輻射安全與防護基礎知識

1、輻射防護與環(huán)境保護研究室,輻射防護與安全培訓班教材,輻射安全與 防護基礎知識,清華大學工程物理系,2012.07.10,目錄,一、輻射防護簡介 1. 輻射防護的含義 （1）什么是輻射 （2）輻射的分類 2. 輻射防護簡史 3. 輻射防護的基本任務和 目的 4. 輻射防護的知識體系 二、輻射物理基礎 1. 放射性現象 （1）原子結構 （2）核素的表敘 （3）同位素和核素 （4）術語 2. 放射性衰變及機理 （1）衰變 （2）衰變 （3）衰變,3. 放射性衰變規(guī)律 （1）放射性衰變的規(guī)律 （2）放射性活度的衰減規(guī)律 （3）半衰期T1/2 （4）放射性活度及其單位 4. 射線與物質相互作用 （1）帶

2、電粒子與物質的相互 作用 （2）X、射線與物質的相 互作用 （3）中子與物質的相互作用 5. 幾種不同射線在穿過物質 過程中穿透力的比較 6. 輻射防護的基本原則和內、外照射的防護措施 （1）外照射防護的一般方法 （2）內照射防護的一般方法,目錄,三、輻射來源及其影響 四、輻射的健康效應 1.概述 2.電離輻射的健康效應 （1）隨機性效應 （2）確定性效應 （3）胚胎和胎兒的輻射效應 （4）非癌癥疾病 3.影響輻射生物學作用的因素 （1）物理因素 （2）生物因素 五、輻射防護的量 1.電離輻射基本量及其單位 （1）放射計量學量 （2）相互作用系數與相關量 （3）劑量學量 （4）放射性活度 （5

3、）衰變綱圖 2.常用輻射劑量學的,（1）吸收劑量 （2）比釋動能 （3）照射量 （4）吸收劑量、比釋動能和照 射量的區(qū)別 3.常用輻射防護的量 （1）與個體相關的輻射量 A.當量劑量 B.有效劑量 C.待積當量劑量與待積有 效劑量 （2）與群體相關的輻射量 A.集體當量劑量 B.集體有效劑量 （3）用于環(huán)境和個人監(jiān)測的 ICRU量 A.周圍劑量當量 H*(d) B.定向劑量當量 H(d,) C.個人劑量當量 Hp(d),（1）什么是輻射？,輻射是指以電磁波或高速粒子的形式向周圍空間或物質發(fā)射并在其中傳播的能量的統稱。（熱輻射、核輻射等）,（2）輻射的分類,1. 輻射防護的含義,一、輻射防護簡介

4、,非電離輻射：能量小于12.4eV，如紫外線、 可見光、紅外線和射頻輻射,電離輻射：能量大于12.4eV，如X射線、 射線、中子、射線、射線等,電離輻射粒子的能量在12.4eV以上（相應于電磁輻射頻率在3000THz以上），這個能量下限是使空氣等典型材料發(fā)生電離所需的最低能量。 移動電話 800-1800 MHz 0.01 eV 。,與物質相互作用，能產生直接電離粒子的中性粒子，如中子、光子等，稱為間接電離粒子。由間接電離粒子組成的輻射稱為間接電離輻射。,直接電離輻射 directly ionizing radiation,具有足夠動能的、碰撞時能引起電離的帶電粒子，如電子、質子、粒子、重離子

5、等，稱為直接電離粒子。由直接電離粒子組成的輻射稱為直接電離輻射。,間接電離輻射indirectly ionizing radiation,直接電離輻射與間接電離輻射,常見的電離輻射,電 離 輻 射,電磁輻射,X射線,射線,粒子,粒子,質子,中子,帶電粒子,不帶電粒子,粒子輻射,電離輻射的分類,倫琴（Conrad Roentgen 1845-1923）,Frau Roentgens Hand 世界上第一張X射線 照片1895.12.22,Nobel Prize in 1901,1895, 倫琴（ Roentgen ）發(fā)現 X 射線,2.輻射防護簡史,1896,貝克勒爾（Becquerel）發(fā)現鈾

6、（Uranium）,發(fā)現了天然放射性，人類歷史上第一次在實驗室觀測到放射性現象。,Nobel Prize in 1903,1897, 湯姆生(Thomson)發(fā)現電子打破了原子不可分的觀念。,1898, 居里夫婦發(fā)現釙（ Polonium） 和鐳（ Radium）,同位素的工業(yè)應用,Nobel Prize in 1903 and 1911,1898, 盧瑟福（Rutherford） 在“貝可勒爾射線”中發(fā)現了、粒子,后來證實了射線是氦原子核，射線是電子。 1908年獲諾貝爾獎。,1932, 查德威克（Chadwick發(fā)現中子1935年獲諾貝爾獎。,1900,法國化學家維拉爾德在鐳源的射線中發(fā)現

7、 射線,重點調查對象包括： 職業(yè)性受照射群體的流行病學調查； （1）放射事故受害者調查； （2）出生前受X射線診斷照射的流行病 學調查； （3）高輻射本底地區(qū)居住者的流行病學 調查； （4）原子彈、氫彈、切爾諾貝利事故受 害者跟蹤調查。,對輻射損傷的調查,迄今為止的流行病學的調查資料證明： 在低劑量下，唯一潛在的輻射危害是致癌。遺傳危害未見增加。 低于職業(yè)性劑量限值的輻射水平的長期慢性照射，是否會增加惡性腫瘤尚不明確。 出生前診斷性X射線的照射量，是否能增加出生后的小兒癌癥的發(fā)病率，尚有爭議。 高本底地區(qū)居民流行病學的調查，均末證實遺傳危害的增加或惡性腫瘤較對照群體有過多的發(fā)生。,調查結論,從

