辽宁辐射培训-辐射防护基础

1、辽宁省辐射安全培训班 辐射防护基础 2011年11月1目 录放射性 射线与物质的相互作用、辐射防护的量及其单位辐射对人体的危害环境中的放射性辐射防护2放 射 性原子核 原子，由原子核和其外层电子组成原子核，由带正电的质子和不带电的中子构成，中子或质子又都叫“核子”，意思是组成核的基本粒子。中子和质子大致具有相等的质量。原子序数（ Z ），一种元素的原子核所包含的质子数（亦即核外电子数）称为该元素的。质量数（A），原子核的质子数（Z）和中子数（N）的总和，即A=Z+N。一种元素常用AZX表示，如22688Ra，元素镭的质子数88、质量数为226。元素周期表， 将118种元素按核外电子数目和一定规

2、律排列的表格。原子核外电子的数目，特别是最外层的电子数目，决定了该种元素的主要化学性质。3原子的结构原子核KLMN核外电子放 射 性4放 射 性元素，有一定原子序数的同类原子，如 92U代表一种元素，其原子序数是92，88Ra代表另一种元素，其原子序数是88；而有同样原子序数的，属于同一种元素。已发现的元素共有118种，对应的原子序数从1到118。 核素：具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子 ，例如， 代表一种核素， 代表另一种核素。已发现的核素达1000种以上 。同位素：原子序数相同，质量数不同，即质子数相同，中子数不同的 几种原子叫做该元素的几种同位素 ，他们在元素周期表内占据同一位置

3、。广义上的含义和核素的含义相同 ，故用“核素”这个名词来表达，但有些书仍然沿用同位素这个名词来表达核素的含义 同一元素的各个核素，其化学性质相同而核性质不同 。一种元素往往有几种到几十种核素（同位素）。钋的同位素最多，从钋192到钋218，共有27种。目前已知的118种元素，同位素共达2000多种。 5 同位素又可分为稳定性同位素和放射性同位素两种。 稳定性同位素：原子核内的质子数、中子数以及核的结构都是稳定不变的。自然界中多数原子核属于稳定性同位素。 放射性同位素：原子核不稳定，能自发的放出射线而变成另一种核素（即改变了原子核中的质子数和中子数）的同位素，称为放射性同位素。 有些元素的同位素

4、，虽然原子核的质子数和中子数都不会改变，但原子的结构能自发地发生改变，如核外电子能级地改变，放出电磁辐射，它们也属于放射性同位素。放 射 性6辐射，是指以电磁波或高速粒子的形式向周围空间或物质发射并在其中传播的能量的统称（热辐射、核辐射等）。辐射的分类非电离辐射：能量小于10eV，如紫外线、可见光、 红外线和射频辐射电离辐射： 能量大于10eV，如射线、 中子射线、 射线、射线等。放 射 性7放 射 性直接电离辐射directly ionizing radiation具有足够动能的、碰撞时能引起电离的带电粒子，如电子、质子、粒子、重离子等，称为直接电离粒子。由直接电离粒子组成的辐射称为直接电离

5、辐射。间接电离辐射indirectly ionizing radiation与物质相互作用，能产生直接电离粒子的中性粒子，如中子、光子等，称为间接电离粒子。由间接电离粒子组成的辐射称为间接电离辐射。8放 射 性 核衰变：原子核放出射线而变成另一种核素的现象，称为衰变。 在某一核素发生衰变时，最初的那个原子核叫母体，放出射线后生成的新核素称为子体。 22688Ra22286Rn+42He 母体 子体 射线 9放 射 性 放射性：在核衰变过程中总是放射出具有一定动能的带电或不带电的粒子，即、射线，这种现象称为放射性；衰变时释放出的粒子(5MeV左右)，粒子和光子等也叫做辐射，其能量高于10eV，所

