放射卫生学-笔记

2007 级预防行政班人生没有十全十美，如果你发现错了。重新再来，别人不原谅你，你可以自己原谅自己。千万不要用一个错误去掩盖另一个错误。1放射卫生学复习资料本课程授课内容：第一章 射线与物质的相互作用第二章 辐射源、辐射单位第三章 电离辐射的生物学作用第四章 放射卫生防护第五章 医用射线卫生防护第一章 射线与物质的相互作用第一节、概念放射卫生学：研究如何保护人类及其生活环境免受辐射危害的一门应用性学科。主要研究内容：电离辐射对机体的生物效应；放射防护标准；放射防护措施。目的：保护放射工作人员、公众及其后代的健康与安全，促进放射学、核医学、原子能科学的发展。放射卫生属于公共卫生中“五大卫生”之一。医学辐射防护学是研究辐射对人体的健康效应及其损伤机理，为辐射的使用提供防护手段与安全措施的一门边缘学科。1895年 伦琴发现X射线1896年 贝克勒尔发现物质的放射性1897年 汤姆逊证明电子存在1898年 居里夫妇发现镭和钋1899年 卢瑟福发现和射线1911年 卢瑟福发现原子核1932年 查德维克发现中子，安德森发现正电子1934年 费米利用中子制造放射性元素1951年 第一次核能发电在美国实现目前 全世界有核电站473座、中国7座。占世界总发电量17%，1g 235U产生相当于2.8吨煤电量。放射性的发现原子结构： 1、结构：核外电子：K、L、M、N、O、P、Q壳层，离核越远位能越高。原子核:（核子：1-多个质子，0-多个中子） 。原子质量： A= Z（质子数）+N 质子（proton，P）和中子（nertron，N）是两种质量相近，但状态不一样的核子，在一定条件下可以相互转化。 A：质量数 Z：原子序数/质子数 X：元素符号2、原子核的能级（能量状态）:基态、激发态。99Tc 、 99mTc2007 级预防行政班人生没有十全十美，如果你发现错了。重新再来，别人不原谅你，你可以自己原谅自己。千万不要用一个错误去掩盖另一个错误。2原子核内的质子和中子，也和核外电子一样分层排列，也具有不同的能级。一般情况下原子核和核外电子都处于最低能量状态，称为基态（ground state） 。当受到高能量粒子轰击或核内部发生结构改变，原子可暂处于高能量状态，称之为激发态（excited state） 。 凡具有特定的质量数、原子序数、和核能态，且平均寿命长到足以被观测的一种原子。核素：核素、同位素、同质异能素 元素：质子数相同的一类原子。109种.同位素(一种元素的多种类型原子)质子数相同、中子数不同，属于同一种元素的原子。 它们具有共同的化学性质，在元素周期表上排在同一个位置。但物理特性可有某些差异。Z n H-1 1 0 氕 H-2 1 1 氘H-3 1 2 氚Z n A 120I 53 67 120121I 53 68 121139I 53 86 139放射性核素 原子核的稳定性：在原子核内，带正电荷的质子之间存在着相互排斥的库仑斥力，及核子（质子、中子）之间相互吸引的短程核力（万有引力） ，当中子数与质子数比例恰当时，二种力处于平衡，原子核稳定。对于Z小的核素（一般为Z20）：N/Z1时，核素稳定。（库仑力增大，需要较多的中子数才能使二种力保持平衡）但太大比例也不稳定。当Z83时，核力不能与质子的斥力保持平衡（质子太多） ，均为不稳定的原子。稳定性核素：能稳定存在，不会或不易自发地发生核内成分或核能态变化的核素。现2300种核素中只有274种。不稳定核素放射性核素：能自发地转变为另一种原子核或自发地发生核能态的变化同时放出某种射线的核素。