剂量,吸收剂量是辐射剂量学中一个重要的物理量。吸收剂量D是电离辐射授与dm的物质的平均授与能除以dm所得的商。,吸收剂量也可以定义为,89,第二章 剂量学基本概念第三节

37、授予能与吸收剂量三、.吸收剂量,吸收剂量(absorbed energy)的单位为Gray(戈瑞Gy). 1戈瑞(Gy)吸收剂量为平均起来1Kg的靶材料中吸收1焦尔的能量时对应的辐射剂量。 吸收剂量最早是针对X射线和射线定义的，现在吸收剂量已扩展到包括重带电粒子、中子和其它射线的各种辐射。,90,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量三、.吸收剂量,吸收剂量的单位最早是用rad(拉德)，这种老的单位rad (拉德)在一些文献中仍然能看到，1戈瑞(Gy)=100 rad (拉德) 。 一克物质吸收辐射能量为10-5焦耳时，该物质的吸收剂量是1rad。 当辐射通过物质时，物质就要吸收辐射能

38、。根据前面授予能的分析，我们知道剂量就是单位质量被照射的物质所吸收辐射能的数值即D=E/M，式中D为辐射剂量，E为被照射物质吸收的辐射能，M为物质的质量。,91,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量三、.吸收剂量,同一辐射对不同的物质其吸收剂量不相同，所以对于吸收剂量，一定要指定是什么物质的吸收机量。剂量不反映放射性强度的大小。剂量的常用单位是拉德(rad)和伦琴(R)。注意，拉德的数值与被照射物质的性质无关。只要1克物质吸收了10-5焦耳的能量其吸收剂量即为1rad。伦琴则不然，它的定义是：使射线通过0.001293克空气，如果在其中由电离而产生正负离子各为一个静电单位的电量，那么

39、这些空气吸收的剂量为1R。0.001293克的空气是在标准状况下（0760mmHg）的一立方厘米干燥空气的质量。,92,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量三、.吸收剂量,由上节中的平均授与能,93,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量三、.吸收剂量,有辐射场的性质,94,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量三、.吸收剂量,吸收剂量还可以用标量注量来表示,95,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量三、.吸收剂量,不带电粒子与物质相互作用直接沉积能量的次数，比作用中释放的带电粒子引起的电离和激发的次数少的多。核和基本粒子转变(包括自发的和由电离辐射与物质相

40、互作用引起的)事件数，与这些事件释放的电离粒子间接或直接引起的能量陈旧书相比也是微不足道的。因此，核和基本粒子转变以及不带电粒子与物质相互作用作为基本过程的沉积能对吸收剂量的贡献可以忽略。,96,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量三、.吸收剂量,在计算吸收剂量时，作为一种简化处理方法，可以只考虑辐射场中大于能量截止限Ecut的各种带电电离粒子(包括刺激带电粒子和粒子)的能量沉积过程。有,97,举例说明吸收剂量和比释动能的关系： 右图表示10个光子入射到一个质量元上，其中每个光子都以某种方式把能量带进这一质量元或从这一质量元中带出部分能量。,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收

41、剂量三、.吸收剂量,98,表中列出了由带电粒子或不带电粒子带进质量元的能量和从该质量元带出的能量。,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量三、.吸收剂量,99,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量三、.吸收剂量,100,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量四、CEMA,比释动能反映了射线与物质相互作用的特性，比释动能是针对不带电粒子定义的，它是对应于间接辐射过程的。而对应于带电粒子引起的直接辐射过程，则用CEMA(converted energy per unit mass)来表示射线在单位介质能量沉积的行为，,101,第二章 剂量学基本概念第三节 授予能与吸收剂量

42、四、CEMA,不包括带电粒子与物质相互作用中产生的次级电子的能量。次级电子是要按照独立的粒子来处理的。在前面讨论过，带电粒子与物质相互作用中能量转移和能量沉积的行为，在碰撞过程中产生的电子当其能量超过阈值时，才把这个电子归为次级电子来处理。CERMA也是一个非随机量。CERMA的单位为Gy(gray 戈瑞)。,102,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡,简化后的吸收剂量仍然很难确定。如果进入和离开某一无限小体积元的电离辐射、带电粒子或粒子的辐射能彼此相等，此时该点的吸收剂量将变得比较简单。该点辐射场的这种特殊状况称作存在着不同程度的辐射平衡状态。,103,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射

