辐射防护基础知识 1

1、辐射安全与防护,原子核物理与放射性 基础知识培训,郑州大学物理工程学院 赵书俊() 2014年5月,1,辐射安全与防护,原子核物理与放射性基础知识 了解原子核物理基础 熟悉放射性的概念、衰变及其规律 熟悉射线与物质的相互作用 了解辐射探测方法 熟悉辐射剂量与生物效应 掌握辐射防护基础,2,原子核物理基础,知识要点： 原子与原子核 原子核的组成及其稳定性 原子核的大小 原子核的结合能,辐射安全与防护原子核物理基础,3,原子和原子核（1） 威廉康拉德伦琴，德国物理学家，1895年1月5日，发现X射线。他因此于1901年获第一次诺贝尔物理学奖金。这一发现宣布了现代物理学时代的到来，使医学发生了革命。

2、,辐射安全与防护原子核物理基础,4,原子和原子核（2） 受伦琴的影响，1896年法国科学家贝克勒尔(A. H. Becquerel)发现天然放射性现象，人类第一次观察到核变化，这一重大发现是原子核物理的开端，因为该发现1903年贝克勒尔和居里夫人被共同授予诺贝尔奖。,辐射安全与防护原子核物理基础,5,原子和原子核,3） 万物是由原子、分子构成，每一种原子对应一种化学元素。目前，人们已知一百多种元素。 现代化学的元素周期律是1869年俄国科学家门捷列夫(Dmitri Mendeleev)首创的。,辐射安全与防护原子核物理基础,6,辐射安全与防护原子核物理基础,元素周期表,7,原子和原子核（4）

3、1911年卢瑟福根据粒子的散射实验提出了原子由原子核和核外电子组成的假设。核外电子的运动构成了原子物理学的主要内容，而原子核成了原子核物理学的主要研究对象。原子和原子核是物质结构的两个层次，但也是互相关联又泾渭分明的两个层次。,辐射安全与防护原子核物理基础,8,原子和原子核（5） 电子带负电荷，电子电荷的值为： e=1.60217733x10-19C，且电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整倍数。电子的质量为me=9.1093897x10-31kg。 原子核带正电荷，集中了原子的全部正电荷。 原子的大小是由核外运动的电子所占的空间范围来表征的，原子可以设想为电子在以原子核为中心的、距核非常远的

4、若干轨道上运行。原子的大小半径约为10-8cm的量级 。,辐射安全与防护原子核物理基础,9,原子和原子核（6） 原子核的质量远超过核外电子的总质量，原子的质量中心与原子核的质量中心非常接近。原子核的线度只有几十飞米(1fm=10-15m=10-13cm)，而密度高达108t.cm-3 。 物质的许多化学性质及物理性质、光谱特性基本上只与核外电子有关；而放射现象则主要与原子核有关 。,辐射安全与防护原子核物理基础,10,原子核的组成及其稳定性（1） 知识要点：核的组成、核素/同位素/同质异能素、核的稳定性,辐射安全与防护原子核物理基础,1932年查德威克发现中子，海森堡提出原子核由质子和中子组成

5、的假设 。中子为中性粒子，质子为带有单位正电荷的粒子。查德威克因发现中子的杰出贡献，获得1935年诺贝尔物理学奖。,11,原子核的组成及其稳定性（2） 中子和质子的质量相差甚微，它们的质量分别为：mn=1.00866492u，mp=1.00727646u，u为原子质量单位。1960年国际上规定把碳-12(12C)原子质量的1/12定义为原子质量单位，用u表示， 1u=1.66054020.0000010 x10-27kg =931.494013MeV/c2 。,辐射安全与防护原子核物理基础,12,原子核的质量数：A称为原子核的质量数，A = Z + N 原子序数：原子核内的质子数Z又称为原子序

6、数，它决定了该核素在元素周期表里的位置,辐射安全与防护原子核物理基础,13,原子核的组成及其稳定性（4） 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密切的关系。 核素图必须是一个含有N-Z数的两维图。在现代核素图上，既包括了天然存在的332个核素(其中280多个是稳定核素)，也包括了自1934年以来人工制造的1600多个放射性核素，一共约2000个核素。,辐射安全与防护原子核物理基础,14,原子核的组成及其稳定性（5）,辐射安全与防护原子核物理基础,15,原子核的结合能（1） 知识要点：质能联系定律、质量亏损、核的结合能

