電離輻射劑量與防護課件(3)

1、電離輻射劑量與防護 電離輻射劑量學電離輻射劑量學第一章第一章 電離輻射與物質的相互作用電離輻射與物質的相互作用第三講 不帶電粒子與物質的相互作用一、和x射線與物質的相互作用1.作用類型與特點作用類型與特點 （1）射線與射線與x射線的定義（或產生）射線的定義（或產生） -rays：射線是由核和基本粒子轉變（為核反應、核射線是由核和基本粒子轉變（為核反應、核衰變、基本粒子衰變和基本粒子湮滅等）產生的電磁輻射光衰變、基本粒子衰變和基本粒子湮滅等）產生的電磁輻射光子。子。 x-rays：a.軔致輻射軔致輻射x射線。由帶電粒子在原子核庫侖射線。由帶電粒子在原子核庫侖場中慢化而產生的電磁輻射。場中慢化而產

2、生的電磁輻射。(在點電荷周圍的電場稱為庫侖場在點電荷周圍的電場稱為庫侖場,帶電帶電粒子被原子核周圍庫侖場所造成的粒子被原子核周圍庫侖場所造成的 散射稱為庫侖散射。散射稱為庫侖散射。) b.特征特征x射線。由原子電子能級改變而產生的射線。由原子電子能級改變而產生的電磁輻射。電磁輻射。 （2）作用類型（按能量吸收的多少來劃分）作用類型（按能量吸收的多少來劃分）完全吸收：光電效應、電子對生成、光核反完全吸收：光電效應、電子對生成、光核反應和光介子生成等。應和光介子生成等。部分吸收：康普頓散射和核共振散射。部分吸收：康普頓散射和核共振散射。不不 吸吸 收：彈性散射。收：彈性散射。三種作用效應三種作用效

3、應 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 產生次級電子產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（3）特）特 點點 與帶電粒子比較，光子與物質相互作用的截面小得與帶電粒子比較，光子與物質相互作用的截面小得多，在多，在 介質中可以穿行比較長的路程。介質中可以穿行比較長的路程。 一次相互作用過程中光子損失的平均能量較大。一次相互作用過程中光子損失的平均能量較大。 不能象帶電粒子那樣用阻止本領來研究不帶電粒子不能象帶電粒子那樣用阻止本領來研究不帶電粒子在介質中的能量減少過

4、程。在介質中的能量減少過程。 用新的參數來描述它們與物質相互作用（用新的參數來描述它們與物質相互作用（Cross section截面）、能量轉移（截面）、能量轉移（energy transfer）和）和能量吸收（能量吸收（energy absorption）的幾率。）的幾率。 2.三種重要作用三種重要作用（對能量轉移和吸收的貢獻而言）（對能量轉移和吸收的貢獻而言） (1)Photoelectric effect(光電效應光電效應)光電效應光電效應 自由電子自由電子 作用機制作用機制光子同光子同( (整個整個) )原子作用把自己的全部能量傳遞給原子原子作用把自己的全部能量傳遞給原子, ,殼層中某

5、一電子獲得動能克服原子束縛跑出來殼層中某一電子獲得動能克服原子束縛跑出來, ,成為成為自由電子，光子本身消失了。自由電子，光子本身消失了。 + A A* + e- （光電子）（光電子） 原子原子 A + X 射線射線原子原子受激原子受激原子1030keV 光電效應為主光電效應為主 1 1、光子與物質原子的軌道電子發(fā)生相互作用，、光子與物質原子的軌道電子發(fā)生相互作用，把全部能量傳遞給對方，把全部能量傳遞給對方，X X（r r）光子消失，獲得能量）光子消失，獲得能量的電子掙脫原子束縛成為自由電子（光電子），原子的電子掙脫原子束縛成為自由電子（光電子），原子的電子軌道出現一個空位而處于激發(fā)態(tài)，它將通

6、過發(fā)的電子軌道出現一個空位而處于激發(fā)態(tài)，它將通過發(fā)射特征射特征X X線或俄歇電子的形式很快回到基態(tài)，這個過線或俄歇電子的形式很快回到基態(tài)，這個過程成為光電效應。程成為光電效應。 2 2、由能量守恒定律知，發(fā)生光電效應時，入射光、由能量守恒定律知，發(fā)生光電效應時，入射光子能量和光電子的動能，滿足關系式子能量和光電子的動能，滿足關系式hv=Eehv=Ee+ Bi+ Bi， 式中式中BiBi為原子第為原子第i i層電子的結合能，與原子序數和層電子的結合能，與原子序數和殼層數有關。殼層數有關。 3、K層層和和L層層電子發(fā)生光電效應的概率最大，如電子發(fā)生光電效應的概率最大，如果入射光子的能量大于果入射光

