輻射防護復(fù)習(xí)資料

第一講核輻射基礎(chǔ)及射線與物質(zhì)的作用核輻射是指在各種核衰變及核躍遷中從原子核中釋放出來的輻射，包括：y輻射、中子輻射、a和p輻射。初級輻射：核燃料元素在裂變時和裂變后的裂變產(chǎn)物放出的核輻射。次級輻射：初級輻射與物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的核輻射。原子與原子結(jié)構(gòu)：硬球、湯姆遜葡萄干面包模型、盧瑟?！靶行恰蹦Ｐ?、玻耳原子結(jié)構(gòu)模型a粒子轟擊金箔產(chǎn)生大角度散射核素就是具有給定原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)的原子；核素之間以其不同的原子序數(shù)或不同的質(zhì)量數(shù)(或兩者都不同)來相互區(qū)別a粒子能譜是不連續(xù)的P±衰變：與質(zhì)子數(shù)相比中子數(shù)較少的核是不穩(wěn)定的，這種核要放出正電子，使質(zhì)子轉(zhuǎn)化成中子，從而變得相對穩(wěn)定一些。如放出一個正電子，質(zhì)子數(shù)由8變成7,從而轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定核。15O*N+P++VP土粒子的能譜是連續(xù)：在衰變過程中放出的能量，由粒子、中微子或反中微子以及反沖核帶出。因反沖核質(zhì)量較大，反沖運動的能量很小，故放出的能量主要由、v及帶出。又因它們之間可以有任意的能量分配方式，故粒子的能譜是連續(xù)的中微子的質(zhì)量接近于零，目前正在進行精確測定。中微子的自旋量子數(shù)是1/2。中微子的質(zhì)量有一個上限。小于250MeV。衰變規(guī)律：設(shè)起始時間t=0時，初始的總放射性核為N(0)，到t時刻未衰變的核有N(t)個。某一定時間間隔dt的衰變率和當(dāng)時所存在的原子核數(shù)N成正比N(*)電離輻射：凡是與物質(zhì)直接或間接作用時能使物質(zhì)電離的一切輻射帶電粒子與物質(zhì)相互作用機理：電離輻射作用于物質(zhì)，所引起的某些物理、化學(xué)變化，或作用于生物體時所產(chǎn)生的生物效應(yīng)，幾乎都是通過帶電粒子把能量傳遞給物質(zhì)所引起的帶電粒子與物質(zhì)相互作用的主要過程：帶電粒子與物質(zhì)相互作用的過程是復(fù)雜的，主要過程是電離和激發(fā)，彈性散射和軔致輻射帶電粒子主要通過電離和激發(fā)過程損失能量，其次是通過軔致輻射射程：帶電粒子射入物質(zhì)后與物質(zhì)相互作用，不斷損失能量，能量損失完后不再作為自由粒子而存在的現(xiàn)象稱為吸收。帶電粒子進入物質(zhì)直到被吸收，沿入射方向所穿過的最大距離稱為帶電粒子在物質(zhì)中的射程。射程歧離：一組單能粒子射程的平均值稱為平均射程，相同能量的粒子在同一種物質(zhì)中的射程并不完全相同，這種現(xiàn)象稱為射程歧離。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，每兩次碰撞間粒子穿過的距離以及每次碰撞使帶電粒子失去的能量不完全相同，因而相同能量的粒子的射程不是一個定值。由于每個粒子都必須經(jīng)過多次的碰撞，因此，各個粒子的射程間的相互差別并不很大。重帶電子粒子的射程漲落一般都R_32x104^AR很小。.P”A和P分別表示吸收物質(zhì)原子的質(zhì)量數(shù)和密度(單位為g/cm3),R的單位為cm。激發(fā)：如果非彈性碰撞使核外電子得到的能量不夠克服原子核的束縛而脫離出來，僅使電子從能量低的殼層躍到能量較高的殼層，這就是原子的激發(fā)退激：處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它將自發(fā)地躍回基態(tài)，這個過程叫退激.