(完整版)第四章外照射防护

核科学技术学院辐射防护与环境工程系

电离辐射剂量与防护概论第四章外照射的防护第一节外照射防护的一般方法第二节γ射线的外照射防护第三节β射线外照射的防护第四节中子外照射的防护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外照射防护的基本原则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

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。第一节外照射防护的一般方法二、

外照射防护的基本方法

外照射防护三要素：时间、距离、屏蔽剂量＝剂量率×时间1．时间防护(Time)

累积剂量与受照时间成正比

措施：充分准备，剂量分担，加强培训和操练2．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点状源：平方反比规律（当离源的距离为源的线度10倍以上时）3.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、吸收中等以上高Z材料、含氢、含硼材料水、石蜡、混凝土、聚乙烯；碳化硼铝、含硼聚乙烯等根据辐射类型的和应用的特点来选择，同时又要考虑经济代价和材料的易获得。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屏蔽物的半减弱厚度Δ1/2所需用屏蔽物的厚度，应根据不同情况，如辐射类型、辐射强度、防护水平等通过计算确定。在实际的防护中，有经验的工作人员可以凭半厚度的经验数据确定γ射线屏蔽材料的厚度。半减弱厚度——指某种屏蔽材料将入射的γ射线强度减弱一半的厚度。半厚度与γ射线能量有关。简言之，γ射线经过ｎ个半厚度的屏蔽层后，其强度将减弱到原来强度的1/2n。例题１：欲使60Co点源外某点的剂量率由800

Sv/h减弱至100

Sv/，问需多厚的铅屏蔽层？例题2：一点状γ源外4米处剂量率为200

Sv/h，欲使1米处工作人员半小时所受剂量不超过100

Sv，问须设至少多厚的铅屏蔽层？第二节γ射线的外照射防护（一）γ辐射源及剂量计算（二）γ射线在物质中的减弱规律（三）γ射线的屏蔽计算（一）γ辐射源及剂量计算1、γ点源的照射量率的计算(1)放射性活度A(2)照射量率常数

γ照射率常数

把源的活度A和照射率联系起来，其物理意义：距离单位活度的γ点源1米处，在1小时内所产生的照射率。点源

—距离比源本身的几何尺寸大5倍以上。(3)、照射量计算公式Dm－吸收剂量，J/kg；fm－因子，J/C；X－照射量，C/kg.Dm－吸收剂量，Gy；fm－因子，Gy/R；X－照射量，R.2、γ点源的空气吸收剂量率3、γ点源的吸收剂量率与粒子注量之间的关系前提条件：需满足带电粒子平衡条件！！4、γ点源的空气比释动能率5、γ点源的空气比释动能率与吸收剂量率的关系

在空气中，上述2个剂量学量相等，对于水、肌肉、软组织等一类物质，如果忽略它们分别的质能吸收系数的区别，可以近似认为2个量在数值上也是相等的。前提条件：需满足带电粒子平衡条件！！(1)基本思路

*任何一个辐射源,都可以分割成许多个小块辐射源,以致每一小块源都能被着成是一个点源；由于放射源的特殊性，因此源的形状一般比较固定，最多为点源，其余均可以归结于线源、面源、体源类型，而后三者可以看作是点源的集合体。*分割的许多个点源在某点上产生的剂量学量等于它们简单叠加---积分问题；*对于非点源,除了需要考虑它的形状,体积外,还要考虑辐射源自身的吸收与散射等因素对剂量的影响。非γ点源Q1Q2（二）X、γ射线在物质中的衰减规律一、窄束X或γ射线在物质中的减弱规律（是物质的质量厚度）1.两大特点(1)低能时,光电效应占优势;然后是康普粒子散射占优势;高能时电子对效应占优势.一、窄束X或γ射线在物质中的减弱规律1.两大特点(2)曲线在某个能量有极小值原因:故μ在某一特定能量(Eγ)min处出现最小值.实践意义：在(Eγ)min附近的光子在物质中的穿透本领最强，即最不易被减弱。Z>50的物质：(Eγ)min在3-4MeV之间低Z物质：(Eγ)min>10MeV(1)低能时,光电效应占优势;然后是康普粒子散射占优势;高能时电子对效应占优势.2.两个概念(1)能谱的硬化入射射线有谱分布,不同能量光子有不同μ值,μ大减弱得快,μ小减弱得慢。因此，随着通过物质的厚度增加，那些不易被减弱的“硬成分”所占比重会越来越大，这种现象称为能谱的硬化。(2)平均自由程λ

