第1章-電離輻射場(chǎng)課件

課程簡(jiǎn)要知識(shí)體系課程知識(shí)的回溯課程知識(shí)分解輻射知識(shí)分解什么是電離輻射劑量?電離輻射劑量實(shí)質(zhì)是電離輻射對(duì)受照物質(zhì)造成的真實(shí)效應(yīng)或潛在影響的一種物理度量。為什么對(duì)電離輻射要進(jìn)行防護(hù)？核技術(shù)的的廣泛應(yīng)用導(dǎo)致可能對(duì)人體造成損傷：1.核能應(yīng)用（包括核武器的制造）

2.核技術(shù)在工農(nóng)醫(yī)等各部門(mén)的應(yīng)用物理量的分類(lèi)作為物理現(xiàn)象的觀察指標(biāo)，可分為2類(lèi)：隨機(jī)量(StochasticQuantities)：量值遵循概率分布的；非隨機(jī)量(Non-StochasticQuantities)：量值具有單值性質(zhì)的；隨機(jī)量、非隨機(jī)量的性質(zhì)隨機(jī)量的性質(zhì)：隨機(jī)量是與特定的微觀體積相聯(lián)系的，只有規(guī)定了體積的大小，才能討論其數(shù)值的分布。隨機(jī)量的數(shù)值無(wú)法預(yù)計(jì)，只能根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律確定其取某一特定值的幾率。其在時(shí)間和空間上是不連續(xù)的，數(shù)學(xué)上是不能微分的。不能用變化率的概念描述。非隨機(jī)量的性質(zhì)：非隨機(jī)量數(shù)值可以預(yù)測(cè)，對(duì)于特定的照射條件，一種宏觀量的數(shù)值可以用另一個(gè)宏觀量加以確定。非隨機(jī)量是時(shí)間、空間和數(shù)值的連續(xù)函數(shù)，可延伸出速率和梯度。本門(mén)課程除非特殊需要，目前放射生物學(xué)研究和放射防護(hù)與評(píng)價(jià)常常采用具有統(tǒng)計(jì)平均值性質(zhì)的非隨機(jī)量（宏觀量）來(lái)表示第一章描述輻射場(chǎng)的物理量和單位

第一節(jié)電離輻射及分類(lèi)第二節(jié)電離輻射場(chǎng)的概念第三節(jié)輻射傳輸方程第四節(jié)方程基本求解方法第一節(jié)電離輻射及分類(lèi)1.1概念定義1.2按射線本質(zhì)分類(lèi)1.3按與物質(zhì)的作用能力分類(lèi)1.4按與物質(zhì)的作用過(guò)程分類(lèi)1.5按與人體的作用方式分類(lèi)1.1概念定義電離：從一個(gè)原子、分子或其它束縛狀態(tài)釋放一個(gè)或多個(gè)電子的過(guò)程；電離輻射：由能通過(guò)初級(jí)過(guò)程或次級(jí)過(guò)程引起電離的帶電粒子或不帶電粒子組成的，或者由它們混合組成的輻射；1.1概念定義（續(xù)）電離輻射場(chǎng)：電離輻射無(wú)論在空間，還是在介質(zhì)內(nèi)部通過(guò)、傳播以至經(jīng)由相互作用發(fā)生能量傳遞的整個(gè)空間范圍，由此形成的場(chǎng)；輻射量：為了表征輻射源特征，描述輻射場(chǎng)性質(zhì)，量度輻射與物質(zhì)相互作用的程度及受照物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的輻射效應(yīng)的量；1.2按射線本質(zhì)分類(lèi)1.粒子輻射：是指組成物質(zhì)的基本粒子，或由這些粒子組成的原子核。既有能量又有靜止質(zhì)量。粒子輻射是一些高速運(yùn)動(dòng)的粒子，消耗自己的動(dòng)能把能量傳給被穿透的物質(zhì)。粒子輻射包括電子、質(zhì)子、中子、α粒子、β粒子和帶電重離子等。

