電離輻射劑與防護

1、電離輻射劑量學：研究電離輻射能量在物質(zhì)中的轉(zhuǎn)移和沉積的規(guī)律，特別是轉(zhuǎn)移和沉積的度量（量的定義、測量、計算等）的科學。劑量計算或測量兩種基本途徑：（1）輻射場本身測量 一輻射場粒子數(shù)、輻射的能譜分布、輻射能量沉積本領（2）直接或間接測量沉積能量第一章回顧1、輻射的分類i .電離輻射：通過初級和次級過程引起物質(zhì)電離，如“粒子、3粒子、質(zhì)子、中子、X射線和丫射線等。ii .非電離輻射：與物質(zhì)作用不產(chǎn)生電離的輻射，如微波、無線電波、紅外線等。2、輻射場的描述粒子注量定義：單向輻射場：粒子注量，數(shù)值上等于通過與粒子入射方向垂直的單位面積的粒子數(shù)。E d (E)/dEE(E)EdEo能量注量：dE ft

2、/ da能量注量與粒子注量的關系E m a xe EdE03、相互作用系數(shù)A、帶電粒子（e、重帶電粒子） 總阻止本領：總線阻止本領帶電粒子通過物質(zhì)時在單位路程上損失的能量。,dEsdE是dl距離上損失能量的數(shù)學期望值。dl總線阻止本領與帶電粒子的性質(zhì)（電荷、質(zhì)量、能量）和物質(zhì)的性質(zhì)（原子序數(shù)、密度） 有關。去除物質(zhì)密度的影響可得到總質(zhì)量阻止本領公式:s/1 dEdl總質(zhì)量阻止本領描述帶電粒子在物質(zhì)中穿過單位路程時，因各種相互作用而損失的能量。 它可分解為各種相互作用阻止本領之和。S/ （S/ ）c（S/ ）r質(zhì)量碰撞阻止本領（包括電離和激發(fā)對能量損失的貢獻）C1（S /）c dE c / dl

3、質(zhì)量輻射阻止本領（由非彈性輻射相互作用導致的初級帶電粒子的能量損失決定）_1（S /） r dE r / dl筆形束輻射在水模中的縱向能量沉積X、射線與物質(zhì)作用類型:光電效應康普頓效應電子對生成中子與物質(zhì)相互作用類型：彈 性 散 射（Elastic-scattering ）：總動 守恒。臺匕 目匕非彈性放射（In-elastic scattering）：總能量、動量守恒，動能不守恒。去彈性散射（Non-elastic scattering ） ： （n.p） （ n.）等。俘獲（Capture）: （n. 丫）。散射（Spallation）以上均屬與原子核的相互作用。B、不帶電粒子（X、中子）

4、質(zhì)量減弱系數(shù)（/）:描述物質(zhì)中入射不帶電粒子數(shù)目的減小，不涉及具體物理過程。質(zhì)量能量轉(zhuǎn)移系數(shù) （tr/ ）：描述不帶電粒子穿過物質(zhì)時，其能量轉(zhuǎn)移給帶電粒子數(shù)值。只涉及帶電粒子獲得的能量，而不涉及這些能量是否被物質(zhì)吸收。質(zhì)量能量吸收系數(shù)（ en/ ）:描述不帶電粒子穿過物質(zhì)時，不帶電粒子被物質(zhì)吸收的能量。en/( tr/ )(1 g)當次級帶電粒子動能較小、物質(zhì)原子序數(shù)較低時，物致輻射弱，g值接近于零，此時en/值近似tr/值。數(shù)值上：質(zhì)量減弱系數(shù)（/ ）質(zhì)量能量轉(zhuǎn)移系數(shù)（tr/ ）質(zhì)量能量吸收系數(shù)（en/ ） 4、輻射劑量學中使用的量A吸收劑量（D）同授與能（）相聯(lián)系，單位質(zhì)量受照物質(zhì)中所吸收

