辐射屏蔽设计.docx

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辐射屏蔽设计

辐射防护的方法

辐射对人体的照射方式有外照射和内照射两种。

体外辐射源对人体的照射称为外照射，进入人体的放射性同位素对人体的照射，称为内照射。

外照射的基本防护原则是，缩短照射时间、加大人员与辐射源的距离和进行适当的屏蔽。

内照射防护最根本的方法是尽量减少放射性物质进入体内的机会。

例如制定合理的卫生管理制度，通风，密闭存放和操作，个人防护等等。

第一节X或γ射线的外照射防护

与X、γ射线相关的辐射源有：

X射线机、加速器X射线源和放射性核素。

X射线机的工作电压通常低于400kV，电子加速器产生的高能X射线一般为2~30MeV。

放射性核素产生的X或γ射线一般在几keV到几MeV之间。

1．1X或γ辐射源的剂量计算

1、X射线机

X射线机的发射率常数δX定义为：

当管电流为1mA时，距离阳极靶1m处，由初级射线束产生的空气比释动能率，其单位是mGy⋅m2⋅mA-1⋅min-1。

发射率常数δX与X射线管类型、管电压及其电压波形、靶的材料和形状、以及过滤片的材料和厚度等因素有关。

准确的发射率常数应通过实验测量得出。

准确度要求不高时，也可查手册中的发射率常数曲线来近似估计。

（2．1）

空气比释动能率

a可近似按下式计算：

式中，r0=1m；I是管电流，单位是mA；

a的单位是mGy⋅min-1。

例1：

为某患者做X射线拍片，设X射线管钨靶离患者0.75m，曝光时间0.6s。

已知管电压为90kV、管电流50mA，出口处过滤片为2mm铝。

试估算患者表面所在处的吸收剂量（忽略人身的散射影响）。

解：

查得该条件下，发射率常数δX为7.8mGy⋅m2⋅mA-1⋅min-1，由公式（2．1）计算

a为693mGy⋅min-1，空气比释动能为6.93mGy。

吸收剂量值近似等于空气比释动能值，为6.93mGy。

2、加速器X射线源

由加速器输出的电子束产生的X射线源的发射率，同电子能量、束流强度、靶物质的原子序数以及靶的厚度等因素有关，并随出射角度而异。

一般，当电子能量低于1MeV时，最大发射率方向倾向于与电子束入射方向垂直；随着电子能量增高，最大发射率方向越来越偏向入射电子束方向。

加速器X射线的发射率常数δa定义为，将X射线源看成点源，单位束流（1mA）在标准距离1m处所形成的吸收剂量指数率，其单位是Gy⋅m2⋅mA-1⋅min-1。

当电子束入射到低Z厚靶材料上时，向垂直方向和向前方向出射的X射线的发射率常数δa'，可以利用对于高Z厚靶的δa值乘以表2.1中给出的修正因子给予粗略地估计。

表2.1近似估计低Z靶或结构材料的X射线发射率所用的修正因子

靶或结构材料

原子序数Z

向前方向（00方向）

垂直方向（900方向）

铜或铁

26或29

0.7

0.5

铝和混凝土

13

0.5

0.3

根据加速器X射线的发射率常数δa定义，可以用下列公式计算距离靶r处的吸收剂量指数率

:

=Iδa/r2（2.2）

例2：

假定能量为3MeV、流强为2mA、直径为1cm的电子束轰击高Z（钨）厚靶。

计算与靶距离00方向，5m；900方向，4m处的吸收剂量指数率。

若该靶换成铁靶，上述两点处的吸收剂量指数率又为多少？

解：

由图2.1查得，能量为3MeV的电子束在00方向和900方向上的发射率常数分别为δa，0=11Gy⋅m2⋅mA-1⋅min-1和δa，90=3.0Gy⋅m2⋅mA-1⋅min-1。

于是，由公式（2.2），分别得00方向和900方向上的吸收剂量指数率为0.88Gy⋅min-1和0.38Gy⋅min-1。

图2.1电子束垂直投射高Z（>73）厚靶上产生的X射线发射率常数

查表2.1，对铁靶在00方向和900方向上的修正因子分别为0.7和0.5，因此，相应的00方向和900方向上的吸收剂量指数率为0.62Gy⋅min-1和0.19Gy⋅min-1。