6、以，这些放射性原子核发射出的粒子，也就是电离辐射！ 天然放射性及同位素：天然不稳定核素能自发放出射线的特性 镭226、铀235、 钍232 等原子序数大于83的元素 92号元素铀之后的原子核十分不稳定，无法在自然状态下存在人工放射性及同位素：通过核反应由人工制造出来的核素的放射性 钴60，铯137 等 实际应用中的放射性同位素，绝大部分是人工制造的放射性同位素；天然放射性同位素也要经过人工提纯后才能应用。10放 射 性放射性衰变类型 衰变：不稳定重核(一般原子序数大于82)自发放出4He核(粒子)的过程； 粒子的质量大，速度小，照射物质时易使其原子、分子发生电离或激发，但穿透能力小，只能穿过皮

7、肤的角质层. 在空气中的射程只有几个厘米，如果遇到固体物质或液体物质时，则射程更短。数千分之一厘米厚的 铝片或一张普通的纸，就可以完全挡住射线，但因它的电离本领强，进入生物机体后，能引起很大的损伤。所以对射线，主要是防止进入体内而引起的内照射。11放 射 性衰变：放射性核素放射粒子（即快速电子）的过程，它是原子核内质子和中子发生互变 的结果； 射线电子速度比射线高10倍以上，其穿透能力较强，在空气中能穿透几米至几十米才被吸收；与物质作用时可使其原子电离，也能灼伤皮肤； 负衰变（-衰变）：核素中的中子转变为质子并放出一个-粒子和中微子的过程。-粒子实际上是带一个单位负电荷的电子。 正衰变(+衰变

8、)：核素中质子转变为中子并发射出正电子和中微子的过程； 电子俘获：不稳定原子核俘获一个核外电子，使核中的质子转变成中子并放出一个中微子的过程。因靠近原子核的K层电子被俘获的几率大于其他壳层电子， 故又称K电子俘获； 12放 射 性衰变：原子核从较高能级跃迁到较低能级或者基态时所发射的电磁辐射；射线是 一种波长很短的电磁波（约0.0070.1nm），穿透能力极强，它与物质作用时 产生光电效应、康普顿效应、电子对生成效应等；射线与X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波等一样，亦是一种电磁辐射，所不同的是它是从原子核激发时放出来的射线，能量较高，一般在几十万电子伏以上，而可见光的光子能量只有几个电

9、子伏。所以射线是一种高能光子流。射线不带电的光子，它的穿透本领最强，要比射线大50100倍，比射线大10,000倍。射线在空气中的射程可达几百米，但它的电离本领却比射线、射线都小。故对射线主要是防止体外照射。13-+放 射 性14 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 （波长 cm） 可见光下图是自然界中所发现的各种电磁辐射的波长范围示意图。光子能量愈大，辐射波长愈短；光子能量愈小，辐射波长愈长。 放 射 性15中子流 中子是原子核的组成部分，每当U或Pu等原子核分裂时，都能释放出中子来。因此在原子反应

10、堆里或原子弹爆炸时，都能产生大量的中子流。中子的质量几乎与质子相等，只是它不带电，因此它的穿透本领与射线近似。但中子通常不稳定，很快放出一个电子而变为质子。质子是重带电粒子，其电离本领很强，故中子射入人体后，在体内的损伤作用也是很强的。尤其是中子在轻物质（如水）中很快减速，故对人体组织损害更大。放 射 性16放 射 性放射性活度和半衰期（1）放射性活度：单位时间内发生核衰变的数目； A=dN/dt=-NA放射性活度（s-1），贝可（Bq），其中1Bq=1s-1，1贝可表示1s内发生1次衰变； N某时刻的核素数； t时间（s）； 衰变常数，放射性核素在单位时间内的衰变几率； 1Ci相当于1g镭的

11、放射性活度 1Ci = 3.7 1010 Bq17放 射 性（2）半衰期（T 1/2） 放射性核素因衰变而减少到原来的一半所需时间。 半衰期是放射性核素的一个特征常数，不随外界条件和元素的物理、化学状态的不同而改变。 不同放射性核素半衰期的长短差别很大，长的可达几十亿年，如钍232为140亿年；短的只有几百分之一秒，如钋212仅为3.0X10-7秒。 T 1/2 =ln2=0.69318放 射 性（3）衰变规律 放射性核素原子核数目的减少服从指数规律 N = N0e-t N0 是 t = 0 时刻的原子核数， N 是 t 时刻尚未衰变的原子核数， 衰变常数。 大， 衰变的快。 19衰变规律20

