辐射安全与防护基础知识(核工业党校)

1、辐射安全培训辐射安全培训 辐射安全与防护基础知识辐射安全与防护基础知识 中国原子能科学研究院中国原子能科学研究院 肖雪夫肖雪夫 tel:o) ,手机手机) email: xiaoxue9420_ 目目 录录 1 原子与原子核原子与原子核 2 电离辐射场与放射性电离辐射场与放射性 3 电离辐射与物质的相互作用电离辐射与物质的相互作用 4 辐射防护及其量与单位辐射防护及其量与单位 1 原子与原子核 “原子”源自希腊文，意思是“不可分割 的”。按照现代的观点，原子仅作为物质结构 的一个层次。研究原子的组成、组成物的运动 规律及其相互作用的规律，其

2、表征量为物质的 物理、化学性质和光谱特性。 “原子核”则是研究物质结构的另一个更 深的层次，研究原子核的组成、性质、核力、 核模型、核的蜕变及核能的利用等，其表征为 原子核的放射性。 元素的表示元素的表示 x z 原子序数 化学符号 每一个原子隶属于 某一种元素，例如： 原子属于氢元素， 在元素周期表中为1 号元素，一般表示 为 ； 元素的原子量是该 元素各原子的原子 质量的加权平均值。 对 ：a=1.008u h 1 h h 地球上三分之一的智慧地球上三分之一的智慧 (1) (1) 电子的发现电子的发现 j.j.汤姆逊1897年， 利用阴极射线管发现电 子，成为人类向原子世 界进军的里程碑。

3、 电子电荷为基本电荷： 电子质量：为氢原子 质量的1/1837，即 1.1 1.1 原子结构模型原子结构模型 ce 19 10602. 1 gme 28 101094. 9 (2) (2) 原子的汤姆逊模型原子的汤姆逊模型 由于原子呈电中性，及气体 原子的电离现象，1903年，汤 姆逊提出了新的原子构造模型： 原子是一个半径大约为10-8 厘米 的球体，正电荷均匀地分布于 整个球体，电子则稀疏地嵌在 球体中，这是一个类似葡萄干 面包的原子模型。 (3)原子的核式模型 19081908年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖 1909年卢瑟福散射试验，1911 年提出原子的核式模型。 卢瑟福散射实验结论：

4、正电荷集中在原子的中心，即原子核； 线度为1012 10-13 cm量级，为原子的104 量级； 质量为整个原子的99.9%以上； 从此建立了原子的有核模型。 原子的电中性，要求： 原子核所带电量与核外电子电量相等， 核电荷与核外电子电荷符号相反。 即：核电荷ze，核外电子电荷ze。 原子核 中子 质子 电子 (电子云) + + + 中子发现后，海森堡 (w.heisenberg)很快提出：原子核 由质子和中子组成，并得到实验支 持。中子和质子统称为核子。 中子不带电。质子带正电，电量 为e。电荷数为 的原子核含有 个质子。 因量子力学方面因量子力学方面 贡献，获贡献，获19321932年年

5、诺贝尔物理奖。诺贝尔物理奖。 1.2 原子核的组成 1932年查德威克(j. chadwick) 发现中子。(据此获1935年诺贝尔 物理学奖) zz z 235 235u u原子核裂变 原子核裂变模模 型型 光量子光量子 1kg tnt爆炸释能：爆炸释能： 4.2106 焦耳焦耳(j) 1kg 235u全部裂变释能全部裂变释能： 8.2 1013 焦耳焦耳(j) 其威力约为其威力约为2万吨万吨tnt(相当于相当于tnt的的2 106 倍倍) e : (w/ma) na200mev= (1000/235) 6.023 1023 200 = 5.126 1026 mev (1mev=1.6 10

6、-13 j) = 8.2 1013 j 1kg 3t完全燃烧完全燃烧(聚变聚变)释能：释能： 7.38 1014 焦耳焦耳 (j) 其威力约为其威力约为18万吨万吨 tnt(相当于相当于tnt的的1.8108 倍倍) 235 235u u原子核裂变的释能计算 原子核裂变的释能计算 图1.6-1 核燃料循环示意图 z a n x 原子核的表示原子核的表示 z a n x 核子数核子数 质子数质子数 中子数中子数 元素符号元素符号 例如： ooo 18 8 17 8 16 8 , ooo 181716 , 为三个核素，可 表示为 1.3 原子核物理常用术语及意义 (1) 核素（nuclide） 具

7、有一定数目的中子和质子以及特定能态的一种 原子核或原子称为核素。 核子数、中子数、质子数和能态只要有一个不同， 就是不同的核素。 n a z x 12 66 c 12 6 c 12 c tl 208 86 pb 208 82 两种核素，a同，z、n不同。 sr 90 38 y 91 39 两种核素，n同，a、z不同。 60co58co 两种核素，z同，a、n不同。 60co60m co 两种核素，a、z、n同，能态不同。 某元素中各同位素天然含量的原子数百分比称为 同位素丰度。 具有相同原子序数但质量数不同的核素称为某元素 的同位素。(即z相同，n不同，在元素周期表中处于 同一个位置，具有基本

8、相同化学性质。) (2) (2) 同位素（isotope）和同位素丰度 235 92u 238 92u 铀的二种同位素。 1 1 h 2 1 h 3 1 h 氢的三种同位素； 16o17o18o 99.756%、0.039%、0.205% 1 1 h 2 1 h 99.985%、0.015% 235 92u 238 92u 0.724%、99.276% 1 1 h 2 1 h 99.985%、0.015% (3) 稳定核素和放射性同位素 其中，稳定同位素为： h 3 而 为放射性同位素，具有 放射性， 放出最大能量为18kev的 射线，其半 衰期 。 它的产生是宇宙射线与空气中的n和o 发生核

