人类发展与核科学第3章.ppt

A、电离辐射 B、电离辐射的生物学效应 C、电离辐射的防护 E、医疗照射 F、氡,第3章 电离辐射与人体健康,A. 电离辐射,1. 电离辐射的种类 2. 电离辐射与物质的相互作用 3. 电离辐射常用的计量单位 4. 电离辐射的探测,（电离）辐射 （ ionizing ） radiation 在辐射防护领域，指能 在生物物质中产生离子对的 辐射。,1. 电离辐射的种类,(1) 带电粒子 , 粒子，质子，反冲核等 , 粒子是放射性核素在核衰变时放出的高能粒子， 粒子是由两个质子和两个中子组成的一个氦原子核，带两个正电荷，它的电离本领大，因质量重，运动速度慢，穿透力弱。 粒子质量同电子，可带正电和负电，其运动速度较快，穿透力较 粒子大。,质子质量为1，带一个正电荷。 反冲核，是中子与物质的 原子核碰撞时把能量传给被 碰撞的原子核，带有能量的 原子核脱出原子而成为反冲核。,（2） ，X 射线 射线又称 光子，是放射性核素 核衰变时由核释放出的，它不带电， 穿透力强，运动速度同光子。 X 射线是高速带电粒子通过原子核 附近时，受到原子核库仑电场的作用 而急剧减速，一部分能量以光子的形 式辐射出来，称X 射线。其物理性质 同 射线。,（3）中子 中子是在核裂变 和核聚变时，带有能量而释 放出的。中子可分为快中子 和慢中子，质量为1，不带电。 另有中子发生器也可释放 出中子。,核辐射的基本性质,2. 电离辐射与物质的相互作用,（1）带电粒子与物质的相互作用 1）电离与激发（ionization and excitation ) 带电粒子通过物质时，与物质原子的壳层电子发生静电作用，电子获得足够能量后使其脱离轨道形成一个带负电荷的自由电子，失去一个电子的原子则变成带正电荷的离子，自由电子与离子构成离子对。这种使物质中性原子变成离子对的过程称为电离。自由电子又可引起其他原子电离，称为次级电离。,带电粒子通过物质时，壳层电子获得的能量不足以使壳层电子脱离轨道，则从能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道，即原子由基态转入高能态，这种过程称为激发。,2）散射（scattering ) 带电粒 子通过物质时，因受物质原子核库仑电场作用而改变其本身的运动方向，称为散射。,）韧致辐射（bremsstrahlung ) 高速带电粒子通过原子核附近时， 受到原子核库仑电场的作用而急 剧减速，一部分能量以光子的形 式辐射出来，这种辐射称为韧致 辐射。,）湮没辐射（annihilation radiation ) 当+ 粒子与物质作用，能量耗尽时和物质中的自由电子（e -）结合，正负电荷抵消，两个电子的静止质量转化为两个方向相反，能量各为0.511Mev 的 光子而自身消失的过程成为湮没辐射或光化辐射。,射线是波长很短能量高的电磁辐射 （ 10-11 米，keV，MeV），来自原子核衰变, 不带电， 静止质量 0 。,1 射线是什麽？,能够同物质原子发生作用，但不能直接使原子 电离；有动量和能量交换,能够产生载能次级 带电粒子，可以对物质发生电离作用。,能量 E = h） 动量 p = h / c,2 射线对物质的电离作用 两步过程,三种作用效应 光电效应 康普顿效应 电子对效应 产生次级电子,电离效应 次级电子使 物质原子电离,射线,第 1 步 初级作用,第 2 步 次级作用,光电效应,自由电子,作用机制 光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。 + A A* + e- （光电子） 原子 A + X 射线,原子,受激原子,电子对效应 能量1.02 MeV 的射线 与原子核作用可能产生一对正-负电子。,M M + e+ + e- 1 + 2 1.02 MeV me me 0.511MeV 0.511MeV 基本条件： 射线能量 E 1.02 MeV 为什麽？