電離輻射計(jì)量基礎(chǔ)2課件

電離輻射計(jì)量基礎(chǔ)知識(shí)二○一一年九月第一章電離輻射基礎(chǔ)知識(shí)第一節(jié)電離輻射的基本概念一、原子、原子核和同位素一切物質(zhì)都是有原子組成的,原子由原子核和核外電子組成，原子核由質(zhì)子和中子組成，原子的半徑為10-8cm，原子核的大小只有10-12cm，只有原子的萬分之一，一個(gè)電子質(zhì)量約為:9.109×10-28kg,一個(gè)氫原子的質(zhì)量約為：1.677×10-24kg；原子的質(zhì)量由原子核和核外電子組成，原子的質(zhì)量集中在原子核上。通常用A表示原子的質(zhì)量數(shù),Z表示原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù),即原子序數(shù),元素通常用表示。

同位素是具有相同的質(zhì)子數(shù)和不同的中子數(shù)的同一種核素,如233U、235Ｕ、238U。同質(zhì)異能態(tài)：核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)相同，能態(tài)不同，如99Tc、99mTc。三、電離輻射及其分類

1、電離:原子由于失去電子或獲得電子而成為離子的過程。電離的發(fā)生要通過能量轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)。2、電離的過程：當(dāng)帶電粒子在物質(zhì)中的核外電子旁通過時(shí)，由于靜電相互作用，把能量轉(zhuǎn)移給核外電子，如果能量足夠大，將使核外電子脫離核的束縛而成為自由電子，被電離的原子則成為正離子，反之，如果一個(gè)中性原子獲得一個(gè)電子則成為負(fù)離子；如果核外電子獲得的能量不足以使電子擺脫原子核的束縛，則電子可以從原來的運(yùn)動(dòng)軌道躍遷到能量較高的軌道，使整個(gè)原子處于能量較高的狀態(tài)，即激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，其多余的能量將以發(fā)射光子（x射線）的形式釋放而回到原來的狀態(tài)。

3、電離輻射：能夠通過初級(jí)過程或次級(jí)過程引起電離事件的帶電粒子或（和）不帶電粒子，稱為電離輻射。4、電離輻射分類：①直接電離輻射：具有足夠動(dòng)能、碰撞時(shí)能引起電離的帶電粒子。如正負(fù)電子、質(zhì)子、α粒子、重離子等。②間接電離輻射：與物質(zhì)相互作用，能產(chǎn)生直接電離粒子的中性粒子，如中子、光子等。第二節(jié)輻射源一、天然輻射源1、宇宙輻射。星際空間和太陽不斷地產(chǎn)生能量浩大的宇宙射線，它們有很強(qiáng)的穿透能力，在宇宙空間特別是大氣層中與各種元素碰撞，經(jīng)各類反應(yīng)能量逐漸損失，人們所受到宇宙射線的劑量與地理位置有關(guān)，海平面要比高山上低。2、土壤和巖石中的放射性元素鈾和釷以及子體產(chǎn)物。這些放射性元素的濃度與地理位置和地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，地球有些地區(qū)屬于高本底地區(qū)，大部分屬于低本底地區(qū)。