7、子的能量大于K層電子結合能，則層電子結合能，則K層電子層電子光電效應截面的光電效應截面的80%以上。以上。 4、 （1）原子的光電效應總截面和光電線性衰減系數）原子的光電效應總截面和光電線性衰減系數與原子序數與原子序數Z的的44.8次方成正比，光電質量衰減系次方成正比，光電質量衰減系數與數與Z的的33.8次方成正比；次方成正比； （2）隨著原子序數的增大，光電效應發(fā)生的概率）隨著原子序數的增大，光電效應發(fā)生的概率迅速增大，也就是說，電子在原子中束縛的迅速增大，也就是說，電子在原子中束縛的越緊越緊即參即參與光電效應的概率越大；與光電效應的概率越大； （3 3）三個作用序數均與光子能量的三次方成正

8、比，）三個作用序數均與光子能量的三次方成正比，隨能量增大，光電效應發(fā)生的概率迅速減小。隨能量增大，光電效應發(fā)生的概率迅速減小。 5 5、光電子的角分布：相對于光子的入射方向，、光電子的角分布：相對于光子的入射方向，光電子沿著不同方向運動概率不同，形成所謂的角分光電子沿著不同方向運動概率不同，形成所謂的角分布。布。 當入射光子能量很低時，垂直入射方向概率最大，當入射光子能量很低時，垂直入射方向概率最大，隨入射光子能量增加，角分布逐漸傾向沿光子入射方隨入射光子能量增加，角分布逐漸傾向沿光子入射方向。向。(2)Compton effect(康普頓散射康普頓散射) Compton scattering

9、 30keV25MeV 康普頓效應為主康普頓效應為主（放射治療的能量范圍（放射治療的能量范圍包含其中，說明放射治包含其中，說明放射治療中康普頓效應占主要療中康普頓效應占主要作用）作用） 1 1、當入射光子和原子內一個軌道電子發(fā)生相互、當入射光子和原子內一個軌道電子發(fā)生相互作用時，光子損失一部分能量，并改變運動方向，作用時，光子損失一部分能量，并改變運動方向，電子獲得能量而脫離原子，此種作用過程稱為康普電子獲得能量而脫離原子，此種作用過程稱為康普頓效應。頓效應。 2 2、在入射光子能量一定的情況下，散射光子能、在入射光子能量一定的情況下，散射光子能量隨散射角增大而減小，相應地反沖電子動能將增量隨

10、散射角增大而減小，相應地反沖電子動能將增大；在散射角一定的情況下，散射光子能量隨入射大；在散射角一定的情況下，散射光子能量隨入射光子能量增大而增大，但增大的速度逐漸減慢；反光子能量增大而增大，但增大的速度逐漸減慢；反沖電子動能隨入射光子能量增大而同速增大。沖電子動能隨入射光子能量增大而同速增大。 3 3、當散射角、當散射角=0=0時，散射光子能量最大，反沖時，散射光子能量最大，反沖電子動能為零，說明入射光子從電子旁掠過，沒有電子動能為零，說明入射光子從電子旁掠過，沒有能量損失；當能量損失；當=90=90時，不管入射光子能量有多高，時，不管入射光子能量有多高，散射光子的能量最大不超過散射光子的能

11、量最大不超過0.511MeV0.511MeV；當；當=180=180時，時，散射光子能量最小，相應的反沖電子動能最大。不散射光子能量最小，相應的反沖電子動能最大。不管入射光子能量有多高，管入射光子能量有多高，180180散射光子的能量最大不散射光子的能量最大不超過超過0.256MeV0.256MeV。 4 4、隨入射光子能量增大，散射光子越是朝前向、隨入射光子能量增大，散射光子越是朝前向散射；散射； 隨入射光子能量增大，反沖電子也是越朝前隨入射光子能量增大，反沖電子也是越朝前向散射；向散射； 5 5、隨入射光子能量增大，每次碰撞轉移給反沖、隨入射光子能量增大，每次碰撞轉移給反沖電子的動能占總能

12、量的份額逐漸增加；電子的動能占總能量的份額逐漸增加； 6 6、每個電子的康普頓效應總截面、轉移截面和、每個電子的康普頓效應總截面、轉移截面和散射截面均與原子序數無關；每個原子的康普頓效散射截面均與原子序數無關；每個原子的康普頓效應總截面、轉移截面和散射截面均與原子序數成正應總截面、轉移截面和散射截面均與原子序數成正比；康普頓效應的質量衰減系數和質能轉移系數與比；康普頓效應的質量衰減系數和質能轉移系數與原子系數也近似無關。原子系數也近似無關。 散射光子h反沖電子e入射光子h2tan)1 (cot)cos1 (1/aahh注：=h/m0c2(3)Pair production(電子對生成電子對生成

