電離輻射劑量學

第一章電離輻射與物質的相互作用第二講帶電粒子與物質的相互作用最常見的是：電子、β射線、質子、α粒子等。如μ子、π子、質子、α粒子及被加速的原子核等。重帶電粒子中，μ子質量最輕,但也比電子質量大200多倍β射線和電子本質上是相同的，通常所說的電子是指核外電子，而β射線則是指由原子核發射出來的高速電子。重帶電粒子：靜止質量大于電子的帶電粒子。概論每一個相互作用系數值都是與特定輻射、特定能量

和特定物質相聯系的。用于描述相互作用程度的系數都有其獨自的針對性。帶電粒子：作用次數頻繁，每次作用損失能量不多。

不帶電粒子：作用次數稀少，每次作用能量損失可觀。

不帶電粒子通過相互作用產生次級帶電粒子將能量授予物質。相互作用的靶子（Target）與入射輻射發生相互作用的原子核、整個原子以及核外束縛電子。這里提到的靶子其實就是入射輻射的作用對象。因此，靶子的數目與相互作用次數關系密切。若物質原子序數為Z，摩爾質量為M，密度ρ，則單位質量（m）物質中，原子核數aBm=NA/M電子數eBm=NA?Z/M單位體積（V）物質中原子核數aBv=[NA/M]?ρ電子數eBv=[NA?Z/M]?ρ不同物質的Z/M值物質CNOAlPbZ6781382M12141627207Z/M0.50.50.50.480.40由上表可知，低Z物質（包括軟組織）單位質量中包含的電子數近乎相等。液態水的密度＝1.0g/cm3，根據前述得：1cm3水含有的水分子個數（BV）水為：[(1g/cm3)/18]×NA＝3.3×1022已知20°C水蒸氣密度＝1.73×10-5那1cm3水含有的水分子數目為5.8×1017然而，1g液態水和1g水蒸氣包含的水分子同為Bm=(BV)/ρ=3.3×1022個。單位質量物質中含有的靶子數目不因物質狀態的變化而改變。由此得到結論：帶電粒子與物質的

相互作用方式

和能量損失多寡，依賴于帶電粒子的電荷、質量和能量，也取決于物質的原子序數。彈性碰撞僅當帶電粒子的運動速度不高于2183km/s時才會發生，與該速度對應的粒子的動能分別為：

α粒子：0.1Mev

質子：0.025Mev

電子：0.0135Mev通常遇到的質子、α粒子的能量比上述高很多，因此，重帶電粒子在彈性碰撞過程中損失的能量幾可忽略。在常見電子能量范圍內，彈性碰撞的能量損失不超過0.15%。且電子能量越高，發生彈性碰撞幾率越小。2.輻射相互作用（Radiativeinteraction）

（1）軔致輻射（Bremsstrahlung）b<<a，受原子核電場作用產生加速度，帶電粒子以正比于其加速度的平方(z2Z2M-2)的幾率輻射電磁波，其是高能電子能量損失的主要方式，而重帶電粒子可忽略?。韌致輻射釋放的能量與介質的原子序數的平方成正比，與帶電粒子的質量平方成反比，并且隨帶電粒子的能量增大而增大。同一物質中，α粒子能量的輻射損失比能量相同的電子約小107倍。5.電子對生成（Pairproduction）

b<<a，入射帶電粒子與靶核發生電磁互相作用。入射粒子的動能遠大于其靜止能量時，這一過程才是重要的。對電子而言，此過程發生的幾率遠小于軔致輻射、核反應的幾率。3.彈性碰撞（Elasticcollision）b<<a，軔致輻射可忽略，作用體系總動能不改變4.核相互作用（Nuclearinteraction）高能帶電粒子，例如（P，n），（P，2P）等二.阻止本領（Stoppingpower）碰撞過程中帶電粒子能量損失的主要過程是電離和激發

