輻射劑量單位及劑量計(jì)算

第三章輻射劑量單位與劑量計(jì)算輻射劑量學(xué)中的量：吸取劑量比釋動(dòng)能照射量劑量當(dāng)量輻射劑量學(xué)中運(yùn)用的量劑量學(xué)中的量是為了對(duì)輻射與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的真實(shí)效應(yīng)和潛在影響供應(yīng)一種物理學(xué)上的量度。這些量的數(shù)值，既依靠與輻射場(chǎng)的性質(zhì)又依靠與輻射與物質(zhì)的相互作用的程度。一吸取劑量授與能授與能ε是電離輻射以電離、激發(fā)的方式授與某一體積中物質(zhì)的能量。ε=RIN-ROUT+∑QRIN是進(jìn)入該體積的輻射能；ROUT是從該體積逸出的輻射能,∑Q是在該體積中發(fā)生的任何核變更時(shí)，全部原子核和基本粒子靜止質(zhì)量能變更的總和。授與能的單位是J。它是個(gè)隨機(jī)變量，但是它的數(shù)學(xué)期望值，即平均授與能是非隨機(jī)變量。吸取劑量吸取劑量D是單位質(zhì)量受照物質(zhì)中所吸取的平均輻射能量。即D=d/dm式中d是電離輻射授與質(zhì)量為dm的物質(zhì)的平均能量。吸取劑量D的單位是J·kg-1，特地名稱是戈瑞(Gray)。1Gy=1J·kg-1。過(guò)去吸取劑量的專用單位是拉德（rad），1rad=10-2Gy。吸取劑量適用與任何類型的輻射和受照物質(zhì)，并且是個(gè)與一無(wú)限小體積相聯(lián)系的輻射量，即受照物質(zhì)中每一點(diǎn)都有特定的吸取劑量數(shù)值。因此在給出吸取劑量數(shù)值時(shí)，必需指明輻射類型、介質(zhì)種類和所在位置。吸取劑量率吸取劑量率?是單位時(shí)間內(nèi)的吸取劑量，定義為dD除以Dt所得的商，即?=dD/dt式中，dD是時(shí)間間隔dt內(nèi)吸取劑量的增量。吸取劑量率?的單位是J·kg-1·s-1，亦即Gy·s-1。帶電粒子平衡設(shè)不帶電粒子通過(guò)體積為V的物質(zhì)，如圖所示。假設(shè)在體積V中任取一點(diǎn)O，并以O(shè)點(diǎn)為中心取一小體積元?V。不帶電粒子傳給小體積元?V的能量，等于它在?V內(nèi)所產(chǎn)生的次級(jí)帶電粒子動(dòng)能的總和，這些次級(jí)帶電粒子有的產(chǎn)生在?V內(nèi)，也有的產(chǎn)生在?V外的。若每一個(gè)帶電粒子離開(kāi)以O(shè)點(diǎn)為中心的小體積元?V時(shí)，就有另一個(gè)同種類、同能量的帶電粒子進(jìn)入該體積元來(lái)補(bǔ)償，則稱點(diǎn)O存在帶電粒子平衡。假如涉及的帶電粒子特指電子。則稱為電子平衡。帶電粒子平衡總是同輻射場(chǎng)內(nèi)特定位置相聯(lián)系的。在?V內(nèi)存在帶電粒子的平衡條件是：1.在以小體積元?V的邊界向各個(gè)方向伸展距離d至少大于初級(jí)入射粒子在該物質(zhì)中所產(chǎn)生的次級(jí)帶電粒子的最大射程Rmax，并在d≥Rmax的區(qū)域內(nèi)輻射場(chǎng)是恒定的，即入射的粒子注量和譜分布為恒定不變。2.在上述的d≥Rmax的區(qū)域內(nèi)，物質(zhì)對(duì)次級(jí)帶電粒子的阻擋本事以及對(duì)初級(jí)入射粒子的質(zhì)量吸取系數(shù)也應(yīng)當(dāng)是恒定不變的。