9、反应，称为宇生放射性。 h,h,h 3 1 2 1 1 1 氢的三种同位素具有相同的化 学性质，但其放射性却不同。 at3 .12 21 (4) 核素和核素图 根据原子核的稳定性, 可以把核素分为稳定 的核素和不稳定的放射性核素。原子核的稳定 性与核内质子数和中子数之间的比例存在着密 切的关系。 我们可以把核素排 在一张所谓核素图上。 核素图共包含2000 个核素,其中天然存在 332个核素(280为稳定 核素),人工放射性 核素1600多个。 (5) 人工放射性核素是指非天然和自然界的因 素生成的放射性核素，而是在反应堆或加速 器所生成。同位素技术中应用最广泛的放射 源-钴源（ ）就是在反应

10、堆中生成。 将金属钴，即 ，其丰度， 放在反应堆孔道内，利用中子照射， 发生如下核反应： 工业上应用于食品和医疗器具的杀菌、消 毒的钴源（），其活度达几十万至百万 居里（）。 co 60 co 59 %100 co 59 conco 6059 , co 60 ci 2 电离辐射场与放射性电离辐射场与放射性 2.1 2.1 电离辐射和非电离辐射电离辐射和非电离辐射 电离电离 从原子、分子或其他束缚态中释放出电从原子、分子或其他束缚态中释放出电 子的过程（子的过程（ionization） 电离辐射电离辐射 能够引起电离的带电粒子和不带电能够引起电离的带电粒子和不带电 粒子（粒子（ionizing

11、radiation） 原子释放一个价电子需要能量原子释放一个价电子需要能量 425ev 将能量大于将能量大于10ev的光子视为的光子视为电离辐射电离辐射； 而将能量小于而将能量小于10ev的光子称为的光子称为非电离辐射非电离辐射。 直接电离辐射和间接电离辐射直接电离辐射和间接电离辐射 直接直接电离辐射电离辐射 快带电粒子穿过物质时，通过库快带电粒子穿过物质时，通过库 伦相互作用直接在物质中沉积能量并引起电离。伦相互作用直接在物质中沉积能量并引起电离。 这种通过初级过程引起电离的粒子称为直接电这种通过初级过程引起电离的粒子称为直接电 离辐射。离辐射。 间接间接电离辐射电离辐射 不带电粒子（例如光

12、子和中子）不带电粒子（例如光子和中子） 穿过物质时，首先将能量转移给带电粒子，随穿过物质时，首先将能量转移给带电粒子，随 后这些次级快带电粒子再沉积能量和引起电离。后这些次级快带电粒子再沉积能量和引起电离。 这种通过次级过程引起电离的不带电粒子称为这种通过次级过程引起电离的不带电粒子称为 间接电离辐射。间接电离辐射。 2.2 放射性-原子核的蜕变 1896年，becquerel（获 1903年诺贝尔物理奖）在 铀盐中发现放射性。 原子核的蜕变包括原子 核的衰变、核反应和核裂 变等过程，在这些过程中 均会产生放射性。 重点重点阐述核衰变过程。 所谓核衰变核衰变就是不稳定的 原子核自发的发射粒子而

13、 蜕变为新的子核。 2.2.1 核衰变主要的类型核衰变主要的类型: , , 衰变衰变 type of radiation charge/masspenetration 粒子（氦核）粒子（氦核） +2q/4mp 空气（空气（几几cm） 电子或正电子电子或正电子 q/me or +q/me 几几 mm铝片铝片 光子光子 no charge 几几mmcm铅铅 此外，还有中子发射、质子发射、裂变等 heyx a z a z 4 2 4 2 1 eyx a z a z eyx a z a z1 1 yex a z a z 衰变 衰变 衰变（丰中子核发生） 衰变（欠中子核） 轨道电子俘获（欠 中子核） 跃

14、迁：高激发态到低激发态或基态的跃迁。 2.2.2 , , 衰变的过程： (1) 衰变衰变 alpha decay 重原子核：重原子核：a 170 典型例子：典型例子：u-235、pu-239 原子核能级：基态、激发态原子核能级：基态、激发态 q mm m e qheyx a z a z 4 2 4 2 射射 线线 的的 产产 生生 模模 型型 衰衰 变变 模模 型型 示示 意意 图图 (2) 衰变衰变 beta decay ：中微子：中微子(neutrino)/(antineutrino)反中微子反中微子 -衰变衰变 +衰变衰变 e-俘获俘获 qkk a z a z 1 qkek a z a

15、z 1 qkk a z a z 1 +衰变衰变 - 衰衰 变变 模模 型型 + + 衰衰 变变 模模 型型 粒粒 子子 能能 量量 分分 布布 wmean =1/3 wmax 电子俘获电子俘获 电子俘获是质子转变为中子的第电子俘获是质子转变为中子的第 二种可能性二种可能性 被俘获的内层电子在内层轨道上被俘获的内层电子在内层轨道上 留下的空缺将被外层电子填充，留下的空缺将被外层电子填充， 因此，电子俘获过程伴随有因此，电子俘获过程伴随有特征特征 x射线射线。 电电 子子 俘俘 获获 模模 型型 光量子光量子 (3) 辐射辐射 gamma radiation 处于处于激发态激发态的原子核通过发射电