8、百余年來輻射對人類損傷簡史的回顧中可以看出，造成人類損傷和死亡的輻射事故幾乎都是由于錯誤的應用以及缺少專業(yè)知識和技術造成的。所以，系統學習輻射防護的專業(yè)知識是非常必要的。,歷史告訴我們,從百余年來輻射對人類損傷簡史的回顧中可以看出，造成人類損傷和死亡的輻射事故幾乎都是由于錯誤的應用而造成的。所以，系統學習輻射防護的專業(yè)知識是非常必要的。 核科學研究和核能為造福人類的實踐則留下安全的記錄。這是因為人們認識核能的初期就意識到了它的損傷作用。其后投入了大量人力和物力，建立了較為完善的輻射防護體系和醫(yī)學監(jiān)督制度。,“事實上，在人類身體里就可以找到天然放射性核素。我們的身體平均每分鐘要經歷幾十萬次的核衰

9、變?！?諾貝爾獎獲得者西博格,人與原子,其實輻射也沒那么可怕！,輻射防護的主要目的是在不對伴隨輻射照射的有益實踐造成過度限制的情況下為人類和環(huán)境提供合適的保護。具體來講，就是要防止有害的確定性效應，并限制隨機性效應的發(fā)生率，使之降低到可合理達到的程度。 基本任務是既要保護環(huán)境，保障從事輻射工作人員和公眾成員，以及他們的后代的安全和健康，又要允許進行那些可能產生輻射照射的必要活動；提高輻射防護措施的效益，以促進核科學技術、核能和其它輻射應用事業(yè)的發(fā)展。,3.輻射防護的基本任務和目的,4.輻射防護的知識體系,（1）原子結構,原子模型,1.放射性現象,二、輻射物理基礎,原子核的組成,原子核由質子和中

10、子組成，中子和質子 統稱為核子（nucleon）。中子不帶電。質子帶正電，電量為e，與電子電量相 同，符號相反。質子和中子的質量相差不大，中子質量 略大一些。,原子核的表示符號：AZXN X為元素符號，A=N +Z 為核子數，N為中子數，Z為質子數，即原子序數。,ZP APN 原子質量數（A）質子數（P）中子數（N）,核素符號X與質子數Z具有唯一、確定的關系，當元素X確定時，這個X就是Z，所以就將,簡化成,（2）核素的表敘,（1-1-2）,同位素實際上就是Z相同而A不同的各核素的總稱。同位素是指元素周期表中處于同一個位置，它們具有相同的化學性質。例如 （氕）、 （氘）、 （氚）。,它們都在第一

11、號位置，所以記作1H，由于質量數不同，在左上角表示，,氕原子核內僅有一個質子即氫,氘原子核內有一 個質子一個中子,氚原子核內有一 個質子二個中子,（3）同位素和核素,簡寫成1H、2H、3H。,核素（nuclide） 具有一定數目的中子和質子以及特定能態(tài)的一 種原子核或原子稱為核素。 中子數、質子數和能態(tài)只要有一個不同，就是 不同的核素。 A同，Z、N不同。同量異位素。 N同，A、Z不同。同中子異核素。 Z同，A、N不同。同位素。 A、Z、N同，能態(tài)不同。同質異能素。,（4）術語,什么是放射性？ 1896年，法國物理學家貝可勒爾（A.H.Becquerel）首次發(fā)現放射性現象。 當原子核內的質子

12、和中子數失去一定比例時，就處于不穩(wěn)定狀態(tài)，核素可以自發(fā)地發(fā)生核衰變，變成一種新的核素，同時放出一條或多條射線，這種特性稱為放射性 (radioactivity)。 這種轉變過程稱為放射性衰變。,2.放射性衰變及機理,放射性現象是由原子核的變化引起的，與 核外電子狀態(tài)的改變關系很小。,電場對鐳射線的分解,（1）衰變,原子核自發(fā)地放出粒子而變?yōu)榱硪环N 原子核的過程稱為衰變。原子序數Z減2、質量數A減4。 式中，X代表衰變前的母核； Y代表衰變后的子核； Q表示衰變能。,超鈾元素會發(fā)生衰變。例如234U、235U、238U、238Pu、239Pu、241Am等。,從母核中射出 的4He原子核,粒子得

13、到大部分衰變能,238U 234Th + 4He,放射性母核, 衰變 238U 234Th, 衰變 241Am 237Np,衰變就是放射性核素發(fā)射出粒子的衰變。而常見的衰變是衰變，即發(fā)射負電子（e）的衰變。負電子帶有1個單位的負電荷，其質量可以忽略不計（為1/1840個原子質量單位）。因此，原子核在進行衰變之后，它的質量數（A）保持不變，原子序數（Z）增加1。表示衰變的式子即為：,（2）衰變,原子核內質子相對缺少時，一個中子轉變?yōu)橐粋€質 子，同時從核內釋放出的電子的過程。,3H、90Sr等都是會放出射線的放射性核素。,發(fā)生原因母核中子或質子過多,質子轉變成中子，并且 帶走一個單位的正電荷,中子

14、轉變成質子，并且 帶走一個單位的負電荷,衰變, 衰變14C 14N, 衰變 3H 3He,正衰變11C 11B,衰變時由原子核內發(fā)地出粒子，粒子的 質量與電子的質量相同，但帶有一個單位的還正電 荷?？梢园阉プ兛醋髟雍藘纫粋€質子轉變成 一個中子時發(fā)射出粒子和中微子的過程，即,衰變,發(fā)生衰變時，母核和子核的質量數相同，但子核的原子序數小一個單位：,原子核內中子相對缺少時，一個質子轉變?yōu)橐粋€中 子，同時從核內釋放出的正電子(positron)的過程。,軌道電子俘獲（EC）為原子核俘獲一個核外電子的過程，其結果是核內一個質子轉變?yōu)橐粋€中子和一個中微子，簡稱EC衰變(orbital electron

15、capture) ： Pe n 軌道電子俘獲的過程可表示為：,軌道電子俘獲過程釋放的能量,其中i為電子的軌道結合能。 有些放射性核素能滿足產生衰變條件，同時也可滿足衰變和電子俘獲條件，所以它們可以發(fā)生、衰變和軌道電子俘獲三種過程。,軌道電子俘獲,電子俘獲,電子,電子俘獲7Be 7Li,會產生特征X射線或俄歇電子,有些核素在進行、-、+、或EC衰變時，處于激發(fā)態(tài)的子核在向基態(tài)躍遷時， 多余的能量以光子即射線的形式發(fā)射出來，即為衰變。,（3）衰變, 衰變,99mTc 99Tc+(E 0 .140MeV),T1/ 2 =6h,1、光子是從原子核中發(fā)射的； 2、常常伴隨在 、 衰變 之后； 3、單能；

