电离辐射量和单位Word文档格式.docx
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但是在电离辐射领域采用国际制单位的工作并未真正实施。
直到2004年1月15日国家质量监督检验检疫总局主持召开了全国电离辐射领域量和单位改制领导小组第一次工作会议，才真正开始了我国电离辐射领域量和单位改制的实施。
为了让大家对电离辐射量有一个全面的了解，我们将以ICRU第60号报告中的量为基础，介绍它的国际制单位，附带介绍一些重要量和单位的演变。
考虑到让广大读者了解有关方面的技术进展，在附录中将ICRU60号报告中的内容作了简要介绍。
1.概述
辐射量按描述某种特性和变化规律分为5个类型：
1）描述原子核的自发转变现象的量（活度、衰变常数）；
2）描述辐射场性质的量（注量、注量率、能注量、能注量率）；
3）描述辐射与物质相互作用时转换关系的量（相互作用系数、截面等）；
4）描述辐射场与实际效应间相互关系的量（照射量、吸收剂量、比释动能等）；
5）辐射防护领域使用的量（剂量当量、周围剂量当量、定向剂量当量和个人剂量当量等）。
⑴描述原子核自发转变现象的量
电离辐射可以由放射性物质产生。
放射性物质的数量按照一定的规律减少，因此，有了描述放射性核素发生衰变的量——活度A；
描述放射性核素衰变规律的量——衰变常数λ；
描述发射γ光子的放射核素的空气比释动能率常数Γδ。
在这里需要说明的是在国标GB3102.10—1993中没有空气比释动能率常数Γδ这个量，而在ICRU报告（19号、33号和60号）中这个量一直做为通用量存在，并被广泛使用。
⑵描述辐射场性质的量
辐射测量和辐射效应研究要求不同程度描述（感兴趣）观测点处的辐射场，由此产生了描述辐射场特性的量。
辐射场的特性用辐射学量表征，这些量既用于自由空间也用于材料中。
用来表征辐射场的量归纳为两类，一类涉及粒子数，一类涉及粒子输运的能量，这些量主要有10个，分别是：
①辐射能ER；
②粒子注量Φ；
③粒子注量率；
④能注量Ψ；
⑤能注量率；
⑥粒子流密度J（s）；
⑦粒子数密度n；
⑧总中子源密度S；
⑨粒子辐射度P；
⑩能量辐射度γ。
⑶描述辐射与物质相互作用时转换关系的量
相互作用系数是描述辐射和物质相互作用的量。
因此，这些系数一般都是针对指定的辐射类型、指定的能量、指定的材料以及确定的作用条件与作用类型等。
它们包括了：
①相互作用的可能性（作用几率），即截面的概念；
②某种物质对不带电粒子的各类衰减系数；
③物质对带电粒子的各类阻止本领；
④各类射程和各种电离以及形成每对离子平均损失的能量；
⑤线能量转移；
⑥辐射化学产额等11个量。
应该注意的是：
这些系数的定义以及引用时，必须认真注意其对各种因素的依赖关系。
⑷描述辐射场与实际效应间相互关系的量
描述辐射场与实际效应间相互关系的量是剂量学量。
这些量是为了提供辐射场与实在或潜在效应间相互关系的物理估量。
包括了授予能、比（授予）能、吸收剂量、比释动能、照射量等。
剂量学量是为了对有关辐射的真实效应或潜在效应提供一种物理学上的度量，因此，这些量实质上是描述辐射特性的量（如注量、能注量）与相互作用系数的乘积。
尽管剂量学量本身可以用这种乘积计算，但在实际使用中剂量学量通常是被测量出来的。
⑸辐射防护领域使用的量
辐射防护领域使用的量包括剂量当量、周围剂量当量、定向剂量当量以及个人剂量当量等。
在我国国家标准中，这部分涉及电离辐射的量和单位共计68个。
但是在实际工作中经常涉及和使用到的量主要有9个，这里不包括描述辐射特性的量和相互作用系数有关的量。
因为描述辐射特性的量主要涉及的是粒子数与粒子输运的能量，而相互作用系数有关的量大都表示的相互作用几率。
常用电离辐射量和单位以及单位换算表如表3。
表3常用电离辐射量和单位一览
序号
名称
