第二部分-輻射屏蔽設(shè)計(jì)

1、第二局部 輻射防護(hù)的方法輻射對(duì)人體的照射方式有外照射和內(nèi)照射兩種。體外輻射源對(duì)人體的照射稱為外照射，進(jìn)入人體的放射性同位素對(duì)人體的照射，稱為內(nèi)照射。外照射的根本防護(hù)原那么是，縮短照射時(shí)間、加大人員與輻射源的距離和進(jìn)展適當(dāng)?shù)钠帘?。?nèi)照射防護(hù)最根本的方法是盡量減少放射性物質(zhì)進(jìn)入體內(nèi)的時(shí)機(jī)。例如制定合理的衛(wèi)生管理制度，通風(fēng)，密閉存放和操作，個(gè)人防護(hù)等等。X或射線的外照射防護(hù)與X、射線相關(guān)的輻射源有：X射線機(jī)、加速器X射線源和放射性核素。X射線機(jī)的工作電壓通常低于400kV，電子加速器產(chǎn)生的高能X射線一般為230MeV。放射性核素產(chǎn)生的X或射線一般在幾keV到幾MeV之間。X或輻射源的劑量計(jì)算X射線機(jī)

2、X射線機(jī)的發(fā)射率常數(shù)X定義為：當(dāng)管電流為1mA時(shí)，距離陽極靶1m處，由初級(jí)射線束產(chǎn)生的空氣比釋動(dòng)能率，其單位是mGym2mA-1min-1。發(fā)射率常數(shù)X與X射線管類型、管電壓及其電壓波形、靶的材料和形狀、以及過濾片的材料和厚度等因素有關(guān)。準(zhǔn)確的發(fā)射率常數(shù)應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出。準(zhǔn)確度要求不高時(shí)，也可查手冊(cè)中的發(fā)射率常數(shù)曲線來近似估計(jì)。21空氣比釋動(dòng)能率 eq o(sup 9(.),K)a可近似按下式計(jì)算：式中，r0=1m；I是管電流，單位是mA； eq o(sup 9(.),K)a的單位是mGymin-1。例1：為某患者做X射線拍片，設(shè)X射線管鎢靶離患者m，曝光時(shí)間。管電壓為90kV、管電流50m

3、A，出口處過濾片為2mm鋁。試估算患者外表所在處的吸收劑量忽略人身的散射影響。解：查得該條件下，發(fā)射率常數(shù)X為 mGym2mA-1min-1，由公式21計(jì)算 eq o(sup 9(.),K)a為693 mGymin-1，空氣比釋動(dòng)能為6.93 mGy。吸收劑量值近似等于空氣比釋動(dòng)能值，為6.93 mGy。加速器X射線源由加速器輸出的電子束產(chǎn)生的X射線源的發(fā)射率，同電子能量、束流強(qiáng)度、靶物質(zhì)的原子序數(shù)以及靶的厚度等因素有關(guān)，并隨出射角度而異。一般，當(dāng)電子能量低于1MeV時(shí)，最大發(fā)射率方向傾向于與電子束入射方向垂直；隨著電子能量增高，最大發(fā)射率方向越來越偏向入射電子束方向。加速器X射線的發(fā)射率常數(shù)

4、a定義為，將X射線源看成點(diǎn)源，單位束流1mA在標(biāo)準(zhǔn)距離1m處所形成的吸收劑量指數(shù)率，其單位是Gym2mA-1min-1。當(dāng)電子束入射到低Z厚靶材料上時(shí)，向垂直方向和向前方向出射的X射線的發(fā)射率常數(shù)a，可以利用對(duì)于高Z厚靶的a值乘以表2.1中給出的修正因子給予粗略地估計(jì)。表2.1 近似估計(jì)低Z靶或構(gòu)造材料的X射線發(fā)射率所用的修正因子靶或構(gòu)造材料原子序數(shù)Z向前方向00方向垂直方向900方向銅或鐵26或29鋁和混凝土13根據(jù)加速器X射線的發(fā)射率常數(shù)a定義，可以用以下公式計(jì)算距離靶r處的吸收劑量指數(shù)率 eq o(sup 9(.),DI): eq o(sup 9(.),DI)=Ia/r22.2例2：假定

