第1章 电离辐射与物质相互作用(1)
电离辐射剂量学基础课件——第一章 电离辐射与物质的相互作用
辐射是一种长久以来就存在于自然界 的物理现象。按其本质可分为两类：
1.粒子辐射：是指组成物质的基本粒子，或 由这些粒子组成的原子核。粒子辐射是一些高速 运动的粒子，消耗自己的动能把能量传给被穿透 的物质。粒子辐射包括电子、质子、中子、α粒 子、β粒子和带电重离子等。
2.电磁辐射：实质是电磁波，包括无线电波、 微波、可见光、紫外线、X射线和γ 射线等。
0
pj (r) pj (.r) pE. j (r)dE
0
pE. j (r) d4N j (t, E,, r) / dtdEdda
pE,J(r)能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：
rE E pE
p pEdE
E
r E pEdE
E
pEddE E
止能），单位是J。
2、通量、注量和注量率 （1）（通量）：表征辐射场中粒子或能量在时间上
的频繁程度。 Particle flux（粒子通量） N: N dN / dt ，s-1 Energy flux（能量通量） R：R dR/dt ，j.s-1
（2）（注量）：表征辐射场的空间疏密程 度。特例：单向辐射场
0
Q Q() QEdE
0
（1）注量的谱分布
将Φ和Ψ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：
E d(E) / dE
E
(E) EdE
0
() EdE
0
（2）辐射度谱分布
pE. j (r) dp j (E, r) / dE
E
PJ (E.r) pE. j (r)dE
φ=dΦ /dt=d2N/dadt，m-2s-1 *φ为粒子通量密度： d (dN / dt)
电离辐射与物质的相互作用54页PPT
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
第1章电离辐射与物质相互作用
dx
2.带电粒子与靶物质原子的碰撞过程
在核工程和核技术应用领域内，主要涉及辐射能量为几kev到20Mev 的范围内。在这个能量范围内，带电粒子穿过靶物质时主要通过库伦 力与靶物质原子发生相互作用，主要有四种作用方式。
（1）带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞
入射带电粒子与物质原子的核外电子通过库伦力作用发生非弹 性碰撞，引起原子电离和激发。此过程中，核外电子获得能量， 带电粒子的能量减少，速度降低，通过这种方式损失能量称为电 离能量损失。一般是带电粒子穿过物质时损失能量的主要方式。
• 快速电子与物质的相互作用有：（1）与原子的电子发生非弹性 碰撞，引起原子的电离和激发；（2）核弹性库伦散射，散射严 重；（3）在电子减速或加速的过程中发射电磁辐射（轫致辐 射）；（4）正电子或负电子的湮灭。
• 虽然电离和激发仍是重要的，但轫致辐射的作用不能随意的忽略。 并且在与轨道电子的一次作用中，可以损失相当大份额甚至全部 的能量，并显著改变自己的运动方向。
• 对快电子来说，电离能量损失Sion仍是能量损失的重要方式，但 辐射能量损失Srad也占重要的地位，当电子能量达到几Mev时， 二者几乎相当。由于电子的质量小，核碰撞能量损失Sn所占份 额很小，但这会引起严重的散射。
二、重带电粒子与物质的相互作用
• 在我们感兴趣的能量范围内（大约0.1Mev到20Mev）的重带电 粒子与物质的主要相互作用有：（1）与原子的电子发生非弹性 碰撞，导致原子电离和激发，但粒子的运动方向几乎没有什么变 化；（2）电荷交换，即俘获和损失电子；（3）与核的弹性碰撞 （卢瑟福散射）；（4）核反应。
Scattering s e in
Absorption a γ f
Total
电离辐射与物质的相互作用
第1章 电离辐射与物质的相互作用辐射可分为电离辐射和非电离辐射。