,能量转化成质量 M = E /C2,中子不带电不能直接使原子电离 但中子容易进入原子核内 同原子核发生作用引起核反应,1）与 H 原子核的弹性碰撞 传递能量 质子跑出来 中子被慢化 n + H n + p 第一步 打出质子（载能） 第二步 质子引起物质电离 慢化剂:轻水(1H2O) 重水(2D2O),五 中子与物质的作用,n,H,n,n,p,电离,2） 中子核反应 例如( n,p)反应 n + 14N 14C + p 第一步 核反应产生质子 第二步 质子对物质产生 电离作用,n,p 电离,14N,14C,人体有大量 H 和 N 原子 中子对人体电离效应严重，可导致严重伤害,1,2,放射性活度(A) 吸收剂量(D) 剂量当量(H) 有效剂量（E）,吸收剂量(D) 1戈瑞 = 1焦耳/千克 1 Gy = 1 J/kg,放射源 活度(A) 1贝克=1次核衰变/秒,剂量当量(H) 有效剂量（E） 1希沃特 = 1 焦耳/千克,三者意义和区别,任何物质,有机体,3. 电离辐射常用的量及其单位,4. 电离辐射的探测,根据射线与物质相互作用的原理，在以下情况可探测到射线的存在： （1）利用射线能电离物质,收集所产生的电离电流或电荷制造的探测器； （2）利用光电倍增管收集带电粒子激发原子所产生的荧光制造的探测器；,（3）利用中子与物质弹性碰撞 所产生的次级粒子来探测中子存 在的中子探测器； （4）利用射线对物质的感光作用 测量射线存在的放射自显影术。 常用的探测器多利用第一、 二种原理制成。,B. 电离辐射的生物学效应,1. 作用于人体的电离辐射源 2. 电离辐射生物学效应的机理 3 电离辐射生物学效应的分类 4 放射损伤,1. 作用于人体的电离辐射源,（1）天然辐射源 1）宇宙射线（cosmic rays） 是从宇宙空间发射而来的高能粒子流，由初级宇宙射线和次级宇宙射线组成。地球上每个人受到来自宇宙射线照射的平均剂量率约为： 0.38mSv a -1,2) 环境介质中的天然放射性核素 地球上存在的天然放射性核素有两大类，一类是具有衰变系列的放射性核素，即铀系、钍系、锕系，每一个系都可连续衰变十几次，才变为稳定性核素的子体,母元素均为 原子序数大于83的重的天然放射性核素,半衰期都在1010年以上；第二类是无衰变系列的天然放射性核素，如40K 、87Rb等。,天然放射性核素在自然界分布十分广泛，如岩石、土壤、大气、水、各种建材以及动植物组织中都含有一定数量。人体受天然放射性核素外照射全世界平均剂量为0.46mSv a-1。,3）人体内的天然放射性核素 环境介质中处处有天然放射性核素，人通过呼吸和饮食使天然放射性核素进入体内，构成对人体的内照射，平均剂量约为1.52mSv a-1。 天然辐射源对公众所致剂量水平世界平均为2.4mSv a-1，其中氡及其子体吸入所致内照射剂量为1.27mSv a-1 。,自从有人类以来一直受天然辐射源的照射，称为天然本底照射，它已是人类不可缺少的一种生存环境。有实验证明，生物如果在完全没有天然辐射源照射的条件下，是无法生存的。,（2）人工辐射源 1）核武器实验对全球的环境污染 从1945年到1989年，全世界共进行了 1799 次核武器实验，美国921次，前苏联624次，二者实验占总数的89% 。其中大气层实验483次，爆炸的总能量相当于42000个美国在广岛投的原子弹。核试验造成大量放射性落下灰对局部和全球沉降。约有30多种元素，200多种放射性核素，其中一些长半衰期的放射性核素如 90Sr 、137Cs、 131I、 239Pu、 241Am等，可蓄积于体内，产生不良效应。 自1980年停止了大气层核试验，放射性落下灰沉降量逐渐减少了。,2）核工业、核动力对环境的污染 主要是排放放射性“三废”和由事故释放出的放射性核素所造成的局部污染。据联合国原子辐射效应科学委员会（UNSCEAR）报19561990年由核工业产生的累积集体剂量也仅为世界居民一年内所受天然辐射产生的集体剂量的1/10 。虽然给人类造成的附加剂量负担很小，但必须防止较大放射事故的发生。,3）医疗照射和日常生活中接触的放源 医疗照射 是指接受治疗或诊断时患者或被检查者所受的照射。