第三章外照射防护大学课程《辐射与防护概论》课件

第三章外照射的防护

第一节外照射防护的一般方法

第二节X、γ射线的外照射防护

第三节带电粒子外照射的防护第四节中子外照射的防护1第一节外照射防护的一般方法一、

外照射防护的基本原则二、

外照射防护的基本方法三、

屏蔽材料的选择原则四、

确定屏蔽厚度所需用的参数和资料第一节外照射防护的一般方法2一、外照射防护的基本原则内外照射的特点外照射基本原则：

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。照射方式辐射源类型危害方式常见致电离粒子照射特点内照射多见开放源电离、化学毒性α、β持续外照射多见封闭源电离高能β、质子、、X、n间断第一节外照射防护的一般方法3二、

外照射防护的基本方法外照射防护三要素：

时间、距离、屏蔽第一节外照射防护的一般方法41．时间防护(Time)

累积剂量与受照时间成正比

措施：充分准备，减少受照时间第一节外照射防护的一般方法52．距离防护(Distance)

剂量率与距离的平方成反比（点源）

措施：远距离操作；

任何源不能直接用手操作；

注意β射线防护。第一节外照射防护的一般方法63.屏蔽防护(Shielding)措施：

设置屏蔽体

屏蔽材料和厚度的选择：辐射源的类型、射线能量、活度

第一节外照射防护的一般方法7第一节外照射防护的一般方法8屏蔽防护9

三、屏蔽材料的选择原则射线类型作用的主要形式材料选择原则常用屏蔽材料电离、激发一般低Z材料纸、铝箔、有机玻璃等、e电离、激发、轫致辐射低Z＋高Z材料铝、有机玻璃、混凝土、铅P、d核反应产生中子高Z材料钽、钚X、光电、康普顿、电子对高Z材料铅、铁、钨、铀；混凝土、砖、去离子水等n弹性、非弹性、吸收含氢、含硼材料水、石蜡、混凝土、聚乙烯；碳化硼铝、含硼聚乙烯等第一节外照射防护的一般方法10四、确定屏蔽厚度所需用的参数和资料

有关问题主要考虑的参数辐射源（或装置）辐射类型、能谱、角分布、发射率、活度或工作负荷等辐射场辐射场空间分布、距离、居留因子屏蔽层外表面剂量控制参考值根据相关标准推算出控制区、监督区边界的剂量控制值屏蔽层厚度选择适当的材料，根据透视比确定屏蔽层厚度第一节外照射防护的一般方法11居留因子T居留因子T种类举例T＝1全居留值班室、控制室、工作室、实验室、车间、放射工作人员经常用的休息室；宿舍；儿童娱乐场所；宽得足以放办公桌的走廊；暗室。T＝1/4部分居留容不下放办公桌的走廊；杂用房；不常用的休息室；有司机的电梯；无人看管的停车场。T＝1/16偶然居留候诊室；厕所；楼梯；自动电梯；储藏室；人行道、街道。第一节外照射防护的一般方法12第二节X、γ射线的外照射防护

一、X、γ辐射源及辐射场二、X、γ射线在物质中的减弱规律三、X、γ射线的屏蔽计算第二节X、γ射线的外照射防护13一、X、γ辐射源及辐射场（一）X射线机第二节X、γ射线的外照射防护14X射线剂量的计算：（1）X射线机的发射率常数X：当管电流为1mA时，距离靶1m处，由初级射线束产生的空气比释动能率，单位：mGy·m2·mA-1·min-1。（2）X射线剂量率的计算：单位：mGy·min-1第二节X、γ射线的外照射防护15（二）加速器X射线源（1）加速器X射线的发射率常数a：单位束流（1mA），在标准距离1m处所形成的吸收剂量率，Gy·m2·mA-1·min-1。第二节X、γ射线的外照射防护16低Z厚靶修正<1MeV，最大发射率方向与电子束垂直；电子能量增高，最大发射率方向偏向电子束方向。第二节X、γ射线的外照射防护171.放射性活度：用于表征某一物质中放射性核素总数的量度。