3、人體也常含有微量放射性元素14C、40K。另外，氡和釷射氣也環(huán)境帶來輻射。二、人工輻射源人工輻射源主要由核反應(yīng)堆和加速器產(chǎn)生，還包括核武器爆炸產(chǎn)物。最廣泛的人工輻射源是用放射性核素制成的放射性同位素輻射源，簡稱放射源，如60Co、137Cs。另外，一些裝置如反應(yīng)堆、加速器、X光機(jī)等都可以用來產(chǎn)生各種輻射，成為相應(yīng)地輻射源。由于電離輻射通常應(yīng)用的是放射源，本次作為重點(diǎn)介紹，其它的輻射源暫不介紹。核素半衰期主要能量MeV比活度GBq/g來源226Ra1620a4.598～7.68837鈾礦石提取228Th1.91a5.341～8.787226Ra(n,γ)…235U7.1×108a4.216～4.400天然238Pu87.75a5.445～5.499636.4237Np(n,γ)…239Pu2.4×104a5.103～5.1552.28238U(n,γ)…241Am432a5.443～5.486126.9238U多次中子俘獲241Pu核素半衰期β最大能量keVβ平均能量keV來源3H12.34a18.65.696Li(n,α)14C5710a156.5≈3014C標(biāo)記63Ni100a65.917.062Ni(n,γ)63Ni62Cu(n,γ)63Ni55Fe2.72aEC54Fe(n,γ)55Fe56Fe(p,pn)55Fe3.高能β源：90Sr和106Ru核素半衰期β最大能量MeVβ粒子最大射程g/cm2制備方法90Sr-90Y28.7a2.2741.1陶瓷，粉末冶金105Ru-106Rh367d3.54(79.1%)1.6陶瓷，粉末冶金（三）γ放射源定義：以發(fā)射γ輻射為主要特征的放射源。通常是其他類型核衰變的伴隨輻射。1.低能γ（χ）放射源：它由發(fā)射γ射線或χ射線的核素55Fe、57Co、75Se、109Cd、125I、153Gd、241Am、238Pu、241Am等制成。2.中等活度γ放射源：它由中等活度的137Cs、60Co、192Ir、124Sb、134Cs、182Ta、226Ra等核素制成，大多用于同位素儀表中。3.強(qiáng)γ放射源：它是活度大于1013Bq的60Co、137Csγ放射源，主要用在工業(yè)輻照和醫(yī)用輻照裝置中。核素衰變類型半衰期主要γ輻射生產(chǎn)方式能量MeV相對(duì)強(qiáng)度%60Coβ5.273a1.1731.33299.8599.9857Co(n,γ)60Co137Csβ30.18a0.66285.3裂變75SeEC0.32a0.066～0.0970.121,0.136,0.264,0.279,0.304～0.401416.5，5658.5，24.812.9574Se(n,γ)192Irβ0.2a0.201～0.2830.296，0.3080.316，0.4680.484～0.6124.128.9，29.482.7，47.821.1191Ir(n,γ)（四）中子源

定義：能產(chǎn)生中子的物質(zhì)或裝置。常用的中子源有：放射性核素中子源、加速器中子源和反應(yīng)堆中子源。

利用放射性核素衰變發(fā)射的α粒子或高能γ射線與某些輕元素，如Be、B、F等作用，通過（α、n）或（γ、n）反應(yīng)產(chǎn)生中子，或某些重元素如252Cf自發(fā)裂變發(fā)射中子，這樣的中子源稱為放射性核素中子源。放射性核素中子源具有體積小、中子發(fā)射率穩(wěn)定、易生產(chǎn)、價(jià)格便宜安全性能好及使用方便等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是中子發(fā)射率低，一般不大于108s-1。

用于制備（α、n）中子源的α放射性核素：226Ra、210Pb、210Po、227Ac、228Th、238Pu、239Pu、241Am、242Cm

用于制備（γ、n）中子源的γ放射性核素：24Na、48V、72Ga、88Y、140La、156Eu、156Tb、124Tb、106Agm、119Te、205Bi、206Bi、226Ra、228Thα粒子通過物質(zhì)時(shí)呈直線運(yùn)動(dòng)，它的射程與其能量和所通過的介質(zhì)有關(guān)，當(dāng)α粒子能量在3~7MeV范圍，它在空氣中的射程可由以下經(jīng)驗(yàn)公式估算：

Rair=0.318E3/2式中：Rair——α粒子在空氣中平均射程，cm；

E——入射α粒子能量，MeV。二、β粒子與物質(zhì)相互作用

核衰變產(chǎn)生的β射線具有連續(xù)能譜，用Emax/3作為β粒子的平均能量。β放射性核素所放射的β粒子能量一般在4MeV以下。在這樣的能量范圍內(nèi)，β射線與物質(zhì)相互作用的主要形式是電離、激發(fā)、散射和產(chǎn)生次級(jí)X射線等。（一）電離和激發(fā)β粒子比電離值比相同能量α粒子小很多。不同能量的β粒子在空氣中的比電離值相差甚大。（四）β粒子射程和吸收定律

