上海光源用户辐射安全培训教材.docx
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上海光源用户辐射安全培训教材
上海光源用户辐射安全培训教材
（第一版）
上海光源
2009年4月16日
I．基础篇：
辐射安全基础知识
1.1辐射及电离辐射概念1
1.2电离辐射射线种类和穿透能力1
1.3辐射防护中使用的量2
1.4辐射防护剂量限值2
1.5辐射防护基本原则3
1.6外照射防护三要素4
II．实用篇：
上海光源辐射安全及注意事项
2.1基本依据5
2.2上海光源的辐射源5
2.3上海光源的剂量限制6
2.4上海光源辐射防护措施7
2.5上海光源的辐射管理区域划分8
2.6上海光源安全标识和警示9
2.7光束线站安全联锁系统操作方法10
2.8注意事项13
2.9紧急情况下对策14
I．基础篇：
辐射安全基础知识
1.1辐射及电离辐射概念
广义上，辐射是以波动形式或运动粒子形式向周围介质传播的能量，是一种能量传播的方式。
广义上的辐射概念包括声辐射、热辐射、电磁辐射及粒子辐射等，在这些辐射中，我们更多关心的是电磁辐射及粒子辐射，而广义上电磁辐射的范围很广，从无线电波、微波、紫外线等，一直到X射线和γ射线。
根据辐射能量的大小所产生的辐射形式不一，可将辐射分为非电离辐射和电离辐射两大类。
电离辐射包括高能电磁辐射电磁波和粒子辐射，高能电磁辐射电磁波指X射线和γ射线，不包括无线电和射频波等低能电磁辐射；粒子辐射有n、Alpha、Beta、p、e-、介子、重离子。
不管是X射线和伽玛射线，还是其它粒子辐射，与物质的原子作用时都能间接或直接地使原子产生电离。
通常辐射防护上关心的对象就是电离辐射。
电离辐射的分类因分类原则不同可分为多种类型，通常分为天然辐射和人工辐射。
辐射源也可相应分为天然辐射源和人工辐射源。
天然辐射源源于宇宙射线和天然放射性，包括自然界中动物植物、空气、水、泥土、岩石等天然介质中存在的放射性；人工辐射源来源于人类从事与辐射相关的活动、实践或辐射事件。
由于天然辐射源所产生的辐射照射称为天然本底照射；来自人工辐射源的照射为人工照射。
1.2电离辐射射线种类和穿透能力
常见的电离辐射有α粒子、β粒子、γ射线、X射线、中子、质子、重离子、介子等。
其中α粒子、β粒子、质子、重离子为带电粒子，X射线、γ射线、中子和介子为不带电粒子。
电离辐射的性质决定了辐射的穿透能力不一。
一般电离能力强的辐射较电离能力弱的辐射在物质中的穿透能力小。
以下是几种主要和常见电离辐射和它们的穿透能力：
α粒子是带2个单位正电荷，质量数为4的高速运动的氦原子核，它的电离作用大，贯穿本领小。
α粒子的电离本领大，容易对人体产生内照射。
防护的重点是不要让α粒子的发射体进入体内以免造成内照射损伤。
α粒子的贯穿能力小，有10cm空气、薄玻璃板、外科手套、衣服、一张纸或生物组织的表皮就足以挡住α粒子。
β射线是高速运动的电子流。
带一个单位电荷，质量轻。
它的电离作用较小，贯穿本领较大。
β粒子能引起内、外照射损伤。
对于来自β射线的外照射屏蔽，通常采用原子序数较低的材料，如用塑料、几毫米厚的薄金属片、有机玻璃等。
X或γ射线是波长很短的电磁波，是光子，不带电，无静止质量。
电离作用较小，贯穿本领大。
主要引起外照射损伤。
对X或伽玛射线需要用高原子序数的厚金属材料，常用的防护材料有铁、铜、铅、混凝土等。
中子是质量约为一个原子质量单位的不带电粒子。
无直接电离作用，贯穿本领很大。
对于中子的屏蔽需要低原子序数且含氢元素多的材料，如水、聚乙烯、石蜡等。
中子常常与γ射线一起,需要同时屏蔽中子与γ射线，这时需要用高原子序数的材料防护慢化高能中子和吸收慢化过程中产生的γ射线，然后由低原子序数且含氢元素多的材料来阻挡低能中子。
1.3辐射防护中使用的量
