劑量學基本概念

1、輻射量的分類輻射量分為三類：輻射量分為三類：第1頁/共103頁輻射量的定義v輻射計量學量：根據(jù)輻射場自身的固有性質來定義的物理量；輻射計量學量：根據(jù)輻射場自身的固有性質來定義的物理量；v輻射劑量學量輻射劑量學量：描述輻射能量在物質中的轉移、沉積的物理量；：描述輻射能量在物質中的轉移、沉積的物理量；v輻射防護學量：用各類品質因數(shù)加權后的吸收劑量輻射防護學量：用各類品質因數(shù)加權后的吸收劑量D引申出的用于防引申出的用于防護計算的物理量；護計算的物理量；第2頁/共103頁輻射量的范圍和聯(lián)系第3頁/共103頁第一節(jié)第一節(jié) 比釋動能比釋動能第二節(jié)第二節(jié) 照射量照射量第三節(jié)第三節(jié) 授與能和吸收劑量授與能和吸

2、收劑量第四節(jié)第四節(jié) 劑量學量之間的關系劑量學量之間的關系第三章 劑量學基本概念第4頁/共103頁第一節(jié) 比釋動能 一 與物質的作用過程 二 轉移能 三 比釋動能K 四 比釋動能與注量的關系 五 碰撞比釋動能Kc 六 比釋動能率 七 不同介質中的比釋動能tre e第5頁/共103頁一 與物質的作用過程不帶電粒子與物質的相互作用分二個階段： 第一階段：不帶電粒子通過與物質的相互作用，把能量轉移給次級帶電粒子； 第二階段：次級帶電粒子通過電離、激發(fā)等方式把轉移來的能量大部分留在介質中；引入轉移能和比釋動能，描述第一階段的過程；第6頁/共103頁/ X射線與物質的作用基本過程三種作用效應三種作用效應

3、光電效應光電效應 康普頓效應康普頓效應 電子對效應電子對效應 產(chǎn)生次級電子產(chǎn)生次級電子電離效應電離效應次級電子使次級電子使物質原子電離物質原子電離/ X射線射線第第 1 1 步步初級作用初級作用第第 2 2 步步次級作用次級作用第7頁/共103頁二 轉移能 1 定義 2 實例分析 3 轉移能的分類 4 轉移能的分析tre e第8頁/共103頁1 定義v在指定體積在指定體積V內由不帶電粒子釋放出來的所有內由不帶電粒子釋放出來的所有帶電的電離粒子帶電的電離粒子(具備電離具備電離能力能力)初始動能初始動能之和，符號之和，符號 ，單位，單位 J J；tre,2,V()V()V(MM);u innru

4、outnrtru outu inEEQcEEQe e 開開 始始結結 束束 進進 入入 體體 積積的的 所所 有有 不不 帶帶 電電 粒粒 子子 的的 能能 量量 ，不不 包包 括括 靜靜 止止 質質 量量 能能 ； 從從 體體 積積逃逃 出出 的的 所所 有有 不不 帶帶 電電 粒粒 子子 的的 能能 量量 ，不不 包包 括括 靜靜 止止 質質 量量能能 以以 及及 次次 級級 帶帶 電電 粒粒 子子 產(chǎn)產(chǎn) 生生 的的 不不 帶帶 電電 粒粒 子子 的的 能能 量量 ； 入入 射射 的的 不不 帶帶 電電 粒粒 子子 在在 體體 積積內內 引引 起起 的的 任任 何何 核核 和和 基基 本本

5、 粒粒 子子 轉轉 變變中中 的的 靜靜 止止 質質 量量 能能 改改 變變 ， 即即總總 和和第9頁/共103頁2 康普頓散射的轉移能實例分析第10頁/共103頁注：注：E2是由反沖電子是由反沖電子Ec的軔致輻射釋放的帶電粒子，不能作為獨立事件產(chǎn)物的軔致輻射釋放的帶電粒子，不能作為獨立事件產(chǎn)物再加到再加到tr 中去。中去。能量為能量為hv的光子在的光子在V中的中的ECS過程的轉移能分析：過程的轉移能分析： (1) 在中在中發(fā)生發(fā)生ECS + 激發(fā)激發(fā) Ec, hvk , 俄歇電子俄歇電子EA, 散射光子散射光子hv; (2) 反沖電子反沖電子Ec，在，在, , 發(fā)生軔致輻射發(fā)生軔致輻射hv1

6、, hv2, hv3,自身能量下降為自身能量下降為Ec; (3) hv1在發(fā)生在發(fā)生ECS過程過程, 反沖電子反沖電子E2 + 散射光子散射光子hv1 ; (4) hv在發(fā)生在發(fā)生ECS過程過程, 反沖電子反沖電子E1+散射光散射光hv ; (5)1trAkE cEEhvhvhve e 2 康普頓散射的轉移能實例分析（續(xù)）第11頁/共103頁2 電子對生成的轉移能分析（續(xù)）22trEEh vm ce e 電子對生成過程中反應能為電子對生成過程中反應能為Q=-2mc2，mc2為正負電子的靜止質量能。為正負電子的靜止質量能。 轉移能表示：轉移能表示：第12頁/共103頁 根據(jù)不帶電電離粒子的能量分

7、配形式，根據(jù)不帶電電離粒子的能量分配形式，tr 還可以表示為還可以表示為輻射轉移輻射轉移能能 和和 碰撞轉移能碰撞轉移能： 式中：式中： 輻射轉移能，輻射轉移能， 為碰撞轉移能為碰撞轉移能( (或凈轉移能或凈轉移能) )。rctrtrtre ee ee e 對于前面分析的對于前面分析的ECS過程：過程：123rtrh vh vh ve e 3 轉移能的分類rtre ectre e第13頁/共103頁3 轉移能的分類（續(xù)）通常的過程很少發(fā)生，特別是通常的過程很少發(fā)生，特別是v很小的時候更是很小的時候更是如此，所以如此，所以 123rtrh vh vh ve e 1231231()1()ctrAc

