电离辐射场.pdf

1辐射剂量与防护授课单位：核工程技术学院授课专业：核工程、核技术授课教师：杨磊课程简要知识体系X课程知识的回溯上述2种手段其实是要获得粒子的任意时刻的空间位置、能量变化、运动方向以及物质形态变化情况。外界环境：实践测量人体内部：理论计算和实践验证课程知识分解3W1HWhat(是什么)Why(为什么)Why not(为什么不)How(怎么用)Where(用到什么地方)When(什么时候用到)辐射剂量与防护电离辐射领域常用的量及其单位电离辐射领域常用的量及其单位工程建设工程建设,日常检测日常检测法律法规法律法规仪器实践测量仪器实践测量+理论计算理论计算电离辐射领域常用的量及其单位电离辐射领域常用的量及其单位工程建设工程建设,日常检测日常检测法律法规法律法规仪器实践测量仪器实践测量+理论计算理论计算辐射知识分解辐射,n第一章 电离辐射场?第一节 电离辐射及分类第一节 电离辐射及分类?第二节 电离辐射场的概念第二节 电离辐射场的概念?第三节 辐射传输方程第三节 辐射传输方程?第四节 方程基本求解方法第四节 方程基本求解方法2第一节 电离辐射及分类第一节 电离辐射及分类?1.1 概念定义概念定义?1.2 按射线本质分类按射线本质分类?1.3 按与物质的作用能力分类按与物质的作用能力分类?1.4 按与物质的作用过程分类按与物质的作用过程分类?1.5 按与人体的作用方式分类按与人体的作用方式分类1.1 概念定义1.1 概念定义?电离：电离：从一个原子、分子或其它束缚状态释放一个或多个电子的过程；?电离辐射：电离辐射：由能通过初级过程或次级过程引起电离的带电粒子或不带电粒子组成的，或者由它们混合组成的辐射；1.1 概念定义（续）1.1 概念定义（续）?电离辐射场电离辐射场：电离辐射无论在空间，还是在介质内部通过、传播以至经由相互作用发生能量传递的整个空间范围，由此形成的场；?辐射量：辐射量：为了表征辐射源特征，描述辐射场性质，量度辐射与物质相互作用的程度及受照物质内部发生的辐射效应的量；1.2 按射线本质分类1.2 按射线本质分类?1.粒子辐射粒子辐射：是指组成物质的基本粒子，或由这些粒子组成的原子核。粒子辐射是一些高速运动的粒子，消耗自己的动能把能量传给被穿透的物质。粒子辐射包括电子、质子、中子、粒子、粒子和带电重离子等。?2.电磁辐射电磁辐射：实质是电磁波，包括无线电波、微波、可见光、紫外线、X射线和 射线等。电磁辐射示意图电磁辐射示意图不同种类电磁波的波长不同种类电磁波的波长31.3 按与物质的作用能力分类1.3 按与物质的作用能力分类?1.电离辐射电离辐射：通过初级和次级过程引起物质电离，如粒子、粒子、质子、中子、X射线和 射线等，对于X、射线，一般当E 10ev时可以引起电离辐射，或当波长 10)近壁区不适用近壁区不适用?优点优点:无需任何边界条件，边界被处理成黑体无需任何边界条件，边界被处理成黑体(发射率发射率Emissivity=1.0)?例子例子:透过热玻璃的传热透过热玻璃的传热 透过半透明材料的传热透过半透明材料的传热1.2 The P-1 Model1.2 The P-1 Model?The P-1 Model?假设假设:辐射强度为各向同性或在指定空间位置方向无关辐射强度为各向同性或在指定空间位置方向无关?方法方法:需求解额外疏运方程需求解额外疏运方程?局限局限:仅适用于光学厚度仅适用于光学厚度 optical thickness/depth 1 对透明壁面不适用对透明壁面不适用 对所有的外部壁面不适用对所有的外部壁面不适用?优点优点:适用于非黑体壁面，非常属性材料，各向异性散射，近壁面适用于非黑体壁面，非常属性材料，各向异性散射，近壁面 例如例如:粉碎燃料火焰粉碎燃料火焰(适用离火焰中等距离位置适用离火焰中等距离位置)111.3 The Discrete Transfer Model1.3 The Discrete Transfer Model?The Discrete Transfer Model?假设假设:散射各向同性散射各向同性系统为均一的系统为均一的?方法方法:1)离边界的光子距在求解前就决定离边界的光子距在求解前就决定2)辐射强度沿光谱方向求解简化的疏运方程辐射强度沿光谱方向求解简化的疏运方程(假设散射各向同性假设散射各向同性)3)假设系统为均相的假设系统为均相的,对整个系统求解吸收、发射和散射对整个系统求解吸收、发射和散射1.4 The Monte Carlo Model1.4 The Monte Carlo Model?The Monte Carlo Model?假设假设:辐射强度和光子的离散角通量成比例（辐射强度和光子的离散角通量成比例（angular flux of photons），辐射场处理为光子气），辐射场处理为光子气i.e.