16、 4、 射線的能量與原子核相 關。,射線特點, 衰變3He 3He,有時原子核發(fā)生躍遷時不發(fā)射光子，而是把多余的能量交給核外繞行的電子（主要是K層電子），使它脫離原子核的束縛而放射出來，這種現象稱為內轉換（internal conversion ），電子的能量是固定的，近似于光子的能量。 內轉換電子發(fā)射后，原子的某一軌道上留下一個空穴，這個空穴通常由外層軌道電子躍遷填充，由于不同軌道上電子結合能不同，電子躍遷過程中發(fā)射特征X射線。由于內轉換電子的與結合能是唯一的，且同時發(fā)射特征X射線，故不會與衰變產生的電子相混淆。,衰變內轉換,3.放射性衰變規(guī)律,實驗結果,N0為t=0時刻氡的原子核數，N 為

17、t時刻的氡原子核數。,衰變規(guī)律：以一定的規(guī)律衰減，放射性衰變是由原子核內部運動規(guī)律所決定的，與物理和化學性質無關，與外界溫度、壓力、機械運動等無關； 統計規(guī)律：對一個特定的放射性核素，衰變的精確時間是無法預測的；但對足夠多的放射性核素的集合，服從量子力學的統計規(guī)律； 滿足質量-能量轉換關系 滿足能量守恒、動量守恒。,（1）放射性衰變的規(guī)律,放射性衰變的統計規(guī)律,由于微觀世界的統計性，不能預測某一原子核的衰變時刻，但可以統計得到放射源中總的放射性原子核數目的減少規(guī)律；具體到每個放射性原子核的衰變來說，就是服從一定規(guī)律進行衰變的一個隨機事件，可以用衰變概率表示。,單一放射性的負指數衰減規(guī)律,222

18、Rn的衰變曲線,實驗發(fā)現，放射性核素 放出一個粒子，變成 ，而 的數目每4天減少一半。,（2）放射性活度的衰減規(guī)律,放射性核素的核衰變服從負指數規(guī)律。任何放射性核素，不管放射任何射線，也不管放射性衰變的快慢，都服從負指數規(guī)律，這是一個普遍規(guī)律。 A=Aoe- t 式中：Ao在t時，即原始的放射性核素 的活度，Bq ； A在t時刻，該放射性核素經核衰變 后剩余的活度，q； 放射性核素的衰變常數，1/s ； t經過的時間，s。,1Bq=1s-1,規(guī)定 即每秒衰變1次為1貝可。,放射性活度的國際單位（SI）是s-1，稱為貝可勒爾,簡稱貝可,用符號Bq表示。,放射性活度隨時間的變化,51,半衰期T1/

19、2：原子核數目減少一半的時間,衰變特性,放射性活度是衰變數，不是發(fā)出的射線數；（137Cs：、） 歷史上曾使用過的單位： 居里（Ci）；1Ci相當于 1g鐳的放射性活度,幾點注意,放射性核素的放射性活度，過去也稱放射性強度。它是表征放射性核素特征的物理量之一。,（3）半衰期T1/2,半衰期：放射性核數衰變一半所需的時間，記為T1/2 。,即：,量綱為：t,如s，h，d，a, 放射性活度 (Activity),即：,定義：,則：,活度定義：一個放射源在單位時間內發(fā)生衰變的原子核數。以A表示，表征放射源的強弱。,（4）放射性活度及其單位,現今對大量的放射性原子核進行各種測量，已積累了大量的資料。為

20、了便于使用和查閱，已匯編成“衰變綱圖”。在實際工作中，可以根據衰變綱圖提供的資料，選取有用的數據。 下面二張衰變圖分別為60Co與137Cs的衰變綱圖。箭頭向右表示Z增加（箭頭向左表示原子序數Z減少）。箭頭線上標示了放射粒子的類型及其動能或者動能最大值。圖中百分數代表該種衰變所占的比例（又叫分支比）。粗實線的態(tài)代表原子核基態(tài)。所示年月即為T1/2數值。,（5）衰變綱圖,60Co及137Cs的衰變綱圖, 帶電粒子的種類和物理性質 帶電粒子與物質相互作用的主要 過程,（1）帶電粒子與物質的相互作用,4.射線與物質的相互作用,（1）帶電粒子與物質的相互作用,帶電粒子,電子：核外電子,射線：原子核發(fā)出

21、的高速電子,質子,粒子,帶電粒子種類：, 帶電粒子的種類和物理性質,電離輻射作用于物質，所引起的某些物理、化學變化，或作用于生物體時所產生的某些生物效應，幾乎都是通過帶電粒子把能量傳遞給物質所引起的。,4.射線與物質的相互作用,主要過程,電離和激發(fā),核反應,化學變化,帶電粒子與物質相互作用的主要過程,韌致輻射,帶電粒子與物質相互作用的過程是復雜的，主要過程有電離和激發(fā)，彈性散射和韌致輻射。其他過程有湮沒輻射、契倫可夫輻射、核反應以及引起物質化學變化。,帶電粒子主要通過電離和激發(fā)過程損失能量，其次是通過韌致輻射。這兩種過程構成了帶電粒子在碰撞過程中的能量損失。 當具有一定動能的帶電粒子與原子軌道

22、電子發(fā)生庫倫作用時，把本身的部分能量傳遞給軌道電子。如果軌道電子蕕得的動能足以克服原子核的束縛，逃出原子殼層而成為自由電子，此過程稱為電離。電離后的原子帶正電荷，它與逃出的自由電子合稱為離子對。如果軌道電子獲得的能量不足以擺脫原子核的束縛，而是從低能級躍遷到高能級，使原子處于激發(fā)態(tài)，此過程稱為激發(fā)。處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它將通過躍遷到高能級的電子自發(fā)地躍遷到低能級而回到基態(tài)。多余的能量可以以X射線的形式放出。此種X射線的能量是不連續(xù)的，它等于電子躍遷的兩能級之差，稱之為標識X射線或特征X射線。,電離和激發(fā),帶電粒子,軌道電子,庫侖相互作用,電離,激發(fā),電離和激發(fā),線碰撞阻止本領 ：帶電粒