式中：dN是在时间间隔dt内，该核素发生核跃迁次数的期望值。单位：贝可［勒尔］（Becquerel）；符号Bq。（三）γ辐射源点源

—距离比源本身的几何尺寸大5倍以上。第二节X、γ射线的外照射防护182.点源的照射量率计算照射量率常数非单能情况：第二节X、γ射线的外照射防护19203.点源的吸收剂量率计算第二节X、γ射线的外照射防护4.比释动能率常数21[例]计算3.7×1010Bq（1居里）的60Co源在1米处的照射量率为多少？在空气和皮下肌肉组织内的吸收剂量率为多少？第二节X、γ射线的外照射防护225、非点源的照射量率、比释动能率计算辐射源大小、形状差别，不能简单视为点源；进行积分计算；还要考虑源本身的吸收和散射的影响；线源情况下，当距离比辐射源本身尺寸大5倍以上时，将其视为点源引入的误差在0.5％以内。第二节X、γ射线的外照射防护23二、X、γ射线在物质中的减弱规律（一）、窄束X、γ射线的减弱规律（二）、宽束X、γ射线的减弱规律

单一均匀介质的积累因子

（三）、宽束X、γ射线的透射曲线

（四）、屏蔽X、γ射线的常用材料第二节X、γ射线的外照射防护24（一）、窄束X或γ射线的减弱规律（1）窄束（narrowbeam）：不包含散射成分的射线束（2）窄束单能γ射线在物质中的减弱规律μ—线衰减系数，cm-1。第二节X、γ射线的外照射防护25低能光子更易被高Z物质吸收；存在一个能量点，μ值最小。第二节X、γ射线的外照射防护26（3）两个概念

能谱的硬化：平均自由程：随着通过物质厚度的增加，不易被减弱的“硬成分”所占比重越来越大的现象。线减弱系数的倒数称为光子在物质中的平均自由程。即λ=1/μ。表示光子每经过一次相互作用之前，在物质中所穿行的平均厚度。如果d＝λ，即厚度等于一个平均自由程，X或γ射线被减弱到原来的e-1。康普顿效应占优时，估算，第二节X、γ射线的外照射防护27（二）、

宽束X或γ射线的减弱规律

第二节X、γ射线的外照射防护28描述散射光子影响的物理量。表示某一点散射光子数所占份额。

B取决于：源的形状，光子能量，屏蔽材料的原子序数，屏蔽层厚度，屏蔽层几何条件给定辐射源和屏蔽介质的话，只与光子能量E和介质厚度（平均自由程数μd）有关，即B（Eγ，μd）。B－积累因子（build-upfactor)第二节X、γ射线的外照射防护29第二节X、γ射线的外照射防护30第二节X、γ射线的外照射防护31单层介质，B值的确定：（1）查表法；（2）公式法第二节X、γ射线的外照射防护32（3）多层介质情况两种介质的原子序数相差不大，两种介质的原子序数相差很大，1）低Z介质在前，高Z介质在后：2）高Z介质在前，低Z介质在后：能量高时，能量低时，

排列屏蔽材料时，应低Z在前，高Z在后。第二节X、γ射线的外照射防护33介质分布对积累因子的影响第二节X、γ射线的外照射防护34（三）、宽束X或γ射线的透射曲线（1）减弱倍数K

辐射场中某点处没有设置屏蔽层时的当量剂量率H(0)，与设置厚度为d的屏蔽层后的当量剂量率H(d)的比值。表示屏蔽材料对辐射的屏蔽能力，无量纲。1.屏蔽计算中用的几个参量第二节X、γ射线的外照射防护35第二节X、γ射线的外照射防护36第二节X、γ射线的外照射防护37（2）透射比η

辐射场中某点处设置厚度为d的屏蔽层后的当量剂量率H(d)，与没有设置屏蔽层时的当量剂量率H(0)，的比值。第二节X、γ射线的外照射防护38第二节X、γ射线的外照射防护39第二节X、γ射线的外照射防护40（3）透射系数