3、γ放射性同位素源

γ放射性同位素源在空气中某点的空气比释动能率，取决于光子能量、源的活度、源的形状以及与源的距离。

当参考点与源的距离远大于源的大小时，辐射源可近似为点源处理。

空气比释动能率常数ΓK定义为，单位活度（1Bq）的放射性同位素源在标准距离1m处所形成的空气比释动能率，其单位是Gy⋅m2⋅Bq-1⋅s-1。

（2.3）

根据定义，活度为A（Bq）的γ点源，距离为r（m）的位置的空气比释动能率

a为

例3：

求距离100Ci的60Co点源2米处的空气比释动能率？

解：

查表得60Co源的空气比释动能率常数ΓK为8.67⨯10-17Gy⋅m2⋅Bq-1⋅s-1，代入公式（2.3）得，

a=3.7⨯1012⨯8.67⨯10-17/22Gy⋅s-1=0.289Gy/h。

1．2X、γ射线在物质中的减弱规律

X或γ辐射在穿过物质时，其束流强度将遵循指数规律逐渐减弱。

对于窄束辐射，存在以下关系式：

I（d）=I0e-μd

（2.4）

其中I（d）为穿过厚度为d的物质后的辐射强度，I0为辐射进入物质前的强度，μ为吸收体的线性吸收系数。

μ的单位是cm-1，d的单位是cm。

在宽束辐射情况下，光子和吸收物体间的多次康普顿散射可以导致观测点的辐射强度增加，需引入累积因子B对多次散射的影响作简单的倍数修正。

此时，公式（2.4）应改换为：

I（d）=BI0e-μd

（2.5）

式中累积因子B的大小取决于入射光子能量、吸收体、准直条件等因素。

屏蔽计算中使用半减弱厚度∆1/2和十倍减弱厚度∆1/10来定义将入射γ光子数（注量率或照射量率等）减弱一半或十分之一所需的屏蔽层厚度。

但是，给定辐射在屏蔽介质中的∆1/2和∆1/10值并不是一个常数，而是随着减弱倍数的增加而略有变化。

当辐射穿过一定厚度的物质层后，存在一个平衡的∆1/2和∆1/10值。

该值可用于对已经有一定程度衰减的辐射束的屏蔽能力和屏蔽厚度的近似估算。

表2.2列出60Co源γ辐射的宽束的平衡∆1/2和∆1/10值，

表2.260Co源γ辐射的宽束平衡Δ1/2和Δ1/10值

屏蔽材料

铀

铅

钢

混凝土

∆1/2（cm）

0.7

1.2

2.0

6.1

∆1/10（cm）

2.2

4.0

6.7

20.3

用以屏蔽X或γ射线的材料种类很多。

常用的屏蔽材料有铅、铁、混凝土、水等。

砖、砂石、泥土由于在建筑上的广泛使用，客观上也起到屏蔽一部分射线的作用。

另外，为了减少总重量和减小体积，可以选择一些高密度材料如钨、铀等作局部屏蔽。

1．3屏蔽计算

屏蔽防护的目的在于：

设置足够的厚度的屏蔽层，使所关心的一点（以下称参考点）处由于各种辐射源造成的当量剂量指数率的总和，不超过事先规定的控制水平。

1、X射线机

例4：

一台X射线机，管电压250kV，管电流30mA，每周工作5天，每天工作4小时，参考点位于X射线前方（居留因子q=1），它与靶之间的距离为2米。

试计算初级混凝土屏蔽墙为多少？

假设束定向因子u=1/4，

L,W=3⨯10-1mSv⋅周-1。

解：

因W=30⨯5⨯4⨯60=36000mA⋅min⋅周-1，故有效工作负荷，Wuq=9⨯103mA⋅min⋅周-1。

由此得透射系数ζ，

查宽束X射线对混凝土的透射系数图，与透射系数1.33⨯10-4mSv⋅m2mA-1⋅min-1对应的混凝土厚度为44cm。

上述在X射线机前方，与初级X射线正对的屏蔽层称为初级屏蔽层（或主屏蔽层）。

由计算可知。

本题的初级屏蔽层厚度为44cm。

对医用X射线机，除考虑初级X射线外，从X射线机机头防护外壳泄漏的辐射和初级X射线在病人身上产生的散射辐射，对X射线机两侧的人体也可产生照射。

对这种次级照射的防护分别对应于泄漏射线和散射线，相应的屏蔽层称为次级屏蔽层。