23、子在介質中每單位路徑長度上電離損失的平均能量。,質量碰撞阻止本領 ：線碰撞阻止 本領除以密度，消除密度的影響。,碰撞阻止本領,帶電粒子在電離和激發(fā)過程中的能量損失，是通過帶電粒子和軌道電子的庫倫碰撞產生的，這稱為碰撞過程的能量損失或電離損失。,當高速運動的帶電粒子從原子核附近掠過時，它會受到原子核庫侖場的作用而產生加速度。在庫侖場中受到減速或加速的帶電粒子，其部分或全部動能，將轉變?yōu)檫B續(xù)譜的電磁輻射，這就是韌致輻射，這種形式的能量損失，稱為輻射損失。,韌致輻射,韌致輻射和輻射阻止本領,韌致輻射,輻射損失 Z z2/m2,其中：Z 物質的原子序數； z 帶電粒子的電荷數； m 帶電粒子的質量。,

24、在同一物質中，粒子能量的輻射損失比能量相同的電子約小107倍。因此，重帶電粒子的輻射損失可忽略不計，主要考慮電子的輻射損失。,輻射損失與 成正比，表明物質的原子序數越大、帶電粒子的電荷數越多，輻射損失越大。它與帶電粒子的質量 成反比，表明帶電粒子的質量越大，輻射損失越小。,在防護射線時，為減少韌致輻射的產生，必須內層用低Z材料來防護射線，然后在外層再用高Z材料來防護韌致輻射。,E10MeV，主要是電離損失和輻射損失：,重帶電粒子，輻射損失可以忽略。,帶電粒子在物質中的一切能量損失，用總質量阻止本領來表示。總質量阻止本領S/定義為帶電粒子在密度為的介質中，穿過路程dl時，所損失的一切能量dE除以

25、dl而得的商。,總質量阻止本領,X、射線與物質相互作用的主要類型,D. 瑞利（相干）散射 E. 光核相互作用 在這些相互作用中，前三個是最重要的，因為這些相互作用會將能量轉移給電子，然后，電子沿其徑跡在許多次庫侖力（通常是很小的）相互作用中將該能量給予物質。, 概述,在x和射線與物質相互作用的各種類型中，有五種相互作用類型是在放射物理中所必須考慮的：,A. 光電效應,B. 康普頓效應,C. 電子對效應,（2）X、射線與物質的相互作用, X、射線與物質的相互作用 的主要過程,A.光電效應,光電子動能：,EehBi （ iK，L，M）,能量為 h的光子通過物質時，與原子內殼層的一個軌道電子相互作用

26、，把全部能量傳遞給這個電子，獲得能量的電子擺脫原子核的束縛成為自由電子（常稱光電子），這種效應稱光電效應。,在光電吸收過程中，入射光子在與吸收物質原子的相互作用中完全消失，代以一個有相當能量的光電子從原子某一束縛殼之層發(fā)射出來。 光子是與原子整體相互作用，而不是與自由電子發(fā)生相互作用。 原子吸收了光子的全部能量，其中一部分消耗于光電子脫離原子束縛所需的電離能，另一部分就作為光電子的動能。因此，光電子的動能就是入射光子能量與該束縛電子所處電子殼層的結合能之差。對于能量足夠高的入射光子，光電子最可能來自原子中結合得最緊的K殼層。,第 I 階段,第 II 階段,激發(fā)態(tài)退激,特征X射線,俄歇電子,發(fā)生

27、光電效應時，從內殼層上打出電子，在此殼層上就留下空位，并使原子處于激發(fā)狀態(tài)。這種激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的。它的退激過程有兩種：一種是外層電子向內層躍遷以填補空位，使原子恢復到較低的能量狀態(tài)并發(fā)射特征X射線。兩個殼層的結合能之差就等于躍遷時釋放出來的能量，這將以特征X射線的形式出現。原子的另一種退激過程是將其激發(fā)能直接傳給外殼層的電子，使它從原子中發(fā)射出來，稱作俄歇電子。,光電效應特征X射線和俄歇電子的發(fā)射示意圖,特征X射線和俄歇電子,B. 康普頓效應,當具有能量為 的光子與原子內一個軌道電子相互作用時，光子交給軌道電子部分能量后，其頻率發(fā)生改變并與入射方向成角散射（康普頓散射光子），獲得足夠能量的軌道

28、電子與光子入射方向成角方向射出（康普頓反沖電子），此種效應稱康普頓效應。角稱散射角；角稱反沖角。,康普頓效應與光電效應不同，光電效應中，入射光子被吸收了，能量全部轉移給光電子（以及俄歇電子或特征X射線）。康普頓效應發(fā)生后仍存在散射光子，反沖電子只獲得入射光的一部分能量。光電效應主要發(fā)生在束縛最緊的內層電子上，而康普頓效則主要發(fā)生代束縛最松的對層電子上。,光電效應與康普頓效應的差別,C.電子對效應,在原子的電子場：能量大于2.04MeV，發(fā)生幾率很小。,當輻射光子的能量足夠高，在原子核場或原子的電子場中經過時，在庫侖場作用下，一個光子轉化成一對正、負電子，這種過程稱作電子對效應。,能量大于1.0

29、2MeV，發(fā)生幾率大；,原子核場：,中子能量的劃分,A.熱中子 中子與周圍的物質處于熱平衡時， 它們具有可與室溫下氣體分子相比擬的速度。 這時中子的最可幾速度大約是2.2105cms-1， 相應的熱中子能量為0.025eV。 B.慢中子 能量在0.5eV1keV之間。一般以 0.5eV作為熱中子與慢中子的分界線。 C.中能中子 能量在1keV10keV之間。 D.快中子 能量在10keV10MeV之間。 E.高能中子 能量在10MeV以上。,（3）中子與物質的相互作用,中子不帶電，幾乎不能和原子的電子相互作用，而只能和原子核相互作用。 中子與原子核相互作用分為兩大類： 一類是散射，包括彈性散射

