05射线和X射线的防护

11γ射线和X射线的防护主讲：崔莹2一.控制受照射时间外照射防护的目的，在于控制辐射对人体的的照射，使之保持在可以合理做到的最低水平，保障各人所受的剂量当量不超过国家规定的标准。第一节外照射防护的一般方法外照射防护，可采用一下三种方式中的一种或它们的综合：尽量缩短受照时间，尽量增大与辐射源的距离，在人和辐射源之间加屏蔽：累积剂量和受照时间有关，受照时间愈长，所受累积剂量愈大。在某些情况下常常通过受照时间的控制，来限制各人所接受的剂量。在一切接触致电离辐射的操作中，应以尽量缩短受照时间为原则。在放化操作时，必须熟练、迅速、准确；在正式操作前应进行空白操作练习。23二.增大与辐射源间的距离增大与辐射源间的距离可以降低受照剂量（如对于γ点源，受照剂量率与离源的距离平方成反比），在实际工作中，常用远距离操作工具，如长柄钳子，机械手，远距离自动控制装置等，以增大人体与辐射源之间的距离。注意：受照剂量率与距离成平方成反比关系，仅适用于点源。它与辐射源的大小、几何形状及离源的相对距离有关。第一节外照射防护的一般方法4屏蔽防护就是根据辐射通过物质时被减弱的原理，在人与辐射源之间加一层足够厚的屏蔽物（减弱材料），把外照射剂量减少到允许水平以下三.屏蔽在实际工作中，由于条件限制，往往单靠缩短接触时间和增大距离并不能达到安全操作的目的，方法一和二并不适用，必须采用屏蔽防护第一节外照射防护的一般方法根据防护要求的不同，屏蔽物可以是固定式的，也可以是移动式的。1.屏蔽方式固定式：防护墙、地板、天花板、防护门、观察窗等。移动式：包装容器、各种结构的手套箱、防护屏及铅砖等。35三.屏蔽第一节外照射防护的一般方法用作γ射线和X射线的屏蔽材料是多种多样的，在实际工作中，必须根据辐射源的活度、用途和工作性质来具体选择屏蔽材料。总之：屏蔽材料的选择，既要考虑使用需要，又要考虑成本及材料来源。2.屏蔽材料屏蔽设计的内容包括：选择合适的屏蔽材料、确定屏蔽的结构形式、计算屏蔽层的厚度、妥善处理散射和孔道泄漏等问题。3.屏蔽设计的内容6一.窄束γ射线在物质中的减弱规律第二节γ射线在物质中的减弱规律穿过屏蔽层γ光子通常由两部分组成，一部分是没有发生相互作用的光子，另一部分是发生一次或多次康普顿效应的散射光子。所谓窄束窄束γγ射线射线是指不包含散射成分的射线束，通过屏蔽层后的γ光子，仅由未经相互作用或称为未经碰撞的光子所组成。“窄束”一词是实验上通过准直器得到小小的束而取名这里所说的“窄束”并不是指几何学上的细小，而是指物理意义上的“窄束”，即使射线束有一定的宽度，只要其中没有散射光子，就可称之为“窄束”。1.窄束的概念及其减弱规律47一.窄束γ射线在物质中的减弱规律第二节γ射线在物质中的减弱规律为研究γ射线在物质中的减弱规律，需要得到近似理想的“窄束”，为此设计了如图所示装置：1.窄束的概念及其减弱规律准直器准直器辐射源探测器dxRx屏蔽层8一.窄束γ射线在物质中的减弱规律第二节γ射线在物质中的减弱规律设屏蔽层的厚度为R，密度为ρ，那么单能γ射线在此物质中穿行dx距离时，发生作用的γ射线的份额dN/N，与衰减系数μ、厚度dx成正比：1.窄束的概念及其减弱规律dxNdNµ=−设组成屏蔽层的介质均匀：ρµReNN−=0N，N0—分别为加屏蔽层前后，探测器所测到的γ射线计数率（或注量、注量率、等）μ/ρ—能量为Eγ的光子在密度为ρ的物质中的质量衰减系数59一.窄束γ射线在物质中的减弱规律第二节γ射线在物质中的减弱规律与带电粒子不同，γ射线没有射程的概念。窄束γ射线强度衰减服从指数衰减规律，只有吸收系数及相应的半吸收厚度的概念。10总截面光电效应截面康普顿效应截面电子对效应截面pcphσσσσ++＝一.窄束γ射线在物质中的减弱规律第二节γ射线在物质中的减弱规律光电效应康普顿散射电子对效应5Zph∝σZc∝σ2Zp∝σ27)(−∝νσhph1)(−↑⎯⎯→⎯ννhh0)(νσhc∝1)(−↑⎯⎯→⎯ννhhνσhp∝)ln(ννhh⎯⎯→⎯↑611总截面光电效应截面康普顿效应截面电子对效应截面pcphσσσσ++＝一.