輻射量度與工具

1、第一章 原子核與放射性（2）11. 放射性活度（activity, A)定義：放射性核素在單位時(shí)間(dt)內(nèi) 發(fā)生核衰變的數(shù)目(dN) A=dN/dt單位： SI: Becquerel(Bq) 1Bq=1s-1 居里 1Ci=3.71010Bq 22. 吸收劑量（absorbed dose, D)定義： 授予單位物質(zhì)(dm)（或被單位物質(zhì)吸收） 的任何致電離輻射的平均能量（dE)。單位： J/kg 1 J/kg =1Gy（戈瑞） 1 Gy = 100 rad（拉德）3吸收劑量1 戈瑞（1焦耳/千克）時(shí)的能量效應(yīng) 1）水溫升高 （比熱 4.2103J/千克度） 1 kg水物質(zhì)吸收劑量 1 Gy

2、水溫度上升 1/（4.2103）= 2.410-4 C2）轉(zhuǎn)化為物體的動能 m D= (1/2)m v2 運(yùn)動速度 v = 1.4 m/s3) 轉(zhuǎn)化為物體的勢能 m D = m g h 上升高度 h = 0.1 m劑量實(shí)際上是單位物質(zhì)吸收電離輻射能 大小的一種量度4定義：組織或器官的當(dāng)量劑量是此組織或器官的平均吸收劑量與輻射權(quán)重因子的乘積。3. 當(dāng)量劑量（equivalent dose, HT)單位：焦耳/千克 專用名稱：Sievert, Sv（希沃特） 1 Sv = 1 J/kg5輻射權(quán)重因子(Radiation weighting factor, WR) 6組織權(quán)重因子（tissue we

3、ighting factor，WT） 組織或器官組織權(quán)重因子WT睪丸紅骨髓結(jié)腸肺胃膀胱乳腺旰食道甲狀腺皮膚骨表面其余組織或器官0.200.120.120.120.120.050.050.050.050.050.010.010.0574.有效劑量（effective dose, E)定義： 各組織或器官的當(dāng)量劑量（HT）與相應(yīng)的組織權(quán)重因子（WT）的乘積的總和。意義：定量評價(jià)隨機(jī)效應(yīng)的危險(xiǎn)度單位：Sv （希沃特）8例：某人骨表面接受0.3Sv的劑量當(dāng)量，而另一個(gè)人骨表面受0.2Sv的照射，同時(shí)肝臟又受到0.1Sv的照射，哪個(gè)人危險(xiǎn)更大些？9放射性活度(A) 吸收劑量(D) 劑量當(dāng)量(H) 有效劑

4、量（E） 吸收劑量(D) 1戈瑞 = 1焦耳/千克1 Gy = 1 J/kg放射源 活度(A) 1貝克=1次核衰變/秒 劑量當(dāng)量(H) 有效劑量（E） 1希沃特 = 1 焦耳/千克三者意義和區(qū)別任何物質(zhì)有機(jī)體10小結(jié)劑量是指輻射與物質(zhì)作用后，釋放或吸收能量的量度。不同種類、能量的核輻射，對生物體造成的輻射損傷不同。輻射所致生物效應(yīng)中的隨機(jī)性效應(yīng)可以通過有效劑量進(jìn)行估算。11第四部分 核科學(xué)的基本工具與測量第一章 原子核與放射性（2）121 觀測和研究事物的工具 工欲善其事,必先利其具。13望遠(yuǎn)鏡 1608年荷蘭出現(xiàn)伽利略 發(fā)現(xiàn)全新宇宙景象：木星有衛(wèi)星、月球上有山脈、太陽上黑子、金星有轉(zhuǎn)動周期