12、射线与物质的相互作用射线种类粒子、粒子、射线、X射线和中子射程和半吸收厚度射线在物质中能够穿过的最大厚度叫做射程。或射线有确定的射程值，射线没有确定的射程值。 对于射线，常用半吸收厚度来衡量其穿透能力，所谓半吸收厚度就是使射线强度减弱一半所需物质的厚度（用d1/2表示） 21射线与物质的相互作用22射线的半吸收厚度射线与物质的相互作用23不同射线的穿透能力射线与物质的相互作用24射线与物质的相互作用三步作用 1） 初级作用 射线粒子本身与物质的作用（电离、激发、散射等）。2） 次级作用 初级作用产生的自由电子具有相当大的能量，与射线类似能进一步与物质相作用（电离、激发、散射）。次级作用产生的离

13、子对数（和激发原子数）占了射线产生的离子对总数（和激发原子总数）的大部分，所以在对介质电离（和激发）的贡献上，次级作用是主要的。3） 能量耗尽了的电子与正离子重新结合为中性原子，激发原子恢复常态（电子从外层跳回内层）。这两个过程都有能量放出，放出的能量可以是热能、光能或化学能。25带电粒子与物质作用的基本形式电离和激发；散射；轫致辐射；吸收。射线与物质的相互作用26射线与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的作用主要是带电粒子与电子、原子核之间的库仑作用，就散射而言，只有与原子核作用才能引起粒子的散射，与电子的作用改变不了粒子的前进方向。因此散射的几率很小。而粒子的散射，原子核

14、或电子都能引起，因此，散射的几率较大。电离：原子（或分子）变成正离子和自由电子（离于对）的现象。激发：原子中的电子从能量较低的轨道跳到能量较高的轨道（即从电子壳层的内层跳到外层）的现象。散射：射线与物质作用改变了射线前进方向的现象。轫致辐射：高速带电粒子（即硬射线）和原于序数大的物质相互作用，放出光子（相当于x射线），同时带电粒子速度减慢的现象。27带电粒子激发电离射线与物质的相互作用28非带电粒子与物质的相互作用 这里的非带电粒子，主要指X射线、射线和中子。X和射线通过物质时，不能使物质直接发生电离和激发，也没有射程的概念。非带电粒子与物质相互作用时，主要有下列三种形式：1、光电效应；2、康

15、普顿散射；3、电子对 产生。射线与物质的相互作用29光电效应： 当一个较低能量的光子在物质中被原子吸收后，从原子的核外电子壳层中，电离出一个电子，即光电子，该过程成为光电效应。 光电效应所产生的光电子，称为次级电子，其动能等于光子的能量减去该壳层电子在原子中的结合能。因此，如果入射光子能量低于某个壳层的电子结合能时，则不可能产生光电效应。射线与物质的相互作用30入射光子光电子射线与物质的相互作用31康普顿散射 单个光子把一部分能量传给原子中的一个电子，自己变成一个能量较低并在另一方向前进的光子。这一过程也可以看作是光子和自由电子相互碰撞的结果，在光子能量为IMeV左右时占主要地位。 光子的能量

16、较低时，入射光子能量大部分被散射光子带走；能量较高时，入射光子的能量大部分转移给电子（次级电子）；康普顿散射过程发生的几率随光子的能量增大而减小。 射线与物质的相互作用32入射光子反冲电子散射光子射线与物质的相互作用33电子对产生 当光子的能量大于1.02MeV时，入射光子与某个原子核周围的电场相互作用，光子的全部能量转变成一个负电子和一个正电子（次级电子）所组成的电子对，并且沿大致相反的方向飞出，而光子的能量转化为正、负电子的静止质量能（2 X 0.511 MeV)，和它们的动能。 获得一定能量的次级电子，与粒子一样，可引起物质中原子的电离和激发。射线与物质的相互作用34入射光子正电子负电子