明顯，上述條件是難以實(shí)現(xiàn)的，在某些狀況下，能夠達(dá)到相當(dāng)好的近似。例如對(duì)于137Cs、60Co的γ射線，假如認(rèn)為入射的輻射1%左右的衰減可以忽視，那么在受照物質(zhì)（如水）中可能存在著很好的近似電子平衡。對(duì)于中子，由于建立帶電粒子平衡比較簡(jiǎn)潔，因此，即使中子能量高達(dá)30MeV，在某些物質(zhì)（如水）中仍存在較好的近似帶電粒子平衡。二比釋動(dòng)能轉(zhuǎn)移能轉(zhuǎn)移能εtr是不帶電粒子在某一體積元內(nèi)轉(zhuǎn)移給次級(jí)帶電粒子的初始動(dòng)能的總和，其中包括在該體積內(nèi)發(fā)生的次級(jí)過(guò)程所產(chǎn)生的任何帶電粒子能量。轉(zhuǎn)移能εtr單位是J，它同授與能ε一樣也是隨機(jī)量，其數(shù)學(xué)期望值，即平均轉(zhuǎn)移能是非隨機(jī)量。比釋動(dòng)能不帶電粒子授與物質(zhì)的能量過(guò)程可以分為兩個(gè)階段。第一，不帶電粒子與物質(zhì)相互作用釋放出次級(jí)帶電粒子，不帶電粒子的能量轉(zhuǎn)移給次級(jí)帶電粒子；其次，帶電粒子將通過(guò)電離、激發(fā)，把從不帶電粒子那里得來(lái)的能量授與物質(zhì)。吸取劑量是表示其次過(guò)程的結(jié)果。為了表示第一過(guò)程的結(jié)果，我們引進(jìn)另一個(gè)新輻射量，即比釋動(dòng)能比釋動(dòng)能K定義為d除以dm所得的商，即K=d/dm式中d是不帶電粒子在質(zhì)量dm的物質(zhì)中釋放的全部帶電粒子的初始動(dòng)能總和的平均值，它既包括這些帶電粒子在韌致輻射過(guò)程中輻射出來(lái)的能量，也包括在該體積元內(nèi)發(fā)生次級(jí)過(guò)程所產(chǎn)生任何帶電粒子的能量。比釋動(dòng)能的單位與吸取劑量的單位相同，即J·kg-1或Gy。比釋動(dòng)能只適用于不帶電粒子，但適用于任何物質(zhì)。比釋動(dòng)能率比釋動(dòng)能率?是dK除以dt所得的商，即?=dK/dt式中dK是在時(shí)間間隔dt內(nèi)比釋動(dòng)能的增量。比釋動(dòng)能率?的單位與吸取劑量率單位相同，即J·kg-1·s-1或Gy·s-1。比釋動(dòng)能與吸取劑量的關(guān)系在帶電粒子平衡條件下，不帶電粒子在某一體積元的物質(zhì)中，轉(zhuǎn)移給帶電粒子的平均能量d就等于該體積元所吸取的平均能量d若該體積元物質(zhì)的質(zhì)量為dm，則K=（d/dm）=（d/dm）=D除了滿足帶電粒子平衡條件外，要使上式成立的另一條件是帶電粒子產(chǎn)生的韌致輻射可以忽視。對(duì)于低能的X或γ射線來(lái)說(shuō)是成立的但對(duì)于高能的X或γ射線，由于次級(jí)帶電粒子是電子，有一部分能量在物質(zhì)中轉(zhuǎn)變?yōu)轫g致輻射而離開(kāi)所關(guān)系的體積元，使得K≠D。D=(d/dm)=(d/dm)(1-g)=K(1-g)g是次級(jí)電子在慢化過(guò)程中，能量損失于韌致輻射的能量分額。高能電子在高原子序數(shù)物質(zhì)中，g值比較大，在低原子序數(shù)物質(zhì)中g(shù)值一般比較小，可以忽視。