符号
单位
专名
非国际单位制单位
换算关系
1
活度
A
s-1
Bq
Ci
1Ci=3.7×
1010Bq
2
衰变常数
l
—
3
照射量
X
C/kg
R
1R=2.58×
10-4C/kg
4
吸收剂量
D
J/kg
Gy
rad
1rad=10-2
5
比释动能
K
6
剂量当量
H
Sv
rem
1rem=10-2Sv
7
周围剂量当量
H*（d）
8
定向剂量当量
H′（d,Ω）
9
个人剂量当量
Hp（d）
2.电离辐射量的定义
电离辐射量的定义与定名经历了辐射物理学发展的不同历史时期。
在不同的时期有着不同的定义与定名。
单位制的演化过程反映了对一个物理量的认识不断深化、不断科学、不断严格的过程。
这部分主要按照常用的9个电离辐射量和单位进行介绍。
⑴（放射性）活度
①定义
在给定时间特定能态的放射性核素总量的活度A是dN除以dt所得的商，即
其中：
dN是从给定能态在时间间隔dt自发核转变的数量。
单位：
s-1。
活度单位的专名是贝可勒尔（becquerel），符号是Bq。
活度的非法定计量单位居里（Ci）已废止使用。
1Ci=3.7×
1010Bq。
根据活度A的定义和此后讲到的衰变常数λ的定义，我们可以得到如下结论：
放射性核素的活度A决定于核素的性质即衰变常数l（或半衰期T1∕2）和存在于特定能态的放射性原子核数目N，即
在实际应用中，还常常采用比活度Am，用以表示样品中单位质量物质中的放射性活度，其单位为Bq/kg。
例如：
环境样品与建筑材料样品检测结果中，226Ra、232Th和40K的含量常用比活度Bq/kg表示，还有的表示为单位体积中的活度值Bq/m3和Bq/L，例如氡浓度测量结果一般表示为Bq/m3，国外有些仪器表示为Bq/L。
活度广泛应用在医院的核医学诊断检测、环境保护监测、同位素生产研究、放射生物学、放射毒理学、地质、冶金、建筑材料等工业、农业、国防各个领域，是用于描述辐射源的量。
它是电离辐射计量学的基本量。
②活度的历史演化
活度是表征放射性核素特征的一个物理量，这个量及单位经过多次变化。
自从1896年法国科学家贝可勒尔观察到铀的放射性现象以来，人们越来越清楚地认识到：
当原子核发生放射性衰变时，发射出的辐射可能包含α、β和γ辐射中的一种或几种。
由于这种复杂情况，我们在研究放射性的时候，要注意单位时间内的核衰变数和发射的粒子数可能不同（即一次衰变可能放出多个粒子）。
居里单位最早是在1910年提出的，1居里表示与1克镭相平衡的氡的数量（约为标准状况下0.66mm3的氡气），根据当时的测量数据相当于3.4～3.72×
1010蜕变∕秒，并建议把居里单位推广应用到铀族的其他衰变产物。
1946年，美国国家标准局（NBS）建议采用“卢瑟福（rd）”单位，1卢瑟福=106蜕变∕秒，这个单位没有通行。
1950年，国际标准、单位及常数委员会规定：
1居里=3.7×
1010蜕变∕秒，适用于任何放射性物质。
除了“居里”表示放射性活度外，历史上还曾用过“克镭当量”表示过g辐射源的放射性活度，但它从未被有关国际组织所认可。
1962年，ICRU规定居里为放射性活度的专用单位，1Ci=3.7×
1010s-1。
1975年，国际计量委员会（CIPM）在它所召开的第十五届国际计量大会上，正式通过决议：
放射性活度的国际制单位[s-1]采用专名贝可勒尔（Becquerel），记号为Bq，1Bq=1s-1。
这是为了纪念天然放射性的发现者、杰出的法国物理学家贝可勒尔。
⑵衰变常数
定义：
放射性核素在特定能态的衰变常数λ是dP除以dt所得的商，即
其中：
dP是给定核素在时间间隔dt内从该能态经受自发核转变的概率。
衰变常数是放射性核素的特征常数，不同的放射性核素衰变常数不同，它不随外界条件和元素的物理、化学形态的改变而改变。
⑶半衰期