13、) Pair creation 電子對效應電子對效應能量能量1.02 MeV1.02 MeV 的的射線射線與原子核作用可能產生一對與原子核作用可能產生一對正正- -負電子。負電子。 M M M + e M + e+ + + e+ e- - 1 1 + + 2 2 1.02 MeV 1.02 MeV m me e m me e 0.511MeV 0.511MeV 0.511MeV 0.511MeV基本條件：基本條件： 射線能量射線能量 E E 1.02 MeV 1.02 MeV 為什么？為什么？能量轉化成能量轉化成質量質量M = E /C225100MeV 電子對效應為主電子對效應為主 1 1、

14、當光子從原子核旁經過時，在原子核庫侖、當光子從原子核旁經過時，在原子核庫侖場的作用下形成一對正負電子，此過程稱為電子對場的作用下形成一對正負電子，此過程稱為電子對效應；效應； 2 2、只有當入射光子能量大于、只有當入射光子能量大于1.02MeV1.02MeV，即兩個，即兩個電子的能量時，才能發(fā)生電子對效應；電子的能量時，才能發(fā)生電子對效應； 3 3、隨入射光子能量的增加正負電子的角分布、隨入射光子能量的增加正負電子的角分布趨向于光子的入射方向；趨向于光子的入射方向； 4 4、獲得動能的正負電子在物質中通過電離或輻、獲得動能的正負電子在物質中通過電離或輻射的方式損失能量。射的方式損失能量。 當正

15、電子停止下來時，它和一個自由電子結合而當正電子停止下來時，它和一個自由電子結合而轉變?yōu)閮蓚€光子，此過程稱為電子對湮沒，湮沒時放轉變?yōu)閮蓚€光子，此過程稱為電子對湮沒，湮沒時放出的光子屬湮沒輻射。出的光子屬湮沒輻射。 5 5、電子對效應的線性衰減系數就是單位體積物、電子對效應的線性衰減系數就是單位體積物質中的原子數與原子的電子對效應截面之乘積；質中的原子數與原子的電子對效應截面之乘積； 6 6、電子對效應的質量衰減系數與原子序數成、電子對效應的質量衰減系數與原子序數成正比，質能轉移系數也是如此；正比，質能轉移系數也是如此； 7 7、入射光子能量大于、入射光子能量大于4mc4mc2 2時，在電子庫侖

16、場時，在電子庫侖場中也能發(fā)生電子對效應，中也能發(fā)生電子對效應， 但發(fā)生的概率相對于原子核庫侖場發(fā)生電子但發(fā)生的概率相對于原子核庫侖場發(fā)生電子對效應的概率要小得多。對效應的概率要小得多。 1）共同特點：）共同特點： a.存在角分布，且存在角分布，且hv越大，光電子、反沖電子，生成電越大，光電子、反沖電子，生成電子越趨近入射光子方向。子越趨近入射光子方向。 b.能量轉移截面可用光子能量轉移為帶電粒子（電子）能量轉移截面可用光子能量轉移為帶電粒子（電子）動能的分數和相應的作用截面相乘獲得。動能的分數和相應的作用截面相乘獲得。2）相對重要性）相對重要性3.Damping factor（衰減系數）、（衰

17、減系數）、Energy transfer facter（能量（能量轉移系數）、轉移系數）、Energy absorption factor（能量吸收系數）（能量吸收系數） (1)窄束衰減和衰減系數（窄束衰減和衰減系數（Narrow beam attenuation and Damping factor） dN=-N dx （為線衰減系數）為線衰減系數） N=N0e-x定義質量衰減系數為定義質量衰減系數為/ 。RR各種相互作用的衰減系數可同時對應的相互作用截面來表示。各種相互作用的衰減系數可同時對應的相互作用截面來表示。 ()AaANM()AeAN ZM=(NA/MA)a R=(NA/MA)a

18、R（2）能量轉移系數）能量轉移系數tr（Energy transfer factor）定義：光子在吸收介質中穿行單位長度距離時，其能量在相定義：光子在吸收介質中穿行單位長度距離時，其能量在相互作用過程中轉移為電子動能的份額?；プ饔眠^程中轉移為電子動能的份額。表述：表述： trtrtrtr質量能量轉移系數質量能量轉移系數tr/ /trtrtrtr（3）能量吸收系數）能量吸收系數en和輻射份額和輻射份額Y(E)（Energy absorption factor and Radiative fraction）線能量吸收系數線能量吸收系數 en質量能量吸收系數質量能量吸收系數 en/ (1)entrg/(1)entrg en/表示表示光子在物質中穿過單位質量厚度時，入射光子能光子在物質中穿過單位質量厚度時，入射光子能量中轉移給次級電子能量的碰撞損失份額。量中轉移給次級電子能量的碰撞損失份額。 瞬時能量為瞬時能量為E的電子的能量輻射損失份額的電子的能量輻射損失份額y(E)可表示為：可表示為：( )( ( )/) / ( )/ry ES ES E能量為能