电离辐射剂量学.ppt

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1、,电离辐射剂量学,本课程的用途,放射学科的基石专业拓展和技术提高的工具辐射理论研究和应用研究的前提,学习本课程的要求,必要的高等数学知识 微积分、微分方程、数值计算、解析几何必要的原子物理知识 微观尺度、原子和原子核物理必要的计算机编程技术 至少一门编程语言必要的英语 普通英语、专业英语,课程讨论方式,课堂随问随答方式办公室讨论 邮件联系 电话联系,一些关于学习的建议,建议当堂提问建议课后复习理解建议多动笔,建议阅读的书籍,辐射剂量学导论ICRP 60号出版物ICRP 2007 新建议书NCRP 51号报告程序设计Medical Physics 杂志,第一章 电离辐射和电离辐射场Ch2 Ion

2、izing radiation and its field,引 言,电离（Ionization）：从原子、分子或其他束缚状态释放一个或多个电子的过程。在电离过程中产生的负离子和正离子形成离子对。,激发（Excitation）：如果上述过程中电子尚不能摆脱原子核的束缚，只能从低能态跃迁到高能态，则称为 激发。,如果电离过程中释放的电子能量超过100 eV，则称其为 射线。电离的起因：1、带有足够动能的带电粒子通过与物 质原子、分子的碰撞直接产生。,电离的起因：2、不带电的光子、中子也能直接产生 电离，但这类电离主要是靠它们与 物质 相互作用 过程中产生的 次级 带电粒子间接来完成的。,电离的起因

3、：3、低能带电粒子，已不能直接产生电 离，但还能通过其诱发核、基本粒 子转变过程发出的次级带电粒子进 一步产生电离。,电离辐射（Ionizing Radiation）：能通过直接过程、次级过程引起物质电离的 不带电粒子 和 带电粒子组成的辐射。,辐射效应（Radiation Effect）：电离辐射引起受照物质性质的变化 通过电离、激发，辐射的能量被物质吸收，引发物质性质的改变。如：物质变热、变色等。,辐射效应（Radiation Effect）：一旦人体组织受到照射，会造成DNA分子损伤、细胞变异或死亡。物质吸收辐射能量越多，辐射效应的程度越大。,辐射剂量（Radiation Dose）：预

4、测电离辐射导致受照物质发生真实效应或潜在影响程度的物理指标。其数值取决于辐射的类型、能量以及受照物质的性质，同时也依赖于照射条件(时间、方式和途径)。,辐射剂量学（Radiation Dosimetry）：研究 电离辐射能量在受照物质中转移和吸收的规律。剂量分布与照射条件的联系 辐射剂量测、算方法 辐射剂量与辐射效应关系。,度量和单位：1、电子伏特（eV）真空中一个电子在一伏特电压作用下获得的能量。与焦耳（J）的关系：,2、平面角 由一点发出的两条射线所规定的平面范围。圆心在顶点的一个圆被两射线所截的弧长 a 与该圆半径 r 的比值：单位为 rad（弧度）,3、立体角 由一个锥面规定的空间范围

5、 球心在锥顶的一个球面被锥面截下的面积 S 与该圆半径平方 r2 的比值：单位为 Sr（球面度）,4、放射性衰变参数 物理衰变常数：单位时间内，放射性原子核发生衰变的份额，1/s 物理半衰期 T1/2：放射性原子核减少一半所需要的时间，s。,5、放射性衰变规律,6、放射性活度（Activity）t 时刻，单位时间内，样品中自发发生核转变的原子核个数。单位：1/s，名称：Bq（贝克）,电离辐射场（Ionizing Radiation Field）电离辐射在其中 通过、传播乃至经由相互作用 传递辐射能量的整个空间范围。,辐射场性质的内涵辐射场类型 辐射场，辐射场，辐射场 中子辐射场，混合辐射场粒子

6、能量 单能辐射场 具有能量分布的辐射场,辐射场性质的内涵粒子运动方向 单向辐射场 多向辐射场,各向同性辐射场（Isotropic Radiation Field）从各个方向到达辐射场某点具有特定能量的同类粒子数目都相同的辐射场,辐射场性质的时空相关性辐射场的性质常随 观察时间 和 空间位置 的变迁而改变。完整描述一个辐射场，需要从以下五个方面进行。,为完整描述辐射场，必须了解：任意时刻，（T）沿 任意方向，到达辐射场（）任意位置的（P）任意类型、（K）任意能量的（E）粒子数目或它们携带的辐射能量,描述辐射场性质的两个简单物理量粒子注量（Particle Fluence）,能量注量（Energy