对于例6，经计算，某典型情况下防护泄漏射线需24cm混凝土墙，防护病人身体的散射线需30cm混凝土墙。

两者一起，在X射线侧面次级屏蔽层的最终厚度为32.8cm。

增加的2.8cm是250kVX射线在混凝土中的半减弱厚度。

2、加速器X射线源的屏蔽计算

在加速器装置中，电子束射到靶上产生的X射线，称为初级X射线。

下面分两种情况讨论有关的屏蔽计算方法。

（1）沿入射电子方向发射的初级X射线的屏蔽计算

（2.6）

设ηX是00方向上的X射线在屏蔽层中的透射比。

则屏蔽要求可以写成下列形式：

式中，

I,r（d）是经过厚度为d的屏蔽层后，在参考点上初级X射线束的当量剂量指数率；

L,h是在参考点上的当量剂量指数率的控制水平；δa是加速器X射线的发射率常数；I是电子束流强；q是参考点所在区域的居留因子。

例5：

一台电子直线加速器，被加速的电子能量为10MeV，平均束流强度为0.2mA。

计算防护00方向X射线所需的混凝土屏蔽层厚度。

设靶与位于屏蔽层后的参考点距离r为7米，且屏蔽层外是属非控制区（q=1/4），又设参考点上的当量剂量率的控制水平

L,h为7.5μGy/h。

解：

查得10MeV00方向上X射线发射率常数δa（00）为450Gy⋅m2mA-1⋅min-1。

则计算透射比ηX为，

设K为相应的减弱倍数，K=1/η，该题中计算K=3.7⨯106。

可以用三种方法得到相应的混凝土厚度。

A．由透射比ηX查有关附图，得10MeV时与透射比为2.7⨯10-7相应的混凝土厚度为2.55m。

B．由E=10MeV，K=3.7⨯106查有关附表，得2.58m。

C．由十倍减弱厚度∆1/10，对于10MeVX射线，查图得∆1/10，1=0.41m，∆1/10，e=0.39m。

计算n=lg（1/η）=6.57，则d=0.41+0.39⨯5.57=2.58m。

上面∆1/10，1是靠近辐射源的第一个十倍减弱厚度，∆1/10，e是第一个十倍减弱厚度之后的十倍减弱厚度，其值近似为常数，即所谓平衡十倍减弱厚度。

（2）沿与电子束入射方向为900的初级X射线的屏蔽计算

屏蔽900方向上的初级X射线束屏蔽层厚度可以采用与00方向上类似的计算方法，但需注意两点：

①取900方向上X射线发射率常数δa（900）

②计算出透射比η后，由于加速器产生的X射线在900方向的能量与00方向上的不同，需查相应方向上的等效入射电子能量E'，然后，再根据E'得到有关的屏蔽厚度。

如例5情况下，δa（900）为30Gy⋅m2mA-1⋅min-1。

与原入射电子能量10MeV相对应的等效入射电子能量为6MeV。

设居留因子为1，7米处控制水平

L,h为7.5μGy/h，则η=1.02⨯10-6，K=0.98⨯106。

由E'=6MeV，K=0.98⨯106查有关附表，得d=2.05m。

3、γ射线的屏蔽防护

例6：

欲将放射性活度为3.7⨯1012Bq的60Co源置于一个铅容器中，要求容器表面的当量剂量率小于2mGy/h，且距离容器表面1米处的当量剂量率应小于50μGy/h。

设容器表面到源的距离r=25cm，求铅容器的屏蔽厚度。

解：

查表得60Co源的空气比释动能率常数ΓK为8.67⨯10-17Gy⋅m2⋅Bq-1⋅s-1。

如果不加屏蔽，分别代入公式（2.3）得r=25cm和r'=125cm处的空气比释动能率分别为18.5Gy/h和0.74Gy/h。

对60Co源可以认为当量剂量与比释动能数值相等，然后分别计算达到条件1和条件2时的减弱倍数K=9.25⨯103和K'=1.48⨯104，取较大的减弱倍数K'=1.48⨯104，查得铅的屏蔽厚度为16.9cm，实际可取17.0cm。

第二节电子外照射的防护

带电粒子穿过物质时，主要通过激发、电离过程损失能量。

带电粒子在物质中沿其入射方向所穿过的最大直线距离，称为带电粒子在该物质中的射程。

只要物质层的厚度大于等于