5、能量為3MeV、流強(qiáng)為2mA、直徑為1cm的電子束轟擊高Z鎢厚靶。計(jì)算與靶距離00方向，5m；900方向，4m處的吸收劑量指數(shù)率。假設(shè)該靶換成鐵靶，上述兩點(diǎn)處的吸收劑量指數(shù)率又為多少？解：由圖2.1查得，能量為3MeV的電子束在00方向和900方向上的發(fā)射率常數(shù)分別為a，0=11 Gym2mA-1min-1和a，90= Gym2mA-1min-1。于是，由公式，分別得00方向和900方向上的吸收劑量指數(shù)率為 Gymin-1和0.38 Gymin-1。圖 電子束垂直投射高Z73厚靶上產(chǎn)生的X射線發(fā)射率常數(shù)查表2.1，對(duì)鐵靶在00方向和900方向上的修正因子分別為和，因此，相應(yīng)的00方向和900方

6、向上的吸收劑量指數(shù)率為0.62 Gymin-1和0.19 Gymin-1。放射性同位素源放射性同位素源在空氣中某點(diǎn)的空氣比釋動(dòng)能率，取決于光子能量、源的活度、源的形狀以及與源的距離。當(dāng)參考點(diǎn)與源的距離遠(yuǎn)大于源的大小時(shí)，輻射源可近似為點(diǎn)源處理?？諝獗柔寗?dòng)能率常數(shù)K定義為，單位活度1Bq的放射性同位素源在標(biāo)準(zhǔn)距離1m處所形成的空氣比釋動(dòng)能率，其單位是Gym2 Bq -1s-1。根據(jù)定義，活度為ABq的點(diǎn)源，距離為rm的位置的空氣比釋動(dòng)能率 eq o(sup 9(.),K)a為例3：求距離100Ci的60Co點(diǎn)源2米處的空氣比釋動(dòng)能率？解：查表得60Co源的空氣比釋動(dòng)能率常數(shù)K 為10-17 Gym

7、2 Bq -1s-1，代入公式得， eq o(sup 9(.),K)a =3.7101210-17/22 Gys-1=0.289 Gy/h。12X、射線在物質(zhì)中的減弱規(guī)律X或輻射在穿過物質(zhì)時(shí)，其束流強(qiáng)度將遵循指數(shù)規(guī)律逐漸減弱。對(duì)于窄束輻射，存在以下關(guān)系式：I(d) = I0 e-d2.4其中I(d)為穿過厚度為d的物質(zhì)后的輻射強(qiáng)度，I0為輻射進(jìn)入物質(zhì)前的強(qiáng)度，為吸收體的線性吸收系數(shù)。的單位是cm-1，d的單位是cm。在寬束輻射情況下，光子和吸收物體間的屢次康普頓散射可以導(dǎo)致觀測(cè)點(diǎn)的輻射強(qiáng)度增加，需引入累積因子B對(duì)屢次散射的影響作簡(jiǎn)單的倍數(shù)修正。此時(shí)，公式2.4應(yīng)改換為：I(d) = BI0e-

8、d2.5式中累積因子B的大小取決于入射光子能量、吸收體、準(zhǔn)直條件等因素。屏蔽計(jì)算中使用半減弱厚度1/2和十倍減弱厚度1/10來定義將入射光子數(shù)注量率或照射量率等減弱一半或十分之一所需的屏蔽層厚度。但是，給定輻射在屏蔽介質(zhì)中的1/2和1/10值并不是一個(gè)常數(shù)，而是隨著減弱倍數(shù)的增加而略有變化。當(dāng)輻射穿過一定厚度的物質(zhì)層后，存在一個(gè)平衡的1/2和1/10值。該值可用于對(duì)已經(jīng)有一定程度衰減的輻射束的屏蔽能力和屏蔽厚度的近似估算。表2.2 列出60Co源輻射的寬束的平衡1/2和1/10值，表2.2 60Co源輻射的寬束平衡1/2和1/10值屏蔽材料鈾鉛鋼混凝土1/2(cm)1/10(cm)用以屏蔽X或

