辐射剂量单位与剂量计算

• 吸收剂量率
吸收剂量率Ḋ是单位时间内的吸收剂量，定义为dD除以Dt所得的 商，即 Ḋ=dD/dt 式中，dD是时间间隔dt内吸收剂量的增量。
吸收剂量率Ḋ的单位是J· -1·-1，亦即Gy·物质，如图所示。假设在体积V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的产生在∆V内，也有的产生在∆V外的。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来补偿，则称点O 存在带电粒 子平衡。如果涉及的带电粒子特指电子。则称为电子平衡。带电粒 子平衡总是同辐射场内特定位置相联系的。
在∆V内存在带电粒子的平衡条件是： 1.在以小体积元∆V的边界向各个方向伸展距离d至少大于初级入射 粒子在该物质中所产生的次级带电粒子的最大射程Rmax，并在 d≥ Rmax的区域内辐射场是恒定的，即入射的粒子注量和谱分布为 恒定不变。 2.在上述的d≥ Rmax的区域内，物质对次级带电粒子的阻止本领以 及对初级入射粒子的质量吸收系数也应该是恒定不变的。 显然，上述条件是难以实现的，在某些情况下，能够达到相当好的 近似。例如对于137Cs、60Co的γ射线，如果认为入射的辐射1%左 右的衰减可以忽略，那么在受照物质（如水）中可能存在着很好的 近似电子平衡。对于中子，由于建立带电粒子平衡比较容易，因 此，即使中子能量高达30MeV，在某些物质（如水）中仍存在较好 的近似带电粒子平衡。
第三章 辐射剂量单位与剂量计算
辐射剂量学中的量：
吸收剂量 比释动能 照射量 剂量当量
辐射剂量学中使用的量
剂量学中的量是为了对辐射与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量度。这些量 的数值，既依赖与辐射场的性质又依赖与辐射与物质 的相互作用的程度。
一 吸收剂量
• 授与能
授与能ε是电离辐射以电离、激发的方式授与某一体积中物质的 能量。 ε=RIN-ROUT+∑Q 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 在该体积中发生的任何核变化时，所有原子核和基本粒子静止质 量能变化的总和。 授与能的单位是J。它是个随机变量，但是它的数学期望值，即平 均授与能 是非随机变量。
只有当忽略轫致辐射和次级电离过程再产生的带电粒子，而且满足 电子平衡条件时，照射量与吸收剂量数值上才有（2）和（3）所表 示的关系。
• 吸收剂量、比释动能和照射量的区别
辐射量 吸收剂量D 比释动能K 照射量X 适用于任何带 适用于不带电粒 仅适用于X或γ 射线并 适用 电粒子及不 子如X、γ 光 仅限于空气介质 范围 带电粒子和 子、中子等任 任何物质 何物质 表示辐射在所 表示不带电粒子 表示X或γ 射线并仅限 关心体积V 在所关心的体 于X或γ 射线在所关 内沉积的能 积V内交给带 心的空气体积V内交 剂量学 量，这些能 电粒子的能量， 给次级电子用于电离、 的含 量可来自V 不必注意这些 激发的那部分能量 义 内或V外 能量在何处， 以何种方式损 失的
• 吸收剂量
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。即 D=d /dm 式中d 是电离辐射授与质量为dm的物质的平均能量。 吸收剂量D的单位是J· -1，专门名称是戈瑞(Gray)。1Gy=1 J· -1。 kg kg 过去吸收剂量的专用单位是拉德（rad），1rad=10-2Gy。 吸收剂量适用与任何类型的辐射和受照物质，并且是个与一无限小 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数 值。因此在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。
• 照射量与吸收剂量的关系
在带电粒子平衡条件下，单能X或γ 射线在某物质中吸收剂量D和能 量注量Ψ 的关系为 D= Ψ (ｕen/ρ ) 式中ｕen/ρ 是单能X或γ 射线对某物质的质量能量吸收系数，单位 是m2·kg-1。 当能量注量Ψ 确定不变时，吸收剂量D与物质的质量能量吸收系数 ｕen/ρ 成正比。即 D1/D2=(ｕen/ρ )1/(ｕen/ρ )2---------（1） 空气中照射量和吸收剂量的关系为 Da=（Wa/e）X -------------------（2） Da是在空气中同一点处的吸收剂量。
• 比释动能与吸收剂量在物质中的变化
如果只有不带电粒子入射，则在物质浅层处不存在带电粒子平衡， 因为不带电粒子在该处某一体积元内释放出的能量，并没有全部 沉积在该体积元内。因此比释动能大于吸收剂量。随着所考察的 体积元不断向深层移动，起源于浅层的次级带电粒子越来越多的 进入所考察的体积元，使得在该体积元中沉积的能量越来越接近 于不带电粒子在该体积元中释放的能量，直到体积元深度等于等 于次级带电粒子的最大射程时，带电粒子平衡条件得到满足，这 时K=D。如果忽略入射粒子在物质中的衰减，那么在以后的深度 中K、D都保持不变，并且在数值上K、D继续相等。 在辐射防护领域所关心的能量范围内，对于X 、γ光子或中子都 可以近似地认为吸收剂量同比释动能在数值上是相等的，D≈K。 在天然射线中可认为D ≈K。