30、和非彈性散射。這是快中子與物質相互作用過程中能量損失的主要形式?？熘凶釉谳p介質中主要通過彈性散射損失能量，在重介質中主要通過非彈性散射損失能量?？熘凶訙p速成為能量較低的中子的過程稱為中子的慢化。 另一類是吸收，即中子被原子核吸收后，僅產生其他種類的次級粒子，不再產生中子。中子一般只有被慢化后才能有效地被物質所吸收。,中子的散射與吸收,中 子,散 射,彈性散射 如：快中子與 輕介質,非彈性散射 如：快中子與 重介質，,吸收,輻射俘獲，,吸收：包括輻射俘獲、核裂變、（n，）和（n，p）反應等。,粒子質量大，電荷多，在物質中的射程很短。穿透能力很弱，能量最大的粒子在空氣中的射程僅有幾個厘米，難以穿透

31、人體外表的角質層。因此，粒子幾乎不存在外照射危害問題。 粒子一旦進入人體，短射程這一特點就顯得異乎尋常。此時，輻射源被人體組織所包圍，損傷幾乎集中在輻射源附近。若粒子沉積在體內某一器官，其能量可被該器官全部吸收，因而器官受到嚴重的傷害。因此，粒子的內照射危害必須重視。,粒子的相對危害性,5、幾種不同射線在穿過物質 過程中穿透力的比較,與粒子相比，粒子在空氣中的射程較大。能量較高的粒子能穿透人體皮膚進入淺表組織，因此，粒子是具有較小外照射危害的輻射，可引起皮膚表層的損傷。在特定情況下，射線對皮膚和淺表組織的外照射不容忽視。 粒子在組織中射程較大，在組織的某一小體積內沉積的能量較粒子小，對小體積內

32、組織引起的損傷比粒子要小，但亦可引起明顯的生物效應。,粒子的相對危害性,射線在空氣和其他物質中的射程較大，也就是說其穿透力較強。即使處于離輻射源遠處的組織，也會受到危害。當人體處于射線輻射場中時，會使所有器官和組織受到照射，引起嚴重損傷。就外照射而言，與、輻射相比，射線具有更大的危害性。 由于射線在人體組織中的射程較大，甚至貫穿人體，因而在組織中某一小體積內沉積的能量較小，對人體組織損傷也、較小。就內照射而言，射線的危害較、輻射小得多。,射線的相對危害性,中子不帶電，不論在空氣中還是在其他物質中，它都具有很大的射程，與射線一樣，中子對人體的危害主要是外照射，但其對人體組織產生的損傷程度要比射線

33、大。 中子引起內照射的機會極小，不論天然中子源，還是人工中子源，進入人體的機會極小。 對于核電廠常見的幾種輻射，就其相對危害而言，和輻射的潛在危害主要來自其內照射，而射線和中子輻射的潛在危害主要是外照射。,中子的相對危害性,中子,紙張,鋁板,鉛板,水泥板,水,外照射主要是防和中子； 內照射主要是防。,不同輻射在材料中的穿透能力,圖給出了不同輻射在材料中的穿透能力。,輻射防護關心的是：既要保護個人和他們的后代以及全體人類，又要不過分限制那些可能產生輻射照射的必要活動。所以輻射防護的目的在于防止有害的確定性效應的發(fā)生，并將隨機性效應的發(fā)生率降低到可合理達到的盡可能低的水平，從而在取得效益的同時保證

34、人類免受輻射之害。 輻射對人體的照射方式有外照射和內照射兩種，外照射是體外輻射源對人體造成的照射，而內照射是指進入人體內部的放射性核素對人體造成的照射。前者主要由X射線、射線、中子束、高能帶電粒子和射線引起的。后者主要是通過吸入、食入、完好皮膚或帶傷皮膚吸收放射性核素造成的。對于兩種照射方式，有兩種不同的防護方法。,外照射和內照射的防護原則,6、輻射防護的基本原則和 內、外照射的防護措施,內外照射的特點,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。, 外照射防護的基本原則,（1）外照射防護的一般方法,外照射防護的基本（一般）方法,外照射防護 三要素：

35、 時間 距離 屏蔽,A.時間防護(Time) 累積劑量與受照時間成正比 措施：充分準備，減少受照時間,B.距離防護(Distance) 劑量率與距離的平方成反比（點源） 措施：遠距離操作； 任何源不能直接用手操作； 注意射線防護。,C.屏蔽防護(Shielding) 措施：設置屏蔽體 屏蔽材料和厚度的選擇： 輻射源的類型、射線能量、活度,首先，外照射防護的三個基本方法：縮短在輻射場的工作時間、增大與輻射源的距離、設置屏蔽體，在內照射防護中仍要積極運用； 就內照射防護而言，最根本的防護原則是盡量減少放射性物質進入體內的機會、制訂合理的管理制度和操作規(guī)程、做好個人防護等。 內照射防護的一般措施如下

36、：包容；隔離；凈化和稀釋。,內照射防護原則,（2）內照射防護的一般方法,放射性物質對人體造成的內照射傷害往往比外照射更大。這是因為： （1）照射是連續(xù)的，且?guī)缀醪荒苡萌藶榈姆椒右愿淖?，一般只能按照其自身的固有?guī)律在人體內進行代謝； （2）某些放射性核素會有選擇地沉積在它所親和的某個或某些器官或組織中，例如，碘主要沉積在甲狀腺中，鍶主要沉積在骨中，等等； （3）一些本來無法從體外照射人體器官或組織的粒子和低能粒子，一旦進入體內，就可將其全部能量損傷在受照器官或組織中；此外，還有一些放射性核素，除有放射性危害外，還有化學毒性危害。,內照射危害的特點,（1）防止放射性物質經由呼吸道進入體內 由于放