人体受到电离辐射照射,所受照射大小用剂量描述，根据射线种类和所需评价受照对象的不同详细分为：
吸收剂量
吸收剂量是单位质量上因辐射照射所沉积的能量，SI单位为J/kg，专用单位为Gy。
它是一个基本的物理学剂量量，是实际可测量的量。
实际上，对人体某一组织或器官所受吸收剂量是该组织或器官质量范围上的平均，通常为平均吸收剂量。
当量剂量
由于不同质的辐射照射所产生的生物效能的差异，引入辐射权重因子，平均吸收剂量与对应辐射权重因子之积就是当量剂量。
SI单位为J/kg，专用单位为Sv。
有效剂量
为了建立辐射剂量与辐射危害之间的关系，除了考虑不同质的辐射照射所产生的生物效能的差异外，对同一种辐射还需要考虑器官和组织对辐射照射的敏感性不同。
为此，引入组织权重因子，用它和组织当量剂量加权求和来获得人体所受的有效剂量。
SI单位为J/kg，专用单位为Sv。
有效剂量主要用于计划目的和防护最优化的前瞻性剂量评价，和验证是否符合剂量限值，或者与剂量约束值或参考水平进行比较的回顾性剂量评价。
1.4辐射防护剂量限值
为了保护工作人员和公众的健康，国际辐射防护委员会对辐射剂量制定了辐射防护剂量限值体系，辐射防护剂量限值体系对职业照射和公众照射有明确的剂量限值，详细如下：
对于职业照射：
●连续5年内的平均有效剂量为20mSv；
●连续5年中任何一个单一年份中的年有效剂量50mSv，但5年内有效剂量总合不超过100mSv；
●眼晶体的年当量剂量150mSv；
●四肢（手、足）或皮肤的年当量剂量500mSv；
对于公众照射：
●年有效剂量为1mSv；
●特殊情况下，连续5年的年平均有效剂量不超过1mSv，其中某一个单一年份中的年有效剂量可为5mSv，但5年内有效剂量总合不超过100mSv；
●眼晶体的年当量剂量15mSv；
●四肢（手、足）或皮肤的年当量剂量50mSv；
1.5辐射防护基本原则
辐射无处不在，全世界人均受到天然本底辐射照射剂量为2.4mSv/a。
但是通过合理正当的辐射防护和必要的安全管理措施，我们可以充分利用辐射，造福人类，并有效避免辐射所产生的危害或使辐射危害最小，这就是辐射防护所遵循的三个基本原则：
正当性原则
任何改变照射情况的决定都应当是利大于弊。
通过引入新的辐射源，减少现存照射，或减低潜在照射的危险，人们能够获得足够的个人或社会利益以弥补其引起的损害。
防护最优化原则
在考虑了社会和经济因素后，受照射的可能性、受照射的人员数目和个人所受到辐射剂量的大小均应保持在可合理达到的尽可能低的水平。
剂量限值的应用原则
除了患者的医疗照射之外，任何个人受到来自监管辐射源的计划照射的剂量和不能超过相应的剂量限值。
1.6外照射防护三要素
外照射是指来自体外的电离辐射对人体的照射，根据外照射的特点，尽量减少和避免辐射从外部对人体的照射，使人体所受照射不超过规定的剂量限值。
辐射防护上的三要素：
缩短时间：
减少接触辐射源时间，因为人体所受辐射照射的累积剂量和照射时间成正比，时间越长，所受的剂量越多。
增大距离：
增大人与辐射源之间的距离，因为人体所受辐射照射剂量和人与放射源之间距离的平方成反比，也就是说距离辐射源越远越好。
设置屏蔽：
在人体何辐射源之间设置屏蔽，当缩短时间和增大距离的措施的有效性和方便性受到限制时，设置合适的屏蔽体是有效的防护措施。
II．实用篇：
上海光源辐射安全及注意事项
2.1基本依据
《上海光源辐射安全管理规程》：
附录A
《上海光源用户辐射安全管理规定》：
附录B
2.2上海光源的辐射源
上海光源的主体组成由三个加速器和同步辐射光束线实验站组成。
三个加速器为：
150MeV的电子直线加速器（Linac）、150MeV~3.5GeV的增强器（Booster）、3.5GeV的电子储存环（StorageRing）。
SSRF具有安装26条插入件光束线、36条弯铁光束线和若干条红外光束线等共60多条光束线的潜力，它可以同时为近百个实验站供光。
