辐射剂量单位与剂量计算

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 辐射剂量单位与剂量计算,辐射剂量学中的量：,吸收剂量 比释动能 照射量 剂量当量,辐射剂量学中使用的量,剂量学中的量是为了对辐射与物质相互作用产生的真,实效应和潜在影响提供一种物理学上的量度。这些量,的数值，既依赖与辐射场的性质又依赖与辐射与物质,的相互作用的程度。,一 吸收剂量,授与能,授与能,是电离辐射以电离、激发的方式授与某一体积中物质的,能量。,=R,IN,-R,OUT,+Q,R,IN,是进入该体积的辐射能；R,OUT,是从该体积逸出的辐射能,Q是,在该体积中发生的任何核变化时，所有原子核和基本粒子静止质,量能变化的总和。,授与能的单位是J。它是个随机变量，但是它的数学期望值，即平,均授与能 是非随机变量。,吸收剂量,吸收剂量D是单位质量受照物质中所吸收的平均辐射能量。即,D=d,/dm,式中d 是电离辐射授与质量为dm的物质的平均能量。,吸收剂量D的单位是J,kg,-1，,专门名称是戈瑞(Gray)。1Gy=1,J,kg,-1,。,过去吸收剂量的专用单位是拉德（rad），1rad=10,-2,Gy。,吸收剂量适用与任何类型的辐射和受照物质，并且是个与一无限小,体积相联系的辐射量，即受照物质中每一点都有特定的吸收剂量数,值。因此在给出吸收剂量数值时，必须指明辐射类型、介质种类和,所在位置。,吸收剂量率,吸收剂量率,是单位时间内的吸收剂量，定义为dD除以Dt所得的,商，即,=dD/dt,式中，dD是时间间隔dt内吸收剂量的增量。,吸收剂量率,的单位是Jkg,-1,s,-1,，亦即Gys,-1,。,带电粒子平衡,设不带电粒子通过体积为V的物质，如图所示。假设在体积V中任取,一点O，并以O点为中心取一小体积元,V。不带电粒子传给小体积,元V的能量，等于它在V内所产生的次级带电粒子动能的总和，,这些次级带电粒子有的产生在V内，也有的产生在V外的。若每,一个带电粒子离开以O点为中心的小体积元V时，就有另一个同种,类、同能量的带电粒子进入该体积元来补偿，则称点O 存在带电粒,子平衡。如果涉及的带电粒子特指电子。则称为电子平衡。带电粒,子平衡总是同辐射场内特定位置相联系的。,在V内存在带电粒子的平衡条件是：,1.在以小体积元V的边界向各个方向伸展距离d至少大于初级入射,粒子在该物质中所产生的次级带电粒子的最大射程R,max,，并在,d R,max,的区域内辐射场是恒定的，即入射的粒子注量和谱分布为,恒定不变。,2.在上述的d R,max,的区域内，物质对次级带电粒子的阻止本领以,及对初级入射粒子的质量吸收系数也应该是恒定不变的。,显然，上述条件是难以实现的，在某些情况下，能够达到相当好的,近似。例如对于,137,Cs、,60,Co的,射线，如果认为入射的辐射1%左,右的衰减可以忽略，那么在受照物质（如水）中可能存在着很好的,近似电子平衡。对于中子，由于建立带电粒子平衡比较容易，因,此，即使中子能量高达30MeV，在某些物质（如水）中仍存在较好,的近似带电粒子平衡。,二 比释动能,转移能,转移能,tr,是不带电粒子在某一体积元内转移给次级带电粒子的初,始动能的总和，其中包括在该体积内发生的次级过程所产生的任何,带电粒子能量。,转移能,tr,单位是J，它同授与能,一样也是随机量，其数学期望,值，即平均转移能 是非随机量。,比释动能,不带电粒子授与物质的能量过程可以分为两个阶段。第一，不带电,粒子与物质相互作用释放出次级带电粒子，不带电粒子的能量转移,给次级带电粒子；第二，带电粒子将通过电离、激发，把从不带电,粒子那里得来的能量授与物质。吸收剂量是表示第二过程的结果。