辐射剂量与防护重点.docx

1、辐射剂量与防护重点00从稳定性考虑,原子核(原子)可以分为稳定与不稳定的2大类不稳定的原子核会随着时间发生变化,会自发的或在外界影响下从某种核素(元素)变化到另一种 核素(元素),与此同时会释放出各种类型的粒子,同时释放出不同的能量,这种现象称为放射性。上述粒子携带大量能量高速运动,形成射线; 常见的例外的情况就是X 射线,医用、工业用X射线就是由核外电子能态变化引起 本课的目的:采取各种方法、手段,有效地避免放射性对人体的损害凡就是存在放射性应用的地方,则必然伴随着辐射防护工作第一阶段:早期辐射损伤认识时期(1895-1930) 第二阶段:中期辐射损伤认识时期(又称放射线诊断、治疗损伤时期)

2、(19301960) 第三阶段:近期辐射损伤认识时期(又称流行病学调查所见的辐射损伤时期)(1960现在)01电离辐射:由能通过初级过程或次级过程引起电 离的带电粒子或不带电粒子组成的,或者由它们 混合组成的辐射;电离辐射场:电离辐射无论在空间,还就是在介质内部通过、传播以至经由相互作用发生能量传递的整个空间范围,由此形成的场;辐射量:为了表征辐射源特征,描述辐射场性质,量度辐射与物质相互作用的程度及受照物质内部发生的辐射效应的量; 粒子辐射:就是指组成物质的基本粒子,或由这些粒子组成的原子核。既有能量又有静止质量。电磁辐射:实质就是电磁波,仅有能量,没有静止质量。辐射计量学量:根据辐射场自身

3、的固有性质来定义的物理量; 辐射剂量学量:描述辐射能量在物质中的转移、沉积的物理量; 辐射防护学量:用各类品质因数加权后的吸收剂量D引申出的用于防护计算的物理量;粒子通量(、N):粒子数在时间间隔dt的变化量dN,s-1能量通量(、R):辐射能在时间间隔dt内的变化量dR,Js-1;粒子注量():可以认为就是进入单位截面积小球的粒子数;m-2能量注量():进入向心截面积为da的小球的辐射能 dR与da的比值,Jm -2粒子注量率():表征单位时间内进入单位截面积小球的粒子数的多少,又称为粒子通量密度,m-2s-1 能量注量率():表征单位时间内进入单位截面积小球的辐射能的多少,又称为能量通量密

4、度, Jm -2s-1 电离:从一个原子、分子或其它束缚状态释放一 个或多个电子的过程;电离密度:带电粒子在单位路径长度上形成的离子对数,单位为离子对/cm。激发:带电粒子通过物质时,原子由基态转入高能态。退激:激发态的原子不稳定,以发射光子的形式放出相应的能量回到低能态轨道。散射:带电粒子通过物质时,与带正电的原子核发生排斥作用而改变其本身的运动方向。电离与激发两过程构成了重带电粒子在碰撞过程中的主要能量损失。 传能线密度LET:表示带电粒子在单位长度径迹上传递的能量。单位就是 MeVcm-1 射程:带电粒子从进入物质到完全被吸收沿原入射的方向穿过的最大距离,称为该粒子在物质中的射程。如果不

5、指明在哪种物质中,就就是指粒子在标准状况下的空气中的射程。 平均射程:一组单能粒子射程的平均值。射程歧离:单能粒子在同一种物质中的射程并不完全相同。 带电粒子与物质的相互作用:非弹性碰撞、辐射相互作用、弹性散射、核相互作用、电子对生成X、射线与物质的相互作用:光电效应、康普顿散射、电子对生成、相干散射、光核反应中子物质的相互作用:弹性散射、非弹性散射、去弹性散射、俘获、散裂 粒子:能量超过某定值(一般为100eV)的带电粒子,可以明显偏离初始运动方向且穿越一段路程,进一步引起其它原子激发/电离。电离过程中带电粒子损失的能量并非直接沉积在当地,而就是有很大一部分被粒子散播到其它位置。 v轫致辐射