放射性、射线1.核衰变（核蜕变nuclear disintegration）不稳定的原子核自发地从原子核内部放出电磁波（）或带有一定能量的粒子（、等） ，降低其能级水平，转化为结构稳定的核的过程。2.放射性2007 级预防行政班人生没有十全十美，如果你发现错了。重新再来，别人不原谅你，你可以自己原谅自己。千万不要用一个错误去掩盖另一个错误。3不稳定核素自发地放出某种粒子或自发裂变的性质。分为天然放射性，人工（核反应堆、加速器、中资源）放射性。 3、射线：指波长较短的电磁波和微小粒子的流动现象。4、辐射（Radiation）：物质向周围发散能量的过程。辐射电磁辐射:如X和射线粒子辐射：如、电子、中子、质子等 电离辐射：非电离辐射：如无线电波、微波、紫外线、红外线等能直接或间接使被作用物质产生电离作用的射线称为电离辐射。从一个原子中释放出一个价电子需要的能量为425ev量级。当电子、质子、中子等基本粒子的动能大于该值时，可将其称为电离辐射。 通常，将量子能量大于12ev的电磁辐射视为电离辐射；而将量子能小于12ev的电磁辐射称作非电离辐射。直接电离作用：、质子、电子等带电粒子。间接电离作用：X、中子、不带电粒子。电磁辐射波谱：见幻灯片一、射线的产生（一）核衰变一种核素自发地放出射线转变为另一种核素的现象。 第二节 射线与物质的相互作用放射性衰变的种类a射线：He核流。 带正电荷b射线：电子流。带正、负电荷射线：光子。 （见幻灯片） 1、衰变：衰变原因：Z82的重核，质子数太多。粒子特性：穿透能力弱，电离能力强。 2、衰变衰变: 核电荷数1 ，核子数不变，即质量数不变 包括： -衰变、+衰变和轨道电子俘获。(1) 衰变衰变原因 ：核内中子数偏多（N/Z太大） （天然稳定P为31/15）1个中子转变为1个质子、1个负电子。粒子特点：电离能力仅 1/100，空气中射20m，能穿透皮肤，软组织中射程2cm（2）衰变条 件： 核内中子数相对不足（天然稳定 F为 19/9） ，Zn，放出一个正电子。 +粒子特性：空气中射程12m，组织中射程12mm，然后发生湮灭辐射：电2007 级预防行政班人生没有十全十美，如果你发现错了。重新再来，别人不原谅你，你可以自己原谅自己。千万不要用一个错误去掩盖另一个错误。4子质量消失转变为二个能量为511kev的、方向相反的光子。 （3） 电子俘获（EC） 中子数不足，原子核从核外壳层（K层）中俘获一个电子使核内的一个质子转变为中子，同时放出中微子的过程称为电子俘获。 EC衰变后可能伴随下列各种射线产生：K层的电子空穴由外层较高能级电子填补，放出能量。a.标识X射线 ：放出的能量以x光子形式发出。b.俄歇电子：放出的能量传给更外层的电子获能，脱离原子成为自由电子。 c.内转换电子或放出射线（衰变后使原子核处于激发态）EC以后原子核内仍具有较高能量，原子核处于激发态放出射线，回到基态。或者将能量传给轨道电子自由电子（内转换电子） ， 3、跃迁： 伴随或衰变后发生。 例： 见幻灯片特点：属于电磁辐射。波长极短，穿透能力强 （空气中射程数百米） ，直接电离能力弱。核素发生器 利用衰变平衡从长寿命核素中不断获得短寿命核素的分离装置。又称母牛（cow）原子核衰变规律：I t =I0*e -t It t时间后剩余的母核数。I0初始时的母核数。衰变常数。 越大，核衰变越快。半衰期（T1/2） ：原子核数目减少一半所需要的时间称作物理半衰期 2/1693.0TtteIT1/2=0.693/ （二）X射线的产生 特征X射线（标识x射线）：原子核外电子的跃迁。