培训课程-辐射安全与防护基础知识20150522

1、一一. 原子核与放射性原子核与放射性二二. 核辐射与物质的相互作用核辐射与物质的相互作用三三. 辐射量和单位辐射量和单位四四. 电离辐射对人体的危害电离辐射对人体的危害五五. 电离辐射防护的一般方法电离辐射防护的一般方法中子中子质子质子电子电子( (电子云电子云) )原子核原子核+ +核力核力是短程强作用力是短程强作用力 电磁力电磁力 原原 子半径子半径 1010-10-10 m m原子核半径原子核半径 1010-14 -14 m m 核核与与电子电子处于不同处于不同的能量状的能量状态态能能级级结结构构原子核与原子核与电子结合电子结合电电磁磁力力质子与质子与中子结合中子结合核核力力具有确定质子

2、数和中子数的原子核称做核素具有确定质子数和中子数的原子核称做核素核核 素素质子数质子数中子数中子数质量数质量数符符 号号氦氦-4-42 22 24 44 4HeHe碳碳-12-126 66 612121212C C碳碳-13-136 67 713131313C C碳碳-14-146 68 814141414C C名称名称质子数质子数中子数中子数质量数质量数举例举例同位素同位素相同相同不同不同不同不同1 1H H 2 2H H 3 3H H同中子素同中子素不同不同相同相同不同不同2 2H H 3 3HeHe同量素同量素不同不同不同不同相同相同3 3H H 3 3HeHe稳定核素和不稳定核素核技术

3、基础知识核技术基础知识核衰变核衰变 衰变 衰变 衰变 衰变+ 衰变- 衰变核的自发变化过程核的自发变化过程放出粒子变为新核放出粒子变为新核能级跃迁放出粒子能级跃迁放出粒子放射性放射性核自发发射粒子的现象核自发发射粒子的现象核技术基础知识核技术基础知识红外光红外光x射线射线内层电子能级的跃迁内层电子能级的跃迁紫外光可见光紫外光可见光原子和分子外层电子原子和分子外层电子能级跃迁能级跃迁微波微波无线电波无线电波分子振动和转动能级分子振动和转动能级跃迁跃迁分子转动能级及电子分子转动能级及电子自旋能级跃迁自旋能级跃迁原子核自旋能级跃迁原子核自旋能级跃迁电磁辐射与电磁辐射与能级跃迁能级跃迁核技术基础知识核

4、技术基础知识N N0: 0: (t=0)(t=0)时放射性原子核的数目时放射性原子核的数目N: N: 经过经过t t时间后未发生衰变的时间后未发生衰变的放射性原子核数目放射性原子核数目 : : 放射性原子核衰变常数。大放射性原子核衰变常数。大小只与原子核本身性质有关，小只与原子核本身性质有关，与外界条件无关与外界条件无关; ;数值越大数值越大衰变越快衰变越快T T1/21/2 =(ln2)/ =(ln2)/ : : 放射性原子核放射性原子核的半衰期的半衰期N = N0e-tN = N0e-(ln2/T1/2)t指数衰减规律指数衰减规律核技术基础知识核技术基础知识镭核技术基础知识核技术基础知识核

5、反核反应应中子引起中子引起 235U裂变裂变 H 原子核聚变原子核聚变 H 的燃烧的燃烧核与核或粒子相互核与核或粒子相互作用生成新核并放作用生成新核并放出能量和粒子出能量和粒子n + n + 1414N N 1414C + p C + p 核技术基础知识核技术基础知识核技术基础知识核技术基础知识原子核原子核的贡献的贡献巨大的巨大的能量能量强有力强有力的射线的射线核技术核能工程1.0086651.008665 0 0 n n中中 子子1.0072761.007276 +1 +1 p p质质 子子 0 0 0 0 5.4865.4861010-4-4 1 1 e e 4.002794.00279

6、+2 +2 4 4He He 静止质量静止质量 ( u )( u )电荷（电荷（e)e)符号符号种类种类常常 见见 的的 核核 辐辐 射射 粒粒 子子带电粒子：带电粒子： p p非带电粒子：非带电粒子：x nx n电离辐射带电粒子种类带电粒子种类重带电粒子：重带电粒子： 粒子、质子、粒子、质子、 介子介子电子：电子：射线、电子射线、电子 激发电离韧致辐射轫致辐射原子核 高速带电粒子通过原子核附近时，受到原子核库仑电场的作用而急剧减速，一部分能量以光子的形式辐射出来，这种辐射称为韧致辐射。 正电子与负电子相遇发生湮灭 产生两个 0.511 MeV的 光子 e+ + e- + me+ + me -