频率在16310×Hz 以下的辐射，如红外线、可见光、紫外线等，其光子能量hv 很低，不能引起物质电离，这类辐射叫非电离辐射；凡是能直接或间接使物质电离的一切辐射，统称为电离辐射（Ionizing Radiation ）。
电离辐射是由带电的电离粒子，或者不带电的电离粒子，或者前两者的混合组成的任何辐射。
电离辐射包括能使物质直接电离的带电粒子（如α粒子、质子、电子等）和能使物质间接电离的非带电粒子（如频率大于16310×Hz 的光子、中子等）。
辐射剂量学、辐射屏蔽、辐射生物效应等都涉及电离辐射与物质的相互作用，电离辐射与物质相互作用时所引起的物理、化学、生物变化都是通过能量转移和吸收过程实现的。
1.1 带电粒子与物质的相互作用带电粒子的种类很多，最常见的有电子（指核外电子）、β射线（核衰变发射的高速电子）、质子（氢核）、α粒子（氦核），此外还有μ子、π介子、K 介子、Σ介子及其他原子核等。
在辐射防护领域，凡是静止质量大于电子的带电粒子，习惯上都称作重带电粒子。
最轻的重带电粒子是μ子，其质量为电子质量的206.9倍（表1-1）。
表1-1 一些常见粒子的基本特性 粒 子 种 类符 号 电 荷/e 质 量/m e 平均寿命/s 轻子 （负）电子正电子μ子中微子e ()−−β e ()++β ±μ ν −1 +1 1± 0 1 1 206.9 ≈0 稳定 稳定 2.26×10−6 稳定 介子 π介子0ππ± 1± 0 273.1 264.32.56×10−8 <4×10−6 K 介子 K ± 0K 1± 0 9679751.22×10−8 1.00×10−8 核子 质子 中子 P n +1 0 1836.121838.65稳定 1.04×10−3 重粒子 氘核 氚核 α粒子 d(D) t(T) α 1± 1± 2± 367054977294稳定 109 稳定 光子 紫外线 γ射线 X 射线γ X 0 0 0 00 1.1.1 带电粒子与物质相互作用的主要过程带电粒子与物质相互作用的过程是很复杂的，主要过程有：弹性散射、电离和激发、轫致辐射、湮没辐射、契伦科夫辐射、核反应（(,n)(p,n)(d,n)α、、等）、化学变化（价态、分解、聚合）等。
电离辐射剂量学基础课件——第一章 电离辐射与物质的相互作用
电离辐射损伤效应的发现
1896年美国学者格鲁柏研制X射线管的 实验时，在他手上发生皮炎。此后，一些研究 证实长期X射线、γ射线过量照射可引起皮肤红 斑、脱毛、皮肤溃疡、造血障碍、神经衰弱等， 人们开始认识电离辐射的损伤效应，并进行辐 射剂量单位、辐射防护和辐射损伤防治的研究。
电离辐射
物质（作用对象） 生物效应
∆LΩ=ΦΩ∆V ∆L=Φ∆V
Φ=∆L/∆V
Φ=dL/dV
Ω da
s ∆V
三.辐射传输方程
波尔兹曼扩散方程：
1
v
pE t
uur div pE
.
(E.)pE SE. d' dE'
4
Ecut
E
.
(
E
'
,
'
;
E,
)
p E
'
在稳恒辐射场中: pE / dt 0 ，并考虑到
pEdt E. ，则：
0
Q Q() QEdE
0
（1）注量的谱分布
将Φ和Ψ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：
E d(E) / dE
E
(E) EdE
0
() EdE
0
（2）辐射度谱分布
pE. j (r) dp j (E, r) / dE
E
PJ (E.r) pE. j (r)dE
0
pj (r) pj (.r) pE. j (r)dE
0
pE. j (r) d4N j (t, E,, r) / dtdEdda
pE,J(r)能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：
辐射与物质的相互作用
照射量下降百分数(%)
0 22 47 80
使用低滤过高千伏摄影,对受检者十分有害.而厚 度滤过技术对受检者降低剂量有重要意义.