连续X射线（韧致辐射）：靶原子核的库仑电场使高速运动电子动量改变时发射的电磁辐射。特征X射线装置 见幻灯片(1) X-射线管 核心部分 (2) 低压源 (510v) (3) 高压源 (104105v )X 射线的产生 连续X射线的产生原理韧致辐射 高速电子进入到原子核附近的强电场区域（库仑力） ，电子的速度大小和方向发生变化，以电磁波的形式向外辐射能量，即损失的能量直接转化成X线。由于电子与靶原子核的相对位置是任意的，电子进入靶的初动能经过多少次碰撞辐射而完全丧失也不确定，故辐射出的X线波长连续分布。影响因素a、与靶原子序数呈正比2007 级预防行政班人生没有十全十美，如果你发现错了。重新再来，别人不原谅你，你可以自己原谅自己。千万不要用一个错误去掩盖另一个错误。5b、与管电流大小呈正比c、与管电压n次方呈正比特征X射线的产生原理（1）特征X线的产生过程高速电子进入靶物质后，其动能被靶原子内壳层电子获得，成为自由电子。K层的电子空穴由外层较高能级电子填补，辐射出电磁波（X线） 。能量由两能级差确定。 E2- E1= hf21X光子辐射以K系为主（2）特征x线的激发电压靶原子（一般为钨靶）的轨道电子在原子中有确定的结合能W。当炸弹电子的动能大于内层电子结合能时，才可能使电子逸出造成空位，产生X射线。炸弹电子的动能大小完全由管电压确定特征谱线位置(频率大小)只与物质结构有关。指出:特征X线只占很少一部分。医用X线主要使用连续辐射部分。物质结构的光谱分析用特征辐射。（三）中子射线：如：镅-铍（241Am-Be） 、镭-铍（226Ra-Be）中子源。用镅、镭产生的粒子轰击铍放出中子。快中子：10keV-10GeV中能中子：1keV-10keV慢中子：0.5ev-1kev热中子：0.5ev以下。辐射 质量 电荷 在空气中的射程 在生物组织中的射程粒子 4 +2 0.03米 0.04毫米粒子 1/1840 -1(+1) 3米 5毫米X和 0 0 很大 穿过人体快中子 1 0 很大 穿过人体热中子 1 0 很大 0.15米射线的性质比较射线为什么对人体有害？二.射线与物质的相互作用（一）带电粒子物质的相互作用1 、 电离或激发作用2 、 散射作用3 、 韧致辐射4 、 湮没辐射（二）射线、X射线与物质相互作用1、 光电效应2 、 康普顿吴有训散射3 、 电子对效应2007 级预防行政班人生没有十全十美，如果你发现错了。重新再来，别人不原谅你，你可以自己原谅自己。千万不要用一个错误去掩盖另一个错误。6（三）中子与物质的相互作用1、带电粒子直接使物质电离、激发电离:带电粒子通过物质时，与核外电子发生静电作用，电子获得足够能量脱离轨道成为自由电子，失去电子的原子成为正离子。 激发：带电粒子通过物质时，与核外电子发生静电作用，其能量不足以使其脱离轨道，而使电子从低能级跃迁到高能级。（一）带电粒子与物质的相互作用电离密度：射线穿过物质，在其单位路径长度上形成的离子对数.用于表示射线的电离能力大小的指标。粒子带电量大、速度慢、被作用物质密度大，电离密度大。 1、电离、激发2、散射：带电粒子穿过物质时，因受物质原子核库仑电场作用而改变运动方向的过程。散射的强弱与粒子种类、被作用物质原子序数有关。粒子质量大，散射不明显。粒子易发生散射。被作用物质Z越大（重核） ，越易产生散射防护提示：防护射线要用什么材料？3、韧致辐射：高速带电粒子通过物质原子核附近时，受到原子核库仑电场的作用而急剧减速，一部分或全部动能转化为x光子发射出来。