在单一的放射性衰变过程中，放射性活度降至初始数量的一半所需要的平均时间。
几种常用放射性核素的半衰期列于表4中。
表4几种常用放射性核素的半衰期
核素
衰变类型
主要能量分支
半衰期
T1/2
氢-3
3H
β-
18.62keV（Emax）
12.34a
碳-14
14C
156.5keV（Emax）
5730a
磷-32
32P
1710.4keV（Emax）
14.28d
钾-40
40K
γ
1460.7keV
1.26×
109a
钴-60
60Co
1173keV（99.89%）
1332keV（99.98%）
5.272a
锶-90+钇-90
90Sr+90Y
546keV（Emax）（100%）
2284keV（Emax）（99.98%）
28.15a
碘-131
131I
606.3keV（Emax）（89.9%）
364.48keV（81.6%）
8.021d
铱-192
192Ir
672keV（Emax）（48%）
536keV（Emax）（41.3%）
316.5keV（83.0%）
468.07keV（47.8%）
308.45keV（29.8%）
295.95keV（28.7%）
73.83d
铯-137
137Cs
662keV
30.15a
10
镅-241
241Am
α
5485.6keV（85.2%）
5442.9keV（13.1%）
5544keV（0.3%）
59.5keV（35.9%）
26.35keV（2.4%）
432.7a
⑷照射量
①定义
照射量X是dQ除以dm所得的商，即
dQ是光子在质量为dm的空气中所释放或产生的全部电子（电子和正电子）在空气中完全被阻止所产生的一种符号离子的总电荷的绝对值。
单位：
C∕kg。
照射量单位没有专名。
照射量的非法定计量单位伦琴（R）已废止使用。
1R=2.58×
10－4C∕kg。
在dQ中包括俄歇电子所产生的电离，不包括辐射过程（即韧致辐射和荧光光子）所发射的光子引起的电离。
这一差别在高能情况下是显著的，除此之外，上述照射量的定义是空气比释动能的电离等效。
根据定义我们可以看出：
照射量X是用空气被电离的最终结果描述光子辐射场特性的量。
因此，照射量只限于用来度量X或γ辐射。
可以在自由空间中确定照射量，也可以在其他物质内部某一点处确定照射量。
在现有技术条件下，只有能量在几keV到几MeV范围内的X或γ辐射，才能较严格地在“电子平衡”条件下精确地测量照射量。
照射量还可以根据光子的能注量Ψ和空气的质量能量吸收系数（μen∕ρ）以及空气中每形成一个离子对所消耗的平均能量W写成另外一种形式：
e是基本电荷。
根据比释动能K的第二种公式，
由于
，因此照射量X的公式又可写为：
g是光子释放的电子在空气中通过辐射过程损失的能量的份额;
μtr∕ρ是空气的质量能量转移系数。
当轫致辐射忽略不计时，在带电粒子平衡条件下（1-g）近似等于1，照射量X与空气比释动能Ka的公式中只有比值（e∕W）的差别。
因此，可以说，照射量X是空气比释动能Ka的电荷当量。
按照定义，进行X射线照射量的量值复现装置通常采用平行板自由空气电离室。
其实物照片详见图13。
图13复现照射量的平行板自由空气电离室
照射量率
是dX除以dt所得的商，即
dX是经时间间隔dt照射量的增量。
C∕（kg·
s）。
②照射量的历史演变
照射量及其单位在历史上经历了多次变化。
自从1895年11月X射线被发现以后，首先应用于医学，随后是其他领域。
其后，各国物理学家和放射学家根据X射线的生物效应和物理化学效应，提出了各种不同的量度方法，如早期提出的有红斑量，还企图利用荧光物质在X射线照射下的发光，某些材料的变色及胶片感光程度等，但这些方法都难以稳定重复，逐渐被电离法所代替。
用电离法的量度出现过三种单位：
1）1908年法国维拉德提出用测量电离的方法来确定X射线的量，后人称此单位为“e”单位；
