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中华人民共和国环境保护部 第三讲辐射剂量学基础 一 电离辐射二 辐射量和单位三 辐射的生物学效应四 辐射剂量监测原理与方法 主要内容 一 电离辐射 辐射是指某种物质或设备发出的粒子 如X射线 射线 中子 质子 电子 射线 射线 辐射分为电离辐射和非电离辐射 电离是当具有一定能量的带电和非带电粒子与靶原子的轨道电子发生库仑及其它相互作用 其它相互作用针对非带电粒子 时 把本身的部分或全部能量传给靶原子轨道电子 如果轨道电子获得的动能足以克服原子的束缚 逃出原子壳层而成为自由电子 电离辐射一般能量大于10eV 如X射线 射线 中子 射线 射线等能引起物质电离的带电粒子和不带电粒子 非电离辐射一般能量小于10eV 如紫外线 可见光 红外线 微波和无线电波等不能引起物质电离的粒子 非电离辐射不是本课程所研究的内容 电离辐射分为直接电离辐射 即直接电离粒子 和间接电离辐射 即间接电离粒子 直接电离辐射又叫直接电离粒子 是指能引起物质电离的带电粒子 如 射线 质子和 粒子等 也就是带电电离粒子 间接电离辐射又叫间接电离粒子 是能够释放出直接电离粒子的非带电粒子 如光子 中子等等 无论在空间 还是在介质内部 凡电离辐射在其中通过 传播以至经由相互作用发生能量传递的整个空间范围 称之为电离辐射场 二 辐射量和单位 吸收剂量即电离辐射沉积于某一小体积元中物质的平均授与能除以该体积元中物质的质量而得的商 即 是电离辐射授与质量为dm的物质的平均能量 即平均授与能 1戈瑞 Gy 1焦耳 千克 J kg 100拉德 rad 1 Gy 106微戈瑞 103毫戈瑞 mGy 吸收剂量的国际单位为J kg 法定单位为戈瑞 Gy 非法定单位为拉德 rad 吸收剂量率就是单位时间内物质的吸收剂量 吸收剂量率的法定单位是 Gy s 非法定单位为 rad s 比释动能是不带电的电离辐射 间接电离辐射 在小体积元内释出的所有带电粒子的初始动能之和的平均值 除以该体积元内物质的质量dm而得的商 即 是不带的电离辐射转移给质量为dm的物质的平均能量 即平均转移能 比释动能的法定单位为戈瑞 Gy 非法定单位也与吸收剂量相同 比释动能率就是单位时间内物质的比释动能 比释动能率的法定单位是戈 秒 戈 小时等 它的非法定单位与吸收剂量率单位相同 照射量定义 X或 射线在单位质量的空气中击出的全部次级电子完全被阻停时 在空气中产生一种符号的带电粒子 电子或正离子 的总电荷量dQ 照射量X的国际单位单位为C kg 非法定单位为伦琴 R 1R 106R 103mR 照射量率就是单位时间内的照射量 照射率的国际单位单位为 C kg s 非法定单位为伦琴每秒 R s 伦琴的定义 在1伦琴X射线照射下 0 001293g空气 标准状况下 1立方厘米空气的质量 中释放出来的次级电子 在空气中总共产生电量各为1静电单位的正离子和负离子 1静电单位电量 3 33 10 10C 在空气中照射量与吸收剂量的关系在照射量为国际单位C kg下有 Gy 如果照射量X用伦琴为单位则有 Gy 在空气中照射量率与吸收剂量率的关系在照射量率为国际单位C kg s下有 如果照射量率用伦琴 秒为单位则有 当照射量X的单位为C kg时 处于空气中同一点的组织中的吸收剂量Dm 同理当照射量率的单位为C kg s时 处于空气中同一点处组织中的吸收剂量率 各种物质的fm值可由培训教材表3 2得到 fm是由照射量 C kg 率 换算到吸收剂量 Gy 率 的一个换算因子 其单位是J C 对于给定能量的X或 射线在组织中的质量能量吸收系数 对于给定能量的X或 射线在空气中的质量能量吸收系数 假定用剂量仪测得空气的照射量率为20R h 问该点的吸收剂量率为多少 代入上面的公式算得的吸收剂量率为 0 17Gy h 也就是说20R h差不多就是本底水平 照射量率与活度的关系在距活度为A Bq 的 辐射点源R m 处的照射量率为 其单位为 照射量率常数的SI单位为 三 辐射的生物学效应 1 细胞结构和组成 细胞是由一个核和围绕细胞核的细胞质 细胞膜构成 核内有特定数目的染色体 染色体是生物遗传 变异的物质基础 染色体的主要成分是两种重要的有机化合物 DNA 脱氧核糖核酸 和蛋白质 