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辐射剂量学笔记1.doc

辐射剂量学笔记1

suby
2010-04-15 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《辐射剂量学笔记1doc》,可适用于工程科技领域

电离辐射与物质的相互作用第一讲电离辐射场(学时参考书P~)电离辐射Ionization(电离):从一个原子、分子或其他束缚态中释放出一个或多个电子的过程。IonizationRadiation(电离辐射):能够引起电离的带电粒子和不带电粒子。带电粒子:(从一个原子中释放出一个价电子需要的能量)~eV光子:>eVNonionizationradiation(非电离辐射):<eV光子波长>mm紫外线、可见光、红外线和射频辐射。Directlyionizationradiation(直接电离辐射):快带电粒子Indirectlyionizationradiation(间接电离辐射):光子和中子等Indirectlyionizationradiation(外辐射):体外源发射的辐射=>Externalirradiation(外照射)。Internalradiation(内照射):体内分布源发射的辐射。电离辐射场Ionizationradiationfield(电离辐射场):电离辐射居留的空间粒子数和辐射能Particlenumber(粒子数)N:发射、转移或接受的粒子数目单位是。Particlenumberdensity(粒子数密度):dNdV表征辐射场疏密程度单位m。Radiantenergy(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J。通量、注量和注量率Flux(通量):表征辐射场中粒子或能量在时间上的频繁程度。Particleflux(粒子通量):=dNdtsEnergyflux(能量通量):=dRdtjsFluence(注量):表征辐射场的空间疏密程度。Particlefluence(粒子注量):=dNdamEnergyfluence(能量注量):=dRdajm重点讲清楚:i)a与射线垂直要求的物理含义ii)dN=Fluencerate(注量率)Particlefluencerate(粒子注量率):=ddt=dNdadtms注:为粒子通量密度。Energyfluencerate(能量注量率):=ddt=dRdadtjms(wm)角分布和辐射度Angulardistribution(角分布):描述粒子入射方向的分布。Radiance(辐射度):注量率的角分布Particleradiance(粒子辐射度)p:p=msrsEnergyradiance(能量辐射度)r:wmsr能谱分布(Energyspectrumdistribution)用Q代表辐射学量用E代表粒子的能量(不包括静止能)。则Q(E)是Q的积分分布它是能量为E的粒子对Q的贡献。注量的谱分布将和代入上述式中就得到粒子注量和能量注量谱分布的表达式。例如:辐射度谱分布是揭示辐射场的最详尽的内涵是完整的描述辐射场的一个辐射学量。对某种特定类型辐射:辐射矢量和平面注量Radiantvector(辐射矢量):矢量求和时方向相反的分量相互抵消则有注意:的物理含义。Planarfluence(平面注量):穿过固定取向的单位面积元的辐射粒子数。显然:<<.注量与径迹长度的关系粒子注量等于单位体积内的径迹总长度。证明过程见参考书P~。三辐射传输方程波尔兹曼扩散方程:在稳恒辐射场中并考虑到则:习题:P、、、第二讲带电粒子与物质的相互作用相互作用类型带电粒子:电子、重带电粒子非弹性碰撞(Nonelasticcollision)硬撞或“对面撞”(hardor“knockon”collision)软碰撞或“核”碰撞(softcollision)b>>a每次作用损失能量小b与a同量级每次作用能量损失大。在透明介质中当v>cn(n是材料的折射率)发生切论科夫辐射(相干的蓝白光发射)辐射相互作用(Radiativeinteraction)()轫致辐射(Bremsstrahlung)b>>a受原子核电场作用产生加速度带电粒子以正比于其加速度的平方(zZM)的几率辐射电磁波高能电子为能量损失主要方式重带电粒子可忽略。()湮没辐射(Annihilation)粒子与反粒子相互作用生成两个光子。高能电子飞行中湮没。弹性碰撞(Elasticcollision)b<<a轫致辐射可忽略作用体系总动能不改变核相互作用(Nuclearinteraction)高能带电粒子例如(Pn)(PP)等电子对生成(Pairproduction)b<<a入射带电粒子与靶核发生电磁互相作用。入射粒子的动能远大于其静止能量时这一过程才是重要的。对电子而言此过程发生的几率远小于轫致辐射、核反应的几率。二阻止本领(Stoppingpower)定义:总质量阻止本领(Massstoppingpower)s:dE是dl距离上损失能量的数学期望值。