7射线与人体作用及剂量计算.

射线与人体作用及剂量计算上海交通大学张继革副研究员2015年4月27日2020/1/122/108主要内容辐射分类与来源电离辐射对人体的危害剂量学物理量及计算2020/1/123/108辐射分类与来源2020/1/124/108辐射分类与来源作用于人类的放射性可分为天然放射性和人工放射性。天然电离辐射源是全世界公众集体剂量当量的主要来源。天然放射性已为人类所适应，并未造成什么危害。学习的重点在人工放射性的影响。2020/1/125/108环境中天然放射性的来源环境中天然辐射本底主要由宇宙射线、宇生放射性核素和原生放射性核素发射的辐射三部分组成从地球外射向地球的辐射叫宇宙射线宇生放射性核素:当高能初级宇宙射线与大气的原子核发生核反应时，反应产物除了次级宇宙射线粒子以外，还有许多放射性核素，称宇生放射性核素原生放射性核素：从地球形成开始，迄今为止还存在于地壳中的那些放射性核素。2020/1/126/108宇宙射线宇宙射线有初级和次级之分。初级宇宙射线是指从外层空间射到地球大气层的高能辐射，主要由高能质子组成（≈87%），并伴有10%左右的氦核，其余为少量的重粒子、电子、光子和中微子。初级宇宙射线具有极大的动能，它们的贯穿能力极强。但由于大气层、电离层和磁层的存在，初级宇宙射线很难直接到达地面次级宇宙射线是高能初级宇宙射线与大气的作用产物。初级宇宙射线进入大气时，具有极大能量的粒子与大气中的原子核发生剧烈的碰撞，使原子核四分五裂，这类核反应一般称之为“散裂反应”或“碎裂反应”宇宙射线的注量率与高度有关，离地面20km处最大、随高度减小而逐渐降低2020/1/127/108宇生放射性核素初级宇宙射线粒子在生成次级宇宙射线过程中，同时会生成3H、7Be、14C、22Na、24Na等放射性核素，称为宇生放射性核素宇生放射性核素的品种虽然不少，但在空气中的含量都是很低的，对环境辐射的实际贡献不大，特别是外照射2020/1/128/108原生放射性核素一些半衰期特别长的放射性核素，如40K、238U和232Th，从地球形成时起就存在于地壳中。天然放射性核素品种很多，性质与状态也各不相同，它们在环境中的分布十分广泛。在岩石、土壤、空气、水、动植物、建筑材料、食品甚至人体内都有天然放射性核素的踪迹。地壳是天然放射性核素的重要贮存库，尤其是原生放射性核素。放射性物质主要为铀、钍系。2020/1/129/108人类生产活动使天然本底照射增加人类的某些生产活动，其本身并非为了利用核辐射，但却导致天然本底照射的增加。例如：利用煤作燃料导致煤中的原生放射性核素从地壳深部向地表再分布。地热的利用，使存在于地热流体中的天然放射性核素（如222Rn）散布到大气中2020/1/1210/108天然放射性核素的分布天然放射性核素品种很多，性质与状态也各不相同，它们在环境中的分布十分广泛。在岩石、土壤、空气、水、动植物、建筑材料、食品甚至人体内都有天然放射性核素的踪迹。地壳中的放射性物质主要为铀、钍系和空气中的天然放射性核素主要有地表释入大气中的及其子体核素，动植物食品中的天然放射性核素大多数是K4019Rn22286K40192020/1/1211/108天然放射性核素的分布土壤主要由岩石的浸蚀和风化作用而产生，其中的放射性是从岩石转移而来由于岩石的种类很多，受到自然条件的作用程度也不尽一致，可以预期土壤中天然放射性核素的浓度变化范围是很大的土壤的地理位置、地质来源、水文条件、气候以及农业历史等都是影响土壤中天然放射性核素含量的重要因素2020/1/1212/108天然放射性核素的迁移存在于岩石和土壤中的放射性物质，由于地下水的浸滤作用而受损失，地下水中的天然放射性核素主要来源于此途径粘附于地表颗粒土壤上的放射性核素，在风力的作用下，可转变成尘埃或气溶胶，进而转入到大气圈并进一步迁移到植物或动物体内土壤中的某些可溶性放射性核素被植物根吸收后，继而输送到可食部分，接着再被食草动物采食，然后转移到食肉动物，最终成为食品中和人体中放射性核素的重要来源之一2020/1/1213/108人工放射性的来源人工放射性是对环境造成放射性污染的主要来源核武器试验产生的放射性物质生产和使用放射性物质的企业排出的放射性废物放射性核素在医学上的应用2020/1/1214/108核试验是放射性污染的主要来源核武器主要指原子弹与氢弹核武器炸弹的特点：爆炸威力大，有强烈的冲击波，极高温度的热辐射。