7、 = 0.511 + 0.511 MeV 质量转化为能量 转化效率 (100 %) 正电子湮灭切伦科夫辐射 高速带电粒子在非真空的透明介质中穿行(粒子速度大于光在这种介质中的相速度) 激发出电磁波钴60辐照装置中放出的切伦科夫辐射核反应三种作用效应 光电效应光电效应 康普顿效应康普顿效应 电子对效应电子对效应 产生次级电子电离效应次级电子使物质原子电离射线第 1 步初级作用第 2 步次级作用 射线与物质的作用过程分两步射线与物质的作用过程分两步自由电子作用机制光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。 + A A*

8、 + e- （光电子）原子受激原子光电效应 当 光子与物质原子中的一个电子发生弹性相撞时，将部分能量传给电子，电子获得能量后脱离原子而运动，而使物质电离，该电子称康普顿电子。光子本身能量减少又改变了运动方向。当光子的能量为0.5-1.0MeV时，该效应比较明显。康普顿散射效应能量1.02 MeV 的射线与原子核作用可能产生一对正-负电子。 M M + e+ + e- 1.02 MeV me (0.511MeV) me (0.511MeV) 基本条件： 射线能量 E 1.02 MeV 为什麽？能量转化成质量M = E /C2电子对效应 射线通过介质时光子的数量随物质厚度增加而减少, 射线强度服从

9、指数衰减规律。 I(x) = I0 e-x 厚 度 X I0 射线的吸收I 指数衰减因子 线性吸收系数射线能量高值小原子序数高值大能量（能量（MeV) 铅（铅（Pb) cm-1 铝（铝（Al）cm-1 0.6 0.6 1.6 1.6 0.2 0.2 1.0 1.0 0.8 0.8 0.18 0.18 2.0 2.0 0.5 0.5 0.1 0.1中子不带电不能直接使原子电离 但中子容易进入原子核内同原子核发生作用引起核反应第一步：核反应产生载能带电粒子 n + H n + p 传递能量 质子跑出来 中子被慢化第二步： 质子引起物质电离 慢化剂 轻水(1H2O) 重水(2D2O)中子与物质的作用

10、中子与物质的作用过程分两步过程分两步nHnn p电离物质21 n + 14N 14C + p 第一步 核反应产生质子 第二步 质子对物质产生电离作用 n p电离物质14N14C12p中子不带电不能直接使原子电离 但中子容易进入原子核内同原子核发生作用引起核反应中子与物质的作用中子与物质的作用过程分两步过程分两步 对物质电离作用的比较对物质电离作用的比较 1 1 页页 60 60页页/ /本本 铅地 下1-2 米深铅室n4580本中子源1 MeV 1 MeV 的粒子穿透物质能力的粒子穿透物质能力 射线穿透人体皮肤情况国际辐射单位与测量委员会(International Commission on

11、 Radiation Units and Measurements, ICRU)1975年 国际单位制单位(SI)1984年 中华人民共和国法定计量单位专用单位仍见使用定义：放射性核素在单位时间(dt)内发生核衰变的数目(dN) A = dN/dt单位： 法定单位： 贝可(Bq) 1Bq=1s-1 专用单位： 居里(Ci) 1Ci = 3.71010Bq 1mCi =10-3Ci 1Ci =10-3mCi =10-6Ci 仪器常用单位： dps = disintegration per second 每秒钟衰变数每秒钟衰变数 cps = counts per second定义： 单位质量或体积

12、中放射性核素的放射性活度。单位： Bq/kg; Bq/m3; Bq/l放射性活度与质量的关系： A = N = 0.693/T1/2(Q/M) NA Q: 以克为单位的质量（g) M: 摩尔质量 NA: 阿伏伽德罗常数=6.021023 mol-1u辐射效应的发生几率或严重程度，在很大程度上取决于辐射能量在物质中沉积的数量与分布。u现为了定量地描述辐射对人体作用的生物效应，在辐射剂量与辐射防护领域中引入若干物理量。u目前仍然使用宏观量。照射量 吸收剂量定义：光子(,-ray)在单位质量(dm)空气中释放出来的所有正负电子被阻止在空气中时，产生的同一符号的离子的总电荷量(dQ)。单位： SI:

