辐射防护学习笔记

辐射防护学习笔记一、辐射防护基础知识1．电离辐射领域常用量及其单位电离：是指从一个原子、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：就是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，或者由它们二者混和组成的辐射。（一）描述辐射场的量(1)粒子注量描述辐射场性质最简单的方法是计算入射粒子的数目。粒子注量就是根据入射粒子多少描述辐射场特性的一个量。a）粒子注量Φ在单向平行辐射场中，粒子注量Φ，数值上等于通过与粒子入射方向垂直的单位面积的粒子数。对非单向平行辐射场，辐射场中每一点的粒子注量Φ，是进入该点为球心的一个小球的粒子数dN与该球截面积da（通过球心截面）之比：Φ＝dN/da。粒子注量Φ的单位是m2。粒子注量可理解为：进入单位截面积小球的粒子数。b）粒子注量率粒子注量率是指单位时间内进入单位截面积小球的粒子数，定义为：＝d/dt；粒子注量率的单位是m2·s1。c）谱分布实际达到辐射场某点的粒子，它们的能量往往不是单一的。因此，辐射场中某点的粒子注量存在着按粒子能量的谱分布，它有积分分布(E)和微分分布E两种形式。积分分布(E)，表示能量在0～E之间的粒子组成的那部分粒子注量。其量纲与粒子注量相同，为m2。微分分布E是积分分布(E)对能量E的导数：E＝d(E)/dE，它表示单位能量间隔内的粒子注量，量纲为m2·J1。显然有积分分布EEdEE0'')(，粒子注量max0EEdE。(2)能量注量除粒子数外，也可用辐射场中某点的粒子能量来定量描述辐射场的性质。a）能量注量Ψ进入辐射场中某一点处的能量注量，是以该点为球心的小球的所有粒子能量（不包括静止质量，下同）之和dEfl与该球截面da之比：Ψ＝dEfl/da。能量注量Ψ的单位是J·m2。能量注量可理解为：进入单位截面积小球的所有粒子能量之和。b）能量注量率ψ能量注量率ψ是指单位时间内进入单位截面积小球的所以粒子能量之和，定义为：ψ＝dΨ/dt，其量纲为J·m2·s1。c）能量注量与粒子注量的关系能量注量Ψ与粒子注量都是描述辐射场性质的量，它们之间有下列关系：对单能辐射场：Ψ＝Φ·E对非单能辐射场，某点处的能量注量为：max0EEEdE同时可计算该点处以粒子注量E加权的平均粒子能量：max0max0max01EEEEEEEdEdEEdEE（二）相互作用系数(1)质量衰减系数、质能转移系数&质能吸收系数质量衰减系数/、质能转移系数tr/和质能吸收系数en/三个系数，都是针对不带电粒子（X、射线和中子）穿过物质时发生的物理现象而定义的。它们分布量度：平均有多少粒子减少；平均有多少能量转移为带电粒子的动能和平均有多少能量被物质吸收。它们的量纲都是m2·kg1。a）质量衰减系数X、射线与物质相互作用，通常是光电效应、康普顿散射和电子对产生等几种过程叠加的结果，因此物质对射线的总线性衰减系数，应该是各种过程的线性衰减系数之和：＝++它表示射线在物质中穿过单位长度距离后，其光子数减少的份额。、、、分别表示总的、光电效应、康普顿散射和电子对产生的线性衰减系数，单位均为m1。上式两边都除以物质密度，就得到质量衰减系数，即/＝/+/+/它表示射线在物质中穿过单位质量厚度后，其光子数减少的份额。/、/、/、/的单位均为m2·kg1。基于上述物理过程，ICRU定义为：某一物质对特定能量的不带电粒子的质量减弱系数/是dN/N除以dl所得的商，即：dldNN1/式中，为物质密度，dN/N是不带电粒子在物质中穿过质量厚度dl的物质层后，发生了相互作用而减少的份额。其单位m2·kg1。可见，/只涉及入射不带电粒子数目减少，并不涉及进一步的物理过程。