设置厚度为d的屏蔽层后，离X射线发射点1m处，单位工作负荷（1mA·min）所造成的当量剂量。单位：Sv·m2·（mA·min）-1。第二节X、γ射线的外照射防护412.半减弱厚度与十倍减弱厚度（1）半减弱厚度△1/2：halfvaluethickness

将入射光子数（注量率或照射量率等）减弱一半所需 的屏蔽层厚度（2）十倍减弱厚度△1/10

：tenthvaluethickness

将入射光子数（注量率或照射量率等）减弱到十分之 一所需的屏蔽层厚度△1/2、△1/10

并不是绝对的常数第二节X、γ射线的外照射防护42第二节X、γ射线的外照射防护43第二节X、γ射线的外照射防护44第二节X、γ射线的外照射防护45（四）、屏蔽X或γ射线的常用材料1.铅：原子序数、密度大，对低能和高能的X或γ射线有很高的减弱能力，但在1Mev到几Mev的能区，减弱能力最差。

缺点：成本高，结构强度差，不耐高温。2.铁：屏蔽性能比铅差。但成本低，易获得，易加工。3.混凝土：价格便宜，结构性能良好。多用作固定的防护屏障。4.水：屏蔽性能较差，但有特殊优点：透明度好，可随意将物品放入其中。常以水井、水池形式贮存固体γ辐射源。第二节X、γ射线的外照射防护46三、X、γ射线的屏蔽计算1.加速器X射线源的屏蔽计算（1）查透射比曲线（2）减弱倍数计算第二节X、γ射线的外照射防护47对90º方向要进行修正：（1）发射率常数修正；（2）等效入射电子能量E’修正。第二节X、γ射线的外照射防护48第二节X、γ射线的外照射防护49第二节X、γ射线的外照射防护502.射线的屏蔽计算（2）查透射比曲线（1）查减弱倍数表第二节X、γ射线的外照射防护51【例】钴治疗机机头内，贮源位置处盛放着一个活度为3.33×1014Bq的60Co辐射源，要求在机头外表面处的剂量当量率不超过7.5×10-6Sv·h-1水平。试确定所需铅屏蔽层的厚度。第二节X、γ射线的外照射防护52作业P1037题8题10题11题53543.X、射线屏蔽中的一些特殊问题（1）阴影屏蔽第二节X、γ射线的外照射防护55散射剂量计算：第二节X、γ射线的外照射防护56（2）屋顶屏蔽最大允许剂量当量率，mSv/h;源上方1m处剂量率Gy·m2/mindi：源到屋顶上方2m处距离，m;源对屏蔽墙所张的立体角，Sr第二节X、γ射线的外照射防护57第二节X、γ射线的外照射防护58（3）门窗注意门窗厚度及散射辐射的影响（4）缝隙泄漏不能有直通缝；孔道要设计成圆弧、螺旋或阶梯形；迷宫可设计为或形。第二节X、γ射线的外照射防护59第三节带电粒子的外照射防护一、β射线的剂量计算二、β射线的屏蔽防护三、重带电粒子的剂量计算四、重带电粒子的屏蔽防护第三节带电粒子的外照射防护60一、β射线的剂量计算1.单能电子束单位：mGy/h式中：第三节带电粒子的外照射防护61第三节带电粒子的外照射防护622.β射线特点：β射线的能谱是连续谱；散射很显著，情况复杂；通常用经验公式近似计算。点源空气中吸收剂量的粗略估算式中：A是活度，Bq；r是距离，m。单位：Gy/h第三节带电粒子的外照射防护63二、β射线的屏蔽防护β射线的屏蔽要分两层：先轻Z，后重Z。屏蔽材料的厚度一般应等于射线在物质中的最大射程。第三节带电粒子的外照射防护641.经验公式（或查图）计算最大射程式中：Rmax—射线在铝中的最大射程（g/cm2）；Emax—射线的最大能量（MeV）。第三节带电粒子的外照射防护6566第三节带电粒子的外照射防护67介质修正：式中：第三节带电粒子的外照射防护68有效原子序数：Zi—第i种元素的原子序数；i—是原子数之比。有效原子量：MAi—第i种元素的原子量；i—是原子数之比。第三节带电粒子的外照射防护69第三节带电粒子的外照射防护70第三节带电粒子的外照射防护712.轫致辐射的屏蔽计算第三节带电粒子的外照射防护72式中：F—射线被第一屏蔽层吸收时产生轫致辐射的份额；μ—射线在空气中的线衰减系数，cm-1。第三节带电粒子的外照射防护73式中：第三节带电粒子的外照射防护74第四节中子的外照射防护一、中子辐射源二、中子剂量计算三、中子在屏蔽层的减弱规律四、中子屏蔽计算75放射性核素中子源加速器中子源反应堆中子源等离子体中子源一、中子辐射源中子源注意事项：往往伴有辐射。第四节中子的外照射防护76放射性核素中子源优点：—发出的中子基本各向同性；