7、 Fluence）,T时间内，进入以 r 点为球心的单位截面积小球的粒子数或辐射能。单位：m-2，J m-2,和 的说明 对于单向或多向辐射场，在小球内总能找到和入射粒子方向垂直的横截面 所以，粒子注量和能量注量分别就是从各个方向进入所关心小球的粒子数及其携带的辐射能。,粒子注量率(Particle Fluence Rate),能量注量率(Energy Fluence Rate),t 时刻，单位时间内，辐射场 r 点处 粒子注量 或 能量注量 的 增加量单位：m-2 s-1，J m-2 s-1,按照分布（distribution）来理解，T 时间内的粒子注量 是粒子注量按时间的 积分分布。t

8、时刻的粒子注量率 是粒子注量按时间的 微分分布。,需要注意的是，单位时间内，到达 r 点处的粒子未必都具有相同的方向性，从而提示：粒子注量率 能量注量率存在着按粒子运动方向的分布,粒子辐射度（Particle Radiance）能量辐射度（Energy Radiance）它们分别是 粒子注量率 和 能量注量率按粒子运动方向 的微分分布。,粒子辐射度（Particle Radiance）能量辐射度（Energy Radiance）它们的含义是 沿(,)方向，单位立体角入射的那些粒子构成的粒子注量率和能量注量率。单位:m-2 s-1 sr-1,J m-2 s-1 sr-1,如果已知沿各个方向入射的

9、 粒子辐射度则辐射场 r 点处总的粒子注量率即为粒子辐射度对方向的求和。,再要注意的是，单位时间内沿方向单位立体角入射到辐射场 r 点处的粒子未必都有相同的能量，于是知道：粒子辐射度 能量辐射度存在按粒子能量 的分布。,粒子辐射度 按粒子能量的微分分布，是由能量为 E 的那些粒子构成的粒子辐射度。意指：t 时刻单位时间内，沿方向单位立体角入射到辐射场 r 点的，单位能量间隔内能量为 E的粒子数。,粒子辐射度 按粒子能量的积分分布，是由能量0 E 的那些粒子构成的粒子辐射度。意指：t 时刻单位时间内，沿方向单位立体角入射到辐射场 r 点的，能量在0 E 间的粒子数。,粒子辐射度按粒子能量的 微分

10、分布和积分分布的关系：能量辐射度按能量的微分分布粒子辐射度按能量的微分分布 两者关系为：,描述辐射场性质最基本的量 是：任何一种辐射类型 i 的粒子辐射度按粒子能量的微分分布 相应的，能量辐射度按粒子能量的微分分布为：,本章思考题1、电离，激发，辐射场，辐射剂量2、粒子注量，能量注量，粒子辐射度3、试描述粒子辐射度按粒子能量的微分分布 与粒子注量的关系,本章附加思考题4、有人说：辐射场中P点的注量值等于发生 在P点处无限小体积dV的粒子径迹长度（假定径迹为直线）的总和的期望值与dV 的商。试针对一个球形体积证明此言。,第二章 电离辐射与物质的相互作用程度Ch 2 Extent of Inter

11、action of Ionizing Radiation with Matter,概 论 相互作用（Interaction）在物质中，电离辐射的能量、方向 发生变化的随机过程。,相互作用后，会产生一个或多个次级粒子。入射辐射的一部分能量将向次级粒子转移。相互作用的程度依赖于：辐射的 类型 和 能量，以及 物质的 性质（原子序数）,用于描述相互作用程度的系数都有其独自的针对性。每一个相互作用系数值都是与 特定辐射、特定能量 和 特定物质 相联系的。,带电粒子：作用次数频繁，每次作用损失能量不多 不带电粒子：作用次数稀少，每次作用能量损失可观 不带电粒子通过相互作用产生次级带电粒子将能量授予物质。

12、,相互作用的靶子（Target）与入射辐射发生相互作用的 原子核、整个原子 以及 核外束缚电子。这里提到的靶子其实就是入射辐射的作用对象。因此，靶子的数目与相互作用次数关系密切。,若物质 原子序数为 Z，摩尔质量为 M，密度 则单位质量（m）物质中，原子核数 aBm=NA/M 电子数 eBm=NA Z/M 单位体积（V）物质中 原子核数 aBv=NA/M 电子数 eBv=NA Z/M,不同物质的 Z/M 值 由上表可知，低 Z 物质（包括软组织）单位质量中包含的电子数近乎相等。,液态水的密度 1.0 g/cm3,根据前述得 1 cm3 水含有的水分子个数（BV）水 为：(1 g/cm3)/18