总线阻止本领(Linearstoppingpower)s:质量碰撞阻止本领(Masscollisionstoppingpower)(s)c:质量辐射阻止本领(Massradiativestoppingpower)(s)r:一般地:对应地:特性(Properties)阻止本领可以用量子力学理论给出计算公式(参考书P贝特公式)对重带电粒子在用理论公式计算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mv而mv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。极化效应(Polarizationeffect)使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(Densityeffect))。与E关系不同重带电粒子。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。EMBEDEquationDSMT随z减少而增加:平均激发能随z增加而增加zMA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为指定元素在化合物中所占重量份额定限碰撞阻止本领(Restrictedmasscollisionstoppingpower)()粒子带电粒子径迹EMBEDEquationDSMT粒子定义:能够产生分支径迹的次级电子()定义: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。EMBEDEquationDSMT亦叫传能线密度LET(Linearenergytransfer)。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。EMBEDEquationDSMT辐射阻止本领(Radiactivestoppingpower)定义:特点:EMBEDEquationDSMT与成正比。重粒子可忽略不计对高能电子:x是电子在介质中的辐射长度。它是电子因辐射电磁波使其能量减小到原来的e时所需要的质量厚度(kgm)EMBEDEquationDSMT(对电子E>MeVn=MeV)EMBEDEquationDSMT的电子能量称为临界能量低能电子值较大高能电子较大。三散射本领(Scatteringpower)(T)=EMBEDEquationDSMT四射程(Range)投影射程(Projectedrange)=EMBEDEquationDSMT连续慢化近似射程r(Continuousslowingdownapproximationrange)==五产生一对离子所消耗的平均能量离子对(Ionpair)的定义:的特性EMBEDEquationDSMT最低电离能(第一电离能)但除单壳层电子外平均激发能。当入射带电粒子的速率远远大于价电子的轨道速率时几乎不受带电粒子电荷、质量和能量的影响当接近时速度减小增大。伴随电离降低值作业Pγ、、第三讲间接电离辐射与物质的相互作用r和x射线与物质的相互作用作用类型与特点γ射线与x射线的定义(或产生)γrays:γ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。xrays: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。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。特点与带电粒子比较。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(Crosssection截面)能量转移(energytransfer)和能量吸收(energyabsorption)的几率。三种重要作用(对能量转移和吸收的贡献而言)Photoelectriceffect(光电效应)Comptoneffect(康普顿散射)ComptonscatteringPairproduction(电子对生成)PaircreationEMBEDPBrush()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。相对重要性Dampingfactor(衰减系数)、Energytransferfacter(能量转移系数)、Energyabsorptionfactor(能量吸收系数)窄束衰减和衰减系数(NarrowbeamattenuationandDampingfactor)为线衰减系数=定义质量衰减系数为。显然:。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。