—源的尺寸小；

—价格便宜。缺点：—产额小，且随时间减弱；

—易形成污染。第四节中子的外照射防护77表3.4.1放射性核素中子源的特性靶核名称放射性核素反应类型半衰期T1/2中子最大能量MeV中子平均能量MeV中子产额y,×10-6S-1•Bq-1中子源发射率为106s-1,距离1m处的γ照射量率,×10-7C•kg-1•h-1中子能谱伴随γ辐射BeBeBe

Be

Be

Be

Be

Be24Na124Sb210Po226Ra238Pu239Pu241Am(γ,n)(γ,n)(α,n)(α,n)(α,n)(α,n)(α,n)15.0h60.4d138.4d1620a87.75a24390a432a10.8713.0811.310.7411.50.830.0294.24.04.54.14.53.515.1467.640554.143.254.13.76×1041.33×1040.103155＜1.294.39＜2.58单能单能连续连续连续连续连续非常强非常强很低很低低低低第四节中子的外照射防护78表3.4.2252Cf自发裂变中子源的物理特性衰变方式α衰变几率96.8％自发裂变几率3.2％半衰期α衰变的Td2.73a自发裂变的Tef85.5a总的T1/22.659a自发裂变中子产额，s-1‧μg-12.32×106，MeV2.13，中子/自发裂变3.76γ发射率，s-1‧μg-11.3×107在空气中1m处的剂量率（无屏蔽情况）中子，μSv‧h-1‧μg-124γ，μGy‧h-1‧μg-11.479第四节中子的外照射防护80加速器中子源T(d,n)4He反应的优点是中子能量高（10～30MeV），即使氘核能量低到0.1MeV，通过T(d,n)4He反应也能获得接近14MeV的单能中子。第四节中子的外照射防护8182表3.4.3各种核反应在轻核上所产生的中子最大能量靶核12C3H7Li13C2H9Be3H轰击粒子dppαdαd轰击粒子的能量，MeV

θ

0方向中子能量，MeV012510—0.691.684.649.57——1.204.229.23——0.233.338.352.073.204.167.0011.62.454.145.248.2413.025.276.687.7110.6015.2314.0516.7518.2621.9827.4283加速器（，n）中子源：