4. X (γ)射线在物质中的衰减
B、连续X线在物质中的衰减规律
楔形或 梯形滤 过板
4. X (γ)射线在物质中的衰减
I I 01e
光 子 数
1 x
I 02e
2 x
I 0 ne
n x
单能X线 连续X线
水模厚度
影响因素
4. X (γ)射线在物质中的衰减
B、连续X线在物质中的衰减规律 (2)、X线的滤过
低能X线不能透过人体(吸收)，对形成X线 影像不起作用，但却大大增加被检者皮肤照 射量。为减少无用低能光子对皮肤和浅表组 织的伤害，需采用适当的滤过措施，在管口 放置一定均匀厚度的金属，吸掉低能部分， 使平均能量增高。
表5 人体不同组织的线衰减系数μ(m-1)
管电压(kV) 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 脂肪(×102) 0.3393 0.2653 0.2196 0.2009 0.1905 0.1832 0.1801 0.1774 0.1755 0.1742 0.1732 0.1724 肌肉(×102) 0.4012 0.2933 0.2455 0.2213 0.2076 0.1994 0.1942 0.1906 0.1882 0.1864 0.1852 0.1842 骨骼(×102) 2.4434 1.4179 0.9677 0.7342 0.6047 0.5408 0.4865 0.4530 0.4298 0.4132 0.4010 0.3918
电离辐射跟物质两者的相互作用
电离辐射跟物质两者的相互作用电离辐射跟物质两者的相互作用在弄清楚电离辐射对人体产生的危害之前,我们首先需要了解电离辐射和物体是如何相互作用的,现在说明4种主要的电离辐射和物体相互作用的情况,即粒子,粒子,射线(包括x射线)和中子。
粒子粒子是带2个单位正电荷,质量数为4的氦原子核,是个带电的粒子,一般由质量较重的放射性原子核发射,能量为不连续的,能量通常为4~9Mev。
粒子通过物质时,能量转移(損失)的主要方式是电离和激发。
在射线和物质相互作用时,电离也是其他各种射线损失能量的主要方式。
粒子的射程非常短。
1个5Mev的粒子在空气中的射程大约是3。
5cm,在铝金属中也只有23m,因此,一般认为粒子不会对人体造成外照射的损害。
但当其进入人体的组织或器官时,其能量会全部被组织和器管所吸收,所以内照射的危害时必须考虑的。
粒子射线是高速运动的电子,带有1个负电荷,质量为氢原子质量的1/1840,当其和物质相互作用时,也会引起物质原子的电离和激发,粒子的质量比粒子的质量要小得多,所以1个与粒子的能量相同的粒子,在同一种物质中的射程要比粒子长得多。
例如,1个能量为5Mev的粒子,在空气中的射程只有3。
5cm,而1个能量为5Mev的粒子,在空气中的最大射程可达20m。
与粒子不同,粒子穿过物质时,有明显的散射现象,其特点是粒子的运动方向发生了改变。
当运动方向发生大的改变(例如偏折)时,粒子的一部分动能会以x射线的形式辐射出来,这种辐射叫韧致辐射。
韧致辐射的强度既与阻止物质的原子序数Z的平方成反比,还与射线的能量成正比。
由于对x射线的屏蔽要比对射线本身的屏蔽困难得多,所以对射线的屏蔽,通常要选用原子序数比较低的物质,诸如像有机玻璃和铝这样的材料,作为射线的屏蔽物质,从而使得射线在屏蔽材料中转变为韧致辐射的份额较少。
但对于放射性活度及粒子的能量均较高的辐射源,最好在轻材料屏蔽的后面,再添加一定厚度的重物质屏蔽材料,以屏蔽掉韧致辐射。