DNA是长的双链状的大分子 一个DNA分子上包含多个基因 决定着遗传特性 根据细胞的功能 可将组成人的细胞分成两大类 一类称做体细胞 一类称做生殖细胞 精子和卵子 前者是构成个体本身 躯体 的各种细胞 后者则是专为繁殖后代的细胞 2 辐射的作用效果 辐射粒子与DNA分子作用 可能造成DNA分子的单链断裂或双链断裂 单链断裂细胞可自行修复 双链断裂可造成错误修复 变异 甚至细胞死亡 辐射造成DNA分子的双链断裂将造成细胞损伤 损伤分为两种情况 1 细胞死亡 体细胞死亡将造成功能障碍 生殖细胞死亡将造成不孕2 细胞变异 错误修复 体细胞变异将造成肿瘤 生殖细胞变异将造成遗传效应 刚好变异的精子或卵子结合形成授精卵时 3 辐射对人体健康的有害效应的分类 电离辐射作用于人体 可能造成器官或组织的损伤 因而表现出对人体健康有害的各种生物效应 我们把这些有害的效应分为两类 1 随机性效应 Stochasticeffect 是指辐射效应的发生几率与剂量大小有关的效应 不存在剂量阈值 它主要是针对小剂量 小于0 2Gy 小剂量率 小于0 1mGy min 的慢性照射 如致癌效应和遗传效应 剂量 有害效应的发生率 2 非随机性效应 又叫确定性效应 Deterministiceffect ICRP 国际放射防护委员会 InternationalCommissiononRadiologicalProtection 在其建议书草案 征求意见稿 2006 中将确定性效应也称为组织反应 确定性效应与组织反应作为同义词在该建议书草案中使用 剂量 有害效应的严重程度 阈值 确定性效应有明确的阈值 在阈值以下不会见到有害效应 达到剂量阈值则有害效应肯定发生 且辐射效应的严重程度取决于所受剂量的大小 它主要针对大剂量 大剂量率的急性照射 一般主要是事故照射 例如 辐射引起的白内障 皮肤的良性损伤 骨髓内血细胞减少致造血障碍 性细胞受损致生育能力减退 血管和结缔组织受损等 无论是随机性效应还是确定性效应 若辐射效应显现在受照者本人身上的 称为躯体效应 出现在受照者后代身上的称为遗传效应 4 影响辐射生物学效应的因素 辐射防护的目的 防止有害的非随机性效应 确定性效应或组织反应 即是说对于非随机性效应即事故照射要尽力避免 限制随机性效应的发生率 使之合理达到尽可能低的水平 1 物理因素 从入射的电离辐射来谈 1 辐射剂量ICRP 国际放射防护委员会 InternationalCommissiononRadiologicalProtection 在第26号出版物中 假定小剂量 低剂量率情况下 在剂量与随机性效应的发生率之间存在着线性无阈的关系 2 辐射品质指的是电离辐射授与物质的能量在微观空间分布上的那些特征 不同种类和不同能量的射线授与物质的能量在微观空间分布上是不相同的 某一点的辐射品质由品质因数Q来表征 某一组织或器官的辐射品质由辐射权重因数WR来描述 Q WR可在GB18871 2002国家标准 电离辐射防护与辐射源安全基本标准 192 193页中查到 3 辐射剂量率 由于生物体对辐射损伤有着一定的恢复作用 故在受照总剂量相同时 小剂量的分散照射比一次大剂量率的急性照射所造成的辐射损伤要小得多 例如 若一生 50年 全身均匀照射的累积剂量为2戈X射 并不会发生急性的辐射损伤 如果一次急性照射的剂量为2戈同样的X射线 则可能产生严重的躯体效应 在临床上表现为急性放射病 2 生物因素 从被照物来谈 在受照条件严格一致的情况下 机体不同的器官 组织或全身出现某一效应的时间快慢及严重程度不同 某种效应出现快而又相对严重的可称之为对辐射的敏感性高 反之对辐射的敏感性低 1 不同生物种系有不同的辐射敏感性 2 人的不同发育阶段有不同的辐射敏感性 使不同种系的生物死亡50 所需的X 射线的吸收剂量值D50 急性整体照射 出生前2GyX射线腹部局部照射 受孕后不同时间给予 造成死胎和畸形的发生率 3 不同细胞 组织或器官有不同的辐射敏感性 4 受照条件不同有不同的生物效应受照条件包括照射方式 照射部位及面积 为了考虑不同器官或组织对发生辐射随机性效应的不同敏感性 将引入组织权重因数WT 可在GB18871 2002国家标准193页中查到 5 辐射防护中使用的量 1 当量剂量 物理因素 