辐射防护基础物理知识（3）

电离辐射

在辐射防护领域内,电离辐射系指可以在生物物质中产生离子对的辐射,常见者有重带电粒子、高能电子、电磁辐射(Xγ射线)和中子

等。表1-1中列举了常见的几种电离辐射及其特性。

—、重带电粒子离辐射常见的重带电粒子有质子、氘核、α粒子、裂变碎片等,它们带有不同数量的正电荷,质量比电子大得多。这里以α粒子为例,作些简单的介绍。α粒子是放射性核素放射出来的高速飞行的氦原子核,它带两个正电荷,质量接近4。α射线通过物质时主要与处于径迹附近的分子或原子中的电子碰撞,引起激发与电离而损失能量。由于a粒子的质量大,它每次与电子碰撞只损失很少一部分能量,需要通过多次碰

表1一1某些常见的电离辐射及其特性

注:*原子质量单位撞,速度才逐渐减极,而且基本不改变方向。α粒子损失的能量使得粒子径迹附近形成大量的激发分子与离子,例如210p_o衰变产生的一个能量为5.6MeV的α粒子通过3.8cm的空气层被阻停时总共产生约150000个离子对和更多的激发分子。放射性核素发射的α粒子能量是单一的,范围在4~10MeV之间,在空气中能穿行2～8cm。一定:能量的a粒子在同一物质中穿过的最大距离(即射程)大体上是相同的。二、高能电子高能电子包括放射性核素核转变时释放出的β射线(电子或正电子)及电子加速器产生的能量接近单一的电子束。它们本质上都是电子,带有单位电荷,静止质量约为氢原子量的1/1840。但是β射线的能量不是单一的,而是具有从零到某一最大值之间的连续分布。分布曲线的极大值一般处于最大能量E_β的1/3附近,由于处于E_β的粒子数非常少,实际应用中往往采用平均能量Eβ,通常Eβ为Eβ的1/2到1/3之向。一般放射性核素的β射线的E_β为0.015～2MeV,目前辐射加工应用中常用的电子加速器产生的电子能量一般在0.2~10MeV之间。与重带电粒子类似,高能电子通过物质时主要与电子相碰撞而损失能量,从而引起物质中分子或原子的激发与电离。但与重带电粒子不同,由于电子质量小,它与介质中的电子碰撞时不仅会失去较多的能量,而且运动方向会发生大角度偏转,径迹十分曲折。电子质量小,与具有同样能量的重带电粒子相比运动速度快得多,与物质的相互作用比较弱,穿透能力较强,射程较大。三、电磁辐射γ射线和X射线本质上与可见光、电磁波一样都是电磁辐射,但在来源、能量分布上是不同的。X射线可分为特征X射线与连续X射线两种。当原子的内层轨道电子被击出后所留下的空穴由外层电了填补时,外层电子多余的能量即以电磁辐射的形式释放出来,这种辐射具有特定的波长,波长的大小与组成物质的原子内部电子构造有直接的关系,故被称为特征X射线(亦称荧光辐射)。特征X射线的能量可以从轻元素的几eV到超铀元素的0. IMeV左右。连续X射线是由于高能带电粒子特别是电子撞击物质时受到原子核库仑场的强烈阻滞,而将部分能量转换成的电磁辐射。这种X射线的能量分布是连续的。能量范围从零到入射电子的最大能量之间。γ射线是放射性核素衰变过程中产生的波长极短的电磁辐射,能量一般在0.04～4MeV之间。有的放射性核素发射一种单一能量的γ射线,有的则放射出两种甚至两种以上能量的γ射线,如¹³⁷Cs只发射0.66MeV的γ射线,⁶⁰Co发射能量分别为1.17MeV与1.33MeV的两种γ射线。电磁辐射既不带电又没有静止质量,在物质中的穿透能力比带电粒子强得多,它与物质之间的初级相互作用过程也与带电粒子不同。带电粒子在物质中发生多次非弹性碰撞,逐渐消耗其能量;电磁辐射不仅能发生非弹性散射,损失部分能量,而且有时一次作用就可能损失大部分或全部能量。四、中子中子是质量约为一个原子质量单位的不带电粒子。在自由状态下是不稳定的,能以11.7分钟的半衰期自发地衰变为一个质子与一个电子。中子的主要来源有核辐射或加速粒子在靶物质中发生的核反应,重核裂变(包括某些重核,如²⁵²Cf的自发裂变)和轻核聚变。中子与束缚电子或原子核不发生库仑作用,不能直接产生激发和电离。高能量的中子在物质中主要与原子核发生弹性碰撞而被减速,被碰核的质量越小,传递给它的能量分数就越大,如果被碰撞的是氢原子核,那么一次对心弹性碰撞中子就可能把全部能量传递给氢核,击出反冲质子。在含氢体系中由这些反冲质子引起大量原子的激发与电离。慢化后的的热中子最可能发生(n,γ)反应,中子被原子核吸收,同时发射γ射线。