7、E=mc2称为质能关系式， 也就是质能联系定律 。 原子核的质量亏损为组成原子核的Z个质子和(A-Z)个中子的质量与该原子核的质量之差。从原子核的质量亏损的定义可以明确的看出，所有的核都存在质量亏损，即m（Z,A）0。 m（Z,A）=Zmp+(A-Z)mn-m(Z,A) ，其中 m（Z,A）为电荷数为Z、质量数为A的原子核的质量 。,辐射安全与防护原子核物理基础,16,原子核的结合能（2） 既然原子核的质量亏损m（Z,A）0 ，由质能关系式，那么相应能量的减少就是 E=mc2 0 。这表明核子结合成原子核时，会释放出能量，这个能量称之为结合能。 一个中子和一个质子组成氘核时，会释放一部分能量2

8、.225MeV, 这就是氘的结合能。它已为精确的实验测量所证明。实验还证实了它的逆过程：当有能量为2.225MeV的光子照射氘核时, 氘核将一分为二, 飞出质子和中子。,辐射安全与防护原子核物理基础,17,原子核的结合能（3） 结合能: B(Z,A)= mc2 比结合能:(Z,A)= B(Z,A)/A= mc2/A 比结合能的物理意义为原子核拆散成自由核子时，外界对每个核子所做的最小的平均功，或者说，它表示核子结合成原子核时，平均一个核子所释放的能量。 比结合能表征了原子核结合的松紧程度。比结合能大，原子核结合紧，稳定性高；比结合能小，结合松，稳定性差。,辐射安全与防护原子核物理基础,18,能

9、量单位,电子伏特eV： 一个电子在真空中通过电位差为1V（伏特）的电场所获得的能量。 1 eV=1.602210-19C 1V(焦耳) 1keV=103eV 1MeV=103keV =106eV 1GeV=103MeV= 109eV,辐射安全与防护原子核物理基础,19,原子核的结合能（4） 当结合能小的核变成结合能大的核，即当结合得比较松的核变到结合得紧的核，就会释放能量（所谓原子能）。 从比结合能曲线可以看出,有两个途径可以获得能量： 重核裂变，即一个重核分裂成两个中等质量的核； 轻核聚变，即两个轻核融合为一个较重质量的核。 人们依靠重核裂变的原理制造出原子核反应堆与原子弹，依靠轻核聚变的原

10、理制造出氢弹和人们正在探索的可控聚变反应。,辐射安全与防护原子核物理基础,20,8.79,7.07,1.112,比结合能曲线,辐射安全与防护原子核物理基础,21,原子核裂变,辐射安全与防护原子核物理基础,22,原子核裂变的应用反应堆简图,辐射安全与防护原子核物理基础,23,原子核裂变的应用原子弹简图,辐射安全与防护原子核物理基础,24,辐射安全与防护原子核物理基础,25,辐射安全与防护原子核物理基础,原子核聚变的应用氢弹和核聚变反应堆,26,辐射安全与防护原子核物理基础,原子核聚变的应用氢弹和核聚变反应堆,实现可控制的核聚变反应，打造一个“人造太阳”，已成为当今世界挡不住的一大诱惑。因为，这可

11、以一劳永逸地解决人类存在的能源短缺问题。 2007年5月24日，在欧盟总部布鲁塞尔，中国、欧盟、美国、韩国、日本、俄罗斯和印度7方代表共同草签了成立国际组织联合实施国际热核聚变反应堆（ITER）计划的协定，这意味着与此相关的科研项目将全面启动，“人造太阳”将由梦想逐步变为现实。 ITER计划是一项重大的国际科技合作计划。它的目标是要建造可控制的核聚变反应堆，最终实现商业运行。,27,放射性的概念、衰变及其规律,知识要点： 原子核的衰变与放射性核素 放射性衰变的基本规律 放射规律的应用,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,28,原子核的衰变与放射性核素（1） 知识要点：放射性核素、核衰变 不稳定

12、核素是指其原子核会自发地转变成另一种原子核或另一种状态并伴随一些粒子或碎片的发射，它又称为放射性原子核 。 在无外界影响下，原子核自发地发生转变的现象称为原子核的衰变，核衰变有多种形式，如衰变，衰变，衰变，还有自发裂变及发射中子、质子的蜕变过程。不稳定原子核会自发地发生衰变。,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,29,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,30,放射性衰变的基本规律（1） 知识要点：指数衰变规律、衰变常数/半衰期/平均寿命、放射性活度 实验表明，任何放射性物质在单独存在时都服从相同的指数衰减规律。指数衰减规律不仅适用于单一放射性衰变，而且对于同时存在分支衰变的过程，指数衰减规律也

13、是适用的，这是一个普遍的规律。 指数衰减规律: N(t)=N0e-t 对各种不同的核素来说，它们衰变的快慢又各不相同，这反映在它们的衰变常数（或半衰期/平均寿命）各不相同，所以衰变常数又反映了它们的个性。,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,31,放射性衰变的基本规律（2） 知识要点：指数衰变规律、衰变常数/半衰期/平均寿命、放射性活度 应该指出，放射性指数衰减规律是一种统计规律，它是由大量的全同原子核参与衰变而得到的。对于单个原子核的衰变，只能说它具有一定的衰变概率，而不能确切地确定它何时发生衰变。 实验发现，用加压、加热、加电磁场、机械运动等物理或化学手段不能改变指数衰减规律，也不能改变其