退激時，多余的能量常以光子形式釋放出來。平均電離能：無論是電離或是激發(fā)都會導(dǎo)致重帶電粒子損失動能，使其速度逐漸減慢直到最后停止運動。能使一個原子電離所需要的平均能量稱為平均電離能。平均電離能要比原子的電離電位大原因：它包括了在帶電粒子穿過物質(zhì)時由于激發(fā)作用而損失了的能量。比電離：帶電粒子在單位路程上產(chǎn)生的離子對數(shù)稱為比電離，比電離應(yīng)包括原電離和次電離產(chǎn)生的離子對帶電粒子與靶原子的核外電子的非彈性碰撞導(dǎo)致原子的電離或激發(fā)，這種電離稱為原電離，由原電離產(chǎn)生的電子如果具有足夠的動能，它也能使原子電離，這種電離稱為次電離軔致輻射：帶電粒子穿過物質(zhì)受到物質(zhì)原子核的庫侖場作用，速度大小和運動方向都發(fā)生變化，這時就伴隨產(chǎn)生電磁波，這種電磁輻射稱為軔致輻射?？焖匐娮釉谖镔|(zhì)中的損失一般需考慮電離損失和軔致輻射損失。電子與原子核庫侖場作用發(fā)生非彈性碰撞，產(chǎn)生軔致輻射，能量為幾個MeV的電子在鉛中的軔致輻射能量損失率接近電離損失率。（1）輻射能量損失率和帶電粒子的靜止質(zhì)量的平方成反比，重帶電粒子的輻射能量損失率是很小的，只有電子才需要考慮輻射損失。（2）輻射能量損失率和吸收物質(zhì)原子的原子序數(shù)Z的平方成正比，所以，重物質(zhì)比輕物質(zhì)更易產(chǎn)生的軔致輻射。在使用重物質(zhì)防護電子時，必須考慮在擋住電子的同時所產(chǎn)生的軔致輻射。（3）輻射能量損失率隨粒子動能的增加而增加，這是與電離損失的情況不同的。軔致輻射研究的意義：X射線產(chǎn)生裝置的X射線連續(xù)譜就是快速電子在厚靶中的軔致輻射譜；放射源的防護必須考慮具有連續(xù)能量的粒子的軔致輻射的能量分布；電子加速器的防護更必須考慮軔致輻射；在能譜測量中必須考慮軔致輻射對標(biāo)準(zhǔn)譜和本底的影響等等。P射線的防護：為了減少軔致輻射的本底干擾，在用于屏蔽宇宙。射線的鉛室內(nèi)部宜采用原子序數(shù)低的材料作為內(nèi)壁和探測器支架。為何不能用a粒子那樣的平均射程的概念來說明B粒子的情況：一束單能a粒子具有平均射程，這個射程與a粒子能量有關(guān)，對于B射線來說，因為B粒子的能量是從零到Eb最大續(xù)分布，所以各個B粒子的射程差別很大。即使是初始能量相同的一束電子，由于它們在電離過程中損失的能量漲落很大，同時還存在軔致輻射和多次散射，因而它們在同一物質(zhì)中經(jīng)過直線距離差別也是很大的，所以不能用a粒子那樣的平均射程的概念來說明B粒子的情況。Y射線與物質(zhì)的相互作用：Y射線是原子核衰變放出的一種高能光子，它與X射線一樣都是電磁波。Y射線與物質(zhì)的相互作用主要有三類過程，光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)。Y射線和帶電粒子與物質(zhì)的相互作用不同之處：帶電粒子通過使吸收物質(zhì)的原子產(chǎn)生電離激發(fā)以及通過軔致輻射來損失能量，而每次碰撞所損失的能量是很小的，需經(jīng)過多次碰撞才損失全部能量。因此用能量損失率來描述帶電粒子在物質(zhì)中相互作用的行為。Y射線與物質(zhì)的相互作用一次就可能損失全部能量或大部分能量，而與物質(zhì)未發(fā)生相互作用的射線將保持初始的能量穿過物質(zhì)，因此用作用截面來描述它與物質(zhì)的相互作用.光電效應(yīng)：光電效應(yīng)僅當(dāng)光子與原子中的束縛電子作用時才能發(fā)生，這是因為光子的能量全部傳給電子的過程，若只有光子和電子參加不能同時滿足能量守恒和動量守恒兩個條件，必須要求第三者參加這一過程，帶走一些反沖動能和動量，這第三者就是除了發(fā)射出去光電子以外的整個原子。