16、磁辐的原子核通过发射电磁辐 射释放激发能射释放激发能 通过通过量子跃迁量子跃迁使核能级到达较低的能使核能级到达较低的能 级，释放的级，释放的 辐射呈分离的能谱分布辐射呈分离的能谱分布 内转换内转换过程：激发能转移给轨道电子，过程：激发能转移给轨道电子， 轨道电子接受的动能为：轨道电子接受的动能为： ,.,lke bee 射射 线线 产产 生生 模模 型型 光量子光量子 辐射放射性核素特性辐射放射性核素特性 (4)(4) 质质 子子 射射 线线 的的 产产 生生 模模 型型 19191919年卢瑟福年卢瑟福 实验实验 人类第一次观人类第一次观 测到人为核转测到人为核转 变过程变过程 (5)(5)

17、 中中 子子 射射 线线 的的 产产 生生 模模 型型 光量子光量子 2.3 2.3 放射性衰变基本规律放射性衰变基本规律 由于微观世界的统计性，不能预测某一原 子核的衰变时刻，但可以统计得到放射源中 总的放射性原子核数目的减少规律；具体到 每个放射性原子核的衰变来说，就是服从一 定规律进行衰变的一个随机事件，可以用衰 变概率表示。 2.3.1 单一放射性的指数衰减规律 222rn的衰变曲线 实验发现，放射性核素 放出一个粒子， 变成 ，而 的数目每3.825天减少一半。 rn 222 86 po 218 84 rn 222 86 由统计性，以放射源总体考虑衰减规律： 设：t 时刻放射性原子核

18、的数目为n(t)， 求解 t t+dt 内发生的核衰变数目-dn(t)， 它应该正比于n(t) 和时间间隔dt ， dttntdn 于是有： 0lnlnnttn n(t) = n(0) e -t tn dttdn/ )( (1) 衰变常数 分子表示：t 时刻单位时 间内发生衰变的核数目， 称为，记作 tj t 时刻放射性原子核 衰变常数：一个原子核在单位时间内发生 衰变的概率。 2.3.2 放射性核素的特征量 量纲为：量纲为：t-1,如1/s，1/h，1/d，1/a b. 当一个原子核有几种衰变方式时： i i a. 衰变率： )( )0()( tn dt end dt tdn tj t 定义

19、分支比： / ii r (2) (2) 放射性半衰期放射性半衰期 t1/2 放射性放射性半衰期：放射性核数衰变一半所 需的时间，记为 t1/2 。 即： )0( 2 1 0 2 1 2 1 nentn t 2 1 2 1 t e 12 ln6 320. 9 t 量纲为：t,如s秒，h小时，d天，a年 放放 射射 性性 核核 素素 的的 半半 衰衰 期期 示示 意意 图图 光量子光量子 (1) 放射性活度 (activity) 即： )( )()( 0 0 tnen dt end dt tdn a t t 定义： 00 an 则： t eaa 0 定义：一个放射源在单位时间内发生衰变的原 子核数

20、。以a表示，表征放射源的强弱。 2.4 放射性活度及其单位 放射源发出放射性粒子的多少，不仅与核衰 变数有关，而且和核衰变的具体情况直接相关。 一般情况，核衰变数不等于发出粒子数。 射线强度：单位时间内放出某种射线的个数。 (2) 放射性活度单位 常用单位(ci)： 法定计量单位为(bq)： 10 1ci3.7 10/次核衰变 秒 较小的单位还有毫居(mci)和微居(ci) 秒秒次核衰变次核衰变 /1bq1 10 1ci3.7 10 bq 射线，指的是如x射线、射线、射 线、射线等，本质都是辐射粒子，又称 辐射。 射线与物质相互作用是辐射探测的 基础，也是认识微观世界的基本手段。 本课程讨论对

21、象为致电离辐射，辐射 能量大于10ev。即可使探测介质的原子发 生电离的能量。 3 电离辐射与物质相互作用 带电粒子辐射带电粒子辐射不带电辐射不带电辐射 重带电粒子重带电粒子 中子中子 快电子快电子 x-射线射线 和和 -射线射线 ftdp, e 射线与物质相互作用的分类 (1) 带电粒子能量损失方式之一-电离损失 入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库 仑作用，使电子获得能量而引起原子的电离或 激发。 电离核外层电子克服束 缚成为自由电子，原子成为 正离子。 激发使核外层电子由低能级 跃迁到高能级而使原子处于激发 状态，退激发光。 3.1 带电粒子与物质相互作用 粒子与物质的作用：电离粒子与物

22、质的作用：电离 粒子与物质作用：激发粒子与物质作用：激发 （2）带电粒子能量损失方式之二-辐射损失 入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用， 使入射带电粒子的速度和方向发生变化，伴随 着发射电磁辐射轫致辐射( (bremsstrahlung)。它 是x射线的一种，具有连续的能量分布。 轫致辐射过程图示轫致辐射过程图示 （3）能量损失率-入射带电粒子在物质中经 过单位路程上损失的能量，又称阻止本领 其中其中 为为电离损失率电离损失率； 为为辐射损失率辐射损失率。 dxdes radion radion dx de dx de sss ion s rad s 电离损失率电离损失率 式中 为入射带电粒

23、子的电荷数和速度； 为靶 物质原子的原子序数和单位体积中包含的原子数。 主要关系： ； 可见，对电子而言，在相近能量下，其速度远大 于重带电粒子，所以，电子是弱电离粒子。对1mev1mev 的粒子和电子的比电离密度分别为6.46.410104 4 离子对离子对 /cm/cm和 45 离子对/cm（对标准状态空气而言）。 nz v z dx de s ion ion 2 2 vz, nz, evsion11 2 2 zsion nzsion / /700 rad ion de dx e z de dx 对电子而言，能量损失率是两种能量损 失率之和，两者之比为： e的单位为的单位为mev 一般情况