第六节电离辐射与物质的相互作用

一、电磁辐射与物质的相互作用过程X或γ射线在空间传播中突出表现为波动性,而在与物质发生相互作用时又突出表现为粒子性。我们可做如下形象地描述,即X或γ射线是从放射源发出的一粒粒不连续的光子流,它不带电(中性),具有很强的贯穿物质的本领,在真空中以光速C(C=3X1O⁸ m-s^-1)沿直线传播。光子的能量E为e = hv (1-7)式中h = 6.67X10^-34j.s称为普朗克常数;v为光子频率(Hz)。由于X或γ射线的本质相同,决定了它们与物质相互作用的过程也相同。当X或 γ 射线通过物质时,将可能与原子的轨道电子、原子核、带电粒子的电场以及原子核的介子场发生相互作用。作用的结果将可能发生光子的吸收、弹性散射和非弹性散射。发生吸收时,光子能量将全部变为其他形式的能;而弹性散射仅改变光子的传播方向;非弹性散射不仅改变光子的传播方向,同时也部分地吸收了光子的能量。在光子能量为0.01-10兆电子伏(MeV)这个最常见的能量范围内,其主要相互作用为光电效应,康普顿效应和电子对效应三个过程,而其他作用造成的能量损失很小,均为次要过程。(一)光电效应该过程中,X或γ光子主要与原子的内壳层电子发生作用,入射光子整个地被原子吸收,继而从原子壳层中击出一个电子,称为光电子(图1-1)。光电子的动能(E)等于入射光子能量(hv)减去该电子在原子中的结合能(A),即E = hv- A (1 -8)当光子能量低于轨道电子结合能量时,光电效应不可能发生。实验证明,当光子能量等于或稍大于K层电子结合能量时,则有80%以上的光电效应发生在K层。可见,光电效应最容易发生在结合能较大的原子内壳层中。光电效应的发生几率与原子序数Z和入射光子能量hv,大致存在如下关系光电效应几率∝Z⁴/(hv )³(1-9)可见,低能光子在高Z物质中发生光电效应的几率最大,反之则小。释出光电子的原子呈不稳定的激发态,外层电子很快跃入填充其空位,同时释放出等于跃迁前后两能级之差的特征X射线光子。特征X射线光子在离开原子前,还可能将外层电子击脱,此电子称为“俄歇电子”。在光电效应中可产生上述3种东西,即负粒子(光电子、俄歇电;子)、正粒子(失去电子的原子)和特征辐射。X或γ射线在屏蔽材料;中,发生光电效应的几率愈大,则被吸收的射线就愈多,显然,其屏蔽效果就愈好。(二)康普顿效应康普顿效应是X或γ光子的能量被部分地吸收而产生散射的过程。当能量为hv的入射光子,与结合能很小的原子外壳层电子(与入射光子能量相比可看作自由电子)发生碰撞(图1-2),光子把部分能量传给电子,其自身能量减少,频率变低,并沿与入射方向成θ角的方向射出,成为散射光子,能量变为hv’;获得能量的外层电子在与入射方向成 Ψ角的方向射出,成为反冲电子。若忽略占分额很小的结合能,则入射光子的能量(hv),应等于散射光子的能量(hv’)与反冲电子动能之和。这个作用过程称为康普顿效应,也叫康普顿散射。反冲电子康普顿效应可以想像为两个球的碰撞,一个是入射光子,另一个是自由电子。碰撞时若光子从电子边上擦过测光子偏转角度很小,反冲电子获得的动能也很少,这时散射光子保留了大部分能量;如果碰撞更直接些,光子偏转角度增大,损失的能量增多;正向碰撞时,反冲电子获得的能量最多,这时反向折回的散射光子仍保留一定的能量。表1-2列出不同偏转角度的散射光子能量

由表中数据可见,散射光子仍带有大部分能量。康普顿效应是X或γ射线在屏蔽材料中产生散射线的最大来源,在屏蔽防护中应引起充分重视。当入射光子能量大于轨道电子结合能1万倍以上时,康普顿效应才容易发生。康普顿效应的发生几率与原子序数Z及光子能量hv,大改存在如下关系康普顿效应发生几率∝z/hv (1-10)