采用质量衰减系数的优点是：首先，它的数值不因材料的物理状态改变而改变；其次，在Compton散射中，与光子作用的仅涉及自由电子，除H元素外，绝大多数物质，其单位质量内的电子数大致相等，所以在Compton散射占优的光子能量范围内，几乎所有物质以m2·kg1为单位的质量衰减系数/都大致相同。b）质能转移系数在射线与物质相互作用的三种主要过程中，光子能量都有一部分转变为电子（如光电子、反冲电子和正负电子对）的动能，而另一部分能量被能量较低的光子（如特征X射线、散射光子和湮没辐射）带走。因此，可以将衰减系数进行分解：＝tr+p式中，p表示光子能量的辐射转移部分，tr表示光子能量的电子转移部分，称之为线性能量转移系数。辐射剂量学中，重要的是确定光子能量的电子转移部分，因为光子最后在物质中被吸收的能量来自这一部分。tr＝a+a+a它表示射线在物质中穿过单位长度距离后，其能量转移给电子的份额。a、a、a分别表示光电效应、康普顿散射和电子对产生过程中的光子能量转移为电子能量的线性能量转移系数，单位均为m1。如法炮制，质能转移系数为tr/＝a/+a/+a/它表示射线在物质中穿过单位质量厚度后，其能量转移给电子的份额。a/、a/、a/分别对应上述三种过程的质能转移系数，单位均为m2·kg1。基于上述物理过程，ICRU定义为：某物质对特定能量的不带电粒子的质能转移系数tr/，是dEtr/NE除以dl所得的商，即：dldEENtrtr1式中，为物质密度，N是粒子数，E是每一粒子的能量（不包括静止质量），dEtr/NE是入射粒子在物质中穿过质量厚度dl的物质层后，其能量转移给带电粒子的份额。其单位m2·kg1。可见，tr/只涉及入射不带电粒子能量的转移，并不涉及能量是否被物质吸收。c）质能吸收系数继续上述物理过程，电子从光子那里得到的那部分能量又将使物质电离、激发和产生韧致辐射，若用g表示能量转变为韧致辐射的份额，则有)1()1(ggtrentrenen表示光子能量被物质所真正吸收的份额，称为线性能量吸收系数，它表示射线在物质中穿过单位长度路程后，其能量真正被物质吸收的份额。en/称为质能吸收系数，它表示射线在物质中穿过单位质量厚度后，其能量被物质吸收的份额。单位也是m2·kg1。可见，质能吸收系数en/涉及物质吸收能量的过程，因而也涉及质量能量转移。当次级带电粒子动能可与其静止能相比拟或大于其静止能时，en/与tr/可能会有显著差异。与高原子序数相互作用时，差异更为显著。当次级带电粒子动能较小、物质原子序数又低时，韧致辐射很弱，g值接近于0，此时en/近似tr/值。(2)总质量阻止本领通常用物质对带电粒子的阻止本领来描述带电粒子与物质相互作用的程度。a）碰撞阻止本领b）辐射阻止本领c）总质量阻止本领（三）辐射剂量学中使用的量剂量学中的量是为了对辐射和物质相互作用产生的真实效应和潜在影响提供一种物理学上的度量。这些量，既依赖于辐射场的性质，又依赖于辐射与物质相互作用的程度。所以，剂量学中的量，一般可以通过辐射场的量与相互作用相关的系数的乘积来计算。(1)吸收剂量a）授予能授予能是电离辐射以电离、激发的方式授予某一体积中物质的能量，定义为：QRRoutin式中，Rin是进入该体积的辐射能，Rout是从该体积逸出的辐射能，Q是在该体积中发生任何的核变化时，所有原子核和基本粒子静止质量能的变化（“+”表示减少，“”表示增加）。授予能的单位为J。因为辐射源发射粒子和他们与物质相互作用都是随机的，因此，授予能也是一个随机量，但是其数学期望，即平均授予能是非随机量。b）吸收剂量D吸收剂量D是单位质量受照物质中所吸收的平均辐射能量。定义为：dmdD/式中，d是电离辐射授予质量为dm的物质的平均能量。吸收剂量D的单位是J·kg1。专门名称为戈瑞（Gray），符号Gy。1Gy＝1J·kg1。