2.電磁輻射：實(shí)質(zhì)是電磁波，僅有能量，沒(méi)有靜止質(zhì)量。包括無(wú)線電波、微波、可見(jiàn)光、紫外線、X射線和γ射線等。電磁輻射示意圖不同種類(lèi)電磁波的波長(zhǎng)1.3按與物質(zhì)的作用能力分類(lèi)1.電離輻射：通過(guò)初級(jí)和次級(jí)過(guò)程引起物質(zhì)電離，如α粒子、β粒子、質(zhì)子、中子、X射線和γ射線等，對(duì)于X、γ射線，一般當(dāng)E>10ev時(shí)可以引起電離輻射，或當(dāng)波長(zhǎng)λ<100nm時(shí)可以引起電離輻射。

2.非電離輻射：與物質(zhì)作用不產(chǎn)生電離的輻射，如微波、無(wú)線電波、紅外線等,但現(xiàn)在也不能忽視對(duì)人體的長(zhǎng)期危害作用。1.4按與物質(zhì)的作用過(guò)程分類(lèi)1.直接電離輻射：一般指由帶電粒子與物質(zhì)通過(guò)初級(jí)作用過(guò)程引起電離的輻射，包括電子、質(zhì)子、α粒子、β粒子和帶電重離子等；2.間接電離輻射：一般指通過(guò)次級(jí)過(guò)程引起電離的不帶電粒子形成的輻射，包括X、γ射線、中子等；

解釋?zhuān)翰粠щ姷墓庾?、中子也能直接產(chǎn)生電離，但這類(lèi)粒子與核外電子的作用發(fā)生幾率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于帶電粒子，因此主要是靠它們與物質(zhì)相互作用過(guò)程中產(chǎn)生的次級(jí)帶電粒子間接來(lái)完成的。1.5按與人體的作用分類(lèi)1.外照射：在研究人體或非生物受照時(shí)，把體外源發(fā)射的輻射稱為外輻射，如宇宙射線、陸地γ射線以及醫(yī)學(xué)診斷和治療中使用的X、γ射線，它們對(duì)人體的照射稱為外照射；2.內(nèi)照射：由進(jìn)入體內(nèi)的放射性物質(zhì)引起的輻射，如吸入的氡及其子體，通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體的K-40、U-238、Th-232、Cs-137和Sr-90等，以及食入或注射的放射性藥物如I-131等形成的輻射；外照射、內(nèi)照射示意圖第二節(jié)電離輻射場(chǎng)的概念2.0場(chǎng)及其自變量2.1粒子數(shù)和輻射能2.2通量、注量和注量率2.3角分布和輻射度2.4能譜分布2.5輻射矢量和平面注量2.6注量與徑跡長(zhǎng)度的關(guān)系2.0場(chǎng)及其自變量空間位置能量E時(shí)間t運(yùn)動(dòng)方向極向角θ,環(huán)向角φ空間立體角Ω2.0場(chǎng)及其自變量（續(xù)）那么描述一個(gè)輻射場(chǎng)，并可以提供最詳細(xì)的場(chǎng)的分布信息的函數(shù)F應(yīng)該為：

空間位置為(r，r+dr)；

能量區(qū)間為(E，E+dE)；

時(shí)刻為(t，t+dt)

運(yùn)動(dòng)方向?yàn)?θ+d

θ

，φ+dφ)或(Ω+dΩ)的粒子個(gè)數(shù)，即2.1粒子數(shù)和輻射能為了定量描述輻射場(chǎng)，需要用某種方法來(lái)確定輻射場(chǎng)中粒子的數(shù)目，如測(cè)定α源發(fā)射出的α粒子的個(gè)數(shù)，在輻射場(chǎng)中傳播的γ光子的個(gè)數(shù)等。粒子數(shù)(N)：發(fā)射、轉(zhuǎn)移或接受的粒子數(shù)目，單位是1。粒子數(shù)密度(n)：表征輻射場(chǎng)疏密程度，是單位體積內(nèi)自由粒子的個(gè)數(shù)；