13、 NA 3.3 1022 已知 20C 水蒸气密度1.7310-5 那1 cm3 水含有的水分子数目为 5.81017,然而，1g 液态水和 1g 水蒸气包含的水分子同为 Bm=(BV)/=3.3 10 22 个。由此得到结论：单位质量物质中含有的靶子数目不因物质状态的变化而改变。,相互作用截面（CrossSection）单位注量的入射辐射与一个靶子发生一次相互作用的几率。若入射辐射注量为，其与一个靶子发生相互作用的几率为 P，则截面为：,如果入射辐射可能与靶子发生多种相互作用则相互作用的总截面 总 为：总 J依据靶子类型的不同，截面可以是：原子截面 a，电子截面 e 且 a e Z,衰减系数

14、若入射辐射粒子注量为，在均匀物质中穿行 距离，其粒子注量将减少：,线衰减系数 等式两边同时除以物质密度，得：质量衰减系数，m2 kg-1 质量厚度,入射辐射在物质中穿行 dl 厚度时涉及到的物质质量。,线衰减系数(Linear attenuation coefficient)表示：单位注量的入射辐射在单位体积物质中引发一次相互作用的几率。或者说入射辐射在物质中穿行单位长度距离时，其粒子注量减少的份额。,质量衰减系数(mass attenuation coefficient)表示：单位注量的入射辐射在单位质量物质中引发一次相互作用的几率。或者说入射辐射在物质中穿行单位质量厚度时，其粒子注量减少的

15、份额。,例如：1Mev光子在铝中的 线衰减系数为 0.166 cm-1，质量衰减系数为 0.0615 cm2/g 请说说上述数值的含义,带电粒子能量在物质中的吸收Absorption of Energy of Charged Particles in Matter,带电粒子进入物质后，主要受到物质中原子核和电子的电磁作用，致使运动着的带电粒子 改变方向、减少能量.若无能量形式的改变，则称：弹性散射 或 弹性碰撞 否则表现为 电离、激发、轫致辐射,高能电子：主要通过轫致辐射损失能量电子：运动速度超过同一物质中的光速时部分能量变成可见光，契伦科夫辐射。高能重粒子：主要通过核反应,带电粒子与物质的

16、相互作用方式 和 能量损失多寡 依赖于带电粒子的 电荷、质量和能量，也取决于 物质的原子序数。,弹性碰撞仅当带电粒子的运动速度不高 于2183km/s时才会发生，与该速度对 应的粒子的动能分别为：粒子：0.1 Mev 质子：0.025 Mev 电子：0.0135 Mev,通常遇到的质子、粒子的能量比上述高很多，因此，重带电粒子在弹性碰撞过程中损失的能量几可忽略。在常见电子能量范围内，弹性碰撞的能量损失不超过0.15%。且电子能量越高，发生弹性碰撞几率越小。,碰撞过程中带电粒子能量损失的主要过程是 电离 和 激发，由此损失的能量被称为 带电粒子能量的碰撞损失，用 碰撞阻止本领 予以定量。,依据带

17、电粒子在物质中穿行距离的表达方式的不同，碰撞阻止本领有：线碰撞阻止本领，Scol(Linear Collision Stopping Power)质量碰撞阻止本领，Scol/(Mass Collision Stopping Power),线碰撞阻止本领，Scol，J/m 质量碰撞阻止本领，Scol/,J m2/kg 分别表示带电粒子在物质中穿行 单位（长度或质量厚度）路程时因 电离、激发过程损失的能量。,电子：质量碰撞阻止本领 V(电子速度)/C 光速 B(T)：与电子速度相关的一个因子计算的结果用 Mev cm2/g,在水中,10 keV 电子质量碰撞阻止本领,轫致辐射（Bremsstrah

18、lung）物质中带电粒子受到原子核、电子电场的作用，运动方向发生大的偏折，部分动能变成能量连续分布的X射线的光子能量。,带电粒子在 轫致辐射过程中损失的能量 称为带电粒子能量的辐射损失，分别可以用 线辐射损失本领 和 质量辐射阻止本领 予以定量,线辐射损失本领(Linear radioactive stopping power)质量辐射阻止本领(Mass radioactive stopping power)分别表示带电粒子在物质中穿行 单位（长度或质量厚度）路程时因 轫致辐射过程损失的能量。Srad J/m,Srad/J m2/kg,带电粒子的辐射损失依赖于：物质的原子序数 Z，带电粒子的静

19、止质量 M0，动能 T Srad Z2 T/(M0)2产生 X 线，用高能电子轰击高 Z物质阻挡电子，用低Z物质,总阻止本领（Total Stopping Power）带电粒子在物质中穿行单位距离时因电离、激发和轫致辐射损失的总能量。重带电粒子：S Scol 电子：S=Scol+Srad,物质中 X、射线能量的转移和吸收Energy Transfer and Absorption of X,Ray in Matter,X、射线与 可见光、紫外线 无线电波、红外线 一样属于电磁辐射，具有波粒二象性。,物质中，X、射线能量损失的主要方式 光电效应 康普顿散射 电子对产生,光电效应：该过程中，原子吸