8、AcEEEhvhvhvEEEhvhvhve e 1rctrtrtrAckEEEhvhvhve ee ee e 第14頁/共103頁4 轉移能的分析 轉移能是描述的能量轉移過程事件處于微觀粒子水平，不涉及宏觀層次； 由于電離輻射與物質相互作用時的隨機性，與之相關的時間具有統(tǒng)計漲落的性質，因此，轉移能其實也是一種隨機事件，但服從統(tǒng)計分布規(guī)律。第15頁/共103頁三 比釋動能K定義：定義：其中其中, 是由不帶電粒子在質量為是由不帶電粒子在質量為dm的無限小的體積內釋放出來的所有帶電粒的無限小的體積內釋放出來的所有帶電粒子的初始動能之和子的初始動能之和(即轉移能即轉移能)的的期望值期望值。從前面所述可

9、知，。從前面所述可知，tr 是隨機量，而其期望是隨機量，而其期望值則是非隨機量；值則是非隨機量；trdKdme e trde e 單位單位：戈瑞：戈瑞(gray)，簡寫，簡寫Gy，1Gy=1JKg-1; 舊單位舊單位：拉德：拉德(rad),1rad=10-2Gy。第16頁/共103頁四 比釋動能與注量的關系 1 單向，單能，不帶電粒子輻射場 2 任意方向，單能，不帶電粒子輻射場 3 任意方向，任意能量各種不帶電粒子輻射場 4 比釋動能因子123第17頁/共103頁trtrddadle e dmda dl trtrtrEdKdm e e 在體積元在體積元 dadl 中：中：kKF 比釋動能因子比

10、釋動能因子第18頁/共103頁在小體積元在小體積元dV內，內，dV是不帶電粒子的總徑跡長度。那么，是不帶電粒子的總徑跡長度。那么，EdVdV則是當前體積則是當前體積dV內內“注入注入”的不帶電粒子的總能量，而的不帶電粒子的總能量，而“留下留下”來的能量份額為，來的能量份額為，trtrddVEe trtrtrkEddKFdmdV e ee e 定律：粒子注量定律：粒子注量等于單位體積內的徑跡總長度。等于單位體積內的徑跡總長度。trtrdVE dV 則則比釋動能因子比釋動能因子按比釋動能定義按比釋動能定義第19頁/共103頁注量與徑跡長度的關系定律：定律：粒子注量粒子注量等于單位體積內的徑跡總長度

11、。等于單位體積內的徑跡總長度。 das V V證明：對于足夠小的任意形狀的體積元，證明：對于足夠小的任意形狀的體積元， PE均勻、徑跡可視為直線穿過體均勻、徑跡可視為直線穿過體積元。則積元。則dLdasdVLVLVLVdL dV 第20頁/共103頁提前假設已知各種粒子存在的譜分布提前假設已知各種粒子存在的譜分布E,j和和 E,j,.,cutjcutjtrjtrjEjEjEEjjKdEEdE 能量截止下限能量截止下限：低于此能量值的不帶電粒子不能引起電離。：低于此能量值的不帶電粒子不能引起電離。kKF 比釋動能因子比釋動能因子,.,cutjcutjtrjEjEjkEjEjEdEFdE 第21頁

12、/共103頁(/)(/)trtrkKEF ,()()cutjcutjEjtrjEjtrjEEjjKdEEdE ktrFE 目前比釋動能因子目前比釋動能因子Fk已經(jīng)有表可查，從相關資料中可以找到，如已經(jīng)有表可查，從相關資料中可以找到，如劑量劑量P50 表表2.1，防護防護P308 附表附表3；對于單能輻射場，表示式：對于單能輻射場，表示式：比釋動能比釋動能K 不帶電粒子注量不帶電粒子注量。 第22頁/共103頁五 碰撞比釋動能Kc 1 定義 2 X、射線的Kc定義 3 中子n的Kc定義第23頁/共103頁cctrKddme/rrtrKddmecrKKK結合轉移能的分類和比釋動能的定義可知，比釋動

13、能也可以分為兩結合轉移能的分類和比釋動能的定義可知，比釋動能也可以分為兩類類碰撞比釋動能和輻射比釋動能：碰撞比釋動能和輻射比釋動能：Kc表征了次級帶電粒子的能量就地沉積的部分；而表征了次級帶電粒子的能量就地沉積的部分；而Kr則表征了則表征了次級帶次級帶電粒子的能量由韌致輻射和高能電粒子的能量由韌致輻射和高能粒子帶走的部分。粒子帶走的部分。第24頁/共103頁1 定義（續(xù)） 根據(jù)我們前面已經(jīng)學習的知識，不帶電粒子轉移給帶電粒子的全部動能中，最根據(jù)我們前面已經(jīng)學習的知識，不帶電粒子轉移給帶電粒子的全部動能中，最終損失于電離碰撞的那一部分所占的份額為：終損失于電離碰撞的那一部分所占的份額為： ，則，

14、則 ：1e ntrg ,()(1)()cu tjcu tjtrjcEjEEEje njEjEEjKgd Ed E 第25頁/共103頁對對X、射線，因為其次級帶電粒子主要是電子，因其與物質作用特射線，因為其次級帶電粒子主要是電子，因其與物質作用特點，因此：點，因此： (/) (1)(/)ctrEenEKg 對對X、射線在水、軟組織等常見材料中的射線在水、軟組織等常見材料中的g值，可參考值，可參考劑量劑量P34 P34 圖圖1.311.31以及其它參考文獻；以及其它參考文獻； crKKK對單能的對單能的X、射線輻射場，射線輻射場，第26頁/共103頁3 中子輻射場的Kc 對于中子，其次級帶電粒子