13、库伦 / 千克 Ckg-1 专用单位: 伦琴 R 1R = 2.5810-4 Ckg-1dmdQX 在1伦琴X射线照射下，0.001293克空气（标准状况下，1立方厘米空气的质量）中释放出来的次级电子，在空气中总共产生电量各为1静电单位的正离子和负离子。照射量率(exposure rate)定义： 单位时间(dt)内的照射量(dX)。dtdXX 单位： Ckg-1s-1 Rs-1; ：照射量率常数 ，取决于自身的衰变特性（光子的数目和能量），恒等于A=1mCi, R=1m处的照射量率。可查表得出。对于点源：2RAX照射量概念的应用条件定义：电离辐射授予某一体积元中物质的平均能量除以该体积元中物

14、质的质量的商单位： 法定单位：戈瑞，Gy 1Gy=1JKg-1 专用单位：拉德，Rad 1Rad10-2Gy 吸收剂量D的使用条件： 对所有射线适用 适用于所有介质 针对“点”的概念条件：带电粒子平衡定义：组织或器官的当量剂量是此组织或器官的平均吸收剂量与辐射权重因子的乘积。RRRTTWDH,单位： 法定单位：西弗， Sv 1 Sv =1 JKg-1 专用单位：雷姆， rem 1rem10-2Sv WR - 辐射权重因子；DT,R - 器官、组织的平均剂量equivalent dose, HT(Radiation weighting factor , WR)数值上：依据辐射在低剂量率时诱发随机

15、效应的相对生物效应值选取的。性 质：表征射线种类，能量与生物效应关系为辐射防护目的，对吸收剂量乘以的因数，用以考虑不同类型的辐射对健康的相对危害效应。早期方法（ICRP26报告-1977）：剂量当量：H=DQNQ是辐射品质因子N是其他各种修正因子辐射类型能量范围WR光子电子和介子中子质子（反冲质子除外）粒子，裂变碎片，重核所有能量所有能量能量10keV 10-100keV100keV-2MeV2-20MeV20MeV能量2MeV1151020105520辐射权重因子（WR）(effective dose, HE)定义：各组织或器官的当量剂量（HT）与相应的组织权重因子（WT）的乘积的总和。意义

16、：评价随机效应的危险度，使辐射防护走向定量化TTTEHWHWT组织T的权重因子；HT 器官或组织的当量剂量定义： WT代表组织T接受的照射所导致的随机效应的危险系数与全身受到均匀照射时的总危险系数的比值表征组织或器官的辐射敏感性反应了在全身均匀受照下各该组织或器官对总危害的相对贡献。全身接受1Sv均匀照射时总危险度 WT T器官或组织接受1Sv照射时危险度 （tissue weighting factor, WT)组织或器官组织权重因子WT睾丸红骨髓结肠肺胃膀胱乳腺旰食道甲状腺皮肤骨表面其余组织或器官0.200.120.120.120.120.050.050.050.050.050.010.0

17、10.05组织权重因子（ICRP 60）u当量剂量 针对某个器官或组织，是平均值u有效剂量 针对全身而言，取平均值u辐射权重因子 描述辐射类型、能量的不同对生物效应的影响u组织权重因子 描述不同器官、组织对全身总危害的贡献概念理解成人T=50年；儿童T=70年dttHHttTT50)50(00)(待积当量剂量待积有效剂量dttHHttEE50)50(00)(是指个人单次摄入放射性物质在此后是指个人单次摄入放射性物质在此后50年内年内(儿童儿童70年年)将要产生的累积剂将要产生的累积剂量，它可以用来描述内照射吸收剂量率在时间上的分布随着放射性核素的量，它可以用来描述内照射吸收剂量率在时间上的分布

18、随着放射性核素的种类、形式、摄入方式以及它所结合的组织而变化的情况，是一个从内照种类、形式、摄入方式以及它所结合的组织而变化的情况，是一个从内照射危害角度考虑的量。射危害角度考虑的量。 放射性物质在机体内的有效半衰期：体内代谢的生物半排期放射性半衰期:T:brbrbrTTTTTT意义：表征某一实践对社会的总危害定义：特定人群所受辐射照射的总剂量iiiTTNHS,集体当量剂量：集体有效剂量：iiiEENHS,单位：人西弗有甲、乙2人，甲的骨表面接受0.3Sv的当量剂量照射，而乙的骨表面接受0.2Sv的当量剂量照射，同时肝脏又受到0.1Sv的照射，问哪个人危险更大些？答：根据当量剂量HT和组织权重