放射防护课件X线与物质的相互作用
整理ppt
22
1.光电效应概念
吸收时光子的能量全部变为其他形式的能量； 弹性散射仅改变辐射的传播方向， 非弹性散射改变辐射的方向，也部分地吸收光
子的能量。
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11
X射线与物质的相互作用
X射线与物质相互作用的主要过程包括：
光电效应 (photoelectric effect)
康普顿效应(Compton effect)
在光子能量较低时,除低Z以外的所有元素都以光 电效应为主。
光子能量在0.8～4MeV时，无论Z多大，康普顿效 应都占主导地位。
大的hν处电子对效应占优势。图中的曲线表示两 种相邻效应正好相等处的Z和hν值。
②在20～100keV的诊断X线范围内，光电效应和康 普顿效应是重要的，相干散射不占主要地位，电 子对效应不可能发生。
平均30次左右的相互作用，一个入射光 子的全部能量都转移给电子。
X光子进入生物组织后，光子能量在其 中转移、吸收，最终引起生物效应。
整理ppt
10
X线与物质的相互作用
X线在物质中可能与原子的电子、原子核、带电 粒子的电场以及原子核的介子场发生相互作用， 作用的结果可能发生光子的吸收、弹性散射和 非弹性散射。
20 70 30 89 11 94 6
60 7 93 31 69 95 5
100 1 99 9 91 88 12
整理ppt
18
总结
用水来说明低Z组织的情况，如空气、脂肪 和肌肉。
致密骨含有大量钙质，代表中等Z的物质。 相干散射仅占5%左右。 水中除低能光子外，康普顿散射是主要的。 NaI的Z高，主要是光电作用。 骨介于水和NaI之间，低能时主要是光电作
高速电子通过组织时，与原子相互作用， 使其电离或激发，产生化学变化和生物 损伤；在被吸收的能量中，97％的转变 为热能，3%的能量以引起化学变化的形 式积蓄起来。
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宏观截面
Macroscopic cross section
N
[cm1] [# / cm3 ][cm2 ]
• N为单位体积内原子核的数目。where N is the
number density of the target nuclei in units cm-3
未经碰撞的中子束强度的衰减规律
（4）带电粒子与靶物质原子核外电子的弹性碰撞
带电粒子与靶原子核外电子的弹性碰撞过程只有很小的能量转 移。这种相互作用方式只是在能量极低（100ev）的电子才会考 虑。因此，对粒子的能量损失贡献很小，一般忽略。
3.带电粒子在物质中的能量损失
• 带电粒子进入物质后，受库伦力相互作用损失能量的过程可以看 成是被物质阻止的过程，把某种吸收物质对带电粒子的线性阻止 本领S定义为该粒子在材料中的微分能量损失dE除以相应的微分 路径dx，即： S dE
中子的世界
在中子看来，世界绝大部分都是空空荡荡的。 中子有多大的可能性和原子核发生反应？
微观截面
Microscopic Cross section
设有强度为I （# / cm2 s ）的单能中子束平行入射到一薄靶上， 该薄靶厚度为 Δx，靶的核密度为N。
平行中子束经过薄靶后强度的变 化量ΔI正比于入射中子束的强 度I、靶的厚度Δx及靶的核密度 N.