37、射性粉塵或放射性氣體逸入空間，可能造成工作場所的空氣污染，空氣污染是造成放射性物質經呼吸道進入體內的主要途徑，其防護措施主要如下。 1）空氣凈化 通過空氣過濾、除塵等方法，盡量降低空氣中放射性粉塵或放射性氣溶膠的濃度。例如：在核電廠，主控室的通風系統中裝有這種空氣凈化裝置（在正常情況下不啟動），這種方式屬于集體防護措施。 2）稀釋 稀釋是不斷地排出被污染的空氣并換以清潔空氣，換氣次數視空氣被污染的水平確定。為防止環(huán)境的放射性污染，污染空氣一般應經過濾器過濾后才排入大氣。在核電廠的通風與空氣凈化系統的設計中，空氣從污染程度低的房間流向污染程度高的房間。,內照射防護的措施,3）防止放射性物質擴散

38、在可能產生空氣污染的工作現場設立負壓工作環(huán)境（靜態(tài)封閉），或在可能產生放射性空氣污染的設備開口處加負壓抽吸機（動態(tài)封閉），這樣就可避免放射性物質的擴散。核電廠在檢修過程中普遍采用這兩種防護方式。 4）個人防護 工作人員佩戴呼吸保護裝置，防止放射性物質被吸入人體。呼吸裝置分為開放式和密閉式兩種。開放式的防護裝置為高效的防護口罩，采用活性炭等物質隔離和吸附放射性物質。密閉式的防護裝置本身提供可供人體呼吸的氣源，因此可避免放射性物質的吸入。密閉式的防護裝置分兩種：一種裝置自身配備壓縮空氣瓶，另一種由壓縮空氣系統供氣。第一種裝置包括氣瓶、面具和連接供氣管線等組成。優(yōu)點是工作人員可自由移動，不會受區(qū)間的

39、限制。缺點是工作時間有限且較笨重。第二種裝置包括通風氣衣和面罩及連接供氣管線組成，由壓縮空氣系統供氣。這類裝置的優(yōu)點是較輕便，供氣時間不受限制，但活動范圍有限。,（2）防止放射性物質經口進入體內 防止放射性物質經口進入體內，主要從管理及工作習慣上解決。在控制區(qū)或放射性操作現場（如廢物運輸）不準吃、喝、抽煙等，平時養(yǎng)成良好的工作習慣，工作時不用手撫摸面部，工作結束后洗手等。 （3）防止放射性物質經皮膚和傷口進入體內 為了防止放射性物質經皮膚進入體內，工作時必須穿戴個人防護用品，盡量減少暴露的皮膚面積，而且不用有機溶劑洗手或涂敷皮膚，否則會增加放射性物質的滲透性。, 要小心工作，不要讓帶有放射性物

40、質的設備尖角、斷口等割裂皮膚，若有了傷口，無論傷口在何處，則必須立即停止工作，及時通知輻射防護人員和職業(yè)衛(wèi)生醫(yī)生。如工作確有需要，可用不透水的敷料妥善包扎好后再工作，如果傷口較大，則必須停止工作。若發(fā)生較大的人員傷亡事故，立即通知主控室。 不準患有大面積皮膚病的人員不經妥善處理就進入控制區(qū)工作，不準帶裸露的傷口進入控制區(qū)工作。這些考慮都是為了防止放射性物質經傷口直接進入體內，因為裸露的傷口為污染物進入血液提供了直接的途徑。,三、輻射來源,電磁輻射能譜,人工輻射,生活中的輻射來源,天然輻射,天然輻射是人類的主要輻射來源， 天然輻射不比人工輻射更可愛。,天然輻射源的來源及其分類方法,UNSCEAR

41、2008統計，日常生活中天然輻射占 我們所接受劑量的80%，人工輻射約占20%。,天然輻射,宇宙射線,宇生放射性核素,原生放射性核素,一般場所： 天然本底為 2.4mSv/a, 多為內照射 (222Rn, 60%),天然本底照射,人類活動引起的 天然輻射的增加,年均有效劑量和個人劑量的范圍（mSv）（UNSCEAR2008）,天然輻射源,年均有效劑量和個人劑量的范圍（mSv）（UNSCEAR2008）,人工輻射源,廣東大亞灣核電環(huán)保有限公司 朱昌壽 中國人受電離輻射照射劑量份額研究 2007年05月21日 a.本文仍以19851990年期間的研究資料為準，有可能數值略有保守。 b.假設每天吸煙

42、11支，可造成年有效劑量58Sv/a，我國吸煙人數按34%計算，僅 由吸煙對公眾造成的內照射劑量為18Sv/a。,中國人受電離輻射照射劑量及份額,從飲水攝入226Ra 約0.01Bq,我國人群平均每天食入的放射性及體內放射性物質的含量估計值,四、輻射的健康效應,目的：在分子水平上，了解輻射損傷的機理。 基礎：電離和激發(fā)，改變原子或分子的狀態(tài)，從而導致細胞功能或遺傳結構的變化。 輻射的生物效應的特點： 很低的吸收能量就能引起高的生物效應； 短暫作用引起長期效應。,1.概述,低吸收能量引起高生物效應 以6Gy劑量的急性照射為例，它可以致人死亡，但是此時吸收的能量如果全部轉換為熱能，卻只能使組織的溫

43、度升高0.00l4。 短暫作用引起長期效應 極短時間內沉積能量；輻射的確定性效應、隨機性效應都體現為一種長期的、持續(xù)性的效應。,輻射的生物效應的特點,輻射,原子、分子,組織、器官,機體損傷,確定性效應,隨機性效應,電離、激發(fā),修復,電離輻射健康效應,輻射的損傷機理,生物基質的電離和激發(fā)是生物效應的基礎。 細胞的DNA和膜是射線作用的靶，是引起細胞一系列生化、生理和病理學變化的關鍵。 直接作用： 電離輻射的能量直接沉積與生物大分子，引起生物大分子的電離和激發(fā)，破壞機體的核酸、蛋白質、酶等具有生命功能的物質。 間接作用： 電離輻射首先直接作用與水，使水分子產生一系列原發(fā)輻射分解產物，然后通過水的輻