这种辐射称韧致辐射。PZ 2E2/m韧致辐射发生概率与带电粒子质量（m）成反比、能量（E）平方成正比；与被作用物质原子序数(Z)平方成正比。防护:屏蔽高能粒子，还要用高Z材料来吸收产生的x射线。粒子(1MeV)能产生韧致辐射4、湮没辐射： + 粒子与物质作用动能耗尽时，与物质中自由电子结合转化为二个方向相反、511MeV的光子。5、带电粒子的吸收与射程：（1）吸收：带电粒子与物质相互作用过程中逐步损失能量，最后大部分在物质中停留下来的过程。（2）射程：射线在吸收前在物质中所行经的直线路程。（3）半价层（HVL，半吸收厚度）：使射线粒子数目减少到初始值的一半的物质厚度。（4）传能线密度(linear energy transfer，LET)射线粒子在某一长度径迹上消耗的能量与该路径长度之比。单位是J/m及eV/m。LET越大，该粒子在单位长度路径组织中释放的能量越大，对生物组织和分子损伤越大。 传能线密度与相对生物效应 见幻灯片粒子种类 电荷 能量(MeV) LET(GeV/m)2007 级预防行政班人生没有十全十美，如果你发现错了。重新再来，别人不原谅你，你可以自己原谅自己。千万不要用一个错误去掩盖另一个错误。7电子光子质子粒子中子(间接)-1+1+20.010.10.11200kV(电子击出)X线60Co 线小2510小3.452.514.112.32.30.420. 250. 43.60.22921684260140951580(峰值 20)330 (峰值 7)各种电离粒子的LET值 见幻灯片（二）光子与物质的相互作用：1、 光电效应2 、 康普顿吴有训散射3 、 电子对效应1、光电效应光子与物质原子相碰撞时，把全部能量交给一个轨道电子光电子、正离子A3Z4；A-吸收系数，-光子波长，Z-被作用物质原子序数。光电效应的临床应用：a、防护材料：？ b、荧光屏、增感屏c、钡餐？a、防护材料：临床上使用的x线机管电压为50-140kv产生的x线波长较长（软射线） ，与物质发生作用时主要产生光电效应为主。要挡住这种x射线，主要采用Z大的材料，让光子在屏蔽材料中完全吸收：铅、铁、钙、钡等。b、荧光屏、增感屏：x线照片时，原x射线直接使照片感光作用不到1%，而用高Z的荧光物质发生大量光电效应、产生多的荧光来使胶片感光（占99%） 。荧光屏：硫酸锌镉加少量镍。增感屏：钨酸钙、硫酸铅钡。2、康普顿效应： 光子与物质原子相碰撞时，将部分能量交给一个轨道电子，电子获能脱离原子而运动称为康普顿电子。光子本身能量减低，运动方向改变呈一定角度偏转射出称散射光子。散射E/S2，散射与入射光子能量呈正比，与被作用物质的距离平方呈反比2007 级预防行政班人生没有十全十美，如果你发现错了。重新再来，别人不原谅你，你可以自己原谅自己。千万不要用一个错误去掩盖另一个错误。8防护：？注: 康普顿效应的散射线，是X线检查中最大的散射线来源,且充满整个检查室空间。必须引起工作人员和防护人员的重视,并采取防护措施。临床上管电压在150kv-3MV（高千伏摄影）产生的硬射线，与物质作用以康普顿效应为主，所以防硬射线距离防护很重要。 （病人、公众，机房空间足够大、机房内不放杂物） 。3、电子对生成：一个能量足够大的光子通过物质时在原子核电场的作用下转化为一对正负电子对的过程。总之，光子通过物质时，通过以上三种作用方式产生次级电子，同时其能量在入射路径上随着物质厚度而逐渐被部分或全部吸收。见幻灯片 . 