（机械工程专业论文）人工放射性核素气溶胶监测技术研究.pdf

四j i l 大学硕t 论文 人工放射性核素气溶胶监测技术研究 ( 机械工程) 工程硕士岳子玉指导教师廖俊必罗德礼 电离辐射足辐射防护的主要对象，核电站、核燃料加工、铀矿丌采、国防 工业等核活动是职业照射的重要组成部分。其中人工生成的放射性物质钚 是这些核活动中具有代表性的放射性物质，对钚的防护研究人们尤为重视。钚 被人体吸收的难易程度主要取决于两个因素，钚进入人体的方式和钚的化合物 形式，通常易溶解的化合物更易被人体吸收。钚很难通过人体的皮肤进入人体， 会通过伤口、呼吸系统进入体内，在人体内的滞留期长。钚的辐射线以a 射线 为主，内照射防护是辐射防护的重点。监测工作场所的气溶胶浓度是评价辐射 防护效果的手段之一。一般情况下，采用衰变法监测技术，将样品放置4 天后 进行测量，以排除天然本底的干扰。该方法测量设备简单，灵敏度高，但监测 周期长，不“h e i ”匪j 足事故状态下快速监测的要求。 为满足事故状态下快速监测的需求，本课题针对天然氡、钍射气及其子体 和钚辐射特性的差异，采用双道补偿技术，研制出了一套钚气溶胶快速测量装 胃，用于在事故状态下判断工作场所和环境中钚气溶胶的污染程度。经实验研 究和工程应用，该仪器可以判定氡、钍射气及其子体在相同平衡度条件下，氡 浓度为1 5 4 b q m 3 4 3 1b q m 3 ( 钍射气浓度为1 5 4 b q m 3 4 3 1b q m 3 ) 条件 下，置信度为9 5 时，探测下限为o 0 8 3 b q m 3 ，达到了钚气溶胶快速监测期望 的“导出空气浓度一小时”指标。能及时给出工作场所气溶胶浓度是否超杯的 结论，实现了事故状态下的快速监测，达到了辐射防护的目的。 本课题为便于数据处理，采用c 语言编写了数据处理软件，能自动完成仪 器探测效率、补偿系数k 和空气中钚气溶胶浓度的计算，实现了数据采集、处 理的程序化。 四川大学碗卜论文 在实际工程应用中将二种监测方法结合使用，相互弥补不足，用钚气溶胶 快速测量仪判断工作场所气溶胶浓度是否超标；用衰变法作为快速测量方法的 补充，检验快速测量结果的准确性，弥补钚气溶胶快速测量仪探测灵敏度较低 的不足，给出气溶胶浓度的准确测量结果用于评价辐射防护效果。 关键词：放射性辐射防护气溶胶衰变法双道补偿法 r e s e a r c ho nm ，o n i t o rt e c h n o l o g yo fm a n m a d e r a d i o a c t i v ee l e m e n t sa e r o s o l m a j o r ：m e c h a n i c a le n g i n c e r i n g g r a d u a t e ：y u e z iy - ut u t o r ：l i a 0 一j u nb il u 0 d el i i o n i z a t i o nr a d i a t i o ni st h em a i no b j e c ti nt h er a d i o l o g i c a lp r o t e c t i o n t h e n u c l e a rb e h a v i o r si nt h en u c l e a rp o w e rp l a n t s ，m a c h i n i n go fn u c l e a rf u e l s ，m i n i n g o fu r a n i u mm i n e sa n dt h en a t i o n a ld e f e n c ei n d u s t r ya r et h em a i nc a u s e so ft h e o c c u p a t i o n a le x p o s u r e p l u t o n i u m ，am a n - m a d en u c l e a rm a t e r i a l ，i sat y p i c a l n u c l e a rm a t e r i a lt r e a t e di nt h e s eb e h a v i o r s t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fp l u t o n i u m p r o t e c t i o ni so fi m p o r t a n t h o wd o s e sp l u t o n i u mb ea b s o r b e db yh u m a nb o d y ? t h e r ea r em o s t l yt w of a c t o r s ，t h em o d et h a tp l u t o n i u me n t e r si n t ot h eh u m a n sb o d y a n dt h es t a t eo ft h ep l u t o n i u mc o m p o u n d s u s u a l l y , d i f f i u e n tc o m p o u n d sc a