β粒子射程只和物質(zhì)的密度有關(guān)，常用物質(zhì)的質(zhì)量厚度（g/cm2)來表示β粒子的射程。β粒子在物質(zhì)中的吸收近似地遵從指數(shù)定律：Ｉ＝Ｉ0e-μmdmI0，I：β粒子穿過厚度為dm(g/cm2)，密度為ρ(g/cm3)的吸收體前后的強(qiáng)度；μm＝μ／ρ是質(zhì)量吸收系數(shù)（cm2·g-1)三、γ射線和X射線與物質(zhì)相互作用γ輻射是一種高能電磁波，波長很短（10-8～10-11cm），它是從原子核內(nèi)發(fā)射出來的。Χ輻射同γ輻射一樣，也是一種電磁波，但它是產(chǎn)生于原子核外部的輻射。（一）光電效應(yīng)當(dāng)一個(gè)光子和原子碰撞時(shí)，它可能將其所有的能量Ｅγ轉(zhuǎn)移給某一殼層電子，使電子脫離原子而光子本身消失。脫離原子的電子叫光電子。（四）吸收

γ射線通過物質(zhì)時(shí)，由于光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和生成電子對(duì)而逐漸損失能量，并最終被物質(zhì)吸收。

γ射線通過物質(zhì)時(shí)，其強(qiáng)度的減弱服從指數(shù)規(guī)律：I=I0e-μχ

μ=μρh+μc+μp四、中子與物質(zhì)相互作用中子通過物質(zhì)時(shí)與原子核外電子幾乎不發(fā)生作用，主要與核作用，其反應(yīng)概率與核的性質(zhì)及中子的能量有關(guān)。第二章電離輻射的常用量和單位第一節(jié)與放射性有關(guān)的量和單位一、放射性核素衰變常量λ放射性原子核數(shù)目的衰減服從指數(shù)規(guī)律：N=N0e-λt衰變常量λ指單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)核衰變的概率。衰變常量的單位是s-1二、放射性活度A放射性核素在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的數(shù)目即衰變率，稱為放射性活度。放射性活度的單位：1950年，國際標(biāo)準(zhǔn)為居里（Ci），1Ci=3.7×1010s-1；

1975年，國際標(biāo)準(zhǔn)定為：s-1，采用的專名是貝可，符號(hào)位Bq，1Bq=1s-1。二、粒子注量率φ定義：單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入單位截面積球體內(nèi)的粒子數(shù)。單位：m-2·s-1。三、能注量Ψ定義：進(jìn)入單位截面小球體內(nèi)所有粒子能量。單位：J·m-2,常用單位：MeV·cm-2四、能注量率Ψ定義：用來描述單位時(shí)間內(nèi)，進(jìn)入單位截面球體內(nèi)的粒子所具有動(dòng)能總和的一個(gè)輻射量。單位：W·m-2,或?qū)懗蒍·m-2·s-2。五、截面σ

對(duì)某一種相互作用而言，靶體的截面σ是p除以Ф所得的商。其中p是入射帶電或不帶電粒子的注量為Ф時(shí)，對(duì)一個(gè)靶體發(fā)生該相互作用的概率。即：σ=p/Ф

截面單位：m2；過去曾用靶作截面的專用單位，符號(hào)位b，1b=10-28m2六、質(zhì)量衰減系數(shù)μ/ρ定義：某物質(zhì)對(duì)不帶電致電離粒子的質(zhì)量衰減系數(shù)μ/ρ是dN/N除以ρdl的商。單位：m2/kg。μ/ρ的各個(gè)分量通常還采用各衰減系數(shù)分量表示：