2）1921年法国梭罗蒙（I.Solomon）提出R单位（1R单位的X射线在空气中产生的电离与1g镭元素离开电离室2cm，经过0.5mm铂的过滤后所产生的电离相同）；
3）1923年德国本根（H.Behnken）所建议的单位，称为伦琴单位，也用符号R，此单位是以1cm3的空气受到X射线照射后，在空气中产生的电离电荷为基础的，实质上就是后来被大家所采用的伦琴单位。
1925年在伦敦召开的第一届国际放射学大会上由于无法取得一致意见，因此，决定成立一个专门委员会研究这个问题，这就是后来的ICRU。
由于电离室使用起来方便、灵敏、稳定和测量结果可以重复，于是它成为人们选中的测量方法。
但是由于电离室室壁材料不同，即其他情况完全相同的两个充空气电离室在相同的辐射场内会得出不同的电离电流值。
为了完全消除壁效应并使探测器响应只依赖于空气中的电离，Duane、Friedrich、泰勒（L.S.Taylor）、本根等人在20世纪20年代和30年代研制了自由空气电离室。
1928年第二届国际放射学大会正式通过伦琴作为X辐射量的国际单位，其定义为：
1伦琴是当次级电子被全部利用，而且室壁效应被免除的时候，它在0℃和76厘米汞柱压强下的1立方厘米空气中产生这样的导电性，使得在饱和电流下测得的电荷量为1个静电单位。
伦琴用符号“r”表示。
在这个定义中没有说明量度的量是什么？
概念不够明确，但它毕竟为国际统一度量打下了基础。
1937年第五届国际放射学大会把伦琴单位推广应用于γ辐射。
决定X射线或γ射线的量或剂量的国际单位是伦琴，定义的措辞有了重大修改。
“1）X射线或g射线的量或剂量的国际单位是伦琴，用符号R标记。
2）伦琴是X或g射线的量，它在每0.001293克空气中所伴有的微粒发射，在空气中产生的任一种符号离子的电量为1个静电单位。
应该注意到在这个定义中：
1）由于出现了“量或剂量”的说法，而“剂量”又未加定义，因而出现新的含混不清。
即量或剂量到底是不是一回事？
2）剂量的含义是什么？
是当作X射线本身的某一度量，还是把它当作传递给空气的电离？
3）定义中的“伴随的微粒发射”是伦琴概念的重要变化，是空腔电离室在理论和实验的贡献。
1956年ICRU正式明确，把上述定义的以“伦琴”为单位的那个量称为照射剂量，它是根据对空气产生电离的本领大小而对X或γ射线所作的量度，伦琴作为照射剂量的单位。
ICRU在这一年的报告中强调指出照射剂量和吸收剂量这两个概念的区别。
照射剂量（伦琴）或照射剂量率（伦琴∕分钟）是根据其电离本领大小来表示X或γ射线源的输出量，或用来表征物体暴露在其中的辐射场。
ICRU还认为，过去“伦琴”被定义为X或g射线的“量”或“剂量”的单位，这种名称含糊不清。
辐射的“量”一般也可以理解为能量通量密度的时间积分；
“剂量”这个字眼也过于宽泛，容易引起混淆。
所以，ICRU想把“剂量”这个词在使用上与它过去和伦琴单位的联系彻底割断。
当初ICRU就打算采用术语照射量，而不采用照射剂量，但遭到国际放射防护委员会的反对，因为在放射学上几十年来一直把这个量当做一种剂量看待，而且许多国家在辐射防护的法律条文中也使用这种用语。
为了照顾习惯，ICRU采取了权宜之计，把这个量称为“照射剂量”。
1962年ICRU第10a报告有较大的修改，其主要内容：
1）将以伦琴为单位的量的名称，由原来的照射剂量改为照射量，从而使其终于完全与“剂量”一词脱离关系。
伦琴（R）只能是照射量的单位，不能是其他量的单位。
2）提出比释动能（kerma）的量，比释动能的名称由英语kineticenergyreleasedinmaterial（在物质中释放出的动能）缩写而成，以erg∕g、J∕kg等单位表示，不能以拉德为单位，拉德只用于吸收剂量。
3）规定把粒子或粒子通量密度对时间的积分称为注量（fluence）；