14、衰变常数。这表明，放射性衰变是由原子核内部运动规律所决定的,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,32,放射性衰变的基本规律（3） 衰变常数是单位时间内（单一放射性物质）一个原子核发生衰变的概率，其单位为时间的倒数：s-1，min-1，h-1，d-1，a-1等。 衰变常数表征该放射性核素衰变的快慢，越大，衰变越快；越小，衰变越慢。实验指出，每种放射性核素都有确定的衰变常数，衰变常数的大小与这种核素如何形成的或何时形成的都无关。,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,33,放射性衰变的基本规律（4） 放射性核素衰变掉一半所需要的时间，叫做该放射性核素的半衰期 T1/2，单位为s，min，h，d，a等

15、。根据指数衰变规律，可得： T1/2=ln2/=0.693/ 还可以用平均寿命来量度衰变的快慢， 简称寿命。 平均寿命比半衰期长一点， 是T1/2的1.44倍。放射性核素的平均寿命表示经过时间以后，剩下的核素数目约为原来的37%。,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,34,222Rn的衰变曲线,实验发现，放射性核素 放出一个粒子，变成 （钋），而 的数目每4天减少一半。,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,35,放射性衰变的基本规律（5） 一个放射源在单位时间内发生衰变的原子核数称为它的放射性活度，通常用符号A表示。 如果一个放射源在t时刻含有N(t)个放射性原子核，放射源核素的衰变常数为 ，

16、则这个放射源的放射性活度为 A(t)=-dN(t)/dt= N(t)=A(0)e-t 上式可见，一个放射源的放射性活度也应随时间增加而指数地衰减 。,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,36,放射性衰变的基本规律（6） 由于历史的原因，放射性活度采用居里(Ci)为单位。1950年，为了统一起见，国际上共同规定：一个放射源每秒钟有3.71010次核衰变定义为一个居里，即： 1Ci=3.71010s-1 更小的单位有毫居里(1mCi=10-3Ci)和微居里(1Ci=10-6Ci)。在1975年国际计量大会(General Conference on Weights and Measures)上，规

17、定了放射性活度的SI单位叫Bq(贝克勒尔)，1Bq=1s-1 应该指出，放射性活度仅仅是指单位时间内原子核衰变的数目，而不是指在衰变过程中放射出的粒子数目。,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,37,放射规律的应用（1） 知识要点：放射源活度的确定、确定人工放射性制备时间 放射源活度的确定: A(t) =N(t), N(t)=M x NA/A NA=6.022x1023mol-1, A是放射源物质的质量数。 人工生成的放射性核数呈指数增长，要达到饱和值，必须经过相当长的时间。需要半衰期的六七倍时间，即可得到放射性活度为饱和值的99%的放射源。如果再延长时间，也只增加其中的1%而已，这是不合算的

18、。,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,38,放射规律的应用（2）,例：单一放射性核素137Cs ，1984年3月9日制备时的质量为 W=2105g。已知137Cs的原子量 A=136.907，半衰期T1/2=30.17年。 请计算该源2004年3月9日的放射性活度。 解：根据： 先来计算1984年源制备时的137Cs核数， 137Cs的衰变常数：,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,39,1984年137Cs源的放射性活度：,2004年137Cs源的放射性活度：,137Cs源经过20年，其放射性活度减弱为原来的63。,辐射安全与防护原子核的放射性及规律,40,射线与物质的相互作用,知识要点：

19、 常用的核辐射类型及特征 射线与物质相互作用,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,41,常用的核辐射类型及特征（1） 知识要点：、射线及X射线 辐射的定义是指以波或粒子的形式向周围空间或物质发射并在其中传播的能量（如声辐射、热辐射、电磁辐射、粒子辐射等）的统称。 物体受热向周围介质发射热量叫做热辐射； 受激原子退激时发射的紫外线或X射线叫做原子辐射； 不稳定的原子核发生衰变时发射出的微观粒子叫做原子核辐射，简称核辐射。通常论及的“辐射”概念是狭义的，仅指高能电磁辐射和粒子辐射。这种狭义的“辐射”又称“射线”。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,42,常用的核辐射类型及特征（2） 知识要点：、