光电效应：P Z 4/(hv)3. 康普顿效应:P Z/hv. 电子对生成: :PZ 2(hv-1.022)被作用物质Z和光子能量与三种作用的关系各种作用发生的相对几率.X ()射线与物质的相互作用 见幻灯片（二）中子与物质的作用：中子不带电荷 ，通过组织时不干扰带正电或带负电的物质，只有在与原子核直接碰撞时发生相互作用。慢中子或热中子易被原子核俘获（吸收） ，快中子与原子核主要发生弹性碰撞高能快中子与原子核发生非弹性碰撞1、弹性碰撞：中子与质子的一次相撞中，中子的部分能量传给质子，产生反冲质子，这种带正电的重粒子在组织中的速度很快下降，引起高密度的电离作用。中子运动速度减慢（中子慢化） ，运动方向改变为散射中子。中子冲击轻原子时其能量损失最大，冲击重原子核时，几乎不损失能量。H：损失50%；Fe3.3%；Pb0.9%。防护材料：轻元素，含氢高的物质,如石蜡、水、硼。2、非弹性碰撞当中子能量大于0.5Gev、被作用物质为重核时，入射中子被受冲击原子核（重核）吸收形成复核,立即放出一个动能较低的中子，同时核被激发放出光子。防护：由于非弹性碰撞产生射线，所以中子防护一般采用轻元素与重元素多层防护。轻-慢化，重-吸收射线。3、原子核俘获（吸收）：热、慢中子可能被物质的原子核俘获复合核 a.进行粒子发射：带电粒子、光子。b.对于重原子核，可能发生核裂变，形成新的、轻的放射性核素由于人体中C、H、O、C占96-99%，极易吸收中子能量，所以，中子对人体的损害效应为射线的2.5-10倍。其他射线与物质的作用快中子作用于组织时可产生带电重粒子。2007 级预防行政班人生没有十全十美，如果你发现错了。重新再来，别人不原谅你，你可以自己原谅自己。千万不要用一个错误去掩盖另一个错误。9此外，高能加速器还可将重粒子加速，使其具有穿透深部组织的能力。例如，质子、氦核、负介子等可在数厘米深处产生高密度的电离，达到集中杀死癌细胞的作用。带电重粒子与物质的作用第三节 常用电离辐射量及其单位（一）放射性活度：描写放射性核素衰变快慢的指标.单位时间内放射性核素衰变的核数目。单位：贝可（Bq） ，指核素在1秒钟内发生一次核衰变。专用单位：居里（ci） ， 1Bq=2.70310-11ci，1 ci=3.71010Bq放射性比活度：单位质量、体积某种物质的放射性活度。 单位：Bq/g, Bq/L,（二）照射量（X)用于直接度量x、r射线对空气电离能力的量，可间接反映x、r射线辐射场的强弱。 。或X射线在空气中完全被阻止时，引起单位质量空气电离所产生的带电粒子（正的或者负的）的总电量值，国际单位（si）： 库仑/千克（c/kg）旧用单位： 伦琴（R）. 1 R = 2.5810-4 CKg- ， 1 CKg-1 = 3.877103 RmR ：1 mR=10-3R照射量率（X）-即单位时间内的照射量。常用:伦/小时，mR/h或微伦/秒 表示。.（三）吸收剂量（D）：单位质量被照物质平均吸收的辐射能量。专用单位：拉德 rad si： J/kg,即戈瑞 （Gy） ，一公斤被照射物质吸收1焦耳的辐射能量。1 Gy = 100 rad 1 rad = 0.01Gy吸收剂量率（D）：单位时间内的吸收剂量。单位：Gy/h ， Gy/hX、D的换算： X（伦琴） =8.7310-3 D（戈瑞）D（戈瑞）=33.84X（库仑/公斤）X、D均是用于度量辐射场强弱的物理量。表、 吸收剂量与照射量区别与联系吸收剂量（D） 照射量（X）适用靶范围物理含义适用辐射源量度含义