nb e e a s i l ya b s o r b e d p l u t o n i u mc a nh a r d l yi n f i l t r a t e si n t oh u m a n sb o d yt h r o u g ht h e s k i nu n l e s st h e r ei saw o u n d i tc a ne n t e ri n t oh u m a n sb o d yt h o u g hb r e a t h i n g s y s t e m o n c ei tg o e si n t oh u m a n sb o d y , i tw i l ls t a yf o ral o n gt i m e p l u t o n i u mi s m a i n l y a l l a l p h a - e m i t t i n gr a d i o i s o t o p e t h e r e f o r e ，t h ep r o t e c t i o n o fi n t e r n a l e x p o s u r e i s v e r yi m p o r t a n t o n ew a yt o e v a l u a t et h ed o s ei st od e t e c t t h e c o n c e n t r a t i o no ft h ea e r o s o li naw o r k p l a c e u s u a l l y , w eu s et h ed i s i n t e g r a t i o n d e t e c t i o nm e t h o d t oe l i m i n a t et h ei n f l u e n c eo ft h en a t u r a lb a c k g r o u n d 。t h es a m p l e i sd e p o s i t e df o rf o u rd a y sb e f o r et h ed e t e c t i o ni sc a r r i e do u t i nt h i sw a y ，t h e e q u i p m e n tf o rd e t e c t i o ni ss i m p l e ，a n di t s o fh i g hs e n s i t i v i t y b u ti tc o s t sal o n g i i 四川大学硕士论文 t i m e w h i c hc a nn o ts u 衔c et h er e q u i r e m e n to ff a s td e t e c t i o nu n d e ra c c i d e n t s i t u a t i o n t h i sw o r ki sc a r r i e do u tt om e e tt h er e q u i r e m e n to ff a s td e t e c t i o nu n d e r a c c i d e n ts i t u a t i o n b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c ea m o n gn a t u r a lr a d o n t h o r o na n di t s g e n e r a t i o n ，a n dt h en u c l e a rc h a r a c t e r i s t i c so fp l u t o n i u m ，t w o c h a n n e le q u a l i z a t i o n m e t h o da r eu s e d as c h e m ei sd e v e l o p e df o rt h er a p i dd e t e c t i o no fp l u t o n i u m a e r o s o l ，t oe s t i m a t et h ep o l l u t i o nd e g r e eo fp l u t o n i u ma e r o s o li nt h ew o r k p l a c ea n d t h ee n v i r o n m e n tu n d e ra c c i d e n tc o n d i t i o n c o r r e s p o n dt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，t h em i n i m u mc o n c e n t r a t i o nt h a tc a nb ed e t e c t e db y t h i se q u i p m e n ti so 0 8 3 b q m a tc r e d i b i l i t y o f9 5 ，w h e nt h er a d o n ，t h o r o na n di t s g e n e r a