20、射线及X射线 核辐射粒子就其荷电性质可以分为带电粒子和非带电粒子；就其质量而言，可以分为轻粒子和重粒子；以及处于不同能区的电磁辐射。主要有辐射、 辐射、 辐射和中子辐射等。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,43,常用的核辐射类型及特征（3） 射线 射线通常也称粒子，它是氦的原子核，由两个质子和两个中子组成；核电荷数为+2，质量为4。 粒子以符号42He表示。天然的粒子来源于较重原子核的自发衰变，叫做衰变。 衰变过程： AZX A-4Z-2Y + 42He； X、Y分别为母核和子核。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,44,常用的核辐射类型及特征（4） 射线 原子核发射出的射线有两类：-和

21、+射线。 -射线就是通常的电子，带有一个单位的负电荷，以符号e或e-表示，负电子是稳定的。 +射线就是正电子，带有一个单位的正电荷，以符号e+表示。两种电子静止质量相同，其质量约为质子质量的1/1846。 粒子来源于原子核的衰变，衰变有三种类型： -衰变、+衰变和轨道电子俘获EC。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,45,常用的核辐射类型及特征（5） X射线和射线 X射线和射线都是一定能量范围的电磁辐射，又称光子辐射。光子静止质量为0，不带任何电荷。单个光子的能量与辐射的频率成正比，即, E=h ，h为普朗克常数，它的数值等于6.62610-34Js。 每一个光子的能量都是确定的，任何光子在

22、真空中的速度都是相同的，即为光速C(3108m/s)。 X射线和射线的唯一区别是起源不同。从原子来说X射线来源于核外电子的跃迁, 而射线来源于原子核本身高激发态向低激发态（或基态）的跃迁或粒子的湮灭辐射。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,46,射线是波长很短能量高的电磁辐射 （ 10-11 米，keV，MeV），来自原子核衰变, 不带电， 静止质量 0 。,射线是什麽？,能够同物质原子发生作用，但不能直接使原子 电离；有动量和能量交换,能够产生载能次级 带电粒子，可以对物质发生电离作用。,能量 E = h 动量 p = h / c,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,47,X射线是什麽？,

23、辐射安全与防护射线与物质的相互作用,48,(1).X-射线管 核心部分,(2).低压源 (510v),(3).高压源(104105v ),1. X射线装置,X射线是什麽？,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,49,2.X线的产生机制,X线谱由两部分组成,1、连续X线谱,2、特征X线谱,X射线是什麽？,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,50,2.X线的产生机制,韧致辐射 高速电子进入到原子核附近的强电场区域（路程伴随库仑力的变化过程），电子的速度大小和方向必然变化，以电磁波的形式向外辐射能量，即损失的能量直接转化成X线。由于电子与靶原子核的相对位置是任意的，电子进入靶的初动能经过多少次碰撞辐射

24、而完全丧失也不确定，故辐射出的X线波长连续分布。,连续X线谱,X射线是什麽？,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,51,2.X线的产生机制,nuclear,k,L,M,Exciting inter electron,High speed electron,特征X线的产生过程： 高速电子进入靶物质后，其动能被靶原子内壳层电子获得，一部分用来脱离原子核束缚作功（逸出功）；另一部分变成逸出后电子的动能。,当电子逸出后，原子内壳层就出现了空位，外壳层电子将向内壳层填充，辐射的电磁波（ X线）由两能级差确定,E2- E1= hf21,X射线是什麽？,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,52,2.X线的产

25、生机制,特征X射线的激发电压,靶原子的轨道电子在原子中有确定的结合能W。当炸弹电子的动能大于内层电子结合能时，才可能使电子逸出造成空位，产生X射线。,炸弹电子的动能大小完全由管电压确定,U = W/e 为最低激发电压。Uk UL UM UN ，X光子辐射以K系为主。,53,常用的核辐射类型及特征（6） 中子 中子是原子核组成成份之一，它不带电荷，质量数为1，比质子略重。自由中子是不稳定的，它可以自发地发生衰变，生成质子、电子和反中微子，其半衰期为10.6分 。 中子的产生主要是通过核反应或原子核自发裂变，基本上有三种方法：（1） 同位素中子源；（2）加速器中子源；（3）反应堆中子源 。,辐射安

26、全与防护射线与物质的相互作用,54,射线与物质相互作用（1） 知识要点：带电粒子、射线、X射线、中子与物质相互作用,。 。 。 。原子。, X n,物 质：气体 液体 固体 包括人体 等,微观粒子间碰撞有动量和能量的传递 库仑作用 1 电离作用 2 电离效应,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,55,电离辐射 直接或间接使介质发生电离 效应的带电或不带电的射线 或粒子 (能量 keV ) 、 x、 n、p、 裂变碎片 介子等 来 源 1)放射性物质 (人造 天然） 2)加速器 3)反应堆 4)宇宙射线 5)地球环境,电离辐射和非电离辐射,非电离辐射 紫外线、红外线、微波等 这些粒子虽能够同物质