6、:快速电子通过原子核附近时,在原子核库仑场的作用下一部分能量以电磁波的形式辐射出来。高能电子能量损失的主要方式,而重带电粒子可忽略。射线就是原子核能级跃迁蜕变时释放出的电磁辐射光子。 X射线 a.轫致辐射x射线。由带电粒子在原子核库仑场中慢化而产生的电磁辐射。 b.特征x射线。由原子电子能级改变而产生的电磁辐射。 与物质的作用类型完全吸收:光电效应、电子对生成、光核反应与光介子生成等。 部分吸收:康普顿散射与核共振散射。 不吸收:弹性散射。特点:在介质中可以穿行比较长的路程,一次相互作用过程中光子损失的平均能量较大。 高能中子 能量大于10MeV v 快中子 100keV-10MeV v中能中

7、子 1keV-100keV v 慢中子 0-1keV 作用类型1)弹性散射:总动能守恒。 2)非弹性散射 :总能量、动量守恒,动能不守恒; 3)去弹性散射 :(n,p), (n,)等; 4)俘获(Capture):(n,); 5)散射(Spallation);以上均属与原子核的相互作用。 带电粒子与物质的相互作用系数 1、 线阻止本领,质量阻止本领 带电粒子使物质原子电离或激发而损失的能量称为电离能量损失。 把带电粒子在物质中单位路程上的电离损失称为电离能量损失率,又称为阻止本领。(1) 阻止本领与重带电粒子电荷数的平方成正比。(2) 阻止本领与带电粒子的质量无关。(3) 阻止本领与重带电粒子

8、的速度有关。(4) 阻止本领与物质的电子密度NZ成正比。线阻止本领:S=dE/dl dE就是dl距离上损失能量的数学期望值。单位为J、m-1 质量阻止本领:S/ 单位为 J、m2、kg-1 2、 质量碰撞/辐射阻止本领质量碰撞阻止本领:指一定能量的带电粒子在指定物质中穿过单位质量厚度的物质层时,由于电离、激发过程所损失的能量。单位:Jm2/kg质量辐射阻止本领:指一定能量的带电粒子在指定物质中穿过单位质量厚度的物质层时,由于轫致辐射过程所损失的能量。 单位:Jm2/kg 重离子的能量损失机制主要电离、激发临界能量:质量碰撞阻止本领=质量辐射阻止本领的电子能量非带电粒子与物质的相互作用系数一、衰

9、减系数描述入射射线本身的衰减程度质量减弱系数特点与作用 1、只涉及到物质中入射不带电粒子数目的减少,并不涉及进一步的物理过程。 2、数值不因材料物理状态的改变而改变。 3、康普顿占优势的光子能量范围内,几乎所有物质的质量减弱系数大致相同。 射线(X射线)同物质相互作用,其能量分为两个部分:1、光子能量转化为电子的动能 2、能量被能量较低的光子所带走二、能量转移系数tr描述入射射线与物质作用后转移给次级带电粒子的能量份额质量能量转移系数:射线在物质中穿过单位质量厚度后,因相互作用,其能量转移给电子的份额。m2/kg 辐射剂量学中,重要的就是光子能量的电子转移部分。只涉及到在物质中入射不带电粒子能

10、量的转移,而不涉及能量就是否被物质吸收的问题 三、能量吸收系数en描述次级带电粒子与物质作用并耗散能量后最终能够留在观测物质中的能量份额质量能量吸收系数:射线在物质中穿过单位质量厚度后,其能量被物质吸收的份额。m2/kg不带电粒子与物质的相互作用分二个阶段:第一阶段:不带电粒子通过与物质的相互作用,把能量转移给次级带电粒子;第二阶段:次级带电粒子通过电离、激发等方式 把转移来的能量大部分留在介质中;引入转移能与比释动能K,描述第一阶段的过程;转移能tr:指定体积内由不带电粒子释放出来的所有带电的电离粒子(具备电离能力)初始动能之与,单位 J 比释动能K:dtr即转移能的期望值。K=dt/dm