15、主要是重帶電粒子，考慮到其能量損失對于中子，其次級帶電粒子主要是重帶電粒子，考慮到其能量損失方式方式主要以碰撞損失主要以碰撞損失為主為主，因此：，因此： ,nc nKK/entr第27頁/共103頁六 比釋動能率1.定義定義單位：單位：JKg-1s-1或或Gys-1或或 rads-1由比釋動能由比釋動能K相關公式，可知：相關公式，可知：dKKdt trtrKE ,()()(1)cutjcutjtrjEjEEjtrjcEjEEEjKdEKgdE 對于單能輻射場：對于單能輻射場：第28頁/共103頁對于點源，活度為對于點源，活度為A，各粒子產(chǎn)額為，各粒子產(chǎn)額為ni ，能量為能量為hvi，則，則 2

16、(/)4iiitrih vAKn h vr 2.空氣比釋動能率常數(shù)空氣比釋動能率常數(shù) 六 比釋動能率（續(xù)）定義定義 1(/)4iiitrihvn hv 2AKr 對于線源、面源的情況，可以在上述基礎上推導得到；不同核素的對于線源、面源的情況，可以在上述基礎上推導得到；不同核素的 值可值可以在以在劑量劑量P52P52表表2.22.2中查到；中查到； 第29頁/共103頁七 不同介質中的比釋動能1. 含義 由公式(2.8),(2.14)可知，比釋動能由空間指定點的不帶電粒子注量和介質的作用系數(shù)決定，而周圍介質的作用僅限于對指定點不帶電粒子輻射場可能的影響； 在理論和實踐中，如果謹慎保持輻射場不變，

17、那么比釋動能則由作用系數(shù)即可確定。 因此可以有“自由空間或不同材料中某點對指定材料的比釋動能或比釋動能率”的表示；如“自由空氣中小塊組織的比釋動能”，“水中某點的空氣比釋動能”此類說法；第30頁/共103頁七 不同介質中的比釋動能（續(xù)）2. 實踐測量方法 在材料i的引入不干擾原有不帶電粒子輻射場的分布的情況下，把少量指定材料i放入自由空間或材料m中的感興趣點處得到的比釋動能或比釋動能率； 材料i根據(jù)研究目的的不同，可以選取各自感興趣的材料，如組織、空氣、水，塑料、玻璃、有機泡沫，甚至是各類探測器都是可以的。第31頁/共103頁七 不同介質中的比釋動能（續(xù)） triimtrmKK 3.同一位置處

18、不同材料的同一位置處不同材料的K之間的關系之間的關系 在材料在材料i的引入不干擾原有不帶電粒子輻射場的分布的前提下，指定材料的引入不干擾原有不帶電粒子輻射場的分布的前提下，指定材料i中中的比釋動能的比釋動能Ki與未放入材料與未放入材料i前材料前材料m中同一地點處的比釋動能中同一地點處的比釋動能Km的關系如下：的關系如下：,()(/)trEi EE cuttrEE cutdEdE 其中，其中，第32頁/共103頁第二節(jié)第二節(jié) 照射量照射量 一 照射量X 二 照射量率 三 X 和 值的進一步說明X X 第33頁/共103頁一一 照射量照射量 X 1.概念背景 2.概念定義 3.分析 4.小結 5.

19、 X與碰撞轉移能Kc之間的關系 6. 單能光子輻射場情況第34頁/共103頁1.1.概念概念背景背景 是一個根據(jù)光子對空氣的電離能力來量度是一個根據(jù)光子對空氣的電離能力來量度/X 射線射線輻射場的物理輻射場的物理量；量； 是最早被用來表征輻射劑量的一個劑量學量，描述范圍狹窄，但是最早被用來表征輻射劑量的一個劑量學量，描述范圍狹窄，但容易測量；容易測量； 目前已逐漸停止使用目前已逐漸停止使用。第35頁/共103頁2.2.概念定義概念定義d QXd m 單位：單位：Ckg-1 (現(xiàn)在現(xiàn)在), 倫琴倫琴R(原來原來)關系：關系：1R=2.5810-4 Ckg-1，1Ckg-1=3.877103R倫琴

20、定義：倫琴定義：在在0，760毫米汞柱氣壓下的毫米汞柱氣壓下的1立方厘米空氣中造成立方厘米空氣中造成1靜電單位（靜電單位（3.336410-10庫庫侖）正負離子的輻射強度為侖）正負離子的輻射強度為1倫琴單位。倫琴單位。 dQ為為X,射線在質量為射線在質量為dm的空氣中釋放的全部電子的空氣中釋放的全部電子(包括負電子和正電包括負電子和正電子子)完全被空氣阻止時，在空氣中所產(chǎn)生的一種符號離子總電荷的絕對值。完全被空氣阻止時，在空氣中所產(chǎn)生的一種符號離子總電荷的絕對值。第36頁/共103頁照射量產(chǎn)生示意圖照射量產(chǎn)生示意圖第37頁/共103頁3. 分析分析 (1) X、射線產(chǎn)生的次級電子如果是完全被空

21、氣阻止的，而不是進入/穿過其它介質，則它們產(chǎn)生的一種符號的離子總電荷就是dQ； (2) 如果次級電子產(chǎn)生的韌致輻射引起電離，不予考慮，是因為韌致輻射射程太長的緣故； (3) 如果在dm之外產(chǎn)生的次級電子在dm內引起電離電荷，也不予考慮；第38頁/共103頁4. 小結小結 dQ并不是僅僅包括光子釋放的次級電子在并不是僅僅包括光子釋放的次級電子在dm內產(chǎn)生的電內產(chǎn)生的電離電荷，還包括在離電荷，還包括在dm之外的空氣中產(chǎn)生的電離電荷；之外的空氣中產(chǎn)生的電離電荷； 在特定的情況下，在特定的情況下，dQ可能等于光子的次級電子在可能等于光子的次級電子在dm之內之內產(chǎn)生的電離電荷，這種情況稱為產(chǎn)生的電離電荷