首批建造7条光束线站，其中2条线站基于弯铁光源，分别是：
X射线小角散射光束线站、衍射光束线站；2条线站线站基于扭摆器光源，分别是：
X射线成像及生物医学应用光束线站、XAFS光束线站；3条线站线站基于波荡器光源，分别为：
软X射线谱学显微光束线站、生物大分子晶体学光束线站、硬X射线微聚焦及应用光束线站。
上海光源的辐射场是一个由初级粒子，即高能电子、次级粒子（电子、光子和中子）和同步辐射光所组成的复杂混合辐射场。
电子与周围介质的相互作用，能量沿途发生损失，高能电子主要以辐射形式损失能量。
因电子束流损失引起高能电子与介质相互作用产生轫致辐射，形成能量从0到入射电子能量的连续光子能谱，其中的高能光子又与介质作用主要产生正负电子对，这些新的正负电子又能重演初始电子的行为，如此循环往复，这样光子与电子和正电子级联产生、同时粒子的数目不断增大，产生大量的光子和次级电子，形成电磁级联辐射。
电磁级联辐射在发育、收敛过程中以较小概率产生（γ,n）光核反应从而产生巨共振中子、中能中子、高能中子。
以接近光速运动的高能电子在电磁场中偏转时，由于相对论效应，沿着电子运动轨道的切线方向产生同步辐射。
电磁级联辐射和同步辐射称为瞬时辐射。
由于轫致辐射所产生的光子与介质通过（γ,n）反应以及中子活化反应，使介质，如隧道内空气，隧道内设备冷却水以及加速器构件等产生放射性产物。
这些放射性产物称为感生放射性。
依据辐射场特点，上海光源的辐射源分为瞬时辐射源和残余辐射源。
瞬时辐射源指上述的瞬时辐射和同步辐射。
瞬时辐射源又分为直接辐射源（含直射和折射）和天空散射。
残余辐射源指加速器运行所产生的感生放射性源，包括被活化的隧道内空气、冷却水和加速器构件等。
2.3上海光源的剂量限制
上海光源的辐射安全设计以国际辐射防护委员会建议的辐射防护最优化为基本原则，以国家有效的最新相关法律标准为依据，参考了世界上同类加速器辐射防护设计目标,同时考虑了辐射防护的发展趋势。
应用的辐射防护剂量基本限值依据为《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》（GB18871-2002）中规定的剂量限值，即：
职业照射——对任何工作人员的职业照射加以控制，使其连续5年的年平均有效剂量不超过20mSv；任何一年中的有效剂量不超过50mSv。
特殊情况——经过审管部门的批准，在特殊情况下，按照GB18871-2002附录B中B1.1.2的规定执行。
公众照射——公众中有关关键人群组的成员所受到的平均剂量估计值不应超过年有效剂量1mSv；在特殊情况下，如果5个连续年平均剂量不超过1mSv，则某一单一年份的有效剂量可提高到5mSv。
在满足上述《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》对职业照射和公众照射水平的剂量限值的前提下，参考世界上同类加速器辐射防护设计目标,考虑了的国际辐射防护发展的趋势，确定上海光源的辐射防护设计目标为：
职业照射——任何工作人员的职业照射的年平均有效剂量不超过5mSv；在计算屏蔽墙厚度时给予2倍的安全系数。
公众照射——公众个人剂量管理目标值为年有效剂量不超过0.1mSv，其中包括上海光源产生的杂散辐射、放射性气体和放射性废水等所造成的剂量。
表1给出国际上同类光源的剂量管理限值，上海光源的工作人员职业照射的年平均有效剂量不超过5mSv，为国家规定的1/4，与同类光源的剂量管理目标值处于同一水平，是足够安全的。
表1.国际上主要同类光源的剂量管理限值
光源名称
上海光源
（SSRF）
ALS
APS
NSLS
SSRL
SPring-8
剂量限值
（mSv/a）
5
2
5
1
1
12
2.4上海光源辐射防护措施
针对上海光源辐射源的特性，上海光源采取了相应的防护措施，以保证上海光源运行工作人员和公众的健康和安全，保护上海光源周边环境。