17、e+e-射线与物质的相互作用35 光电效应和康普顿散射发生的几率均随光子的能量增大而减小，但电子对产生的几率却随光子的能量增大而增大，并且在原子序数较大的物质中尤为突出。射线与物质的相互作用36电离辐射与物质相互作用的各种类型辐 射过 程附 注与束缚电子发生非弹性碰撞产生激发和电离（1）与原子电子发生非弹性碰撞（2）在原子核的电场中减速 产生激发和电离产生韧致辐射 和射线（1）光电效应（2）康普顿散射（3）生成电子对 光子完全被吸收光子只有一部分能量被吸收光子的全部能量被吸收 射线与物质的相互作用37辐射防护的量及其单位（1）照射量 定义：X射线或射线在单位质量（dM）小体积元的空气中，释放出

18、来的全部电子（正电子和负电子）被完全阻止于空气中时，在空气中形成某一种符号离子的总电荷绝对值（dQ）。用X表示。 X dQ /d M 单位：SI 单位：库仑 / 千克（符号为C / Kg) 常用单位：伦琴（简称伦，符号为R） 1 R2.58 X 10-4 C / Kg 1 C/kg = 3.876103 R 38辐射防护的量及其单位（2）照射量率 定义：单位时间内的照射量的增量 。 . X dX / dt 单位：SI单位：安培 / 千克（A / Kg） 常用单位：伦琴 / 小时（R / h）39（3）吸收剂量 定义：被单位质量物质吸收（或授与单位质量物质、或单位质量沉积）的任何致电离辐射的平均

19、能量 。符号为D。 D =d E / dM dE是电离辐射授与某一体积元中质量为dm的物质的平均能量 单位：SI单位：焦耳 / 千克（J / Kg） 专用名：戈瑞（Gray）, 符号：Gy辐射防护的量及其单位40吸收剂量的专用单位：拉德（rad） 表示电离辐射授与1克受照物质的平均辐射能量为100尔格（erg）。 1 rad = 100 erg / g = 0.01 J / Kg 单位换算：1 Gy 100 rad 1 cGy 吸收剂量适用于任何电离辐射和任何物质，但在提到吸收剂量时，必须要指明是那种辐射对何种物质造成的吸收剂量。辐射防护的量及其单位41（4）吸收剂量率 定义：单位时间（t）内

20、的吸收剂量。符号为 . D。 . D D / t 单位：SI单位：戈瑞 / 小时（Gy / h） 专用单位：拉德 / 小时（rad / h）辐射防护的量及其单位42辐射防护的量及其单位（5）当量剂量(HT) 表示辐射对人体某一组织或器官T的吸收剂量的平均值，并按辐射的质加权，由下式定义： 。 HT=WRDTR 式中： DT.R 是某组织或器官中的平均吸收剂量， WR 是某器官或组织的权重因子。 单位：希伏特（Sievert），符号Sv。 专用单位：雷姆”（rem） 1 Sv = 1 J/kg = 100 rem 43组织权重因子辐射防护的量及其单位44（6）有效剂量(E) 人体各组织或器官的当

21、量剂量乘以相应的组织权重因数后的和 。 E = WTHT 式中：WT 为某种辐射的权重因子； HT 为某组织或器官的当量剂量。 单位：希伏特（Sievert），符号Sv。辐射防护的量及其单位45 辐射权重因子wR 辐射类型 能量范围辐射权重因子R 光子，电子， 介子 所有能量1 中子 10 keV 20 MeV5 质子 2 MeV5 中子 10 100 keV2 - 20 MeV10 中子0.1 - 2 MeV20 粒子，裂变碎片， 所有能量 20辐射防护的量及其单位46辐射防护的量及其单位（7） 集体有效剂量 Collective effective dose 对于一给定的辐射源受照群体所受

22、的总有效剂量S: 式中，Ei是群体分组i中成员的平均有效剂量, Ni是该分组的成员数。集体有效剂量还可以用积分定义： 式中是所受的有效剂量在E和EdE之间的成员数。47辐射防护的量及其单位48辐射对人体的危害 人体所受的辐射照射可分为内照射和外照射两类。进入人体内的辐射源对人体产生的照射称为内照射；而处在体外的辐射源对人体产生的照射称为外照射。两种照射均可能对人体健康产生一定的影响。（1）辐射效应分类 人体受到电离辐射照射后，辐射对人体产生的效应可以出现在受照者本人或他的后裔身上。出现在受照者本人身上，称为躯体效应；出现在受照者后裔身上，称为遗传效应。49辐射对人体的危害 分成随机性效应和非随