5、的平均輻射能量。D d-/dm單位Gy。適用于任何類型的輻射和受照物質(zhì)，與一個無限小體積相聯(lián)系的輻射量。受照物質(zhì)中每一點都有特定的吸收劑量數(shù)值。B、比釋動能(K)同轉(zhuǎn)移能(tr)相聯(lián)系，不帶電粒子在質(zhì)量 dm的物質(zhì)中釋放出的全部帶電粒子的 初始動能總和的平均值。K d-tr / dm單位Gy。針對不帶電粒子，對受照物質(zhì)整體，而不對受照物質(zhì)的某點而言。K fk,進而求得比釋動實用時可先查比釋動能因子表(國際上給出比釋動能因子的推薦值)能。C帶電粒子平衡不帶電粒子在某一體積元的物質(zhì)中，轉(zhuǎn)移給帶電粒子的平均能量，等于該體積元 物質(zhì)所吸收的平均能量。發(fā)生在物質(zhì)層的厚度大于次級帶電粒子在其中的最大射程深

6、度 處。吸收劑量與比釋動能的關系帶電粒子平衡下D=K (1-g)g是次級電子在慢化過程中，能量損失于物致輻射的能量份額。對低能X或射線，可忽略物致輻射能量損失，此時D= KC、照射量(X)X或射線在單位質(zhì)量的空氣中，釋放出來的全部電子完全被空氣阻止時，在空氣中產(chǎn)生一種符號的離子的總電荷的絕對值。X dQ/dm單位C/kg。針對X或 射線、空氣?？諝庵懈鼽c的照射量不同?？諝庵心滁c的照射量 X與同一點處的能量注量X ( en/若粒子為單能的，則照射量與粒子注量有如下關系:的關系：)a (e/Wa)XfxfxE( en/ )a 9皿第二章回顧1、照射量的標準測量方法A自由空氣電離室適用于測量50ke

7、V3MeVQX 的X或射線，基本原理根據(jù)照射量定義。比釋動能KaV Wa e1 ga VPB空腔電離室測量較高能量的X或射線的照射量，特點增加電離室的壁厚。測量依據(jù)布拉格戈瑞原理。條件：介質(zhì)內(nèi)存在的空腔足夠小以致i腔內(nèi)的氣體電離幾乎全部是介質(zhì)中的次級電子引起的；ii空腔的存在不會改變介質(zhì)中初始光子和次級光子的能譜和角分布;iii空腔周圍介質(zhì)厚度大于次級電子在其中的最大射程。空腔位置處存在著電子平衡、八，Sm,g(S/ )m(S/ )gW -Dmqg() Sm,geSm,g物質(zhì)與腔內(nèi)氣體的平均質(zhì)量碰撞阻止本領比2、中子當量劑量的測量中子當量不同中子能量范圍的中子吸收劑量乘以相應的輻射權重因子，最

8、后相加，即得中子當量劑量。EHi,nfHi(En) EndEn0實際測量中，測量不同中子能量范圍的中子吸收劑量是困難的。這時在一定能量范 圍內(nèi)，調(diào)整儀器的響應，使儀器的探測效率正比于 。這樣，輻射場中探測器測到的中子數(shù) Nn,即正比于中子的當量劑量指數(shù)HI,no。第三章回顧第一節(jié) 輻射對人體健康的影響一、影響輻射生物學作用的因素1、物理因素一一與輻射有關的因素輻射類型劑量率及分次照射照射部位和面積照射的幾何條件2、生物因素一一與機體有關不同生物種系的輻射敏感性個體不同發(fā)育階段的輻射敏感性不同細胞組織或器官的輻射敏感性輻射防護即從影響輻射損傷的因素入手來進行防護，如對不同的輻射類型采取不同的防護

9、方法、限制劑量和分次照射以使輻射損傷所發(fā)生的可能性最小。二、劑量與效應的關系隨機性效應(Stochastic effect )隨機性效應特征線性無閾"。無閾”指任何微小的劑量都可能誘發(fā)隨機性效應。線性”指隨機性效應發(fā)生幾率與所受劑量成線性關系，但其后果的嚴重程度不一定 與所受劑量有關系。確定性效應有閾值。超過閾值，效應肯定會發(fā)生，且其 嚴重程度與所受劑量大小有關，劑量越大，效應越明顯。ICRP在其建議書草案(征求意見稿，2006)中將確定性效應也稱為組織反應第二節(jié)輻射防護中使用的量一、與個體相關的輻射量1、當量劑量（H）:與輻射生物效應相聯(lián)系，用同一尺度描述不同類型和能量的輻射對人體