22、，這種情況稱為帶電粒子平衡條件帶電粒子平衡條件；第39頁/共103頁5. X與碰撞轉移能與碰撞轉移能Kc之間的關系之間的關系在帶電粒子平衡條件下，,()cutctrc airairairenhvhvairadeeXKdmWWed hvWe e 133.9733.97airWJCeVe 第40頁/共103頁6. 單能光子輻射場情況單能光子輻射場情況在單能光子輻射場中，,ctrc airairairenairenairdeeXKdmWWeWehvWe e 第41頁/共103頁二二 照射量率照射量率 1. 定義 2. 與能量注量率(粒子注量率)的關系 3. 單能點源的照射量率X 第42頁/共103頁

23、1 定義d XXd t 單位：單位：Ckg-1s-1 ， Rs-1 ；衍生單位：衍生單位： Rs-1 等；等；單位時間內照射量的改變量。單位時間內照射量的改變量。第43頁/共103頁對單能光子輻射場對單能光子輻射場: ()()()()()()e na ira ire na ira ire na ira irxedeWXd tWehFW 防護防護照射量因子，照射量因子，防護防護P22表表1.22 與能量注量率(粒子注量率)的關系xXF 第44頁/共103頁3. 單能點源的照射量率 22()()()()() ()4enairairenairairenairairxxedeWXdtWehWFAXAF

24、rr 照射量率常數(shù)，照射量率常數(shù)，劑量劑量 P55 P55 表表2.32.3第45頁/共103頁 另一方面，可以用空氣碰撞比釋功能另一方面，可以用空氣碰撞比釋功能Kc,a來取代照射量，原因是：來取代照射量，原因是： a. 由電離電荷量到能量的換算由電離電荷量到能量的換算( (W/e)a因子因子)很不方便；很不方便； b. 照射量的英文名稱照射量的英文名稱Exposure的含義容易混淆；的含義容易混淆；三三 照射量照射量X的進一步說明的進一步說明 一方面，類比比釋動能概念，常有一方面，類比比釋動能概念，常有自由空間或不同于空氣的材料內某自由空間或不同于空氣的材料內某一點的照射量或照射量率的概念一

25、點的照射量或照射量率的概念，是指將空氣小質量元放入感興趣點測量，是指將空氣小質量元放入感興趣點測量得到得到X和和 ；X 第46頁/共103頁例題例題 若空氣體積為0.3cm3,標準狀態(tài)下其中包含空氣質量為0.338克，若被X射線照射5min，在其中產(chǎn)生的磁極電子在空氣中形成的正離子（或負離子）的總電荷為1010-9C，此時，被照射空氣處的X射線照射量和照射量率各是多少？第47頁/共103頁第三節(jié)第三節(jié) 授與能和吸收劑量授與能和吸收劑量 一 沉積能 二 授與能 三 吸收劑量D 四 輻射平衡與吸收劑量D 五 六 核心內容小結,c airmKXD和和的的 關關 系系e e 第48頁/共103頁一一

26、沉積能沉積能 1 概念背景 2 概念定義 3 典型作用過程分析 1)帶電粒子與原子電子碰撞過程帶電粒子與原子電子碰撞過程 2) 電子對生成過程電子對生成過程 3) 自發(fā)核轉變過程自發(fā)核轉變過程e e 第49頁/共103頁1 概念背景概念背景 下述微觀事件 電離輻射與物質的每次相互作用電離輻射與物質的每次相互作用 核和基本粒子的每次自發(fā)轉變核和基本粒子的每次自發(fā)轉變(自發(fā)源過程自發(fā)源過程) 是產(chǎn)生能量沉積的基本過程。 在具體描述過程中，稱基本過程中沉積的能量，就是單次相互作用中沉積的能量，即為沉積能 ；e e 第50頁/共103頁2 概念定義概念定義 E p=0;MMpSEEQ 2 2開開 始始

27、結結 束束 引引 發(fā)發(fā) 相相 互互 作作 用用 的的 初初 始始 電電 離離 粒粒 子子 在在 發(fā)發(fā) 生生 相相 互互 作作 用用 前前 的的 能能 量量( (不不 包包 括括 靜靜 止止 能能 量量 ) )， 自自 發(fā)發(fā) 源源 過過 程程 基基 本本 過過 程程 中中 產(chǎn)產(chǎn) 生生 的的 所所 有有 電電 離離 粒粒 子子 ( (如如 果果 初初 始始 粒粒 子子 在在 作作 用用 結結 束束后后 仍仍 然然 為為 電電 離離 粒粒 子子 則則 也也 包包 括括 在在 其其 中中 ) )的的 能能 量量 ( (不不 包包 含含 靜靜 止止能能 量量 ) )之之 和和 ； 與與 基基 本本 過過

28、 程程 有有 關關 的的 核核 和和 基基 本本 粒粒 子子 轉轉 變變 中中 靜靜 止止 質質 量量 能能 的的改改 變變 ， 即即c c ；SEEQe e 沉積能定義沉積能定義第51頁/共103頁3 典型作用過程分析典型作用過程分析()kEEEh ve e 帶電粒子與原子發(fā)生碰撞，帶電粒子碰撞帶電粒子與原子發(fā)生碰撞，帶電粒子碰撞前后的能量分別為前后的能量分別為E和和E，被撞出的原子的，被撞出的原子的電子電子(電子電子) )的動能為的動能為 ，原子在退激過，原子在退激過程中釋放出能量為程中釋放出能量為hvk的特征的特征X X射線；假設射線；假設E， ，hvk都具有電離能力，那么：都具有電離能