對(duì)于中子，當(dāng)能量底于30MeV時(shí)，D和K的數(shù)值差別完全可以忽視。比釋動(dòng)能與吸取劑量在物質(zhì)中的變更假如只有不帶電粒子入射，則在物質(zhì)淺層處不存在帶電粒子平衡，因?yàn)椴粠щ娏Ｗ釉谠撎幠骋惑w積元內(nèi)釋放出的能量，并沒(méi)有全部沉積在該體積元內(nèi)。因此比釋動(dòng)能大于吸取劑量。隨著所考察的體積元不斷向深層移動(dòng)，起源于淺層的次級(jí)帶電粒子越來(lái)越多的進(jìn)入所考察的體積元，使得在該體積元中沉積的能量越來(lái)越接近于不帶電粒子在該體積元中釋放的能量，直到體積元深度等于等于次級(jí)帶電粒子的最大射程時(shí)，帶電粒子平衡條件得到滿足，這時(shí)K=D。假如忽視入射粒子在物質(zhì)中的衰減，那么在以后的深度中K、D都保持不變，并且在數(shù)值上K、D接著相等。在輻射防護(hù)領(lǐng)域所關(guān)切的能量范圍內(nèi)，對(duì)于X、γ光子或中子都可以近似地認(rèn)為吸取劑量同比釋動(dòng)能在數(shù)值上是相等的，D≈K。在自然射線中可認(rèn)為D≈K。三照射量照射量照射量是一個(gè)用來(lái)表示X或γ射線在空氣中產(chǎn)生電離實(shí)力大小的輻射量。照射量X定義為dQ除以dm所得商，即X=dQ/dm式中，dQ的值是X或γ射線在質(zhì)量為dm的空氣中，釋放出來(lái)的全部電子（正、負(fù)電子）完全被空氣阻擋時(shí)，在空氣中產(chǎn)生一種符號(hào)的離子的總電荷的確定值。定義中dQ不包括光子在空氣中釋放出來(lái)的次級(jí)電子產(chǎn)生的韌致輻射被吸取后產(chǎn)生的電離。不過(guò)，這僅在光子能量很高時(shí)才有意義。照射量的單位是C?kg-1。過(guò)去，照射量的單位是倫琴（R）。1R=2.58×10-4C?kg-1。只有在滿足電子平衡條件下，才能嚴(yán)格依據(jù)定義精確測(cè)量照射量?，F(xiàn)在能被精確測(cè)量照射量的光子能量限于10keV~3MeV，輻射防護(hù)中能量上限可擴(kuò)大到8MeV。照射量率照射量率?是dX除以dt所得的商，即?=dX/dt式中，dX是時(shí)間間隔dt內(nèi)照射量的增量。照射量率的單位是C?kg-1?s-1。照射量因子對(duì)于單能X或γ射線，空氣中某點(diǎn)的照射量X與同一點(diǎn)處的能量注量Ψ下述關(guān)系X=Ψ(ｕen/ρ)a?（e/Wa）式中(ｕen/ρ)a空氣對(duì)給定的單能X或γ射線的質(zhì)量能量吸取系數(shù)，單位是m2?kg-1；e是電子的電量，值為1.602×10-19C；Wa是電子在干燥空氣中每形成一對(duì)離子所消耗的平均能量，其值為33.85eV。將單能光子的能量注量與注量的關(guān)系Ψ=EΦ帶入上式，得X=fxΦfx=E(ｕen/ρ)a?（e/Wa）稱為照射量因子，它表示與單位光子注量相對(duì)應(yīng)的照射量，其單位為C?kg-1?m2對(duì)于具有譜分布的X或γ射線，則X=∫ΦEfx（E）dEΦE是光子注量按光子能量的微分分布；fx（E）是光子能量為E的照射量因子。