医学中所应用的辐射种类越来越多有：医用诊断X线 ，牙科X线，核医学，放射治疗，介入放射，CT扫描，皮科敷贴等等，几乎医学各科都离不开辐射的诊治。医疗照射给人类造成的剂量负担人均年有效剂量为0.41.0mSv，约为天然辐射的1/4。随着人类生活水平和医疗水平的提高，其应用频率呈增长趋势。,日常生活可接触的消费品放射源如：夜光表，烟雾警报器，机场X线检查机，电视和计算机荧屏等，这些放射源对人类的照射剂量是很小的。 根据UNSCEAR 1993 报告，若以天然照射人均年剂量率均匀分布在365天，几种人工照射相当天然照射的天数见表53。医疗照射全世界人均年有效剂量是0.6mSv ，医疗照射剂量水平相当于天然辐射源本底照射的25% ，是人工辐射源附加照射中最高者，它是核动力所致照射剂量的90倍，是职业照射剂量的270倍。,公众所受辐射照射比例（1993年）,（3）环境放射性物质进入机体的途径 1）进入途径 通过消化道食入，呼吸道吸入和皮肤、粘摸、伤口等侵入。 2）食物链转移 环境中的放射性核素，通过食物和水进入体内的全部行径过程称为食物链。各种放射性核素在环境中转移的过程有浓集现象，不过受许多因素的影响。,2. 电离辐射生物学效应的机理,人们发现辐射生物效应有2个特点： 第一个是机体吸收的能量不大，生物效应却很大，例如 6.0Gy 的 X 射线可使人或高等动物发生致死效应，若将这些能量转换为热能，才可使体温升高0.002度。若以热辐射代替电离辐射，需大110万倍的能量才能引起机体死亡 ；,第二个是短暂的作用引起长期效应，射线穿过受照机体只是瞬间完成，而它引起的生物效应却能持续很长时间。,电离辐射的能量转移过程,生物效应产生的过程和机理,单链断裂：,DNA损伤（分子水平）,双链断裂： 错误修复,可以实现无差错 修复,细胞水平损伤,细胞死亡,间期死亡,增殖死亡,增殖死亡,间期死亡,增殖死亡,间期死亡,间期死亡,功能障碍 结构改变,增殖死亡,细胞水平损伤,细胞变异（modification),异常细胞 克隆,细胞转化,癌症,transformation,cancer,变异,生物效应产生的过程和机理,电离辐射所致生物效应的分类,确定性效应 （deterministic effects）,随机性效应 (stochastic effects),依据效应-剂量关系分类,有剂量阈值,无剂量阈值,效应的严重程度 与剂量成正比,发生几率与剂量 成正比,严重程度与剂量无关,确定性效应与随机性效应,剂量,剂量,几率,严重程度,阈值,随机性效应,确定性效应,？,4. 放射损伤,急性放射病 定义：人体一次或短时间内分次受到大 剂量照射引起的全身性疾患。 外照射：1Gy,急性放射病 症状与剂量的关系:,00.5 Sv,0.51 Sv,12 Sv,26 Sv,610 Sv,輕微的血液異常,沒有顯著的效應,550%的患者在 3小時內嘔吐， 有倦怠和失去胃 口的現象，中度 的血液變化；可 在數週內復原。,大於3西弗以上，2小,時以內嘔吐，嚴重,20100%在1個月至1年之間復原。,血液變化及出血,，兩週後脫髮，,的患者在2個月內 死亡，生存者需 要一段很長的時 間復原。,1小時內嘔吐，嚴重 血液變化、出血、 脫髮，約80%100 %,非機率效應 (急性效應),某些常见辐射源（X或）的辐射水平,1伦琴（R）2.58 X10-4库/千克,A、电离辐射 B、电离辐射的生物学效应 C、电离辐射的防护 D、医疗照射 E、氡,第3章 电离辐射与健康,C. 电离辐射的防护,1. 放射防护的基本原则 2. 外照射的防护 3. 内照射的防护,1. 放射防护的基本原则,（1）放射防护的目的 放射防护的目的在于防止有害的确定性效应，限制随机性效应的发生率并降低到可以接受的水平。保障从事放射工作的人员和公众以及他们的后代的健康与安全，保护环境，促进放射性同位素和核技术的应用和发展。,（2）放射防护体系（system of radiological protection ) 1) 实践的正当化 ( justification of a practice) 为了防止不必要的照射，在引进任何伴有电离辐射的实践时，都必须经过论证，确认这种实践对社会和环境所产生的危害远小于从中获取的利益，才可以认为这种实践具有正当的理由，是值得进行的。