29、力，那么：E 1) 帶電粒子與原子電子碰撞過程帶電粒子與原子電子碰撞過程E 第52頁/共103頁2) 電子對生成過程電子對生成過程 2()2EhvEEmc3 典型作用過程分析典型作用過程分析（續(xù)）（續(xù)）第53頁/共103頁3) 自發(fā)核轉變過程自發(fā)核轉變過程 ESRQEEB 子核反沖能子核反沖能母核核外電子結合能改變量母核核外電子結合能改變量電離粒子的動能電離粒子的動能以及電磁輻射能以及電磁輻射能一一 沉積能（續(xù)）沉積能（續(xù)）第54頁/共103頁二二 授與能授與能1 能量沉積事件能量沉積事件 由單個或單一組相關電離粒子在指定體積由單個或單一組相關電離粒子在指定體積V內物質授與能量的事件，內物質授

30、與能量的事件，即即V內所有相關內所有相關能量沉積能量沉積基本過程的基本過程的集合集合。1Ee e 2 某一能量沉積事件的授與能某一能量沉積事件的授與能1定義：指該能量沉積事件所涉及到的單個或單類相關電離粒子在指定體定義：指該能量沉積事件所涉及到的單個或單類相關電離粒子在指定體積積V內發(fā)生的所有的相互作用中沉積能之和。內發(fā)生的所有的相互作用中沉積能之和。1inoutEEQe e 第55頁/共103頁Eout是從該體積元逸出的輻射能，即離開該體積元的所有帶電的和不帶電的電離粒子能量（不包括靜止質量能，這里的能量就是指動能）的總合。1inoutEEQe e第56頁/共103頁 帶電粒子與原子中一個電

31、子的電離碰撞是這一過程的典型代表。動能為Tin的帶電粒子與原子的電子發(fā)生碰撞，擊出一個粒子(能量較高的具有電離能力的電子)，同時留下一個受激原子。設，碰撞中入射粒子損失了動能T，但仍還是一個電離粒子(此時，動能為Tin-T)，擊出的粒子的動能為T，受激原子退激時，釋出一個能量為EK的特征X射線光子及動能為TA,1和TA,2的兩個俄歇電子，假定兩個俄歇電子不再具有電離能力。這一情況不涉及核和基本粒子的轉變，所以)()(KKininabETTETTTTTTe二 授與能（續(xù)）第57頁/共103頁3 典型作用過程分析典型作用過程分析12.2151.022nBeEhvEM evM eve e 1613(

32、,)2.2153.09O nCQM evEM ev 二二 授與能授與能（續(xù)）（續(xù)）第58頁/共103頁5 平均授與能平均授與能iinou tEEQe ee e 1,e e e ee ee()ino u tino u tAVEEQRRQdQd SQd Vd Ve e e e4 總授與能總授與能都是隨機量，而都是隨機量，而是非隨機量是非隨機量所有能量沉積事件中的授予能所有能量沉積事件中的授予能1的總和：的總和：二二 授與能授與能（續(xù)）（續(xù)）第59頁/共103頁例1、一個動能E=10MeV的正電子進入體積V，通過碰撞損失掉5MeV的能量后與體積內的一個靜止負電子發(fā)生湮沒，產(chǎn)生能量相等的兩個光子，其中

33、的一個逸出體積V，另一個在V內產(chǎn)生動能相等的正負電子對。正負電子在V內通過碰撞各自消耗掉其一半動能后負電子逸出V，正電子與一個靜止負電子發(fā)生飛行中湮沒，湮沒光子從V逸出。求對V的授與能。(為了便于計算假定靜止的正負電子對湮沒產(chǎn)生1MeV的光子，反之亦然)解:Rin=10MeV，Rout=(Rout1)u+(Rout2)c+(Rout3)u，(Rout1)u =(10-5+1)/2=3MeV，(Rout2)c =(3-1)/2/2=0.5MeV，(Rout3)u =0.5+1=1.5MeVQ=2mc2-2mc2+2mc2=1MeV，= Rin - Rout +Q=10-3-0.5-1.5+1=6

34、MeV第60頁/共103頁三三 吸收劑量吸收劑量D 1 定義 2 穩(wěn)恒輻射場下的表達式 3 無自發(fā)核轉變條件下的表達式 4 有自發(fā)核轉變條件下的表達式 5 討論第61頁/共103頁1 定義 001limlimmVDmVe ee e ddDd md Ve ee e de e電離輻射授與質量為電離輻射授與質量為dm的物質的平均能量；的物質的平均能量； 單位：單位：JKg-1，特有名稱：戈瑞，特有名稱：戈瑞Gy，舊單位：拉德舊單位：拉德rad關系：關系：1Gy = 100rad第62頁/共103頁111 QdDdVdVe e 在穩(wěn)恒輻射場中，在穩(wěn)恒輻射場中， ,4,4()(,;,)cu tcu tE

35、EEEEEdEESddEEEdE 代入已知的平均授與能代入已知的平均授與能 的表達式到的表達式到D的定義式中：的定義式中： 2 穩(wěn)恒輻射場下的表達式e其中其中 第63頁/共103頁3 無自發(fā)核轉變條件下的表達式考慮的小體積元考慮的小體積元dVdV內無自發(fā)核轉變時內無自發(fā)核轉變時 ：能量為：能量為E的粒子在密度為的粒子在密度為的介質中穿過單位長度路的介質中穿過單位長度路 程時發(fā)生相互作用的幾率；程時發(fā)生相互作用的幾率；()E ：能量為：能量為E的粒子在一次相互作用中授與能的期望值；的粒子在一次相互作用中授與能的期望值； ()E e()()()()()()cu tEEEEEEEEdd VEEEEd

36、dDd md VEDEd Ee e e e e ee ee e e e 第64頁/共103頁4 有自發(fā)核轉變條件下的表達式()()cutEsEEEDE dEn e e e e 考慮的小體積元考慮的小體積元dV內有自發(fā)核轉變時內有自發(fā)核轉變時 ：單位質量介質中發(fā)生自發(fā)核轉變的次數(shù)；：單位質量介質中發(fā)生自發(fā)核轉變的次數(shù)； sn ：每次核轉變過程中授與能的期望值。：每次核轉變過程中授與能的期望值。E e e第65頁/共103頁5 吸收劑量表示式的簡化（1）如果已知輻射場、作用介質和作用參數(shù)的詳細資料，原則上可以）如果已知輻射場、作用介質和作用參數(shù)的詳細資料，原則上可以用上述公式計算用上述公式計算D，