核爆炸的瞬间能产生穿透性很强的核辐射，主要由中子和射线所致，而且爆炸后留下很多继续发射射线的放射性污染物，通常称之为放射性沉降物，其中一部分在高层大气中长期漂流，随后缓慢地向地球扩散，造成对全球的大气、地面、海洋、动植物和人体的污染。2020/1/1215/108核能的利用也是核辐射源之一核能的生产包括铀矿石开采、矿石的化学前处理、铀燃料生产、反应堆运行、燃料后处理、放射性废物最终浓集处理等一系列生产环节。在每一个环节可能会有少量放射性物质排放到环境中。随着核电生产能力的增长，相应造成的天然本底也会增长。到2100年，将会增长到相当于天然本底照射的1％水平2020/1/1216/108核电站的辐射中子辐射：裂变中子（瞬发中子，缓发中子）活化中子，光激中子瞬发中子：燃料元素核裂变后10-17~10-14s射出来的中子缓发中子：在裂变后约零点几秒钟到几分钟之间由某些裂变碎片陆续发射出来的中子活化中子：光激中子：,171717npONO衰变,21nHHn,98nBeBen2020/1/1217/108核电站的辐射γ辐射瞬发γ射线：通常是裂变后几十纳秒内放出的γ射线称为瞬发γ射线；缓发γ射线：由裂变产物衰变放出的γ射线称为缓发γ射线或裂变产物衰变γ射线。湮灭辐射：堆内结构材料活化后形成的58Co，65Zn等，是正电子发射体，正电子湮灭转化为两个γ光子，常称为湮灭辐射。2020/1/1218/108核电站的辐射放射性气体：235U裂变后以气体状态出现的产物，主要是131I，135I*，85Kr，133Xe，135Xe等。放射性气溶胶：放射性物质的微小固体或液体粒子悬浮于空气中称为放射性气溶胶，其粒度范围为10-3~103μm。放射性微粒主要是14C，51Cr，56Mn，60Co和59Fe等2020/1/1219/108电离辐射对人体的危害2020/1/1220/108人体组织的基本特征人体的结构极为复杂，人体组织大体分为四种：即上皮组织、质缔组织、肌肉组织和神经组织。对于不同的组织有不同的化学成分和结构，而且随着人的不同还有一定的差异。人体组织成分百分之七十是氧，百分之十五是碳，百分之十是氢，还有少量的氮、钠、磷、硫、钙等。人体结构的基本单元是细胞，每个细胞均含百分之七十的水。对成年人来说，水约占其体重的百分之七十2020/1/1221/108参考人(ReferenceMan)辐射防护、放射医学、营养与食品卫生等所有应用于人体的科研或产品设计都需要人体解剖、生理和代谢参数。为依据共同生物学基础处理问题，使群体间有可比性，通常用一系列典型化参数定义的参考人(ReferenceMan)。CRP在1974年通过的第23号出版物列出了一套参考人的解剖和生理参数，并用参考人取代早先的标准人（StandardMan)名称。参考人：在辐射防护中，为了在共同的生物学基础上计算放射性核素的年摄入量限制而规定的一种假想的成年人模型，能代表从事辐射工作的一般成年人。2020/1/1222/108参考人参考人的参数是制定辐射防护标准和进行剂量估算的基本资料。推荐参考人的身高为170厘米（男），全身质量为70公斤，全身总水量为42公斤，；每天食入量2.2kg（包括饮水和食物）；每周工作40小时、每年50周、每分钟吸入空气量为0.02m3、每年工作时间内吸入空气量2.4×103m3等。