19、因子WT值计算如下： He甲=0.010.3=0.003 Sv (骨表面WT=0.01) 甲相当于全身均匀照射0.003Sv 的危险性 He乙=0.010.2+0.050.1=0.007 Sv (肝脏WT=0.05) 乙相当于全身均匀照射0.007Sv的危险性。 显然乙受到辐射的危害大于甲【计算例题】电离辐射对生物大分子作用的基本原理u生物分子损伤是一切辐射生物效应的物质的基础。u生物分子损伤与自由基生成密切相关。u自由基（free radical）是指一些独立存在的、带有一个或多个不成对电子的原子、分子、基团或离子。u自由基最大特性是化学不稳定性和高反应性，寿命很短。 OH（氢氧自由基）的平

20、均寿命为10-910-8s 生物分子自由基也多在10-610-4s之间电离辐射生物分子自由基生成的生物分子自由基生成的两种两种方式方式直接作用：电离辐射直接引起靶分子电离和激发而发生物理化学变化，生成生物分子自由基。间接作用：电离辐射作用于生物分子的周围介质（主要是水）生成水射解自由基，这些自由基再与生物分子发生物理化学变化生成生物分子自由基，称次级自由基。电离辐射对DNA的作用uDNA是细胞增殖、遗传的物质基础。uDNA是引起细胞生化、生理改变的关键性物质。uDNA是电离辐射作用的靶分子u电离辐射生物效应主要是DNA的损伤所致DNA分子损伤分子损伤过程过程DNA分子损伤结果DNA链断裂（DN

21、A molecular breakage）：核苷酸链断裂：由磷酸二酯键断裂，脱氧核糖分子破坏，碱基破坏或脱落等所导致。单链断裂：双链中一条链断裂。单链断裂尚可修复。双链断裂（doublestrand breaks）：两条链在同一处或相邻外断裂，常并发氢键断裂。电离辐射生物效应电离辐射生物效应的演变过的演变过程程分子水平细胞死亡细胞死亡细胞变异细胞变异体细胞体细胞生殖细胞生殖细胞体细胞体细胞生殖细胞生殖细胞功能障碍功能障碍不孕不孕肿瘤肿瘤遗传效应遗传效应确定性效应确定性效应多细胞死亡导致多细胞死亡导致随机性效应随机性效应单一细胞变异导致单一细胞变异导致DNA损伤损伤细胞水平临床症状效应电离辐射生

22、物效应电离辐射生物效应的演变过程的演变过程男人 女人幼年 少年 青年 成年 老年 3.同一个体的不同组织和器官的辐射敏感性不同同一个体的不同组织和器官的辐射敏感性不同机体组织和细胞的放射敏感性分类机体组织和细胞的放射敏感性分类1.射线种类与能量射线种类与能量用辐射权重因子（WR）描述2.照射方式照射方式分为外照射和内照射3.剂量率和照射次数剂量率和照射次数4.照射部位照射部位照射部位不同 受照器官不同 效应不同特别注意腹部的防护特别注意腹部的防护5.照射面积照射面积尽量避免大剂量的全身照射尽量避免大剂量的全身照射 确定性效应（确定性效应（deterministic effects）4有剂量阈值

23、有剂量阈值4效应的严重程度与剂量成正比效应的严重程度与剂量成正比 随机性效应随机性效应(stochastic effects)4无剂量阈值无剂量阈值4发生几率与剂量成正比发生几率与剂量成正比4严重程度与剂量无关严重程度与剂量无关早 期 效 应效 应日本东海村核临界事故（99.09.30上午10点35分）事故发生时的位置图事故发生时的位置图O氏(17Gy)：意识丧失、呕吐、腹泻、淋巴细胞数S氏(10Gy)：20分钟后感觉麻木、呕吐、腹泻 JCO公司的一座铀转化厂工人违反操作程序，把富集度18.8%的铀溶液（相当于含16公斤铀）直接倒入沉淀槽中。铀操作量是临界质量（5.5公斤）的2.9倍。（沉淀槽

24、容许的最大操作量限定为2.4公斤）。 临界事故现场93名工作人员受到不同程度的外照射和中子照射。2人先后不治身亡。（其中1人于12月21日死亡）。 巴西戈亚尼亚 (1987.9.13)铯-137放射性事故 一家私人放射治疗研究所乔迁，将铯-137远距治疗装置留在原地，未通知主管部门。两个清洁工进入该建筑，将源组件从机器的辐射头上拆下来带回家拆卸，造成源盒破裂，产生污染。铯铯-137-137远距治疗装置的放射源远距治疗装置的放射源源源 2.5 cm直径直径 1400 Ci, Cs-137 CsCl盐盐 (粉末粉末)巴西戈雅尼亚事故粘污排查检测探测放射性污染点巴西戈雅尼亚事故后果巴西戈雅尼亚事故后

