电离辐射能量在物质中的转移过程.ppt

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1、辐射剂量与防护,授课单位：核工程技术学院授课专业：核工程、核技术授课教师：田丽霞,第二章 不同粒子与物质的相互作用,前言第一节 带电粒子与物质的相互作用第二节 X/射线能量与物质的相互作用第三节 不带电粒子与物质的相互作用系数第四节 中子与物质的相互作用第五节 总结本章中各个物理量之间的关系,前言,电离辐射能量在物质中的转移，是通过辐射与物质原子、原子核、电子的相互作用实现的。相互作用的结果会产生一个或多个次级粒子，导致电离辐射能量在不同的粒子载体传递和转变；例如：不带电粒子的能量，可以变为带电粒子的能量；带电粒子又可以传递能量到其它带电粒子如粒子，也可以通过韧致辐射等转换为光子的能量；根据辐

2、射在物质中穿行单位距离，造成的辐射能量的转移程度，带电粒子采用碰撞/辐射/总阻止本领，而不带电粒子则用能量转移系数、能量吸收系数等来描述。,第二章 不同粒子与物质的相互作用,前言第一节 带电粒子与物质的相互作用第二节 X/射线能量与物质的相互作用第三节 不带电粒子与物质的相互作用系数第四节 中子与物质的相互作用第五节 总结本章中各个物理量之间的关系,第一节 带电粒子与物质的相互作用,一 相互作用类型二 作用过程中的能量转移简述三 阻止本领四 散射本领五 射程六 产生一对离子所消耗的平均能量W,一 相互作用类型,带电粒子类别:电子、重带电粒子（质子、粒子、重离子）,主要作用类型:1.1 非弹性碰

3、撞 1.2 辐射相互作用 1.3 弹性碰撞 1.4 其它相互作用其中，非弹性碰撞、辐射相互作用占主要份额。,1.1 非弹性碰撞,主要类型：电离，激发；作用距离：考虑a，b量级，又可以描述为硬碰撞，软碰撞；,1.1 非弹性碰撞（续）,a)硬碰撞：此时ba，每次作用能量损失大。b)软碰撞：此时ba，此时入射粒子是与整个原子作用，因此又成为“核”碰撞，每次作用损失能量小；c)契伦科夫辐射在透明介质中，当粒子速度 v c/n（n是材料的折射率），粒子的部分能量以相干的蓝-白光发射。,1.2 辐射相互作用,主要类型：a)韧致辐射，针对所有带电粒子；b)粒子湮灭（湮没），针对特定粒子；,1.2 辐射相互作

4、用（续）,a)轫致辐射（Bremsstrahlung）定义：此时 ba，受原子核电场作用产生加速度，带电粒子以一定几率辐射电磁波，本身损失能量。发射几率P：正比于 z2Z2M-2释放能量E：正比于Z2 m-2，并且随带电粒子的能量增大而增大。关注对象：高能电子,1.2 辐射相互作用（续）,b)湮没辐射普通湮灭：正电子动能耗尽，此时与电子相互作用，生成两个光子（2*0.511MeV）。飞行湮没：高能正电子在飞行过程中与电子湮灭，剩余动能也交给湮灭光子（2*0.511Mev+Ek）。总结韧致辐射是高能电子的能量损失主要方式；重带电粒子质量较大，韧致辐射能量损失可忽略。,1.3 弹性碰撞,前提条件：

5、此时ba；定义：带电粒子受原子核库仑场作用，仅仅改变运动方向；分析：在ba情况下，可以产生轫致辐射，但更多的是弹性碰撞（弹性散射），此时作用体系总动能不改变；两种作用存在概率竞争问题。弹性碰撞作用传递的能量很少。,1.4 其它相互作用,1.4.1 核相互作用主要是针对高能的带电粒子，例如(p，n)，(p，2p)等；具体量化情况如反应的发生能量阈值，发生概率等见原子核物理相关章节。,1.4 其它相互作用（续）,1.4.2 电子对生成定义：此时ba，入射带电粒子与靶核发生电磁互相作用，可以直接产生电子对。发生能量阈值：入射粒子 的动能远大于其静止能量时，这一过程才是重要的。发生概率：对电子而言，此

6、过程发生的几率远小于轫致辐射、核反应的几率。,第一节 带电粒子与物质的相互作用,一 相互作用类型二 作用过程中的能量转移简述三 阻止本领四 散射本领五 射程六 产生一对离子所消耗的平均能量W,二 作用过程中的能量转移简述,2.1 与物质原子、分子弹性碰撞2.2 与束缚电子的非弹性碰撞2.3 韧致辐射,2.1 与物质原子、分子弹性碰撞,弹性碰撞的作用是：导致相碰粒子间的动能交换，增加了物质分子不规则运动的动能，使物质内能增加，温度升高。带电粒子的部分能量直接变成了热能（内能）。,2.2 与束缚电子的非弹性碰撞,非弹性碰撞：使物质原子激发，电离；电离过程中释放的带电粒子能量不一，如果能量超过某定值