如果因某种需要对某个人较为准确地估计内照射剂量，应按该人具体条件，包括年龄、器官大小、性别和代谢参数进行估计2020/1/1223/108辐射的分类机体受辐射作用时，根据照射剂量、照射方式以及效应表现的辐射生物效应主要分为：•外照射和内照射•局部照射和全身照射2020/1/1224/108外照射与内照射在体外的辐射源对人体的照射叫外照射，主要包括γ射线、X射线、中子和高能带电粒子进入人体的放射性核素对人体的照射叫内照射•内照射的作用主要发生在放射性物质通过途径和沉积部位的组织器官，但其效应可波及全身。•内照射的效应以射程短、电离强的α、β射线作用为主2020/1/1225/108局部照射和全身照射当外照射的射线照射身体某一部位，引起局部细胞的反应则称局部照射。局部照射时身体各部位的辐射敏感性依次为腹部＞胸部＞头部＞四肢。当全身均匀地或非均匀地受到照射而产生全身效应时称全身照射。如照射剂量较小者为小剂量效应，如照射剂量较大者（＞1Gy）则发展为急性放射病。大面积的胸腹部局部照射也可发生全身效应，甚至急性放射病。2020/1/1226/108辐射损伤机理电离辐射能引起人体和动物身上许多病变。电离辐射对人体的危害主要是使机体受到损伤，其损伤程度取决于射线种类、能量和人体器官对辐射的敏感等因素。α或β射线通过机体时，能使机体的原子、分子激发和电离。γ射线或中子通过与机体作用，产生致电离粒子，使机体内的原子和分子产生电离和激发。2020/1/1227/108由于水约占成年人体重的百分之七十，当电离辐射作用于人体时，被电离的主要是水分子。电离和激发的产物都在改变着机体内正常的氧化还原作用，从而引起机体的正常新陈代谢过程发生变化。这些变化将造成各种生物效应、抑制细胞分裂、基因突变和染色体畸变等。2020/1/1228/108。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。原子。。。αβγn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2020/1/1229/108辐射生物效应的演变过程2020/1/1230/108影响辐射损伤的因素辐射生物效应与受照剂量、剂量率、辐射敏感性、照射方式、机体的生理状态等因素有关。剂量率：小剂量分散照射比一次剂量的急性照射所造成的辐射损伤小得多。例如，一生（以50年计算）全身均匀照射的累积剂量为2戈瑞的话，并不会发生急性辐射损伤。如果一次急性照射的剂量为2戈瑞，则可能产生严重的躯体效应，即急性放射病。2020/1/1231/108影响辐射损伤的因素辐射敏感性是指细胞、组织、器官、机体或任何有生命的物质对辐射作用的相对敏感程度。在相同受照剂量和剂量率的条件下，不同部位的辐射敏感性高低依次排列为：腹部、盆腔、头部、胸部、四肢。要特别注意腹部的防护在相同受照剂量的照射下，受照面积愈大，产生的效应愈大。应避免大剂量的全身照射2020/1/1232/108影响辐射损伤的因素进化程度越高的种系，机体的结构越复杂的种系，其对辐射的敏感性也越高。相同生物体，个体间的辐射敏感性也可能存在着明显差别。即使是同一个个体，在不同的发育阶段辐射敏感性也会各不相同。如动物的胚胎和胎儿对辐射特别敏感，幼年期的辐射敏感性要比成年时高。2020/1/1233/108影响辐射损伤的因素照射方式又分为外照射和内照射各种不同的辐射按其对人体的危害作用大小排列如下：外照射nγxβα内照射α、nβ、γ、x2020/1/1234/108辐射损伤作用的基本特点当放射性核素侵入人体后，其辐射作用和生物效主要有以下几个特点•作用时间长：放射性核素侵入人体后即可产生持续照射，直到该核素自体内排出或衰变成稳定性核素为止•潜伏期长，病程分期不明显：与外照射生物效应相比，积累在体内的放射性核素在衰变过程中不断发出电离辐射，作用于特定的组织、器官，因而引起内照射的损伤病程较长，分期不明显•损伤部位有选择性：大多数放射性核素在体内分布是不均匀的，核素积累较多的组织、器官所受内照射剂量较其它组织、器官大，因而出现选择性损伤2020/1/1235/108辐射生物效应的分类2020/1/12