电离辐射防护与安全基础

电离辐射安全与防护基础陈栋梁主要内容电离辐射的基本知识与概念辐射防护中常用的量和单位电离辐射的生物效应辐射防护的原则和方法电离辐射是广泛存在于宇宙和人类生存环境中的自然现象。电离辐射存在于我们日常生活之中。电离辐射的特殊性（无色、无味、看不见、摸不着），长久以来人们没有感觉到它的存在。电离辐射一经发现，很快便得到了应用。前言什么是放射性？放射性是自然界存在的一种自然现象，来自于原子核。大多数物质的原子核是稳定不变的，少数原子核不稳定。不稳定的原子核会自发的向稳定的状态变化（衰变），同时会发射各种各样的射线，这种现象就是“放射性”。1896,贝克勒尔（Becquerel）NobelPrizein19031896年，法国物理学家贝克勒尔（1852-1908）发现只要有铀元素存在，就有贯穿辐射产生——证明发射这种射线是铀原子自身的作用。放射性的发现，引起人们对原子核内部的研究的深入。“进入原子内部”和“分裂原子”成为世纪之交时期科学领域中最振奋人心的口号。电离辐射的发现和利用过程1898年，物理学家居里夫人（1867-1934）在寻找比铀的放射性更强的物质的过程中，先发现了一种新的放射性元素，为纪念她的祖国波兰，她将其名命为“钋”。居里夫妇又花了4年时间，发现了镭，并在极端艰苦的条件下，从几吨沥清铀矿渣中分离出0.12克纯氯化镭，后又测出其原子量为225，其发出的射线比铀强200多万倍。贝克勒尔与居里夫妇因发现放射性荣获1903年诺贝尔物理学奖。另外，居里夫人因此获1911年诺贝尔化学奖。钋、镭的发现电离辐射的发现和利用过程居里夫妇物理学家卢瑟福1899年发现铀和铀的化合物所发出的射线有两种不同类型：一种是极易吸收的，他称之为α射线；另一种有较强的穿透能力，他称之为β射线。1900年法国化学家维拉尔又发现具有更强穿透本领的第三种射线γ射线。、β、γ射线电离辐射的发现和利用过程1902年，物理学家卢瑟福与化学家索迪合作在对铀、镭、钍等元素的放射性研究中，提出了放射性元素的衰变理论：放射性原子是不稳定的，它们自发性地放射出射线和能量，而自身衰变成另一种放射性原子，直至成为一种稳定的原子为止。这种特性即放射性。并提出了“原子能”的概念。卢瑟福、索迪——元素衰变卢瑟福因此获1908年诺贝尔化学奖以后，卢瑟福和索迪等人进一步研究放射性元素递次变化（即衰变链系）的线索，发现如下衰变链：索迪因此及对同位素起源和性质研究获1921年诺贝尔化学奖。元素衰变理论打破了自古希腊以来人们相信的原子永远是不生不灭的传统观念，而认为一种元素的原子可以变成另一种元素的原子。卢瑟福、索迪——元素衰变PbPoBiPoRnRaU1000TT2/12/1多年几百万年卢瑟福用镭发射的α粒子作“炮弹”，研究被轰击的粒子的情况。1919年，终于观察到氮原子核俘获一个α粒子后放出一个氢核，同时变成了另一种原子核的结果，18N＋α17O＋p。这是人类历史上第一次实现原子核的人工反应，使古代炼金术士梦寐以求的把一种元素变成另一种元素的空想变成现实。当时卢瑟福写了一本书就取名为《新炼金术》。人工核反应世界上第一个制造的人工放射性核素约里奥.居里夫妇1934年27Al+4He→30P+n30Si+e++提供许多种放射性核素,为研究和广泛应用开辟了广阔前景例如：超铀元素的发现（人工制造）Z=9293949596……114β+衰变1939年，哈恩和斯特拉斯曼发现了核裂变现象。1942年12月2日，费米（Fermi）在美国芝加哥大学建造的世界上第一座人工核反应堆，实现链式反应。1945年爆炸了第一颗原子弹。1952年氢弹试验成功。1954年建成第一座核电站。1959年核动力船下水。核能利用的发展过程1932年，查德威克发现了中子。中国的“两弹一星”“两弹一星”最初是指原子弹、导弹和人造卫星。“两弹”中的一弹是原子弹，后来演变为原子弹和氢弹的合称；另一弹是指导弹；“一星”则是人造地球卫星。