例如:对光电效应:是单位体积中的原子数康普顿效应:是单位体积中的电子数能量转移系数(Energytransferfactor)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:质量能量转移系数能量吸收系数和辐射份额Y(E)(EnergyabsorptionfactorandRadiativefraction)线吸收系数质量能量吸收系数光子在物质中穿过单位质量厚度时入射光子能量中转移给次级电子能量的碰撞损失份额。瞬时能量为E的电子的能量辐射损失份额可表示为: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:混合物和化合物中的作用系数中子与物质的相互作用作用类型(Interactiontype)弹性散射(Elasticscattering):总动能守恒。非弹性散射(Inelasticscattering):总能量、动量守恒动能不守恒。去弹性散射(Nonelasticscattering):(np)(n)等。俘获(Capture):(n)。散射(Spallation)以上均属与原子核的相互作用。衰减和吸收(AttenuationandAbsorption)习题:P、、、、、第二章剂量学基本概念引言剂量学的研究对象:研究辐射能量在物质中的转移过程、能量沉积的分布以及它的测量和计算的方法。剂量防护学中(三类物理量)辐射量(Radiationquantities)Radiometricquantities(辐射计量学量):描述辐射物自身固有特性。Dosimetricquantities(剂量学量):描述辐射能量在物质中的转移和沉积(K、X、D)。Radiationprotectionquantities(辐射防护量):用品质因数加权的吸收剂量。第一讲比释动能(Kerma)一、描述对象不带电粒子在物质中传递能量过程:第一阶段:由不带电粒子→次级带电粒子(PE、CE、PP等)第二阶段:次级带电粒子→作用介质(碰撞)两个阶段的能量转移发生在介质中的不同地点研究不带电粒子在介质中的能量转移有必要对二个阶段(过程)分别考虑比释动能是描述不带电粒子在物质中转移能量的第一阶段的一个物理量二、Energytransferred(转移能)定义:在指定体积V内由不带电粒子释放出来的所有带电的电离离子初始动能之和用表示单位是J。典型过程的转移能分析CE的光子在V中的CE过程的转移能分析:在①中CE激发EMBEDEquationDSMT俄歇电子对反冲电子Ee,在②,③,④发生轫致辐射EMBEDEquationDSMT,,EMBEDEquationDSMT在⑤发生CE过程,EMBEDEquationDSMT反冲电子E,散射光子EMBEDEquationDSMT在⑥发生CE过程,EMBEDEquationDSMT反冲电子,散射光子EMBEDEquationDSMT注:是由反冲电子的的轫致辐射释放的带电粒子不能作为独立事件产物再加到中去。()PP电子对生成过程中反应能为为正负电子的静止质量能。()对于中子(n,p)过程中反应能为。通用表示方法综上分析:在指定体积中的转移能可表示为式中:是进入体积V的所有不带电粒子的能量,但不包括带电粒子的静止能量。是从体积V逸出的不带电粒子的能量,但不包括不带电粒子的静止质量能和次级带电粒子动能辐射损失逸出的部分。是入射的不带电粒子在体积V内引起的任何核和基本粒子的转变中,所有相关的核和基本粒子静止质量能改变(质量减少时为正,增加时为负)的总和。还可以表示为:式中:辐射转移能为碰撞转移能(或净转移能)。前面分析的CE过程::通常⑤的过程很少发生,特别是V很小的时候更是如此所以:三、比释动能定义:,其中,是由不带电粒子在质量为的无限小体积内释放出来的所有带电粒子的初始动能之和(即转移能)的期望值单位:戈瑞(gray)简写Gy,和拉德(rad),。讨论:扩展定义:比释动能是感兴趣点P处单位质量介质中转移给带电粒子的能量(动能)的期望值其中包括轫致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。扩展定义中带电粒子的能量不仅包括不带电粒子转移给带电粒子的初始动能还包括介质内分布的电离辐射源通过自发核转变过程释放的带电粒子的初始动能。EMBEDEquationDSMT是一个随机量(Stochasticquantity)但是一个非随机量(Nonstochasticquantity)。随机量:时空变化不连续服从统计规律观测值不能预测某一值出现的几率可以由分布函数确定。四、比释动能与注量的关系(TherelationshipofKermaandFluence)对单能()单向的不带电粒子辐射场在体积元中:则有对于任意方向分布的单能()不带电粒子是不带电粒子在小体积元内的总径迹长度。显然EMBEDEquationDSMT对于各种不带电粒子构成的辐射厂且各种粒子存在谱分布和时则比释动能因子k(Kermafactor)比释动能K通过比释动能因子k与不带电粒子注量或其谱分布联系起来。五、碰撞比释动能Kc若定义:则。