單位是m-3。2.1.粒子數(shù)和輻射能（續(xù)）輻射場(chǎng)中每個(gè)粒子均具有一定的能量，那么所有粒子的能量之和定義為輻射能；輻射能(R)：發(fā)射、轉(zhuǎn)移或接受的輻射粒子的能量(不包括靜止能)，單位是J；范圍：可能是一個(gè)輻射源發(fā)射的輻射能量，也可能是輻射場(chǎng)中傳輸?shù)妮椛淠芰?，或是被一物體吸收的能量，具體需要看具體的定義對(duì)象；2.2.通量、注量和注量率粒子和輻射能隨時(shí)間的變化率稱為粒子通量和能量通量，表征粒子和輻射能在時(shí)間上的頻繁程度。粒子通量()：粒子數(shù)在時(shí)間間隔dt的變化量dN，單位是s-1；

能量通量()：輻射能在時(shí)間間隔dt內(nèi)的變化量dR，單位是J·s-1或W；例：一個(gè)α源的活度A=3.00×105Bq，α粒子的產(chǎn)額認(rèn)為是100％，α粒子的平均能量為6.43Mev，那么α源的粒子通量、能量通量分別是多少？2.2.通量、注量和注量率（續(xù)）描述：電離輻射粒子都是高速運(yùn)動(dòng)的粒子，并且是在傳輸過(guò)程中與物質(zhì)發(fā)生相互作用，為了描述輻射場(chǎng)在空間中的疏密程度，引入注量的概念：a)單向輻射場(chǎng)中的粒子注量(Φ)

：對(duì)于單向輻射場(chǎng)，取垂直于射線方向的面積da⊥，入射到該面積上的粒子數(shù)為dN，對(duì)粒子注量，

單位：m-2單向輻射場(chǎng)中的粒子注量示意圖2.2.通量、注量和注量率（續(xù)）b)非單向輻射場(chǎng)中的粒子注量(Φ)：一般情況下輻射場(chǎng)中某區(qū)域內(nèi)包含各個(gè)方向的入射粒子，此時(shí)以參考點(diǎn)P為球心，建立一個(gè)向心截面積為da的小球，設(shè)進(jìn)入小球的粒子數(shù)為dN，那么dN/da則表示一般輻射場(chǎng)中點(diǎn)P處的粒子注量：

單位：m-2對(duì)于Φ，可以認(rèn)為是進(jìn)入單位截面積小球的粒子數(shù)；非單向輻射場(chǎng)中的粒子注量示意圖2.2.通量、注量和注量率（續(xù)）類(lèi)似的，在研究粒子的能量時(shí)，參照粒子注量的概念，引入能量注量的概念；能量注量(Ψ)：進(jìn)入向心截面積為da的小球的輻射能dR與da的比值，單位是J·m-2；它表征輻射能R在空間中的疏密程度；單向輻射場(chǎng)中的能量注量Ψu：2.2.通量、注量和注量率（續(xù)）通量表征輻射場(chǎng)中粒子或能量在時(shí)間上的變化程度，而注量則表征輻射場(chǎng)的空間疏密程度，把時(shí)間和空間因素相結(jié)合，則得到注量率的概念，它表征單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入單位截面積小球的粒子數(shù)或輻射能的多少；粒子注量率()：

單位是m-2·

s-1

聯(lián)系通量的概念，粒子注量率又稱為粒子通量密度；2.2.通量、注量和注量率（續(xù)）能量注量率()：

單位是J·m-2·s-1或W·m-2，其中表示dt時(shí)間內(nèi)能量注量的變化量；聯(lián)系通量的概念，能量注量率又稱為能量通量密度；例：一個(gè)各向同性的γ點(diǎn)源的活度為A，能量為hvi的γ射線的產(chǎn)額為ni,不考慮源的自吸收以及空氣的吸收和散射作用，那么舉例源r處的光子注量率和能量注量率是多少？2.3.角分布和輻射度從注量的一般定義來(lái)看，在P點(diǎn)的注量是包含了沿各個(gè)方向進(jìn)入P點(diǎn)處小球的粒子貢獻(xiàn)的總和，那么如果要研究粒子沿入射方向的分布，此時(shí)將引入注量的角分布問(wèn)題。立體角定義由一個(gè)錐面規(guī)定的空間范圍球心在錐頂?shù)囊粋€(gè)球面被錐面截下的面積S與該圓半徑平方r^2的比值：