1. 电子对效应

一个具有足够能量的光子(hv ≥1.02MeV),在行近靶原子核时,突然消失,将其能量转化为正、负两个电子,这个作用过程为电子对效应。一个电子的静止质量能为0. 51MeV,产生一个电子对至少需要1.02MeV的能量。因此,当光子能量等于或大于1.02MeV时,才可能?发生电子对效应。光子能量超过1.02MeV的部分即变为正、负电子j的动能(L和厂)。即加= 1.02 MeV+e++广 (1-11) 正电子.与电子的质量相等,所带电量相等,但性质相反。在电子j对效应中产生的正、负电子,在使物质发生电离和激发的作用过程中〔损失其能量。最后慢化的正、负电子结合,变为能量各为0.51MeV I的相反方向运动的两个光子,此作用过程称为湮灭辐射(见图1- j3)。电子对效应和湮灭辐射都是质量和能量相互转换的最好例证之{一。电子对效应的发生几率与原子序数的平方成正比,与光子能量近!似成正比关系。因此,只有对高能X或 > 射线及高原子序数的物质来说,这个作用才是重要的。(四)材料原子序数⑵和光子能量(加)与三种基本作用的关系表1 - 3列出Z和加与三种基本作用发生几率的关系。k j 表1-3 X或y射线与物质相互作用的主要过程Bk / 作用过程 作用对象 Z和hv与作用几率的关系光电效应 轨道电子 ~oczv(加-康普顿效应 自由电子(外层电子) OCZ/AV电子对效应 原子核 8Z2/(如-1.02)i 由上表可见,光电效应、康普顿效应和电子对效应的作用几率分别为屏蔽材料原子序数的4次方、1次方和2次方成正比关系。因此,材料的原子序数愈高,它对X或丫射线的衰减就愈有效。图1 - 4对范围很宽的入射光子能量⑶)和材料的原子序数(Z),简单明了地显示了这三种基本作用过程占优势的相对范围。图中曲线上任何一点相应的Z和加,即表示能量为hv的光子人射到原子序数为z的物质中时,相邻两种作用机制对X或y射线具有i 相等的衰减作用。

不同效应的优势区间

由图中曲线可见,光子能量较低时,除低Z物质以外的所有元素,都以光电效应为主;在0.8～4MeV时,不论材料的原子序数大小,几乎全部作用都是康普顿效应;在大的hv处则电子对效应占优葬。(五)其他作用过程除上述三种主要作用过程外,与防护有关的其他过程还有不变散射和光核反应。• 不变散射是指入射光子与结合能较大的内壳层电子发生弹性散射的过程(又称电子共振散射)。在此过程中,一个结合能较大的内壳层电子将入射光子吸收而跃迁到高能级上,使原子处于激发态,随即又放岀一个能量约等于入射光子能量的散射光子,原子回到基态。由于被;激发的电子未脱离原子,故反冲体是整个原子。不变散射是X或y射:线在与物质的相互作用中,唯一不产生电离的过程。不变散射的发生.几率与原子序数的平方成正比,并随光子能量的增大而急剧地减少。I由于其发生几率仅占总作用几率的不足5%,故对射线防护影响不大,M旦在精确计算中却要考虑不变散射的贡献。光核反应系光子与原子核作用时,发生核反应的作用过程。常见I的光核反应有3、n)、(>、p)、(匕2n)等。只有当光子能量大于光核反岐阈能时,光核反应才可能发生。由于光核反应发生几率较小,对射线I防护并不重要。但应注意,对某些核素在发生光核反应时,不但产生中子,而且反应后的产物还会变为放射性核素。 I量二、高能电子与物质的相互作用 ;高能电子与物质的作用过程和光子不同,它既带电荷又有静止质;于量,所以不仅可以与粒子发生直接碰撞,还能被电场吸引或排斥。电子:的质量远比重带电粒子小,在与物质的作用过程中会发生强烈的散射,|而且在能量不很高时就有很大的速度,因此必须考虑相对论效应。 〔仑:高能电子在物质中主要通过非弹性碰撞(电离与激发)及产生韧致'射辐射而损失能量。能量极高的电子OlOOMeV)主要以朝致辐射形式:动〕损失能量。电子能量较低时,以与吸收物质电子间的非弹性碰撞构成育即的损失占优势。弹性散射只改变电子的运动方向,电子基本上不损失能量,在低能时此作用最为重要。能量很髙的电子(>15MeV)与物质射亍作用也可能产生核反应,但截面很小,并不构成显著的能量损失,而且正】这么大的能量已经超过了我们一般使用的能量范围。(一)非弹性碰撞(电离与激发) J高能电子和吸收物质原子中的束缚电子发生非弹性碰撞时,如果传递给束缚电子的能量仅能使它跃迁到原子的较高能级上,则这一过程称为激发。如果束缚电子获得的能量足以使它脱离原子变成自由电过更子,则此过程称为电离。这两个过程密切相关,合在一起造成了碰撞能量损失。由于碰撞前后电子的总动能不相等(克服结合能),故这种碰成戶/撞是非弹性碰撞。 电日通常把高能电子通过单位长度介质时,由于非弹性碰撞(电离与激发)所损失的平均能量称为线碰撞阻止本领。 常哥使一个给定原子电离与激发所需要的平均能量,即该介质中原子虽貌的平均电离激发能,它主要取决于介质中元素的原子序数,而近似地与育帥原子序数成正比,则与原子间的结合方式无关。 (二)弹性散射 X高能电子除了与束缚电子相互作用外,还可能有较大的几率在原子核附近与核的库仑场相互作用,碰撞前后电子与原子核的总动能保持不变,这个过程被称为弹性散射。由于电子质量小,这类碰撞常常能导致电子运动方向大角度偏折,而且高能电子传递给原子核的反冲能外W-般是很小的,因此这种能量损失往往被忽略。弹性散射的几.产能量和被碰核的原子序数有关,对于低能电子与高原子序数的原亥,散射几率最大(三)切致辐射高速运动的电子在原子核的电场中掠过时,由于电子和原子核库勿间的强烈相互作用,电子被减速,同时将其一部分能量转为电磁辐这就是所谓韧致辐射,即X射线。剝致辐射能量分布在零到电子它之间。在低能时,发射光子相对于入射电子可以取任何方向;在高寸,发射光子强烈地倾向前方。.通常把一定能量的高能电子通过单位长度介质时由于产生初致辐帀平均耗损的能量称为线辐射阻止本领細射,它和原子序数平方成,这意味着重元素中的辐射能量损失比轻元素要大得多,跟入射电li能量成正比,这意味着电子能量越高产生的韧致辐射越强。三、重粒子与物质的相互作用