根据我们前面已经学习的知识不带电粒子转移给带电粒子的全部动能中最终损失于电离碰撞的那一部分所占的份额为:则对单能且只有一种不带电粒子辐射场有特别对中子有,故有。六、比释动能率(Kermarate)定义:单位:或或对单能不带电粒子的辐射有:空气比释动能率常数(AirKermarateconstant)对于点源活度为A各粒子产额为ni,能量为则定义七、不同介质中的比释动能含义关系:式中习题:P第、、第二讲照射量ExposureX定义(Difinition):(dQ为光子在质量为dm的空气中释放的全部电子(包括负电子和正电子)完全被空气阻止时在空气中所产生的一种符号离子总电荷的绝对值)单位:C·kgR=×C·kg特性:(properties)·次级电子的轫致辐射被吸收而产生的电离电荷不包括在之内·之外释放的次级电子在之内产生的电离电荷不包括在之内·其中()a表示照射量是X或γ射线在空气中的碰撞比释动能的电离当量·对于单能光子二.照射量率(Exposurerate)定义:=对单能光子辐射场三.X和值得说明的问题含义:自由空间或不同于空气的材料内某一点的照射量或照射量率的概念可以用空气碰撞比释功能Kc,a来取代照射量原因:a由电离电荷量到能量的换算(乘以因子)很不方便bExposure的含义容易混对于点源:习题:、、第二讲吸收剂量D(Absorbeddose)沉积能(energydeposited)定义:单次相互作用中沉积的能量典型作用过程分析带电粒子与原子电子碰撞过程电子对生成过程母核缚束电子在重复前后的改变自发核转变过程二、授与能(energyimparted)能量沉积事件(energydepositionevent):由某个电离粒子或某组相关的电离粒子给指定沉积内物质授与能量的事件。某一能量沉积事件的授与能:某个电离粒子或某一组相关的电离粒子在指定体积V内发生的所有的相互作用中沉积能之和。定义:通用表达式:总授与能单场授与能EMBEDEquationDSMT都是随机量EMBEDEquationDSMT是非随机量三、吸收剂量(Absorbeddose)D定义:EMBEDEquationDSMT(电离辐射授与质量为dm的物质的平均能量)单位为:JKg(Gy)也可用radEMBEDEquationDSMT()在稳恒辐射场中dm内无自发核转变时::能量为E的粒子在密度为ρ的介质中穿过单位长度路程时发生相互作用的几率:能量为E的粒子在一次相互作用中授与能的期望值:单位质量介质中发生自发核转变的次数:每次核转变过程中授与能的期望中讨论:()如果已知辐射场作用事故和作用质量的详细资料原则上可以用上述公式计算D但实际上很难做到()核和基本粒子的转变以及不带电电离粒子与物质相互作用作为基本过程的沉积能对D的贡献可以忽略()D的简化表达式::发生相互作用的带电粒子与原子电子碰撞时损失的动能中变为沉积能(即不以δ粒子、俄歇电子、特征X射线或中和过程释放的光子形式辐射出的能量)的份额辐射平衡与吸收剂量:完全辐射平衡(Completeradiationsequilibrium,CRE)定义:辐射平衡典型例子(a)PE=常数(b)介质和源的均匀分布EMBEDEquationDSMT的表达式(表示辐射源每次核转变相关联的由静止质量转变成的辐射能的期望值)带电粒子平衡(chargedparticleequilibrium,cpe)定义:典型例子:PEC处处相等均匀强带电粒子发射体孙V内存在CPE均匀不带电粒子辐射场照射不带电粒子释放的带电粒子对不带电粒子辐射场在CPE下平衡厚度(Equilibriumthickness)()δ粒子平衡(Deltaparticleequilibrium)(描述带电粒子辐射场)定义:D的表达:(其中表示初级带电粒子通过电子库仑碰撞损失的能量中转变成受激原子退激发时放射的特征X射线和释放的δ粒子在慢化过程中产生的轫致辐射两部分光子电离辐射能份额)在低原子序数介质中故D可简化为()部分δ粒子平衡(Partialdeltaparticleequilibrium)描述电子辐射场)定义:D的表达式:过渡平衡(Transientequilibrium)定义:与无关讨论:ad随入射光子能量的上升而加大而且依赖于介质对光子的散射截面的角分布。bd值与介质对电子的散射本领也有关系因为散射作用能降低次级电子的非各向同性程度。c空气与介质交界面处的吸收剂量值很低﹡电子在空气中的射程远远大于在液体或固体中的射程。﹡光子在空气中产生的电子将向侧面发散射束轴上的电子注量远小于介质中平衡深度处的注量而且次级电子大部分射向前方。()宽光子束照射介质时(q为带电粒子平衡系数)。�EMBEDPBrush*MERGEFORMAT����EMBEDPBrush*MERGEFORMAT���unknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknown

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