如果電子在原子中束縛愈緊，發(fā)生光電效應(yīng)的幾率就愈大。當(dāng)入射光子的能量大于K殼層的電離能時，實驗和理論都表明，光電效應(yīng)在K殼層發(fā)生的幾率約為80%，在L層發(fā)生的幾率比較小一些，在M層發(fā)生的幾率更小。俄歇電子：原子的內(nèi)殼層失掉一個電子-以后，就處于激發(fā)態(tài)，這種狀態(tài)是不穩(wěn)（（……））（cL二…定的，很快退激回到基態(tài)。退激的方式-'；-一’有兩種：一種是外殼層電子向內(nèi)殼層空位填補使原子回到基態(tài)，躍遷時多余的能量以特征X射線的形式釋放出來；另一種是多余的激發(fā)能直接使外層電子從原子中發(fā)射出來，這樣發(fā)射出來的電子稱為俄歇電子。作用截面：當(dāng)Y射線穿過一定厚度的物質(zhì)時，發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)是以一定幾率出現(xiàn)的，通常用截面這個物理量來表示發(fā)生這三種作用幾率的大小?？灯疹D效應(yīng)：康普頓效應(yīng)是光子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞，光子把部分能量轉(zhuǎn)給電子使其從原子內(nèi)部反沖出來，而能量降低了的光子沿著與原來運動方向不同的角度散射出去。從原子中反沖出來的電子稱康普頓電子或反沖電子。能量變低后的光子稱為散射光子，原來的光子稱為入射光子?？灯疹D效應(yīng)中光子只是損失部分能量，運動方向發(fā)生變化，康普頓效應(yīng)發(fā)生在束縛得最松的外層電子上。電子對效應(yīng)：當(dāng)Y光子能量大于1.02MeV時，Y光子有可能在原一....,.一一一二'子核的庫侖場作用下，轉(zhuǎn)化成為一個正電子和一個負電子，光子本"、'--）身消失，這種過程稱為電子對效應(yīng)，湮沒輻射：電子對產(chǎn)生中的正電子和電子與物質(zhì)的原子又發(fā)生相互作用，負電子最終被物質(zhì)吸收（物質(zhì)厚度大于該電子的射程）。正電子在損失其絕大部分能量后和周圍物質(zhì)達到熱平衡時與物質(zhì)中的一個電子發(fā)生湮沒，放出兩個能量均為0.511MeV的Y光子，這種現(xiàn)象稱為電子對的湮沒，湮沒時放出的光子叫湮沒輻射。03I0：單位時間內(nèi)入射到垂直于光子束單位面積物質(zhì)上的光子數(shù)目；I：單位時間內(nèi)穿透厚度為的物質(zhì)以后垂直于原來光子方向單位面積上的光子數(shù)目；N：物質(zhì)單位體積內(nèi)的原子數(shù)目；。：每個原子對Y光子的作用截面，這是三種效應(yīng)的總截面。三種效應(yīng)質(zhì)量衰減系數(shù)的比較：每個原子的三種效應(yīng)截面都與Y射線能量有關(guān)，但在一定的能量區(qū)域只有一種效應(yīng)占優(yōu)勢，對于低能Y射線和原子序數(shù)高的吸收物質(zhì)，光電效應(yīng)占優(yōu)勢。對于低能Y射線和原子序數(shù)低的吸收物質(zhì)，康普頓效應(yīng)占優(yōu)勢，對一種特定物質(zhì)來說，存在一個Y射線能量值，具有此能量的Y射線最易穿透該物質(zhì)，該能量通常稱為Y射線的臨界吸收能量。影響三種效應(yīng)截面的因素：三種效應(yīng)的截面都與原子的原子序數(shù)Z有關(guān)，。ph與Z5成正比，。c與Z成正比，。p與Z2成正比，所以物質(zhì)的衰減系數(shù)與物質(zhì)原子的原子序數(shù)有密切的關(guān)系（成正比）?；罨凶樱褐饕且换芈匪ɡ鋮s劑）流經(jīng)堆芯受到高能中子照射后產(chǎn)生17O（n,p）17N反應(yīng)（水中的氧含有0.037%的17O）,反應(yīng)產(chǎn)物17N經(jīng)P-衰變后處于17O的激發(fā)態(tài)，隨即發(fā)射能量為0.9MeV的中子。