，由此損失的能量被稱為帶電粒子能量的碰撞損失，用碰撞阻止本領

予以定量。依據帶電粒子在物質中穿行距離的表達方式的不同，碰撞阻止本領有：線碰撞阻止本領和質量碰撞阻止本領線碰撞阻止本領除以密度，消除密度的影響。線碰撞阻止本領：Scol=質量碰撞阻止本領：Scol/ρ=（1）碰撞阻止本領分別表示帶電粒子在物質中穿行單位（長度或質量厚度）路程時因電離、激發過程損失的能量。電子：質量碰撞阻止本領β＝V(電子速度)/C光速；B(T)：與電子速度相關的一個因子，計算的結果用Mevcm2/g在水中，10keV電子質量碰撞阻止本領（2）輻射阻止本領質量輻射阻止本領（S/ρ)r：線輻射阻止本領Sr：帶電粒子在軔致輻射過程中損失的能量稱為帶電粒子能量的輻射損失，分別可以用線輻射損失本領和質量輻射阻止本領予以定量。分別表示帶電粒子在物質中穿行單位（長度或質量厚度）路程時因軔致輻射過程損失的能量。帶電粒子的輻射損失依賴于：物質的原子序數Z，帶電粒子的靜止質量Mo，動能T。產生X線，用高能電子轟擊高Z物質，阻擋電子，用低Z物質Srad∝Z2?T/(Mo)2（3）總阻止本領（TotalStoppingPower）重帶電粒子：S≈Scol電子：S=Scol+Srad帶電粒子在物質中穿行單位距離時因電離、激發和軔致輻射損失的總能量。意義:描述帶電粒子與物質相互作用的程度。（1）E<10MeV，主要是電離損失和輻射損失：說明：（2）重帶電粒子，輻射損失可以忽略（3）電子的電離損失與輻射損失比例式中：Z－物質原子序數；E－電子能量一般地：總線阻止本領（Linearstoppingpower）S：極化效應（Polarizationeffect）使（S/ρ）c減少（S/ρ）c與E關系

運動帶電粒子產生的電場使介質中的原子極化，減弱了運動的帶電粒子產生的電場，降低了與較遠的電子作用，從而減少了碰撞能量損失。介質密度越大，近距離原子的極化對較遠電子的影響就大（（Densityeffect））。不同重帶電粒子

若它們在同一種介質中以相同的速度運行時，殼層修正和密度修正相同，故有（歸一化的碰撞阻止本領）。電荷交換效應低能重帶電粒子，會“拾掇”電子，使其有效電荷數z減少。E減少,減少。

3.定限碰撞阻止本領（Restrictedmasscollisionstoppingpower）L?/ρ（1）δ粒子帶電粒子徑跡δ粒子定義：能夠產生分支徑跡的次級電子（2)L?/ρ定義：L?/ρ=(dE/dl)?/ρdE為帶電粒子在密度為ρ的介質中穿行距離為dl時，由傳遞能量小于指定值?的碰撞而損失的能量的數學期望值。L?亦叫傳能線密度LET（Linearenergytransfer）。

LET:特定能量的帶電粒子在介質中穿行單位長度路程時，由能量轉移小于某一指定值的歷次碰撞所造成的平均能量損失。L∞=Sc,L∞/ρ=(S/ρ)c四.射程（Range）帶電粒子沿入射方向所行徑的最大距離，稱為入射粒子在該物質中的射程R。定義：入射粒子在物質中行徑的實際軌跡的長度稱作路程(Path)。路程>射程重帶電粒子的質量大，與物質原子相互作用時，其運動方向幾乎不變。因此，重帶電粒子的射程與其路程相近。若已知能量損失率，從原理上可以求出射程：射程往往通過實驗測定：探測器源平均射程外推射程入射粒子能量高，其射程長；反之則短。在某種物質中，確定的入射重帶電粒子的射程與粒子能量之間存在著確定的關系，常以曲線的形式給出。2.電子和β射線2.連續慢化近似射程r0（Continuousslowingdownapproximationrange）平均投影射程五.產生一對離子所消耗的平均能量W電子在干燥空氣中每形成一個離子對需消耗的平均能量。Wa

=33.97eV/離子