放射物理學及輻射劑量學導論

本書乃專為研究生設計，廣泛介紹放射物理學和輻射劑量學的基礎概念。內容涵蓋光子和中子衰減、輻射和帶電粒子平衡、光子和帶電粒子與物質的相互作用、放射治療劑量和照相、量熱、化學和熱發光劑量測定術。除此之外，本書還做了許多來源的介紹，如克拉莫斯x射線能譜，或是在其他書中未詳盡介紹的主題，例如寬射束衰減、幾何形狀和倒易原理等。本書的特色是以邏輯性的順序先後介紹各章概念，並備有詳盡的表及圖解，讓學生更容易理解。

譯者序 v
前　言 vii

第 1 章 游離輻射 1
I. 引言 1
II. 游離輻射源及其種類 2
III. 游離輻射場 5
A. 輻射無規則特性之後果 5
B. 用非隨機量簡單的描述輻射場 8
C. 隨能量和入射角的微分分布 10
D. 通量的另一種定義 15
E. 平面通量 15
習題 18
習題答案 19

第 2 章 描述游離輻射與物質相互作用的量 20
I. 引言 20
II. 克馬 21
A. 定義 21
B. 克馬與光子能通量的關係 22
C. 克馬與中子通量的關係 23
D. 克馬的組成 24
E. 克馬率 26
III. 吸收劑量 26
A. 定義 26
B. 吸收劑量率 27
IV. 授予能、轉移能和淨轉移能的對比示例 27
V. 曝露量 29
A. 定義 29
B. W─的定義 30
C. 曝露量與能通量的關係 31
D. 曝露量率 32
E. 曝露量的意義 32
VI. 輻射防護中使用的諸量及其單位 34
A. 射質因數，Q 34
B. 等效劑量，H 34
C. 周圍輻射水平的表述 36
習題 36
習題答案 37

第 3 章 指數率衰減 38
I. 引言 38
II. 簡單的指數律衰減 38
III. 多種吸收模式的指數衰減 40
IV. 「窄束」不帶電游離輻射的衰減 42
V. 「寬束」不帶電游離輻射的衰減 44
VI. 某些寬束幾何條件 46
VII. 譜效應 50
VIII. 增建因數 53
IX. 倒易原理 55
習題 60
習題答案 60

第 4 章 帶電粒子平衡和輻射平衡 61
I. 引言 61
II. 輻射平衡 61
III. 帶電粒子平衡 65
A. 分布放射源的帶電粒子平衡 65
B. 對於外部射源發出的間接游離輻射的帶電粒子平衡 67
IV. 在曝露量度量中的帶電粒子平衡 70
V. 對於X和γ射線的吸收劑量與曝露量的關係 71
VI. 間接游離輻射場中造成帶電粒子平衡失效的幾種原因 72
A. 靠近射源 72
B. 靠近介質中不均勻性的邊界 72
C. 高能輻射 74
VII. 暫時帶電粒子平衡 (TCPE) 75
習題 77
習題答案 78

第 5 章 放射性介質中的吸收劑量 80
I. 引言 80
II. 放射性衰變過程 86
A. a衰變 86
B. b衰變 88
C. 電子捕獲 (EC) 躍遷 93
D. 內轉換與g射線發射的比較 96
E. 附錄C中劑量估算用的表 99
習題 100
習題答案 100

第 6 章 放射性衰變 101
I. 總衰變常數 101
II. 部分衰變常數 102
III. 活度的單位 102
IV. 平均壽命和半衰期 103
V. 放射性母核－子核間的關係 105
VI. 母核－子核活度間的平衡 107
A. 子核壽命比母核壽命長，λ2 < λ1 108
B. 子核壽命比母核壽命短，λ2 > λ1 108
C. 唯一一個子核且壽命小於母核，λ2 >> λ1 112
VII. 子核產物的取出 114
VIII. 由核反應產生的放射活化 115
IX. 曝露量率常數 117
習題 121
習題答案 123

第 7 章 γ-和X-射線與物質的相互作用 124
I. 引言 124
II. 康普頓效應 125
A. 運動學關係式 126
B. 康普頓效應的相互作用截面 129
C. 康普頓效應的能量轉移截面 134
III. 光電效應 138
A. 運動學關係式 138
B. 光電效應的相互作用截面 139
C. 光電效應的能量轉移截面 142
IV. 成對發生 146
A. 在原子核的庫侖力場中成對發生 148
B. 在電子場中成對發生 150
C. 成對發生的能量轉移係數 152
V. 瑞利（相干性）散射 153
VI. 光核反應 154
VII. 衰減、能量轉移和能量吸收總係數 154
A. 質量衰減係數 154
B. 質能轉移係數 155
C. 質能吸收係數 155
D. 化合物和混合物的係數 156
E. 光子相互作用係數表 157
習題 158
習題答案 159