44、射分解產物再作用于生物大分子。,水的輻射產物：,pH為中性時，水輻射產物的產額,其中羥自由基 和水合電子 是兩種最重要的水輻解自由基，前者具有強氧化作用，后者具有強還原作用,輻射對DNA的直接和間接作用,1、堿基變化 2、DNA鏈斷裂：是輻射損傷的主要形式。 -單鏈斷裂（可以實現無差錯修復） -雙鏈斷裂（ 難以修復，是細胞死亡的主要原因） 3、DNA交聯,輻射對DNA的作用：,C,一個人受照有一半的概率會死時，體內會有多大比例的原子被電離？ LD50/30約為4Gy，1J=6.251018eV,每公斤軟組織約有9.51025個原子,若按每一個原子被電離會有9個原子被激發(fā)估計，總的直接受影響的原

45、子份額為10-7。,例題,2.電離輻射的健康效應,輻射照射的大多數有害健康效應可以分為兩種類型： 確定性效應 高劑量照射后由于大部分細胞被殺死/功能喪失而 產生的確定效應（有害的組織反應）。 隨機性效應 即癌癥和遺傳效應。包括由于體細胞突變而在受 照個體內形成的癌癥和由于生殖細胞突變而在其 后代身上發(fā)生的遺傳疾病。 還要考慮胚胎和胎兒的效應，以及非癌癥疾病。 摘自：ICRP103號出版物,隨機性效應(Stochastic effect)：是指輻射效應的發(fā)生幾率(而非其嚴重程度)與劑量相關的效應，不存在劑量的閡值。主要指致癌效應和遺傳效應。 確定性效應(Deterministic effect)

46、：是指輻射效應的嚴重程度取決于所受劑量的大小。這種效應有一個明確的劑量閡值，在閡值以下不會見到有害效應，如放射性皮膚損傷、生育障礙。,輻射效應按劑量效應關系 可分為隨機性效應和確定性效應 ：,隨機性效應和確定性效應,發(fā)生概率與劑量有關 嚴重程度與劑量無關 線性比例、無閾,隨機效應特點:,直線的斜率也稱危險度系數，表示發(fā)生嚴重疾病幾率的大小。故也可以用危險度來描寫隨機性效應。,（1）隨機性效應,隨機性效應-線性無閾假設,在科學上有理由假設，在小劑量范圍內，低于大約100mSv，癌癥或遺傳效應的發(fā)病率隨相關器官和組織的當量劑量的增加成正比地增加。 在劑量低于約100mSv的情況下，給定的劑量增量與

47、歸因于輻射的癌癥或遺傳效應發(fā)生的概率的增量成正比。這個劑量響應模型稱之為“線性無閾”，或LNT模型。 ICRP認為，根據目前現有的科學證據，對隨機性效應采取線性無閾的劑量響應關系（LNT）是最合 適的假定： 1.它不是一個純技術性假定，而是一個管理性假定。 2.進一步的發(fā)展必須依賴于致癌機制的研究，特別是分子生物學的進展。,（4）劑量平方模型： 低LET輻射，高劑量率照射下,不存在單一的劑量-效應關系模式,（1）線性無閾模型： 高LET輻射，低劑量率照射下,（2）凸向下模型： 高LET輻射，高劑量率照射下,（3）S型曲線模型： 低LET輻射，低劑量率照射下,劑量-效應關系模式,(1)有閾 ，低

48、于此閾值觀察不到短期效應。 (2)高于該閾劑量時損害的嚴重程度，包括組 織恢復能力的損害隨劑量而增加。,（2）確定性效應,確定性效應特點 :,在吸收劑量低于約100mGy的范圍內（低LET 或高LET），組織不會在臨床上顯示出功能 損傷。 不同器官和組織劑量閾值不一致。,圖 組織反應（確定性效應）發(fā)生概率、嚴重程度與劑量的關系曲線圖 上圖：一個由不同放射敏感個體組成的人群的發(fā)生率呈S形曲線增加； 下圖：三類不同放射敏感性人群的劑量嚴重程度關系曲線 來源：ICRP103號出版物,確定效應和隨機效應區(qū)別,隨機性效應（白血病，等）,確定效應（掉頭發(fā)，白內障，等）,（3）胚胎和胎兒的輻射效應,ICRP

49、103最新結論： 在胚胎發(fā)育植入前期，在劑量低于100mGy的情況下，輻射致死效應很少見； 宮內輻射敏感性與妊娠齡有關，在主要器官形成期敏感性最高。遠低于100mGy的宮內照射，預計不會產生畸形危險； 低于100mGy宮內劑量對IQ產生的任何效應都是無實際意義的； 謹慎假定，宮內照射的終生癌癥危險將于童年早期受照的終生癌癥危險相同，即最多為全部人群的3倍。,（4）非癌癥疾病,非癌癥疾?。荷胁淮_定！ 統計學數據： 日本原爆幸存者1968年以后隨訪的死亡率分析，有效劑量在1Sv左右誘發(fā)非癌癥（心臟病、中風、消化疾病和呼吸疾?。┌l(fā)病率增加。 高劑量放療病人研究。 ICRP：現有的資料不能用于輻射劑量

50、低于大約100mSv情況下的危害估計； UNSCEAR（2008）：很少有證據證明低于1Gy時危險有任何增加。,輻 射 的 人 體 效 應,眼晶體的輻射效應,胚胎的輻射效應,性腺的輻射效應,血液的輻射效應,遺傳效應,致癌效應,確定性效應,隨機性效應,急性放射病,皮膚的輻射效應,一些確定性效應閾值-1,一些確定性效應閾值-2,不同種類確定性效應的劑量閾值,確定性效應閾值,3.影響輻射生物學作用的因素,（1）物理因素,輻射品質：不同種類和不同能量的射線有不同的生物效應。 傳能線密度LET（linear energy transfer）：單位長度上發(fā)生的能量轉移。 高LET輻射（high LET r