27、发生作用但都不能使物质发生电离效应 eV 量级 移动电话 800-1800 MHz 0.01 eV (没有电离作用）,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,56,射线与物质相互作用（2） 知识要点：带电粒子、X射线与物质相互作用 带电粒子通过物质时，同物质原子中的电子和原子核发生碰撞进行能量的传递和交换：其中一种主要的作用是带电粒子直接使原子电离或激发。非带电粒子则通过次级效应产生次带电粒子使原子电离或激发。 能够直接或间接引起介质原子电离或激发的核辐射通常叫做电离辐射。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,57,射线与物质相互作用（3） 由于带电入射粒子和靶原子核外电子之间库仑力作用，使电子受

28、到吸引或排斥，使入射粒子损失部分能量，而电子获得一部分能量。如果传递给电子的能量足以使电子克服原子的束缚，那么这个电子就脱离原子成为自由电子；而靶原子由于失去电子而变成带正电荷的正离子，这一过程称为电离。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,58, + 靶原子 正离子 + 电子 + 4He + Ar Ar+ + e- + 4He,物质中原子被电离，在粒子通过的路径上形成许多离子对： 正离子和自由电子,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,59,射线与物质相互作用（4） 如果入射带电粒子传递给电子的能量较小，不足以使电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，只是使电子从低能级状态跃迁到高能级状态（原子处于

29、激发态），这种过程叫原子的激发。 处于激发态的原子是不稳定的，原子从激发态跃迁回到基态，这种过程叫做原子退激，释放出来的能量以光子形式发射出来，这就是受激原子的发光现象 。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,60, 射线与射线电离效应比较, 射线 射线 径迹 粗 直 细 弯, 电离作用强 电离作用严重 产生离子对数目多,电离作用 Z1Z2 /v2 Z1 入射粒子原子序数 Z2 靶粒子原子序数 v 入射粒子速度,实验结果,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,61, 、X射线对物质的电离作用 两步过程,三种作用效应 光电效应 康普顿效应 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

30、离,射线,第 1 步 初级作用,第 2 步 次级作用,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,62,光电效应,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* + e- （光电子） 原子 A + X 射线,原子,受激原子,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,63,射线与物质相互作用（12） 入射光子同原子中外层电子发生碰撞，入射光子仅有一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子；而光子能量减小，变成新光子，叫做散射光子，运动方向发生变化，这一过程叫康普顿散射或效应。h和h分别为入射光子和

31、散射光子的能量；为散射光子和入射光子间的夹角，称做散射角；为反冲电子的反冲角 。反冲电子具有一定动能，等于入射光子和散射子光子能量之差。反冲电子在物质中会继续产生电离和激发等过程，对物质发生作用和影响；散射光子有的可能从物质中逃走，有的留在物质中再发生光电效应或康普顿效应等等，最终一部分被物质吸收，一部分逃逸出去。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,64,射线与物质相互作用（13） 当一定能量的光子进入物质时，光子在原子核库仑场作用下会转化为一对正负电子，这一现象称做电子对效应。电子对效应发生是有条件的。在原子核库仑场中，只有当入射光子的能量1.02MeV时才有可能。入射光子的能量首先用于转

32、化为正负电子对的静止能量(0.51MeV + 0.51MeV = 1.02MeV)，剩下部分赋予正负电子的动能。,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,65,电子对效应 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 + 2 1.02 MeV me me 0.511MeV 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,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,66,正电子湮灭,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 - =

33、0.511 + 0.511 MeV 质量转化为能量 转化效率 (100 %）,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,67,对物质电离作用的比较,2 MeV 射程(m) 离子对密度/mm 0.01 6000 2-3 60 10 几个,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,68,射线穿透物质能力, 射线穿透 人体皮肤情况,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,69,1 MeV 的粒子穿透物质能力, 1 页 60页/本,铅,地 下 1-2 米深,铅室,X、,n,4580本,中子源,辐射安全与防护射线与物质的相互作用,70,辐射探测方法 放射性测量 辐射探测原理 气体探测器 闪烁探测器 半导体探测器,辐射安

34、全与防护辐射探测方法,71,放射性测量,放大与 变换,记录与 存储,放射性是人眼睛看不见、身体也感觉不到的，但用仪器可以直接测量 。 核仪表测量系统基本组成如下：, X 射线同物质作用使原子电离，产生正离子和负电子。在电场作用下，电子和正离子分别向正极和负极方向运动，引起电流，产生信号。 辐射探测器：把电离产生的信息转化成可观测的、可输出的信号： 电、光、热、径迹 等。,探测器,- - - - + + + +,放射源,辐射安全与防护辐射探测方法,72,辐射探测的原理 利用辐射在气体、液体或固体中引起的电离、激发效应及或其它物理、化学变化进行核辐射探测的器件称为辐射探测器 。 辐射探测的基本过程