11、单位:戈瑞(gray),简写Gy,1Gy=1JKg-1比释动能与能量注量的关系:K=(tr/)比释动能与粒子注量的关系:K=Fk P308 附表3,粒子注量等于单位体积内的径迹总长度。比释动能率:、K=A/R2,单位:JKg-1s-1或Gys-1或 rads-1 P75表3、2比释动能由空间指定点的不带电粒子注量与介质的作用系数决定。谨慎保持辐射场不变,那么比释动能则由作用系数即可确定。照射量X:dQ为X,射线在质量为dm的空气中释放的全部电子完全被空气阻止时,在空气中所产生的一种符号离子总电荷的绝对值。X=dQ/dm照射量与粒子注量的关系:X=Fx P22 表1、2照射量率:、X= A/R2

12、,单位:Ckg-1s -1或Rs-1 P75表3、2授与能1:指该能量沉积事件所涉及到的单个或单类相关电离粒子在指定体积V内发生的所有的相互作用中沉积能之与。1=Ein-Eout+Q带电粒子平衡条件总结: 1)离介质边界要有一定的距离。被考虑的体积边界与介质边界的最短距离d必须不小于次级带电粒子在介质中的最大射程,即dRmax; 2)均匀照射条件。要求离所考虑体积的边界等于次级带电粒子最大射程的体积内,辐射的注量率处处相等3)介质均匀。在上述体积范围内介质均匀一致,使得粒子在该体积内的作用保持一致性;例1、一个动能E=10MeV的正电子进入体积V,通过碰撞损 失掉5MeV的能量后与体积内的一个

13、静止负电子发生湮没, 产生能量相等的两个光子,其中的一个逸出体积V,另一 个在V内产生动能相等的正负电子对。正负电子在V内通 过碰撞各自消耗掉其一半动能后负电子逸出V,正电子与 一个静止负电子发生飞行中湮没,湮没光子从V逸出。求 对V的授与能。(为了便于计算假定静止的正负电子对湮没 产生1MeV的光子,反之亦然) 解:Rin=10MeVRout=(Rout1)u+(Rout2)c+(Rout3)u(Rout1)u=(10-5+1)/2=3MeV(Rout2)c =(3-1)/2/2=0、5MeV(Rout3)u =0、5+1=1、5MeVQ=2mc2-2mc2+2mc2=1MeV= Rin -

14、 Rout +Q=10-3-0、51、5+1=6MeV吸收剂量D:单位质量的受照物质吸收平均电离辐射能量。D=d/dm任一体积元内物质吸收的能量,来自两个方面:其一就是该体积内释出的带电粒子就地授与的那部分能量;其二就是起源于其她位置而来到这一体积的带电粒子所授与的能量。 带电粒子平衡的条件下,若忽略带电粒子因轫致辐射引起的能量损失,K=D,D=fmX02按产生方式:放射性核素中子源,如镅(Am)铍源,锎-252源加速器中子源反应堆中子源等离子体中子源按照放射源对人体健康与环境的潜在危害程度,将放射源分为5类:类放射源为极高危险源:没有防护情况下,接触这类源几分钟到1小时就可致人死亡;类放射源

15、为高危险源:没有防护情况下,接触这类源几小时至几天可致人死亡;类放射源为危险源:没有防护情况下,接触这类源几小时就可对人造成永久性损伤,接触几天至几周也可致人死亡;类放射源为低危险源:基本不会对人造成永久性损伤,但对长时间、近距离接触这些放射源的人可能造成可恢复的临时性损伤;类放射源为极低危险源,不大可能对人造成永久性损伤。根据射线装置对人体健康与环境的潜在危害程度,从高到低将射线装置分为类、类、类。类为高危险射线装置,事故时可以使短时间受照射人员产生严重放射损伤,甚至死亡,或对环境可能造成严重影响; 类为中危险射线装置,事故时可以使受照人员产生较严重放射损伤,大剂量照射甚至导致死亡; 类为低

