带电粒子主要通过电离和激发过程损失能量,其次是通过轫致辐射。这两种过程构成 了带电粒子在碰撞过程中的能量损失。 带电粒子引起的核反应,在辐射防护上有重要意义的是(a,n)、(p,n)及(d,n)反 应。在这些反应过程中,带电粒子被吸收并产生中子。常用这些反应制成各种同位素中子 源(如钋铍中子源、镅-铍中子源)和加速器中子源等。 带电粒子能引起物质的某些化学变化,如引起溶液中离子价态的变化。利用价态变化 的离子数和吸收粒子的能量成正比的关系,已制成各种化学剂量计来测量吸收剂量。此 外,它能引起高分子化合物的分解和聚合等,在科研和工业生产中亦有重要意义 下面,我们重点介绍带电粒子与物质相互作用的主要过程,并对湮没辐射和契伦科夫 辐射作一般介绍 )电离、激发与碰撞阻止本领 1.电离和激发 当具有一定动能的带电粒子与原子的轨道电子发生库伦作用时,把本身的部分能量传 递给轨道电子。如果轨道电子获得的动能足以克服原子核的束缚,逃出原子壳层而成为自 由电子,此过程称为电离。电离后的原子带正电荷,它与通出的自由电子合称为离子对。 如果轨道电子获得的能量不以摆脱原子核的束缚,而是从低能级跃迁到高能级,使原子 处子激发态,此过程称为激发。处于激发态的原子是不稳定的,它将通过跃迁到高能级的 电子自发地跃迁到低能级而回到基态。多余的能量可以以X射线的形式放出。此种X射线 的能量是不连续的,它等于电子跃迁的两能级之差,称之为标识X射线或特征X射线 由上述电离产生的某些电子,具有足够的动能,能进一步引起物质电离,这些电子称 为次级电子或6射线。由b射线产生的电离称为间接电离或次级电离。由入射带电粒子与 物质直接作用产生的电离称为直接电离或初级电离。 2.碰撞阻止本领 带电粒子在电离和激发过程中的能量损失,是通过带电粒子和轨道电子的库仑碰撞产 生的,这称为碰撞过程的能量损失或电离损失。 在辐射剂量学上,常用线碰撞阻止本领来描述入射带电粒子在介质中每单位路径长度 上电离损失的平均能量,记作(“)为了消除密度的影响,常用质量碰撞阻止本领, 它是()除以物质密度P而得的商,记作1dE。贝特( Bethe)曾用量子力学的 dE dz 处理方法推导了重带电粒子的质量碰撞阻止本领,用下式表示。 (:)=m[11-2B-2号-兆电子伏厦米览(,1) K 2 mcr2N, =0.1535兆电子伏·厘米2摩尔-1 式中
r—电子半径,.=mx=281793×10厘米 A-—-阿伏伽德罗常数(6,022045×102摩尔-1); m—电子静止质量,mc2=0.511006兆电子伏,=mc e—电子电荷; —相对速度,B=v/e,v为带电粒子速度,c为光速 —考虑密度效应的修正项; z-物质的原子序数 z—重带电粒子的电荷(以电子电荷的倍数表示); M,物质的相对原子量(以2C=12为标准) I-物质中原子的平均激发能; 从(1.1)式可以看出;(1)电离损失与重带电粒子的电荷x成正比,说明带电粒子 的电荷z越大,与轨道电子的库仑作用力越大,因而传递给电子的能量越多。(2)电离损 失与带电粒子的速度成反比,说明带电粒子传递给轨道电子的能量和相互作用时间有关, 速度愈小,作用时间愈长,传递给轨道电子的能量愈大。由此可知,带电粒子在停止下来 以前的某一段路程上,电离损失将达到最大值(参见本节三、比电离)。(3)电离损失与 物质的电子密度成正比。若7表示每单位体积中的电子数,则 NZ 式中,各符号的意义同(11)式。 如果带电粒子是电子,在入射电子和原子中的电子发生库仑碰撞后,两者不可分辨, 在实际处理时,把碰撞后具有较大能量的电子看成入射电子,而把能量较低的电子看成反 冲电子,则每次碰撞的最大能量传递为入射电子能量的一半。我们把贝特推得的电子质量 碰撞阻止本领,用下式表示3 dt )=krmz[imaa 2v1-B2-1+B2)n2+1-B2+ +(1-y1=6)2-0]兆电子伏厘米·克 (1,4) 式中,E为入射电子的能量(兆电子伏),其他符号同(1.1)式的一样。 对(1.4)式进行分析,同样可得出由(1,1)式分析中的结论(2)和(3) (二)轫致辐射和辐射阻止本领 1.轫致辐射 当高速运动的带电粒子从原子核附近掠过时,它会受到原子核库仑场的作用而产生加 速度。由经典电动力学知道,在库仑场中受到减速或加速的带电粒子,其部分或全部动 能,将转变为连续谱的电磁辐射,这就是轫致辐射,这种形式的能量损失,称为辐射损 失 对子一定能量的带电粒子,其辐射损失正比于z23/m23,其中Z为物质的原子序数, 为带电粒子的电荷数,m为带电粒子的质量。辐射损失与Zz2成正比,表明物质的原子