—

连续谱第四节中子的外照射防护84表3.4.4某些天然核素的（γ、n）反应阈能（1）反应式阈能

MeV半衰期T1/2反应式阈能MeV半衰期T1/22H（γ，n）1H2.2355Mn（γ，n）54Mn

10.0312.5d6Li（γ，np）4He

3.759Co（γ，n）58Co10.2571.3d6Li（γ，n）5Li

5.758Ni（γ，n）57Ni11.736h7Li（γ，n）6Li

7.363Cu（γ，n）62Cu119.74m9Be（γ，n）8Be1.6765Cu（γ，n）64Cu9.912.9h14N（γ，n）13N10.510.0m64Zn（γ，n）63Zn11.638m19F（γ，n）18F10.4109.7m70Zn（γ，n）69Zn9.252.0m35Cl（γ，n）34mCl9.9575As（γ，n）74As10.117.77d85反应式阈能MeV半衰期T1/2反应式阈能MeV半衰期T1/282Se（γ，n）81Se9.817.0m123Sb（γ，n）122Sb9.32.72d87Rb（γ，n）86Nb9.318.66d127I（γ，n）126I9.112.8d93Nb（γ，n）92Nb8.86141Pr（γ，n）140Pr9.43.6m103Rh（γ，n）102Rh9.4181Ta（γ，n）180Ta7.68.1h107Ag（γ，n）106，106mAg9.524.0m/8.3d182W（γ，n）181W8.0130.0d109Ag（γ，n）108Ag9.052.41m197Au（γ，n）196Au8.16.2d/9.7h115In（γ，n）114，114mIn9.072.0s/50.0d204Pb（γ，n）203Pb8.26.1s/52h121Sb（γ，n）120Sb9.2517.0m209Bi（γ，n）208Bi7.4表3.4.4某些天然核素的（γ、n）反应阈能（2）86表3.4.5核素丰度及（γ,n）反应阈值（1）NCRP-79核素丰度EthMeV核素丰度EthMeV2H0.02％2.2326Mg11.01％11.099Be100％1.6727Al100％13.0612C98.89％18.8928Si92.23％17.1813C1.11％4.9529Si4.67％8.4714N99.36％10.5530Si3.10％10.6115N0.37％10.8332S95.02％15.0416O99.76％15.634S4.21％11.4217O0.04％4.1435Cl75.77％12.6518O0.20％8.0437Cl24.23％10.3123Na100％12.0550Cr4.4％13.0024Mg78.99％16.5352Cr83.8％12.0425Mg10.0％7.3353Cr9.5％7.9487

表3.4.5核素丰度及（γ,n）反应阈值（2）核素丰度Eth,MeV核素丰度Eth,MeV54Cr2.4％9.7263Cu69.2％10.8555Mn100％10.2365Cu30.8％9.9154Fe5.90％13.3864Zn48.6％11.8656Fe91.72％11.2066Zn27.9％11.0657Fe2.10％7.6567Zn4.1％7.0558Fe0.28％10.0468Zn18.7％10.2059Co100％10.4570Zn0.6％9.2158Ni68.2％12.2106Cd1.25％10.8760Ni26.1％11.34108Cd0.89％10.3361Ni1.1％7.82110Cd12.49％9.9262Ni3.5％10.60111Cd12.80％6.9764Ni0.9％9.66112Cd24.13％9.4088

表3.4.5核素丰度及（γ,n）反应阈值（3）核素丰度Eth,MeV核素丰度Eth,MeV113Cd12.22％6.54195Pt33.8％6.11114Cd28.73％9.04196Pt25.3％7.92116Cd7.49％8.70

198Pt

7.2％

7.5181Ta99.99％7.58197Au100％8.07180W0.12％8.41204Pb1.4％8.4182W26.30％8.07206Pb24.10％8.09183W14.28％6.19207Pb22.10％6.74184W30.70％7.41208Pb52.40％7.37186W28.60％7.19234U0.01％6.84190Pt0.1％8.8235U0.72％5.30192Pt0.8％8.7238U99.27％6.15194Pt32.9％8.3889第四节中子的外照射防护90反应堆中子源：

—中子数量大，能谱宽（0.075~17MeV）第四节中子的外照射防护91二、中子剂量的计算

（一）中子与机体组织相互作用的特点

表3.4.6中子在机体组织中发生的重要的相互作用（En100MeV）第四节中子的外照射防护元素相互作用氢弹性散射辐射俘获H（n，γ）D碳弹性散射非弹性散射C（n，n´3α）和C（n，n´α）Be反应氮弹性散射非弹性散射N（n，p）C，N（n，d）C，N（n，t）C，N（n，α）B，N（n，2α）Li和N（n，2n）N反应氧弹性散射非弹性散射O（n，α）C和O（n，p）N反应92被组织吸收热中子放出的0.6MeV反冲质子、2.2MeV射线最终被机体吸收。第四节中子的外照射防护93作业P10316题18题20题22题23题94（二）中子剂量的计算1.比释动能计算式中为中子比释动能因子。吸收剂量：小块组织：第四节中子的外照射防护95大块组织：第四节中子的外照射防护96表3.4.7中子辐射权重因子WR，中子当量剂量换算因子