,实践： 任何引入新的照射源或照射途径、或扩大受照人员范围、或改变现有源的照射途径网络，从而使人们受到的照射或受到照射的可能性或受到照射的人数增加的人类活动。,（辐射）源： 可以通过发射电离辐 射或释放放射性物质而引起辐射照射的物质或实体。,2) 防护的最优化 (optimization of protection ) 在考虑到经济和社会因素，任何决策应经过防护的研究过程，用最小的代价获取最大的利益。任何必要的照射应保持在可以合理达到的最低水平，而不是盲目追求无限的降低剂量 。,3）个人剂量限值 (individual dose limits ) 个人所受的当量剂量不应超过规定的相应限值。保证放射工作人员不致接受过高的照射水平。 实践的正当化和防护的最优化为源相关评价；个人剂量限值为个人相关评价。三者缺一不可。,1,（3）基本标准剂量限值 1）职业照射 剂量限值，a）由审管部门决定的连续5年的年平均有效剂量（但不可作任何追溯性平均），20mSv； b）任何一年中的有效剂量，50mSv； c） 眼晶体的年剂量当量为150mSv； d）四肢（手和足）或皮肤的年当量剂量500mSv 。,对于年龄为16-18岁的接受涉及辐射照射培训的徒工或学生应控制其职业照射限值： a) 年有效剂量，6mSv； b) 眼晶体的年当量剂量，150mSv； c) 四肢（手和足）或皮肤的年当量 剂量500mSv 。,2）公众照射 剂量限值 a）年有效剂量， 1mSv； b）眼晶体的年当量剂量15mSv； c）皮肤的年当量剂量50mSv 。 d）特殊情况下，在连续5年的年平均剂量不超过1mSv 时，其某一单一年的有效剂量可提高到5 mSv；,2. 外照射的防护,外照射是指电离辐射源存在于机体之外，由其所发生的射线从外部对机体产生的照射的一种方式。 （1）外照射作用的特点 受照射累积剂量与放射源的活度和照射时间成正比，与照射距离平方成反比，当接近放射源时就会受到照射，离开放射源时就不受照射或减少照射，用屏蔽物阻挡能避免或减少照射。 外照射的防护 主要是防止穿透能力大的 、 射线及中子等。,（2） 外照射防护的 基本原则 根据外照射作用的特点，人们在实践中研究出一套降低外照射剂量的科学方法 ，即时间防护、距离防护和屏蔽防护，通常称外照射防护三原则。 1）时间防护（time protection ) 在从事放射性操作时，在满足工作需要的前提下，应尽量缩短工作时间。为此，应尽量提高操作者的技术水平；改进操作工序的自动化程度；严格执行安全操作规程等。,）距离防护（distance protection ) 点状源在周围空间所产生的剂量率与距离平方成反比，当距离增大一倍时，照射量可减少至原来的1/4 。因此，在不影响工作的前提下，应尽可能远离辐射源。在实际工作中常采用长柄工具，机械手等。,）屏蔽防护（shielding protection ) 在时间、距离防护不能使剂量降低到剂量限值的要求，为此，必须在人体与放射源之间设置屏蔽物，以减少受照剂量。根据需要屏蔽物可设置为固定屏蔽物和活动屏蔽物。,（）几种电离辐射的屏蔽防护 ） 射线的屏蔽防护 射线与物质相互作用可产生电离、激发、韧致辐射和散射。当 射线能量较高时，屏蔽物的有效原子序数较大时，韧致辐射的产生几率增大。因此，在屏蔽射线时，必须首先选用低原子序数的物质，如有机玻璃、塑料和铝等，以减少韧致辐射。外层再加较高原子序数的物质。,）、 射线的屏蔽防护 由于其穿透能力强，可选用原子序数较高、密度较大的物质，如铅、铁、钢等；作为建筑材料可选用水泥、砖、砂石等并应有足够厚度。,）中子辐射的屏蔽防护 中子与物质相互作用分两阶段，第一段是快中子穿过物质时减速；第二段是已减速的低能中子被物质吸收。因此，用含氢多的物质（水、石蜡等）将中子慢化；然后用吸收截面大的物质将其吸收，最合适的物质是锂和硼。常将硼和石蜡均匀混合作为中子屏蔽材料。