光谱分析光谱分析,#of histories T4?方法方法:跟踪典型的光子气并标记计算跟踪典型的光子气并标记计算(在每个体单元内在每个体单元内):1.跟踪的距离?平均总辐射强度跟踪的距离?平均总辐射强度2.距离乘吸收系数?平均总吸收强度距离乘吸收系数?平均总吸收强度3.距离乘散射系数?平均总散射强度距离乘散射系数?平均总散射强度1.4 The Monte Carlo Model（续）1.4 The Monte Carlo Model（续）?The Monte Carlo Model?局限局限:计算资源消耗大计算资源消耗大:每个求解步内都追踪区域内的样本和光线每个求解步内都追踪区域内的样本和光线.总包含统计误差总包含统计误差 1/N?优点优点:非常通用的方法非常通用的方法适合适合gray/non-gray,scattering,emission and absorption对于透明介质辐射计算，推荐使用对于透明介质辐射计算，推荐使用二 求解方程的前提条件二 求解方程的前提条件?如果方程包含时间项，需要给出初始条件，同时给出空间边界条件；如果方程包含时间项，需要给出初始条件，同时给出空间边界条件；?如果方程不包含时间项，则只需要边界条件即可；如果方程不包含时间项，则只需要边界条件即可；?从数学物理方法知识，常见边界条件有从数学物理方法知识，常见边界条件有2类，第一类，第二类边界条件。类，第一类，第二类边界条件。?上述条件下一般可以唯一确定方程的解。上述条件下一般可以唯一确定方程的解。三 理论求解方法三 理论求解方法?特点：一般只能用来求解简化的问题，如：稳态问题（恒定辐射场）；单速问题（粒子能量单一）；一维问题（轴对称的平板几何条件）；二维问题（轴对称）；均匀（系统的参量如粒子移入、移出截面为常数）；特点：一般只能用来求解简化的问题，如：稳态问题（恒定辐射场）；单速问题（粒子能量单一）；一维问题（轴对称的平板几何条件）；二维问题（轴对称）；均匀（系统的参量如粒子移入、移出截面为常数）；三 理论求解方法（续）三 理论求解方法（续）?()()()()()()0,coscosjjixx P =()()()()()()0,coscosjjiS xsx P =求解思想：一般采用球谐函数法，求解思想：一般采用球谐函数法，把与角度有关的各项展开为第一类球谐函数把与角度有关的各项展开为第一类球谐函数(即勒让德多项式函数即勒让德多项式函数)：例如针对稳态，单速，一维平板，均匀问题：例如针对稳态，单速，一维平板，均匀问题：()()()()()()0,coscosjjixx P=12三 理论求解方法（续）三 理论求解方法（续）()()()()()()()()()()1112321421nnnnnnndndxxndxndxxxSxn+=+=+利用勒让德多项式的正交性、加法定理等，可以最终得到如下形式：利用勒让德多项式的正交性、加法定理等，可以最终得到如下形式：()()()()0000 xSxS=配合边界条件：配合边界条件：四 数值求解四 数值求解?1、方程的数值离散，如有限差分法，有限元法，建立起一组方程的代数形式；、方程的数值离散，如有限差分法，有限元法，建立起一组方程的代数形式；利用有限差分法对方程的数值离散，可以参考反应堆物理分析中对扩散方程的离散方法；利用有限差分法对方程的数值离散，可以参考反应堆物理分析中对扩散方程的离散方法；?2、把离散后的代数形式的方程以矩阵形式表示：、把离散后的代数形式的方程以矩阵形式表示：?3、应用各种矩阵的求解方法，如、应用各种矩阵的求解方法，如LU分解法，但一般采用迭代法如高斯分解法，但一般采用迭代法如高斯-赛德尔迭代法，共轭梯度法等等；赛德尔迭代法，共轭梯度法等等；?4、编写程序；、编写程序；Axb=五 结论五 结论?采用辐射传输方程求解粒子的时空分布演变情况已经不多见；采用辐射传输方程求解粒子的时空分布演变情况已经不多见；?目前主要蒙特卡罗方法进行粒子随机跟踪模拟，然后对粒子的历史行为进行随机涨落统计分析，最终得到相关结论；目前主要蒙特卡罗方法进行粒子随机跟踪模拟，然后对粒子的历史行为进行随机涨落统计分析，最终得到相关结论；?蒙特卡罗方法及软件在辐射剂量与防护计算中的应用越来越多，是以后学习重点。蒙特卡罗方法及软件在辐射剂量与防护计算中的应用越来越多，是以后学习重点。参考文献参考文献?田志恒，辐射剂量学，原子能出版社，北京，1992；田志恒，辐射剂量学，原子能出版社，北京，1992；?方杰，辐射防护导论，原子能出版社，北京，1991；方杰，辐射防护导论，原子能出版社，北京，1991；?ANSYS 辐射模拟介绍，附录CANSYS 辐射模拟介绍，附录C?谢仲生，反应堆物理分析，西安交通大学出版社，西安；谢仲生，反应堆物理分析，西安交通大学出版社，西安；