t i o ni su n d e rt h es a m ee q u i l i b r i u m t h ec o n c e n t r a t i o no fr a d o ni s l5 4b q m 3 t o4 3 1b q m ( w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no ft h o r o ni s1 5 4b q m 3t o4 31b q m ) ，a n d m e e t st h es o - c a l l e de d u c e dg a sc o n c e n t r a t i o n h o u ri n d e xt h a ti se x p e c t e di nt h ef a s t d e t e c t i o no ft h ep l u t o n i u ma e r o s 0 1 i tc a ns h o ww h e t h e rt h ec o n c e n t r a t i o no ft h e a e r o s o li nt h ew o r k p l a c ee x c e e d st h el i m i ti nt i m e r s u l t ss h o wt h a tr e a l i z e st h e r a p i dd e t e c t i o nu n d e ra c c i d e n ts i t u a t i o n , a n dt h ep u r p o s eo fr a d i a t i o np r o t e c t i o n r e a l i z e d c o n v e n i e n tf o rt h ec a l c u l a t i o no ft h ed a t a ，w ep r o g r a m m e das o f t w a r ef o r t h ec a l c u l a t i o nb ycl a n g u a g e ，w h i c hc a nc a l c u l a t et h ed e t e c t i n ge f f i c i e n c yo ft h e e q u i p m e n t ，t h ee q u a l i z a t i o nc o e f f i c i e n tka n d t h ec o n c e n t r a t i o no fp l u t o n i u m a e r o s o la u t o m a t i c a l l y i nt h ea c t u a l e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，t h et w od e t e c t i n gm e t h o d sa r eu s u a l l y c o m b i n e dt or e m e d yt h ed i s a d v a n t a g e so f e a c ho t h e r t h er a p i dg a u g eo fp l u t o n i u m a e r o s 0 1i su s e dt om e a s u r ew h e t h e rt h ec o n c e n t r a t i o no ft h ea e r o s o ld e s e e d st h e l i m i t ，a n dt h ed i s i n t e g r a t i o nm e t h o di su s e da saa c c e s s o r i a lm e t h o dt od e t e r m i n e t h ev e r a c i t yo ft h ed e t e c t e dr e s u l t sa n dt os o l v et h ep r o b l e mt h a tt h ed e l i c a c yi sa l i t t l el o wb yt h ef a s td e t e c t i n gm e t h o d t h e nam u c hv e r a c i o u sd e t e c t e dr e s u l t so f t h ec o n c e n t r a t i o no fa e r o s o lw i l lb eg i v e nt oe v a l u a t et h ee f f e c to ft h er a d i a t i o n p r o t e c t i o n k e yw o r d ：r a d i a t i v i t y ，p r o t e c t i o n ，a e r o s o l ，d e c a ym e t h o d ，c o m p l e m e n to f t w op a t h i i i 阴i i l 大学硕十论文 前言 i ，2 3 ，2 2 】 辐慰是广泛 譬在予掌密穗入类生狂嚣境孛戆叁然瑗象，投壤疆魅敬出戆较 予是否能够引起物质电离，把辐射分为电离辐射和非电离辐射。