9、射線的材料種類很多。常用的屏蔽材料有鉛、鐵、混凝土、水等。磚、砂石、泥土由于在建筑上的廣泛使用，客觀上也起到屏蔽一局部射線的作用。另外，為了減少總重量和減小體積，可以選擇一些高密度材料如鎢、鈾等作局部屏蔽。13屏蔽計(jì)算屏蔽防護(hù)的目的在于：設(shè)置足夠的厚度的屏蔽層，使所關(guān)心的一點(diǎn)以下稱參考點(diǎn)處由于各種輻射源造成的當(dāng)量劑量指數(shù)率的總和，不超過事先規(guī)定的控制水平。X射線機(jī)例4：一臺(tái)X射線機(jī)，管電壓250kV，管電流30mA，每周工作5天，每天工作4小時(shí)，參考點(diǎn)位于X射線前方居留因子q=1，它與靶之間的距離為2米。試計(jì)算初級(jí)混凝土屏蔽墻為多少？假設(shè)束定向因子u=1/4， eq o(sup 9(.),H)

10、L,W=310-1mSv周-1。解：因W=305460=36000 mAmin周-1，故有效工作負(fù)荷，Wuq=9103mAmin周-1。由此得透射系數(shù)，查寬束X射線對(duì)混凝土的透射系數(shù)圖，與透射系數(shù)1.3310-4mSvm2 mA-1min-1對(duì)應(yīng)的混凝土厚度為44cm。上述在X射線機(jī)前方，與初級(jí)X射線正對(duì)的屏蔽層稱為初級(jí)屏蔽層或主屏蔽層。由計(jì)算可知。此題的初級(jí)屏蔽層厚度為44cm。對(duì)醫(yī)用X射線機(jī)，除考慮初級(jí)X射線外，從X射線機(jī)機(jī)頭防護(hù)外殼泄漏的輻射和初級(jí)X射線在病人身上產(chǎn)生的散射輻射，對(duì)X射線機(jī)兩側(cè)的人體也可產(chǎn)生照射。對(duì)這種次級(jí)照射的防護(hù)分別對(duì)應(yīng)于泄漏射線和散射線，相應(yīng)的屏蔽層稱為次級(jí)屏蔽層。

11、對(duì)于例6，經(jīng)計(jì)算，某典型情況下防護(hù)泄漏射線需24cm混凝土墻，防護(hù)病人身體的散射線需30cm混凝土墻。兩者一起，在X射線側(cè)面次級(jí)屏蔽層的最終厚度為3。增加的是250kV X射線在混凝土中的半減弱厚度。加速器X射線源的屏蔽計(jì)算在加速器裝置中，電子束射到靶上產(chǎn)生的X射線，稱為初級(jí)X射線。下面分兩種情況討論有關(guān)的屏蔽計(jì)算方法。沿入射電子方向發(fā)射的初級(jí)X射線的屏蔽計(jì)算2.6設(shè)X是00方向上的X射線在屏蔽層中的透射比。那么屏蔽要求可以寫成以下形式：式中， eq o(sup 9(.),H)I,r(d)是經(jīng)過厚度為d的屏蔽層后，在參考點(diǎn)上初級(jí)X射線束的當(dāng)量劑量指數(shù)率； eq o(sup 9(.),H)L,h

12、是在參考點(diǎn)上的當(dāng)量劑量指數(shù)率的控制水平；a是加速器X射線的發(fā)射率常數(shù)；I是電子束流強(qiáng)；q是參考點(diǎn)所在區(qū)域的居留因子。例5：一臺(tái)電子直線加速器，被加速的電子能量為10MeV，平均束流強(qiáng)度為0.2mA。計(jì)算防護(hù)00方向X射線所需的混凝土屏蔽層厚度。設(shè)靶與位于屏蔽層后的參考點(diǎn)距離r為7米，且屏蔽層外是屬非控制區(qū)q=1/4，又設(shè)參考點(diǎn)上的當(dāng)量劑量率的控制水平 eq o(sup 9(.),H)L,h為7.5 Gy/h。解：查得10MeV 00方向上X射線發(fā)射率常數(shù)a00為450 Gym2 mA-1min-1。那么計(jì)算透射比X為，設(shè)K為相應(yīng)的減弱倍數(shù)，K=1/，該題中計(jì)算106。可以用三種方法得到相應(yīng)的混