20、收整个入射光子，继而从原子壳层释放出一个电子(光电子)只要入射光子的能量大于K层电子的结合能，则80的光电子出自K层。,光电效应后的继发过程：释出壳层电子的原子复原时，将通过两种过程释放多余的结合能。1、发射特征 X 射线（标识辐射）具有份额，f 2、释放更外层的电子（俄歇电子）具有份额，1f,于是，光电效应过程中，次级电子得到的能量为：得到光子能量的份额为：,光电效应后的继发过程：释出壳层电子的原子复原时，将通过两种过程释放多余的结合能。1、发射特征 X 射线（标识辐射）具有份额，f 2、释放更外层的电子（俄歇电子）具有份额，1f,光电效应的原子截面：有，向次级电子转移能量的原子截面,光电子

21、的出射方向取决于入射光子的能量 h，如果 h 1 Mev，则出射方向趋于光子的入射方向。如果 h 1 Mev，则出射方向趋于光子的入射方向。,康普顿散射：如果入射光子的能量比原子中束缚电子的结合能大很多，则就光子而言，可认为原子中的束缚电子是”自由”的。康普顿散射就是入射光子与“自由电子”的弹性碰撞。,因此，康普顿散射的电子截面对于各种物质来说都是相同的。康普顿散射中，入射光子的部分能量传递给电子（反冲电子），减少了能量的光子（散射光子）同时也改变了原来的运动方向。,该过程中，反冲电子得到的能量为：所占能量份额为：反冲电子以及散射光子出射方向的变化规律与光电效应中光电子相同。,电子对产生：入射

22、光子遭到原子核电场的相互作用，光子的部分能量变成一个负电子和一个正电子的静止质量能(20.511Mev)其余能量转变成这两个电子的动能：,正负电子各占一半动能 的几率最大。且它们的出射方向和光子的入射方向大体一致。正电子也会和负电子一样在物质中通过电离激发和轫致辐射过程损失能量,质湮辐射（Annihilation Radiation）正电子还可能与物质中的自由电子复合，接着发出运动方向相反、能量相等且不小于0.511Mev的两个光子。只有在正电子能量耗尽时发生质湮辐射的可能性最大。,电子对产生的原子截面：向次级电子转移能量的电子截面：,X、射线进入物质后，有可能不经过任何相互作用而穿透出去。一

23、旦发生了相互作用，则会按照前述过程被吸收或散射。,X、射线的衰减系数Attenuation Coefficient of X,Rays,X、射线的衰减系数：入射光子遭遇相互作用的原子截面 相应的衰减系数为：,光子究竟发生何种相互作用过程，与：光子能量 和 物质性质 有关。一般，物质中，入射光子的衰减：低能光子 主要通过 光电效应高能光子 主要通过 电子对产生康普顿散射的能量范围：25keV-25MeV,半价层，d1/2：使入射光子注量减少一半需要的物质层厚度，cm。平均自由程，：入射光子在物质中接连两次相互作用间穿行的平均距离，cm。,已知，1MeV的光子在水中 线衰减系数0.0707 cm-

24、1,则，物质水对1MeV光子的 半价层，d1/20.693/0.0707=10 cm 平均自由程，=14 cm。,窄束射线 如果 电离辐射贯穿物质后，可忽略散射粒子的影响，则称辐射是窄束的。,X、射线的能量转移系数Energy Transfer Coefficient of X,Rays,由于各种过程，光子能量向次级电子转移能量的总截面为：与此相应，能量转移系数为：,能量转移系数 和 分别为 X，射线在物质中穿行单位长度或单位质量厚度时，因相互作用其能量向次级电子转移的份额。,X、射线的能量吸收系数Energy Absorption Coefficient of X,Rays,从入射光子那里得

25、到能量的次级电子将进一步通过电离、激发和轫致辐射过程损失能量。如果用符号 g 表示次级电子能量的辐射损失份额，则有：X，射线的能量吸收系数表为,分别表示 X，射线在物质中穿行单位长度或单位质量厚度时，因相互作用其能量向次级电子转移并以电离激发方式传递给物质的份额。,X、射线三种相互作用系数本质区别,衰减系数，入射辐射注量遭受相互作用的份额能量转移系数，入射光子能量向次级电子传递的份额能量吸收系数，传递给次级电子的能量被用于电离激 发的份额,中子能量在物质中的转移和吸收Energy Transfer and AbsorptionOf Neutron in Matter,中子不带电 它只与物质的原