7、(一般为100eV)，那么带电粒子可以明显偏离初始运动方向且穿越一段路程，进一步引起其它原子激发/电离，此类电子称为 粒子；注意：电离过程中带电粒子损失的能量并非直接沉积在当地，而是有很大一部分被粒子散播到其它位置。被电离、激发的原子在退激时可能释放俄歇电子、特征X射线等。,2.3 韧致辐射,带电粒子的部分能量将转换为辐射（光子）能量，这些光子将有机会到达比带电粒子本身及粒子更远的位置，并在运动过程中消耗掉自身能量；如果这些光子够大，应该视为独立粒子，引用相关模型进行跟踪计算。一般情况下，仅仅考虑电子的韧致辐射效应。,第一节 带电粒子与物质的相互作用,一 相互作用类型二 作用过程中的能量转移简

8、述三 阻止本领四 散射本领五 射程六 产生一对离子所消耗的平均能量W,三 阻止本领,3.0 线阻止本领，质量阻止本领3.1 质量碰撞阻止本领3.2 质量辐射阻止本领3.3 质量定限碰撞阻止本领,3.0 线阻止本领，质量阻止本领,线阻止本领 定义：,dE是dl距离上损失能量的数学期望值。,质量阻止本领 定义：,主要是计算上的优势。,3.1-2 质量碰撞/辐射阻止本领,质量碰撞阻止本领定义：,质量辐射阻止本领定义：,阻止本领分类：,在相同介质中，若 相同，则两种重离子的碰撞阻止本领相同，即：,对重离子：,3.1-2 质量碰撞/辐射阻止本领（续）,这意味着重离子的能量损失机制主要电离、激发；,3.1

9、-2 质量碰撞/辐射阻止本领（续）,对电子：,简化，当E3MeV,n=700100MeV；的电子能量称为临界能量；低能电子(S/)c值较大，高能电子(S/)r值较大。具体见剂量P12图1.8，P16图1.12,近似关系：,3.3 定限碰撞阻止本领L/,1）引入背景2）带电粒子能量损失分析3）能量限值4）定义5）极限情况6）常用值,1）引入背景,碰撞阻止本领仅仅关注研究对象本身的能量损失情况，而不管这些能量是怎样被吸收的，即不关心能量的入射带电粒子能量的扩散情况。而辐射剂量学，关心带电粒子沉积在介质内的能量沿粒子径迹的分布情况。对重带电粒子，因转移给次级电子的能量少，因此径迹短，不需要关心；但对

10、于电子，其一次转移能量可能非常大甚至全部，因此必须加以关注！,粒子在物质中的径迹,1）引入背景（续）,作用过程：与物质相互作用过程中，带电粒子能量的大部分通过电离过程传给了能量超过100eV的粒子，而这些粒子有足够能量在物质中穿行一段距离，沿途继续引发电离和激发。举例：在水、人体组织中，如果E=100eV，其射程约2nm；若E=6000eV，射程约1m。,DNA分子双螺旋结构直径,细胞直径,2）带电粒子能量损失分析,分析：带电粒子穿行dL路程，碰撞损失的能量dE可以分为：,：对原子电离，激发时，为克服电子结合能所消耗的能量；,：产生的动能小于等于的所有粒子的动能；,：产生的动能大于的所有粒子的

11、动能；,3）能量限值,能量限值 定义：判断粒子能量高低的一个能量阈值，若 E，则认为该电子能量就地沉积；E，则认为该电子能量为独立粒子；由此可见，电离过程在某空间点损失的能量不可能全部就地沉积！如何对粒子在局部区域内沉积的能量进行定量描述？,4）定义,定义：,它表示：指定物质内，特定能量的带电粒子穿行单位长度路程时，在电离、激发过程中，扣除能量大于的所有粒子的动能后，被该部位物质所吸收的能量总和，即单位路径长度内就地沉积的能量大小。,5）极限情况,极限情况 表示扣除所有粒子的动能后，被物质吸收的能量之和。表示包括所有粒子的动能后，入射带电粒子损失的能量之和。,6）常用值,常用L100，组织举例

12、L100，组织=1.5KeV/m，它表示带电粒子在组织中穿越1m时，在电离，激发作用中，刨除由动能大于100eV的所有粒子的动能后，在组织局部空间范围内沉积下来的能量总共是1.5KeV。,四 散射本领,由于电子相对重带电粒子，非常容易受到弹性碰撞的影响而改变自己的运动方向，设该角为，经观察发现，服从高斯分布，且其均方值 与穿过物质层的厚度成正比，称 为散射均方角。单位质量厚度产生的散射均方角增量定义为质量散射本领，记为(T/)：,五 射程,4.1 投影射程,4.2 连续慢化近似射程r0,4.3 计算软件,计算离子射程的软件：SRIM；（演示）计算电子射程的软件：casino；,五 射程（续）,