24、下所涉及电子的能量e 一般不 超过几个mev，所以，辐射能量损失只有 在高原子序数(大z)的吸收材料中才是重要 的。 小结：重带电粒子与物质相互作用的特点 重带电粒子均为带正电荷的离子； 重带电粒子主要通过电离损失而损失能 量，同时使介质原子电离或激发； 重带电粒子在介质中的运动径迹近似为 直线。 电子与物质相互作用的特点：电子与物质相互作用的特点： 电子除电离损失外，辐射损失不可忽略； 高速电子散射严重,甚至发生反散射。 （4）带电粒子在物质中的射程 射程射程( (range) )的定义：带电粒子的定义：带电粒子沿入射方向沿入射方向所所 行径的行径的最大距离最大距离，称为入射粒子，称为入射粒

25、子在该物质中在该物质中的的射程射程 r。入射粒子在物质中行径的入射粒子在物质中行径的实际轨迹的长度实际轨迹的长度称作称作 路程路程( (path) )。 重带电粒子重带电粒子的的质量大质量大，与物质原子相互作用时，与物质原子相互作用时， 其其运动方向几乎不变运动方向几乎不变。因此，。因此，重带电粒子的射程与其重带电粒子的射程与其 路程相近路程相近。 粒子射程 探测器探测器 源源 0 / ii 1 5 . 0t m re r t 平均射程平均射程外推射程外推射程 入射粒子能量高，其射程长；反之则短。 0 i i 粒子在空气中的射程 )(318. 0 5 . 1 0 cmer e为粒子能量，单位为

26、mev。 公式适用范围： mev73 对 放射源发射的 粒子，po 210 meve304. 5 在空气中的射程 ； 在肌肉内的射程 。 cmr88. 3 0 mr8 .24 两种粒子在同种介质中两种粒子在同种介质中: r1/r2 = (m1/m2)(z2/z1)2 同种粒子在不同介质中同种粒子在不同介质中: ra/rb = (z/ma)b/(z/ma)a (b/a) n m eer412)( enln0954. 0265. 1 mevemev101. 0 mevemev201 106530)(eerm 电子射程 单能电子在吸收介质中的射程rm(mg/cm2)与其能 量e(mev)之间的关系：

27、 经验公式(al中)： sr 90 例 发出的 在铝中的射程： meve83. 2 max cmr51. 0 max (5) 正电子的湮没 正电子与物质发生相互作用的能量损失机 制即电离损失和辐射损失与电子相同。但不 同点在于： 高速正电子进入物质后迅速被慢化，然后在 正电子径迹的末端，即停下来的瞬间与介质中 的电子发生湮没，放出光子； 或者，它与介 质中的一个电子结合成正电子素，即电子 正电子对的束缚态，然后再湮没，放出光子。 正电子湮没放出光子的过程称为正电子湮没正电子湮没， 放出的光子称为湮没光子湮没光子 。 从能量守恒出发：在发生湮没时，正、负电 子的动能为零，所以，两个湮没光子的总能

28、量 应等于正、负电子的静止质量。即： 22 21 cmcmhh ee 从动量守恒出发：湮没前正、负电子的总动 量为零，则，湮没后两个湮没光子的总动量也 应为零。即： c h c h 21 因此，两个湮没光子的能量相同，各等于 0.511mev。 mevcmhh e 511. 0 2 21 而两个 湮没光 子的发 射方向 相反， 且发射 是各向 同性的。 射线与 射线的本质电磁辐射 x 特征射线： 湮没辐射： 核能级跃迁 正电子湮没产生 meve511. 0 特征x射线： 原子能级跃迁 轫致辐射： 带电粒子速度或运动 方向改变产生 3.2 射线与物质相互作用 x 射线与物质相互作用特点： 光子是

29、通过次级效应(一种“单次性”的 随机事件)与物质的原子或原子核外电子作用， 一旦光子与物质发生作用，光子或者消失或者 受到散射而损失能量，同时产生次级电子； 次级效应主要的方式有三种，即光电效光电效 应应、康普顿效应康普顿效应和电子对效应电子对效应。 射线与物质发生不同的相互作用都具有 一定的概率，仍用截面这个物理量来表示作用 概率的大小。而且，总截面等于各作用截面之 和，即： pcph 总截面总截面 光电效应截面光电效应截面 康普顿效应截面康普顿效应截面 电子对效应截面电子对效应截面 关于截面的概念： 射线与物质发生上述三种相互作用 都具有一定概率，用截面这个物理量来 表示作用概率的大小。

30、截面 的定义：一个入射光子与单位 面积一个原子发生作用的概率，其量纲为面 积，常用单位为“巴（b）” 228224 1011011mcmb （1）光电效应光电效应： 光子与原子中的一个束缚电子作用，把能 量全部交给电子，使电子从原子中发射出来， 称为光电子，光子消失。 光电子能量 其中， 为 层电子的 结合能，主要是k层电子。 ie bhe i b i 光光 电电 效效 应应 光电子的能量光电子的能量 ire eehv 由能量守恒： hhve ie ie e 因此，光电子能量为： 光电效应是光子与原子整体的相互作用，而不 是与自由电子的相互作用。否则不能同时满足 能量和动量守恒。 （2 2）康

31、普顿效应）康普顿效应 光子核外层电子的非弹性碰撞。光子的 一部分能量交给电子，使 电子从原子中发射出来， 光子的能量和方向发生 改变。 为散射角； 为反冲角。 反冲电子能量： 与 有关，且呈连续能量分布。 cos1 cos1 2 0 2 hcm h ee 康康 普普 顿顿 效效 应应 过过 程程 图图 示示 康康 普普 顿顿 散散 射射 图图 示示 动量守恒、能量守恒动量守恒、能量守恒 量子同处于静止状态的自由电子发生相量子同处于静止状态的自由电子发生相 互作用，也称为互作用，也称为康普顿效应康普顿效应 （3 3）电子对生成效应：）电子对生成效应： 光子从原子核旁经过，在核的库仑场 作用下，光