35、：1) 辐射粒子射入探测器的灵敏体积；2) 入射粒子通过电离、激发或核反应等过程而在探测器中沉积能量；3) 探测器通过各种机制将沉积能量转换成某种形式的输出信号。 探测器按其探测介质类型及作用机制主要分为气体探测器、闪烁探测器和半导体探测器三种。,辐射安全与防护辐射探测方法,73,气体探测器 气体探测器的典型圆柱型结构如图所示，在中央阳极和外壳阴极加上正电压。沿入射粒子径迹产生的电子离子对在外电场的作用下产生定向漂移，引起电极上发生感应电荷的变化，与此同时，在外回路上就流过电流信号，或流过负载电阻产生输出电压信号。,辐射安全与防护辐射探测方法,74,气体探测器 上述过程可以用图形象的表示，图中

36、纵坐标为产生离子对数，横坐标为外加电压。 其中I为复合区； II为饱和区； III为正比区； IV为有限正比区； V为G-M区。 这条曲线揭示了气体 探测器中由量变到质 变的规律 。,辐射安全与防护辐射探测方法,75,气体探测器,G-M计数管：记录粒子个数。,辐射安全与防护辐射探测方法,76,闪烁探测器 闪烁探测器一般由闪烁体和光电倍增管组成。闪烁体是一种发光器件，当入射带电粒子使探测介质的原子电离、激发而退激时，可发出可见光光子，称为荧光光子 ，这样光的强度用肉眼是看不见的，必须借助于高灵敏的光电倍增管（PMT）才能探测到这些光信号。PMT的光阴极将收集到的荧光光子转变为光电子，光电子通过聚

37、焦被光电倍增管的第一联极收集，并在其后的联极倍增形成一个相当大的脉动电子流，在输出回路上形成输出信号。,辐射安全与防护辐射探测方法,77,闪烁探测器,辐射安全与防护辐射探测方法,78,辐射安全与防护辐射探测方法,79,闪烁探测器,闪烁体,辐射安全与防护辐射探测方法,80,闪烁探测器 光电倍增管（PMT）是一种光电器件，主要由光阴极、聚焦极、打拿极（联极）和阳极组成，封于玻璃壳内并带有各电极引出。光电倍增管的产品很多，但主要要注意它的的光阴极的光谱响应与闪烁体的发射光谱相匹配；具有较高的阴极灵敏度和阳极灵敏度；较低的暗电流或噪声脉冲；良好的工艺和稳定性。,辐射安全与防护辐射探测方法,81,光电倍

38、增管,辐射安全与防护辐射探测方法,82,半导体探测器 随着科学技术不断发展需要，科学家们在锗锂Ge(Li)、硅锂Si(Li)、高纯锗HPGe、金属面垒型等探测器的基础上研制出许多新型的半导体探测器，如硅微条、Pixel、CCD、硅漂移室等，并广泛应用在高能物理、天体物理、工业、安全检测、核医学、X光成像、军事等各个领域。 半导体探测器的探测介质是半导体材料。入射带电粒子在探测介质内在通过电离损失损失能量的同时，在探测介质内形成电子空穴对。在电子空穴对在向电极的定向漂移过程中，在输出回路上形成输出信号 。,辐射安全与防护辐射探测方法,83,半导体探测器 为保证电离生成的电子空穴对能有效的收集，必

39、须选用那些载流子（即电子或空穴）在半导体材料中寿命长的材料，以使载流子在探测介质中的漂移长度大于结区的宽度，因此，性能优异的半导体硅和锗就成为理想的半导体探测器的介质材料。,辐射安全与防护辐射探测方法,84,半导体探测器 在半导体材料中，形成一个电子空穴对所需的能量仅为3eV，即电离能W= 3eV ，而气体探测器中形成一个电子离子对为30eV ，对闪烁探测器而言，形成一个被光电倍增管第一打拿极的光电子则需300eV 。与气体和闪烁探测器相比，可获得最好的能量分辨率。,辐射安全与防护辐射探测方法,85,半导体探测器,辐射安全与防护辐射探测方法,X-123 X光探测器系统,86,探测器性能比较,辐

40、射安全与防护辐射探测方法,87,辐射剂量与生物效应 辐射量和单位 吸收剂量 照射量 伦琴的定义 辐射的生物学效应 细胞结构和组成 辐射的作用效果 辐射对人体健康的有害效应的分类 影响辐射生物学效应的因素 辐射防护中使用的量,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,88,吸收剂量 即电离辐射沉积于某一小体积元中物质的平均授与能除以该体积元中物质的质量而得的商。即,是电离辐射授与质量为dm的物质的平均能量，即平均授与能,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,辐射量和单位,89,1戈瑞(Gy)=1焦耳/千克(J/kg)=100拉德(rad) 1(Gy)=106微戈瑞( ) =103毫戈瑞(mGy),吸收剂量