由于电离辐射 豹特殊愁，长久以来入 | 】没有黪璺到玄懿存森，其实入类裁楚在天然本底辐射 条件下进化、繁衍和发展的。电离辐射主要来源于自然环境( 即天然辐射照射) 农人类皮用电离辐射技零的结粱。在电离辐射技术应用懿过程中，人织逐灏掘 深了对冀生物效应的认识，在扩大辐射技术应用的同时，也加强了辐射防护的 磺究，制定了一系列辕射防护标准。人类受到憋龟离辐襞的瓣秘来源孛人类应 用电离辐射技术是辐射防护的志要对象，而梭电站、核燃料加工、铀矿开聚、 骊防活动等核懑动是职业照射的重要缀成部分，其中人工生成的放射性物质一 一钚是这些核活动中具有代表性的放射性物质，对钚的防护研究人们尤为疆 视。 钚对人体健康的危害知识早期大多源自于镭的辐射效应，镭是玛丽居取 予1 8 9 9 年发现的一种放射性元素，r a - - 2 2 6 的半衰期为1 6 2 0 年，因此在几聂 年内是种相对强烈、恒定的辐射源。早在1 9 0 6 年，镭的这些性质在癌症的 治疗中褥到应用，将镭技制成的药敷予肿瘤的表面用予消除它们。后来科学家 们发现落过敷药的射线主要是孺衰变释放出的y 射线，之后其它一些发射y 射 线的放射性同位素在癌症的治疗上取代了镭。在2 0 戢纪6 0 颦代，这些放射性 嗣位素主要觚核反应堆中获得。 在2 0 世纪仞的几十年里。美国和欧洲流行镭液、镭冰浴液、镭馘霜，1 9 3 2 年静海多入受刘过这种元素静照射。无论镭的低剂量照射会带来什么好处，但 黼剂量照射所遗成的严藿危害几年后豪现的十分明显。那些受到镭照射的年轻 搡作者串，有的严重中毒很快死亡，中毒较轻者剃经掰如下的缓浸i 妻程：颚臀 的感染、病理学上的骨裂或者骨癌。他们的缀历震惊了科学家，他f f 】感到有责 经唤醒公众对镶危害豹议识。 因为认识到了镭的危害，所以，荚因国家标准局成立了一个九人委员会负 责镪定r a - - 2 2 6 的- i - 佟耘准，并于1 9 4 1 年5 月2 嚣蒸式逶过了浚王作标准， 仅仅过了两个月就发现了钚。出于钚与镭类似，是放射性同像素，衰变时都释 放出a 鞍子。曼蹬顿诗翊孛工季挈静季睾学家意谈到了铎的潜在蔻害，稳稻缓定铮 与镭对人体的危害程度大体相同，通过外推预计出了钚对人体的危害。 l 为评价放射性工作场所的辐射防护水平，需开展必要的辐射监测工作。由 于从事钚作业人员所受辐照以内照射为主，作业人员的钚摄入量是辐射防护监 测的关键。本文针对钚和天然氡、钍射气及其子体气溶胶的分散度，研究了放 射性气溶胶过滤采样技术。为减少天然氡、钍射气及其子体对钚仪活度测定的 严重干扰，取用了衰变法一“厚源”q 活度测定技术，为满足应急照射监控， 取用了双道补偿法一“薄源”0 【活度测定技术。 1 辐射与辐射防护 1 1 放射- 生【4 , 5 】 自然界中有千千万万种物质，这些物质具有各自不同的物理、化学性质， 然而，这千万种不同的物质是由为数有限的元素构成的。元素的基本单位是原 子，原子由原子核和核外电子组成。自然界中有些原子核是稳定的，有些原子 核是不稳定的，会自发地放射各种射线，这种自发地放射射线的现象称为放射 性。 放射性的发现源于1 8 9 5 年，德国物理学家伦琴( w k r o e n t g e n ) 发现了 一种具有极强穿透力的射线，由于当时尚不了解其性质，被称为x 射线。1 8 9 6 年贝克勒尔( h b e c q u e r e l ) 发现铀矿物质发射出穿透力很强并能使照相底片 感光的不可见的射线。通过在磁场中的现象，证明由三部分组成。其中一成分 在磁场中的偏转与带正电的离子流的偏转相同，另一成分在磁场中的偏转与带 负电的离子流的偏转相同，第三成分则不发生任何偏转，分别称为o ，1 3 和y 射线。l8 9 8 年，居擘夫人( m a r i c e c u r i e ) 证实了钍和铀一样也具有放射性， 不久又发现了新的放射性元素一钋和镭。这些实验发现证实了放射性物质和放 射性射线的存在。 放射性原子核自发发射的射线可以是a 射线或1 3 射线，也可以发射t l 或口 射线同时伴随发射y 射线，也可以三种射线都有，还可以发射正电子、质子、 中子等其它粒子。 放射性与原子核衰变密切相关。原子核衰变是指原子核自发地放射出q 或 1 3 等粒子而发生的转变。a 衰变、1 3 衰变和y 跃迁是放射性原子核衰变的三种 主要形式。 q 放射性与a 衰变相联系。原子核自发地放射出q 粒子而发生的转变，叫 2 网i i i 大学碗卜论文 。衰变。在n 衰变中，衰变后生成的核( 通常称子核) 与衰变前的原子核( 通 常称母核) 相比，电荷数减少2 ，质量数减少4 。实验表明，不是所有原子核 都发生a 衰变。对于天然放射性核素，q 衰变主要发生在重核。 z a ，a z - 一4 2 十2 4 胁 如 2 8 2 s 6 压口2 赫2 2 月十2 4 月音 1 3 放射性与b 衰变相联系。原子核自发地放射出电子或正电子或俘获一个 轨道电子而发生的转变，统称叫6 衰变。细分的话，放射电子的称为b 一衰变， 放射正电子的称为0 + 衰变，俘获轨道电子的称为轨道电子俘获。