相应地把强度对时间的积分称为能注量（energyfluence）。
4）提出质能转移系数μk∕ρ的概念。
它等于任一点的比释动能与光子或中子的能注量的比率。
人们比较熟悉的质能吸收系数μen∕ρ比μk∕ρ小。
质能吸收系数中不包括光子或中子所释放的次级带电粒子通过发射轫致辐射而损失的能量。
此后1971年ICRU出版了第19号报告，专门论述了电离辐射量和单位。
1980年4月出版的第33号报告全部采用国际制单位。
1984年5月ICRP第42号出版物《国际放射防护委员会使用的重要概念和量汇编》中明确指出：
“照射量这个量曾经用于X和γ辐射的测量，现在它除了作为参考标准的一个量以外，日渐趋于淘汰，取而代之以空气比释动能，……”
ICRU在第33号报告中指出：
“由电子发射的轫致辐射被吸收后产生的电离不包括在dQ之中。
若无这种差别，上面定义的照射量就是空气比释动能的电离当量。
在ICRU第33号报告中又指出：
“对于涉及光子的许多应用来说，由于在瞬时带电粒子平衡条件下，以戈瑞为单位的空气比释动能和以戈瑞为单位的空气、水或软组织的吸收剂量之间还存在着更近似的数值相等关系，因此，可以很方便地用以戈瑞为单位的空气比释动能来作辐射测定。
这样，照射量作为一个剂量学量的地位和作用便归于结束。
照射量及其单位的历史演变，是一个物理量不断完善，不断严格规范的过程。
照射量的使用范围已经渐渐缩小，甚至完全停止使用。
其在剂量学中的地位也逐步让位于空气比释动能。
这就是我们所说在电离辐射领域量和单位改制中不仅有单位制的变化，还有伴随所使用物理量的改变。
但是，回顾照射量的演变及其历史作用，对于理解新的单位空气比释动能的定义、用途、以及在剂量学系统中的作用非常有益。
⑸比释动能
比释动能K是dEtr除以dm所得的商，即
dEtr是不带电粒子在质量dm的物质中释放的全部带电粒子的初始动能之和。
dEtr包括俄歇（Auger）电子的动能。
J∕kg。
比释动能单位的专名为戈瑞（gray，Gy）。
比释动能的非法定计量单位拉德（rad）已废止使用。
1rad＝10-2Gy。
根据定义，比释动能适用于X和γ以及中子辐射等不带电粒子。
在使用中，由于比释动能K可以用能注量Ψ、注量Φ与相互作用系数的乘积求得。
所以，比释动能K还可以表示为如下形式：
其中，μtr∕ρ为物质对相应粒子的质能转移系数；
单位注量的比释动能K∕Φ称作能量为E的不带电粒子对指定物质的比释动能系数。
实践中还常常需要测量某一特定物质内的另一物质中一点的比释动能或比释动能率，此时被测的质量元必须小到对不带电粒子场不引起明显的扰动。
最常见的例子是：
在肿瘤放射治疗前，用水箱测量参考点或校准点（水下一点）处的空气比释动能Ka。
另外，当达到电子平衡，且轫致辐射可以忽略时，吸收剂量与比释动能接近相等。
②比释动能的历史演变
20世纪50年代中期和后期，放射物理学工作者对剂量学概念和单位进行了大量的讨论。
大家普遍认为，有必要弄清楚剂量学的量和单位的定义是否严格，所有从逻辑推理上看必须存在的量是否有了定义，剂量学术语与其他物理学领域中通常使用的量和单位是否有密切联系。
1958年罗奇（W.C.Roesch）首先提出了比释动能。
他指出：
有一个量对剂量学是十分重要的，但却没有定义和命名，他把这个量叫做KERM。
KERM是γ辐射和中子在被辐照介质中有关点的单位质量内转移给次级带电粒子的动能。
由于γ辐射和中子在沉积能量过程中分两个步骤，即1）将能量传递给带电粒子；
2）通过库仑相互作用将该能量沉积在物质内，所以需要KERM这样一个量来确切描述这类辐射同物质的相互作用。
正象吸收剂量是描述一个点上的过程2）的结果那样，KERM是描述
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