16、危险射线装置,事故时一般不会造成受照人员的放射损伤。归一化因子(D值)放射源可导致确定性健康效应的“危险”活度水平;如果某放射源活度超过相应“D”值水平即被认为就是“危险源”。辐射作用后产生的生物效应的特点1、低吸收能量引起高生物效应2、短暂作用引起长期效应:直接作用,间接作用1）直接作用:辐射粒子照射活细胞时,通过电离与激发与生物大分子DNA直接发生作用,导致细胞的损伤。 2）间接作用:辐射粒子与细胞内环境成份通过电离与激发发生作用产生自由基,自由基扩散再与DNA作用,导致细胞的损伤。 传能线密度LET:单位长度上发生的能量转移。高LET辐射:直接产生的或通过次级带电粒子产生的各电离事件之间

17、的距离以细胞核的尺度衡量比较小的辐射。一般指快中子、质子与粒子等。低LET辐射:直接产生的或通过次级带电粒子产生的各电离事件之间的距离以细胞核的尺度衡量比较大的辐射。一般指X、辐射等。 一般说来,高LET辐射(n,)的生物效应比低LET辐射 (X,)的更为明显或严重。高度敏感: 淋巴组织、 胸腺、骨髓、性腺、胚胎、肠胃上皮 中度敏感:感觉器官、内皮细胞、皮肤上皮、唾液腺、肾、肝等轻度敏感:中枢神经系统、内分泌腺、心脏不敏感:肌肉组织、软骨组织、结缔组织辐射作用人体的方式:(1)外照射:就是指辐射源位于人体外对人体造成的辐射照射,包括均匀全身照射、局部受照。 (2)内照射:存在于人体内的放射性核

18、素对人体造成的辐射照射称为内照射。(3)放射性核素的体表沾染:就是指放射性核素沾染于人体表面。沾染的放射性核素对沾染局部构成外照射源,同时尚可经过体表吸收进入血液构成体内照射。a) 确定性效应:有剂量阈值,效应的严重程度与剂量成正比b) 随机性效应:无剂量阈值,发生几率与剂量成正比,严重程度与剂量无关当组织中相当数量的细 胞被电离辐射杀死后,此时在组织或器官中产生临床上可以检查出来的严重的功能型损伤,即为确定性效应,此时会产生放射病。阈值为100mGy。 随机性效应就是指发生几率(而非严重程度)与剂量的大小相关的效应。从防护的角度来瞧认为不存在剂量阈值。分为在受照者体内可能引起癌症与由生殖细胞

19、异常从而引发受照者后代出现遗传疾患等2大类。吸烟的作用:缩短了辐射诱发肿瘤出现的时间。 有益的:人类生存条件之一,天然辐射提高免疫力、刺激作用。 v有害的:大剂量照射时,可能得各种放射病; v与个体相关的辐射量 1、 剂量当量剂量当量就是组织内被考察的某一点H=DQN (N=1)当量剂量就是被考察的组织的平均值HTR=DTRWR品质因数即辐射权重因数:w=25 , wX=1 ,w=1 ,wn=25 2. 剂量当量率dH/dt 单位:Sv/s3. 危险度与有效剂量当量危险度T:有了某一个器官的受照剂量当量与该器官的危险度就能唯一确定辐照对该器官产生有害生物效应的发生几率。 相对危险度的权重因子:

20、T=T/全为了计算受到照射的有关器官与组织带来的总的危险即局部器官对人体整体的影响,相对随机性效应而言,在辐射防护中引进了有效剂量当量:HE=THT相对危险度权重因子即组织权重因子:w肺=0、12, w甲状腺=0、034. 待积当量剂量待积剂量当量:人体单次摄入放射性物质后,某一器官或组织在50年内将要受到的累积的剂量当量。 待积有效剂量当量:受到辐射危险的各个器官或组织的待积当量剂量经WT加权处理后的总与。 受辐射对象的特点及需考虑因素:材料组成、几何形状、体积、受关注层次、按可分割性、按运动状态注意:无论什么方法,均倾向于计算机自动处理,这需要重视！特别就是蒙特卡罗方法,则基本依靠计算机。