在b 衰变中， 子核和母核足相邻的同量异位素，质量数不变。在b 一衰变中，相当于原子核 中一个中子变为质子，电荷数增加l ；6 + 衰变和轨道电子俘获，相当于原子 核中一个质子变为中子，电荷数减少l 。b 衰变的三种类型可表示为： ；x 屯三y + p 一；x 争z 三y + p + ? + p + - 9 z 二：y b 衰变的半衰期为1 0 0 秒至1 0 1 8 年的范围。 a 衰变时发射的粒子能谱是分立的，这反映了原子核能级的量子特性。 但实验证明，各种放射性核素的b 粒子能谱与a 粒子能谱不同，不是分立的而 是连续的。为了做出解释，泡利( w p a u l i ) 在1 9 3 0 至1 9 3 3 年问提出了b 衰 变放出中微子的假说。在原子核发生1 3 衰变过程中，不只是放出b 粒子，而且 同时放出个不带电荷，质量极其微小的微粒子，称为中微子。 v 放射性与y 跃迁相联系，y 射线是由原子核内部发射出来的一种辐射 线。实际上，在a 衰变、b 衰变形成的子核，或核反应所形成的原子核，往往 处于激发态。处于激发态的原子核要向基态跃迁：这种跃迁称为y 跃迁，或称 y 衰变。在y 跃迁中通常要放出y 射线。 1 1 1 放射性衰变的基本规律 任何一种放射性核素的许多原子核并非在某一瞬间同时衰变，而是有先有 后。衰变是一个统计的过程。实验发现，衰变服从指数规律。即原子核数目n 随时问的变化n ( t ) 为： n ：n o e - m ( 1 1 ) 其中 称衰变常数，代表了在单位时间内每个原子核的衰变概率。它为常 3 数表示了每个原子核不论何时衰变，其概率是相同的。这说明了原子核衰变的 独立性。每一个核到底何时衰变，完全是偶然性事件。偶然中具有必然性。就 大量原子核而占，其衰变则满足指数衰变规律，也叫作放射性衰变的。 由于测量放射性核的数目很不方便，人们感兴趣的又便于测量的是：在单 位时日】内有多少核发生衰变，即放射性核素的衰变率，也叫作放射性活度a 。 a = n 。 活度单位在早期用居里( c i ) 。1 9 7 7 年建议使用贝克勒尔( 简称贝克b q ) 。 1 贝克= 1 秒，表示每秒内平均有一次核衰变发生。 1 贝克( b q ) = 2 7 1 0 1 1 居里( c i ) ，l 居垦( c i ) = 3 7 1 0 1 0 贝克( b q ) 1 1 2 递次衰变规律 原子核的衰变往往是一代又一代地连续进行，直到最后达到稳定为止，这 种衰变叫做递次衰变。如2 3 2 t h 经过q 衰变至2 2 8 r a ，然后接连二次b 一衰变至 2 2 8 t h ，再通过若干和1 3 一衰变，最后到稳定核2 0 8 p b 为止。 2 3 2 功生2 2 8 肌 芭：，2 2 s a c 生 2 2 8 弛竺_ + 。p b 考虑母体a 衰变为子体b 然后再衰变为第二代子体c 的情况： a 呻口_ c 设a ，b ，c 的衰变常量分别为 l ，九2 ，x3 ( 若c 为稳定核， 3 = 0 ) ；在 t 时刻，a ，b 和c 原子核分别为n l ，n 2 ，n 3 ，在t - - - - 0 时，只有母核a ，即子 核n 2 ( 0 ) = n 3 ( 0 ) = 0 。显然，子体的衰变不会影响母体的衰变，母核n l 随时间 的变化仍然服从衰减规律。 n i = m ( 0 ) p 。却 ( 1 2 ) 子体b ，单位时问核数目的变化，一方面以速率xln l 从a 中产生，另一 方面又以速率x2 n 2 衰变为c 。可以得出： r 2 ( f ) = 去l ( o ) ( p 一 。一p 一 ) ( 1 3 ) 2 一 1 在子体c 是稳定核情况下，则子体c 单位时日j 的产生数为子体b 核的衰 变率。可以得出： 州= 毫鲁峙( 1 一卜士( h 吨，) l “。4 ) 4 四川大学颀 + 论文 1 1 3 放射系 递次衰变系列通称放射系。地壳中存在的一些重的放射性核素形成三个天 然放射系。它们的母体半衰期都很长，和地球年龄( 约1 0 9 年) 相近或更长， 因而经过漫长的地质年代后还能保存下来。它们的成员大多具有q 放射性，少 数具有1 3 放射性，般都伴随有y 放射性。这些放射系经过十余次连续衰变， 最后达到稳定的锚同位素。 1 ) 钍系( 4 n 系) ，由2 3 2 t h ( 半衰期为1 4 0 5 1 0 o 年) 开始，经过1 0 次 连续衰变形成稳定的铅同位素2 0 8 p b 。 2 ) 铀系( 4 n + 2 系) ，由2 3 8 u ( 半衰期为4 4 6 8 x 1 0 9 年) 丌始。经过1 4 次连续衰变形成稳定的铅同位素2 0 6 p b 。 3 ) 锕系( 4 n + 3 系) ，由2 3 5 u ( 半衰期为7 0 3 8 x 1 0 8 年) 开始，经过1 1 次连续衰变形成稳定的铅同位素2 0 7 p b 。 在地壳中存在4 n ，4 n + 2 ，4 n + 3 三个天然放射性系，缺少4 n + i 系，此系 称为镎系。由p u ( 可以在堆内生成，半衰期为1 4 4 年) 开始，经过连续衰 变形成稳定核素2 0 9 b i 。