fHi，n和对应的中子注量率10μSv·h-1En，MeV辐射权重因子WR当量剂量换算因子fHi，n×10-15Sv·m2中子注量率φLCm-2·s-1

2.5×10-81×10-71×10-61×10-51×10-41×10-31×10-21×10-15×10-1125102050210Po-BEn＝2.8210Po-BeEn＝4.2226Ra-BeEn＝4.0239Pu-BeEn＝4.1241Am-BeEn＝4.5252Cf源En＝2.1322222227.41110.69.37.86.86.05.08.07.57.37.57.49.15

1.0681.1571.2631.2081.1571.0290.9925.78719.8432.6839.6840.6540.8542.7445.5433.135.534.535.239.533.21260.1240.1219.9230.0240.1270.0280.048.0014.008.6087.0006.8326.8006.5006.1008.4007.8408.0407.8807.0408.3642.当量剂量计算单能：连续谱：第四节中子的外照射防护97思考题已知Cｆ－252源的能谱如下图，写出周围剂量当量，H＊(10)的表达式。注量能量（MｅV）98三、中子在屏蔽层中的减弱规律（一）减弱原理第一步：快中子通过与物质的非弹性散射和弹性散射，慢化成热中子；第二步：热中子被物质俘获吸收。首先用重或较重的物质，通过非弹性散射使中子能量很快降到与原子核第一激发能级能量以下；然后，再利用含氢物质，通过弹性散射使中子能量降到热能区。第四节中子的外照射防护99表3.4.8某些元素的热中子吸收截面及相应俘获γ辐射的最大能量元素热中子（n,γ）截面俘获γ之最高能量，MeV元素热中子（n,γ）截面俘获γ之最高能量，MeV氢硼-101）氮钠镁铝硅磷钙钪钛钒铬锰铁0.03238370.0750.5340.0360.2350.1600.1900.44245.84.983.113.22.352.230.47810.86.4110.097.7210.597.947.838.8510.477.989.727.2610.16钴镍铜锌锆鈮钼银镉铟锡钽钨铅铋37.04.83.771.100.181.152.76324501960.6252119.20.170.0847.499.007.919.518.667.199.157.279.055.879.356.047.427.384.171）系指（n，α）反应的截面及其伴随的γ光子能量。100101

ENDF-B/VI

JEF-2

JENDL-3

BROND-2

CENDL-3

EXFOR102（二）减弱规律窄束：宽束：第四节中子的外照射防护103（三）计算宽束中子减弱的分出截面法原理：通过屏蔽材料的选择使得中子－－经散射就很快被吸收，穿过屏蔽层的都是未经相互作用的中子。满足简单的指数规律第四节中子的外照射防护104屏蔽材料必须满足的条件：（1）屏蔽层足够厚；（2）屏蔽层含像铁、铅之类的重材料，通过非弹性散射将中子能量很快降到1MeV以下；（3）屏蔽层内含有足够的氢，在很短距离内，将中子能量从1MeV降到热能，然后被吸收。宏观分出截面第四节中子的外照射防护105表3.4.9对于裂变中子的宏观分出截面材料普通土含水10％石墨ρ＝1.54普通混凝土水石蜡聚乙烯铁∑R，cm-10.0410.07850.0890.1030.1180.1230.1576第四节中子的外照射防护原子量>10，宏观分出截面：106（四）计算宽束中子的透射曲线中子辐射透射系数单位中子注量在屏蔽体后造成的剂量当量，单位Sv·cm2。：中子透射比中子减弱倍数第四节中子的外照射防护107108（五）计算宽束中子的十倍减弱厚度第四节中子的外照射防护109110表3.4.10核反应、加速粒子能量以及由此产生的