電離輻射劑量與防護課件

電離輻射劑量學

第一章電離輻射與物質(zhì)的相互作用第二講帶電粒子與物質(zhì)的相互作用一、相互作用類型帶電粒子：電子、重帶電粒子帶電粒子的種類很多，最常見的是電子、β射線、質(zhì)子、α粒子等。凡靜止質(zhì)量大于電子的帶電粒子，稱為重帶電粒子，如μ介子，π介子，質(zhì)子，∑+、∑-、α粒子及被加速的原子核等。β射線和電子本質(zhì)上是相同的，通常所說的電子是指核外電子，而β射線則是指由原子核發(fā)射出來的高速電子。1.非彈性碰撞（Nonelasticcollision）硬撞或“對面撞”（hardor“knock-on”collision）：b與a同量級，每次作用能量損失大。軟碰撞或“核”碰撞（softcollision）：b>>a，每次作用損失能量小。在透明介質(zhì)中，當v>c/n（n是材料的折射率），發(fā)生切倫科夫輻射（相干的藍-白光發(fā)射）。

說明:a代表原子半徑

b代表帶電粒子同物質(zhì)碰撞過程中其徑跡到原子的最近距離2.輻射相互作用（Radiativeinteraction）

（1）軔致輻射（Bremsstrahlung）

b<<a，受原子核電場作用產(chǎn)生加速度，帶電粒子以正比于其加速度的平方(z2Z2M-2)的幾率輻射電磁波，其是高能電子能量損失的主要方式，而重帶電粒子可忽略。韌致輻射釋放的能量與介質(zhì)的原子序數(shù)的平方成正比，與帶電粒子的質(zhì)量平方成反比，并且隨帶電粒子的能量增大而增大。（2）湮沒輻射（Annihilation）粒子與反粒子相互作用，生成兩個光子。高能正電子飛行中湮沒。3.彈性碰撞（Elasticcollision）

b<<a，軔致輻射可忽略，作用體系總動能不改變4.核相互作用（Nuclearinteraction）高能帶電粒子，例如（P，n），（P，2P）等5.電子對生成（Pairproduction）

b<<a，入射帶電粒子與靶核發(fā)生電磁互相作用。入射粒子的動能遠大于其靜止能量時，這一過程才是重要的。對電子而言，此過程發(fā)生的幾率遠小于軔致輻射、核反應的幾率。電子對效應入射光子hve+e-二.阻止本領(lǐng)（Stoppingpower）總線阻止本領(lǐng)（Linearstoppingpower）S：dE是dl距離上損失能量的數(shù)學期望值。1.定義：設帶電粒子在質(zhì)量密度為ρ的介質(zhì)中、穿過距離dl時損失能量的期望值為dE,則dE除以ρdl的商叫做物質(zhì)對帶電粒子的總質(zhì)量阻止本領(lǐng),記作S/ρ。意義:描述帶電粒子與物質(zhì)相互作用的程度總質(zhì)量阻止本領(lǐng)（Massstoppingpower）S/ρ:質(zhì)量碰撞阻止本領(lǐng)（Masscollisionstoppingpower）（S/ρ)c質(zhì)量輻射阻止本領(lǐng)（Massradiativestoppingpower）（S/ρ)r一般地：

對應地：

2.特性（Properties）阻止本領(lǐng)可以用量子力學理論給出計算公式（參考書P.11貝特公式）對重帶電粒子，在用理論公式計算（S/ρ）c時，要考慮殼層修正，而對電子往往不需要。原因：重帶電粒子以速度v運行時，通過與電子發(fā)生碰撞可交給電子的能量為2m0v2，而2m0v2可能小于k電子的激發(fā)能，k電子就會成為不相干電子。電子的速率比具有同樣能量的重粒子的速率高很多。極化效應（Polarizationeffect）使（S/ρ）c減少運動帶電粒子產(chǎn)生的電場使介質(zhì)中的原子極化，減弱了運動的帶電粒子產(chǎn)生的電場，降低了與較遠的電子作用，從而減少了碰撞能量損失。介質(zhì)密度越大，近距離原子的極化對較遠電子的影響就大（密度效應（Densityeffect））。（S/ρ）c與E關(guān)系

不同重帶電粒子

若它們在同一種介質(zhì)中以相同的速度運行時，殼層修正和密度修正相同，故有（歸一化的碰撞阻止本領(lǐng)）。電荷交換效應低能重帶電粒子，會“拾掇”電子，使其有效電荷數(shù)z減少。E減少,減少。（S/ρ）c隨z減少而增加平均激發(fā)能隨z增加而增加；z/MA隨原子序數(shù)z增加而減少。從而使得（S/ρ）c隨z減少而增加。化合物中的阻止本領(lǐng)可以用化合物中每種元素阻止本領(lǐng)的重量加權(quán)求得：

fi為指定元素在化合物中所占重量份額。

3.定限碰撞阻止本領(lǐng)（Restrictedmasscollisionstoppingpower）L?/ρ（1）δ粒子帶電粒子徑跡δ粒子定義：能夠產(chǎn)生分支徑跡的次級電子（2)L?/ρ定義：L?/ρ=(dE/dl)?/ρdE為帶電粒子在密度為ρ的介質(zhì)中穿行距離為dl時，由傳遞能量小于指定值?的碰撞而損失的能量的數(shù)學期望值。L?亦叫傳能線密度LET（Linearenergytransfer）。

LET:特定能量的帶電粒子在介質(zhì)中穿行單位長度路程時，由能量轉(zhuǎn)移小于某一指定值的歷次碰撞所造成的平均能量損失。L∞=Sc,L∞/ρ=(S/ρ)c定限線碰撞阻止本領(lǐng):以L△表示?？梢詫憺長△=(dE/dx)△，dx是粒子所經(jīng)距離，dE是在能量轉(zhuǎn)移小于某一定值△條件下，由于碰撞而損失的平均能量?！魍ǔＪ侵敢欢紊涑?，也可表示能量。它們分別可以稱為射程截止LET和能量截止LET，如無說明，LET通常是指能量截止LET，單位為eV/m。如讓△=∞，則LET在數(shù)值上與阻止本領(lǐng)相同。4.輻射阻止本領(lǐng)（Radiactivestoppingpower）(S/ρ)r

(1)定義：

(2)特點：(S/ρ)r與z2/m2成正比,重粒子可忽略不計。對高能電子：

x0是電子在介質(zhì)中的輻射長度。它是電子因輻射電磁波使其能量減小到原來的1/e時所需要的質(zhì)量厚度（kg.m-2）（對電子，E>3MeVn=700±100MeV）的電子能量稱為臨界能量

低能電子(S/ρ)c值較大，高能電子(S/ρ)r值較大。三.散射本領(lǐng)（Scatteringpower）四.射程（Range）1.投影射程（Projectedrange）2.連續(xù)慢化近似射程r0（Continuousslowingdownapproximationrange）平均投影射程五.產(chǎn)生一對離子所消耗的平均能量W1