26、子核发生相互作用 作用过程有两类：散射和吸收,中子能量在物质中的转移和吸收Energy Transfer and AbsorptionOf Neutron in Matter,散射：弹性散射（n；n），中子部分动能向与其碰撞的原子核转移，自身则改变原来的运动方向。原子核越轻，得到的能量越多。氢核易受弹性散射，得到的能量最多。平均为En/2，最多为全部En。,散射：非弹性散射（n；,n），中子损失部分能量，使原子核变成激发态，退激时放出 光子。该过程发生存在阈值：En 0.1MeV且重核的截面大于轻核的截面,散射：去弹性散射（n；多个 n），中子与原子核作用后产生多个中子，核内质子数照旧。唯有高

27、能中子才能有此过程。,吸收：俘获过程，（n；）或（n；p）原子核吸收中子，以发射光子或带电粒子的形式释出多余能量。如：1H（n；）2H，辐射俘获 14N（n；p）14C,吸收：散裂过程，原子核吸收中子，发出多个粒子。如：12C（n；n,3）14N（n；2）7Li,中子在物质中的能量转移：由上可知，中子与原子核作用，产生的次级粒子很多是重带电粒子，这些粒子在物质中基本通过电离激发过程耗尽其全部能量。,中子在物质中的能量转移：此外，中子在与物质相互作用过程中产生的光子将依照光电效应、康普顿散射和电子对产生等过程向物质传递其能量。,本章思考题：1、截面、阻止本领、轫致辐射、衰减系数、能量转移和吸收系

28、数 中子的散射和吸收2、试述光子与物质相互作用的类型和相 互作用程度的度量,本章思考题：3、已知1MeV光子在某物质中的半价层是2.3mm，试求出将该种入射光子注量减少到原来的1/10需要的该种物质厚度,第三章 辐射效应的物理量度Ch3 Physical Measurement of Radiation Effect,物理量 作为物理现象的观察指标，可分为2类 量值遵循概率分布的 随机量(Stochastic Quantities)量值具有单值性质的 非随机量(Non-Stochastic Quantities),随机量的性质 随机量是与特定的微观体积相联系的 只有规定了体积的大小，才能讨论其

29、数值的分布。随机量的数值无法预计，只能根据统计规律确定其取某一特定值的几率。,非随机量的性质 非随机量数值可以预测，对于特定的照射条件，一种宏观量的数值可以用另一个宏观量加以确定。非随机量是时间、空间和数值的连续函数，可延伸出速率和梯度。,除非特殊需要，目前，放射生物学研究 和 放射防护与评价 常常采用具有统计平均值性质的 非随机量（宏观量）来表示,非随机的电离辐射剂量值 取决于：辐射场的性质 电离辐射与物质的相互作用程度非随机剂量值 辐射场量值 相互作用系数值,给出宏观量值时，必须说明相关的：量值单位、空间位置、时间（时刻）如果涉及的是辐射剂量值，除非已经默认，否则还必须说明：辐射的类型和受

30、照物质的种类。,给出宏观量值时，必须说明相关的：量值单位、空间位置、时间（时刻）如果涉及的是辐射剂量值，除非已经默认，否则还必须说明：辐射的类型和受照物质的种类。,授予能量及其空间分布 无论电离辐射还是受照物质，都是由一个个分立的个体组成。电离辐射与物质的相互作用又都是一个个不连续、随机发生的独立事件。,不管电离辐射带电与否，它们都是通过带电粒子的电离激发过程向物质传递能量的。同时，值得提醒的是，原子核衰变本身就已经造成自身原子的电离或激发。,授予能量（Energy Imparted），物质中以电离、激发方式沉积的辐射能量。沉积能量的同时，辐射会在物质中留下一连串的电离激发痕迹，称为 入射辐射

31、的 径迹（Track）,受照物质中，辐射径迹会随照射水平的提高而成比例的提高。不过，即使宏观照射水平相同，物质中辐射径迹的空间分布会因辐射类型的不同而有很大差异。,依上所述，可以见得：受照物质内 电离、激发事件的 空间分布 并非均匀。,受照细胞中，中子、重带电粒子径迹稀疏，径迹内能量沉积非常密集。光子、电子径迹密布，径迹内能量沉积非常分散。尽管如此，径迹内仍有离子簇出现。,辐射品质（Radiation Quality）不同类型的辐射诱发生物效应的能力有着明显的区别。这是因为不同类型的辐射有着不同的辐射品质。,辐射品质（Radiation Quality）电离辐射授予物质的能量在微观空间（分子、

32、细胞）内的分布。辐射的生物效应起源于生物体细胞或DNA分子的辐射损伤。,为探讨不同类型的辐射诱发生物效应能力的差异，势必要求了解：电离辐射授予生物体的能量在 细胞、分子大小的微观空间内 分布的特点,小型细胞直径约为 1 um，DNA双螺旋结构直径约为2 nm。分别相当于6000eV和100eV的电子在软组织中的射程。也就是6000eV和100eV的电子近乎分别在细胞和DNA分子大小的空间范围内耗尽它们的能量。,描述辐射品质的物理量：传能线密度，L（Linear Energy Transfer）放射生物学中称：线能量转移，LET,传能线密度，L 定义，L(dE/dl),keV/um 特定能量的带