23、机性效应两类。 随机性效应：有害效应的发生几率（而不是严重程度）与剂量的大小无关，不存在剂量的阈值。 确定性效应（非随机性效应确定性效应）：有害效应的严重程度随剂量的大小而变化，存在着剂量的阈值，低于这个阈值，不会引起有害效应。辐射对人体的危害50辐射对人体的危害 遗传效应和躯体效应中的恶性肿瘤等，都是随机性效应。由于低剂量下的剂量效应关系很难确定，为了防护的目的，假定在低剂量照射时，随机性效应的发生率与剂量之间是线性无阈的关系，发生率与剂量大小成正比，也就是说，即使很小的剂量，也有可能导致遗传效应或恶性肿瘤，只是它们发生的概率很低很低而已。51辐射对人体的危害 确定性效应（非随机性躯体效应）

24、则表现为机体的机能改变，如：白内障、皮肤损伤、骨髓中细胞的减少、生育能力的减退、血管或结缔组织的损伤等。 这些效应不会传给后裔，效应的严重程度取决于剂量的大小，也就是说，只有在机体接受的剂量超过一定的阈值时才能发生。如：引起眼晶体混浊的阈剂量为15Gy，引起明显皮肤损伤的阈剂量为20Gy。52辐射对人体的危害辐射效应的机理： 目前对辐射导致的生物效应机理还未完全清楚。有人认为：人体细胞内含有大量的水分，电离辐射可使水分子电离，形成自由基（H，OH）和过氧化氢等有毒物质，自由基的化学性质极为活泼，过氧化氢为强氧化剂，它们与细胞中的硫氢基及其它重要化合物发生反应，造成细胞损伤。53辐射对人体的危害

25、辐射效应的机理： 也有人认为：电离辐射可以直接使细胞中的染色体或其它重要生物学大分子发生断裂，从而造成非正常细胞的出现。如果损伤的细胞是机体细胞，则表现出躯体效应；如果损伤的是生殖细胞，则辐射效应表现在受照者的后代身上，即遗传效应。54辐射对人体的危害剂量与效应的关系： 确定性的躯体效应存在着阈剂量，当受照剂量超过某一剂量值时，会引起急性损伤的一些效应，在受照者身上出现相应的症状。 人体受照剂量的大小，受许多因素的影响，如射线的种类、剂量率、受照的时间（单次还是多次照射）、受照部位和面积等，在受照的总剂量相同的情况下，这些因素不同，则损伤的程度可能有较大的区别。如一次接受3Gy的照射，有可能导

26、致严重的症状，甚至死亡；而当3Gy是在5年内多次照射的累积剂量，则不会导致明显的症状。 下表给出的是一次全身照射后引起的症状。55大剂量照射的急性辐射效应受照剂量（Sv)症 状 0.25无明显自觉症状。0.250.5轻度恶心、乏力；血象有改变。0.51.0恶性、乏力、呕吐；注意力下降。1.01.5恶性、呕吐、食欲减退、头昏乏力。1.52.0恶性、呕吐、头昏乏力、一时丧失工作能力。2.04.0上述症状加重，有可能死亡。4.06.0出现严重的临床症状，死亡率可达50。6.0以上100死亡。辐射对人体的危害56辐射对人体的危害57辐射对人体的危害日常核辐射58辐射对人体的危害我国各类X射线检查频度，

27、1次检查的器官剂量和有效剂量59环境中的放射性 天然放射性宇宙射线： 初级宇宙射线：质子（8389%）、粒子（1015%）、轻核（原子序数3，426）、高能电子； 次级宇宙射线：初级宇宙射线进入大气层与空气中原子核发生碰撞，引起核反应并产生一系列其他粒子，通过这些粒子自身转变或与周围物质反应而形成的。 天然系列放射性核素：都含有放射性气体Rn氡核素，末端都是稳定的Pb核素； 铀系：母体238U； 锕系：母体235U； 钍系：母体232Th； 自然界中单独存在的核素 约有20种核素，半衰期长，强度极弱；如人体中40K(T1/2=1.26109年) 60环境中的放射性 61环境中的放射性人为放射性