照射量與吸取劑量的關(guān)系在帶電粒子平衡條件下，單能X或γ射線在某物質(zhì)中吸取劑量D和能量注量Ψ的關(guān)系為D=Ψ(ｕen/ρ)式中ｕen/ρ是單能X或γ射線對(duì)某物質(zhì)的質(zhì)量能量吸取系數(shù)，單位是m2?kg-1。當(dāng)能量注量Ψ確定不變時(shí)，吸取劑量D與物質(zhì)的質(zhì)量能量吸取系數(shù)ｕen/ρ成正比。即D1/D2=(ｕen/ρ)1/(ｕen/ρ)2---------（1）空氣中照射量和吸取劑量的關(guān)系為Da=（Wa/e）X-------------------（2）Da是在空氣中同一點(diǎn)處的吸取劑量。

將（2）帶入（1）得Dm=33.85[(ｕen/ρ)m/(ｕen/ρ)a]X=fm?X------------（3）Dm是處于空氣中同一點(diǎn)所求物質(zhì)中的吸取劑量，單位為Gy；X是照射量，單位是C?kg-1。fm=33.85[(ｕen/ρ)m/(ｕen/ρ)a]為換算因子其單位為J?C-1。只有當(dāng)忽視軔致輻射和次級(jí)電離過(guò)程再產(chǎn)生的帶電粒子，而且滿足電子平衡條件時(shí)，照射量與吸取劑量數(shù)值上才有（2）和（3）所表示的關(guān)系。吸取劑量、比釋動(dòng)能和照射量的區(qū)分輻射量吸收劑量D比釋動(dòng)能K照射量X適用范圍適用于任何帶電粒子及不帶電粒子和任何物質(zhì)適用于不帶電粒子如X、γ光子、中子等任何物質(zhì)僅適用于X或γ射線并僅限于空氣介質(zhì)劑量學(xué)的含義表示輻射在所關(guān)心體積V內(nèi)沉積的能量，這些能量可來(lái)自V內(nèi)或V外表示不帶電粒子在所關(guān)心的體積V內(nèi)交給帶電粒子的能量，不必注意這些能量在何處，以何種方式損失的表示X或γ射線并僅限于X或γ射線在所關(guān)心的空氣體積V內(nèi)交給次級(jí)電子用于電離、激發(fā)的那部分能量劑量當(dāng)量相同的吸取劑量未必產(chǎn)生同等程度的生物效應(yīng)，因?yàn)樯镄?yīng)受到輻射類型、劑量與劑量率大小、照射條件及個(gè)人差異等因素影響。為了用同一尺度表示不同類型的輻射照射對(duì)人體造成的生物效應(yīng)的嚴(yán)峻程度或發(fā)生幾率的大小，輻射防護(hù)上接受可劑量當(dāng)量這個(gè)輻射量。劑量當(dāng)量H是組織內(nèi)被考察的某一點(diǎn)處的D、Q和N的乘積，即H=DQN式中D是假定輻射誘發(fā)損傷的位置上的吸取劑量；Q與該位置相對(duì)應(yīng)的品質(zhì)因數(shù)。N是考慮由于照射條件的變更而引起的全部其他修正因數(shù)的乘積。N的取值ICPR（國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)）舉薦為1，不再作為劑量當(dāng)量定義中的一部分。品質(zhì)因數(shù)Q是輻射防護(hù)領(lǐng)域中為了以同一尺度衡量各種輻射引起的有害效應(yīng)程度而引進(jìn)的一個(gè)系數(shù)。無(wú)論是內(nèi)照射還是外照射，不同型輻射相應(yīng)的平均品質(zhì)因數(shù)Q可參照下表：射線種類Q近似值能量超過(guò)30KeV的光子（X或γ射線）能量超過(guò)30KeV的電子氚β射線中子質(zhì)子和離子α粒子112252525假如器官或組織同時(shí)受到幾種輻射照射，則可用下式計(jì)算