單位為Sr（球面度）立體角示意圖2.3.角分布和輻射度（續(xù)）粒子注量的角分布()：粒子注量沿立體角Ω的分布情況，單位：m-2·sr-1，其中dΦ是沿指定方向Ω附近dΩ立體角元內(nèi)傳播的粒子的數(shù)量；2.3.角分布和輻射度（續(xù)）能量注量的角分布()：粒子的能量注量沿立體角Ω的分布情況，單位：J·m-2·sr-1，其中dΨ是沿指定方向Ω附近dΩ立體角元內(nèi)傳播的粒子的能量；2.3.角分布和輻射度（續(xù)）粒子注量率的角分布()：粒子注量率沿立體角Ω的分布情況，單位：m-2·sr-1·s-1，其中

是沿指定方向Ω附近dΩ立體角元內(nèi)的粒子注量率；粒子注量率的角分布又稱為粒子輻射度，即表示單位時(shí)間內(nèi)某個(gè)空間位置處的輻射強(qiáng)度；2.3.角分布和輻射度（續(xù)）能量注量率的角分布()：能量注量率沿立體角Ω的分布情況，單位：J·m-2·sr-1·s-1或W·sr-1·m-2，其中

是沿指定方向Ω附近dΩ立體角元內(nèi)的能量注量率；能量注量率的角分布又稱為能量輻射度，即表示單位時(shí)間內(nèi)某個(gè)空間位置處的輻射帶來(lái)的能量強(qiáng)度；2.4.能譜分布在前面的輻射量的定義中，并沒(méi)有涉及到粒子的能量分布問(wèn)題，由于在輻射場(chǎng)中的帶電粒子一般具有不同的能量，對(duì)不帶電粒子，它們與物質(zhì)相互作用生成的次帶電粒子的能量分布也是不均勻的，因此在前面定義的各輻射量均存在著按粒子能量E的分布，即它們均是能量E的函數(shù)；2.4.能譜分布（續(xù)）取Q表示前面的各個(gè)輻射量，E表示粒子的能量(不包含靜止能)，取Q(E)為Q的積分分布，表示能量為0-E的粒子對(duì)Q的總貢獻(xiàn)，QE為Q的微分分布，表示能量在E附近單位能量區(qū)間ΔE內(nèi)的粒子對(duì)Q的貢獻(xiàn)，各個(gè)量的關(guān)系如下：2.4.能譜分布（續(xù)）粒子注量的譜分布粒子注量的譜分布示意圖2.4.能譜分布（續(xù)）能量注量的譜分布2.4.能譜分布（續(xù)）粒子注量率的譜分布2.4.能譜分布（續(xù)）能量注量率的譜分布2.4.能譜分布（續(xù)）粒子注量與能量注量，粒子注量率與能量注量率的關(guān)系能量為E的粒子數(shù)目與E的乘積等于能量為E的粒子的輻射能量，則：2.4.能譜分布（續(xù)）輻射度的譜分布為了精細(xì)完整的描述輻射場(chǎng)，需要確定在任意時(shí)刻t，在空間任意一點(diǎn)r處，沿任一方向Ω運(yùn)動(dòng)的j類(lèi)電離粒子的微分譜分布，即j類(lèi)電離粒子輻射度的微分譜分布，可以用PE,j(r)來(lái)表示，它是能量E附近單位能量間隔內(nèi)j類(lèi)電離粒子的輻射度，它與積分譜分布Pj(E,r)的關(guān)系如下：2.4.能譜分布（續(xù)）取在空間指定點(diǎn)r處進(jìn)入截面積為da⊥的小球內(nèi)的粒子數(shù)可以用dN(r)來(lái)表示，那么PE,j(r)可以表示為：其中PE,j(r)dtdEdΩda⊥來(lái)表示t附近dt時(shí)間內(nèi)，在能量E附近dE能量間隔內(nèi)，運(yùn)動(dòng)方向在Ω附近dΩ立體角元內(nèi)，在r點(diǎn)穿過(guò)垂直于運(yùn)動(dòng)方向Ω的面積元da⊥的j類(lèi)粒子的數(shù)目dNj；2.4.能譜分布（續(xù)）與其他輻射量的關(guān)系描述粒子的輻射場(chǎng)物理量關(guān)系總結(jié)描述粒子能量的輻射場(chǎng)物理量關(guān)系總結(jié)2.5注量與徑跡長(zhǎng)度的關(guān)系定律：粒子注量Φ等于單位體積內(nèi)的徑跡總長(zhǎng)度。