惯用单位拉德（rad），1rad＝102Gy。吸收剂量适用于任何类型的辐射和受照物质，并且是一个与一无限小体积相联系的辐射量，即受照物质中每一点都有特定的吸收剂量值。因此，给出吸收剂量数值时，必须指明辐射类型、介质种类和所在位置。c）吸收剂量率D吸收剂量率D是单位时间内的吸收剂量，定义为：dtdDD/式中，dD是时间间隔dt内吸收剂量的增量，吸收剂量率D的单位是J·kg1·s1，亦即Gy·s1。d）带电粒子平衡设不带电粒子通过体积为V的物质，假设在其中任取一点O，并以O点为中心取一小体积元V。不带电粒子传递给小体积元V的能量，等于它在V内所产生的次级带电粒子动能的总和——这些次级带电粒子，有些产生在V内，也有产生在V外的。此外，在V内产生的次级带电粒子有些可能离开V，如径迹a；也有可能在V外产生的带电粒子进入V，如径迹b。若每一个带电粒子离开以O点为中心的小体积元V时，就有另一个同种类、同能量的带电粒子进入该体积元V来补偿，则称O点存在带电粒子平衡。若涉及的带电粒子特指电子，则称为电子平衡。受照物质中某一特定位置上的小体积元V内存在带电粒子平衡的条件是：首先，在以V的边界向各个方向伸展的距离d，至少应大于初级入射粒子在该物质中所产生次级带电粒子的最大射程Rmax，并且在dRmax的区域内辐射场是恒定的，即入射粒子注量和谱分布恒定不变。其次，在上述dRmax的区域内，物质对次级带电粒子的阻止本领及对初级入射粒子的质能吸收系数也应该是恒定不变的。(2)比释动能a）转移能tr转移能tr是不带电粒子在某一体积元内转移给次级带电粒子的初始动能的总和，dRmaxOVV不带电粒子辐射abdRmaxOVV不带电粒子辐射ab图1带电粒子平衡的示意图其中包括在该体积内发生的次级过程所产生的任何带电粒子的能量。转移能tr同授予能一样也是随机量，其数学期望，即平均转移能tr是非随机量。b）比释动能不带电粒子授予物质的能量过程可以分为两个阶段。第一，不带电粒子与物质相互作用释放出次级带电粒子，不带电粒子的能量转移给次级带电粒子；第二，带电粒子通过电离、激发，把从不带电粒子那里得来的能量授予物质。吸收剂量是表示第二过程的结果。为了表示第一过程的结果，引入了另一个新辐射量——比释动能。比释动能K定义为：dmdKtr/式中，trd是不带电粒子在质量dm的物质中释出的全部带电粒子的初始动能总和的平均值。它既包括这些带电粒子在韧致辐射过程中辐射出来的能量，也包括在该体积元内发生的次级过程中所产生的任何带电粒子的能量。比释动能K的单位与吸收剂量的单位相同，即J·kg1或Gy。比释动能只适用于不带电粒子，但适用于任何物质。与物质和特定位置相联系。c）比释动能率K比释动能率K定义为：dtdKK/比释动能率K的单位与吸收剂量率相同，即J·kg1·s1或Gy·s1。d）比释动能与能量注量的关系对于仅有一种单能不带电粒子的辐射场，某点处物质的比释动能K与同一点处的能量注量Ψ有如下关系：2121)//()/(/)/(trtrtrKKK一定，若式中，tr/（m2·kg1）是物质对入射的不带电粒子的质能转移系数；Ψ（J·m2）是粒子能量注量。脚码1、2分别表示物质1和2。对于具有谱分布的不带电粒子的辐射，则有：dEKtrE)/(对单能中子，有KtrtrnfEK)/()/()/(trKEf称为中子的比释动能因子，它表示与单位中子注量对应的比释动能值，单位为Gy·m2。e）比释动能与吸收剂量的关系在带电粒子平衡条件下，不带电粒子在某一体积元的物质中，转移给带电粒子的平均能量trd，就等于该体积元物质所吸收的平均能量d，若该体积元物质质量为dm，则有DdmddmdKtr//除了满足带电粒子平衡条件外，上式成立的另一条件就是：带电粒子产生的韧致辐射效应可以忽略——这只对低能X或射线成立，对高能X或射线不成立。此