,为了表示第一过程的结果，我们引进另一个新辐射量，即比释动能,比释动能K定义为d,除以dm所得的商，即,K=,d,/dm,式中,d,是不带电粒子在质量dm的物质中释放的全部带电粒子的初,始动能总和的平均值，它既包括这些带电粒子在韧致辐射过程中辐,射出来的能量，也包括在该体积元内发生次级过程所产生任何带电,粒子的能量。,比释动能的单位与吸收剂量的单位相同，即,J,kg,-1或,Gy。,比释动能只适用于不带电粒子，但适用于任何物质。,比释动能率,比释动能率,是dK除以dt所得的商，即,=dK/dt,式中dK是在时间间隔dt内比释动能的增量。,比释动能率,的单位与吸收剂量率单位相同，即,Jkg,-1,s,-1或,Gys,-1,。,比释动能与吸收剂量的关系,在带电粒子平衡条件下，不带电粒子在某一体积元的物质中，转移,给带电粒子的平均能量d,就等于该体积元所吸收的平均能量d,若该体积元物质的质量为dm，则,K=（,d,/dm）=（,d,/dm）,=D,除了满足带电粒子平衡条件外，要使上式成立的另一条件是带电粒,子产生的,韧致辐射可以忽略。对于低能的 X或,射线来说是成立的,但对于高能的X或射线，由于次级带电粒子是电子，有一部分能,量在物质中转变为韧致辐射而离开所关系的体积元，使得KD。,D=(,d,/dm)=(,d,/dm)(1-g)=K(1-g),g是次级电子在慢化过程中，能量损失于韧致辐射的能量分额。,高能电子在高原子序数物质中，g值比较大，在低原子序数物质中g,值一般比较小，可以忽略。,对于中子，当能量底于30MeV时，D和K的数值差别完全可以忽略。,比释动能与吸收剂量在物质中的变化,如果只有不带电粒子入射，则在物质浅层处不存在带电粒子平衡，,因为不带电粒子在该处某一体积元内释放出的能量，并没有全部,沉积在该体积元内。因此比释动能大于吸收剂量。随着所考察的,体积元不断向深层移动，起源于浅层的次级带电粒子越来越多的,进入所考察的体积元，使得在该体积元中沉积的能量越来越接近,于不带电粒子在该体积元中释放的能量，直到体积元深度等于等,于次级带电粒子的最大射程时，带电粒子平衡条件得到满足，这,时K=D。如果忽略入射粒子在物质中的衰减，那么在以后的深度,中K、D都保持不变，并且在数值上K、D继续相等。,在辐射防护领域所关心的能量范围内，对于X、,光子或中子都,可以近似地认为吸收剂量同,比释动能在数值上是相等的，D,K,。,在天然射线中可认为D K。,三 照射量,照射量,照射量是一个用来表示X或,射线在空气中产生电离能力大小的辐,射量。照射量X定义为dQ除以 dm所得商，即,X=dQ/dm,式中，dQ的值是X或射线在质量为dm的空气中，释放出来的全部,电子（正、负电子）完全被空气阻止时，在空气中产生一种符号的,离子的总电荷的绝对值。,定义中dQ不包括光子在空气中释放出来的次级电子产生的,韧致辐射,被吸收后产生的电离。不过，这仅在光子能量很高时才有意义。,照射量的单位是C,kg,-1,。过去，照射量的单位是伦琴（R）。,1R=2.58,10,-4,C,kg,-1,。,只有在满足电子平衡条件下，才能严格按照定义精确测量照射量。,现在能被精确测量照射量的光子能量限于10keV3MeV，辐射防护,中能量上限可扩大到8MeV。,照射量率,照射量率,是dX除以dt所得的商，即,=dX/dt,式中，dX是时间间隔dt内照射量的增量。,照射量率的单位是C,kg,-1,s,-1,。,照射量因子,对于单能X或,射线，空气中某点的照射量X与同一点处的能量注,量,下述关系,X=,(,en,/,),a,（,e,/,W,a,）,式中,(,en,/,),a,空气对给定的单能X或,射线的质量能量吸收系数，,单位是m,2,kg,-1,；,e,是电子的电量，值为1.602,10,-19,C；W,a,是电子在,干燥空气中每形成一对离子所消耗的平均能量，其值为33.85eV。