21、 应用上,由于人体就是不允许分割的,因此围绕人体制作的各类体模就是最多的。吸收剂量指数DI:以待测点为中心,直径为30cm的ICRU球内的最大吸收剂量。单位时间内的吸收剂量指数为吸收剂量指数率。剂量当量指数HI:即当ICRU球心位于该点时,球内的最大剂量当量H值。 扩展场:注量及其角分布、能量分布在所关心的区域处处与实际辐射场中参考点的相同的辐射场。 齐向扩展场:注量及其能量分布在所关心的体积中处处与实际辐射场中参考点的相同,而注量就是 单向的衍生辐射场。 如果HT,皮肤 10倍HE ,皮肤,表示射线能量大部分停留在人体表层,即为弱贯穿,反之为强贯穿周围剂量当量H*(d)主要用于强贯穿场情况,

22、且多用H*(10) mm定向剂量当量H(d, )一般用于弱贯穿辐射,且多用H(0、07, )。 mm生活中的辐射来源:天然辐射、人工辐射天然辐射就是人类的主要辐射来源天然辐射: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/year, 多为内照射 (222Rn, 60%) 辐射防护的目的:1 防止确定性效应的发生; 2 减少随机性效应的发生率,使之达到可以接受的水平。 辐射防护的基本原则:1、辐射实践正当化:只有当辐射实践所带来的利益大于为其所 付出的代价时,才能认为该项辐射实践就是正当 的。 这就是指导辐射实践的第一准则; 2、辐射防护的最优化:在实施某项辐

23、射实践的过程中,可能有几个方案可供选择,在对几个方案进行选择时,应当运用最优化程序,也就就是在考虑了经济与社会的因素之后,应当将一切辐射照射保持在可合理达到的尽可能低的水平,也叫做ALARA原则 3、个人剂量当量限值:对于给定的某项辐射实践,不论代价与利益的分析结果如何,必须用剂量当量限制对个人所受到照射加以限制。 辐射防护标准一般分为:基本限值、导出限值、管理限值、参考水平基本限值:工作人员 随机性效应:HE=50mSv 确定性效应:HE=500mSv公众人员 随机性效应:HE=5mSv 确定性效应:HE=50mSv导出限值DACALI/2、4*103 Bq/m3,年吸入量限值ALI管理限值

24、应低于基本限值与相应的导出限值参考水平记录水平:高于它们时结果应当记录下来,低于时被忽略;调查水平:高于它们时应当对结果的起因或含义进行考查;干预水平:某种确定的补救行动所避免的剂量, 高于它时应当考虑补救行动。公众中个人的剂量限值不包括天然本底照射与医疗照射。03(1)外照射:就是指辐射源位于人体外对人体造成的辐射照射,包括均匀全身照射、局部受照。 (2)内照射:存在于人体内的放射性核素对人体造成的辐射照射。外照射防护基本原则:尽量减少或避免射线从外部对人体的辐射,使之所受照射不超过国家规定剂量限值。 内照射防护基本原则:制定各种规章制度,采用各种措施,尽量减少放射性物质进入体内的机会; 外

25、照射防护:缩短受照时间;增大与辐射源的距离;在人与辐射源之间增加防护屏蔽内照射防护:包容:采用通风橱、手套箱、防护用品等 隔离:工作场所进行分级、分区管理。 净化:降低放射性物质浓度、降低物体表面放射性污染水平。 稀释:降低放射性浓度到控制水平以下。减弱倍数K:无量纲,表示屏蔽层材料对辐射的屏蔽能力,通过屏蔽层前后剂量当量指数率之比透射比=1/K:无量纲,表示辐射对屏蔽层材料的穿透能力透射系数:设置厚度为d的屏蔽层之后,离X射线发射点1m处,由该射线装置单位工作负荷(1mAmin)所造成的当量剂量。单位为Svm2(mAmin)-1半减弱厚度1/2与十倍减弱厚度1/101/2的定义: 将入射X或

26、光子数(注量率或照射量率等) 减弱到一半所需的屏蔽层厚度。1/10的定义: 将入射X或光子数 (注量率或照射量率等)减到十分之一所需的屏蔽层厚度。X射线机 发射率常数x:管电流为1mA时,距离阳极靶1m处,由初级射线束在空气中产生的空气比释动能率单位:mGym2mA-1min-1空气比释动能率:发射率常数a:视X射线源为点源,单位束流1mA,在标准距离1m处形成的吸收剂量指数率。单位:Gym2mA-1min-1 吸收剂量指数率:放射性核素点源:即放射源可以视作一个点,射线向四面八方发射,形成一个各向同性辐射场;如果辐射场中某点与辐射源的距离r,比辐射源本身的几何尺寸L大5倍以上,即可把辐射源视