dasΩ?V證明：對(duì)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(guò)體積元。則第三節(jié)輻射傳輸方程前提：若已知電離輻射源以及介質(zhì)對(duì)電離輻射的吸收和散射作用,那么波爾茲曼擴(kuò)散方程[]：考慮方程在穩(wěn)恒輻射場(chǎng)中情況:考慮到對(duì)上述方程進(jìn)行積分，則：一求解模型二求解方程的前提條件三理論求解四數(shù)值求解五結(jié)論第四節(jié)方程基本求解方法一輻射模型幾種輻射模型可用于近似求解輻射疏運(yùn)方程每個(gè)輻射模型都有其假設(shè)、局限性和優(yōu)勢(shì)1.1)RosselandModel(DiffusionApproximationModel)1.2)P-1Model(Gibb’sModel/SphericalHarmonicsModel)1.3)DiscreteTransferModel(ShahModel)1.4)MonteCarloModel[additionallicenserequired]1.1TheRosselandModelTheRosselandModel方法:輻射方程加入新的擴(kuò)散項(xiàng)局限:僅適用于一定的光學(xué)厚度且線性各向異性材料(thickness/depth>10)近壁區(qū)不適用優(yōu)點(diǎn):無(wú)需任何邊界條件，邊界被處理成黑體(發(fā)射率Emissivity=1.0)例子:透過(guò)熱玻璃的傳熱透過(guò)半透明材料的傳熱1.2TheP-1ModelTheP-1Model假設(shè):輻射強(qiáng)度為各向同性或在指定空間位置方向無(wú)關(guān)方法:需求解額外疏運(yùn)方程局限:僅適用于光學(xué)厚度

opticalthickness/depth>1對(duì)透明壁面不適用對(duì)所有的外部壁面不適用優(yōu)點(diǎn):適用于非黑體壁面，非常屬性材料，各向異性散射，近壁面例如:粉碎燃料火焰(適用離火焰中等距離位置)1.3TheDiscreteTransferModelTheDiscreteTransferModel假設(shè):散射各向同性系統(tǒng)為均一的方法:離邊界的光子距在求解前就決定輻射強(qiáng)度沿光譜方向求解簡(jiǎn)化的疏運(yùn)方程(假設(shè)散射各向同性)假設(shè)系統(tǒng)為均相的,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)求解吸收、發(fā)射和散射1.4TheMonteCarloModelTheMonteCarloModel假設(shè):輻射強(qiáng)度和光子的離散角通量成比例（angularfluxofphotons），輻射場(chǎng)處理為光子氣 i.e.光譜分析,#ofhistoriesT4方法:跟蹤典型的光子氣并標(biāo)記計(jì)算(在每個(gè)體單元內(nèi)):跟蹤的距離

平均總輻射強(qiáng)度距離乘吸收系數(shù)

平均總吸收強(qiáng)度3. 距離乘散射系數(shù)

平均總散射強(qiáng)度1.4TheMonteCarloModel（續(xù)）TheMonteCarloModel局限:計(jì)算資源消耗大:每個(gè)求解步內(nèi)都追蹤區(qū)域內(nèi)的樣本和光線.總包含統(tǒng)計(jì)誤差1/N優(yōu)點(diǎn):非常通用的方法–適合gray/non-gray,scattering,emissionandabsorption對(duì)于透明介質(zhì)輻射計(jì)算，推薦使用二求解方程的前提條件如果方程包含時(shí)間項(xiàng)，需要給出初始條件，同時(shí)給出空間邊界條件；如果方程不包含時(shí)間項(xiàng)，則只需要邊界條件即可；從數(shù)學(xué)物理方法知識(shí)，常見(jiàn)邊界條件有2類(lèi)，第一類(lèi)，第二類(lèi)邊界條件。上述條件下一般可以唯一確定方程的解。