32、子转化成为正负电子对。 正负电子对的能量： 所以，只有当 射线 能量大于 才可能发生电子对效应。 2 0 2cmhee ee mevcm022. 12 2 0 电电 子子 对对 湮湮 没没 过过 程程 图图 示示 （4）三种效应的相互关系 对于低能射线和原子序数高的吸收物质，光电效应 占优势； 对于中能射线和原子序数低的吸收物质，康普顿效 应占优势； 对于高能射线和原子序数高的吸收物质，电子对效 应占优势。 （5）物质对射线的吸收 窄束射线强度的衰减规律 为光子与吸收物质作用的截面； n为吸收物质单位体积的原子数； i0为射线入射强度； d为吸收物质厚度。 0 i d i d xdx 对上面的

33、方程积分： 0 (0)i xi 在xx+dx层内单位时间光子数的变化为： diindx 等于在该层物质内单位时间发生的作用数。 0 ( ) nx i xi e 光子束通过物质时 的强度为： 0 d d ii e 其中：n 0 ( ) x i xi e 为线衰减系数又称为宏 观截面 当介质厚度为d: 可以证明可以证明 ，又称，又称宏观截面宏观截面n a n n a 1 cm 线衰减系数线衰减系数 的物理意义为的物理意义为 ： 射线单位厚度物质时发生相互作用的几率射线单位厚度物质时发生相互作用的几率。 pcph 质量衰减系数 ： a n a m g cm 2 相应质量厚度表示为： xxm 2 cm

34、 g 质量衰减系数与 即物质状态无关。 0 () mm x m i xi e 用质量厚度表示的优点是便于测量。得到 吸收规律的另一种更常用的表达式： m 与带电粒子不同， 射线没有射程的概念。窄束 射线强度衰减服从指数衰减规律，只有吸收系数及相应 的半吸收厚度的概念。 半值层（半值层（hvl , 1/2 ）d1/2：光子注量率减弱到入射注量光子注量率减弱到入射注量 率一半时的介质厚度，即：率一半时的介质厚度，即： 693. 0 2/1 d 非窄束射线强度的衰减规律 称为积累因子。 x eiexbxi 0 , exb, 积累因子b是为了考虑散射伽玛的影响而引入 的参数。 积累因子b1；与e、入射

35、角度、材料性质(/)、 材料厚度d等有关；可通过查表或经验公式(如， taylor 公式和berger公式等)计算获得。 3.3 中子及其与物质相互作用 （1）中子的分类及性质 中能中子 慢中子：包括冷中子、热中子、 超热中子、共振中子。 快中子： 特快中子 热中子：与吸收物质原子处于热平衡状态， 能量为0.0253ev，中子速度2.2103m/s. a) 241am-be中子源。 属于(,n)型中子源。由241am放射源放出的粒 子，打在be上发生反应，产生中子。 性能：中子产额2.2106/sci t1/2433年；年； 同位素中子源 ncbe 129 中子能量为中子能量为0.111.2m

36、ev，平均，平均5mev； n/ 比比(中子中子 强度比强度比)为为10:1； b) (,n)型中子源。 利用(,n)反应获得中子。 优点：中子能量单一； 缺点：中子产额低，装置体积大。 c) 自发裂变中子源 自发裂变中子源为超铀元素。以252cf (锎)最 常用。1克252cf 发射中子率为2.311013个中子。 半衰期：t1/2(自发裂变)85.5a，t1/2(衰变) 2.64a。中子平均能量为2.2mev。 加速器中子源 可以在相当宽的能区内获得单能中子源。 主要反应主要反应： 对放能反应，如2h(d,n)3he，3h(d,n)4he，当入射氘 核能量不高时( td 200kev )，

37、反应就可以有效进行， 当90时，就可得到能量分别为2.5mev和14mev 的单能中子。 hendh 32 ),(mevq269. 3 meve n 5 . 2 hendh 43 ),(mevq59.17 meven14 反应堆中子源 宽中子能量：0.001ev十几十几mev 高中子通量： 21610 /1010cms （3）中子与物质的相互作用 a) 弹性散射 (n,n) 2 2 2 2 2 2 sincos )( m m mm m tt nn 中子与物质的相互作用实质上是中子与物质 的靶核的相互作用。 中子的散射 出射粒子仍为中子、剩余核仍为靶核。 出射中子的动能： 反冲核的动能： 2 2

38、 cos )( 4 nm t mm mm t b) 非弹性散射 (n,n) 入射中子的能量损失不仅使靶核得到反冲， 且使靶核处于激发态。处于激发态的靶核退激 时放出一个或几个特征光子，在核分析技术中 有重要的应用。 当反冲核为质子(氢核)时，mm，上式变为： 当 = 0 时，反冲质子能量最大，tp = tn 2 cos np tt 中子的俘获 a) 中子的辐射俘获 (n, ) 中子射入靶核后与靶核形成一个复合核，而后复合 核通过发射一个或几个特征光子跃迁到基态。这些特 征 光子不同于 (n,n ) 的特征 光子。由于这些 光 子的发射与复合核的寿命相关，一般很快，故称为 “中子感生瞬发射线”，