将（2）带入（1）得 Dm= 33.85 [(ｕen/ρ)m/ (ｕen/ρ)a]X= fm·X------------（3） Dm是处于空气中同一点所求物质中的吸收剂量，单位为Gy；X是 照射量，单位是C·kg-1。fm =33.85 [(ｕen/ρ)m/ (ｕen/ρ)a]为换算因子 其单位为J·C-1。
无论是内照射还是外照射，不同型辐射相应的平均品质因数Q可参照 下表：
射线种类 能量超过30KeV的光子（X或γ 射线） 能量超过30KeV的电子 氚β 射线 中子 质子和离子 α 粒子 Q近似值 1 1 2 25 25 25
如果器官或组织同时受到几种辐射照射，则可用下式计算 H=∑DiQi i表示辐射类型。 因为Q无量纲，所以剂量当量与吸收剂量的单位都是J·kg-1。单位的 名称是希沃特，简称”希“，符号Sv。过去剂量当量的专用单位是 雷 姆（rem），1rem=10-2 Sv=10-2 J·kg-1。
二 比释动能
• 转移能
转移能εtr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，其中包括在该体积内发生的次级过程所产生的任何 带电粒子能量。 转移能εtr单位是J，它同授与能ε一样也是随机量，其数学期望 值，即平均转移能 是非随机量。
• 比释动能
不带电粒子授与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，带电粒子将通过电离、激发，把从不带电 粒子那里得来的能量授与物质。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，我们引进另一个新辐射量，即比释动能 比释动能K定义为d 除以dm所得的商，即 K= d /dm 式中d 是不带电粒子在质量dm的物质中释放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次级过程所产生任何带电 粒子的能量。 比释动能的单位与吸收剂量的单位相同，即J· -1或Gy。 kg 比释动能只适用于不带电粒子，但适用于任何物质。
剂量当量
相同的吸收剂量未必产生同等程度的生物效应，因为生物效应受到 辐射类型、剂量与剂量率大小、照射条件及个人差异等因素影响。 为了用同一尺度表示不同类型的辐射照射对人体造成的生物效应的 严重程度或发生几率的大小，辐射防护上采用可剂量当量这个辐射 量。 剂量当量H是组织内被考察的某一点处的D 、Q和N的乘积，即 H= DQN 式中D是假定辐射诱发损伤的位置上的吸收剂量；Q与该位置相对应 的品质因数。N是考虑由于照射条件的改变而引起的所有其他修正因 数的乘积。N的取值ICPR（国际辐射防护委员会）推荐为1，不再作 为剂量当量定义中的一部分。 品质因数Q是辐射防护领域中为了以同一尺度衡量各种辐射引起的 有害效应程度而引进的一个系数。
• 比释动能率
比释动能率Ḱ是dK除以dt所得的商，即 Ḱ= dK/ dt 式中dK是在时间间隔dt内比释动能的增量。 比释动能率Ḱ的单位与吸收剂量率单位相同，即J· -1·-1或Gy·-1。 kg s s
• 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d 就等于该体积元所吸收的平均能量d 若该体积元物质的质量为dm，则 K=（d /dm）=（ d /dm）=D 除了满足带电粒子平衡条件外，要使上式成立的另一条件是带电粒 子产生的韧致辐射可以忽略。对于低能的 X或γ射线来说是成立的 但对于高能的X或γ射线，由于次级带电粒子是电子，有一部分能 量在物质中转变为韧致辐射而离开所关系的体积元，使得K≠D。 D= (d /dm)=(d /dm)(1-g)=K(1-g) g是次级电子在慢化过程中，能量损失于韧致辐射的能量分额。 高能电子在高原子序数物质中，g值比较大，在低原子序数物质中g 值一般比较小，可以忽略。 对于中子，当能量底于30MeV时，D和K的数值差别完全可以忽略。
三 照射量 • 照射量
照射量是一个用来表示X或γ射线在空气中产生电离能力大小的辐 射量。照射量X定义为dQ除以 dm所得商，即 X= dQ/ dm 式中， dQ的值是X或γ射线在质量为dm的空气中，释放出来的全部 电子（正、负电子）完全被空气阻止时，在空气中产生一种符号的 离子的总电荷的绝对值。 定义中dQ不包括光子在空气中释放出来的次级电子产生的韧致辐射 被吸收后产生的电离。不过，这仅在光子能量很高时才有意义。 照射量的单位是C·kg-1。过去，照射量的单位是伦琴（R）。 1R=2.58× 10-4C · kg-1。 只有在满足电子平衡条件下，才能严格按照定义精确测量照射量。 现在能被精确测量照射量的光子能量限于10keV~3MeV，辐射防护 中能量上限可扩大到8MeV。
• 照射量率
照射量率Ẋ是dX除以dt所得的商，即 Ẋ= dX/ dt 式中， dX是时间间隔dt内照射量的增量。 照射量率的单位是C·kg-1·s-1。