43、平衡,辐射平衡是研究辐射剂量学基本理论、基本方法和辐射剂量测量手段的基础，也是讨论剂量学量，如吸收剂量、剂量测量等问题的出发点，辐射剂量计设计和使用中也要遵循辐射平衡的理论和原则。,104,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡一、 辐射平衡的定义,辐射平衡意味着辐射场的各个物理量达到充分弛豫，体系的能量均匀地分布到各个自由度上。,105,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡一、 辐射平衡的定义,辐射场的各个宏观量在时间上和空间上都保持不变。各种辐射平衡从两个方面考查，一个是辐射场所在空间区域内的平衡性质，另外一个是辐射场中各种粒子的平衡。通常我们感兴趣的仅仅是所考查区域内的平衡，因此，实际

44、中考查的是局部平衡。如果再考查各种粒子的平衡性质，则会有各种形式的辐射平衡。,106,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡二、完全辐射平衡,进入某一无限小体积元dV的包含所有辐射粒子的辐射能dRin和流出所考查区域的辐射能相等dRout， dRin= dRout 则称该无限小体积元存在着辐射平衡。,107,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡二、完全辐射平衡,当以指定体积元内的div 处处为零时，进入该体积元的静能量等于零，即进入和离开该体积元的辐射能量相等。因此，某一无限小体积或某一点的辐射平衡的定义可以表示为,以上dR和是由各种类型的辐射构成，所以称以上两式定义的辐射平衡状态为完全辐射

45、平衡。,108,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡二、完全辐射平衡,如果某体积积元，对该体积元内任一类型j的辐射粒子的谱分布E均能满足,那么，该体积元处于完全辐射平衡状态。这称为充分条件，但这并不是完全辐射平衡的必要条件。,109,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡二、完全辐射平衡,辐射平衡是对辐射场中的指定点定义的。如果在某一指定体积内的任一点都存在辐射平衡，则称该体积内存在着辐射平衡。,110,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡二、完全辐射平衡,V,R,V1,V2,a,b,当电离粒子辐射度的谱分布在指定体积内处处相等时，即PE=常数，有div =0。于是在该体积内存在着辐射平衡

46、状态(a) 。如果某一体积V1，其周围贯穿透能力最强的电离粒子的最大射程为R，在指定区域内V1 以及指定区域内的周围向外延伸到最大射程R的距离后形成的区域V2内介质是均匀的，并且在考察的区域V1及延伸的区域V2内放射性物质也是均匀分布。在指定区域内V1内存在着完全辐射平衡(b)。当均匀无限大介质中均匀分布着放射性物质时，在介质中处处存在着辐射平衡。,111,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡二、完全辐射平衡,在完全辐射平衡的情况下,辐射剂量为,表示单位质量介质内由静止质量转变成辐射能的期望值。在无限小体积dV内释放的辐射能量大部分从体积元逸出。但是由于辐射平衡状态的存在，从dV逸出的辐射能

47、由进入dV的辐射能所补偿。,112,假设存在着辐射平衡的均匀无限大介质或有限介质中均匀分布着某种放射性核素，在给定时间间隔内单位体积中源的核转变数为ds/dV。如果与辐射源每次核转变相关联的由静止质量转变为辐射能的期望值为E1，则有dQ=dsE1,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡二、完全辐射平衡,113,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡二、完全辐射平衡,由前面讨论，不难看出，在辐射平衡状态下吸收剂量的计算将简化。这时只需要掌握辐射场的部分资料，不必了解辐射场的完整资料。,114,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡三、带电粒子辐射平衡,不带电电离粒子在介质中的平均自由程一般比较长