第 8 章 帶電粒子在物質中的相互作用 160
I. 引言 160
II. 帶電粒子庫侖力相互作用的類型 161
A. 「軟」碰撞 (b >> a) 161
B. 硬（或「撞擊」）碰撞 (b ~ a) 162
C. 庫侖力與外部核場的相互作用 (b << a) 163
D. 重帶電粒子的核相互作用 164
III. 阻止本領 165
A. 軟碰撞項 166
B. 重帶電粒子的硬碰撞項 167
C. 殼層修正項 171
D. 電子和正子的質量碰撞阻止本領 171
E. 極化效應或密度效應的修正 172
F. 質量輻射阻止本領 175
G. 輻射產率 177
H. 化合物的阻止本領 178
I. 限定阻止本領 179
IV. 射程 180
A. 連續減速近似射程 180
B. 投影射程 183
C. 歧離和多次散射 184
D. 電子射程 184
E. 光子的「投影射程」 186
V. 吸收劑量的計算 187
A. 薄箔中的劑量 187
B. 在較厚箔片中的平均劑量 190
C. 在厚度大於粒子最大投影射程的箔片中的平均劑量 192
D. 電子的反散射 193
E. 帶電粒子束的劑量隨深度的變化 195
習題 200
習題答案 201

第 9 章 X射線的生成及其品質 203
I. 引言 203
II. X射線的生成及其能譜 203
A. 螢光X射線 203
B. 制動X射線 210
III. X射線過濾和射束的品質 219
A. X射線的過濾 220
B. X射線束品質的詳細規範 221
習題 229
習題答案 230

第10章 空腔理論 231
I. 布拉格－戈雷理論 231
II. 布拉格－戈雷關係式的推論 235
A. 布拉格－戈雷的第一個推論 235
B. 布拉格－戈雷的第二個推論 235
III. Spencer（斯潘瑟）推導的布拉格－戈雷理論 237
IV. 阻止本領的平均 239
V. Spencer的空腔理論 242
VI. Burlin的空腔理論 248
VII. Fano定理 255
VIII. 其他空腔理論 257
IX. 在γ照射下兩種不同介質交界面附近的劑量 259
習題 262
習題答案 263

第11章 劑量學基礎 264
I. 引言 264
A. 何謂輻射劑量學 264
B. 何謂劑量計 264
C. 根據空腔理論建造的簡單劑量計模型 265
II. 解釋劑量計度量結果的一般導則 266
A. 對於光子和中子 266
B. 對於帶電粒子 274
III. 劑量計的一般特性 277
A. 絕對（度量）性質 277
B. 精密度和準確度 277
C. 劑量（量程） 279
D. 劑量率量程 281
E. 穩定性 282
F. 能量依存性 283
G. 零星雜談 290
習題 290
習題答案 291

第12章 游離腔 292
I. 引言 292
II. 自由空氣游離腔 292
A. 通常的設計 292
B. 設計新奇的自由空氣游離腔 300
III. 空腔游離腔 304
A. 指形游離腔 304
B. 扁平空腔游離腔 311
C. 透射監測游離腔 315
IV. 電荷和電流的度量 315
A. 一般考慮 315
B. 電荷的度量 319
C. 電流的度量 323
D. 大氣的校正 326
V. 游離腔的飽和與離子復合 330
A. 產生的電荷與收集的電荷之關係 330
B. 復合的類型 332
C. 氣體的類型 332
D. 電場強度與游離腔幾何形狀的關係 333
E. Mie氏關於在負電性氣體（例如空氣）中定常劑量率下
總體復合或體積復合的理論，Boag的推算方法 334
F. 對初始復合的外插 336
G. 脈衝輻射 337
VI. 游離、激發和W 339
A. W和W─的定義 339
B. W值的計算 340
C. W或W─值的實驗度量結果 341
D. W的能量依存性 342
E. W對輻射類型的依存關係 343
F. 氣體混合物的W值 343
G. 半導體中的「W」值 343
習題 343
習題答案 345