入射带电粒子与物质原子核通过库伦力的相互作用，使入射带 电粒子受到排斥或吸引，导致粒子的速度和方向发生变化。当带 电粒子加速或减速时必然会产生辐射，因此，这种导致带电粒子 骤然变速时伴随产生的电磁辐射称为轫致辐射，通过这种方式损 失能量称为辐射能量损失。
（3）带电粒子与靶物质原子核的弹性碰撞
带电粒子与靶物质原子核在库伦力作用下发生弹性散射，即卢 瑟福散射。这种过程不会使原子核激发也不会产生轫致辐射，只 是原子核反冲而带走入射粒子的一部分能量，这种能量损失称为 核碰撞能量损失，这种阻止作用称为核阻止。此过程是引起电子 散射严重的主要因素。
I NIx
I I / I
NxI Nx
微观截面
Microscopic cross section
R
I
NA
# cm2s
cm2
# cm2
s
# cm
2
微观截面表征了一个中子 一个原子核相互作用 （发生核反应）的概率 大小。
微观截面
Microscopic cross section
Number of reactions / nucleus / s R / NA
Number of incident neutrons / cm2s
I
每种类型的核反应都有相应的截面，用不同的下标表示。
Scattering s e in
Absorption a γ f
Total
方程：
dI (x) I (x)
t dx
给定边界条件下的解：
I (x) I0et x
宏观截面的物理解释
• 表征了一个中子和单位体积内所有的原子 核发生反应的概率大小。
• 为一个中子在介质内穿行单位距离与原子 核发生反应的概率大小。
N dI / I
dx
2.带电粒子与靶物质原子的碰撞过程
在核工程和核技术应用领域内，主要涉及辐射能量为几kev到20Mev 的范围内。在这个能量范围内，带电粒子穿过靶物质时主要通过库伦 力与靶物质原子发生相互作用，主要有四种作用方式。
第一章、电离辐射与物质相互作用
哈尔滨工程大学核学院
第一节 带电粒子与物质相互作用
一、射线与物质的相互作用
• 射线的种类很多，能量范围也很宽，但一般只关注能量在10ev 量级以上的辐射，能量大于这个最低能值的辐射称作电离辐射。
1.辐射的分类
（1）带电粒子的辐射：电子、正电子、质子、α粒子等。亦可称 为直接致电离辐射，带电粒子通过物质时，沿着粒子径迹通过 许多次的库伦力的相互作用，将其能量传递给物质。
dx
也可以称为粒子的能量损失率，或比能损失。
• 根据带电粒子与靶物质原子碰撞过程的分析，能量损失率由电离 能量损失率Sion、辐射能量损失率Srad及核碰撞能量损失率Sn组成， 故有：
S
Sion
Sn
Srad
(
dE dx
)ion
(
dE dx
)
n
(
dE dx
)
rad
• 对不同的带电粒子三种能量的损失方式所占的比重不一样。
（1）带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞
入射带电粒子与物质原子的核外电子通过库伦力作用发生非弹 性碰撞，引起原子电离和激发。此过程中，核外电子获得能量， 带电粒子的能量减少，速度降低，通过这种方式损失能量称为电 离能量损失。一般是带电粒子穿过物质时损失能量的主要方式。
（2）带电粒子与靶物质原子核的非弹性碰撞
t s a
微观截面工程中常用的单位：靶恩 (barn) ，1靶=10-24cm2
中子束入射到厚靶上
Neutron beam incident on a thick target
未经碰撞的中子束强度的衰减规律
在x处dx间隔内单位面积 上发生反应的中子数为
dR t IdNA t INdx
dI(x) [I(x dx) I(x)] t INdx I(x)Ntdx
• 对快电子来说，电离能量损失Sion仍是能量损失的重要方式，但 辐射能量损失Srad也占重要的地位，当电子能量达到几Mev时， 二者几乎相当。由于电子的质量小，核碰撞能量损失Sn所占份 额很小，但这会引起严重的散射。
3.带电粒子在物质中的能量损失
• 将具有一定能量的质子、氘核、α粒子和π介子等重带电粒子称 为快重带电粒子，将所有z>2并失去了部分电子的原子和裂变碎 片等粒子称为重离子。
• 在我们所关注的能量范围里，快重带电粒子和重离子的电离能 量损失Sion都是最主要的能量损失方式，而辐射能量损失Srad都 可以忽略，快重带电粒子的核碰撞能量损失Sn一般很小，但重 离子（特别速度很低时）的核碰撞能量损失Sn可与电离能量损 失Sion相当。
（2）非带电粒子的辐射：电磁辐射（γ射线和X射线）和中子等。 亦可称为间接致电离辐射，X/γ射线或中子通过物质时，可能会 发生少数几次相对而言较强的相互作用，把其部分或全部能量 转移给它们所通过物质中的某带电粒子，然后，所产生的快速 带电粒子再按直接致电离辐射的方式将能量传递给物质。
X/γ射线将其全部或部分能量传递给物质中原子核外的电子，产生次 级电子；中子几乎总是以核反应或核裂变过程产生次级重带电粒子。