48、，因此在辐射场中存在完全辐射平衡的场合不是很多。在辐射剂量学中经常遇到的是部分平衡的情况。,115,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡三、带电粒子辐射平衡,带电粒子辐射平衡对应于辐射场中所考查的区域内的带电粒子辐射能的平衡，进入所考查区域的带电粒子辐射能和流出所考查区域的带电粒子辐射能相等。当所考查的区域趋于无限小的区间时，则称在该点存在着带电粒子辐射平衡(charged particle equilibrium，CPE)。在带电粒子平衡条件下有,116,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡三、带电粒子辐射平衡,假定带电粒子的辐射度谱分布在指定体积内处处相等，则在该体积内存在着带电粒子平

49、衡。 如果在指定体积V及其周围带电粒子最大射程范围内，介质是均匀的，并且以某种方式产生的带电粒子的数量、能量和方向分布处处相等，则在指定体积V内存在着带电粒子平衡。当上述范围内均匀分布着带电粒子发射体(辐射源)时属于这种情况。当上述范围内的介质受到均匀不带电粒子辐射场照射时，由不带电粒子释放的带电粒子在V内也处于平衡状态。,117,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡三、带电粒子辐射平衡,受外部带电粒子照射的介质中不存在带电粒子平衡，因为带电粒子在物质中穿行时其能量将逐渐降低。,118,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡三、带电粒子辐射平衡,当介质受不带电粒子的照射时，不带电粒子的平均自

50、由程 比不带电粒子释放的带电粒子的射程R大的多， ，在介质中超过最大射程的深度处会出现带电粒子平衡。在带电粒子平衡的条件下，单位质量介质中的授予能等于单位质量中有不带电粒子转移给带电粒子的动能的碰撞损失的贡献，其辐射损失的部分则被归到不带电粒子的能量注量中去了， ，介质吸收剂量等于碰撞比释动能。,119,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡三、带电粒子辐射平衡,带电粒子辐射平衡下吸收剂量和碰撞KERMA的比值,120,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡三、带电粒子辐射平衡,介质吸收剂量等于碰撞比释动能,121,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡三、带电粒子辐射平衡,不带电粒子释放的次

51、级带电粒子的射程R是建立带电粒子平衡所需要的物质层厚度，因此又称为平衡厚度。,122,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡四、次级电子辐射平衡,当高能重带电粒子从外部均匀射入介质后，会产生大量的次级电子(粒子)，由于次级电子的动能较低，其最大的射程与重带电粒子相比是比较小的。在超过次级电子最大射程后的深度会出现近似的次级电子平衡(delta particle equilibrium) 。在某点存在次级电子平衡的定义为,123,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡四、次级电子辐射平衡,在次级电子平衡辐射条件下，带电粒子授予无限小体积元中介质的能量等于带电粒子在其中碰撞损失的能量中未转变成光子

52、电离辐射的部分,E，p是初级带电粒子注量的谱分布，Scol/是质量碰撞阻止本领，Pcol是初级带电粒子通过电子库仑碰撞损失的能量中，转变为如下两部分光子电离辐射能的份额：受激原子退激发时放出的特征X射线和次级电子在慢化过程中产生的轫致辐射；j表示带电粒子的类型。,124,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡四、次级电子辐射平衡,在低原子序数介质中，由重带电粒子释放粒子的轫致辐射的产额会大大减小，可以忽略不计。另外高能重带电粒子引起的特征X射线能量也比较低，易于被吸收，这时候吸收剂量可以简化为,125,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡五、部分次级电子辐射平衡,当初级射线是电子时，带电子从

53、外部均匀射入介质后，仍然会产生大量的次级电子。次级电子的最大能量可以达到初级电子能量的一半，所以次级电子的射程和初级电子的射程在同一个数量级。用电子从外部照射均匀物质时，在介质内不会出现次级电子平衡辐射。但设定一个阈值, 使得能量低于的电子的射程和初级电子的射程会有很大的区别， 能量低于的电子的射程很短，远小于初级电子的射程，因此在超过阈下次级电子最大射程R 的深度处，对于动能小于的这一部分次级电子(包括次级电子和俄歇电子)存在着平衡状态。这称之为部分粒子平衡。其定义可用下式表示,126,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡五、部分次级电子辐射平衡,对于高能电子(10MeV)，可选=100KeV。对于动能小于10MeV的电子， 将随入射电子的能量而变化。,127,第二章 剂量学基本概念第四节 辐射平衡五、部分次级电子辐射平衡,在实际应用中，选择能量限