37、但實際上很難做到；，但實際上很難做到；（2）核和基本粒子的轉變以及不帶電電離粒子與物質相互作用，作為核和基本粒子的轉變以及不帶電電離粒子與物質相互作用，作為基本過程的沉積能基本過程的沉積能E對對D的貢獻可以忽略；的貢獻可以忽略；第66頁/共103頁三三 吸收劑量吸收劑量D D（續(xù)）（續(xù)）,c u tjc o ljEjc o ljEjSDKd E Kcol,j：發(fā)生相互作用的帶電粒子與原子電子碰撞時損失的動能中變：發(fā)生相互作用的帶電粒子與原子電子碰撞時損失的動能中變?yōu)槌练e能（即不以為沉積能（即不以粒子、俄歇電子、特征粒子、俄歇電子、特征X射線或中和過程釋放射線或中和過程釋放的光子形式輻射出的能量

38、）的份額的光子形式輻射出的能量）的份額;（3）簡化的）簡化的D表達式：表達式：第67頁/共103頁三三 吸收劑量吸收劑量D D（續(xù)）（續(xù)）（4）對）對D的分析小結的分析小結前述結論對吸收劑量前述結論對吸收劑量D的測量仍然不夠簡便實用，甚至在實際過程的測量仍然不夠簡便實用，甚至在實際過程中無法實現(xiàn)，因此中無法實現(xiàn)，因此需要對需要對D做進一步的分析和簡化做進一步的分析和簡化！第68頁/共103頁四四 輻射平衡與吸收劑量輻射平衡與吸收劑量D 1 輻射平衡概念 2 完全輻射平衡 3 帶電粒子平衡(CPE) 4 粒子平衡 5 部分粒子平衡 6 過渡平衡第69頁/共103頁按輻射成分對電離輻射場的分類第7

39、0頁/共103頁1 輻射平衡概念輻射平衡概念(1) 如果進入和離開某一無限小體積元的電離輻射、 帶電粒子或粒子的輻射能彼此相等，那么稱該空間點處輻射場的這種特殊狀況為存在著不同程度的輻射平衡；(2) 根據(jù)不同條件，輻射平衡可分為若干種情況；(3) 在這些情況下該空間點的吸收劑量的計算將變得比較簡單。第71頁/共103頁2 完全輻射平衡完全輻射平衡(1) 定義定義 進入某一無限小體積元進入某一無限小體積元dV內的輻射能內的輻射能dRin等于離開該體積元的輻射等于離開該體積元的輻射能能dRout，即認為即認為 那么，此時認為該小體元內有輻射平衡；那么，此時認為該小體元內有輻射平衡；inoutdRd

40、R 即即0 ,0Ej 第72頁/共103頁2 完全輻射平衡（續(xù)）完全輻射平衡（續(xù)）(2) 滿足上述條件的典型情況分類滿足上述條件的典型情況分類 (a) PE=常數(shù)常數(shù) (b) 當前體積當前體積V內以及周圍的內以及周圍的最強貫穿電離粒子最強貫穿電離粒子的最大射程的最大射程Rmax（或幾（或幾倍平均自由程）倍平均自由程）的范圍的范圍 內的介質和放射源的分布內的介質和放射源的分布都是均勻的都是均勻的 (在這個范在這個范圍內，體積圍內，體積V僅僅可能僅僅可能“感受感受”到周圍厚度為到周圍厚度為Rmax的球殼內產(chǎn)生的電離的球殼內產(chǎn)生的電離粒子的影響粒子的影響) ，則體積，則體積V內存在完全輻射平衡；內存

41、在完全輻射平衡； (c) 無限大均勻介質并均勻分布放射源；無限大均勻介質并均勻分布放射源；第73頁/共103頁完全輻射平衡示意圖完全輻射平衡示意圖第74頁/共103頁2 完全輻射平衡（續(xù)）完全輻射平衡（續(xù)）1dQDd V(3) 完全輻射平衡條件下完全輻射平衡條件下D的表達式的表達式 表示在當前體積表示在當前體積dV中單位質量介質內由靜止質量轉變成的輻中單位質量介質內由靜止質量轉變成的輻射能的期望值射能的期望值;Q第75頁/共103頁2 完全輻射平衡（續(xù)）完全輻射平衡（續(xù)）(4) 考慮存在著輻射平衡的均勻無限大介質或有限介質中均勻分布考慮存在著輻射平衡的均勻無限大介質或有限介質中均勻分布著某種放

42、射性核素的情況著某種放射性核素的情況dsdV假設此時單位體積內源的核轉變數(shù)為：假設此時單位體積內源的核轉變數(shù)為：111dQdsEdsDEdV而由此核轉變單次帶來的輻射能為：而由此核轉變單次帶來的輻射能為：1E第76頁/共103頁(5) 完全輻射平衡的缺陷 不帶電電離粒子在介質內的射程一般都很長，因此在輻射場中存在完全輻射平衡的情況很少。 經(jīng)常遇到的情況是部分輻射平衡。2 完全輻射平衡（續(xù)）完全輻射平衡（續(xù)）第77頁/共103頁3 帶電粒子平衡帶電粒子平衡(CPE) (1) 定義 進入某一無限小體積元dV內的帶電粒子的輻射能dRc,in等于離開該體積元的帶電粒子的輻射能dRc,out，此時認為該