51、adiation）：直接產生的或通過次級帶電粒子產生的各電離事件之間的距離以細胞核的尺度衡量比較小的輻射。一般指快中子、質子和粒子等。,低LET輻射（low LET radiation）：直接產生的或通過次級帶電粒子產生的各電離事件之間的距離以細胞核的尺度衡量比較大的輻射。一般指X、輻射等。 一般說來，高LET輻射(n，)的生物效應比低LET輻射 (X，)的更為明顯或嚴重。,輻射劑量：劑量效應關系中的決定因素。,劑量率：劑量率越高，輻射效應越顯著 劑量率在0.1Gy/h到1Gy/min之間這種關系明顯。,X射線及中子輻照后的存活曲線,AX射線，0.01Gymin-1 BX射線，1.0Gymin

52、-1 C中子，0.01Gymin-1 D中子，1.0Gymin-1,照射部位和面積,輻射損傷與受照部位及受照面積密切相關。這是因為與各部位對應的器官對輻射的敏感性不同；另一方面，不同器官受損傷后對整個人體帶來的影響也不盡相同。例如，全身受到射線照射時可能發(fā)生重度的骨髓型急性放射??；而以同樣劑量照射人體的某些局部部位，可能不會出現明顯的臨床癥狀。照射劑量相同，受照面積愈大，產生的效應也愈嚴重。,照射的幾何條件,外照射情況下，人體內的劑量分 布受到入射輻射的角分布、空間分布 以及輻射能譜的影響，并且還與人體 受照時的姿勢及其在輻射場內的取向 有關。因此，不同的照射條件所造成 的生物效應往往會有很大

53、的差別。,（2）生物因素,不同生物種系對輻射的敏感性不同,胚胎不同發(fā)育階段，2Gy X射線照射下死胎或畸形的發(fā)生率,不同年齡對輻射的敏感性不同,不同組織或器官對輻射的敏感性 不同,高度敏感: 淋巴組織、 胸腺、骨髓、性腺、 胚胎腸胃上皮 中度敏感: 感覺器官、內皮細胞、皮膚上 皮、唾液腺、腎、肝等 輕度敏感: 中樞神經系統、內分泌腺、心臟 不敏感: 肌肉組織、軟骨組織、結締組織,國際輻射單位與測量委員會,ICRU 成立于1925 年 ICRU 10a輻射量和單位（1962）(已過時) ICRU 11 輻射量和單位（1968）(已過時) ICRU 19 輻射量和單位（1971）(已過時) ICR

54、U 33 輻射量和單位（1980）(已過時) ICRU 51 輻射防護劑量學中的量和單位1993 ICRU 60 電離輻射的基本量和單位1998,五、輻射防護的量,（1）放射計量學量,共16個 標量的放射計量學量： 粒子數， 輻射能， 粒子通量， 能通量， 注量， 能注量， 注量率， 能注量率， 粒子輻射度， 能量輻射度 矢量的放射計量學量： 矢量的粒子輻射度， 矢量的能量輻射度， 矢量的注量率， 矢量的能注量率， 矢量的注量， 矢量的能注量,1.電離輻射基本量及其單位,（2）相互作用系數與相關量,共7個 截面 質能轉移系數 質量減弱系數 質量阻止本領 輻射化學產額 傳能線密度 氣體中每形成一

55、對離子所消耗的 平均能量,（3）劑量學量,共12 個 比釋動能 比釋動能率 照射量（率） 比轉換能率,沉積能 授予能 線能 比(授予)能 吸收劑量（率）,（4）放射性活度,3 個劑量學量 衰變常數 = dP / dt ( s-1 ) 活度 A = dN / dt ( s-1，Bq . ) 空氣比釋動能率常數: = r2K / A ( m2GyBq-1s-1),劑量：醫(yī)學專用術語，指藥物治療時需要掌握的用藥量。正是作為將物理測量和輻射生物效應聯系起來的一個物理量而被引入的。,能量沉積是一個隨機的過程,單位：J,平均授予能：,1. 授予能,（1）吸收劑量,2.常用輻射劑量學的量,輻射劑量學中常用的

56、有三個基本輻射量：吸收劑量D、比釋動能K、照射量X。,電離輻射授與某一體積元中物質的平均能量除以該體積元中物質的質量的商,定義：,SI單位：戈瑞，1Gy1J/kg,吸收劑量 D,（歷史上曾使用的單位：拉德，1rad0.01Gy）,吸收劑量D應用條件,針對“點”的概念； 對所有射線適用； 所有受照物適用。,吸收劑量率,SI單位：戈瑞/秒，Gy/s,某一時間間隔內吸收劑量的 增量除以該時間間隔的商。,定義：,間接電離粒子的能量沉積過程：,間接帶電粒子,帶電粒子,帶電粒子,物質,（比釋動能）,（吸收劑量）,1. 簡介,（2）比釋動能,（Kerma，kinetic energy in material

57、）,定義：,間接帶電粒子在體積元內產生的所有帶電粒子的初始動能的和除以物質質量的商。,2. 比釋動能K,SI單位：戈瑞，1Gy1J/kg,（歷史上曾使用的單位：拉德，1rad0.01Gy）,對不帶電粒子適用 ； 適用于所有介質 ； 針對“點”的概念 。,比釋動能K的使用條件,比釋動能率,定義：,某一時間間隔內比釋動能的增量除以該時間間隔的商。,SI單位：戈瑞/秒，Gy/s,1. 照射量,定義：,X、射線，在空氣中，單位體積元內產生的全部電子均被阻留在空氣中時，形成的總電荷除以該體積元空氣質量。,式中：,dQ在一個體積元的空氣中，產生的一種符號的離子總電荷的絕對值； dm體積元內空氣的質量。,照射量SI單位：C / kg 庫倫 / 千克,（3）照射量,2.照射量率,SI單位：C / Kg .s , R/s 等,次級電子在體積以內和以外的空氣中走完它們的路程時，總共產生的電離電荷； 只適用于X、射線； 只對空氣； 測量時必須滿足電子平衡； 不能作為劑量的單位，歷史誤會。,概念理解：,照射量率：,（4） 吸收劑量、比釋動能和 照射量的區(qū)別,吸收劑量、比釋動能和照射量的區(qū)別,一、與個體相關的輻射量,式中：,WR輻射權重因子； DT,R器官