窄束γ射线在物质中的减弱规律第二节γ射线在物质中的减弱规律12一.窄束γ射线在物质中的减弱规律第二节γ射线在物质中的减弱规律光子在物质中的宏观总截面，即线性衰减系数μ，随着光子能量的增加而下降，当下降到一定最低值以后，又随着光子能量的增加而增加，在μ-E关系曲线上出现一个谷。2.能谱的硬化及平均自由程当具有一定谱分布的γ光子穿过屏蔽时，由于μ和能量有关，相应于μ大的γ成分减弱越快，μ小的γ成分减弱慢，结果随着屏蔽层厚度的增加，那些不易减弱的成分越来越多，这种不易减弱的成分称为硬成分，这种过程称为能谱的“硬化硬化”，或称为“能量过滤能量过滤”硬成分的存在对屏蔽是很不利的。713一.窄束γ射线在物质中的减弱规律第二节γ射线在物质中的减弱规律自由程：将单个光子自进入物质到第一次与物质中的原子发生相互作用所通过的路程，称为自由程自由程。2.能谱的硬化及平均自由程对于大量光子的自由程来说，自由程有一个平均的效果，通常用平均自由平均自由程程来表示。所谓平均自由程，就是自由程的平均值，它等于γ射线在物质中的注量率（或剂量率）减弱为原来的e-1时所需介质的厚度。用符号λ表示，则λ＝1/μ。14二.宽束γ射线在物质中的减弱规律第二节γ射线在物质中的减弱规律实际上，γ射线大多为宽束辐射，而真正窄束辐射的情况少见。在宽束情况下，即使源与探测器之间的距离不变，探测器的计数也将大大增加，这是因为探测器接收的光子，不但有未经相互作用的光子，而且有经散射后的光子，考虑散射的影响，宽束γ射线在物质中的减弱可用下式表示：ρµRBeNN−=0B—累积因子，它是描述散射光子影响的物理量815三.累积因子第二节γ射线在物质中的减弱规律1.概述当研究γ射线在物质中的减弱规律时，累积因子是描述散射光子影响的物理量，例如，累积因子B可表示为在物质中所考虑的那一点的光子总计数与未经碰撞的光子计数之比，即lconslconslconlconNNNNNNNB,,,,1+=+==Ns—在物质中所考虑的那一点的散射光子的计数率；Nn,col—在物质中所考虑的那一点的未经碰撞的光子的计数率；N—在物质中所考虑的那一点的光子的总计数率；N＝Ns＋Nn,col16三.累积因子第二节γ射线在物质中的减弱规律1.概述不同的辐射量有不同的累积因子，常用累积因子，有光子数累积因子、能量累积因子、吸收剂量累积因子及照射量累积因子等。累积因子的大小与多种因素有关，例如γ光子的能量、屏蔽材料的原子序数、屏蔽层厚度、屏蔽层的几何条件、源和屏蔽层与考虑点之间的相对位置等有关。应该注意到高能γ射线穿过屏蔽层时，由次级电子产生的轫致辐射，对累积因子有显著的影响，这对高原子序数的材料尤为明显。917三.累积因子第二节γ射线在物质中的减弱规律2.累积因子的计算在屏蔽设计中，累积因子是一个必须要考虑的因素。累积因子的计算可分为（1）单向平面源垂直入射或斜向入射均匀介质的情况；（2）各向同性点源在在无限均匀介质中的情况；（3）非均匀介质的情况。累积因子的具体计算方法有矩方法、蒙特卡罗法等；在解决实际辐射防护问题时，可采用较为方便的查表法和经验公式法来计算累积因子。18三.累积因子第二节γ射线在物质中的减弱规律2.累积因子的计算（1）查表法为使用方便，常把累积因子的计算值制成各种表格，最常见的是γ能量－介质厚度（Eγ-R）表。只要由已知γ射线的能量及介质的厚度R算出μR值，便能从表中直接查出累积因子B。（2）经验公式法在屏蔽设计中，采用累积因子的经验公式，可使计算大为简化，常用的经验公式有：①泰勒公式，②伯杰公式1019三.累积因子第二节γ射线在物质中的减弱规律2.累积因子的计算①泰勒公式②伯杰公式：比泰勒公式计算的值更为精确RaRaeAeABµµ2121−−+=式中A1＋A2＝1；R为屏蔽层厚度；A1，A2，a1和a2是Eγ的函数,可通过查表得到RbaBµµRe1+=式中a，b—与Eγ有关的常数；μ—线性衰减系数（厘米-1）R—屏蔽层厚度（厘米）20三.