27、为一个点源。 照射量率常数,单位Cm2kg-1Bq-1s-1照射量率计算公式: 单位Ckg-1s-1 P75表3、2最多为点源,其余均可以归结于线源、面源、体源类型线源照射量率:能谱的硬化:随着通过物质的厚度增加,那些不易被减弱的 “硬成分” 所占比重会越来越大窄束条件下不考虑散射射线的存在,宽束考虑,引入修正因子Bn;(1)双层介质的原子序数相差不大（2）两种原子序数相差很大1)低Z在前,高Z在后 2)高Z在前,低Z在后 a、当光子能量较低时: B、当光子能量较高,超过与高Z介质线减弱系数最小值相应的那个能量(Er,min)高:P95,例1直接用公式计算利用减弱倍数法计算 利用半减弱厚度或十

28、倍减弱厚度计算令K=2n,则n=logK/log2,屏蔽厚度d=n1/2综合考虑防护性能、结构性能、稳定性与经济成本,常用材料有: 铅:屏蔽能力好,但结构较软,一般采用钢骨架支撑;常用于铅容器、活动屏、铅砖等。 钢铁:屏蔽能力、结构性能均很好。常用于防护铁门等。 混凝土:屏蔽能力好,造价便宜;多用于固定的防护屏障。 水:来源广泛,本身液体;透明度好,常以水井、水池等贮存放射源。 加速器X射线的屏蔽计算 1、沿入射电子方向的初级X射线的屏蔽计算HI,r(d):经过厚度为d(m)的屏蔽层后,在参考点上初级 X射线束的剂量当量指数率,单位Svh-1; d a(0):加速器X射线的发射率常数,Gym2

29、mA-1min-1HL,h:参考点上剂量当量指数率的控制水平,单位就是 Svh-1,由前面的剂量限值给定; x:透射比;透射比x可由下列公式表示: 结合附图1115,则可以得到对X射线的屏蔽材料厚度;2、垂直于入射电子方向的初级X射线的屏蔽计算a(90)x:等效透射比,利用等效入射电子能量得到,见 P105图3、25; 点源的屏蔽计算确定屏蔽厚度,r通过查阅附图510,K通过查阅附表 815,即可以计算屏蔽材料的厚度;P107 P108初级屏蔽层厚度: Wuq:有效工作负荷,对X射线机(mAmin周-1),对射线治疗机(Svm2周-1);:对X射线机就是透射系数,对射线治疗机就是透射比;得到透

30、射参数 后,查附图5、8与1823,可以得到相关材料的屏蔽厚度;散射射线为主的屏蔽计算 散射比M:表征通用情况下人体对射线的散射程度屏蔽的透射系数X,S计算 X射线:射线:1)若屏蔽散射线所需的厚度ds与屏蔽泄漏射线所需的厚度dl之差大于一个10倍减弱厚度(从P103104图 3、223、24查找),此时选择较厚者作为屏蔽厚度; v 2)若屏蔽散射线所需的厚度ds与屏蔽泄漏射线所需的 厚度dl之差小于一个10倍减弱厚度,此时选择较厚者对应材料的半减弱厚度作为屏蔽厚度;04若粒子最大能量Emax ,单能粒子束能量也为 Emax ,在低Z物质中的射程R为: 公式使用要点:1) 射程R的单位就是gcm-2;2)屏蔽层的厚度d = R/即可;选择使射线的韧致辐射份额尽量少的材料,同时还要保证相当的屏蔽效果。常用材料有:铝、有机玻璃、混凝土等 05中子源分类: 按能谱分类:单能中子源,多能中子源 按产生方式: 一、放射性核素中子源 二、加速器中子源 三、反应堆中子源 四、等离子体中子源 单能中子比释动能: K=Fk单能中子剂量当量指数: HI=fHI,nn1)弹性散射分为势