(1一)重带电粒子

童带电粒子,例如质子、觉核、a粒子、裂变碎片,与物质的相互作用和电子相似,同样发生非弹性碰撞、弹性散射和初致辐射等过程。因为带电粒子在物质中的辐射阻止本领与粒子的静止质量的平方比:,因此在粒子能量相同的情况下重带电粒子的辐射阻止本领比得多,只有在能量为lOOOMeV以上时韧致辐射才是重要的。重;带电粒子与原子核库仑场之间的弹性散射只有当重带电粒子非近源子核穿行时才能产生,而且能量大时弹性散射的几率非常小。重作电粒子以弹性碰撞的形式传递给介质的能量比电子大得多,原于产生较大的位移,但与非弹性碰撞相比其能量损失仍是很次a若粒子的能量低到几乎不能产生电离时(质子为1000eV,a粒400eV左右),弹性散射才成为主要的过程。重带电粒子在物质中损失能量的主要过程是与吸收物质原子中的电孑发生非弹性碰撞,引起电离和激发。由于重带电粒子质量大,与电子碰撞一次只损失能量的很小一部I撞后也不发生大角度折射,所以大体上沿直线前进,同样能量的粒子在物质中的射程几乎相同。

表1 - 4中列举了质子、觉核与a粒子在空气中的射程,它们与廣能电子相比要短得多。

表1-4质子点核、a粒子在空气标准状态中的射程(cm)