33、电粒子在物质中穿行 单位长度时，由能量转移 小于或等于特定值(eV)的历次碰撞所致的能量损失。,如果传能线密度计为 L 则表示带电粒子在物质中穿行 单位长度时，由能量转移 取一切可能值的历次碰撞所致的 能量损失。显然，L 线碰撞阻止本领,若某种辐射在软组织中的 传能线密度 L100eV6 keV/um，表示 相应带电粒子在软组织中穿行1um时，在与100eV相应的2nm(DNA)空间范围内局部给予软组织的能量为 6 keV。L100eV 值越大，DNA变化的可能性越大,在某种程度上，一种辐射的传能线密度值反映其诱发生物效应的能力。放射生物学依据辐射的 L 的大小，把电离辐射分为：高LET辐射

34、和 低LET辐射,低LET辐射：生物学效能与 250kVp X射线 或 Co-60 射线 相仿的电离辐射。如：射线，电子束，光子束,高LET辐射：生物学效能高于 250kVp X射线 或 Co-60 射线 的电离辐射。如：射线，裂变碎片，中子束 高能重带电粒子束,尽管传能线密度用了能量截止值 来表征电离辐射在与值相应的空间范围内局部授予物质的能量，但L 的定义中并未规定局部授予的那部分能量一定是在相应大小的细胞、分子中发生的。,所以，传能线密度L 并不代表所关心的微观空间（细胞、分子）中辐射真正沉积的能量。因此，传能线密度并不是描述辐射品质的理想指标。,为了更加直接的描述辐射品质，应了解辐射在

35、细胞、分子大小空间内实际授予的能量值。为此，提出：线能 和 比能 Lineal Energy Specific Energy,线能 y 定义为:单次能量沉积事件中，电离辐射授予某一体积（如细胞）内的能量 除以该体积的平均弦长 d 得到的商。y=/d keV/um d=4V/a cm,比能 z 定义为:辐射授予某一体积内的能量 除以该体积内物质的质量 m 得到的商。z=/m keV/kg比能可以用于单次和多次能量沉积事件,显然，与单次能量沉积事件相应的比能 z1 与线能 y 的关系如下：z1 4y/a 线能和比能都是可测量的随机量，需要用统计学方法描写它们的性质。,以比能为例，比能的分布函数：F

36、(z)=P(z=z)表示：所关心体积内比能 z 小于或等于 特定值 z 的概率为 P。,以比能为例，比能的几率密度：f(z)=dF(z)/dz表示：所关心体积内单位比能间隔内 比能为特定值 z 的概率,所关心体积内，比能 z 的平均值,基本的剂量学量用于表征：电离辐射在所论体积内向单位质量物质授予或转移的辐射能量。吸收剂量 D(J/kg,戈瑞，Gy)比释动能 K(J/kg,戈瑞，Gy),吸收剂量 D(T,r)，Absorbed Dose T时间内，电离辐射在 r 点处某一体积内授予单位质量物质的平均辐射能量 或者，吸收剂量是单位质量物质吸收的平均辐射能量。D=d/dm,为确定 r 点处的吸收剂

37、量值 D(T,r)，授予能量的那个体积必须非常小，以便显示因辐射场、物质不均匀造成的剂量值随空间位置 r 点的变迁而变化的情况,为确定 r 点处的吸收剂量值 D(T,r)，授予能量的那个体积又必须足够大，保证考察授予能的T时间内，其中有相当多的作用过程，以致因作用过程的随机性导致授予能量的统计不确定性可以忽略,比释动能 K(T,r)KermaKinetic energy released per unit mass,不带电粒子授予物质能量分为两个过程1、通过相互作用向次级带电粒子转移2、次级带电粒子通过电离激发授出与第一阶段对应的是 比释动能 K与第二阶段对应的是 吸收剂量 D,比释动能 K(

38、T,r)是：T时间内，不带电的电离辐射在 r 点处的单位质量物质中释出的所有次级带电粒子初始动能之和的平均值。或者，入射的光子束或中子束在单位质量物质中转移的平均辐射能量。,因为次级带电粒子的能量损失分为：碰撞 和 辐射 损失所以，比释动能依此分为：碰撞比释动能 和 辐射比释动能,据前，如果次级带电粒子损失于轫致辐射的能量份额为 g，则有：,显然，碰撞比释动能和辐射效应的关系更为密切。碰撞比释动能就是不带电辐射在单位质量物质中释出所有次级带电粒子初始总动能中最终以电离激发方式损失的那部分能量。,吸收剂量：适用于任何物质和任何辐射比释动能：适用于任何物质和不带电辐射除非默认，否则在给出吸收剂量和