13、SRIM软件,casino软件,1.离子对（Ion pair）2.W的定义：3.W的特性 最低电离能(第一电离能)，但除单壳层电子外，平均激发能。当入射带电粒子的速率远远大于价电子的轨道速率时，W几乎不受带电粒子电荷、质量和能量的影响，当接近时，速度减小，W增大。伴随电离降低W值电子在干燥空气中每产生一个离子对平均消耗33.97eV；,六 产生一对离子所消耗的平均能量W,第二节(X)射线与物质的相互作用,一 作用类型与特点二 三种重要作用三 各种相互作用的比较,（1）射线与x射线的定义（或产生）射线：射线是由核和基本粒子转变（为核反应、核衰变、基本粒子衰变和基本粒子湮灭等）产生的电磁辐射光子。

14、X射线：a.轫致辐射x射线。由带电粒子在原子核库仑场中慢化而产生的电磁辐射。b.特征x射线。由原子电子能级改变而产生的电磁辐射。,一 作用类型与特点,一 作用类型与特点（续）,（2）与物质的作用类型（按能量吸收多少划分）完全吸收：光电效应、电子对生成、光核反应和光介子生成等。部分吸收：康普顿散射和核共振散射。不吸收：弹性散射。,（3）特点,一 作用类型与特点（续）,与带电粒子比较，光子与物质相互作用的截面小得多，在 介质中可以穿行比较长的路程。一次相互作用过程中光子损失的平均能量较大。不能象带电粒子那样用阻止本领来研究不带电粒子在介质中的能量减少过程。用新的参数来描述它们与物质相互作用（Cro

15、ss section截面）、能量转移（energy transfer）和能量吸收（energy absorption）的几率。,一 作用类型与特点（续）,二 三种重要作用,2.1 光电效应2.2 康普顿散射效应2.3 电子对生成效应2.4 其它,2.1 Photoelectric effect(光电效应),2.1 Photoelectric effect(光电效应)（续）,自由电子,作用机制：光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。+A A*+e-（光电子）原子 A+X 射线,受激原子,2.2 Compton e

16、ffect(康普顿散射),其中：,2.2 Compton effect(康普顿散射)（续）,电子对效应：能量1.02 MeV 的射线与原子核作用可能产生一对正-负电子。,2.3 Pair production(电子对生成),常见类型,2.3 Pair production(电子对生成)（续）,M M+e+e-1+2 1.02 MeV me me 0.511MeV 0.511MeV基本条件：射线能量 E 1.02 MeV,反应式表示：,2.3 Pair production(电子对生成)（续）,1）共同特点：a.存在角分布，且能量hv越大，光电子、反冲电子，生成电子越趋近入射光子方向。b.能量转

17、移截面可用光子能量转移为带电粒子（电子）动能的分数和相应的作用截面相乘获得。,三 各种相互作用的比较,2）相对重要性,三 各种相互作用的比较（续）,第三节 不带电粒子与物质的相互作用系数,一 窄束衰减和衰减系数二 能量转移系数tr三 能量吸收系数en和辐射份额Y(E),射线穿过物质时的衰减表达式：dN=-Ndx（为线衰减系数）N=N0e-x 定义质量衰减系数为/。,其中，,一 窄束衰减和衰减系数,各种相互作用的衰减系数可用同时对应的相互作用截面来表示。,一 窄束衰减和衰减系数,定义：光子在吸收介质中穿行单位长度距离时，其能量在相互作用过程中转移为电子动能的份额。,表述：,质量能量转移系数tr/

18、,3.2 能量转移系数tr,3.3 能量吸收系数en和辐射份额Y(E),线能量吸收系数en,质量能量吸收系数en/,en/表示光子在物质中穿过单位质量厚度时，入射光子能量中转移给次级电子能量的碰撞损失份额。,瞬时能量为E的电子的能量辐射损失份额y(E)可表示为：,能量为E的电子在慢化过程中的辐射能量损失份额Y(E)：,若各作用过程产生的次级电子初始谱为f(E)，则有：,3.4 混合物和化合物中的作用系数,其中 是第i种元素的重量份额；,三个系数之间的关系,第四节 中子与物质的相互作用,1 分类高能中子 能量大于10MeV快中子 100keV-10MeV中能中子 1keV-100keV慢中子 0

19、-1keV（热中子-与周围物质处于热平衡的中子。在常温20.40C下，热中子的平均能量为0.0253eV）,2.作用类型（Interaction type）1).弹性散射(Elastic-scattering)：总动能守恒。2).非弹性散射(Inelastic scattering)：总能量、动量守恒，动能不守恒；3).去弹性散射(Nonelastic scattering)：(n,p),(n,)等；4).俘获(Capture)：(n,)；5).散射(Spallation)；以上均属与原子核的相互作用。,特别说明：1、中子与物质的相互作用过程的描述参数与和X射线的相同。2、中子与物质相互作用产生的带电粒子都是重粒子，其轫致辐射的能量损失可以忽略。,第五节 总结本章中各个物理量之间的关系,参考文献,田志恒，辐射剂量学，原子能出版社，北京，1992；方杰，辐射防护导论，原子能出版社，北京，1991；李士骏，电离辐射剂量学基础，苏州大学出版社，苏州，2008；,