43、小體元內存在著帶電粒子平衡。,0 c inc outcdRdR 此時此時第78頁/共103頁帶電粒子平衡分析示意圖帶電粒子平衡分析示意圖第79頁/共103頁3 帶電粒子平衡帶電粒子平衡(CPE)（續(xù)）（續(xù)） (2) 滿足上述條件的典型情況滿足上述條件的典型情況 a. 帶電粒子輻射度的譜分布帶電粒子輻射度的譜分布PE,C在指定體積在指定體積dV 內處處相等；內處處相等； b. 如果在指定體積如果在指定體積V及其周圍帶電粒子最大射程范及其周圍帶電粒子最大射程范 圍內的介質是均勻的，且因圍內的介質是均勻的，且因各種方式各種方式產(chǎn)生的帶電產(chǎn)生的帶電 粒子的數(shù)量、能量、方向分布處處相等時；粒子的數(shù)量、能

44、量、方向分布處處相等時； b1. 上述范圍內均勻分布著帶電粒子發(fā)射體上述范圍內均勻分布著帶電粒子發(fā)射體(輻射源輻射源)； b2. 上述范圍內的介質受到均勻的不帶電粒子輻射場上述范圍內的介質受到均勻的不帶電粒子輻射場 照射照射(實際中常見實際中常見)；第80頁/共103頁3 帶電粒子平衡帶電粒子平衡(CPE)（續(xù)）（續(xù)）1R (3) 近似帶電粒子平衡 由于常見的介質的幾何尺寸是有限的，從外部受到不帶電電離由于常見的介質的幾何尺寸是有限的，從外部受到不帶電電離粒子射束的照射時，若：粒子射束的照射時，若：不帶電粒子的平均自由程不帶電粒子的平均自由程 1 帶電粒子的最大射程帶電粒子的最大射程R符合符合

45、則在介質深度則在介質深度 d R 處存在著近似帶電粒子平衡。處存在著近似帶電粒子平衡?；蚧?R 第81頁/共103頁3 帶電粒子平衡帶電粒子平衡(CPE)（續(xù)）（續(xù)）(4) 帶電粒子平衡條件帶電粒子平衡條件(CPE)下吸收劑量下吸收劑量D的表達式的表達式,cu tjenjcEjEjDKdE 在這種情況下在當前關注的在這種情況下在當前關注的dV內的單位質量介質中的授予內的單位質量介質中的授予能的期望值能的期望值 等于等于不帶電電離粒子帶來的碰撞比釋動能不帶電電離粒子帶來的碰撞比釋動能Kc：de e第82頁/共103頁3 帶電粒子平衡帶電粒子平衡(CPE)（續(xù)）（續(xù)）(5) 帶電粒子平衡條件總結帶

46、電粒子平衡條件總結1)、離介質邊界要有一定的距離。被考慮的體積邊界與介質邊界的最短距離、離介質邊界要有一定的距離。被考慮的體積邊界與介質邊界的最短距離d必必須須不小于不小于次級帶電粒子在介質中的最大射程，即次級帶電粒子在介質中的最大射程，即 ；2)、均勻照射條件。要求離所考慮體積、均勻照射條件。要求離所考慮體積(圖圖2(B)中陰影部分中陰影部分)的邊界等于次級帶電的邊界等于次級帶電粒子最大射程的體積內，輻射的注量率處處相等，即上圖虛線范圍內初級輻射射粒子最大射程的體積內，輻射的注量率處處相等，即上圖虛線范圍內初級輻射射束須盡可能均勻；束須盡可能均勻；3)、介質均勻。在上述體積范圍內介質均勻一致

47、，使得粒子在該體積內的作用保、介質均勻。在上述體積范圍內介質均勻一致，使得粒子在該體積內的作用保持一致性；持一致性；m axdR 第83頁/共103頁帶電粒子平衡示意圖帶電粒子平衡示意圖2第84頁/共103頁3 帶電粒子平衡帶電粒子平衡(CPE)（續(xù)）（續(xù)）(6)帶電粒子平衡條件的直觀理解帶電粒子平衡條件的直觀理解1). 當?shù)诋數(shù)?個條件成立時，則在被關注體積個條件成立時，則在被關注體積dV周圍類似充滿了無限周圍類似充滿了無限大的介質，此時大的介質，此時dV內的帶電粒子行為與介質以外情況毫無關系。內的帶電粒子行為與介質以外情況毫無關系。2). 當?shù)诋數(shù)?、3條件成立時，在條件成立時，在dV中帶

48、電粒子的情況處處相同，類中帶電粒子的情況處處相同，類似是一個無限大的均勻分布的帶電粒子輻射源，各點之間沒有差似是一個無限大的均勻分布的帶電粒子輻射源，各點之間沒有差異，則完全滿足了帶電粒子平衡條件。異，則完全滿足了帶電粒子平衡條件。第85頁/共103頁3 帶電粒子平衡帶電粒子平衡(CPE)（續(xù)）（續(xù)）(7)帶電粒子平衡條件引出的帶電粒子平衡條件引出的“平衡厚度平衡厚度” 不帶電粒子釋放的次級帶電粒子的最大射程不帶電粒子釋放的次級帶電粒子的最大射程R是建立帶電粒是建立帶電粒子平衡所需要的物質層厚度，稱其為子平衡所需要的物質層厚度，稱其為平衡厚度平衡厚度；第86頁/共103頁單能光子和中子分別在水

49、中的平衡厚度單能光子和中子分別在水中的平衡厚度第87頁/共103頁單能光子和中子分別在水中的平衡厚度表格單能光子和中子分別在水中的平衡厚度表格3第88頁/共103頁4 粒子平衡粒子平衡(1) 產(chǎn)生來源產(chǎn)生來源 這里的這里的粒子指的是由粒子指的是由重帶電粒子重帶電粒子與物質碰撞產(chǎn)生的，根據(jù)物與物質碰撞產(chǎn)生的，根據(jù)物理學知識可知，此類理學知識可知，此類粒子的能量較低，其最大射程粒子的能量較低，其最大射程Rmax與母重帶與母重帶電粒子的射程電粒子的射程R相比相比很小很小。,m axRR 第89頁/共103頁4 粒子平衡（續(xù)）粒子平衡（續(xù)）(2) 平衡產(chǎn)生條件平衡產(chǎn)生條件 類似帶電粒子平衡類似帶電粒子