上海光源的辐射安全保障建立在一个包含硬件系统和软件系统在内的完善的辐射安全系统上。
上海光源辐射安全硬件系统主要包括辐射屏蔽、人身安全联锁、束流损失探测和辐射监测。
软件系统包括系列管理规章制度的制定和执行，以及辐射安全教育培训。
主要的辐射安全硬件系统界面如图1所示。
图1.辐射安全系统中央控制界面
辐射屏蔽：
辐射屏蔽用于阻挡来自高辐射区的辐射，使用户和工作人员所受辐射照射在可合理达到的尽可能第的水平。
上海光源的辐射屏蔽包括主体屏蔽和局部屏蔽。
主体屏蔽是辐射屏蔽的主要部分，根据预计加速器运行时束流损失分布的特点以及辐射防护最优化的原则设计，由普通钢筋混凝土结构的隧道墙构成；局部屏蔽配合主体屏蔽，用于补充主体屏蔽的不足或加强特定位置主体屏蔽的屏蔽效果。
在主体屏蔽上，因建造、安装、运行、维护及使用等功能性的需要，如输入高频波导、准直测量、出光束线的引出、水、风、电和气等外部供给，需要在隧道墙上设置迷宫门、设备等的出入口，以及各种管线通道等。
上海光源从辐射安全上，对这些区域都加强屏蔽，以确保安全。
人身安全联锁系统是上海光源辐射安全系统中最关键的部分。
它包括了4个部分：
1）直线加速器安全联锁；2）增强器安全联锁；3）储存环安全联锁；4）光束线站安全联锁。
安全联锁系统保证加速器运行时，人员无法进入高辐射区域。
安全联锁的设计遵循弱电系统设计的国标规范、遵循加速器隧道进出控制系统还遵循国家标准中对加速器辐射安全系统的设计要求、同时借鉴国内外加速器联锁的经验和设计方案。
主要设计原则：
硬件系统设计遵照“硬件最可靠”、“失效安全”、“纵深防御”、“最优切断”的原则；重要安全部件采用“冗余”技术使系统具有独立性，不受其它系统限制等特性；同时考虑经济合理性。
束流损失监测系统是上海光源辐射防护工程的一个重要组成部分，该套系统不仅可以帮助辐射防护工作者深入了解上海光源加速器周围辐射场形成的根本原因，还可以帮助确定上海光源束流损失的具体位置、大小、发生时间等信息，解析辐射场的空间和时间特征。
通过获得、分析和反馈加速器束流损失的信息，可以帮助运行人员改善加速器运行状况，从而降低辐射水平。
固定辐射监测系统是辐射安全的“眼睛”。
由于辐射看不见又闻不到，我们需要辐射监测系统来帮助我们。
固定辐射监测系统用于实时监测上海光源装置运行期间在主体建筑周围及环境中所产生的瞬时和中子辐射剂量。
起到实时反应上海光源装置运行期间的辐射剂量水平，累计上海光源装置运行期间的辐射剂量数据及为辐射安全评价提供必要剂量数据的作用。
整个监测系统分两期完成，一期包含5个环境监测站和18个区域监测点，主要用于主体加速器调试运行期间的辐射剂量测量，二期主要是增加对实验大厅内的线站周围的辐射剂量监测，届时区域监测点将增加到47个，覆盖上海光源所有区域,用户可以安心工作。
辐射安全值班和巡测：
除上述用固定辐射监测系统进行辐射剂量监测外，技术安全技术部还设有专职的防护值班人员进行系统维护和辐射安全巡测，以提高安全性，确保安全。
2.5上海光源的辐射管理区域划分
上海光源总体上区域划分为控制区、监督区和其它区域。
其中控制区和监督区为辐射管理区域，如图2所示。
上海光源主体建筑内为辐射管理区域。
用户实验所在的实验大厅和办公室属于辐射安全监督区，用户进入辐射管理区需做放射工作人员登录管理，具体按《上海光源用户辐射安全管理规定》执行（附录B）。
图2.上海光源辐射管理区域
2.6上海光源辐射安全标识和警示
上海光源的辐射安全标识和警示包括：
当心电离辐射标识、警灯、警铃和广播，请用户了解并熟记这些与您的安全息息相关的标识和警示。
在上海光源常见的辐射安全标识和警示如图3、4、5、6所示。
图3.辐射防护专用设备标识图4.红色警灯
图5.应急时使用标识图6.电离辐射区域和警示标识
2.7光束线站安全联锁系统操作方法