在这个系列中，2 3 7 n p 的半衰期最长，2 1 4 1 0 6 年，在 该系列头两个核素2 4 1 p u 和2 4 1 a m 几乎衰变完了时，2 3 7 n p 还会存在，由它与 其子体建立平衡，所以叫镎系。由于2 3 7 n p 的半衰期比地球年龄小很多，地壳 中原有2 3 7 n p 的早己变成2 0 9 b i 了，正如此，人们在地壳中没有发现4 n + l 系。 1 2 电离辐射 电离辐射是广泛存在于宇宙和人类生存环境中的自然现象。由于电离辐射 的特殊性，长久以来人们没有感觉到它的存在，其实人类就是在天然本底辐射 条件下进化、繁衍和发展的。就人类本身而占，身体内也含有放射性核素，来 源于食物、饮用水和空气及其父母。因此人类也是放射源，只不过强度很低罢 了。 1 2 1 电离辐射的本质 6 , 2 2 】 辐射按其本质可分为两大类：一类是电磁辐射( e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n ) ， 实质是电磁波：另类是粒子辐射( p a r t i c l er a d i a t i o n ) ，是指组成物质的一些 基本粒子，或由这些基本粒子组成的原子核。粒子辐射是一些高速运动的粒子， 5 它们通过消耗自己的动能或电离能把能量或电荷传递给相互作用的物质。电磁 辐射仅有能量而无静止质量；粒子辐射既有能量又有静止质量。 电磁波依频率或波长不同又可分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫 外线、x 射线、y 射线等。粒子辐射包括电子、质子、中子、a 粒子、1 3 粒子 和带电重离子等。 辐射通常又可分为：电离辐射和非电离辐射。电离辐射是指能够通过初级 过程或次级过程引起电离事件的带电粒子或( 和) 不带电粒子。电离辐射又可 分为：高速的带电粒子，如。粒子、9 粒子、质子等，能直接引起相互作用的 物质产生电离，属于直接电离粒子；致电离光子( 如x 射线和y 射线) 及中 子等不带电粒子，是在与物质相互作用时产生带电的次级粒子而引起物质电 离，属于问接电离粒子，两者统称为电离辐射( i o n i z i n gr a d i a t i o n ) 。凡能与物 质相互作用而不引起电离事件的辐射，如微波、紫外线、红外线等，称为非电 离辐射。在辐射防护领域通常将电离辐射简称为辐射。 1 2 2 电离辐射的来源 7 , 8 9 , 2 3 , 2 4 , 2 5 , 2 6 1 人类群体在其生存环境中受到的电离辐射的来源主要有两种：一是束自自 然环境，即天然辐射照射；二是人类应用电离辐射技术的结果。 天然辐射照射是指地球上所有的生物体( 包括人类) 自古以来部受到自然 界中始终存在的电离辐射的照射，主要束自字宙空问和太阳表面的宇宙射线、 以及地壳、建筑材料、空气、水、食物和人体内部存在的放射性核素。天然辐 射随照射时i 日j 只有较小的变化，故称为天然本底辐射照射，从总体上说，可以 看作是恒定水平的连续照射。但随着海拔高度、地区不同，照射剂量率也有所 变化；同时，人类活动和实践的结果也会引起辐射水平的变化，如房屋的建筑 材料和设计与通风情况等，可影响室内放射性气体氡及其子体的辐射水平。从 世界范围束考虑，人体受到来自天然辐射源的乎均年有效剂量为2 4 m s v ( 表 l 1 ) 。但是，个人剂量范围变化较大。在任何一个大的群体中，约有6 5 的 人预期年有效剂量为l 3 m s v 之j 日j ，约2 5 的人预期年有效剂量小于l r o s y ， 而其余1 0 的人年有效剂量大于3 m s v 。 人类应用电离辐射技术引起的辐射包括医疗照射和职业照射，医疗辐射照 射是指因医学诊断和疾病治疗需要而应用射线或放射性核素所造成的辐射照 6 叩川大学硕 论文 射。对病人个人诊断性照射所致的剂量是相当低的( 有效剂量为o 1 1 0 m s v ) ， 对人群产生的人均剂量依保健水平而不同，如表l 一2 所示。而治疗性照射肿 瘤部位剂量较高，个人局部剂量可达2 0 6 0 g y ，但涉及的只是肿瘤病人。职 业辐射照射是指直接由于工作的原因而受到的照射，包括因职业原因受人工源 和增强的天然照射源的照射。其中从业人员人数和防护条件的变化影响职业照 射的有效剂量。各种职业人员年平均有效剂量见表l 一3 。 表l 一1 天然辐射源所致平均辐射剂量 a ：从海平面到高海拔地区： b ：取决了：放射性核素在士壤和建筑材料的含量 c ：取决于室内氡气累积； d ：取决丁放射性核嘉在食物和饮水中的含量。 表1 2 医学诊断x 射线检查所致辐射照射 表i - 3 职业辐射照射 由以上表中数据可知，在全球人口由于各种辐射引起的照射剂量中，天然 本底辐射产生的照射所占的份额最大，所致的个人年平均有效剂量达2 4 m s v ， 其变化范围介于l l o m s v 。在世界范围内对个人受照射剂量份额中，医疗照 射占第二位达o 4 m s v ，范围在o 0 4 】o m s v 。至2 0 0 0 年，大气层核试验、切 尔诺贝利核事故和核能产生所致的个人剂量已降至很低水平( 详见表1 4 ) 。 应指出，对于某一个人来讲，由于所处位置、个人习惯、饮食等原因，每个人 所受的剂量有所不同。