序数愈大、带电粒子的电荷数愈多,辐射损失愈大。它与带电粒子的质量m2成反比,表 明带电粒子的质量愈大,辐射损失愈小。例如,在同一物质中,a粒子能量的辐射损失, 比能量相同的电子约小107倍。因此,重带电粒子的辐射损失可忽略不计,主要考虑电子 的辐射损失。 在辐射防护中,我们较为关心的是带电粒子产生轫致辐射的份额。 当一个能量为E的电子与原子序数为Z的物质作用时,如果电子的能量被物质吸收, 按贝特海特勒( Bethe-Heitler)理论,其初始能量转变为轫致辐射的份额为4 F=KZE (1.5) 式中,E的单位为兆电子伏,K为比例常数 (15)式与实验结果能很好地相符合,实验测定的比例常数K在0,4×10-3-1.1×10-3 兆电子伏1之间。不同文献中选取的K值是不同的。下面介绍单能电子及射线F值的具 体计算公式。 对于单能电子束入射在厚靶上的情况, F=5.8×10-4zE (1.6) Pb的特征X射线谱 对B射线入射在厚靶上的情况, 一名品事淤显 F≈3.33×10-4ZEga (1.7) 式中,Em,为B射线的最大能量(北电子伏)。 例如,3P的Eax=1.709兆电子伏,当B射 线在铅(Z=82)中被吸收时,用(1.7)式算得转变 轫致辐射 为轫致辐射的能量,为入射射线总能量的8%左 右 在屏蔽设计时,为了较准确地确定轫致辐射的 8方12—加 吸收剂量,应知道轫致辐射谱并对这个谱积分。轫 E,千电子伏 致辐射谱的形状与谱有关,它是从零到EB四n的 图1-1"srY/Pb的轫致辐射谱连续谱,如图1-1所示。 实际的轫致辐射谱并不清楚,可用(16)式对尸谱进行计算。然而,计算较为复杂 往往用一种简化而偏安全的方法来处理,即取轫致辐射的平均能量近似等子射线的平均 能量E以~3Em 2.辐射阻止本领 辐射阻止本领与线碰撞阻止本领相对应,用线辐射阻止本领表示带电粒子在介质中每 单位路径长度上因辐射而损失的平均能量,记为 dE 。用物质密度ρ去除线辐射阻 止本领得质量领射阻止本领,记为({) 若用E表示入射电子的能量,当mc2<<E<<137mc2z-时,核外电子对核电荷的 屏蔽作用可以忽略,质量辐射阻止本领由下式给出 1/dE Kr(E+me )Z(Z+1) 2 aM
x)4n-2(E+meay 兆电子伏,厘米2·克1 (1.8) 当E>>137mc2z时,核外电子对核电荷的屏蔽是完全的,则 1( dE K1(E+mc2)z(z+5) dl x[ln283+3兆电子伏,厘米克1 (19) 式中 精细结构常数(a=2x5/hny7 一一原子序数的函数,列于下表。 其他符号的意义和(1.1)式的符号相同。 不同原子序数对应的【值 1.40 (三)总质量阻止本领 带电粒子在物质中的一切能量损失,用总质量阻止本领来表示。总质量阻止本领D定 义为带电粒子在密度为p的介质中,穿过路程d时,所损失的一切能量dE除以pdl而 得的商 s 1 dE (1.10) 定义中的一切能量损失,是指带电粒子与物质相互作用的一切过程中能量损失之和 在一般的能量范围内,例如E<10兆电子伏,主要是电离损失和辐射损失,而其他过程的 能量损失(包括参与核反应的能量损失),相对地说,可忽略不计。因此总质量阻止本领等 子碰撞质量阻止本领与辐射质量阻止本领之和,即 s_ dE dE (1.11) dz ol r:d 或写成 (1.12) 在某一物质中的质量碰撞阻止本领和质量辐射阻止本领的数值,与带电粒子的类型和 能量有关。 对于重带电粒子,实际上(),可以忽略,则(12)式可写成
s/ (113) 对于电子,质量辐射阻止本领和质量碰撞阻止本领之比有如下近似关系3 p/rad ZE 1600mc2 (1.14) 由于电子的mc2=0.511兆电于伏,故(1.14)式可写成: ZE (1.15) 式中, E—电子的能量(兆电于伏), z—物质的原子序数 从(1:1)式看出,(合),随着入射电子能量的增加面增大,当(5)=(吕)时的电 子能量称为临界能量,用E表示。电于在某些物质中的Een值列于下表。 电子在某些物质中的临界能量t 物质 E。,(兆电了伏) 150 60 有关带电粒子磁撤阻止本领的具体计算数值详见第四章。 (四)弹性散射 当带电粒子与原子核库仓场相互作用时,其运动方向发生改变,而作用前后体系的动 能与动量守恒,此过程称为弹性散射 重带电粒子,例如a粒子,由于质量大,只有当它非常靠近原子核而穿行时,才会发 生明显的散射。一般说来,重带电粒子发生弹性散射的几率小,散射现象不明显。因此, 象a粒于这样的重粒子,在物质中的径迹是比较直的。 电子(或f射线)的质量小,它不仅受到原子核的散射,而且还受到电子的散射。即使 电子从离原子核较远的地方掠过,也会发生弹性散射。多次弹性散射的绪果,使电子在物 质中的运动方向发生多次改变。 电子在物质中弹性散射的角分布,与电子的速度、散射物的原子序数有关。由贝特和 阿什肯推导出的每个原子的散射角,在0到6+d0之间的散射截面如下3 d0=2(1-1)510[1-Bm2+f3( (1,16) 从(1.16)式看出,散射到某一角度的几率与散射物质的原子序数Z2成正比,与电子