用户开始实验前，必须严格按照操作规程，并执行相关步骤，方能引入同步光到达样品处；否则，将无法进行有效的搜索、开启光闸PS2、安全光闸SS1和安全光闸SS2，实现棚屋的供光。
光束线站安全联锁系统操作步骤如下：
第1步：
光学棚屋搜索
按照规定的顺序，从最远离棚屋门口的搜索控制箱上的“搜索”按钮开始，依次按动棚屋内的搜索按钮，沿棚屋搜索一圈。
每按过一个搜索按钮，会发出不同的搜索提示音；确认棚屋内无人后，退出棚屋外，按动门外联锁控制箱上的“关门”按钮。
当门关闭后，搜索的提示音将自动停止。
在搜索过程中，可以按“关光闸/取消”按钮结束本次搜索。
只有搜索过的光学棚屋，才能打开光闸给棚屋供光。
每个棚屋的搜索过程完成后，必须在规定的时间（200秒）内关好门，否则，搜索无效并报警提示。
搜索过的棚屋，门被打开后，必须重新开始搜索。
第2步：
打开安全光闸SS1、光子光闸PS2
在光学棚屋搜索完毕后，根据储存环束流的大小和所需要的X光子能量，在用户操作界面上，设置好光束线各部件的实验参数，在此之后，就可以打开光束线站人身保护控制机柜的柜门，检查控制面板上的“光闸控制”钥匙，是否处于“允许”位置，若不是，则必须将钥匙转向“允许”位。
再按动面板上SS1、PS2的开关按钮，就可以打开这两个光闸。
但SS1、PS2的开关控制是联动的，必须先开SS1，再开PS2，否则，是不能打开SS1、PS2的。
如果没有先关PS2，直接按了SS1的关按钮，则控制系统将自动先关闭PS2，之后关SS1。
其原因是SS1无法承受同步光的热负载，所以在操作的时候要保证同步光不能直接打在SS1上。
因此，开光的时候是先开SS1，再开PS2；而关光的时候，应该先关PS2再关SS1。
“光闸控制”钥匙是为了使能该控制面板的按钮开关，只有当“光闸控制”钥匙指向“允许”位置，此面板上的按钮开关才有效，也才能打开或关闭SS1、PS2和SS2；当“光闸控制”钥匙指向“禁止”位时，SS1、PS2和SS2是不能开关操作的，将保持原有的状态不变。
图8.光束线站人身安全联锁系统机柜上的控制面板
第3步：
搜索实验棚屋
和光学棚屋的搜索步骤一样，按照规定的顺序依次按动实验棚屋内的搜索控制箱上的搜索按钮，从最远离门口的搜索按钮开始，沿棚屋搜索一圈。
每按过一个搜索按钮，会发出不同的搜索提示音；确认棚屋内无人后，退出棚屋外，按动门外联锁控制箱上的关门按钮；当所有的门关闭后，搜索的提示音和闪烁光将自动停止。
实验过程中，实验人员进入实验棚屋换样品后，关门之前都需要重新搜索操作，否则，是不能再打开光闸SS2的。
只有搜索过的实验棚屋，才能打开光闸给棚屋供光。
每个棚屋的搜索过程完成后，必须在规定的时间（200秒）内关好门，否则，搜索无效并报警提示。
搜索过的棚屋，门被打开后，必须重新开始搜索。
第4步：
打开SS2
在人保控制机柜的面板上，当“光闸控制”钥匙处于“允许”位置，按动SS2的开关按钮可以打开或关闭SS2；否则，当此钥匙处于“禁止”位置时，按动SS2的开关按钮，是不能开关SS2的。
但此时，可以在实验棚屋联锁控制箱上按动SS2的开关按钮来打开或关闭SS2。
将实验棚屋联锁控制箱上的“联锁钥匙”转向“允许”位置，按动“开光闸”按钮，将打开安全光闸SS2，按动“关光闸”按钮，将关闭安全光闸SS2。
不过，当此“联锁钥匙”处于“禁止”位时，SS2也是不能打开或关闭的。
任何时候，SS2的开关操作都只能在一个地方有效进行。
当“光闸控制”钥匙处于“允许”位置时，SS2的开关操作只能在人保机柜控制面板处进行，实验棚屋联锁控制箱上SS2的开关按钮操作是无效的；当“光闸控制”钥匙处于“禁止”位置时，SS2的开关操作只能在实验棚屋联锁控制箱上进行，人保机柜控制面板处SS2的开关按钮操作将是无效的。
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