10、 造成的生物效應的嚴重程度或發(fā)生幾率的大小。WR輻射權重因子與輻射種類和能量有關；DT, R按組織或器官T平均計算的來自輻射 R的吸收劑量；HT單位Sv。WR值大致與輻射品質(zhì)因子 Q值一致。所謂輻射品質(zhì)，是指電離輻射授予物質(zhì)能量在微 觀空間分布上的特征，傳能線密度LA是描述加射品質(zhì)的方法之一。2、有效劑量（E）:與人體各器官對輻射的敏感度相聯(lián)系。描述輻射照射人體，給受到照射 的有關器官和組織帶來的總的危險。在非均勻照射下隨機效應發(fā)生率與均勻照射下發(fā)生率相 同時所對應的全身均勻照射的當量劑量。有效劑量單位Sv。WT 組織權重因子，在全身均勻受照射下各器官對總危害的相對貢獻。組織權重因子（WT）器

11、官或組織受照射所產(chǎn)生的危害與全身均勻受照射時所 產(chǎn)生的總危害的比值。即反映了在全身均勻受照射下各器官對總危害的相對貢獻。有效劑量表示為表示了非均勻照射條件下隨機效應發(fā)生率與均勻照射下發(fā)生率相同 時所對應的全身均勻照射的當量劑量。EWt Wr Dt,rT R評價危險時，當量劑量、有效劑量，只能在遠低于確定性效應閾值的吸收劑量下提 供隨機性效應概率的依據(jù)。3、待積當量劑量 H50,T、待積有效劑量 H50, E描述內(nèi)照射情況下，放射性核素進入人體 內(nèi)對某一器官或個人在一段時間內(nèi)（ 50y）產(chǎn)生的危害。也可用來估計攝入放射性核素后將 發(fā)生隨機性概效應的平均幾率。H53Tt0 50 HT（t）dt H

12、50,EWt H50,T，toT第三節(jié)人體受到照射的輻射來源及其水平1宇宙射線來自宇宙空間的高能粒子流，包括質(zhì)子、粒子、其它重粒子、中子、電子、光子、介子等；宇生核素宇宙射線與大氣中的原子核相互作用產(chǎn)生，如3H、14C、7Be等；原生核素存在于地殼中天然放射性核素，以238U、232Th、235U為起始的三個天然放射系，及獨立的長壽命放射性核素如40K等。2、人工輻射醫(yī)療照射X射線檢查核動力生產(chǎn)核燃料循環(huán)核爆炸第四節(jié)輻射防護的基本原則輻射防護的目的防止有害的確定性效應， 并限制隨機性效應的發(fā)生率，使它們達到被認為可以接受的不平。輻射實踐正當化涉及照射的實踐，除非對受照個人或社會能夠帶來足以補償

13、其所產(chǎn)生的輻射危害的利益， 否則不得采用。防護與安全的最優(yōu)化對一項實踐中的任一特定輻射源，個人劑量的大小、受照人數(shù)以及照射發(fā)生的可能性， 在考慮了經(jīng)濟和社會因素之后，應當全部保持在合理可行的最低程度( ALARA As Low As Reasonably Achievable)。為了保證公平性，應當在這個過程中考慮個人劑量約束或個人危險 約束。最優(yōu)化的定量分析技術一代價利益分析 Cost Benefit Analysis劑量限制個人劑量限值個人受到所有有關實踐聯(lián)合產(chǎn)生的照射，應當遵守劑量限值。劑量約束值一種與源相關的個人劑量值，公眾成員從任何受控源的計劃運行中接受的年劑量上界。干預的防護體系一