41、吸收剂量的国际单位为J/kg，法定单位为戈瑞(Gy)，非法定单位为拉德(rad),辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,辐射量和单位,90,吸收剂量率 就是单位时间内物质的吸收剂量，吸收剂量率定义为吸收剂量对时间的导数，即dD/dt，其中dD是dt时间间隔内吸收剂量的增量。,吸收剂量率的法定单位是“Gy/s”，非法定单位为“rad/s”。,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,辐射量和单位,91,照射量 定义：X或射线在单位质量的空气中击出的全部次级电子完全被阻停时，在空气中产生一种符号的带电粒子（电子或正离子）的总电荷量dQ。,照射量X的国际单位单位为C/kg，非法定单位为伦琴（R）1R=106 R

42、 =103mR,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,辐射量和单位,92,照射量率 就是单位时间内的照射量。,照射率的国际单位单位为(C/kgs)。非法定单位为伦琴每秒（R/s）,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,辐射量和单位,93,伦琴的定义：在1伦琴X射线照射下，0.001293g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。 1静电单位电量=3.3310-10C,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,辐射量和单位,94,辐射的生物学效应 细胞结构和组成 辐射的作用效果 辐射对人体健康的有害效应的分类 影响辐射生物学效应的因素 辐

43、射防护中使用的量,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,95,细胞是由一个核和围绕细胞核的细胞质、细胞膜构成 。 核内有特定数目的染色体，染色体是生物遗传、变异的物质基础 。 染色体的主要成分是两种重要的有机化合物DNA(脱氧核糖核酸)和蛋白质 。 DNA是长的双链状的大分子，一个DNA分子上包含多个基因(决定着遗传特性)。,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,96,细胞结构和组成 根据细胞的功能，可将组成人的细胞分成两大类，一类称做体细胞，一类称做生殖细胞(精子和卵子)。前者是构成个体本身(躯体)的各种细胞，后者则是专为繁殖后代的细胞。,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,辐射的生物学效应,97,辐

44、射效应的分类,按效应发生的个体,按效应表现情况,按剂量-效应关系,大剂量照射的,遗传效应,确定性效应,随机性效应,躯体效应,急性效应急性放射病,受照射远期发生的效应, 白血病 癌症 白内障 不育,特殊的躯体效应室内受照后 胚胎和胎儿的效应：致死性效应 先天性畸形 生长发育缺陷 远期恶性疾病的诱发,基因突变：,遗传性疾病,先天性畸形,生长发育障碍,98,辐射的作用效果 辐射粒子与DNA分子作用，可能造成DNA分子的单链断裂或双链断裂。单链断裂细胞可自行修复，双链断裂可造成错误修复(变异)，甚至细胞死亡。 双链断裂将造成细胞损伤 ，损伤分为两种情况: 1).细胞死亡:体细胞死亡将造成功能障碍，生殖

45、细胞死亡将造成不孕 2).细胞变异(错误修复):体细胞变异将造成肿瘤，生殖细胞变异将造成遗传效应(刚好变异的精子或卵子结合形成授精卵时)。,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,辐射的生物学效应,99,辐射对人体健康的有害效应的分类 电离辐射作用于人体，可能造成器官或组织的损伤，因而表现出对人体健康有害的各种生物效应，我们把这些有害的效应分为两类: 1.随机性效应(Stochastic effect)：是指辐射效应的发生几率与剂量大小有关的效应，不存在剂量阈值，它主要是针对小剂量(小于0.2Gy )、小剂量率(小于0.1 mGy/min )的慢性照射，如致癌效应和遗传效应。,辐射安全与防护辐射剂量

46、与生物效应,辐射的生物学效应,100,剂量,有害效应的发生率,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,随机性效应,101,辐射对人体健康的有害效应的分类 2.非随机性效应，又叫确定性效应(Deterministic effect) ICRP(国际放射防护委员会，International Commission on Radiological Protection)在其建议书草案(征求意见稿,2006)中将确定性效应也称为组织反应，确定性效应与组织反应作为同义词在该建议书草案中使用。,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,辐射的生物学效应,102,剂量,有害效应的严重程度,阈值,辐射安全与防护辐射剂量与生

47、物效应,确定性效应,103,确定性效应 有明确的阈值，在阈值以下不会见到有害效应，达到剂量阈值则有害效应肯定发生，且辐射效应的严重程度取决于所受剂量的大小，它主要针对大剂量、大剂量率的急性照射，一般主要是事故照射。例如: 辐射引起的白内障、皮肤的良性损伤、骨髓内血细胞减少致造血障碍、性细胞受损致生育能力减退、血管和结缔组织受损等。 无论是随机性效应还是确定性效应，若辐射效应显现在受照者本人身上的，称为躯体效应;出现在受照者后代身上的称为遗传效应。,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,辐射的生物学效应,104,影响辐射生物学效应的因素 1).物理因素(从入射的电离辐射来谈) (1)辐射剂量 ICR