17N的半衰期為4.14s.光激中子（光中子）：在用重水或鈹作慢化劑的反應(yīng)堆內(nèi)，裂變產(chǎn)物的y射線與氘或鈹發(fā)生如下2H（y,n）1H或9Be（y,n）8Be反應(yīng)產(chǎn)生光中子。光中子在壓水堆中較少產(chǎn)生。放射性氣體：235U裂變后以氣體狀態(tài)出現(xiàn)的產(chǎn)物，主要是1311，135I*，85Kr，133Xe，135Xe等。在正常情況下，它們都被封閉在燃料元件的包殼之內(nèi)不會泄漏出來。這時堆內(nèi)放射性氣體主要是粘附在元件包殼外面的少量鈾裂變后所形成的上述這類氣體。冷卻劑中含有一定的空氣，其活化生成的41Ar也是放射性氣體的主要來源。放射性氣溶膠：放射性物質(zhì)的微小固體或液體粒子懸浮、于空氣中稱為放射性氣溶膠，其粒度范圍為10-3?103pm。壓水堆一回路系統(tǒng)多少總會有一些泄漏（允許范圍以內(nèi)），這時固體放射性物質(zhì)隨著冷卻劑的泄漏、蒸發(fā)而形成放射性氣溶膠。氣溶膠中的放射性微粒主要是14C，51Cr，56Mn，60Co和59Fe等。核輻射探測器的種類：常用的有三大類：氣體探測器、半導(dǎo)體探測器和閃爍探測器。這三類探測器都是把核輻射轉(zhuǎn)變成為電信號，再由電信號處理設(shè)備進行分析和處理。氣體探測器：由于電離室、正比計數(shù)器和G-M計數(shù)器把核輻射轉(zhuǎn)變成電信號的物理過程是在探測器充特定氣體的體積中進行的，所以稱之為氣體探測器。氣體探測器是一個內(nèi)部充有氣體、兩電極間（高壓極和收集極）加有電場的小室。氣體探測器是最早使用的核輻射探測器，盡管其他探測器發(fā)展很快，但是，由于它具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便等優(yōu)點，至今仍被廣泛使用。常用的氣體探測器有電離室、正比計數(shù)管和蓋革-彌勒計數(shù)管（Geiger-Miiller，簡稱G-M）正離子鞘：由于受激分子或原子退激可以向各個方向發(fā)射光子，因此氣體放大不象正比計數(shù)管那樣只局限在初電離那一側(cè)的局部區(qū)域發(fā)生，而是在整個G-M計數(shù)管內(nèi)發(fā)生。不管初電離發(fā)生在管內(nèi)何處，雪崩放電都會逐漸包圍整個陽極絲。在陽極絲附近的大量電子很快漂移到陽極而留下大量的正離子包圍著陽極絲，形成一個“正離子鞘”。

坪曲線：探測器以脈沖方式工作時，通過電子儀器記錄的脈沖計數(shù)率隨探測器所加電壓的變化曲線稱為探測器的坪曲線。甄別：記錄核輻射產(chǎn)生的脈沖時，即要把所有高度不同的脈沖記錄下來，又要去掉一大批幅度很小的噪聲脈沖使其不被記錄。為同時達到這兩個要求，在電子儀器上設(shè)置一個閾電平。其作用是允許超過閾的脈沖被記錄下來，這種作用稱為甄別。坪區(qū)：當(dāng)工作電壓加到一定數(shù)值后，核輻射產(chǎn)生的脈沖大部分超過閾電平的幅度，噪聲也只有極少超過閾電平，此時被記錄的脈沖數(shù)目基本趨于飽和，隨工作電壓增加計數(shù)增加很小，這個區(qū)域稱為坪區(qū)。閃爍探測器：閃爍探測器是利用某些物質(zhì)在核輻射作用下會發(fā)光的特性探測核輻射的。這些物質(zhì)稱為熒光物質(zhì)或閃爍體。光電器件（常用光電器件為光電倍增管，射線強時用光電管）將微弱的閃爍光轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娮?，光電子?jīng)多次倍增放大后，輸出一個電脈沖。這種主要由閃爍體和光電器件組成的裝置叫做閃爍探測器。