1964年10月16日我国第一颗原子弹爆炸成功，1967年6月17日我国第一颗氢弹空爆试验成功，1970年4月24日我国第一颗人造卫星发射成功。中国的“两弹一星”，是20世纪下半世纪中华民族创建的辉煌伟业。基本概念同位素：原子序数相同，原子的质量数不同，即原子核内的质子数相同，中子数不同，在元素周期表内占据同一位置的元素。稳定性同位素放射性同位素一个元素的所有同位素，其化学性质几乎一样。一种元素往往有几种到几十种同位素。目前已知的118种元素，同位素共达2000多种。自然界中天然存在的放射性物质较少，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。核素有多少？现在已发现核素2800种其中稳定的271不稳定的2500多（89%）估计总数有6000多种3000多种尚未发现超重核稳定岛放射性核素表示方法226Ra226Ra或Ra－226核素符号原子质量原子序数88γβα-+常见射线的种类电离辐射的本质——放射性衰变及衰变规律+++++++++从母核中射出的4He原子核粒子得到大部分衰变能238U4He+234Th放射性母核!!衰变电离辐射的本质——放射性衰变及衰变规律衰变示例241Am237Np电离辐射的本质——放射性衰变及衰变规律+++++++++发生原因：母核中子或质子过多质子转变成中子，并且带走一个单位的正电荷中子转变成质子，并且带走一个单位的负电荷+中微子－反中微子三种子体分享裂变能——因此电子具有连续能量衰变电离辐射的本质——放射性衰变及衰变规律衰变示例——3H3He电离辐射的本质——放射性衰变及衰变规律正衰变示例——11C11B电离辐射的本质——放射性衰变及衰变规律+++++++++光子衰变电离辐射的本质——放射性衰变及衰变规律衰变特点：1、从原子核中发射出光子2、常常在或衰变后核子从激发态退激时发生3、产生的射线能量不连续4、可以通过测量光子能量来鉴定核素类别电离辐射的本质——放射性衰变及衰变规律衰变示例——3He3He电离辐射的本质——放射性衰变及衰变规律α衰变β-衰变β+衰变衰变一般只有原子序数83的重元素才能释放出α射线，如Rn、Th、Ra与U,α射线实际上是氦原子核。举例：Ra-226→Rn-222+2He4当原子核内某一个中子转变成质子时，伴随着β射线（电子）的产生。举例：83Bi210→84Po210+β-γ射线与紫外线、可见光、红外线、无线电波等一样，也是一种电磁辐射，能量较高，穿透本领强，要比β射线大50~100倍，比α射线大10,000倍。电离辐射的本质——放射性衰变及衰变规律不同射线的穿透能力半衰期(T1/2)定义：一定量的某种放射性原子核衰变至原来的一半所需要的时间。时间t(T1/2)012345n放射性原子核数目N0N0/2N0/4N0/16N0/32N0/64N0/2n经过n个半衰期后，未发生衰变的放射性原子核数目是原有的1/2n电离辐射的本质——放射性衰变及衰变规律放射性衰变基本规律1指数衰减规律N=N0e-tN0:（t=0）时放射性原子核的数目N:经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目:放射性原子核衰变常数大小只与原子核本身性质有关，与外界条件无关;数值越大衰变越快N=N0e-tN=N0e-t由半衰期定义t=T1/2，N=N0/2代入计算得到T1/2=ln2/T1/2=0.693/和T1/2两者有一一对应关系理论研究中多用衰变常数实际应用中一般用半衰期半衰期与衰变常数的关系放射性同位素及射线装置应用湿式贮源辐照装置全景图干式贮源辐照装置全景图γ辐照装置辐照小麦原冬3号•源不离开装置（屏蔽）伽马探伤装置•有快门结构•源通过气压装置移到曝光位置管道爬行探伤装置•特殊应用：陆上管道、海底管道•采用外部辐射源提供走/停的信息•外部控制源一般采用137Cs。管道爬行探伤装置三个主要部件：•X线管•控制板•高压电缆X射线探伤设备通过探测器测量穿过被检查物质的射线量。