48、P(国际放射防护委员会，International Commission on Radiological Protection) 在第26号出版物中，假定小剂量、低剂量率情况下，在剂量与随机性效应的发生率之间存在着线性无阈的关系 。,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,辐射的生物学效应,105,影响辐射生物学效应的因素 (2)辐射品质 指的是电离辐射授与物质的能量在微观空间分布上的那些特征,不同种类和不同能量的射线授与物质的能量在微观空间分布上是不相同的 ，某一点的辐射品质由品质因数Q来表征，某一组织或器官的辐射品质由辐射权重因数WR来描述 ，Q、 WR 可在GB188712002国家标准(电离

49、辐射防护与辐射源安全基本标准)192、193页中查到。,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,辐射的生物学效应,106,影响辐射生物学效应的因素 (3)辐射剂量率:由于生物体对辐射损伤有着一定的恢复作用，故在受照总剂量相同时，小剂量的分散照射比一次大剂量率的急性照射所造成的辐射损伤要小得多 。例如，若一生(50年)全身均匀照射的累积剂量为2戈X射，并不会发生急性的辐射损伤。如果一次急性照射的剂量为2戈同样的X射线，则可能产生严重的躯体效应，在临床上表现为急性放射病。,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,辐射的生物学效应,107,2).生物因素(从被照物来谈) 在受照条件严格一致的情况下，机体不同的器

50、官、组织或全身出现某一效应的时间快慢及严重程度不同。某种效应出现快而又相对严重的可称之为对辐射的敏感性高，反之对辐射的敏感性低。 (1)不同生物种系有不同的辐射敏感性 (2)人的不同发育阶段有不同的辐射敏感性 (3)不同细胞、组织或器官有不同的辐射敏感性 (4)受照条件不同有不同的生物效应，受照条件包括照射方式、照射部位及面积。 为了考虑不同器官或组织对发生辐射随机性效应的不同敏感性，将引入组织权重因数WT。(可在GB188712002国家标准193页中查到),辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,辐射的生物学效应,108,辐射防护中使用的量 1)当量剂量(物理因素) 辐射防护工作希望提供一个比吸

51、收剂量更好的与辐射所致器官和组织T有害的随机性效应的几率相联系的量，这就是当量剂量,是辐射R在器官或组织T内产生的平均吸收剂量,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,辐射的生物学效应,109,wR是R类型辐射的辐射权重因数， 它是无量刚的量。(wR的值可在GB188712002国家标准中查到) 当辐射场是由具有不同wR值的不同类型的辐射所组成时，此时器官和组织T的当量剂量为：,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,辐射的生物学效应,110,当吸收剂量的单位是J/kg，当量剂量的法定单位为希沃特（Sv），1Sv=1J/kg，当吸收剂量的单位是拉德（rad），当量剂量的非法定单位为雷姆（rem）。 当量剂

52、量与吸收剂量相比它考虑了辐射品质即辐射权重因数，因此比吸收剂量描述有害生物学效应的几率更准确 。,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,辐射的生物学效应,111,2)当量剂量率 当量剂量率就是单位时间内物质吸收的当量剂量。,当量剂量率的法定单位是(Sv/s)。它的非法定单位有(rem/s)。,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,辐射的生物学效应,112,放射性活度(A) 吸收剂量(D) 剂量当量(H),吸收剂量(D) 1戈瑞 = 1焦耳/千克 1 Gy = 1 J/kg,放射源 活度(A) 1贝克=1次核衰变/秒,剂量当量(H) H = Q D 1希沃特 = 1 焦耳/千克,三者意义和区别,任何物质

53、,有机体,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,113,一些生物效应的剂量阈值,辐射安全与防护辐射剂量与生物效应,114,辐射防护基础 辐射来源及其影响 辐射防护的目的 辐射防护三原则 辐射防护标准 辐射防护基本办法,辐射安全与防护辐射防护基础,115,辐射安全与防护辐射防护基础,辐射的来源,宇宙辐射（宇生辐射）,陆生辐射（氡及其子体、体内源）,医疗照射,核能、核技术应用,过去活动遗留（重大事故、核试验等）,天然辐射源,人工辐射,116,辐射安全与防护辐射防护基础,天然辐射源 宇宙辐射：来自宇宙空间的高能粒子流，含有多种粒子； 宇生核素：主要是由宇宙射线与大气中的原子核相互作用产生的次级辐射； 陆生核素：存在于