定义:λ=1/μ，它表示一个光子每经过一次相互作用之前，在物质中所穿过的平均厚度。

屏蔽厚度为几个平均自由程λ表示射线将减弱到原来的e的负几次方。适者生存！！！二、宽束X或γ射线在物质中的减弱规律1、积累因子的引入考虑到散射的影响，在宽束条件下：B、Bx为积累因子*窄束、宽束主要不是几何概念，而是物理概念。*一般，积累因子是指在所考察点上真正测量的某一辐射量的大小同用窄束减弱规律算得同一辐射量大小的比值。*对不同的辐射量,相应有不同的积累因子。*只有当d=0,B=1；一般B>1。说明:2、单一均匀介质的积累因子2、单一均匀介质的积累因子(1)累积因子数据:一般情况下：(2)Bx的近似解析表达式

对于各向同性点源，介质的Bx与材料厚度μd的关系可表达为:A1和a1、a2仅与材料和γ射线的能量有关，数值具体见P102表4.6;3、多层介质的积累因子在实验的基础上,归纳出积累因子。以双层屏蔽为例有:（1）双层介质的原子序数相差不大（2）两种原子序数相差很大*低Z在前,高Z在后

即总积累因子值,可以用高Z介质的代替，原因是光子从低Z介质中射出的散射光子很容易被后面的高Z介质吸收。*高Z在前,低Z在后当光子能量较低时：当光子能量较高,超过与高Z介质线减弱系数最小值相应的那个能量【例题】设注量率为1010m-2•s-1，能量为8MeV的单向γ光子束垂直入射到1m厚的水和0.08m厚的铅组成的双层以屏蔽结构上。试确定这两种不同介质应怎样排列，其屏蔽效果较好。已知，对于8MeV光子，注量率φ=1.3×106m-2•s-1相当于当量剂量率为1×10-2mSv•h-1。三、宽束X或γ射线屏蔽的透射曲线

在X、γ辐射场中，某一点上的或，与同一点上的照射量率成正比。故：1、屏蔽计算中用的几个参量a.减弱倍数K定义：无量纲,表示屏蔽层材料对辐射的屏蔽能力,对于给定的γ光子能量和屏蔽材料,μ和也就确定了，则可得K(d)。b.透视比η定义显然，

或、，即η、K互为倒数。～d为透射比曲线。c.透射系数ζ定义:设置厚度为d的屏蔽层之后，离X射线发射点1m处,由该射线装置单位工作负荷(1mA·min)所造成的当量剂量。单位为。2、半减弱厚度Δ1/2和十倍减弱厚度Δ1/10Δ1/2的定义:将入射X或γ光子数(注量率或照射量率等)减弱到一半所需的屏蔽层厚度。Δ1/10的定义:将入射X或γ光子数(注量率或照射量率等)减到十分之一所需的屏蔽层厚度。两者之间的联系:

*给定辐射在屏蔽介质中的Δ1/2和Δ1/10值并不是一个常数,而且随K的增加略有变化。*当辐射穿过一定厚度的物质层之后存在一个平衡的Δ1/2和Δ1/10,它们不能用于初级X或γ射线的屏蔽计算,但可用于经过相当程度减弱的射线束。说明四、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。（三）

射线的屏蔽计算（2）查透射比曲线（1）查减弱倍数表【例题】欲将放射性活度为3.7×1014Bq的60Co辐射源置于一个铅容器中，要求容器表面的当量剂量率小于2×10-3Sv•h-1，距容器表面1m处的当量剂量应小于10-4Sv•h-1。设设容器表面到源的距离r1=25cm，求铅容器的屏蔽层厚度。【例题】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。迄今，还没有一个满意的计算β射线剂量的理论方式。通常都用经验公式来作近似计算。一、β射线的剂量计算1、β点源的剂量计算当时：第三节β射线的外照射防护空气：软组织：一般情况下，粗略的估计：核素半衰期β射线最大能量，MeV

(分支比，%)β射线平均能量，

MeVH-3C-14S-35Ca-45Co-60Ni-63Sr-89Sr-90Y-90Cs-137Pm-147Au-198TI-204

混合裂变产物

天然铀12.35a5730a14.29d87.44d5.271a96a50.5d28.5a64.0h30.0a2.62a2.696d3.78a0.0186（100）0.1561（100）1.711(100)0.2587(100)0.3179(99.92)0.06587（100）1.488（99.985）0.546（100）2.284（99.984）0.5140（94.6）1.176（5.4）

0.225(～100）0.2853（1.3）0.9612（98.7）0.7634(97.45)