39、比释动能数值时应给出辐射类型和物质种类,吸收剂量和比释动能的区别 K 明确描述光子、中子向次级带电粒子转移的动能。D 明确描述受照物质真正吸收的辐射能量。,辐射平衡（Radiation Equilibrium）通常，受到光子、中子照射的某一体积内物质的吸收剂量和比释动能的数值未必相等。其原因和如下因素有关：,1、在该体积中释出的带电粒子具有一定的射程，由其产生的电离激发事件不一定都在该体积中发生。次级带电粒子会从产生它的那个体积带走部分能量去另外的体积。,2、次级带电粒子的能量转变为轫致辐射后，将大多被更远位置处的物质所吸收3、光子、中子在其他体积产生的带电粒子会携带一部分能量进入所关心的那个

40、体积,辐射平衡 若任何类型给定能量的辐射从关心体积中带走的能量可由同样能量同样辐射带入该体积的能量给予完全补偿，则称该体积存在完全的辐射平衡。,完全辐射平衡的条件 1、无限大均匀介质 2、均匀分布放射源引申：带电粒子平衡 CPE Charged Particle Equilibrium,带电粒子平衡 若受到外照的物质中由任何类型给定能量的带电粒子从 r 点关心体积中带走的能量可由同样能量同类带电粒子带入该体积的能量给予完全补偿，则称r 点该体积存在完全的带电粒子平衡,只要所关心一点 r 处入射辐射产生的次级带电粒子达到平衡，则 r 点处相关体积内物质吸收的能量正好等于入射辐射在该体积内产生的次

41、级带电粒子在电离激发过程中损失的能量。,也就是，只要所关心一点 r 处入射辐射产生的次级带电粒子达到平衡，则 r 点处吸收剂量为：入射带电粒子束 光子、中子束,受照物质中 比释动能和能量注量的关系如下：如果 r 点处是单能辐射场，有：,由前易得，r点碰撞比释动能和能量注量的关系为：如果 r 点处是单能辐射场，有：,设 r 点处，光子、中子的能量注量相同两种受照物质的比释动能有：如果是碰撞比释动能，有：,受照物质中剂量分布的一些术语：峰值吸收剂量，Dm 受照物质中最大的吸收剂量值参考深度，dm 受照物质中与峰值吸收剂量对应的 深度,受照物质中剂量分布的一些术语：剂量建成（电子积累）吸收剂量随物质

42、的广度深度增大而增大的一种情况，与之对应的区域称为剂量建成区或电子积累区。,受照物质中剂量分布的一些术语：准平衡 D(d)/K(d)=C,D(d)/Kc(d)=C 随受照物质深度增加，吸收剂量值按比释动能减少规律成比例减小的一种情况,与周围物质 n 不同的小块物质 m 的吸收剂量 就是在不改变周围物质 n 中入射辐射及其次级粒子谱、角分布的情况下根据量值关系确定 m 物质的吸收剂量。,CPE条件下，辐射场 r 点处D水、D肌肉、D软组织、D空气、K空气的数值大致相等，有：D水D肌肉 D软组织 D空气 K空气,照射量（Exposure）是指X、射线在单位质量空气中释出的所有次级带电粒子能量全部损

43、耗于空气中时在空气中产生同一符号的离子的总电荷量。,照射量与空气比释动能的关系空气比释动能是照射量的能量当量照射量是空气比释动能的电离当量,照射量与空气比释动能的数值关系,本章复习题1、辐射品质、传能线密度、线能、比能 吸收剂量、比释动能、碰撞比释动能 辐射平衡、带电粒子平衡、峰值剂量 参考深度、剂量建成、准平衡、照射量 空气中小块软组织的吸收剂量,本章复习题2、已知：水体模中某点，X线的照射量为5 R，分别计算当X线光子平均能量为30 keV 或 1 MeV 时，同一点处：空气的比释动能 软组织、骨组织的吸收剂量,第四章 放射防护量Ch4 Radiological Protection Qu

44、antities,UNSCEAR联合国原子辐射效应科学委员会United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation,ICRP国际放射防护委员会International Commission on Radiation Protection,电离辐射对人体的有害效应从性质而言，分为：确定性效应 和 随机性效应,确定性效应(Deterministic Effect)器官、组织中细胞集体死亡的结果 并且由此导致器官、组织出现明显的功能障碍，出现临床可见的病理状态。,确定性效应(Deterministic Effec