辐射防护工作希望提供一个比吸收剂量更好的与辐射所致器官和组织T有害的随机性效应的几率相联系的量 这就是当量剂量 是辐射R在器官或组织T内产生的平均吸收剂量 wR是R类型辐射的辐射权重因数 它是无量刚的量 wR的值可在GB18871 2002国家标准中查到 当辐射场是由具有不同wR值的不同类型的辐射所组成时 此时器官和组织T的当量剂量为 当吸收剂量的单位是J kg 当量剂量的法定单位为希沃特 Sv 1Sv 1J kg 当吸收剂量的单位是拉德 rad 当量剂量的非法定单位为雷姆 rem 当量剂量与吸收剂量相比它考虑了辐射品质即辐射权重因数 因此比吸收剂量描述有害生物学效应的几率更准确 2 当量剂量率当量剂量率就是单位时间内物质吸收的当量剂量 当量剂量率的法定单位是 Sv s 它的非法定单位有 rem s 3 剂量当量 doseequivalent H 组织中某点处的剂量当量H是D Q和N的乘积 即 式中 D为该点处的吸收剂量 Q为辐射的品质因数 N为其他修正因子的乘积 Q值可在GB18871 2002国家标准193页中查到 单位与当量剂量相同 4 有效剂量E 生物因素 被定义为人体各组织或器官的当量剂量乘以相应的组织权重因数后的和 式中 HT和wT分别是器官或组织T的当量剂量和相应的组织权重因数 有效剂量的单位与当量剂量相同 wT的值可在GB18871 2002国家标准中查到 有效剂量E就是当器官或组织受到不同当量剂量的非均匀照射时 折算成产生相同有害生物学效应的一个全身均匀照射的当量剂量 故有效剂量E 相当于是一个全身均匀照射的当量剂量 以后谈到器官或组织的局部剂量就用当量剂量来描述 谈到有效剂量E就相当是一个全身均匀照射的当量剂量 5 随机效应的标称概率系数 以前称危险度 它表示参考人受到单位有效剂量相应的全身辐射所诱发的有害效应的总几率ICRP提出 参考人 的概念 参考人 是由一系列描述人体特征的平均数值所规定的一个假设的成年人 描述人体特征的的那些平均值 是对广大人群进行调查基础上获得的 ICRP规定了参考人的器官 组织质量 呼吸标准和水平衡 表5 6随机效应的标称概率系数 1 括号中的数值为ICRP第60号出版物推荐的相应值 6 待积当量剂量和待积有效剂量当放射性核素通过某种途径被摄入体内后 可以在体内产生照射 即内照射 内照射剂量率在时间上的分布 会根据放射性核素的种类 化学形态 摄入方式等变化 待积剂量是用来评价内照射危害的量 待积当量剂量是人体单次摄入放射性物质后 某一器官或组织在 年内将要受到的累积的当量剂量 式中 t0是摄入时刻 是在t时刻器官或组织T受到的当量剂量率 现在规定成年人计算50年 儿童为70年 受到辐射危险的各个器官或组织的待积当量剂量经组织权重因数wT加权处理后的总和称待积有效剂量 即 现在规定成年人计算50年 儿童为70年 7 集体当量剂量和集体有效剂量集体当量剂量是受照群体每个成员的器官或组织的当量剂量的总和 单位 人 Sv 是受照射群体中第i人群组内Ni个成员每人的器官或组织T所受的平均当量剂量 集体有效剂量是受照群体每个成员的有效剂量的总和 单位 人 Sv 是受照射群体中第i人群组内Ni个成员每人所受的平均有效剂量 8 周围剂量当量和定向剂量当量ICRU 国际辐射单位与测量委员会 InternationalCommissiononRadiationUnitsandMeasurements 球 是一个组织等效球形体模 球的直径为30cm 密度为1g cm3 材料的质量成分为氧76 2 碳11 1 氢10 1 氮2 6 采用这样一个人体躯干模型 就可以在辐射场中 通过测定此模型中不同部位的剂量 比较准确地估算人体躯干所受到的剂量 ICRU认为这是一种恰当的表征辐射场的方法 强贯穿辐射 stronglypenetratingradiation 在均匀单向辐射场中 对某一给定的人体取向 如皮肤敏感层的任何小块区域内所接受的当量剂量小于有效剂量的10倍 则此种辐射称为强贯穿辐射 弱贯穿辐射 weaklypenetratingradiation 在均匀单向辐射场中 对某一给定的人体取向 如皮肤敏感层的任何小块区域内所接受的当量剂量大于有效剂量的10倍 则此种辐射称为弱贯穿辐射 扩展场expandedfield由实际的辐射场导出的一个假设的辐射场 在其中的整个有关体积内每一点 