(二)中子

中子是一种不带电的重粒子,所以与束缚电子的相互作用极弱,它主要通过与核相互作用损失其能量。中子与物质相互作用的主要过强是弹性散射、非弹性散射、核反应与俘获。发生作用的具体过程强烈弛依赖于中子能量与核的性质。作用后可以生成多种次级粒子,如质子、a粒子、重反冲核、丫光子等。这些次级粒子在介质中通过电离、激发产生大量活性粒子,从而引起各种辐射效应。其于快中子与中能中子,弹性散射是主要的作用形式。弹性散明是中子不穿透核表面的碰撞造成的。由于中子不能与核电场相互屏用,所以这一过程可以用经典力学来处理。中子通过弹性碰撞传给限子核的最大能量分数可以用下式表示:(△E/Eo)g=4M/(M + 1)2 (1-11式中E°为中子的初始能量,为碰撞时传递给原子核的能量』为被碰撞核的质量,随着碰撞角度不同,反冲核得到的能量可以从零多最大值△E_nBX。只有在对心碰撞时,反冲核才能得到大能量。由此式彳见,被碰撞核的质量越接近中子的质量,传递给它的能量分数就越大顶对高Z元素,碰撞时中子损失的能量很小,甚至几乎只使中子改变方向要使中子能量由2MeV降低到0.025eV的热中子能量水平,在氢中所苇的平均碰撞次数为18次,在石墨中需要115次,而在铅中约需要20C次。随着中子被慢化,散射截面增大,所以每两次碰撞期间穿行的路%愈来愈短。数百电子伏的低能中子能量主要消耗在弹性碰撞中。非弹性散射 足够高能量的中子与原子核碰撞,有时可以使核I激发,而中子的能量相应的降低了,这种碰撞就是非弹性散射。与核的反冲能不同,核的激发能不能在碰撞点附近转换成电离能,而是以〉射'线的形式发射出来。此Y射线在离开作用点的某处被吸收,或者从介质中逃逸。在中子能量低于原子核的最低激发能时(对重元素约为lOOkeV,轻元素为3～4MeV),这个过程就不能发生。当入射中子能量低于几MeV时,即使对于重元素,非弹性散射的截面仍比弹性散射小,随着入射中子能量的增大,非弹性散射的重要性也增加了。当快中子能量接近其上限时(lOMeV),非弹性散射和核反应的几率几乎与弹性散射一样大。核反应 能量较高的中子与核碰撞,中子进入核内,核又放射出其他的粒子(如一个质子或a粒子),这样就发生了核反应。发射出来的粒子一般是带电的,它们的能量随着反应的不同可大于或小于入射中子的能量,而且很快消耗在使反应点附近的原子电离和激发上。慢中子只能发生很少几种反应,如i蚪(n, a) ⁷Li,¹⁴N(n,p) 等。能量小于几兆电子伏的中子所引起的核反应截面通常是很小的。中子可以在某些重核中产生裂变反应,重核分裂成两个碎片,同时释放2~3个中子与大量的能量。对于铀-233,铀-235及坏-239,无论热中子、慢中子还是快中子都能使它们发生核裂变。然而,对于牡-232及铀-238只能由快中子引起裂变。俘获 小于100eV的中子特别是热中子,可能发生的作用过程是俘获。此时中子被核吸收,此核处于激发态,然后发射一个或几个能量很高的光子,转回基态。这过程也可以认为是(n, y)反应。俘获截面在高中子能量下一般是很低的。在较低的能量下俘获截面的增加与中子速度成反比,对于许多轻核这一规律可以适用到中子能量约为WOkeVo热中子在由碳、氢、氧等轻元素组成的生物介质中的重要反应是】H(n, y) 2f{,产生2.3MeV的 > 射线,以S¹⁴N(n, p) ¹⁴C,产生I 0.66MeV的质子,氧与碳的俘获截面较小。i 4.中子的吸收 快中子在物质中的吸收大体上分为两步进行:先与核特别是象碳、氢、氧之类的轻核发生弹性与非弹性散射而被慢化,然后慢化了的中子被俘获,许多元素对低能中子的俘获截面是大的。例如初始能量为lOMeV的快中子与水相互作用,开始大多数中子在一系列弹性碰撞中损失其能量,直到最后它们与水中的原子核达到热平衡。慢化过程发生在平均约为10cm的距离内。中子的能量基本上都转为氢与氧的反冲动能,随即耗损在介质原子的电离和激发上。与氢不发生非弹性散射,而氧的主要同位素的能级很高而且间隔较宽,所以需要较高能量才能发生非弹性散射与核反应。当能量大于IMeV时约有百分之几的中子发生这些作用。能量较低时可以忽略不计。达到热能后,中子就开始扩散,直到它们被氢俘获。'生物介质中的作用过程与上述情况相似,不过快中子'与氮可能引起(n,a)反应,热中子与氮可能发生(n,p)反应。图1-5中显示了能遣为IMeV的中子照射生物组织时,反冲质子、) 射线及其他反冲重粒子所产生的吸收剂量与深度的关系。起初主要是反冲质子的贡献,一定深度后(n, >)反应产生的y射线的作用成为主要的了,而反冲重粒子的贡献始终是次要的。- skiz 16 20 24 28生WRM(5)ffll-5能畳为1MeV的中子照射时的吸收剂量分布1.全吸收剂最 2.质子产生的剂量3.Y射线剂虽 4.反冲重粒子的剂量