,屏蔽材料选择的一般原则,屏蔽方式,固定式：防护墙（迷路）、防护门、观察窗 移动式：包装容器、手套箱、防护屏 铅砖、铅围裙、眼镜等,3. 内照射的防护,内照射是指放射性物质经呼吸道、消化道、皮肤、粘膜和伤口以及其他各种途径进入机体后，放射性核素发出的核射线由体内对机体进行的照射。,（1）内照射的作用特点 1）呈持续性照射（continuous radiation ） 放射性核素一经进入体内，对机体就产生连续性照射，直至放射性核素完全衰变成稳定性核素或全部排出体外，对机体的照射才会停止。,2）呈选择性照射（selective radiation ) 大部分的放射性核素在体内呈不均匀分布，按核素或化合物的化学性质被组织和器官选择性地吸收、分布和蓄积，致使蓄积放射性核素的组织或器官受到选择性的照射，产生较大的生物学效应与损伤。,（）内照射防护的基本原则 随着原子能科学技术的发展及和平利用的普及，使用和操作开放源的种类和数量、应用范围都在迅速增加，涉及的人员越来越多，不但有工作人员，而且放射性废弃物污染环境会影响到公众。,内照射防护是比较复杂的，有关国际组织和国家都很重视。为保护工作人员，预防内照射的发生，保护环境防止放射性污染，达到内照射防护目的，必须采取综合措施。应从工作场所的选址、设计、建造、室内配置、设施、个人防护、放射源的安全包装、运输、安全操作规程和废弃物处理等等各个环节进行。,内外照射的不同特点,D. 医疗照射medical exposure,1. 医疗照射定义 2. 医用电离辐射应用不当产生的危害 3. 医疗照射的防护体系 4. 医用辐射的防护,患者（包括不一定患病的受检者）因自身医学诊断或治疗受的照射，知情但自愿帮助和安慰患者的人员（不包括施行诊断和治疗的职业医师和医技人员）所受的照射，以及生物医学研究计划中的志愿者所受的照射。,1. 医疗照射定义,2. 医用电离辐射应用不当产生的危害,（1） 继发肿瘤 例如： 早年用镭治疗结核，发生骨肉瘤、骨癌、白血病等；用钍治疗脊椎强直，肝癌发生率增加；治疗结核采用人工气胸疗法，需反复胸透检查，一般可达百次以上，有时累积剂量可达1020Gy ，乳腺癌发生率明显增加 。儿童胸腺肥大，用X线照射，发现甲状腺癌、白血病发生率增加。放疗使周边组织功能丧失或继发肿瘤等。,（2）发生非随机效应 例如： 肿瘤治疗发生局部皮肤烧伤 。 （3）对血象影响 白细胞减少，染色体畸变率、微核率增加等。 （4）全民剂量负担增加,E. 关于氡,1.近年来为什么重视氡的研究？ 2. 氡的来源 3. 影响室内氡浓度的因素 4.如何减少居民氡及其子体的照射,1. 近年为什么重视氡的研究？,近年来国内外学者对氡的研究给予了大力重视，是因为氡及其子体可诱发肺癌。 （1）矿工肺癌 早在17、18世纪已有记载，矿工多死于肺病。 1879年harting 和 hesse发表了铀矿工人的尸解报告，得知铀矿工5075%死于肺癌。 1924年ludwig和 lorenser提出肺癌的病因是氡。,之后，许多学者经过现场测定，严格计算工人吸入氡产生的剂量；进行动物实验；矿工流行病学研究等，经多方面的研究确定了氡及其子体是矿工肺癌的病因。我国从上世纪70年代对铀矿工和非铀矿工肺癌的发生、发展和预防作了大量的工作，并有专著。如云南锡矿工人肺癌的研究等。,通过各国对铀矿井的现场监测，严格计算吸入氡产生的剂量，找出了肺癌与剂量的关，对铀矿工井下氡浓度制定了标准。对非铀矿井的氡也给于了足够的重视。 （2）居民也受氡的威胁 通过检测发现地下室、窑洞、某些建材修建的房屋内的氡浓度很高，甚至与某些矿井类同。ICRP 根据矿工肺癌剂量与效应线性相关推算，有资料认为居民肺癌中有10%的原因是氡引起的。所以，现在不仅重视矿工受氡的影响，而且从上世纪80年代以来，对居民居室氡的安全性引起了重视。,2. 氡的来源,氡是地壳中三大天然放射系的产物。自然界三大放射系即铀系、钍系、锕系。每个系均有一个气体形式的子体，即氡、tu、a，三者是互为同位素，在周期表上都处在氡的位置。即： 铀系 222Rn 半衰期3.825天；钍系 220Rn 半衰期 55.6