28、污染核试验及航天事故 核工业：原子能反应堆、原子能电站、核动力舰艇 工农业、医学、科研等部门的排放废物(放射性同位素进行示踪试验) 放射性矿的开采和利用62辐射防护辐射防护的基本原则： ICRP（国际辐射防护委员会）提出的辐射防护三原则： 1）实践的正当性 2）防护的最优化 3）个人剂量限值63 剂量限值 按5年平均，每年为20 mSv（5年内不应超过100 mSv），并且任何一年内的有效剂量不得超过50 mSv。辐射防护64外照射的防护 对于外照射的防护可以从三方面入手： 1、时间防护 2、距离防护 3、屏蔽防护辐射防护65 时间防护 距离防护 屏蔽防护辐射防护66时间防护： 在剂量率均匀的

29、情况下，人所受到的剂量与照射时间成正比，照射时间越长，所接受的剂量越大。 剂量 剂量率 X 时间 因此，为了减少照射的剂量，就可以缩短照射时间，尽量减少在放射源附近停留的时间。这要求工作人员：操作熟练，动作迅速，必要时可进行一些空白操作训练来提高熟练程度，这样在正式操作时可以减少受照时间，如果一个人操作超过剂量限值，就可以数人操作，使每个人所受的剂量减少。辐 射 防 护67距离防护： 对于点状放射源，在空间某处的强度与到源的距离的平方成反比。 D A / R2 距离增加一倍其照射的强度就减少到1/4。对于非点源虽然不准确是与距离的平方成反比，但总是距放射源越远，受照剂量就越小。因此，在做放射性

30、操作时，尽可能离放射源远一点，这就是距离防护。为了实现距离防护，人们借助于机械手或长柄钳等来增加人与放射源之间的距离，或者用自动，半自动化方法进行操作。辐射防护68屏蔽防护： “屏蔽防护”，就是在人与放射源之间放置屏蔽物，以达到减弱射线强度的目的。对外照射的防护“时间防护”与“距离防护”对不同的射线都一样可用，而“屏蔽防护”对不同的射线考虑是完全不同的。对于射线由于其射程短，连人的皮肤也穿透不过，一般可以不考虑其外照射防护。中子接触很少。主要考虑X射线，射线和射线的防护问题。辐射防护69屏蔽厚度计算 I I0e-(en)d 式中：I0 为没有屏蔽时某点的射线强度； I 为有屏蔽后，射线被衰减后

31、该点的射线强度； en 为屏蔽材料的质量衰减系数； d 为屏蔽材料的厚度。 辐射防护70不同射线的屏蔽材料的选择 射线：由于 射线的射程非常短，即使能量比较高的 射线，一张纸也能将它完全挡住，因此， 射线外照射一般不会对人类造成危害；但进入人体组织和器官时，其能量将全部被组织和器官所吸收，所以，要特别重视防止 射线的内照射。辐射防护71不同射线的屏蔽材料的选择 射线： 射线与物质相互作用时，一部分能量会以X射线（轫致辐射）的形式辐射出来，所产生的轫致辐射的强度既与物质的原子序数Z的平方成正比，还与 射线的能量成正比。如：能量为 1 MeV的 射线在铅（Z82）中有3的能量转化为轫致辐射（X射线），而在铝（Z13）中只有0.4%的能量转化为轫致辐射。 X射线的屏蔽要比 射线本身的屏蔽困难得多，所以，对 射线的屏蔽，一般要选用原子序数较低得物质，如有机玻璃和铝等，以减少轫致辐射产生的份额；但对活度和能量较高的 源，最好在轻材料屏蔽后面，再添加适当厚度的重物质屏蔽材料，以屏蔽轫致辐射。辐射防护72不同射线的屏蔽材料的选择X射线和 射线：他们与物质相互作用时，主要的三种形式是光电效应、康普顿散射和电子对产生，光电效应发生几率