粒子注量及其角分布和能量分布与参考点x处实际辐射场相同 即 则称体积V中的辐射场为空间x点处实际辐射场的扩展场 扩展齐向场expandedandalignedfield由实际的辐射场导出的一个假设的辐射场 在其中的整个有关体积内每一点 粒子注量及其能量分布与参考点x处实际辐射场相同 但光子注量是单向的 则称体积V中的辐射场为空间x点处实际辐射场的扩展齐向场 周围剂量当量 是用来表征强贯穿辐射的实用量 也是用于估计有效剂量E的量 相应于测量点处的扩展齐向场在ICRU球内 逆扩展齐向场的半径上深度d处产生的剂量当量 对强贯穿辐射 推荐d 10mm 此时记为 周围剂量当量定义示意图 国际单位 J kg 1 法定单位 Sv 只要辐射场在一定范围内是均匀的 测量仪器的响应是各向同性的 就可能实现对周围剂量当量的精确测量 定向剂量当量 是用来测量弱贯穿辐射的实用量 也是用于估计皮肤当量剂量的量 相应于测量点处的扩展场在ICRU球内 指定方向 的半径深度d处产生的剂量当量 对弱贯穿辐射 推荐d 0 07mm 此时记为 定向剂量当量就是用来表征弱贯穿辐射对皮肤照射的一个剂量学量 是一个用于环境监测的剂量当量 人体表面到0 07mm深度 代表角质皮层 表皮层 此层为死层辐射对其产生的效应无关紧要 9 深部个人剂量当量Hp d 和浅表个人剂量当量Hs d 针对个人剂量监测的目的 引入了个人剂量当量 personaldoseequivalent 的概念 深部个人剂量当量Hp d 是体表某一指定点下 与强贯穿性辐射相应的那个深度d处的软组织剂量当量 推荐的d值为10mm 故Hp d 写为Hp 10 浅表个人剂量当量Hs d 是体表某一指定点下 与弱贯穿性辐射相应的那个深度d处的软组织剂量当量 推荐的d值为0 07mm 故Hs d 写为Hs 0 07 人体表面到0 07mm深度 代表角质皮层 表皮层 此层为死层辐射对其产生的效应无关紧要 深部个人剂量当量Hp d 和浅表个人剂量当量Hs d 用于个人监测 周围剂量当量和定向剂量当量用于环境监测 6 一些确定性效应的阈值 根据辐射事故所致人的急性放射病临床观察和研究 人的外照射急性放射病可分为3种类型 骨髓型急性放射病 照射剂量范围为1 10Gy 这是临床上较多见的急性放射病 以骨髓等造血组织损伤为基本病变 白细胞减少 感染及出血为主要临床表现 具有典型的阶段性病程 可区分为初期 假愈期 极期和恢复期 根据其严重程度可将其分为4度 即轻 中 重和极重度 其受照剂量下限可大致分别被确定为1 2 4和6Gy 胃肠型急性放射病 病程阶段性不明显 照射剂量范围多在10 50Gy 以肠道损伤为基本病变 临床出现频繁呕吐 腹泻 水电解质代谢紊乱 3 5天后进人极期 出现造血功能障碍 通常于2 3周内死亡 脑型急性放射病 病程阶段性不明显 照射剂量范围多在50Gy以上 以脑组织损伤为基本病变 临床出现意识障碍 抽搐 震颤等中枢神经系统症状 通常在1 3天内 死亡 前苏联切尔诺贝利核电站事故现场紧急处理受害者共225名 其中死亡4名 需要治疗的143名人员中送往莫斯科115名 其中死亡27名 大面积 射线皮肤烧伤死亡19名 骨髓型死亡6名 胃肠型死亡2名 即事故共死亡31名 一些生物效应的剂量阈值 四 剂量测量的基本方法 辐射测量的重点是让辐射粒子与探测介质发生作用产生可探测的信号 而剂量测量的重点则是通过辐射测量的结果推算或测量出沉积能量的多少 下面分别介绍吸收剂量和剂量当量的几种基本测量方法 1 电离方法测量吸收剂量电离方法是最早用来测量剂量的方法 采用电离方法测量吸收剂量时 需要先通过测量电离辐射与物质相互作用过程中产生的次级粒子的电离电荷量 然后利用平均电离能计算得出电离辐射所沉积的能量即吸收剂量 1 中低能X 射线吸收剂量的测量 自由空气电离室 可测照射量和空气的比释动能 大气压下的自由空气电离室适用的X或 射线的能量范围一般限于50keV 3MeV之间 当射线能量大于3MEV时 由于次级电子射程较长 为满足电子平衡条件需要建立一个很大的自由空气电离室或充以高气压的电离室 这在技术上有较大的困难 2 高能X 电离辐射吸收剂量测量 空腔电离室 可测照射量 可测中子的吸收剂量 3 电子束吸收剂量测量 外推电离室 2 其他方法测量吸收剂量1 量热方法我们知道 电离辐