39、同样在核分析技术中有重要 的应用。 当发生(n, )反应后，新形成的核素是放射性的，就是 常说的“活化”，测量活化核素的放射性可以用来测量 中子流的注量率区分中子的能量范围。 b) 发射带电粒子的中子核反应 如(n,)，(n,p)等，这些反应在中子探测中 应用很多，成为探测中子的主要手段。 如(n,2n)，(n,np)等，这些反应的阈能较高， 在810mev以上，只有特快中子才能发生。 c) 裂变反应 (n,f) d) 多粒子发射 1885年发现年发现x射线射线伦琴伦琴 1886年首次发现年首次发现(从沥青中提炼从沥青中提炼) 天然放射性镭（天然放射性镭（ra)居里夫人居里夫人 不久发现它能引

40、起皮肤烧伤不久发现它能引起皮肤烧伤,使人和动物患眼病使人和动物患眼病,毛发毛发 脱落脱落,白细胞减少等机体损伤白细胞减少等机体损伤 4 辐射防护及其量与单位辐射防护及其量与单位 1913年国家级防护组织最早出现 1928年第二次国际放射学大会上决定成立国 际放射防护委员会（当时名称：“国际国际x射线和镭射线和镭 防护委员会防护委员会”） 1950年它进行了改组，并改名为目前名称： 国际放射防护委员会国际放射防护委员会 icrp （international commission on radiological protection ） 4.1 辐射防护标准的历史发展辐射防护标准的历史发展 最早

41、的防护标准最早的防护标准”红斑剂量红斑剂量”约约600伦伦(琴琴) 1925年首次提出年首次提出”耐受剂量耐受剂量” ”红斑剂量红斑剂量”的的1/100, 约约 0.2伦伦/天天 1934年国际年国际x射线与镭防护委员会射线与镭防护委员会(icrp的前身的前身)、正式规定、正式规定 当量辐射的耐受剂量为当量辐射的耐受剂量为0.2伦伦/天天 1950年改用最大容许剂量年改用最大容许剂量, 剂量标准降到剂量标准降到0.3伦伦/周周， (约约0.05 伦伦/天天) 1956年年,icrp 1号出版物号出版物, 将将0.3伦伦/周改为全身均匀照射的最周改为全身均匀照射的最 大容许剂量为大容许剂量为5雷

42、姆雷姆/年年, 并把关键器官分为四并把关键器官分为四 类类, 分别规定不同分别规定不同 器官的最大容许剂量值器官的最大容许剂量值, 沿用至沿用至1990年，我国至年，我国至2002年年 19771979年年, icrp 26号出版物号出版物, 提出了一些新概提出了一些新概 念念, 但年但年 剂量当量限值的数值未变剂量当量限值的数值未变, 仍为仍为50msv/a , 即即(5雷姆雷姆/年年) 1990年年, icrp 60号出版物号出版物, 又有了一些新的提法和概念又有了一些新的提法和概念, 全身全身 职业照射的年限值降为职业照射的年限值降为20msv/a 4.2 辐射防护中的常用量及单位辐射防

43、护中的常用量及单位 照射量照射量 x 比释动能比释动能 k 吸收剂量吸收剂量 d 器官或组织的当量剂量器官或组织的当量剂量 ht 组织权重因子和有效剂量组织权重因子和有效剂量 e 待积剂量待积剂量 ht()，e() 剂量负担剂量负担 hc,t，ec 集体剂量集体剂量 s 辐射防护的量与单位辐射防护的量与单位 照射量照射量(exposure) xdq除以除以dm而得到商，即：而得到商，即： x = dq/dm dq在质量为在质量为dm的一个体积元的空气中，当光子产的一个体积元的空气中，当光子产 生的全部电子生的全部电子(正、负电子正、负电子)均被阻留于空气中时均被阻留于空气中时,在空气在空气 中

44、所形成的一种符号的离子总电荷的绝对值。中所形成的一种符号的离子总电荷的绝对值。 si单位：单位： 库仑每千克库仑每千克(c/kg), 专用名称：伦琴专用名称：伦琴(r)； 1 r = 2.581010-4 -4 c/kg 注意：照射量是表示注意：照射量是表示x或或射线射线在在空气空气中产生电离大小中产生电离大小 的物理量。的物理量。 辐射防护的量与单位辐射防护的量与单位 比释动能比释动能(kerma) k间接电离粒子与物质相互作用间接电离粒子与物质相互作用 时，在时，在单位质量单位质量的物质中产生的的物质中产生的带电粒子的初始动能带电粒子的初始动能的的 总和总和，严格定义为：，严格定义为：比释

45、动能比释动能k是是detr除以除以dm而得的商而得的商， 即：即： k = detr / dm detr间接电离粒子在特定物质的体积元内，释放出的间接电离粒子在特定物质的体积元内，释放出的 所有带电粒子的初始动能的总和所有带电粒子的初始动能的总和(包括这些带电粒子在包括这些带电粒子在 韧致辐射过程中放出的能量，以及在这一体积元内发生韧致辐射过程中放出的能量，以及在这一体积元内发生 的次级过程中产生的任何次级带电粒子的能量，也包括的次级过程中产生的任何次级带电粒子的能量，也包括 俄歇电子的能量俄歇电子的能量)， si单位单位：焦尔焦尔(j)。 dm 所考虑的体积元内的物质质量，所考虑的体积元内的

46、物质质量，si单位单位:千克千克(kg)。 k的的si单位：单位： 焦尔每千克焦尔每千克(j/kg), 专用名称：戈瑞专用名称：戈瑞(gy)； 注意：在带电粒子平衡条件下，注意：在带电粒子平衡条件下，d=k。 辐射防护的量与单位辐射防护的量与单位 辐射防护的基本剂量学量辐射防护的基本剂量学量 吸收剂量吸收剂量(absorbed dose) d单位质量物质单位质量物质 内吸收的能量内吸收的能量, si单位单位: 焦耳每千克焦耳每千克(j/kg), 专用专用 名称戈瑞名称戈瑞(gy)； 旧名称旧名称拉德拉德(rad); 1 gy = 100 rad (尔格每克，尔格每克，erg/g) 按定义按定义