14、一ICRP60干預：任何旨在減小或避免不屬于受控實踐的或因事故而失控的源所致照射或照射可能性的行動.第四章回顧第一節(jié)外照射防護的一般方法1.1、外照射防護的基本原則盡量減少或避免射線從外部對人體的照射，使之所受照射不超過國家規(guī)定的劑量限值。內(nèi)、外照射的特點照射方式輻射源類型危害方式常見致電離粒子照射特點內(nèi)照射多見開放源電離、化學毒性、 高能、電子、持續(xù)外照射多見封閉源電離X、n間斷1.2、 外照射防護的基本方法1、減少接觸放射源的時間2、增大與放射源的距離3、設置屏蔽1.3、 屏蔽材料的選擇一般選低Z材料紙、鋁箔、有機玻璃低Z+高Z材料鋁、有機玻璃、混凝土、鉛X、 高Z材料、通用建筑材料鉛、鐵

15、、鴇，鈾N 高Z材料、含氫低Z材料、含硼材料 水、石蠟、碳化硼鋁、含硼聚乙烯第二節(jié)射線的劑量計算2.1 點源的照射量率計算點源：輻射場中某點與輻射源的距離，比輻射源本身的幾何尺寸大5倍以上，即可把輻射源看成是點狀的，稱其為點狀源，簡稱點源。非點源：輻射場中某點與輻射源的距離，比輻射源本身的幾何尺寸小于5倍，且輻射源有一定的大小和形狀，因而該輻射源不能視為簡單的點源。第三節(jié)X、射線在物質(zhì)中的減弱規(guī)律3.1窄束X或射線的減弱規(guī)律窄束一入射光子發(fā)生一次相互作用，就認為該光子消失宏觀衰減量一質(zhì)量能量減弱系數(shù)、質(zhì)量厚度物質(zhì)對光子數(shù)目衰減N N°e (u/ )d第四節(jié)射線的屏蔽計算點源屏蔽計算點

16、源，初級輻射丫占主導時：透射比:11.4 105A qH 02rHL,hHl2Z51.4 105A q減弱倍數(shù)1.4 105A qHl"于 3 Svh-1。K一92.161 1092r14D1?0100K f(d)20 b ima sou求得KB,可查P199起附表613 一定丫能量和屏蔽物下減弱K倍的對屏蔽物厚度例7、強輻射場所用的 輻射源，通常都是在水井中進行倒源工作。強輻射源的運輸 容器高度為1m,從容器中提出源時，源可高出容器口不超過0.5m。現(xiàn)倒裝60Co輻射源的活度為1.85X1015Bq,問需要多深的水井，才能使水井表面的當量劑量率低_5_5_15_181.4 105A

17、 q 1.4 105 1.85 102.503 10Hl"3 10 6 r2曲線A根據(jù)P109頁附表6各向同性點源射線減弱 K倍所需的水屏蔽層厚度作出，曲線 B 根據(jù)作出。A、B兩曲線交點相應的水深約為 33m,再加上操作源所需的厚度 1.5m,因而水 井總需深度為34.5m。第五節(jié) B射線外照射防護3射線特點：能譜連續(xù)，在物質(zhì)中的減弱近似指數(shù)規(guī)律散射顯著；物致輻射；3點源的劑量分布與距離平方成反比，但有很多修正項。3點源對空氣吸收劑量率近似：D 8.1 10 12 A- r3射線的射程 r 0.4i2E(1.265 0。9541ne)0.01 e 2.5MeVR 0.53E-0.1

18、062.5 E 20MeVR 0.5Emax例10、設計為存放活度為 3.7X1012Bq的32P點狀源的溶器。選定用有機玻璃作內(nèi)層屏蔽層，鉛作外屏蔽層。計算所需的有機玻璃和鉛各為多厚？假設離輻射源1m的當量劑量率控制水平為7.5 Svh-1。若內(nèi)外層材料顛倒過來，則又將怎么樣？由P105頁表4.9某些放射性核素3射線的最大能量和平均能量可知，32P的3射線最大電子能量為 1.711 (100%) r 0 412E(1.265 0.09541nE)0 7907 g cm 2由P109頁表4.10查得有機玻璃的密度為 1.18gcm-3,由此得有機玻璃厚度d R /0.67 cm 7 mm由P1