另外，所谓的高本底地区和室内氡浓度的差异有重要的 影响。 由表1 4 的数据可以看出在全球人口由于各种辐射引起的照射剂量中，天 然本底辐射产生的照射所占的份额很大，人类应用电离辐射技术的结果所占的 份额很小。需要说明的是人类应用电离辐射技术产生的照射有些是针对少数人 的，如医疗照射和职业辐射照射。由于医疗照射是医学诊断和治疗所必须的， 8 四川大学硕 论文 故人们对职业辐射照射的辐射防护是最为关心的。 表1 - 42 0 0 0 年天然和人工源所致年均个人有效剂量 1 2 3 电离辐射的类型 6 , 2 6 , 2 7 2 8 i 在人类生活环境和实践活动中，具有重要意义的电离辐射类别主要育：q 射线、b 射线、y 射线和x 射线、中子、质子和重离子等。常见的是a 射线、 p 射线、y 射线和x 射线、中子。 a 射线又称a 粒子，是氦原子核，由两个质子和两个中子组成，某些放射 性核素进行自发n 衰变是发出或足在其它核反应中发出。a 射线由于质量大， 电荷多，穿透物质的能力较弱故射程较短，可被皮肤表层或衣服完全阻挡，其 外照射的危害基本可以忽略；但进入体内的放射性核素产生的a 射线，可使邻 近部位的细胞或组织产生明显的损伤效应。 b 射线又称口粒子，分为正口粒子与负b 粒子，是带正电或是负电的电子， 只有一个电荷，质量非常小，约为a 粒子的八千分之一。b 射线的穿透能力虽 然较a 射线强一些，但仍然相对较弱，在组织中的穿透距离较短。如平均能量 为0 6 m e v 的1 3 射线约占2 0 5 0 ，在组织中的半减弱厚度为o 8 r a m ( 相当 9 于真皮层的厚度) ，可引起真皮损伤。释放b 射线的放射性核素进入人体后， 可对局部组织产生一定的损伤。 y 射线和x 射线都是由光子组成，静止质量为0 ，均不带电荷，因而穿透 能力最强。它们在电磁辐射能谱中占的范围虽然基本相同，x 射线的波长、频 率、能量分别为1 0 击n m 1 0 n m 、3 1 0 1 6 h z 3 1 0 2 4 h z 、0 1 k e v 1 0 4 m e v ， 而y 射线则分别为l o 。4 n m 1 0 n m 、3 1 0 1 8h z 3 1 0 扪h z 、1 0 k e v 1 0 m e v 但是两者来源不同，y 射线来自原子核的衰变，而x 射线来自核外内层电子 的跃迁或是韧致辐射，可由x 射线机或由加速器产生。 中子是质量为1 0 0 9 原子质量单位的不带电粒子，是组成原子核平衡核力 的基本核子。按其能量可分为以下几种：热中子，能量在o 5 e v 以下：中能中 子，o 5 e v 1 0 k e v ；快中子，1 0 k e v 到1 0 m e v 或1 5 m e v ：特快中子，1 0 m e v 或l5 m e v 以上。在平时，中子主要来自反应堆、加速器产生某些放射性核素 和某些超铀元素的自发裂变( ”2 锎) 。中子的穿透能力与其能量有关，能量高 者穿透能力强。 1 3 辐射防护 6 , 1 0 , 2 9 】 电离辐射现象被发现之后，最早被应用于医学诊断和治疗。如x 射线摄 影透视，2 2 4 r a 治疗肺结核，2 2 4 r a 和2 2 6 r a 治疗强直性脊柱炎等。在发现应用 x 射线和放射性物质的初级阶段，人们对电离辐射的生物危害效应和防护措施 尚无系统的认识，致使一些从事放射性工作的人员和接受放射性诊治的病人受 到大剂量射线的照射，发生严重的放射损伤，甚至造成死亡，其中包括一些放 射性研究的先驱昔。例如，1 8 9 6 年，美国学者格鲁柏( g r u b b e ) 在研制x 射 线管和x 射线实验时，由于缺乏防护措施，在他手上发生了皮炎。此后一些 研究者证实x 射线过量照射可以引起皮肤红斑、眼结膜炎、脱毛、皮肤溃疡 等损伤。在电离辐射技术应用的过程中，人们逐渐对其生物效应有所认识，在 扩大辐射技术应用的同时，也加强了辐射防护的研究，制定了一系列辐射防护 标准，目前我国使用的辐射防护标准足电离辐射防护与辐射源安全基本标准 ( g b l 8 8 7 1 2 0 0 2 ) 。 辐射防护的目的是防止非随机效应( 确定性效应) ，限制随机效应的发生 率，使之达到被认为可以接受的水平。 1 0 网川大学顾十论文 辐射照射分为内照射与外照射。其中照射源在人体内，其释放的射线对人 体的照射为内照射。照射源在人体外，其释放的射线对人体的照射为外照射。 人类受到的电离辐射的两种来源中人类应用电离辐射技术是辐射防护的主 要对象，而核电站、核燃料加工、铀矿开采、国防活动等核活动是职业照射的 重要组成部分，而钚是这些核活动中具有代表性的放射性物质，钚是人工生成 的放射性物质，放射性毒性大，一旦进入人体其代澍机理比较复杂，故钚内照 射防护是辐射防护的关注重点，开展的相关研究也较多，对钚的防护研究人们 尤为重视。 1 4 辐射监测1 1 辐射防护监测是为估算和控制放射性辐射或放射性物质的照射而进行的 测量。但辐射防护监测不同于一般单纯的测量，它本身不是目的，而是辐射防 护的重要组成部分。它应当包括监测计划的制定、测量( 分析) 、对测量结果 的解释三个环节。其中监测计划的制定必须以辐射防护原则为指导，充分考虑 到防护评价的要求。