13、凝土厚度。由透射比X查有關(guān)附圖，得10MeV時(shí)與透射比為2.710-7相應(yīng)的混凝土厚度為2.55m。由E=10MeV，K=106查有關(guān)附表，得2.58m。由十倍減弱厚度1/10，對(duì)于10MeV X射線，查圖得1/10，1=0.41m，1/10，e=0.39m。計(jì)算n=lg(1/)，那么5.57=2.58m。上面1/10，1是靠近輻射源的第一個(gè)十倍減弱厚度，1/10，e是第一個(gè)十倍減弱厚度之后的十倍減弱厚度，其值近似為常數(shù)，即所謂平衡十倍減弱厚度。沿與電子束入射方向?yàn)?00的初級(jí)X射線的屏蔽計(jì)算屏蔽900方向上的初級(jí)X射線束屏蔽層厚度可以采用與00方向上類似的計(jì)算方法，但需注意兩點(diǎn)： 取900方

14、向上X射線發(fā)射率常數(shù)a900 計(jì)算出透射比后，由于加速器產(chǎn)生的X射線在900方向的能量與00方向上的不同，需查相應(yīng)方向上的等效入射電子能量E，然后，再根據(jù)E得到有關(guān)的屏蔽厚度。如例5情況下，a900為30 Gym2 mA-1min-1。與原入射電子能量10MeV相對(duì)應(yīng)的等效入射電子能量為6MeV。設(shè)居留因子為1，7米處控制水平 eq o(sup 9(.),H)L,h為7.5 Gy/h，那么=1.0210-6，K=0.98106。由E=6MeV，K=0.98106查有關(guān)附表，得d=2.05m。3、射線的屏蔽防護(hù)例6：欲將放射性活度為3.71012Bq的60Co源置于一個(gè)鉛容器中，要求容器外表的當(dāng)

15、量劑量率小于2mGy/h，且距離容器外表1米處的當(dāng)量劑量率應(yīng)小于50Gy/h。設(shè)容器外表到源的距離r=25cm，求鉛容器的屏蔽厚度。解：查表得60Co源的空氣比釋動(dòng)能率常數(shù)K 為10-17 Gym2 Bq -1s-1。如果不加屏蔽，分別代入公式得r=25cm和r=125cm處的空氣比釋動(dòng)能率分別為18.5Gy/h和0.74Gy/h。對(duì)60Co源可以認(rèn)為當(dāng)量劑量與比釋動(dòng)能數(shù)值相等，然后分別計(jì)算到達(dá)條件1和條件2時(shí)的減弱倍數(shù)103和K=1.48104，取較大的減弱倍數(shù)K=1.48104，查得鉛的屏蔽厚度為16.9cm，實(shí)際可取17.0cm。第二節(jié) 電子外照射的防護(hù)帶電粒子穿過物質(zhì)時(shí)，主要通過激發(fā)、

16、電離過程損失能量。帶電粒子在物質(zhì)中沿其入射方向所穿過的最大直線距離，稱為帶電粒子在該物質(zhì)中的射程。只要物質(zhì)層的厚度大于等于帶電粒子在其中的射程，那么，所有入射的帶電粒子都將被吸收。21 粒子和單能電子束的屏蔽計(jì)算能量為EMeV的單能電子束，在低Z物質(zhì)中的射程，可以由以下經(jīng)歷公式計(jì)算，即(1.265-0.0954lnE) 2.70E4109乙21074109丙豁免活度值以上2107放射性核素的日等效操作量等于放射性核素的實(shí)際日操作量與該核素毒性組別修正因子的積除以與操作方式有關(guān)的修正因子所得的商。按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，放射性核素的毒性分為四組：極毒組、高毒組、中毒組和低毒組。其毒性組別修正因子分別為10、1、。操作方式與放射源狀態(tài)修正因子見下表：表2.4 操作方式與放射源狀態(tài)修正因子操作方式放射源狀態(tài)外表污染水平較低的固體液體，溶液，懸浮物外表有污染的固體氣體，蒸汽，粉末，壓力很高的液體，固體源的貯存1000100101很簡(jiǎn)單的操作100101簡(jiǎn)單操作101特別危險(xiǎn)的操作1為了便于控制污染，通常需要對(duì)開放型放射工作場(chǎng)所按污染危險(xiǎn)程度的大小實(shí)行分區(qū)布置和管理的原那么。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的建議，在設(shè)計(jì)建造開放型放射性物質(zhì)操作設(shè)施時(shí)將開放型放射工作場(chǎng)所劃分為四個(gè)區(qū)。一區(qū)包括：辦公室、會(huì)議室、休息室、非放射性實(shí)驗(yàn)室和低活度實(shí)驗(yàn)室；二區(qū)包括：屏蔽室或密封容器操作區(qū)、中活度或高活