25、果人口人口1百万百万被监测人数被监测人数112,800遭污染人数遭污染人数衣服与鞋子衣服与鞋子120皮肤和体内皮肤和体内151辐射受伤辐射受伤28住院住院20造血功能障碍造血功能障碍14急性放射病急性放射病8一个月内死亡人数一个月内死亡人数4人员伤亡人员伤亡82 159栋房屋得到监视，栋房屋得到监视，101栋房屋遭到污染栋房屋遭到污染 200人撤离其中人撤离其中41栋房屋栋房屋 42栋房屋得到净化，栋房屋得到净化，6栋栋被拆除被拆除 58个不同的公共场所得到个不同的公共场所得到净化，包括街道、商店、净化，包括街道、商店、酒吧，以及酒吧，以及64部车辆部车辆 巴西戈雅尼亚事故后果巴西戈雅尼亚事故

26、后果巴西戈雅尼亚事故后果巴西戈雅尼亚事故后果 估计有估计有16克的克的Cs-137遭到被遭到被动释放，产生动释放，产生40吨的放射吨的放射性废物性废物3800个金属桶个金属桶 (200公升公升)1400个金属箱个金属箱 (5吨吨)10个运输集装箱个运输集装箱 (32m3)6套混凝土封装套混凝土封装 3500立方米的废物！立方米的废物！巴西戈雅尼亚事故后果巴西戈雅尼亚事故后果 最初响应持续了最初响应持续了6个月个月 花费约花费约2000-3500万美元万美元 730名工人参与净化工作名工人参与净化工作 该城经过该城经过10年才恢复到事故前的经济水平年才恢复到事故前的经济水平经济损失经济损失巴西戈

27、雅尼亚事故后果巴西戈雅尼亚事故后果社会影响极大一个建有废物处置库的边远乡村，把象征放射性的三叶符号做成村旗。只是时间问题，不是会不会发生的问题只是时间问题，不是会不会发生的问题1987伊拉克试验1995在莫斯科的公园内发现辐射散布装置1998车臣：装填了放射性物质的地雷2002Jose Padilla发现使用辐射散布装置的计划2003“基地”组织在阿富汗的计划制造辐射散布装置2004在伦敦发现大量的镅241库存使用放射源的恐怖行动可否发生使用放射源的恐怖行动可否发生 ？遗 传 效 应遗 传 效 应由生殖细胞的变异引起从生物体受照到显现出遗传效应之间相隔的时间过长（超过了生物体寿命，有时甚至为寿

28、命的数倍，即几个世代）迄今没有人类资料肯定辐射所致遗传效应的发生，但不容忽视晚 期 效 应晚 期 效 应u慢性效应慢性效应：受照后几个月、几年、几十年或直至终生才发生。包括躯体效应和遗传效应。u发生情形：发生情形：急性照射恢复后长期接受超剂量限值水平的低剂量照射u可能可能效应：效应：癌症、白血病寿命缩短(尚无直接人类资料证明)u效应效应- -剂量关系：剂量关系：随机性效应晚 期 效 应晚 期 效 应日本原子弹爆炸受害者肿瘤发生率随时间的变化日本原子弹爆炸受害者肿瘤发生率随时间的变化010年20年30年40年白血病白血病之外的肿瘤2年最小潜伏期最小潜伏期晚 期 效 应晚 期 效 应终生终生16-

29、24年年10年年其他癌症其他癌症40年年8年年2年年白血病白血病最大潜伏期最大潜伏期中央值中央值最小潜伏期最小潜伏期辐射致癌的潜伏期辐射致癌的潜伏期 晚 期 效 应晚 期 效 应 甲 状 腺 癌甲 状 腺 癌甲状腺癌甲状腺癌发生率随受照剂量增长而增长，且女性高于男性发生率随受照剂量增长而增长，且女性高于男性放 射 性 烧 伤放 射 性 烧 伤放 射 性 烧 伤放 射 性 烧 伤辐 照 装 置 事 故工业探伤事故工业探伤事故事故后果事故后果事故后果事故后果事故后果事故后果事故后果事故后果外照射防护的根本目的控制体外辐射源对人体的照射，把照射水平控制在可以合理做到的尽可能低的水平。基本原则 尽量减少或避免射线从外部对人体的照射，使之所受照射不超过国家规定的剂量限值。外照射防护的基本方法 外照射防护三要素：时间防护、距离防护、屏蔽防护时间防护法：减少接触辐射源时间减少受照时间距离防护法：增大