閃爍體、光電倍增管和前置放大器1-反射層；2-閃爍體；3-硅油；4-光導(dǎo)；5-光電倍增管;6-前置放大器；7-高壓電源；8-電子學(xué)儀器；9-暗盒小立體角法原理：基本原理：放射源朝4兀立體角各向同性地發(fā)射a粒子，在探測效率已知的條件下，記錄一定立體角內(nèi)的a粒子產(chǎn)生的計數(shù)率，就可計算出待測樣品的a粒子發(fā)射率。從而計算樣品的活度。這種方法即可-用于絕對測量，又可用于相對測量。1-鉛室；2-鋁或塑料板；3-探測器；4-探測器的窗；5-支架；6-準(zhǔn)直器；7-源托板；8-放射源中子探測的4種基本方法：方法中子和核的作用所用材料（輻射體）截面用途核反應(yīng)法(n,d)(n,p)18B，6Li，3He?103熱、慢中子通量密度核反沖法(n,n’)H?1快中子通量密度核裂變法(n,f)235U,239Pu,等?5X102熱中子通量密度活化法(n,y)In,Au?1熱中子?1X102共振中子?1X103快中子?1中子通量密度第二講輻射測量與防護放射性活度：各種放射源都包含著一定數(shù)量的某種放射性核素，他們的原子核每時每刻均以一定的幾率通過上述躍遷形式自發(fā)地變化著，與此同時放出各種類型的致電離粒子。放射性活度就是描述放射性核素具有上述特征的物理量。在指定的時刻處于特定能態(tài)下的一定量的放射性活度A定義為dN除以dt而得的商SI單位為每秒，用符號秒-1（S-1）表示。單位的專門名稱為貝可勒爾，簡稱貝可，用符號Bq表示。1貝可（Bq）=1秒-1（S-1）。專用單位居里（Ci），它表示放射性核素在1秒鐘內(nèi)發(fā)生3.7X1Q1Q次核躍遷，即1居里（Ci）=3.7X1Q1Q秒-1（S-1）=3.7X1010貝可（Bq）。粒子注量：粒子的注量是根據(jù)入射粒子數(shù)目來描述輻射場性質(zhì)的一個輻射量，在非定向輻射場情況下，粒子運動方向是雜亂無章的，輻射場中某一點的注量定義為：進入以該點為球心，截面積為da

的小球體內(nèi)的粒子數(shù)dN除以da而得的商，粒子注量，SI單位為每平方米，用符號米-2(m-2)表示?？梢娏Ｗ拥淖⒘烤褪沁M入單位截面積小球體的粒子數(shù)。粒子注量率祖：它表示單位時間內(nèi)，進入單位截面積的球體內(nèi)的粒子數(shù)，定義為d中除以dt而得的商，注量率，SI單位為每平方米?秒，用米-2?秒-1(m-2?s-1)表示。吸收劑量：電離輻射與物質(zhì)的相互作用，實際就是一種能量傳遞過程，結(jié)果是電離輻射的能量被物質(zhì)吸收，引起受照射物質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生某些物理、化學(xué)變化，或作用于生物體時，還產(chǎn)生某些生物效應(yīng)。物質(zhì)吸收的輻射能量越多，則由于輻射引起的各種效應(yīng)越明顯。吸收劑量就是當(dāng)電離輻射與物質(zhì)相互作用時，描述單位質(zhì)量的物質(zhì)吸收電離輻射能量多少的物理量。以“戈瑞”(或“拉德”)為單位的吸收劑量適用于任何電離輻射及受到照射的任何物質(zhì)。均勻物質(zhì)，在均勻輻射場下，介質(zhì)中任意點的吸收劑量相等；在同樣照射條件下，不同種類的物質(zhì)其吸收輻射劑量的多寡是不同的。如對于低能光子，在相同的照射條件下，機體骨骼吸收劑量要比軟組織高出3—4倍。授與能：電離輻射以電離或激發(fā)方式授予一定體積內(nèi)物質(zhì)的能量，而且這些能量全部被該體積內(nèi)的物質(zhì)吸收。比釋動能：當(dāng)間接電離粒子(指不帶電粒子如x、Y或中子)與物質(zhì)相互作用時，其能量在物質(zhì)中的轉(zhuǎn)移過程實際上是分兩步進行的：第一步是間接致電離粒子將能量直接傳遞給直接致電離粒子；第二步是獲得初始動能的直接致電離粒子，在物質(zhì)中引起電離、激發(fā)，最后被物質(zhì)所吸收。吸收劑量表示了第二步的結(jié)果，而比釋動能則是描述第