47、, d是表示一个点上的量是表示一个点上的量, 但现在但现在(icrp 60 号出版物号出版物)也用来指某一组织或器官内的平均剂也用来指某一组织或器官内的平均剂 量量 吸收剂量与照射量：吸收剂量与照射量：d(gy)= 8.7310-3 x(r) 辐射防护的量与单位辐射防护的量与单位 剂量当量与当量剂量剂量当量与当量剂量h icrp 26号出版物定义了剂量当量号出版物定义了剂量当量(dose equivalent): h=dq, 其中其中d为吸收剂量为吸收剂量, q为为辐射的品质因素辐射的品质因素 icrp 60号出版物定义了当量剂量号出版物定义了当量剂量(equivalent dose): ht

48、= wr dt,r , 其中其中dt,r是按组织或器官是按组织或器官t平均计算平均计算 的来自辐射的来自辐射r的吸收剂量的吸收剂量, wr是是辐射权重因子辐射权重因子 剂量当量与当量剂量的剂量当量与当量剂量的si单位单位均为均为: 焦耳每千克焦耳每千克(j/kg), 专用名称西弗专用名称西弗(西沃特西沃特, sv), 剂量当量的旧名称为剂量当量的旧名称为雷姆雷姆 (rem), 1 sv = 100 rem 辐射辐射r在器官或组织中产生的当量剂量在器官或组织中产生的当量剂量ht 器官或组织的当量剂量器官或组织的当量剂量ht wr 辐射辐射r的辐射权重因子的辐射权重因子 dt,r 辐射辐射r在器官

49、或组织在器官或组织t中产生的平均吸收剂量中产生的平均吸收剂量 si单位为单位为: 焦耳每千克焦耳每千克(j/kg)，专用名称西弗，专用名称西弗(西沃特西沃特, sv) r rtrt dwh , 随机性效应的发生概率依赖于辐射品质随机性效应的发生概率依赖于辐射品质，引入权引入权 重因子（重因子（wr）是对吸收剂量进行修正的一种方法）是对吸收剂量进行修正的一种方法。 辐射权重因子辐射权重因子 辐射生物学资料存在多种不确定性，采用以往的辐射生物学资料存在多种不确定性，采用以往的 品质因数（品质因数（ q ）对吸收剂量进行修正的做法在细节）对吸收剂量进行修正的做法在细节 和精密度上缺乏正当的理由。和精

50、密度上缺乏正当的理由。 品质品质 quality 辐射权重因子辐射权重因子wr 辐射类型辐射类型能量范围能量范围权重因子权重因子wr 光光 子子所有能量所有能量1 电子、电子、 介子介子所有能量所有能量1 中中 子子 10kev 10-100kev 100kev-2mev 2-20mev 20mev 5 10 20 10 5 质子（反冲质子除外）质子（反冲质子除外） 2mev 5 粒子粒子/裂变碎片裂变碎片/重核重核20 辐射防护的量与单位辐射防护的量与单位 表表1 辐射权重因子值辐射权重因子值wr与品质因子有效值与品质因子有效值q的近似值的近似值 种类和能量范围种类和能量范围 辐射权重因子辐

51、射权重因子 初级辐射种类初级辐射种类 q wr 近似值近似值 光子光子, 所有能量所有能量 1 x射线射线, 射线和电子射线和电子 1 电子及介子电子及介子,所有能量所有能量 1 中子中子, 能量能量 10kev 5 质子和静止质量大于质子和静止质量大于 10kev100 kev 10 1个原子个原子 ； 10 100kev2 mev 20 质量单位的单电荷质量单位的单电荷 2mev20mev 10 粒子粒子 20mev 5 质子质子,能量能量 2mev 5 中子中子, 粒子和多电荷粒子和多电荷 20 粒子粒子,裂变碎片裂变碎片,重核重核 20 粒子粒子 随机性效应的发生概率和当量剂量之间的关

52、系与随机性效应的发生概率和当量剂量之间的关系与 受照器官或组织相关。因此，为了表达受照器官或组织相关。因此，为了表达不同组织或不同组织或 器官受不同剂量照射时所产生的综合危害器官受不同剂量照射时所产生的综合危害，需要在，需要在 当量剂量的基础上再定义一个新的量（有效剂量）。当量剂量的基础上再定义一个新的量（有效剂量）。 引入组织权重因子（引入组织权重因子（wt）是对当量剂量进行修正的）是对当量剂量进行修正的 一种方法。一种方法。 组织权重因子组织权重因子wt与有效剂量与有效剂量e wt值选取原则值选取原则 当全身受均匀当量剂量照射时，其当全身受均匀当量剂量照射时，其 有效剂量最好能在数值上等于

53、该均匀当量剂量。有效剂量最好能在数值上等于该均匀当量剂量。 r tt hwe si单位为单位为: 焦耳每千克焦耳每千克(j/kg)，专用名称西弗，专用名称西弗(西沃特西沃特, sv) 组织权重因子组织权重因子 组织或器官组织或器官权重因子权重因子wt组织或器官组织或器官权重因子权重因子wt 睾丸睾丸0.20肝肝0.05 红骨髓红骨髓0.12食道食道0.05 结肠结肠0.12甲状腺甲状腺0.05 肺肺0.12皮肤皮肤0.01 胃胃0.12骨表面骨表面0.01 膀胱膀胱0.05其余组织或其余组织或 器官器官 0.05 乳腺乳腺0.050.05 辐射效应的敏感性辐射效应的敏感性 标称致死概率系数标称