,将单能光子的能量注量与注量的关系,=E,带入上式，得,X=,f,x,f,x,=E(,en,/,),a,（,e,/,W,a,）称为照射量因子，它表示与单位光子注量,相对应的照射量，其单位为C,kg,-1,m,2,对于具有谱分布的,X或,射线，则,X=,E,f,x,（E）dE,E,是光子注量按光子能量的微分分布；,f,x,（E）,是光子能量为E的,照射量因子。,照射量与吸收剂量的关系,在带电粒子平衡条件下，单能X或,射线在某物质中吸收剂量D和能,量注量,的关系为,D=,(,en,/,),式中,en,/,是单能X或,射线对某物质的质量能量吸收系数，单位,是m,2,kg,-1,。,当能量注量,确定不变时，吸收剂量D与物质的质量能量吸收系数,en,/,成正比。即,D,1,/D,2,=(,en,/,),1,/(,en,/,),2,-（1）,空气中照射量和吸收剂量的关系为,D,a,=（W,a,/e）X -（2）,D,a,是在空气中同一点处的吸收剂量。,将（2）带入（1）得,D,m,=33.85(,en,/,),m,/(,en,/,),a,X=,f,m,X-（3）,D,m,是处于空气中同一点所求物质中的吸收剂量，单位为Gy；X是,照射量，单位是C,kg,-1,。f,m,=,33.85(,en,/,),m,/(,en,/,),a,为换算因子,其单位为J,C,-1,。,只有当忽略轫致辐射和次级电离过程再产生的带电粒子，而且满足,电子平衡条件时，照射量与吸收剂量数值上才有（2）和（3）所表,示的关系。,吸收剂量、比释动能和照射量的区别,辐射量,吸收剂量D,比释动能K,照射量X,适用,范围,适用于任何带电粒子及不带电粒子和任何物质,适用于不带电粒子如X、光子、中子等任何物质,仅适用于X或射线并仅限于空气介质,剂量学的含义,表示辐射在所关心体积V内沉积的能量，这些能量可来自V内或V外,表示不带电粒子在所关心的体积V内交给带电粒子的能量，不必注意这些能量在何处，以何种方式损失的,表示X或射线并仅限于X或射线在所关心的空气体积V内交给次级电子用于电离、激发的那部分能量,剂量当量,相同的吸收剂量未必产生同等程度的生物效应，因为生物效应受到,辐射类型、剂量与剂量率大小、照射条件及个人差异等因素影响。,为了用同一尺度表示不同类型的辐射照射对人体造成的生物效应的,严重程度或发生几率的大小，辐射防护上采用可剂量当量这个辐射,量。,剂量当量H是组织内被考察的某一点处的D、Q和N的乘积，即,H=DQN,式中D是假定辐射诱发损伤的位置上的吸收剂量；Q与该位置相对应,的品质因数。N是考虑由于照射条件的改变而引起的所有其他修正因,数的乘积。N的取值ICPR（国际辐射防护委员会）推荐为1，不再作,为剂量当量定义中的一部分。,品质因数Q是辐射防护领域中为了以同一尺度衡量各种辐射引起的,有害效应程度而引进的一个系数。,无论是内照射还是外照射，不同型辐射相应的平均品质因数Q可参照,下表：,射线种类,Q近似值,能量超过30KeV的光子（X或,射线）,能量超过30KeV的电子,氚,射线,中子,质子和离子,粒子,1,1,2,25,25,25,如果器官或组织同时受到几种辐射照射，则可用下式计算,H=,D,i,Q,i,i表示辐射类型。,因为Q无量纲，所以剂量当量与吸收剂量的单位都是J,kg,-1,。单位的,名称是希沃特，简称”希“，符号Sv。过去剂量当量的专用单位是雷,姆（rem），1rem=10,-2,Sv=10,-2,J,kg,-1,。,剂量当量率,剂量当量率,是单位时间内的剂量当量,=dH/dt,dH是在时间间隔dt内的剂量当量的增量。,剂量当量率单位是,J,kg,-1,s,-1,，相应的符号是Sv,s,-1,。,