45、t)除功能细胞损失外，辐射照射造成血管受损导致供血不足或发生纤维组织取代功能细胞也会间接引起组织器官的功能障碍。,确定性效应 是：发生几率、严重程度与剂量都相关的一类效应。表现为：生育能力障碍、造血功能低下、皮肤良性损伤、受照胎儿出生后认知能力低下等。,确定性效应 是：发生几率、严重程度与剂量都相关的一类效应。表现为：生育能力障碍、造血功能低下、眼晶体混浊、皮肤良性损伤、受照胎儿出生后认知能力低下等,不同组织辐射敏感性不一样，骨髓、性腺、眼晶体 最敏感即使是同种组织，敏感性也会 因人而异,确定性效应的发生存在 剂量阈值 器官剂量超过剂量阈值，受照人群中此类效应的发生几率、严重程度将随器官剂量超

46、过剂量阈值幅度的增加而增加。,受照群体中某些敏感个体受到较低剂量时就会出现某种临床可见的病理状态，而另一些个体要受到较大的剂量时才出现同样症状。,按急性放射病临床诊断的现行标准急性放射病分型、分度的剂量下限为骨髓型 轻度 1Gy 中度 2Gy 重度 4Gy 极重度 6Gy肠型 10Gy 脑型 50Gy,儿童组织生长活跃，辐射在组织器官中诱发的辐射损伤通常比成人严重。可被察觉的效应包括：生长发育不全 器官功能障碍 认知功能低下,随机性效应(Stochastic Effect)是器官组织中细胞变异的结果 变异细胞有可能演变为一个癌 如果发生变异的是生殖细胞，则受照者后裔可能出现严重的遗传疾患。,随

47、机性效应(Stochastic Effect)是 发生几率与剂量 有关 严重程度与剂量 无关 的一类效应,随机性效应 有无剂量阈值，目前未有定论为放射防护目的，假定：随机性效应没有阈剂量 发生几率与剂量成正比简称：线性无阈,考虑随机性效应健康危害时，计及以下4个因素：1、辐射诱发致死癌的概率 2、严重程度计权后非致死癌概率 3、严重遗传疾患的概率 4、上列效应造成的寿命缩短,考虑随机性效应健康危害时，计及以下4个因素：1、辐射诱发致死癌的概率 2、严重程度计权后非致死癌概率 3、严重遗传疾患的概率 4、上列效应造成的寿命缩短,假定 辐射诱发的致死癌概率为 f，致死份额为 k，则辐射诱发癌症的总

48、概率为 f/k，辐射诱发非致死癌的概率为 f/k(1-k),若以辐射诱发癌症的致死份额 k 作为非致死癌严重程度的权重，则以严重程度计权后辐射诱发非致死癌的概率为 k(f/k)(1-k)=f(1-k)，于是计及严重程度后致死癌和非致死癌的总概率F f+f(1-k)=f(2-k),放射防护量 由ICRP规定的人体中的剂量学量 用于表示辐射防护中的剂量限值 预测、评价辐射照射对人体健康的危害程度。,需要强调的是：放射防护量 都不可测量 计算放射防护量所用到的一些参数都来自小剂量低剂量率照射情况下放射生物学的实验观察结果。,因此，放射防护量 只能用于 放射防护所关心的 小剂量、低剂量率 照射情况,辐

49、射事故中遇到的 大剂量、高剂量率情况下 评价人体健康危害还得使用 受照器官的吸收剂量 作为评价的剂量学指标,基本的放射防护量 器官剂量，DT 器官当量剂量，HT 有效剂量，E,与基本的放射防护量相应，还有 用于：内照射评价的 待积量 群体环境评价的集体量、人均量 环境评价的负担量,器官剂量，DT（Organ Dose）人体特定组织或器官的平均吸收剂量 DT T/mT Gy T：器官T吸收的总辐射能量 mT：器官T的质量,相对生物学效能（RBE）Relative Biological Effectiveness 辐射类型、能量不同，诱发辐射效应的能力也不同。为反映这种能力上的差异，放射生物学采用

50、的指标是：相对生物学效能,相对生物学效能（RBE）A辐射对B辐射的 RBEAB 定义是：为产生同一水平、同类效应，B辐射与A辐射所用吸收剂量DB和DA的比值 RBEAB DB/DA 同一水平 同类效应,原则上，RBE可以用于任何两种辐射然而，通常把用作比较基准的B辐射定为低LET的射线：250kVp X线 或 Co-60 射线,相对生物学效能 RBE 值 与照射的物理因素有关，如辐射类型、剂量率、剂量水平及其分次、间隔时间 也与生物因素有关，如生物种类、组织类型、效应种类、效应终点,RBE 最大值的高低 取决于 辐射类型、效应种类 为加以区别，低剂量情况下关于随机性效应和确定性效应的RBE 最