3.5

2.320.005710.04930.6950.04880.09580.017130.58150.19580.93480.17430.0479

0.0640.07960.31480.139

1.01

0.865某些放射性素β射线的最大能量和平均能量例题：设有一个活度为

的

点源，求离该点源30cm处，空气的吸收剂量率。解：当

衰变时,它放出0.546MeV的β射线后,转变为

,而

衰变时又放出2.284MeV的β射线。2、β面源的剂量计算一般情况下，简单的估算：当时：二、β射线的屏蔽计算经验公式：

β射线的能谱是连续谱，但是β射线的射程与能量为β射线最大能量的单能电子的射程相等。带电粒子的射程常用质量厚度（

）表示，其优点是因为屏蔽电子、β射线的常用材料，如铝、塑料、普通玻璃等，尽管它们的密度相差很大，但以

为单位的质量射程，数值上都很接近。当屏蔽层厚度小于β射线的最大射程时，β射线在屏蔽材料中的减弱可用β射线的半减弱层方法估算。Eβ，MeV△1/2Eβ，MeV△1/2Eβ，MeV△1/20.050.070.100.150.200.300.400.500.81.31.82.63.9711.717.50.60.70.80.91.01.21.41.6243037455370871071.822.533.544.55121140173210244280313350β射线在铝中的△1/2值，mg·cm-2二、β射线所致轫致辐射的屏蔽计算1、β射线所致轫致辐射的剂量计算2、β射线所致轫致辐射的屏蔽计算转移份额假定能量注量率吸收剂量率当量剂量率透射比例题：设活度为3.7*1010Bq的点状

32Pβ固体源，问用铝屏蔽β射线，其厚度为多少？当β射线被铝完全屏蔽时，由此产生的轫致辐射在0.2m处空气中的吸收剂量率为多大？若用铅屏蔽轫致辐射，那么铅屏蔽层为多厚？假设当量剂量率的控制水平

为

。解:β射线的最大能量为1.711Mev，平均能量为0.695Mev。铝的密度

，铝的有效原子序数即是它本身的原子序数Z为13。铝的射程铝的厚度查附表9得铅屏蔽层厚度为5.5cm吸收剂量率吸收剂量率透射比减弱倍数第四节中子的外照射防护一、放射性核素中子源二、中子剂量的计算三、中子在屏蔽层的减弱四、放射性核素中子源的屏蔽计算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。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。表3.4.1放射性核素中子源的特性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辐射钠–鈹锑–鈹釙–鈹镭–鈹钚–鈹钚–鈹鎇–鈹24Na124Sb210Po226Ra238Pu239Pu241Am（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-11.4二、中子剂量的计算

1.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（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：大块组织：中子辐射权重因子WR,中子当量剂量换算因子fHi，n和10μSv·h-1对应的中子注量率限值En，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-12.5×10-81×10-71×10-61×10-51×10-41×10-31×10-21×10-15×10-1125102050210Po-BEn＝2.8210Po-BeEn＝4.2226Ra-BeEn＝4.0239Pu-BeEn＝4.1241Am-BeEn＝4.5252Cf源En＝2.1322222227.41110.69.37.86.86.05.08.07.57.37.57.49.151.0681.1571.2631.2081.1571.0290.9925.78719.8432.6839.6840.6540.8542.7445.5433.135.534.535.239.533.21260.1240.1219.9230.0240.1270.0280.048.0014.008.6087.0006.8326.8006.5006.1008.4007.8408.0407.8807.0408.3642.当量剂量计算单能：连续谱：三、中子在屏蔽层中的减弱（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（阈能）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。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37.04.83.771.100.181.152.76324501960.6252119.20.170.0847.499.007.919.518.667.199.157.279.055.879.356.047.427.384.17（二）减弱规律窄束：宽束：（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一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。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。屏蔽材料对裂变中子的宏观分出截面与其微观分出截面

的关系为：如果屏蔽材料是混合物或化合物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原子量>10，宏观分出截面：Z元素原子量A密度ρ，g·cm-3宏观分出截面

，cm-1345613262728293047708292LiBeBCAlFeCoNiCuZnAgAuPbU6.9409.01310.8112.00126.98255.84758.93358.7063.54665.38107.87197207.22380.5341.852.5351.6702.6997.8658.9008.9008.9407.14010.50319.32011.34718.7000.044900.12480.14580.08380.07920.15600.17280.16930.16670.13060.14910.20450.11760.1816若干元素对裂变中子的宏观分出截面化合物化学式密度ρ，g·cm-3，cm-1轻水重水石蜡钢（1%碳）沙橡皮聚乙烯石油氢化钾氧化镁汽油硼化铁氧化铁氧化铝二氧化硅氧化钠氧化钾碳化硼砾石H2OD2OC30H62(C5H3)n(CH2)nLiHMgOC8H18FeBFe2O3Al2O3SiO2Na2OK2OB4C1.001.100.9527.832.200.920.920.8760.923.650.6396.05.124.02.322.272.321.810.100.09130.1090.1630.0820.0980.1100.1070.1400.1200.00950.1600.1340.1320.0760.0750.0600.0930.092某些化合物对裂变谱中子的宏观分出截面式中，

是中子能量，MeV。中子能量在1.5~20MeV范围内，上式算得的

值的准确度在2%左右氢的分出截面等于其总截面的90%，即（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

十倍减弱厚度使沿入射束方向的中子注量率减少到原来的1/10的屏蔽