典型采用GBq的137Cs密度测量仪探测器Detector物质流向MaterialFlow开关控制ShutterControl屏蔽Shielding源Source关（开）Shutter(open)密度测量仪核子秤传送带称重仪器探测器传送带上的物品源核子秤传送带称重仪器通常一个或多个仪器和探测器被用作“开/关”，用来控制料箱或料斗中物料的位置等，大、厚壁容器可能使用GBq的60Co。物位测量仪LevelGauges高位探测器低位探测器源料位计厚度测量仪湿度/密度计n密度测量：伽马源(137Cs)推出屏蔽室到源棒末端，并位于被测物质中进行测量。湿度测量：仪器里中子源(通常是241Am-Be)通过中子散射测定湿度。nn探测器Detectors钻井测量烟雾探测器介入放射学透视设备CT诊断装置深部X射线治疗机伽马远距离治疗装置医用直线加速器伽马刀单光子发射断层摄影（SPECT）•PETScanners锝－99常用的放射性药物伽马相机GammaCameras碘-131胶囊碘－131常用的放射性药物辐射防护中常用的量和单位放射性活度A吸收剂量D和吸收剂量率当量剂量HT有效剂量E放射性活度放射性核素在单位时间内发生衰变的原子核数目，称为放射性活度,用符号A表示。专用单位，居里（Ci），1居里是指放射性核素每秒钟发生3.7X1010次衰变。居里的单位太大，实际工作中常用毫居（mCi,10-3Ci)，微居（µCi,10-6Ci)，纳居（nCi,10-9)，皮居（pCi,10-12Ci)。国际单位:贝可，符号为Bq,1贝可定义为放射性核素每秒钟发生1次衰变。即：1Bq＝1秒－1。单位换算：1Ci＝3.7X1010Bq贝可的单位较小，通常用kBq（103Bq），MBq(106Bq），GBq(109Bq），TBq(1012Bq）等。电离辐射授与某一体积元中物质的平均能量除以该体积元中物质的质量的商。定义：单位：戈〔瑞〕Gy，1Gy＝1J/kg历史上曾使用过的单位：拉德，rad1Gy＝100rad吸收剂量（absorbeddose）吸收剂量D便是授予某一点处的单位质量的物质的能量的期望值。吸收剂量率.定义：单位时间（t）内的吸收剂量。符号为D。.D＝D/t单位：SI单位：戈瑞/秒（Gy/s）专用单位：拉德/秒（rad/s）当量剂量当量剂量(HT)－某一组织或器官的剂量HT=ΣWRDTR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。下表给出了人体各器官和组织的权重因子。组织权重因子器官或组织组织权重因子wT器官或组织组织权重因子wT性腺0.20肝0.05红骨髓0.12食道0.05结肠0.12甲状腺0.05肺0.12皮肤0.01胃0.12骨表面0.01膀胱0.05其余器官0.05乳腺0.05辐射防护的量和单位有效剂量(E)E=ΣWTHT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。下表给出了某种辐射的权重因子。表4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10keV20MeV5质子2MeV5中子10–100keV2-20MeV10中子0.1-2MeV20粒子，裂变碎片所有能量20举例γ射线、全身照射，在剂量率为10μGy/h时停留30分钟，则：有效剂量＝10×30÷60×1×1＝5μSv（对γ射线，辐射权重因子＝1；全身照射时，组织权重因子＝1）0.5MeV中子、全身照射，剂量率为10μGy/h，停留30分钟，则：有效剂量＝10×30÷60×1×20＝100μSv（0.5MeV中子的辐射权重因子＝20）人体受到照射的辐射来源生活中的辐射来源｛天然辐射人工辐射天然辐射宇宙射线宇生放射性核素原生放射性核素一般场所：天然本底为2.4mSv/a,多为内照射(222Rn,60%)天然本底照射