5、。 支持哥白尼日心理論顯微鏡 1650 年代荷蘭 列文虎克制造出放大 200 倍顯微鏡，看見了：細(xì)菌、紅血球、肌肉的條紋結(jié)構(gòu)、血液在毛細(xì)血管中流動等。一滴久置的雨水中發(fā)現(xiàn)有250萬個(gè)微生物在浮游。1673 向英國皇家協(xié)會報(bào)告會員們不相信，認(rèn)為是騙子，派人親自登門觀察，在事實(shí)面前承認(rèn)是了不起的發(fā)現(xiàn)英國國王和俄國彼得大帝拜訪列文虎克并觀看了神奇的顯微鏡。將人們注意力引向微小世界。14 放射源 2 盧瑟?！翱础痹犹綔y器光源：載能粒子束觀測物體：出射粒子眼睛：探測器背散射粒子15 “看” 未知圖形1216盧瑟福用 粒子轟擊金原 子，發(fā)現(xiàn)了原子核，看到了原子核的大小，建立了原子太陽系。利用粒子束 轟擊

6、耙粒子，觀測經(jīng)過相互作用后出射粒子所載有的信息，可以推知耙粒子有關(guān)情況。17 探針粒子的波長應(yīng)小于觀測物體的尺度 即：物體越小，所需粒子的能量越高。被看物體 大 小 探針粒子的 能 量原 子 10-10 米 10 eV （電子） 高倍電子顯微鏡原子核 10-14 米 107eV （ ） 盧瑟福實(shí)驗(yàn)核 子 10-15 米 108eV （電子） 加速器 對撞機(jī)夸 克 ？ 10-18 米 109eV （電子） 對撞機(jī) 看微觀小物體對顯微鏡的要求18 4 加速器顯微鏡 191.加速器 人工產(chǎn)生高能量 帶電粒子束的機(jī) 器2.反應(yīng)堆： 可控裂變反應(yīng)爐 （ 第 2 章 ） 4.輻射探測器（熒光屏+ 眼睛）感

7、知放射性存在 傳感放射性信號5.電子學(xué)和計(jì)算機(jī) 放大 變換 傳輸 控制 記錄 分析核過程信息 核科學(xué)中的基本儀器和設(shè)備3. 放射源6. 其他20 加速器在核科學(xué)中的地位1.加速器是核科學(xué)最重要的工具之一，1932年前人們只是用天然的 粒子進(jìn)行核反應(yīng)，例如盧瑟福1919年發(fā)現(xiàn)第一個(gè)核反應(yīng)?，F(xiàn)在利用天然 粒子進(jìn)行核反應(yīng)早已成為歷史。2.現(xiàn)在加速器不僅可以提供更高能量的粒子，而且周期表中從 H - U 絕大多數(shù)元素粒子都可加速;1980年代后加速放射性粒子，6He 17N 等3.對探索原子核起了關(guān)鍵作用，可以說，沒有加速器不可能有今天的核物理，不可能有今天的核科學(xué),不可能有核技術(shù)的廣泛應(yīng)用。21入射

8、粒子與靶物質(zhì)作用后產(chǎn)生的粒子或射線探測和分析這些出射粒子可獲得核過程信息。1 離子源2 加速 聚焦3 偏轉(zhuǎn)4 靶物質(zhì)加速器人工方法產(chǎn)生高能量帶電粒子束的機(jī)器5 加速器基本結(jié)構(gòu)和工作原理 基本要求和功能1 提高帶電粒子的能量2 增加帶電粒子束的強(qiáng)度 3 使粒子束同靶物質(zhì)作用4 帶電粒子在真空管道中行進(jìn)產(chǎn)物22兩種類型加速器直線型圓環(huán)型23高壓直線加速器離子源電 場靶物質(zhì)抽真空探測器做實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?E = q V+世界上第一臺高壓倍壓加速器 1932年24靜電加速器球形電極 能 量 E = q V + E0直流電源靶物質(zhì)離子源出射粒子 北大4.5 MV 單級靜電加速器 V25北大4.5 MV 單級靜電

9、加速器 26串列靜電加速器+V -q1 加速負(fù)離子 + q2 加速正離子 出射粒子能量 E = V qi + E0 若q1=1 e , q2 = n e 則 E = V ( n + 1 )e + E0例如： V = 1.5 MV , n = 2, E0= 28 keV 則 E = ( 2 + 1 ) x 1.5 + 0.28 = 3.28 MeV - q1 負(fù)離子 開關(guān)磁鐵靶室偏轉(zhuǎn)磁鐵負(fù)離子源E0高電位E1 = q1 V E1 = q2 V 低低27北大21.7 MV 串列靜電加速器 北大26 M V串列靜電加速器 286 為什麼需要對撞？ EF （E入射）1/2 EF = 2 E入射 固定靶