第13章 空腔游離腔對光子束和電子束劑量的測定與校正 346
I. 引言 346
II. 絕對度量的空腔游離腔 346
III. 用X射線或γ射線校正游離腔 347
A. 游離腔的曝露量校正 347
B. 游離腔的Ngas校正 350
C. 根據水中吸收劑量校正游離腔 356
IV. 用曝露量校正過的游離腔對光子束進行校正 357
A. 在自由空間中校正 357
B. 用曝露量校正過的游離腔在假體中校正光子束 366
C. 對於光子束的校正用塑膠材料假體取代水假體 372
V. 用Ngas方法在假體中對光子束進行校正 376
A. 游離腔壁材料與假體相同 376
B. 游離腔壁材料與假體不同 378
VI. 在假體中校正電子束 380
A. 用空腔游離腔作絕對度量 380
B. 關於假體中空腔游離腔引起的對電子束擾動的修正 380
C. CE方法 385
D. Ngas方法 388
習題 392
習題答案 394

第14章 積分劑量計 395
I. 熱發光劑量測定術 395
A. 熱發光過程 395
B. TLD計讀器 400
C. TLD螢光體 403
D. TLD的形式 403
E. 熱發光劑量計的校正 405
F. 優點和缺點 410
G. 參考文獻 411
II. 照相劑量測定術 411
A. 照相工藝 411
B. 膠片的光密度 412
C. X射線膠片的實際照射範圍 414
D. 對X射線能量的依存關係 414
E. 核徑跡乳膠 415
F. 照相劑量測定術的優缺點 416
G. 參考文獻 418
III. 化學法劑量測定術 418
A. 引言 418
B. 基本原理 418
C. 一般操作步驟 419
D. Fricke硫酸亞鐵劑量計 421
E. 其他化學劑量計 423
F. 液體化學劑量度量系統的一般優缺點 424
G. 參考文獻 425
IV. 量熱法劑量測定術 426
A. 溫度的度量 426
B. 量熱計的設計 427
C. 量熱法劑量度量的優缺點 435
D. 結論 435
習題 436
習題答案 437

第15章 用脈衝型偵測器度量劑量 438
I. 引言 438
II. 蓋革－牟勒 (GM) 計數器與比例計數器 438
A. 氣體倍增 438
B. 比例計數器 441
C. 蓋革－牟勒計數器 446
III. 閃爍劑量測定術 450
A. 引言 450
B. 光輸出效率 451
C. 閃爍體的類型 452
D. 光的收集和度量 452
E. 與游離腔的比較 455
F. 脈衝波形鑑別 456
G. b射線劑量度量 457
IV. 劑量度量用的半導體偵測器 457
A. 引言 457
B. 加反向偏壓的半導體結型偵測器的工作原理 457
C. 無偏壓的矽二極管 459
D. 鋰漂移的矽和鍺偵測器 459
E. Si(Li) 作為游離腔的替代使用 461
F. 加反向偏壓的Si(Li) 接合用作計數劑量率計 461
G. 快中子劑量度量 461
習題 462
習題答案 462

第16章 中子的相互作用與劑量度量 463
I. 前言 463
II. 中子的動能 464
A. 熱中子 464
B. 中能中子 465
C. 快中子 465
III. 中子與人體組織的相互作用 465
A. 組織的組成 465
B. 克馬的計算 466
C. 熱中子與人體組織的相互作用 468
D. 中能中子和快中子引起的相互作用 468
IV. 中子源 468
V. 中子的射質因數 472
VI. 在代表人體的圓柱形假體中吸收劑量的計算 472
VII. n＋γ混合場的劑量度量 475
A. n＋γ混合場的出現 475
B. n＋γ劑量計回應的方程式 476
C. 用成對的劑量計分別度量中子和γ射線的劑量成分 477
D. 劑量計對中子和γ射線的相對靈敏度 479
E. 用作n＋γ劑量度量的組織等效游離腔的校正 495
F. 用於雙劑量計法的低中子靈敏度劑量計的校正 498
VIII. 微劑量學 501
A. 徑跡－記述方法：直線能量轉移 501
B. 與微區有關的方法 503
C. 隨機量 503
習題 504
習題答案 505

參考文獻 506
附 錄 525
A.1 物理常數 525
A.2 轉換係數 526
B.1 元素數據表 527
B.2 混合物與化合物數據表 531
B.3 混合物成分 532
C. 核種輸出數據 533
D.1 自由電子克萊茵－仁科相互作用截面積 537
D.2 光子相互作用截面積 538
D.3 光子與各種介質相互作用的質量衰減係數，質能轉移
係數，及質能吸收係數 556
D.4 各種介質的質能吸收係數 562
E. 電子質量阻止本領，射程，輻射產率及密度修正 563
F. 中子克馬因數Fn 587
索 引 599