μ/ρ=（dN/N）/(ρdl)=τ/ρ+σc

/ρ+σcoh

/ρ+κ/ρ+…Τ,σc

,σcoh

,κ等分別表示光電效應(yīng)截面，康普頓效應(yīng)截面，相干散射截面和電子對(duì)生成截面等。七、質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)μtr/ρ定義：不帶電的致電離粒子轉(zhuǎn)移給帶電粒子動(dòng)能的那部分占其總能量的份額。單位:m2/kg八、質(zhì)能吸收系數(shù)μen/ρ定義:扣除了韌致輻射所損失的能量后，真正被物質(zhì)吸收的那部分能量所占的份額。單位:m2/kg九、總質(zhì)量阻止本領(lǐng)s/ρs/ρ=1/ρ(dE/dl)單位：J·m2·kg-1dE是指帶電粒子在密度為ρ的物質(zhì)中穿行dl時(shí)損失的能量。第三節(jié)劑量學(xué)的量和單位一、吸收劑量D1、吸收劑量吸收劑量是劑量學(xué)中和輻射防護(hù)領(lǐng)域中一個(gè)非常重要的量。它適用于任何類型的電離輻射、任何被輻射照射的物質(zhì)，適用于內(nèi)、外照射。定義：授予單位質(zhì)量物質(zhì)的任何致電離輻射的平均能量。吸收劑量的SI制專門名稱是戈瑞，單位：J·kg-1；符號(hào)為Gy。1Gy的吸收劑量就等于1kg受輻照物質(zhì)吸收1J的輻射能量。2、吸收劑量率吸收劑量率就是單位時(shí)間內(nèi)的吸收劑量單位：1J·kg-1·s-1=1Gy·s-1二、照射量X1、照射量照射量是用以表示X或γ射線在空氣中產(chǎn)生電離能力大小的物理量。定義：照射量是單位質(zhì)量的一個(gè)空氣體積之中，光子釋放的所有電子在空氣中全部被阻止時(shí)，所產(chǎn)生的一種符號(hào)的所有離子電荷的總和，名稱為倫琴。單位：C·kg-1。曾用單位：倫琴，R；1R=2.58×10-4C·kg-1。2、照射量率定義：單位時(shí)間內(nèi)的照射量。單位：C·kg-1·s-1。曾用單位R·s-1或R·h-1。三、比釋動(dòng)能比釋動(dòng)能是一個(gè)很重要的物理量。用符號(hào)K表示，它描述不帶電致電離粒子與物質(zhì)相互作用時(shí)，把多少能量傳給了帶電粒子。定義：比釋動(dòng)能是用來量度不帶電致電離粒子與物質(zhì)相互作用時(shí)，在單位質(zhì)量的物質(zhì)中釋放出來帶電粒子初始動(dòng)能總和的一個(gè)宏觀的物理量。單位：J·kg-1比釋動(dòng)能:是用來量度不帶電致電離粒子與物質(zhì)相互作用時(shí)，在單位質(zhì)量的物質(zhì)中釋放出來帶電粒子初始動(dòng)能總和。吸收劑量:授予單位質(zhì)量物質(zhì)的任何致離輻射的平均能量。照射量:是單位質(zhì)量的一個(gè)空氣體積之中，光子釋放的所有電子在空氣中全部被阻止時(shí)，所產(chǎn)生的一種符號(hào)的所有離子電荷的總和，名稱為倫琴.照射量X是dQ除以dm所得的商,即:吸收劑量與比釋動(dòng)能之間的關(guān)系:吸收劑量與照射量之間的關(guān)系:

四、比釋動(dòng)能、吸收劑量、照射量之間的關(guān)系第三章電離輻射測(cè)量的基本方法第一節(jié)電離輻射測(cè)量的基本內(nèi)容一、電離輻射測(cè)量內(nèi)容電離輻射測(cè)量內(nèi)容：涉及記錄α、β等帶電粒子的數(shù)目，X射線、γ射線和中子的強(qiáng)度、能譜、注量率和劑量等等。對(duì)帶電粒子的探測(cè)原理是基于帶電粒子對(duì)探測(cè)介質(zhì)的激發(fā)和電離效應(yīng)，根據(jù)記錄方法不同可使用下述測(cè)量器具：1、收集電離電荷的探測(cè)器----電離室和半導(dǎo)體探測(cè)器；2、收集退激熒光的探測(cè)器----閃爍探測(cè)器和熱釋光探測(cè)器；3、顯示離子徑跡的探測(cè)器----氣泡室、固體徑跡探測(cè)器二、探測(cè)原理⑴對(duì)帶電粒子：基于帶電粒子對(duì)探測(cè)介質(zhì)的激發(fā)和電離效應(yīng)。(2)對(duì)X、γ射線的探測(cè)原理是基于X、γ射線與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)生成，最常用的是Na(I)、Ge(Li)、HPGe探測(cè)器。(3)對(duì)中子的探測(cè)是基于中子引起的核反應(yīng)，如核反沖法和核反應(yīng)法、核裂變法及核激活法。