累积因子第二节γ射线在物质中的减弱规律3.介质分布对累积因子的影响SPABC(a)SPABC(b)SPABC(c)介质分布对P点积累因子的影响无限大均匀介质半无限大均匀介质有限厚均匀介质1121第三节γ点源的屏蔽计算按源的几何形状与大小，将γ源分成点源和非点源两类。与剂量计算相似，点源的屏蔽计算是非点源屏蔽计算的基础。关于点源的屏蔽计算，实际工作中常用的有四种方法。方法的选取按实际情况及对屏蔽设计的要求而定。计算时，把式中的N和N0分别看成时加屏蔽及未加屏蔽时，所考虑的那一点的剂量率（或照射率），累积因子B为γ射线的能量及屏蔽厚度R的函数，用泰勒公式或伯杰公式直接表示，然后解方程求R的值。在屏蔽设计时，当所考虑的那一点到源的距离未知距离未知时，可采用此法。一.直接用公式计算RBeNNµ−=022第三节γ点源的屏蔽计算若将式中的N和N0视为照射量，则：二.利用减弱倍数法计算RBeNNµ−=0RBeXµ−=0X用K表示能量为Eγ的宽束γ射线通过厚度为R的屏蔽层后，照射量或吸收剂量的减弱倍数，则：BeXXRµ==0KK可从表中查得，使用时只需求出K值，便能很方便的查出所需的屏蔽厚度R值。K值的计算是针对单能宽束γ射线，已经考虑了积累因子B，因此原则上适用于一切γ核素的屏蔽计算。1223第三节γ点源的屏蔽计算令剂量减弱系数三.利用曲线图计算两边取对数得：ReXXµ−==Bf0D&&RBµ−=lnlnfD在半对数坐标纸上，以fD为对数坐标，屏蔽厚度为普通坐标作图，按上式求出fD，就能直接从曲线上查到所求的屏蔽厚度R（厘米）。24第三节γ点源的屏蔽计算半减弱厚度，就是将γ射线的照射率、剂量率或注量率等减弱一半所需屏蔽层的厚度，常用符号表示，令减弱倍数K＝2n，得n＝logK/log2，则屏蔽层厚度：四.利用半减弱厚度计算式中，n为半减弱厚度的数目。21∆21R∆=n利用上式关系，可以粗略估算所需的厚度，γ射线在水、水泥、钢、铅中的在表中给出21∆【例题】将60Co所产生的剂量减弱2000倍，所需铅防护层厚度多少？（60Co的Δ1/2＝1.2cm）1325第四节非点源的屏蔽计算与点源的不同之处在于，非点源的辐射减弱函数与其几何形状和大小有关。对于体源，必须考虑源本身的自吸收和多次散射，为了使屏蔽设计既可靠又经济，必须了解源的形状、大小、强度及辐射组分等参数。在屏蔽设计时，以点源的减弱方程为基础，根据具体的条件建立微分方程，求微分方程的解，便得到非点源屏蔽减弱的辐射函数。本节通过线源，面源及截头圆锥体源等典型情况的介绍，来了解非点源屏蔽计算的基本方法。26第四节非点源的屏蔽计算一.线状源如图所示，设SL为γ线状源单位长度上的活度，单位为Bq/cm，γ照射率常数为Γ。在P1点，微分线源dL对照射率的贡献为：θ21secaSdLXdPLΓ=&点θθθdaXddadLLΓ=→=Ssec2&由P3P2P1aLdLθ1θ1θ2θ1θ2θ1427第四节非点源的屏蔽计算一.线状源如图所示，若在线状源与观测点之间加屏蔽墙（厚度为R）线性衰减系数为μ。若不考虑碰撞，则，在P1点，微分线源dL对照射率的贡献为：θµθsec2secRLeadLSXd−Γ=&式中e-μRsecθ表示线源发射出的光子在屏蔽层中的减弱,这里并未考虑积累因子aLdLP3P2P1R屏蔽墙θ1θ1θ2θ1θ2θ28第四节非点源的屏蔽计算一.线状源θθdadL2sec=因为θθθµθµdaeeadXdRRsecLsecLSS−−ΓΓ=＝所以&上式中对角θ自0至θ1积分，使得线源L发出的光子在P1点的照射率为∫−Γ=10secLSθθµθdeaXR&aLdLP3P2P1R屏蔽墙θ1θ1θ2θ1θ2θ1529第四节非点源的屏蔽计算一.线状源令b＝μR，由正割积分函数的定义得∫−=110'sec1')b,F(θθθθdeb所以P1点的照射率：),(S1L1bFaXθ