54、致死概率系数 单位有效剂量引起的致死癌症的概率单位有效剂量引起的致死癌症的概率 随机性效应标称概率系数随机性效应标称概率系数 受照人群受照人群 总危害（总危害（10-2/sv） 致死癌致死癌非致死癌非致死癌严重遗传严重遗传 效应效应 合合 计计 成年工作者成年工作者4.00.80.85.6 全体人口全体人口5.01.01.37.3 定义定义 个人在单次摄入放射性物质之后，某一特定个人在单次摄入放射性物质之后，某一特定 器官或组织中接受的当量剂量率对时间的积分器官或组织中接受的当量剂量率对时间的积分 待积当量剂量待积当量剂量 committed equivalent dose 通常：成人通常：成

55、人 t=50a 儿童儿童 t=70a 待积当量剂量待积当量剂量 待积有效剂量待积有效剂量 dtthh tt )()( 0 dttee)()( 0 定义定义 某一指定事件造成的人均剂量率在无限长时某一指定事件造成的人均剂量率在无限长时 间内的积分。间内的积分。 剂量负担剂量负担 dttee c )( 0 dtthht tc )( 0 , 定义定义 特定人群内所有个人受到的剂量之和特定人群内所有个人受到的剂量之和 （用受某个源照射的人数乘以该组的平均剂量）（用受某个源照射的人数乘以该组的平均剂量） 集体剂量集体剂量 集体当量剂量集体当量剂量 集体有效剂量集体有效剂量 k tkkt hns , k

56、kk ens 专用名称专用名称人人西弗西弗 (人人sv) 另外两个有用的公式另外两个有用的公式 放射源指数衰减公式： a = a0 e-(ln2/t)t a0某时刻t0的活度，bq (ci，mci，ci)； a某时刻t的活度，bq (ci，mci，ci)； t半衰期，半衰期，a、d、h、min、s； t = t t0， a、d、h、min、s(应与应与半衰期的量纲一致半衰期的量纲一致) 剂量率(照射量率)衰减公式：。 窄束射线：窄束射线： x = x0 e-(/) d 宽束射线： x = b x0 e-(/) d x0无屏蔽材料时某点的剂量率，gy； x 用屏蔽厚度为d的材料屏蔽后该点的剂量率

57、，gy； d屏蔽材料的厚度，m、cm； (/)屏蔽材料的质量衰减系数，m2/kg、cm2/g； b剂量率(照射量率)累积因子，无量纲。 辐射剂量的几个量的关系辐射剂量的几个量的关系 照射量照射量x用于用于x、射线在空气中的辐射电离量，量射线在空气中的辐射电离量，量 纲：库仑纲：库仑/千克千克(c/kg) ，专用名称：专用名称：伦琴伦琴(r) 吸收剂量吸收剂量d用于任何射线在任意介质中，用于任何射线在任意介质中， 量纲：焦耳量纲：焦耳/千克千克(j/kg)，专用名称：戈瑞，专用名称：戈瑞(gy) xd关系：关系：d = f x， f = 8.7310-3 gy/r 剂量当量剂量当量(当量剂量当量

58、剂量)h将不同类别辐射的危害统一将不同类别辐射的危害统一 到同一个尺度上，到同一个尺度上， 量纲：焦耳量纲：焦耳/千克千克(j/kg)，专用名称：希沃特，专用名称：希沃特(sv) 对于对于x、和电子：和电子：数值上数值上 h=d 对于对于、n n： hd m毫毫(10-3)；微微(10-6)；n 纳纳(10-9)；p皮皮(10-12) 4.3 人类自古受照射 空间辐射环境空间辐射环境宇宙射线宇宙射线 太阳太阳11年活动周期年活动周期 宇宙射线的剂量宇宙射线的剂量: 随随高度高度、纬度纬度变化变化 玻璃维亚的巴拉斯城：玻璃维亚的巴拉斯城：3900m, 2.02msv 我国的拉萨市：我国的拉萨市：

59、 3600 m, 1.71msv 海平面海平面: 0 m, 0.27msv 深圳市深圳市(北纬北纬22.6 ) : 28 ngy h-1 北京市北京市(北纬北纬40 ) : 32 ngy h-1 同等高度上同等高度上, 地磁两极比赤道的剂量率大得多地磁两极比赤道的剂量率大得多 年有效剂量率典型值年有效剂量率典型值: 0.39 msv 表表1 天然电离辐射源所致成年人年平均有效剂量天然电离辐射源所致成年人年平均有效剂量 照照 射射 年有效剂量年有效剂量(msv) 成成 份份 正常本底地区正常本底地区 剂量高值地剂量高值地 区区 宇宙射线宇宙射线 0.38 2.0 宇生放射性核素宇生放射性核素 0

60、.01 0.01 陆地辐射陆地辐射:外照射外照射 0.46 4.3 陆地辐射陆地辐射:内照射内照射(氡除外氡除外) 0.23 0.6 陆地辐射陆地辐射: 氡及子体内照射氡及子体内照射 吸入吸入222rn 1.2 10 吸入吸入220rn 0.07 0.1 食入食入222rn 0.005 0.1 合合 计计(舍入值舍入值) 2.4 天然照射水平天然照射水平 宇宙线宇宙线0.38 msv/a 土地土地0.45 msv/a 水、食品、空气水、食品、空气 0.25 msv/a 乘飞机（伦敦乘飞机（伦敦纽约）纽约）0.04msv/次次 x光透射光透射 0.2msv/次次 砖房砖房 0.51 msv/a