10、 對撞束有效能量 ( EF ):假若入射粒子能量 E入射 增大100 倍 固定靶 10 倍（消耗于靶粒子反沖） 對撞束 200 倍 ！對撞可以更多地提高粒子有效能量E入射E入射E入射29E = M C2更高能量的粒子用于探索粒子內(nèi)部和產(chǎn)生新粒子 質(zhì)量和能量是等價(jià)的，粒子載有的能量可以轉(zhuǎn)化成質(zhì)量，產(chǎn)生許多粒子。高能電子 e+e- +- （20.51 MeV) （2105 MeV）30北京e+e- 對撞機(jī) 2 GeV + 2 GeV31 世界上最大的對撞機(jī)（LHC 大強(qiáng)子對撞機(jī)) LHC: 周長 27 km , 地下 100 m 深隧道投資：30-35 億 U參加人數(shù) 10000 時(shí)間 1995

11、-（2005）2007 12年32 7 放射性測量 放大與變換記錄與存儲放射性是人眼睛看不見、身體也感覺不到的，但用儀器可以直接測量 。 測量系統(tǒng)基本組成如下： 射線同物質(zhì)作用使原子電離，產(chǎn)生正離子和負(fù)電子。在電場作用下，電子和正離子分別向正極和負(fù)極方向運(yùn)動，引起電流，產(chǎn)生信號。 輻射探測器：把電離產(chǎn)生的信息轉(zhuǎn)化成可觀測的、可輸出 的信號： 電、光、熱、徑跡 等。 探測器- - - - + + + +放射源33放射源的生產(chǎn)和制造例如 : 放射源1） 60Co T 1/2 =5.27年2） 137Cs T 1/2 =30.17年34陽極 +陰極 -射線探測器 : G-M 計(jì)數(shù)管35 閃爍探測器3

12、6放射性測量儀器371. 原子核可以提供： 1）巨大的能量 2）強(qiáng)有力的射線2. 人們可以掌握它，但是對于物質(zhì)中蘊(yùn)藏著的無限能量，有人做玫瑰色的夢，夢想利用它融化極地的冰川，消除沙漠，建成地球上的天堂；有人做黑色的夢，夢想用大量的放射性炸彈毀滅城市和文明。有時(shí)夢夢相隨，幸福大同世界與世界的廢墟交映出現(xiàn)。小 結(jié)38 1903年 索迪第一次提出：人們一旦駕馭原子核內(nèi)存在的神秘力量就會帶來 或造福世界或毀滅世界的后果。3 . 不 能 忘 記 的 告 戒 ！1913年 一本轟動一時(shí)的科幻小說解放了的世界,書中令人驚奇地指出：1933年發(fā)現(xiàn)了人工放射性，描寫了原子能工業(yè)軍事上的應(yīng)用。地球上一些大城市在1956年發(fā)生的世界大戰(zhàn)中，毀滅于大火與核輻射。小說結(jié)局令人高興：在意大利馬若湖畔舉行了和平會議，劫后余生的人們建成了一個(gè)新世界，被解放的人們充分利用原子能帶來的好處。394. 利 弊1903年 皮埃爾 居里在領(lǐng)取諾貝爾獎時(shí)說：“人們可以設(shè)想，鐳在罪惡的手里會變得十分危險(xiǎn)。 這里，我們要問：人類認(rèn)識自然界的秘密究竟有什麼好處？即使這種認(rèn)識對人類無害，那麼人類是否已經(jīng)成熟到能夠利用它的地步？” 他在列舉了諾貝爾發(fā)明炸藥的用途之后，樂觀地指出：“我屬于與諾貝爾有相同觀點(diǎn)的人之一，人類從新的發(fā)現(xiàn)中獲得的好處將比壞處多得多。40 兩點(diǎn)希望1 第1章是學(xué)習(xí)和理解