50、平衡(CPE)的產(chǎn)生條件，當重帶電粒子從外部照射的產(chǎn)生條件，當重帶電粒子從外部照射均勻物質均勻物質時，若介質深度時，若介質深度d超過超過粒子最大射程粒子最大射程Rmax時，則會出現(xiàn)時，則會出現(xiàn)粒子平衡。粒子平衡。0 此時有：此時有：第90頁/共103頁4 粒子平衡（續(xù)）粒子平衡（續(xù)）,1()cutjcoljEPjcoljEjSDPEdE (3) 粒子平衡條件下吸收劑量粒子平衡條件下吸收劑量D的表達式的表達式 在這種情況下在當前關注的在這種情況下在當前關注的dV內由帶電粒子授予單位質量介質內由帶電粒子授予單位質量介質的能量的能量等于等于帶電粒子在其中碰撞損失的能量中未轉變?yōu)楣庾与婋x輻射帶電粒子在

51、其中碰撞損失的能量中未轉變?yōu)楣庾与婋x輻射的部分。的部分。在低原子序數(shù)介質中，在低原子序數(shù)介質中， ，故，故D可簡化為可簡化為.0coljP,cutjcoljEpjEjSDdE 第91頁/共103頁5 部分部分粒子平衡粒子平衡(1) 產(chǎn)生來源產(chǎn)生來源 這里的這里的粒子指的是由粒子指的是由射線即高能電子射線即高能電子與物質碰撞產(chǎn)生的，根與物質碰撞產(chǎn)生的，根據(jù)物理學知識可知，此類據(jù)物理學知識可知，此類粒子的能量最大可以達到初級粒子的能量最大可以達到初級電子能電子能量量E的的1/2，此時如果僅用，此時如果僅用射束從外部照射介質時，射束從外部照射介質時，無法無法在介質內在介質內建立建立粒子平衡。粒子平衡

52、。第92頁/共103頁5 部分部分粒子平衡（續(xù)）粒子平衡（續(xù)）(2) 產(chǎn)生條件產(chǎn)生條件 如果選取如果選取某特定能量閾值某特定能量閾值，使得，使得E的次級的次級粒子的射程粒子的射程R遠遠小于初級電子的射程小于初級電子的射程 ，那么在介質深度超過，那么在介質深度超過R時，將可以建立起時，將可以建立起該部分次級該部分次級粒子的平衡情況。粒子的平衡情況。,0 第93頁/共103頁當取值較小時，此時該部分取值較小時，此時該部分粒子引起的輻射損失比較小，那么粒子引起的輻射損失比較小，那么5 部分部分粒子平衡（續(xù)）粒子平衡（續(xù)）,1cutcolEPcolESDPdE ,EpjLDdE (3) 部分部分粒子平

53、衡條件下吸收劑量粒子平衡條件下吸收劑量D的表達式的表達式,cutcolEPESDdE 第94頁/共103頁6 過渡平衡過渡平衡 這里指的是由這里指的是由高能的高能的不帶電粒子引起的次級帶電粒子的平衡問不帶電粒子引起的次級帶電粒子的平衡問題題。一方面在高能區(qū)由于不帶電粒子的平均自由程。一方面在高能區(qū)由于不帶電粒子的平均自由程 增長緩慢；增長緩慢；另一方面次級帶電粒子的射程另一方面次級帶電粒子的射程R在高能區(qū)增長很快，那么：在高能區(qū)增長很快，那么：1 (1) 產(chǎn)生來源產(chǎn)生來源R 1 由于中子產(chǎn)生的次級帶電粒子主要是重帶電離子，上述情況不太明顯。而光子由于中子產(chǎn)生的次級帶電粒子主要是重帶電離子，上述

54、情況不太明顯。而光子產(chǎn)生的次級帶電粒子主要是電子，因此上述情況更為明顯。產(chǎn)生的次級帶電粒子主要是電子，因此上述情況更為明顯。第95頁/共103頁過渡平衡示意圖第96頁/共103頁6 過渡平衡（續(xù)）過渡平衡（續(xù)）(2) 產(chǎn)生規(guī)律產(chǎn)生規(guī)律第97頁/共103頁6 過渡平衡（續(xù)）過渡平衡（續(xù)）(3) 過渡平衡下的吸收劑量過渡平衡下的吸收劑量D的表達式的表達式 0()1(0)()2()zdencdcDzKzdedRDzeKz 由于式由于式(2)中吸收劑量中吸收劑量D和碰撞比釋動能和碰撞比釋動能Kc的比值與介質深度的比值與介質深度z無關，無關，那么這種情況稱之為那么這種情況稱之為過渡平衡過渡平衡。第98頁

55、/共103頁6 過渡平衡（續(xù)）過渡平衡（續(xù)）(4) 討論討論 1). d隨入射光子能量的上升而加大，而且依賴于介質對光子的散射隨入射光子能量的上升而加大，而且依賴于介質對光子的散射截面的角分布。截面的角分布。 2). d值與介質對電子的散射本領也有關系，因為散射作用能降低次值與介質對電子的散射本領也有關系，因為散射作用能降低次級電子的非各向同性程度。級電子的非各向同性程度。 第99頁/共103頁6 過渡平衡（續(xù)）過渡平衡（續(xù)）(3). 空氣與介質交界面處的吸收劑量值很低空氣與介質交界面處的吸收劑量值很低電子在空氣中的射程遠遠大于在液體或固體中的射程。電子在空氣中的射程遠遠大于在液體或固體中的射程。光子在空氣中光子在空氣中產(chǎn)生的電子將向側面發(fā)散，射束軸上的電子注量遠小于介質中平衡深度處產(chǎn)生的電子將向側面發(fā)散，射束軸上的電子注