辐射监测的内容和技术随具体的辐射防护评价和监测对象 的辐射特性而定。 1 4 1 钚的代谢机理 2 , 2 2 j 钚被人体吸收的难易程度主要取决于两个因素，钚进入人体的方式和钚的 化合物形式。通常易溶解的化合物( 如硝酸盐，柠檬酸盐和一些氧化物) 更易 被人体吸收。图l 一1 给出了钚进入人体的途径。 钚通过饮食进入人体的可能性很小，即便钚被食入，消化系统的肠胃是一 个天然屏障，对于成年人柬说大约0 0 5 的可溶性钚化合物和0 0 0 1 的难溶 钚化合物可进入人体的血液，剩余的钚随人体的排泄物排出体外。然而，对于 不满l 岁的儿章，钚的吸收量是成年人的1 0 倍。 钚主要通过呼吸进入人体，钚被吸收的难易程度取决于吸入的钚颗粒粒径 的大小，颗粒粒径越小，则越容易被吸收。直径大于1 0 “m 的大钚颗粒会被畀 腔或者上呼吸区过滤掉，然后被吞食，最终以粪便的形式排出肠胃管道。直径 小于1 0j _ t m 的钚颗粒被称为可吸入颗粒，它们被吸入后，一部分沉积在支气管 的粘膜层，它的内表面由许多被称为纤毛的发状结构组成，纤毛的自然震动将 1 1 粘液和粉尘送向喉部，这个过程被称为肺清除，它清除了支气管中大量的异物。 对于更小的颗粒，特别是那些粒径小于l p m 的颗粒，仅有头发厚度的十 分之一，被向下送入最细的支气管和肺泡管中。因为这些结构内表面没有纤毛， 不具有有效的肺清除功能，噬菌细胞会移动到吸入的颗粒上，吞噬它们、并传 递到淋巴结或者肺细胞这些永久的滞留地( 见图l 一2 ) 。这些滞留在肺组织内的 钚颗粒增大了致癌风险。 图l i 钚进入人体的途径 ( a ) 钚颗粒通过呼吸进入人体的几窜很大，危害程度也很高，人约5 2 5 吸入的钚顿粒滞留 右体内。根据钎颗粒的尺寸颗粒越小，越容易滞留在体内) 和化合物形式( 化合物越易溶解，则越容易 饭血被吸收) 的币n j ，吸入的钎将滞留在肺或玮i 巴系统内，或者被血被吸收人部分传递罕肝和骨内 ( b ) 钚颗粒通过饮食| 苴入人体的几率很小就成年人向言，仅肯大约00 5 的叮墒性化合物和 00 0 1 的难培忖化合物进入人体的血液，剩余的钚将经l 生肠胃道捧到体外 ( c ) 对于在丁金箱内进行的强放射件垛作面占，钎通过皮肤的伤口破吸收的风险很夫这种方 j 吸收的钎伞骞b 滞留存体内 1 2 四川大学顾论文 图l 一2 吸入的钚在肺和淋巴结内的分布 如果吸入的钚颗粒以相对难溶解的化合物形式存在，人部分钚滞窜在肺周围的肺组织和淋巴结 内，增加，肺癌的几攀。这是一张店斯阿拉曼斯t 作人员的支气管琳巴结的x 光照片，照片显示a 粒 亍r 活性群团辐射径迹足星形的该t 作人员的肺和支气管琳巴结中的放射件核豢分析结果表明群磐群 团擞肓a j 能足钚颗粒的聚集体。 钚从从伤口和呼吸系统进入人体后，在伤口和肺内的可溶性钚溶入周围的 组织液，被血液吸收后在人体内进行循环。从肺部吸收的钚大约9 0 沉积在 肝和骨内，另外的l o 左右的钚均匀分布在软组织内，少量的钚通过尿液和 粪便被排出体外。 尸体解剖表明：钚最仞并未分南在整个骨组织内，相反，大多沉积在骨膜 上，或者被称为小带骨的交错表面上( 见图l 一3 ) 。不足5 的钚保留在骨髓( 一 种具有造血功能的软物质( 造血的母细胞) ) 中。假定这种沉积机理成立，钚对 骨的损伤主要是导致骨癌。没有确凿的证据表明钚会引起白血病一一一种骨髓 生成的血细咆的无限增生的疾病。 嗣1 3 锑存骨肉的沉积 这张麴髀小带骨瓤分( b ) 抟中子成缘f l l 片( 放大倍敬为1 9 0 倍) 鹾示7 沉积存骨嚷上( s ) 的钎翱车童 婊成韵裂墩。骨育两种组织，一种足致辩的。称为缎密骨；另一种由绷长的针状体，小带，薄秆构成 的纠旋状馨体，称为小带骨。尽管钚沈妖在两种缀甥上，小帮骨的表蜘耪较大沉积量 堂多脚为遗 骨铜匏位于骨骥中，斟此致癌鹘凡率增加。 钚一旦沉积在骨中，便长期停留我服垦，骨骸的自然生长导致了钚在骨骼 巾全面魄、均匀缝弄分布。当静的摸篷( 墓子对受照掰入群的硬察籁尸体解羽 数据1 估计钚在骨内有5 0 年的誓滞留期锑沉积5 0 年后，一半的钚仍保留 在骨内，其余酌钚会被捧澄捧。 沉积在肝内的钚逐渐从易溶解的形式转变为难溶的形式( 血铁质沉积) ，脱 离翳管邋内壁缩麓( 网状内疫缀织细寇 。钚在嚣手蠹静警滞警瀚约为2 0 年。 由此可见内照射是种慢性、连续照射，敞内照射的防护在职业辐射照射 巾是辐射茨护鹃重点关注对象。 1 4 2 铎豹气溶簸釜溺l 4 l 由乎钚在人体内的滞留期长，且钚的辐射线以a 射线为童，故钚的防护以 海慧瓣为主，为了评售钚攘终审豹辐麓茨护承平，逶磐要整溅钚工豫场繇空气 中的气溶胶浓度( 在辐射防护中将空气中的放射性浓度称为气溶胶浓度) 。钚 i 四川大学硕t 论文 为人工放射性物质。故将钚气溶胶浓度监测称为人工放射性核素气溶胶浓度监 测。 气溶胶是指气体介质与固态( 或液态) 分散相的分散体系。钚气溶胶和天 然氡、钍射气及其子体所形成的放射性气溶胶的组合，正是我们关心的放射性 气溶胶。 为了达到有效的防护目的，依据个人剂量的限值，可按照呼吸道w 类和 y 两类物质的沉积和廊清模型，标准参考人模型，将其转化为“年摄入量限值 ( a l l ) ”次级标准和导出空气浓度( d a c ) ，相应导出