19、84頁附表1可查得，與物致輻射光子平均能量Eb為0.695MeV相應的空氣質(zhì)量能量吸收系數(shù)為 2.918X 10-3m2kg-1。用(4.66)式可算得空氣中的吸收劑量率為：32.918 10-14 Eb 214120.695 24.58 10 AZe() ( en/ ) 4.58 103.7 105.85 ()r14.59 5 10 3Gyh 13射線的輻射權重因子為1,故HI WrD 3.105 10 3Svh三* 2.415 10 33.105 10 3% r24.58 10-14AZeEb2( en/ )相應的減弱倍數(shù)為：K 1/414查P202頁附表，可得鉛的屏蔽厚度為5.86cm。

20、第六節(jié)中子外照射的防護1中子源特點總結(jié)：放射性中子源優(yōu)點：各向同性、源的總體尺寸小(可視為點源)缺點：中子產(chǎn)額低(400中子/ (106 s Bq), 中子場常伴隨有輻射 加速器中子源 優(yōu)點：產(chǎn)額高(1091010中子/ (s A)(p, n)源伴隨輻射少缺點：中子產(chǎn)額角分布嚴重，各角度中子分布不均 中子源體積較大2當量劑量計算單能中子場(4.73)Hi nfHI,n具有能量分布的中子場(4.74) Hf dE'/ H In,E I H I,n (E)dE與中子譜n,E相應的中子平均當量劑量換算因子(4.75)fHi,n njH,n(E)dE/ n,EdE3、中子在屏蔽層中的減弱中子在

21、物質(zhì)中衰減規(guī)律總結(jié)：非弱性散射：有閾值，中子能量在25MeV以下，非彈性散射截面隨中子能量增大而 增加。彈性散射：與中子相碰撞的原子核越輕，中子轉(zhuǎn)移給反沖核能量越多。氫是1MeV左右的中子最好的慢化劑。要使快中子(0.510MeV )慢化，首先應使用重或較重的物質(zhì)，通過非彈性散射使 中子能量很快降低到與原子核的第一激發(fā)能級相應的能量以下；以后再利用含氫物 質(zhì)，能過彈性散射使中子能量進一步降低到熱能區(qū)。硼的熱中子慢化截面大，且其伴隨的輻射能量低，因而適宜做熱中子慢化劑。反應堆中常用其吸收熱中子，調(diào)節(jié)臨界系數(shù)。計算寬束流中子減弱的分出截面法經(jīng)歷散射作用的中子被有效地從穿出屏蔽的中子束中分出”了，使

22、穿過屏蔽層的都是哪些在屏蔽層內(nèi)未經(jīng)相互作用的中子。滿足下列條件可用分出截面法：A、屏蔽層足夠厚，使得在屏蔽層后面的當量劑量主要是由中子束中一組貫穿能力最強的中子的貢獻所致；B、屏蔽層內(nèi)須含有鐵、鉛之類的中等重或重的材料，以使入射中子能量能通過非彈性散射很快降低到1MeV左右；C、屏蔽層內(nèi)要含有足夠的氫，以保證在很短的距離內(nèi)，使中子能量從1MeV左右很快降到熱能區(qū)，并使其能在屏蔽層內(nèi)被吸收。為使參考點上中子注量率降低到L(m-2s-1),所需屏蔽厚度d,可由下式計算：n(d)noBnqeRdRdnoBnqAyB nq所以in普個14、已知226Ra-Be中子源的活度為 3.7X 1012Bq (中子產(chǎn)額見表 4.12)。求離源2m處 的中子與當量劑量率。中子當量劑量率：從P112頁表4.12查得226Ra-Be中子源的中子產(chǎn)額為 405 X 10-6s-1Bq-1 ,查P117頁表4.15得226Ra-Be中子源的當量劑量換算因子為_ 12_Ay 3.7 10405Hn fHI,n . fH,n4 r10 6 1.49851.4985 10934.5 X 1015Svm-2。9110 s42234.515110 15 1.029 Sv s 1當量齊U量率：查P82頁表4.4得核素226Ra的空氣